专利名称：带有短路保护电路的电压调整电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及带有短路保护电路的电压调整电路。更详细地说，本发明涉及带有能够限制输出电流的短路保护电路的电压调整电路。
背景技术：
响应于输入电压，以预定电压输出一个预定电流的电压调整电路被广泛地用于电子设备中。
电压调整电路是这样一种电路，即能够把激励器(driver)的输出电流转化为电压，将该电压反馈给微分放大器，把反馈电压和参考电压进行比较，并根据比较结果对激励器的激励电压进行调节，然后以预定电压由输出端输出一个预定电流。
在这样的电压调整电路中，如果因任何原因(比如，焊接桥)导致的激励器输出端和地线之间短路，反馈电压就变为0V。在这种情况下，微分放大器继续工作，增加激励器的激励电压。如微分放大器持续该工作，将会由于焦耳热的产生而出现电路断路的情况。
由于这个原因，为了在诸如输出端接地故障或者类似故障产生的情况下停止微分放大器的工作，则典型的电压调整电路具有一个短路保护电路，此处的输出端接地故障是指与地线之间短路。
结合带有短路保护电路的电压调整电路，日本专利申请公开号JP2003-173211A中公开了调节器的传统技术。
图1所示为基于传统技术的带有短路保护电路的电压调整电路结构的电路图。电压调整电路101包括调整电路102和短路保护电路103。调整电路102包括参考电压源111，放大器112，MOS晶体管113，电阻114和电阻115。短路保护电路103包括放大器122，MOS晶体管123和电阻124。
电压调整电路101将MOS晶体管113的输出电压进行分压，并将分压(divided voltage)Vb反馈给放大器112。放大器112控制MOS晶体管113的栅电压以使来自参考电压源111的参考电压VREF与反馈电压Vb一致。
放大器112的输出电压VIN，被提供给MOS晶体管113和MOS晶体管123作为栅电压Vg。
基于MOS晶体管123的输出电流的电流值IL，根据电阻124经电压转换为电压Va，并且提供给放大器122。通过分压电阻114反馈给放大器112的反馈电势Vb也供给放大器122。在具有上述结构的电压调整电路101中，短路保护电路102工作时MOS晶体管113的输出电流IOUT可由等式(1)表示。顺便说一下，等式(1)中μ代表MOS晶体管113和123的电子迁移率。COX代表MOS晶体管113、123的栅绝缘膜的固定电容。W1和L1代表MOS晶体管113的沟道宽度和沟道长度。W2和L2代表MOS晶体管123的沟道宽度和沟道长度。Ra1代表电阻124的电阻值。
IOUT=W1L1·k·Vb·L2Ra1·W2·k---(1)]]>k=μ·COX·12]]>由等式(1)可以看出，在具有上述结构的电压调整电路101中，来自MOS晶体管113的输出电流IOUT同短路保护电路103中的电阻124的电阻值Ra1成反比关系。
在半导体装置的生产过程中，电路元件的绝对值有很大变化。比如，由于构图过程中和扩散过程中的变化重叠，因此获得设计值是困难的。实际生产的电路元件包含有大约±30％的误差。
在具有传统短路保护电路103的电压调整电路101中，来自作为激励器的MOS晶体管113的输出电流IOUT同电阻124的电阻值Ra1表现为反比关系。至今发现，电阻值Ra1的变化直接和输出电流IOUT的变化相一致。
图2所示为基于传统技术的带有短路保护电路的电压调整电路的输出特性图。顺便说一下，图中曲线“a”代表短路电流的设计标准值，图中曲线“b”代表短路电流的最小值情况，图中曲线“c”代表了短路电流的最大值情况。
