一种低噪声基准电路及其低压差线性稳压电路的制作方法

1.本发明属于集成电路技术领域，涉及电源管理芯片，为一种单片式带快速启动的基准电路及其低压差线性稳压电路。


背景技术：

2.随着便携式电子产品的广泛使用于工作和生活的各个方面，其对供电电源的性能提出了更高的要求，尤其是系统的抗干扰能力、低电压工作能力以及低功耗等等。低压差稳压器ldo由基准电压vref、误差放大器ea、反馈分压电阻r1、r2和传输管组成，如图1所示。输出电流通过传输管提供，传输管的栅极电压由误差放大器控制，误差放大器将基准电压和反馈电压vfb进行比较，然后放大两者的差值以便减小误差电压。如果反馈电压低于基准电压，传输晶体管的栅极电压将被拉低，允许更多的电流通过，进而提高输出电压，如果反馈电压高于基准电压，传输晶体管的栅极电压将被拉高，进而限制电流流动、降低输出电压。ldo可以提供优良的抗电源干扰能力以及低噪声特性，被广泛应用于电路设计中，但是为了实现数hz级的滤波频率，通常低噪声结构都需要外接去噪声电容，在输入和输出使用电容来滤除噪声和控制负载瞬态变化，这就需要增加封装管脚以及使用外置的滤波电容。如图1所示为常规的采用外置去噪声电容的线性稳压器方案，内部设有噪声滤波电阻r
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，而其噪声滤波电容为外置c
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电容。基准电压通过内部阻值非常大的电阻r
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和外置c
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电容来滤除噪声，外置电容的设计限制了应用方案的尺寸，芯片面积和成本大幅增加，因此并不适用于目前的便携式设备的发展趋势。尤其是目前的智能手机的摄像头应用中，为了提供高质量的成像效果，需要将给摄像头图像传感器供电的低噪声线性稳压器集成到摄像头中，pcb板的空间极其有限，迫切需要高集成度的方案来简化外围器件，并缩小芯片尺寸和厚度。


技术实现要素：

3.本发明要解决的问题是：现有线性稳压器需要外置电路来降低基准电压的噪声，限制了线性稳压器芯片的尺寸，芯片面积和成本无法降低，尤其不适用于便携式设备的小尺寸应用需求。
4.本发明的技术方案为：一种低噪声基准电路，将基准电压vref升压到额定电压vref2，基准放大器ea0的输出连接一噪声滤波器，噪声滤波器由滤波电容以及一个电流源组成，电流源构成百兆级别的电阻，噪声滤波器将vref2滤波后的输出低噪声基准电压vf作为基准输出，基准电路包括基准放大器ea0、反馈电阻r1和r2、p型场效应管p4、偏置电流源bias、噪声旁路电容cbypass和启动电路，启动电路控制一开关s1，噪声旁路电容cbypass和偏置电流源bias作为滤波电容和电流源构成噪声滤波器，电路连接为：基准放大器ea0的负端接基准电压vref，基准放大器ea0的输出端接场效应管p4的栅极，p4的源衬相接，并连接输入电压vin，p4的漏端输出额定电压vref2，并通过反馈电阻r1和r2分压产生反馈电压vfb，反馈电压vfb输入基准放大器ea0的正端，额定电压vref2=vref*(r1+r2)/r2，偏置电流
源bias和噪声旁路电容cbypass串联构成噪声滤波器，vref2经噪声滤波器滤波后输出低噪声基准电压vf，其中，开关s1与偏置电流源bias并联，启动电路控制开关s1，在基准电路启动时，启动电路控制开关s1使vref2对噪声旁路电容cbypass充电。
