一种基于NMOS调整管的线性稳压电路的制作方法

一种基于nmos调整管的线性稳压电路
技术领域
1.本发明涉及电源管理集成电路技术领域，具体为一种基于nmos调整管的线性稳压电路。


背景技术：

2.线性稳压电源因其具备小体积、低噪声和低成本的优势，在电源领域获得了广泛的使用，线性稳压电源电路的调整管通常有p型mos管和n型mos管两种，中国专利cn101122804(公开时间为：20080213)、中国专利cn101957625a(公开时间为：20110126)、中国专利cn102279612a(公开时间为：20111214))公开了采用基于p型mos调整管的线性稳压电路，然而在其他条件一样的情况下，采用基于n型mos调整管的线性稳压电路会比基于p型mos调整管的线性稳压电路，成本更低、瞬态响应更快、电源噪声抑制更好、补偿更灵活；
3.现有技术中，如中国专利cn108153364a(公开时间为：20180612)公开了一种采用n型mos调整管的线性稳压电路，但其采用的调整管的栅极电压最高只能达到输入电压，这将导致输出电压只能比输入电压低一个n型mos调整管的导通电压，不具备低压差工作条件，使用场合存在限制；如美国专利us6600299和美国专利us8760131公开了一种采用n型mos调整管的线性稳压电路，利用电荷泵，使其能可在低电压差下工作，但存在一定缺点：首先，一部分电路(如驱动器)需要工作在电荷泵电压域，这会增加对电荷泵驱动能力的要求，使电路结构复杂化；其次，由于电荷泵提升了n型调整管的栅极电压，该电压通常高于薄栅氧工艺下的栅氧耐压，会存在工艺兼容的问题；
4.因此，基于n型的mos调整管的线性稳压电路仍然存在电路结构复杂、不具备低压差工作条件、与薄栅氧工艺不兼容等问题。
5.所以，人们需要一种基于nmos调整管的线性稳压电路来解决上述问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种基于nmos调整管的线性稳压电路，以解决上述背景技术中提出的问题。
7.为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于nmos调整管的线性稳压电路，所述电路包括：偏置电压产生电路、分压反馈电路、振荡器电路、电荷泵电路；
8.所述偏置电压产生电路用于产生偏置电压，所述分压反馈电路用于将输出电压分压得到反馈电压，并将反馈电压进行放大后输入到所述振荡器电路，所述振荡器电路用于产生振荡信号，将产生的振荡信号输入到所述电荷泵电路中，所述电荷泵电路用于调节nmos调整管的栅极电压后得到输出电压；
9.所述分压反馈电路包括电阻r3、电容c1、电阻r1、电阻r2、放大器a1、电压源v1和nmos管mn2，所述电阻r3的一端连接输出vout，另一端连接地gnd，所述电容c1的上极板连接输出vout，下极板连接地gnd，所述电阻r1的一端连接输出vout，另一端连接电阻r2的一端vfb，所述电阻r2的另一端连接地gnd，所述放大器a1的正端连接vfb，负端连接电压源v1的
正端vref，所述放大器a1的输出端连接nmos管mn2的栅端vea，所述nmos管mn2的源端连接地gnd，所述电压源v1的负端连接地gnd。
10.进一步的，所述偏置电压产生电路包括电流源i1、pmos管、和nmos管mn3，所述电流源i1的一端连接pmos管mp1的漏端vpg，另一端连接地gnd，所述pmos管mp1的栅端连接所述电流源i1的一端vpg，漏端连接vpg；所述pmos管mp1、pmos管mp2、pmos管mp3和pmos管mp4的源端连接输入vin，所述pmos管mp2、pmos管mp3和pmos管mp4的栅端连接vpg，所述pmos管mp2的漏端连接vng，所述pmos管mp3的漏端连接vcn，所述pmos管mp4的漏端连接vramp，pmos管mp5的源端连接vcn，所述pmos管mp5的栅端连接vng，所述pmos管mp5的漏端连接地gnd，所述nmos管mn3的源端连接地gnd，所述nmos管mn3的栅端连接vng，所述nmos管mn3的漏端连接vng。