正如图所示，在基于传统技术的带有短路保护电路103的电压调整电路101中，即使激励器的激励电流是稳定的，实际由MOS晶体管113输出的输出电流IOUT的值也会大幅度变化。
为消除这样的变化，必须对电阻值Ra1进行调整以调整电阻器的值。这就导致了在电压调整电路生产过程中增加多道工序以及增加制造成本的问题。
顺便提及的是，在JP 2003-173211A中公开的本发明是具有模块化属性(blocking property)的短路保护电路，与上述情况类似，电阻的电阻值变化会导致输出电流的变化。
这样，带有传统短路保护电路的电压调整电路产生了一个问题，即由于受到制作上的电阻的电阻值变化影响，很难获得期望的电路属性。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一个带有短路保护电路的电压调整电路，其中可减少由电阻制作上的变化而产生的输出电流变化，并且提供用于操作电压调整电路的方法。
为了实现本发明的一个方面，本发明提出了一个电压调整电路，包括调整电路；短路保护电路，其中调整电路包括第一晶体管，和第一放大器，该第一放大器对反馈电势和参考电势的输入做出响应，输出栅电压给第一晶体管的栅，以使反馈电势和参考电势相一致，所述反馈电势是第一晶体管反馈给第一放大器的输出电势，其中短路保护电路包括第二晶体管，栅电压供给该晶体管的栅，同第二晶体管的第一端和地相连的第一电阻，同第二晶体管的第二端和电源相连的第二电阻，和对偏置电势的输入和第一端的电势做出响应给第一放大器输出控制电压以控制栅电压的第二放大器。
为了实现本发明另一个方面，本发明提出了一个用于操作电压调整电路的方法，其中电压调整电路包括调整电路；短路保护电路，其中调整电路包括包含第一栅的第一晶体管，用于输出输出电流的第三端，第四端，和第一放大器，该第一放大器包括与第一栅相连的第一输出端，与第三端相连的第三输入端，使得反馈一个与第三端的输出电势对应的反馈电势，以及与提供参考电势的参考电源相连的第四输入端，短路保护电路包括包含与第一输出端相连的第二栅的第二晶体管，第一、第二端，连接第一端和地的第一电阻，连接第二端和电源的第二电阻，包含与第一放大器控制端相连的第二输出端的第二放大器，与第一端相连的第一输入端，与第三端相连以产生反馈电势的第二输入端，本方法包括，(a)用于由第三端输出输出电流，(b)提供反馈电势给第三输入端，提供参考电势给第四输入端，(c)基于第一端的电势和反馈电势，由第一输出端输出栅电压给第一栅使得反馈电势和参考电势一致。
在本发明中，电压调整电路中第一晶体管的输出电流不是由第一电阻的电阻值决定，而是由第一电阻和第二电阻之比决定。这样，可以消除电阻的制造上的变化。因此，通过根据第一电阻和第二电阻之比确定来自第一晶体管的输出电流，可以避免制造变化的影响，能够稳定电压调整电路的输出性质。
根据本发明，提供一个带有短路保护电路的电压调整电路，其中电阻元件电阻值的变化而产生的输出电流的变化较小。
结合附图，通过下面描述，本发明的上述和其它目标，及本发明的优点和特征将会更加明显，其中图1所示为基于传统技术的带有短路保护电路的电压调整电路结构的电路图；图2所示为基于传统技术的带有短路保护电路的电压调整电路的输出特性图；图3所示为根据本发明实施例的带有短路保护电路的电压调整电路结构的电路图；图4所示为微分放大器12结构实例的电路图；图5所示为根据本发明实施例的带有短路保护电路的电压调整电路主要部分结构的电路图；图6所示为根据本发明实施例的带有短路保护电路的电压调整电路的输出特性图。
具体实施例方式
结合附图，下面将描述根据本发明的带有短路保护电路的电压调整电路的实施例。图3所示为根据本发明实施例的带有短路保护电路的电压调整电路结构的电路图。