5.进一步的，地电位和p4的漏端之间串联一个由r0和c0组成的rc电路，用于稳定vref2输出电压环路。
6.进一步的，基准放大器ea0包括pmos管p1、p2、p3，nmos管n1、n2、n3、n4，电阻rc和电容cc，pmos管p1、p2、p3、p4均源衬相接，并连接至vin；p1栅漏相接，连接p2栅极和n1的漏极，n1栅极接基准电压vref，n1和n2源衬相接，并一起连接至n3漏极，n3和n4源衬相接，并连接至地电位，n3和n4栅极施加偏置电压b-，n2漏极和p2漏极相接，并连接至p3的栅极，p3的栅漏之间为串联电阻rc和电容cc，p3的漏极连接p4的栅极以及n4的漏极，p4漏极输出vref2，vref2经反馈电阻r1和r2输出反馈电压vfb，vfb输出至n2栅极。
7.进一步的，偏置电流源bias包括pmos管p5、p6和nmos管n5，启动电路及开关s1包括pmos管p7、p8、p9，nmos管n6、n7、n8，电容cd和反向施密特触发器sff，n6和p7构成开关s1，其中，p5和p6源衬相接，并连接额定电压vref2，p5栅漏相接后分别连接p6栅极和n5漏极，n5源衬相接并接地，n5栅极施加偏置电压b-，p6漏极经噪声旁路电容cbypass接地；同时p6漏极还连接至n6的源衬以及p7的漏极，额定电压vref2分别连接n6的漏极和p7的源衬，n6的栅极连至反向施密特触发器sff的输出端，p7栅极连至反向施密特触发器sff的输入端、p9的漏极和n8的漏极，p9和p8的源衬相接并连接至vin，p9漏极串联电容cd后接地，n7和n8的源衬相接并连接至地，p8漏极接n7的漏极，并连接n8的栅极，p8的栅极接基准电路的使能端enable，p9的栅极施加偏置电压b+，n7的栅极施加偏置电压b-。
8.本发明还提供一种具有低噪声基准电路的低压差线性稳压电路，包括基准电路和单位增益误差放大器，所述基准电路为上述的低噪声基准电路，输出的低噪声基准电压vf作为基准提供给单位增益误差放大器，实现内置噪声滤波功能的单片式低压差线性稳压电路。
9.进一步的，作为一种实现方式，单位增益误差放大器由误差放大器ea1和增强型pmos管ppower构成，误差放大器ea1的输出端接ppower的栅极，ppower的源衬相接，并连至输入电压vin，漏端为低压差线性稳电路的输出vout，误差放大器ea1的负相端接低噪声基准电压vf，正相端接反馈的输出vout，输出vout连接一nmos管n9的漏端，n9的源衬相接，并接至地，n9栅极施加偏置电压b-。
10.进一步的，作为另一种实现方式，单位增益误差放大器由误差放大器ea2、nmos管n10、nmos管p10、及增强型pmos管ppower构成，误差放大器ea2的输出端接n10栅极，n10源衬相接后接地，漏极连接至p10和ppower的栅极，p10栅漏相接，p10和ppower的源衬均连至输入电压vin，ppower漏端为低压差线性稳电路的输出vout，误差放大器ea2的正相端接低噪声基准电压vf，负相端接反馈的输出vout，输出vout连接一nmos管n9的漏端，n9的源衬相接，并接至地，n9栅极施加偏置电压b-。
11.为解决现有技术在高集成度应用的缺陷，本发明提供一种单片式带快速启动的超低噪声基准和线性稳压器，通过引入新的电路架构，在实现超低噪声性能的基础上，能够简化外围器件，显著减小芯片面积。本发明通过引入基准放大器将基准电压升压到额定电压，基准放大器输出到噪声滤波器，噪声滤波器由在芯片内部引入的滤波电容以及电流源做的