11.进一步的，所述振荡器电路包括电容c2和osc模块，所述电容c2的上极板连接vramp，下极板连接地gnd，所述osc模块的一端输入连接vramp，另一端通过vosc输出连接电荷泵电路的输入端；
12.所述电荷泵电路包括电荷泵、电容c3和nmos管mn1，所述电荷泵的一个输入端连接输入vin，另一个输入端连接vosc，输出端连接vgt，所述nmos管mn1的源端连接输出vout，栅端连接vgt，漏端连接输入vin，所述电容c3的上极板连接vgt，下极板连接vcn，通过将vgt作为一个受负反馈环路控制的信号，由电荷泵升压控制，可以高于vin，因此vout可以很接近vin，解决了低电压差的工作问题，且电路结构简单，开销较少。
13.进一步的，所述nmos管mn2的漏端连接振荡器电路的输入端vramp。
14.进一步的，所述线性稳压电路还包括预稳压电路，所述预稳压电路包括nmos管mn4、nmos管mn5、nmos管mn6、nmos管mn7和电阻r4，所述nmos管mn7的源端与所述电荷泵电路连接，栅端连接vgt2，漏端连接输入vin，所述电阻r4的一端连接输入vin，另一端通过vgt2连接nmos管mn6的漏端，所述nmos管mn6的源端连接vmid1，栅端连接vgt2，所述nmos管mn5的源端连接vmid2，栅端和漏端连接vmid1，所述nmos管mn4的源端连接地gnd，栅端和漏端连接vmid2，加入预稳压电路，产生电压vpre，使得线性稳压电路能够工作在vin电压很高的场合，保证了小尺寸器件的安全工作。
15.进一步的，所述偏置电压产生电路包括电流源i1、pmos管、和nmos管mn3，所述电流源i1的一端连接pmos管mp1的漏端vpg，另一端连接地gnd，所述pmos管mp1的栅端连接所述电流源i1的一端vpg，漏端连接vpg；所述pmos管mp1、pmos管mp2、pmos管mp3的源端通过vpre连接预稳压电路，所述pmos管mp2和pmos管mp3的栅端连接vpg，所述pmos管mp2的漏端连接vng，所述pmos管mp3的漏端连接vcn，pmos管mp5的源端连接vcn，所述pmos管mp5的栅端连接vng，所述pmos管mp5的漏端连接地gnd，所述nmos管mn3的源端连接地gnd，所述nmos管mn3的栅端连接vng，所述nmos管mn3的漏端连接vng。
16.进一步的，所述振荡器电路包括osc模块，所述osc模块的输出vosc连接电荷泵电路的输入端；
17.所述电荷泵电路包括电荷泵、电容c3、电阻r5和nmos管mn1，所述电荷泵的一个输入端通过vpre与所述预稳压电路连接，另一个输入端连接固定时钟vosc，输出端连接vcp，所述电阻r5的一端连接电荷泵的输出端vcp，另一端连接vgt，所述nmos管mn1的源端连接输出vout，栅端连接vgt，漏端连接输入vin，所述电容c3的上极板连接vgt，下极板连接vcn，通
过控制电压vea直接控制vgt的电压，带动vout的上升和下降，提升了线性稳压电路的瞬态响应能力。
18.进一步的，所述nmos管mn2的漏端连接vgt。
19.进一步的，所述电容c3采用薄栅氧mos管电容，所述电容c3的上极板为mos管栅极，电荷泵都需要泵电容来存放电荷，泵电容一般容值很大，采用mos管电容，降低了成本；
20.通过所述偏置电压产生电路产生偏置电压vcn，所述偏置电压vcn连接有电容c3，所述电容c3的下极板与偏置电压vcn连接，所述电容c3用于存放电荷，通过所述偏置电压vcn将电容c3的下极板抬高，控制电容c3两端的电压差在薄栅氧工艺的耐压范围之内，避免了电荷泵的输出vcp电压过高，损坏器件，保证了能够和薄栅氧工艺完全兼容。
21.进一步的，所述电容c1为输出电容，所述电阻r3为输出负载，通过所述电阻r1和电阻r2构成分压电路，将vout分压后的信号输入到所述放大器a1，所述放大器a1将输入的分压信号与电压源v1产生的基准电压信号相减并放大得到控制电压vea，通过vea控制所述nmos管mn2流过的电流。
