1。介绍gydF4y2Ba
在过去的几年里,微型传感器,医疗电子,和便携式电子产品越来越受欢迎gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba
3gydF4y2Ba ]。为了使这些产品易于使用,携带方便,且易于推广,这些产品的要求是体积小,低成本,低功耗和集成芯片上的几个函数。因此,减少这些产品的尺寸和成本是一个重要的研究方向。传统的微型传感器和医疗电子和便携式电子产品利用外部线性调节器输入电压转换为所需的电压。和外部线性稳压器通常有大尺寸和高成本,不符合要求的微型传感器和医疗电子和便携式电子产品。基于这些原因,芯片上的线性稳压器需要满足低成本、小尺寸的要求。gydF4y2Ba
在大多数的CMOS工艺,以减少半导体制造过程的复杂性和成本,制造商不提供高压晶体管。例如,一个典型的0.18gydF4y2Ba
μgydF4y2Ba m CMOS工艺通常不提供5 V晶体管。因此,一个5 V - 3.3 V线性调节器电路,它使用3.3 V CMOS晶体管取代5 V CMOS晶体管,是很重要的,因为它可以有效的降低成本和大小的产品。gydF4y2Ba
此外,微型传感器和医疗电子产品通常需要准确的参考电压和电源电压提高微型传感器的准确性和医疗电子产品。一个复杂的电子系统通常需要许多不同的参考电压,以支持不同的电路芯片的要求。这些参考电压需要有一个良好的特征温度变化。gydF4y2Ba
根据上面的概念,一个完整的芯片上的5 V - 3.3 V CMOS线性调节器(gydF4y2Ba
4gydF4y2Ba )与三输出不依赖于温度的参考电压提出了本文,可以实现高精度的要求,体积小,低成本、低功耗、稳定的输出电压,三个的输出不依赖于温度的准确的参考电压。因此,它适用于微型传感器和医疗电子和便携式电子应用程序。gydF4y2Ba
2。提出了电路gydF4y2Ba
一个线性稳压器通常由几部分组成(gydF4y2Ba
5gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba
8gydF4y2Ba ]:一个不依赖于温度的误差放大器电路、基准电路(gydF4y2Ba
9gydF4y2Ba ),一个反馈电阻网络(gydF4y2Ba
10gydF4y2Ba ,gydF4y2Ba
11gydF4y2Ba ),通过晶体管,和输出电容(gydF4y2Ba
12gydF4y2Ba ]。误差放大器电路和不依赖于温度的参考电路线性调节器的最重要的组成部分,下面讨论。gydF4y2Ba
2.1。误差放大器电路gydF4y2Ba
误差放大器电路通常在线性稳压器的性能(gydF4y2Ba
13gydF4y2Ba ,gydF4y2Ba
14gydF4y2Ba ),尤其是对误差放大器的增益,从而影响线监管的表演,负载调节和电源抑制比(PSRR)。然而,通常误差放大器的特点使之间的权衡收益和当前消费。因此,如何设计一个误差信号放大器与高增益和低电流消耗是非常重要的。gydF4y2Ba
传统的线性稳压器如图gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba 。误差放大器的增益可以大约计算了一个典型的监管机构gydF4y2Ba
(1)gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba
tgydF4y2Ba
ygydF4y2Ba
pgydF4y2Ba
我gydF4y2Ba
cgydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba
lgydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
×gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba
×gydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba
×gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba
×gydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
在哪里gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba
的晶体管跨导米gydF4y2Ba1gydF4y2Ba 和MgydF4y2Ba2gydF4y2Ba 和gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba
的晶体管跨导米gydF4y2Ba5gydF4y2Ba 和MgydF4y2Ba6gydF4y2Ba ,这些阶段是同源性疾病拓扑。gydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
设备的输出电阻米gydF4y2Ba3gydF4y2Ba 和MgydF4y2Ba4gydF4y2Ba ,gydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba
设备的输出电阻米gydF4y2Ba7gydF4y2Ba 和MgydF4y2Ba8gydF4y2Ba 。然而,传统的5 V - V线性稳压器在图3.3gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba 不能实现通过使用3.3 V晶体管。此外,(gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba )显示在图误差放大器的增益gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba 。这表明如果我们想增加误差放大器的增益,增加跨导的gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba
和gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba
是不可避免的,它需要更多的静态电流。gydF4y2Ba
图1gydF4y2Ba
传统的线性稳压器。gydF4y2Ba
图gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba 显示了提出了线性调节器,它使用共源共栅技术的设计。输入电压的下降是分散的共源共栅晶体管。因此,该电路可以使用3.3 V CMOS晶体管取代5 V CMOS晶体管。在这种情况下,监管机构提出的误差放大器的增益可以近似计算gydF4y2Ba
(2)gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba
提出了误差放大器gydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
×gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
bgydF4y2Ba
×gydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
bgydF4y2Ba
×gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
共源共栅级gydF4y2Ba
×gydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
共源共栅阶段gydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
(3)gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
共源共栅级gydF4y2Ba
≈gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
15gydF4y2Ba
rgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
15gydF4y2Ba
rgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
17gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
17gydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