大电阻组成。由于到基准放大器的输出被提供给噪声滤波器，该噪声滤波器可以有效抑制基准电压和基准放大器产生的噪声。同时，本发明引入快速启动电路，可以在基准启动瞬间，提前给噪声旁路电容cbypass充电，避免滤波器大数值的电阻和电容导致基准电压上升缓慢，影响使用其作为基准电压的电路的正常工作。在此基础上，本发明还提出低压差线性稳压器电路，在低噪声基准的基础上，配合单位增益误差放大器，无需常规ldo电路对输出电压设计的反馈电阻，从而消除了输出端反馈电阻的噪声。本发明低压差线性稳压器电路中，低噪声基准电压提供给线性稳压器的单位增益误差放大器的反相输入，该误差放大器的非反相输入连接反馈的输出电压vout，单位增益误差放大器的输出控制传输晶体管的栅极，该传输晶体管连接在本发明低压差线性稳压器的输入电压vin和输出电压vout之间。
12.综上所述，本发明提出的单片式带快速启动的低噪声基准和线性稳压器，利用低噪声基准和单位增益放大器，消除线性稳压器输出端反馈电阻，从而避免反馈电阻的噪声，利用电流源替代大尺寸电阻，并和内部滤波电容结合来滤波，本发明设计的电路利用mos管组合代替传统大面积的电阻，因而面积小，虽然器件个数多，但是mos管尺寸非常小，总体占用面积仍然小于现有的大阻值滤波电阻，且本发明实现滤波无需外围电路；同时本发明引入快速启动电路保证基准电压的上电速度，综合以上电路架构的改进措施，可以在显著降低ldo电路噪声的基础上明显降低成本，简化芯片的外围电路。
附图说明
13.图1为现有常规的采用外置去噪声电容的线性稳压器方案。
14.图2为本发明的单片式带快速启动的低噪声基准架构图。
15.图3为本发明的单片式带快速启动的低噪声基准电路。
16.图4为本发明的单片式带快速启动的低噪声基准电路和线性稳压器。
17.图5为本发明的另一线性稳压器实现方式。
具体实施方式
18.本发明提出一种新电路结构的基准电路及其线性稳压器，采用低噪声基准和单位增益误差放大器，实现超低噪声线性稳压器。对比图1的现有技术，对基准电压vref不需使用大尺寸电阻r
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和外置c
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电容来滤除噪声，而是对线性稳压器的基准电压vref配置基准放大器，将基准电压升压到额定电压，基准放大器的输出连接一噪声滤波器来滤除基准电压中的噪声，噪声滤波器由在芯片内部引入的滤波电容以及电流源构成的大电阻组成。在线性稳压器电路中，噪声滤波器输出的低噪声基准连接至线性稳压器的误差放大器的反相输入，误差放大器的非反相输入直接连接线性稳压器的输出端vout，去除了现有线性稳压器输出端的反馈电阻，从而避免反馈电阻的噪声。下面结合附图具体说明本发明的实施。
19.图2为本发明的单片式带快速启动的低噪声基准架构图，vref为基准电压，ea0为基准放大器，结合反馈电阻r1和r2，共同将基准电压升高到额定电压vref2=vref*(r1+r2)/r2。p4为p型场效应管， bias为偏置电流源，cbypass为噪声旁路电容，s1为开关，受到启动电路控制，噪声旁路电容cbypass和偏置电流源bias作为滤波电容和电流源构成噪声滤波器，电路连接为：基准放大器ea0的负端接基准电压vref，基准放大器ea0的输出端接场效应管p4的栅极，p4的源衬相接，并连接ldo的输入电压vin，p4的漏端输出额定电压vref2，并通
过反馈电阻r1和r2分压产生反馈电压vfb，反馈电压vfb输入基准放大器ea0的正端，额定电压vref2=vref*(r1+r2)/r2，偏置电流源bias和噪声旁路电容cbypass串联构成噪声滤波器，vref2经噪声滤波器滤波后输出低噪声基准电压vf，其中，开关s1与偏置电流源bias并联，启动电路控制开关s1，在基准电路启动时，启动电路控制开关s1使基准电路启动时vref2对噪声旁路电容cbypass充电。