22.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
23.本发明提出了一种基于nmos调整管的线性稳压电路，相比于pmos调整管的线性稳压电路，具有低成本、瞬态响应速度快、电源噪声抑制更好、补偿更灵活的效果；相较于现有技术而言，通过加入预稳压电路使得线性稳压电路能够工作在vin电压很高的场合，保证了薄栅氧器件的安全工作；通过偏置电压产生电路产生的偏置电压vcn将泵电容的下极板抬高，保护泵电容两端的电压差在薄栅氧工艺的耐压范围之内，避免了电荷泵的输出vcp电压过高，损坏器件，保证了能够和薄栅氧工艺完全兼容；通过控制电压vea直接控制vgt的电压，带动vout的上升和下降，提升了线性稳压电路的瞬态响应能力，通过电荷泵升压控制nmos调整管的栅极电压，使其可以高于vin，解决了低电压差的工作问题。
附图说明
24.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
25.图1是本发明实施例提供的一种基于nmos调整管的线性稳压电路的结构示意图；
26.图2是本发明实施例提供的另一种基于nmos调整管的线性稳压电路的结构示意图；
27.图3是本发明实施例提供的另一种基于nmos调整管的线性稳压电路的结构示意图；
28.图4是本发明实施例提供的一种基于nmos调整管的线性稳压电路的第一仿真波形图；
29.图5是本发明实施例提供的一种基于nmos调整管的线性稳压电路的第二仿真波形图。
具体实施方式
30.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
31.下面结合图1-图5和具体实施例对本发明作进一步的说明。
32.实施例一：
33.如图1所示，一种基于nmos调整管的线性稳压电路，电路包括：偏置电压产生电路、分压反馈电路、振荡器电路和电荷泵电路；
34.偏置电压产生电路用于产生偏置电压，分压反馈电路用于将输出电压分压得到反馈电压，并将反馈电压进行放大后输入到振荡器电路，振荡器电路用于产生振荡信号，将产生的振荡信号输入到电荷泵电路中，电荷泵电路用于调节nmos调整管的栅极电压后得到输出电压；
35.偏置电压产生电路包括电流源i1、pmos管、和nmos管mn3，电流源i1的一端连接pmos管mp1的漏端vpg，另一端连接地gnd，pmos管mp1的栅端连接电流源i1的一端vpg，漏端连接vpg；pmos管mp1、pmos管mp2、pmos管mp3和pmos管mp4的源端通过连接输入vin，pmos管mp2、pmos管mp3和pmos管mp4的栅端连接vpg，pmos管mp2的漏端连接vng，pmos管mp3的漏端连接vcn，pmos管mp4的漏端连接vramp，pmos管mp5的源端连接vcn，pmos管mp5的栅端连接vng，pmos管mp5的漏端连接地gnd，nmos管mn3的源端连接地gnd，nmos管mn3的栅端连接vng，nmos管mn3的漏端连接vng，电流源i1提供偏置电流，与pmos管mp1、mp2、mp3、mp4、mp5以及nmos管mn3共同组成了电流镜；
36.振荡器电路包括电容c2和osc模块，电容c2的上极板连接vramp，下极板连接地gnd，osc模块的一端输入连接vramp，另一端通过vosc输出连接电荷泵电路的输入端；
37.电荷泵电路包括电荷泵、电容c3和nmos管mn1，电荷泵的一个输入端连接输入vin，另一个输入端连接vosc，输出端连接vgt，nmos管mn1的源端连接输出vout，栅端连接vgt，漏端连接输入vin，电容c3的上极板连接vgt，下极板连接vcn；
38.电荷泵需要电容c3来存放电荷，稳定电荷泵的输出，该电容一般容值很大，为降低成本，c3一般采用薄栅氧mos管电容实现，由于这一电容的上极板为mos管栅极，电路中连接vgt，该电压通常超过了薄栅氧工艺的栅氧耐压，通过偏置电压产生电路产生偏置电压vcn，电容c3的下极板与偏置电压vcn连接，通过偏置电压vcn将电容c3的下极板抬高，控制电容c3两端的电压差在薄栅氧工艺的耐压范围之内；