电压调整电路1包括调整电路2和短路保护电路3。调整电路2包括一个参考电压源11和微分放大器12(第一放大器)，MOS晶体管13(第一晶体管)，第三电阻14和第四电阻15。MOS晶体管13的沟道宽度为W1，沟道长度为L1。短路保护电路3包括MOS晶体管23(第二晶体管)，放大器22(第二放大器)，第一电阻24和第二电阻25。MOS晶体管23的沟道宽度为W2，沟道长度为L2。
在电压调整电路2中，作为一个激励器的MOS晶体管13包括栅(第一栅)，同电源(图中没有显示)连接的第四端，和在结点19处用于输出输出电压VOUT的第三端。第三电阻14在结点16(第一结点)处与第四电阻15相连。第三电阻14和第四电阻15担当分压电阻功能，第三电阻在结点19处与MOS晶体管13相连。第三电阻14和第四电阻15将输出电压VOUT分为输出电压Vb和输出电压(VOUT-Vb)。对应于输出电压VOUT，结点16处的输出电压Vb被反馈给微分放大器12。即，输出电压VOUT通过第三电阻14反馈给微分放大器12(负反馈)。微分放大器12通过输出电压VIN控制MOS晶体管13的栅电压，使得来自参考电压源11的参考电压VREF和反馈电压Vb相一致。
来自微分放大器12的输出电势VIN作为栅电压Vg供给MOS晶体管23和MOS晶体管13。作为保护晶体管的MOS晶体管23包括一个栅(第二栅)，同第一电阻24在结点29处连接的第一端，以及同第二电阻25相连的第二端。流经MOS晶体管23的电流值IL经电压转化为由结点29处第一电阻24和第二电阻25之间相对比例决定的电压Va。第一电阻24和第二电阻25担当分压电阻功能。电压Va供给放大器22。从MOS晶体管13输出端(结点19)经第三电阻14反馈给微分放大器12的反馈电压Vb同时也供给放大器22。该放大器产生一个控制电压给微分放大器12。
图4所示为微分放大器12的结构实例的电路图。微分放大器12改变MOS晶体管13的栅电压Vg使来自MOS晶体管13的反馈电流的电势与参考电压VREF保持一致。但是，基于放大器22供给结点37(控制端)的输出电压，来执行该电压控制。而放大器22的输出电压的数值是基于供给它的电压Va和电压Vb之间的电势差。因此，基于供给放大器22的电压Va和电压Vb之间的电势差，将MOS晶体管13的栅电压Vg控制到该数值。
反馈电压Vb被供给MOS晶体管33的栅，参考电压VREF被供给MOS晶体管34的栅。MOS晶体管33的一端同MOS晶体管34的一端和地连接。MOS晶体管33的另一端在节点37处同MOS晶体管31的一端连接。MOS晶体管34的另一端与MOS晶体管32的一端及MOS晶体管13的栅相连。MOS晶体管31的另一端同MOS晶体管32的另一端相连，MOS晶体管13的第四端和MOS晶体管23的栅相连。MOS晶体管31的栅同MOS晶体管32的栅以及结点37相互连接。
图5所示为根据本发明实施例的带有短路保护电路的电压调整电路主要部分结构的电路图。
在本实施例中，假设流经MOS晶体管23的电流为IL，则可以建立等式(2)和等式(3)所示的关系。这里VGS1代表MOS晶体管13的栅和源极之间的电势差，VGS2代表MOS晶体管23的栅和源极之间的电势差，Ra1代表第一电阻24的电阻值，Ra2代表第二电阻25的电阻值。
IL=VaRa1---(2)]]>VGS1-VGS2＝Ra2·IL(3)另外，典型的，在MOS晶体管中，当将源极电势定义为参考电势时，VGS代表栅极电压，ID代表漏电流，可以建立等式(4)所表示的关系。这里VT代表MOS晶体管13和23的栅阈值电压。