20.下面说明图2所示电路的运行原理。
21.众所周知，线性稳压器中噪声最多的部分是基准，现有基准电压都采用大尺寸的低通滤波器进行滤波。另外，高阻也是噪声的重要来源，对此，本发明设计了低通噪声滤波器，采用偏置电流源bias来代替现有技术中使用的百兆级别大电阻，从在降低噪声的同时，减小芯片面积。
22.基准放大器ea0、场效应管p4以及反馈电阻r1和r2形负反馈环路，通过比较反馈电压vfb和基准电压，从而控制场效应管p4产生稳定的输出vref2，并且vref2=vref*（r1+r2）/r2。电压vref2经过bias和噪声旁路电容cbypass形成的低通滤波器，将噪声滤除，进而输出干净的低噪声基准电压vf。而由于为了实现hz级的截止频率，bias为了形成大的电阻，需要设置成na级的偏置电流，而cbypass在百pf级别，因此上述低通滤波器存在充电时间过长的问题。为了解决这种问题，本发明特别引入开关电路s1，通过启动电路来控制提前充电。即在基准电路启动时，开关s1开启，完成vref2对噪声旁路电容cbypass的快速充电，充电后所得vf电压等于vref2，但滤除了噪声。当启动完成后，经过一定时间的延时，开关s1关断，这里的延时可根据实际使用的噪声旁路电容cbypass充电时间来设置，充电完成开关s1即可关断。本发明通过启动电路和开关s1的设计完成提前充电过程，不再影响bias和cbypass构成的低通滤波器。同时该电路可以方便的在单片芯片上实现，而不需要外置去噪声电容。
23.图3为本发明的线性稳压器基准电路的具体实现，为一种单片式带快速启动的低噪声基准电路，传统的低噪声应用，必须有一个外置的滤波电容，本发明省略了该电容，实现无需外围电路的单片式芯片。其中b+和b-分别表示pmos和nmos的偏置电压，enable为基准电路的使能控制信号。sff为反向施密特触发器。连接关系具体如下：基准放大器ea0包括pmos管p1、p2、p3，nmos管n1、n2、n3、n4，电阻rc和电容cc，pmos管p1、p2、p3、p4均源衬相接，并连接至vin；p1栅漏相接，连接p2栅极和n1的漏极，n1栅极接基准电压vref，n1和n2源衬相接，并一起连接至n3漏极，n3和n4源衬相接，并连接至地电位，n3和n4栅极施加偏置电压b-，n2漏极和p2漏极相接，并连接至p3的栅极，p3的栅漏之间为串联电阻rc和电容cc，p3的漏极连接p4的栅极以及n4的漏极，p4漏极输出vref2，vref2经反馈电阻r1和r2输出反馈电压vfb，vfb输出至n2栅极。地电位和p4的漏端之间串联一个由r0和co组成的rc电路，用于稳定vref2输出电压环路。
24.偏置电流源bias包括pmos管p5、p6和nmos管n5，启动电路及开关s1的电路包括pmos管p7、p8、p9，nmos管n6、n7、n8，电容cd和反向施密特触发器sff，其中，p5和p6源衬相接，并连接额定电压vref2，p5栅漏相接后分别连接p6栅极和n5漏极，n5源衬相接并接地，n5栅极施加偏置电压b-，n5和p5电流相同，p6从p5镜像电流，p6漏极经噪声旁路电容cbypass接地；同时p6漏极还连接至n6的源衬以及p7的漏极，额定电压vref2分别连接n6的漏极和p7的源衬，n6的栅极连至反向施密特触发器sff的输出端，p7栅极连至反向施密特触发器sff的输入端、p9的漏极和n8的漏极，p9和p8的源衬相接并连接至vin，p9漏极串联电容cd后接
地，n7和n8的源衬相接并连接至地，p8漏极接n7的漏极，并连接n8的栅极，p8的栅极接使能端enable，p9的栅极施加偏置电压b+，n7的栅极施加偏置电压b-。
25.图3所示电路的运行原理如下。