39.分压反馈电路包括电阻r3、电容c1、电阻r1、电阻r2、放大器a1、电压源v1和nmos管mn2，电阻r3的一端连接输出vout，另一端连接地gnd，电容c1的上极板连接输出vout，下极板连接地gnd，电阻r1的一端连接输出vout，另一端连接电阻r2的一端vfb，电阻r2的另一端连接地gnd，放大器a1的正端连接vfb，负端连接电压源v1的正端vref，放大器a1的输出端连接nmos管mn2的栅端vea，nmos管mn2的源端连接地gnd，漏端连接振荡器电路的输入端vramp，电压源v1的负端连接地gnd，本发明提出的一种基于nmos调整管的线性稳压电路基本原理如下，该稳压电路基于负反馈原理：首先将输出电压vout分压得到反馈电压vfb，并将反馈电压vfb与一基准电压信号v1相减后放大，从而得到一控制电压vea，控制电压vea与输出电压vout为同相信号，输出电压vout越低，控制电压vea则越低，输出电压vout越高，控制电压vea则越高；其次该稳压电路通过控制电压vea控制mn2的电流，vea与流过mn2的电流同相，vea越高，流过mn2的电流越大，该电流与mp4管流过的电流相减后通过osc模块对电容c2进行充放电，产生一周期信号vosc，vosc的频率随流过c2的电流增大而增大，因此vosc的频率与控制电压vea的极性相反，控制电压vea越高，vosc的频率越慢，控制电压vea越低，
vosc的频率越快；再次，电荷泵模块在vosc的控制下，将vin电压升高至vgt输出，电压vgt与vosc的频率成正比，vosc的频率越快，vgt则越高，反之vosc的频率越慢，vgt则越低；最后vgt作为nmos调整管mn1的栅极电压，vgt降低一个mn1栅源开启电压就得到了输出电压vout。由此可见，当vout电压降低时，该负反馈环路会让控制电压vea降低，周期信号vosc的频率加快，电压vgt升高来最终抵消vout电压的降低。反之当vout电压降低时，该负反馈环路也会让控制电压vea降低，周期信号vosc的频率变慢，电压vcp降低来最终抵消vout电压的升高。之前在背景中提到，很多采用n型mos调整管的稳压电路在vin、vout电压差较低的情况下不能正常工作，这是因为它们n型mos调整管的栅极电压的最高只能是vin，所以vout最高只能等于vin减去一个开启电压。但本发明通过将vgt作为一个受负反馈环路控制的信号，由电荷泵升压控制，可以高于vin，所以vout可以很接近vin，很好地解决低电压差的工作问题。且电路结构简单，开销较少。
40.实施例二：如图2所示，一种基于nmos调整管的线性稳压电路，电路包括：偏置电压产生电路、分压反馈电路、振荡器电路、电荷泵电路和预稳压电路；
41.偏置电压产生电路用于产生偏置电压，分压反馈电路用于将输出电压分压得到反馈电压，并将反馈电压进行放大后输入到振荡器电路，振荡器电路用于产生振荡信号，将产生的振荡信号输入到电荷泵电路中，电荷泵电路用于调节nmos调整管的栅极电压后得到输出电压；
42.在图1所示的线性稳压电路的基础上加入了预稳压电路，预稳压电路包括nmos管mn4、nmos管mn5、nmos管mn6、nmos管mn7和电阻r4，nmos管mn7的源端与电荷泵电路连接，栅端连接vgt2，漏端连接输入vin，电阻r4的一端连接输入vin，另一端通过vgt2连接nmos管mn6的漏端，nmos管mn6的源端连接vmid1，栅端连接vgt2，nmos管mn5的源端连接vmid2，栅端和漏端连接vmid1，nmos管mn4的源端连接地gnd，栅端和漏端连接vmid2，在薄栅氧工艺条件下，很多小尺寸器件不能承受高电压，预稳压电路通过产生电压vpre保证了小尺寸器件的安全工作，使得稳压电路能够工作在vin电压很高的场合，该实施例在具备实施例一所有优点的同时，额外具备了宽输入电压范围的优点。
43.实施例三：如图3-图5所示，一种基于nmos调整管的线性稳压电路，电路包括：偏置电压产生电路、分压反馈电路、振荡器电路、电荷泵电路和预稳压电路；