ID=μ·COX·12·WL·(VGS-VT)2=k·(VOS-VT)2]]>∴VGS=IDk·LW+VT---(4)]]>k=μ·COX·12]]>根据本实施例，当源极电势定义为参考电势时，将等式(4)应用于电压调整电路1，栅极电势和漏电流之间的关系可以建立如下。
VSG1=IOUTk·L1W1+VT,VSG2=ILk·L2W2+VT---(5)]]>将上面等式(5)中的VGS1和VGS2代入等式(3)，可以得到等式(6)。
Ra2·IL=IOUTk·L1W1-ILk·L2W2---(6)]]>等式(6)经过变换，可以得到等式(7)。
IOUTk·L1W1=Ra2·IL+ILk·L2W2---(7)]]>等式(7)的两边同时平方，可以得到等式(8)。
IOUTk·L1W1=(Ra2·IL)2+2Ra2·IL·ILk·L2W2+ILk·L2W2---(8)]]>等将式(8)进行变换，可以得到等式(9)。
IOUT=W1L1·k·{(Ra2·IL)2+2Ra2·IL·ILk·L2W2+ILk·L2W2}---(9)]]>这里，如果MOS晶体管13的沟道长度和MOS晶体管23的沟道长度相等(即L1＝L2)，放大器22工作使得电压Va和电压Vb相等(Va＝Vb)。然后，当将等式(2)带入等式(9)时，可以得到等式(10)。
IOUT=W1L1·k·{(Ra2Ra1·Vb)2+2·Ra2Ra1·Vb·Vb·L2Ra1·W2·k+Vb·L2Ra1·W2·k}---(10)]]>k=μ·COX·12]]>这样，在根据本实施例电压调整电路1中，输出电流IOUT就可以由等式(10)表示。
在等式(10)中，等式右边第一项(后文仅称第一项)包括分子中电阻值Ra2和分母中电阻值Ra1。由于第一电阻24(Ra1)和第二电阻25(Ra2)形成在同一衬底上，各个电阻的物理属性值具有类似的变化。即，如果电阻值Ra1比设计值大10％，那么电阻值Ra2也会比设计值大10％。这样，在第一项中，电阻值的变化成为分母和分子的共因数，电阻值变化导致的影响就消除了，并且这种改变减小。
在等式(10)右边第二项(后文仅称第二项)的因子中，对于(Ra2/Ra1)，电阻值的变化同第一项一样被消除了。另外，对于((VbL2/Ra1W2k))1/2，电阻的电阻值Ra1的变化经过了(1/2)次方的作用，该作用也减小了变化的影响。
至于等式(10)右边第三项(后文仅称第三项)，它与等式(1)右边相等，它表示了具有传统短路保护电路102的电压调节器101的输出电流。也就是说，第三项受到的由于电阻的电阻值Ra1变化造成的影响与传统结构类似。
在第一项和第二项变为0的情况下，等式(10)的右边和等式(1)的右边是一样的。此处，第一项和第二项变为0的情况是指第二电阻25的电阻值(Ra2)为0。因而，第二电阻25的存在减少了等式(10)右边第三项所占的比例。而第三项是接受第一电阻24电阻值(Ra1)变化的影响比第一和第二项多的一项。因此，如果在输出电流IOUT成分中，第三项决定的成分所占的比例减小，第三项变化对于输出电流IOUT的影响也会减小。即，第二电阻25的安装减少了输出电流IOUT的变化。
此外，在等式(10)中，如为减少第三项所占比例，则确定电阻值Ra1和Ra2，不接受电阻值变化影响的成分占据输出电流IOUT的大部分。这样，输出电流IOUT的变化就变小了。也就是说，第三项很好的满足了如等式(11)所示的(第一项/(第一项+第二项+第三项))近似为0的条件。