26.p1/p2/p3/n1/n2/n3/n4/rc/cc组成基准放大器ea0，并和p4/r1/r2/r0/co一起，将基准电压vref升高至输出电压vref2= vref*（r1+r2）/r2。r0和co用于vref2输出电压环路稳定。p5、p6、n5和cbypass组成rc低通滤波器。p6利用n5和p5设置偏置na级的偏置电流，从而形成百兆级别的大导通电阻，再结合百pf级的cbypass电容，从而实现hz级别的滤波效果，将vref2的噪声有效过滤，从而输出超低噪声的基准电压vf。但是该滤波电路bias形成的大电阻以及百pf级别的cbypass，会导致vf电压在秒级的时间内不能有效上升至vref2，不利于该电压的实际使用。因此，引入快速充电电路，由开关和启动电路组成。n6、n7、n8、p7、p8、p9、cd以及sff共同组成开关s1和启动电路。在启动的过程中，p9和cd可以产生一定的延时，那么在该段时间内，启动电路控制开关n6和p7保持开启，从而给cbypass电容有效充电。
27.本发明进一步提出一种具有低噪声基准电路的低压差线性稳压电路，包括上述的基准电路和单位增益误差放大器，基准电路输出的低噪声基准电压vf作为基准提供给单位增益误差放大器，实现内置噪声滤波功能的单片式低压差线性稳压电路。下面通过两个实施例说明本发明低压差线性稳压电路中采用两种单位增益误差放大器的方案。
28.图4为本发明单片式带快速启动的低噪声基准电路下的一个线性稳压器完整电路实施例。其中虚线左边为图3所示本发明的基准电路，右边为一种线性稳压器形式，电路连接关系如下。
29.单位增益误差放大器由误差放大器ea1和增强型pmos管ppower构成，误差放大器ea1的输出端接ppower的栅极，ppower的源衬相接，并连至输入电压vin，漏端为低压差线性稳电路的输出vout，误差放大器ea1的负相端接低噪声基准电压vf，正相端接反馈的输出vout，输出vout连接一nmos管n9的漏端，n9的源衬相接，并接至地，n9栅极施加偏置电压b-。
30.图4所示电路的运行原理如下。
31.ea1和ppower构成单位增益放大器，形成vout=vf，输出端没有产生噪声的反馈电阻；n9为电流源，对输出提供下拉作用。由于该线性稳压器的基准采用滤波后的超低噪声基准vf，输出端没有产生噪声的反馈电阻。而传统的线性稳压并没有低噪声基准，并且输出端有反馈电阻，而且为了实现低功耗，该电阻往往在兆欧姆级别，导致产生更大的噪声。因此，本发明的单片式带快速启动的低噪声基准电路和线性稳压器，相比于传统的线性稳压器，可以明显输出降低噪声。
32.图5为本发明的另一线性稳压器实施例。其中虚线左边为图3所列本发明的单片式带快速启动的低噪声基准电路，右边为另一种线性稳压器实现形式。电路连接关系如下。
33.单位增益误差放大器由误差放大器ea2、nmos管n10、nmos管p10、及增强型pmos管ppower构成，误差放大器ea2的输出端接n10栅极，n10源衬相接后接地，漏极连接至p10和ppower的栅极，p10栅漏相接，p10和ppower的源衬均连至输入电压vin，ppower漏端为低压差线性稳电路的输出vout，误差放大器ea2的正相端接低噪声基准电压vf，负相端接反馈的输出vout，输出vout连接一nmos管n9的漏端，n9的源衬相接，并接至地，n9栅极施加偏置电压b-。
34.图5所示电路的运行原理如下。
35.ea2、n10、p10、ppower构成单位增益误差放大器，形成vout=vf，单位增益误差放大器的输出端没有产生噪声的反馈电阻；n9为电流源，对输出提供下拉作用。由于该线性稳压器的基准采用滤波后的超低噪声基准vf，并且输出端没有产生噪声的反馈电阻，相比于传统的线性稳压器，可以明显降低输出噪声。