44.偏置电压产生电路用于产生偏置电压，分压反馈电路用于将输出电压分压得到反馈电压，并将反馈电压进行放大后输入到振荡器电路，振荡器电路用于产生振荡信号，将产生的振荡信号输入到电荷泵电路中，电荷泵电路用于调节nmos调整管的栅极电压后得到输出电压；
45.线性稳压电路还包括预稳压电路，预稳压电路包括nmos管mn4、nmos管mn5、nmos管mn6、nmos管mn7和电阻r4，nmos管mn7的源端与电荷泵电路连接，栅端连接vgt2，漏端连接输入vin，电阻r4的一端连接输入vin，另一端通过vgt2连接nmos管mn6的漏端，nmos管mn6的源端连接vmid1，栅端连接vgt2，nmos管mn5的源端连接vmid2，栅端和漏端连接vmid1，nmos管mn4的源端连接地gnd，栅端和漏端连接vmid2；
46.偏置电压产生电路包括电流源i1、pmos管、和nmos管mn3，电流源i1的一端连接pmos管mp1的漏端vpg，另一端连接地gnd，pmos管mp1的栅端连接电流源i1的一端vpg，漏端连接vpg；pmos管mp1、pmos管mp2、pmos管mp3的源端通过vpre连接预稳压电路，pmos管mp2和
pmos管mp3的栅端连接vpg，pmos管mp2的漏端连接vng，pmos管mp3的漏端连接vcn，pmos管mp5的源端连接vcn，pmos管mp5的栅端连接vng，pmos管mp5的漏端连接地gnd，nmos管mn3的源端连接地gnd，nmos管mn3的栅端连接vng，nmos管mn3的漏端连接vng；
47.振荡器电路包括osc模块，osc模块的输出vosc连接电荷泵电路的输入端；
48.电荷泵电路包括电荷泵、电容c3、电阻r5和nmos管mn1，电荷泵的一个输入端通过vpre与预稳压电路连接，另一个输入端连接固定时钟vosc，输出端连接vcp，电阻r5的一端连接电荷泵的输出端vcp，另一端连接vgt，nmos管mn1的源端连接输出vout，栅端连接vgt，漏端连接输入vin，电容c3的上极板连接vgt，下极板连接vcn，与实施例二相比，删除了pmos管mp4和电容c2，将可变频率的vosc变成一个固定频率的vosc信号，使得电荷泵的输出由一个受环路控制的可调电压vgt变成了一个固定的电压vcp，通过vcp减去r5上的电压得到vgt；
49.分压反馈电路包括电阻r3、电容c1、电阻r1、电阻r2、放大器a1、电压源v1和nmos管mn2，电阻r3的一端连接输出vout，另一端连接地gnd，电容c1的上极板连接输出vout，下极板连接地gnd，电阻r1的一端连接输出vout，另一端连接电阻r2的一端vfb，电阻r2的另一端连接地gnd，放大器a1的正端连接vfb，负端连接电压源v1的正端vref，放大器a1的输出端连接nmos管mn2的栅端vea，nmos管mn2的源端连接地gnd，漏端连接vgt，电压源v1的负端连接地gnd；
50.首先，将输出电压vout分压得到反馈电压vfb，将反馈电压vfb与基准电压信号v1相减后放大，从而得到控制电压vea，控制电压与输出电压vout为同相信号，输出电压vout越低，控制电压vea越低；其次，通过控制电压vea控制流过mn2的电流，直接控制vgt的电压，由于电荷泵电路的输出vcp为固定电压，所以当控制电压vea下降的时候，mn2流过的电流就会下降，电阻r5上的压降就会减小，vgt电压就会上升，带动vout上升；当控制电压vea上升的时候，mn2流过的电流就会增加，电阻r5上的压降就会增大，vgt电压就会下降，促使vout下降，提升了线性稳压电路的瞬态响应能力；
51.图4和图5是实施例三中线性稳压电路的仿真波形图，由图4可知，在输入vin＝5.1v的条件下，mn1的栅极电压vgt被电荷泵抬升至6.14v，线性稳压电路的输出vout＝4.95v；由图5可知，在输入vin＝20v的条件下，vgt被电荷泵抬升至5.98v，线性稳压电路的输出vout＝4.96v，实现了线性稳压电路宽输入范围和低压差的功能，验证了本发明的正确性和有效性。
52.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。