Vb·L2Ra1·W2·μ·COX2W1L1·μ·COX2·{(Ra2Ra1·Vb)2+2·Ra2Ra1·Vb·Vb·L2Ra1·W2·μ·COX2+Vb·L2Ra1·W2·μ·COX2}≈0---(11)]]>事实上，如果(第一项/(第一项+第二项+第三项))小于等于0.1，第一电阻24制造变化对于输出电流IOUT的影响基本上就可以忽略掉了。在电压调整电路中，输出电流IOUT是设计值。这样，通过在上述等式(2)到(10)所成立的范围内确定第二电阻25的电阻值，电阻24的电阻值也就确定了。
图6所示为根据本发明实施例的带有短路保护电路的电压调整电路的输出特性图。顺便说一下，图中曲线“a”代表是短路电流的设计标准值，图中曲线“b”是短路电流的最小值情况，图中曲线c是短路电流的最大值情况。
如图所示，可以发现，在本实施例中，即使电阻值发生变化，激励器的输出电流IOUT的变化也是很小的，电阻的电阻值变化与传统电路结构相比来讲较少受到影响。
这样，在根据本实施例的带有短路保护电路3的电压调整电路1中，激励器的输出电流IOUT不是由分压电阻24和25的电阻值决定，而是由它们的相对比值决定。这样激励器(MOS晶体管13)输出电流IOUT不易受到电阻的电阻值变化的影响。
随便提及，上述实施例是本发明的优选实施例的一个实例。显然，本发明并不仅限于上述的实施例，本发明在未脱离本发明的范围和精神的情况下可以对这些实施例进行修改和变型。例如，实施例中所示的微分放大器12的结构仅是一个实例。本发明也并不仅限于此。在实施例中，通过举例说明使用MOS晶体管的结构而解释了本发明。然而，在对MOS晶体管没有任何限制的情况下，可以应用双极晶体管等。因此，在本发明中可以有各种改变。
权利要求
1.一种电压调整电路，包括调整电路；和短路保护电路，其中所述调整电路包括第一晶体管，和第一放大器，该第一放大器对参考电势和反馈电势的输入做出响应，产生一栅电压给所述第一晶体管的栅，使所述反馈电势和所述参考电势保持一致，所述反馈电势是指第一晶体管反馈给所述第一放大器的输出电势。所述短路保护电路包括第二晶体管，所述栅电压供给第二晶体管的栅，与所述第二晶体管的第一端和地连接的第一电阻，与所述第二晶体管的第二端和电源连接的第二电阻，和第二放大器，该放大器对偏置电势的输入和所述第一端的电势做出响应，输出控制电压给所述第一放大器，以控制所述栅电压。
2.根据权利要求1的电压调整电路，所述第一晶体管的输出电流是基于所述第一电阻和所述第二电阻的电阻值之比确定。
3.根据权利要求1的电压调整电路，所述第二放大器的其中一个输入端与所述第一端连接，所述偏置电势被供给所述第二放大器的另一输入端，所述第二放大器的输出端与所述第一放大器的控制端连接。
4.根据权利要求1的电压调整电路，所述第一电阻和所述第二电阻形成在同一衬底上。
5.根据权利要求1的电压调整电路，其中所述偏置电势由所述第一晶体管的所述输出电势通过分压电阻进行分压后产生。
6.根据权利要求3的电压调整电路，其中所述调整电路还包括第三电阻，其一端与所述第一晶体管的一个输出端连接，和第四电阻，其一端与所述第三电阻的另一端连接、并且其另一端与地连接，所述第一放大器的一个输入端与连接着所述第三电阻和所述第四电阻的第一结点相连，所述第一放大器的另一输入端与输出所述参考电势的参考电源连接，并且所述第一放大器的输出端与所述第一晶体管的栅相连，所述偏置电势是所述第一结点处的电势。
7.根据权利要求6的电压调整电路，所述第二放大器的所述另一输入端与所述第一结点相连。
8.根据权利要求1的电压调整电路，所述第一晶体管和所述第二晶体管是MOS晶体管。