bgydF4y2Ba
17gydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
rgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
15gydF4y2Ba
rgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
17gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
17gydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
bgydF4y2Ba
17gydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
rgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
15gydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
rgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
17gydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
16gydF4y2Ba
rgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
16gydF4y2Ba
rgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
18gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
18gydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
bgydF4y2Ba
18gydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
rgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
16gydF4y2Ba
rgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
18gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
18gydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
bgydF4y2Ba
18gydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
rgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
16gydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
rgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
18gydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
(4)gydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
共源共栅级gydF4y2Ba
≈gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
19gydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
bgydF4y2Ba
19gydF4y2Ba
rgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
19gydF4y2Ba
rgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
21gydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
20.gydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
bgydF4y2Ba
20.gydF4y2Ba
rgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
20.gydF4y2Ba
rgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
22gydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
在哪里gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
bgydF4y2Ba
的晶体管跨导米gydF4y2Ba11gydF4y2Ba 和MgydF4y2Ba12gydF4y2Ba 和gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
共源共栅级gydF4y2Ba
共源共栅晶体管跨导的米gydF4y2Ba15gydF4y2Ba ,米gydF4y2Ba16gydF4y2Ba ,米gydF4y2Ba17gydF4y2Ba ,米gydF4y2Ba18gydF4y2Ba 。这一阶段提供了大跨导和高输入输出隔离。gydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
bgydF4y2Ba
晶体管的输出电阻米gydF4y2Ba13gydF4y2Ba 和MgydF4y2Ba14gydF4y2Ba 。gydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
共源共栅级gydF4y2Ba
输出电阻,由设备MgydF4y2Ba19gydF4y2Ba ,米gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba ,米gydF4y2Ba21gydF4y2Ba ,米gydF4y2Ba22gydF4y2Ba 。这个阶段也是一个共源共栅级,它提供了高阻抗输出负载。比较(gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba )和(gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba ),提出了线性调节器增加了误差放大器的增益不增加当前耗散。换句话说,相比与传统的拓扑结构,提出了误差放大器可以实现相同的增益较低电流。此外,电路(M common-gate阶段gydF4y2Ba17gydF4y2Ba 和MgydF4y2Ba18gydF4y2Ba 在图gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba )也提高了输出电压与参考电压反向隔离性能。因此,无论是否输出负载变化,输入参考电压不会被打扰。参考电压也可用于其他电路芯片,同时进行。gydF4y2Ba
图2gydF4y2Ba
提出了线性调节器。gydF4y2Ba
2.2。Multioutputs不依赖于温度的参考电路gydF4y2Ba
不依赖于温度的参考电路中可能是最重要的组成部分,混合信号集成芯片。它提供了准确的参考电压为许多块在芯片内。此外,它决定了测量信号的准确性。gydF4y2Ba
在图gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba ,提出了线性调节器需要三个准确的参考电压(gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
裁判gydF4y2Ba
0.8,gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
裁判gydF4y2Ba
1.7,gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
裁判gydF4y2Ba
3.3),同时进行。传统的不依赖于温度的参考电路使用运算放大器来实现不同参考电压之间的转换。然而,这些额外的运算放大器不仅消耗的力量也增加了芯片面积。图gydF4y2Ba