9.根据权利要求8的电压调整电路，若所述第一电阻的电阻值为R1，所述第二电阻的电阻值为R2，所述反馈电势为V，所述第一晶体管的沟道宽度为W1，所述第一晶体管的沟道长度为L1，所述第二晶体管的沟道宽度为W2，所述第二晶体管的沟道长度为L2，所述第一晶体管和所述第二晶体管的栅绝缘膜的电容为C0X，所述第一晶体管和所述第二晶体管的电子迁移率为μ，则所述电压调整电路满足如下所示关系式(a)V·L2R1·W2·μ·C0X2W1L1·μ·C0X2·{(R2R1·V)2+2·R2R1·V·V·L2R1·W2·μ·C0X2+V·L2R1·W2·μ·C0X2≈0---(a)]]>
10.一种用于操作电压调整电路的方法，其中所述电压调整电路包括调整电路；和短路保护电路，其中所述调整电路包括第一晶体管，它包括第一栅、用于输出输出电流的第三端、以及第四端，和第一放大器，该第一放大器包括与所述第一栅连接的第一输出端、与所述第三端连接的第三输入端使得对应于所述第三端的输出电势的反馈电势被反馈、和与提供参考电势的参考电源相连的第四输入端，所述短路保护电路包括第二晶体管，该晶体管包含与所述第一输出端连接的第二栅、第一端和第二端，与所述第一端和地连接的第一电阻，与所述第二端和电源连接的第二电阻，和第二放大器，该放大器包括与所述第一放大器的控制端相连的第二输出端，与所述第一端相连的第一输入端，和与所述第三端连接以便提供所述反馈电势的第二输入端，所述方法包括(a)由所述第三端输出所述输出电流(b)提供所述反馈电势给所述第三输入端，提供所述参考电势给所述第四输入端；以及(c)基于所述第一端的电势和所述反馈电势，由所述第一输出端输出栅电压给所述第一栅，以使所述反馈电势和所述参考电势一致。
11.根据权利要求10的用于操作电压调整电路的方法，其中所述步骤(C)包括(c1)提供所述栅电压给所述第二栅，(c2)提供所述第一端的所述电势给所述第一输入端，提供所述反馈电势给所述第二输入端，以及(C3)基于所述第一端的所述电势和所述反馈电势，由所述第二输出端输出一控制电压给所述第一放大器，所述控制电压控制所述栅电压以使所述反馈电势和所述参考电势保持一致。
12.根据权利要求11的用于操作电压调整电路的方法，所述第一晶体管和所述第二晶体管是MOS晶体管，以及若所述第一电阻的电阻值为R1，所述第二电阻的电阻值为R2，所述反馈电势为V，所述第一晶体管的沟道宽度为W1，所述第一晶体管的沟道长度为L1，所述第二晶体管的沟道宽度为W2，所述第二晶体管的沟道长度为L2，所述第一晶体管和所述第二晶体管的栅绝缘膜的电容为C0X，所述第一晶体管和所述第二晶体管的电子迁移率为μ，则所述电压调整电路满足如下所示关系式(a)V·L2R1·W2·μ·C0X2W1L1·μ·C0X2·{(R2R1·V)2+2·R2R1·V·V·L2R1·W2·μ·C0X2+V·L2R1·W2·μ·C0X2≈0---(a)]]>
全文摘要
一种电压调整电路，包括调整电路(2)和短路保护电路(3)。调整电路(2)包括第一晶体管(13)和第一放大器(12)。第一放大器(12)对参考电势和反馈电势做出响应，输出一个栅电压给第一晶体管(13)的栅，使得参考电势和反馈电势一致。反馈电势是来自第一晶体管(13)的反馈电势。短路保护电路(3)包括第二晶体管(23)，第一电阻(24)，第二电阻(25)和第二放大器(22)。栅电压被供给第二晶体管(23)的栅。第一电阻(24)与第二晶体管(23)的第一端和地相连。第二电阻(25)与第二晶体管(23)的第二端和电源相连。第二放大器(22)对第一端的电势和偏置电势做出响应，输出一个控制电压给第一放大器(12)来控制栅电压。
文档编号G05F1/56GK1667537SQ20051005450
公开日2005年9月14日 申请日期2005年3月8日 优先权日2004年3月8日
发明者足达正浩 申请人:恩益禧电子股份有限公司