3(一个)gydF4y2Ba 显示了传统的不依赖于温度的参考电路,图gydF4y2Ba
3 (b)gydF4y2Ba 显示了常规方法之间的转换不同的参考电压。gydF4y2Ba
图3gydF4y2Ba
传统的不依赖于温度的参考电路和参考电压转换电路。gydF4y2Ba
(一)gydF4y2Ba
(b)gydF4y2Ba
图gydF4y2Ba
4gydF4y2Ba 显示了提出了不依赖于温度的参考电路,这也是实现共源共栅结构。因此,它可以使用3.3 V CMOS晶体管取代5 V CMOS晶体管。共源共栅结构还提供了一个稳定的电流源电阻和是机器。gydF4y2Ba
图4gydF4y2Ba
提出的三个的输出不依赖于温度的参考电路。gydF4y2Ba
传统的不依赖于温度的参考电路增加了负温度系数和正温度系数与适当的加权零温度系数。然而,该参考电压转换电路使用不同的技术。在图gydF4y2Ba
4gydF4y2Ba ,第一个不依赖于温度的参考电压,gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
裁判gydF4y2Ba
1.7,是由上述技术,第二不依赖于温度的参考电压,gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
裁判gydF4y2Ba
0.8,是由gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
裁判gydF4y2Ba
1.7 -gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
gsMn1gydF4y2Ba
,第三不依赖于温度的参考电压,gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
裁判gydF4y2Ba
3.3,是由gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
裁判gydF4y2Ba
1.7 -gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
年代gydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
pgydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
。gydF4y2Ba
换句话说,该参考电压转换技术是实现的NMOS gate-source电压降和PMOS gate-source电压上升。此外,该参考电压可以获得准确的参考电压通过调整gydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
和gydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
3gydF4y2Ba
。根据上述技术,三个的输出不依赖于温度的参考电压电路,提出了同时提供三个准确的参考电压。这三个的输出不依赖于温度的参考电压也可用于其他电路的芯片。比标准电压转换电路,如图gydF4y2Ba
3 (b)gydF4y2Ba ,该电压转换电路实现放大器没有额外的操作,降低功耗和芯片面积。因此,适用于低成本,低功耗,体积小,高度集成的芯片系统(SoC)的应用程序。gydF4y2Ba
3所示。测量和模拟结果gydF4y2Ba
线性稳压器和三输出不依赖于温度的参考电压电路设计,台积电0.18gydF4y2Ba
μgydF4y2Ba m CMOS工艺在5 V电源电压。gydF4y2Ba
图gydF4y2Ba
5gydF4y2Ba 显示了输出电压的测量结果,它是在环境温度的范围之间−40°C和120°C。提出了线性稳压器的输出电压变化小于2.153%。它验证了输出电压和环境温度的关系很小。gydF4y2Ba
图5gydF4y2Ba
输出电压和环境温度的关系。gydF4y2Ba
一般来说,线性稳压器的沉淀时间是一个重要的规范。它是一个输出达到稳定所需的时间在负载变化时。因此,我们测量的动态电压变化和电流变化反应在轻负荷沉重,如图gydF4y2Ba
6gydF4y2Ba 和重型负载轻负荷,如图gydF4y2Ba
7gydF4y2Ba 。数据gydF4y2Ba
6gydF4y2Ba 和gydF4y2Ba
7gydF4y2Ba 还表明,提出的线性稳压器的沉降时间小于50 ns。图gydF4y2Ba
8gydF4y2Ba 显示了PSRR测量结果提出了线性调节器的60赫兹。在这个实验中,输入噪声频率是固定在60赫兹,和测量输出端口(gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
)。输入噪声幅度交流1 V输入端口(gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
DDgydF4y2Ba
)。它验证的PSRR性能提出了线性调节器是42.85 dB 60 Hz,这可以证明对AC(家庭)干扰抑制。图gydF4y2Ba
9gydF4y2Ba 显示了PSRR性能在不同输入噪声频率。他们验证提出的线性稳压器PSRR性能很好。图gydF4y2Ba
10gydF4y2Ba 仿真结果显示三个的输出不依赖于温度的参考电压。因为我们没有测量分这三个的输出不依赖于温度的参考电压在芯片设计,在这里,我们只显示仿真结果提出了三个的输出不依赖于温度的参考电压。验证,该电路可以同时提供三个不依赖于温度的参考电压。当温度变化−40°C和120°C之间,3.3 V, 1.7 V, 0.8 V参考电压范围小于0.424%,1.462%,和1.219%,分别。gydF4y2Ba
图6gydF4y2Ba
动态响应的实验结果,输出电压gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
马,输出电流从200到0(横向规模:100 ns / div;垂直规模:500 mV / div和200 mA / div)。gydF4y2Ba
图7gydF4y2Ba
动态响应的实验结果,输出电压gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
,输出电流从0到200毫安(横向规模:100 ns / div;垂直规模:500 mV / div和200 mA / div)。gydF4y2Ba
图8gydF4y2Ba
提出了线性调节器的PSRR,输入电压gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
DDgydF4y2Ba
,输出电压gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
。(水平标尺:10 ms / div;垂直规模:1000和20 mV / div,从上到下)。gydF4y2Ba
图9gydF4y2Ba
测量结果显示,PSRR性能在不同输入噪声频率。gydF4y2Ba
图10gydF4y2Ba
的模拟结果提出了三个的输出不依赖于温度的参考电压。gydF4y2Ba
提出了线性调节器的芯片显微照片显示在图gydF4y2Ba
11gydF4y2Ba 。总面积是0.38×0.42毫米gydF4y2Ba2gydF4y2Ba 。总结提出了线性调节器的特点给出了表gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba 。最后,我们比较提出了线性调节器与其他现有的线性表的监管机构gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba ,这表明该线性调节器具有较大的输出电流,负载调整率小,沉降时间更快,更小的芯片面积比其他线性调节器。此外,参考电压和偏置电路通常没有讨论的其他现有的线性稳压器的论文。论述了参考电压电路和线性稳压器电路,使电路的高完整性。此外,该电路也有准确的输出电压在不同的环境温度,也可以同时提供三个不依赖于温度的参考电压,可以提高微型传感器的准确性和医疗电子产品。gydF4y2Ba
表1gydF4y2Ba
提出了线性调节器的规范。gydF4y2Ba
5 V - 3.3 V衬管电压调节器gydF4y2Ba
技术gydF4y2Ba
台积电(TSMC) 0.18gydF4y2Ba
μgydF4y2Ba m互补金属氧化物半导体gydF4y2Ba
电源电压(V)gydF4y2Ba
5gydF4y2Ba
输出电压(V)gydF4y2Ba
3.3gydF4y2Ba
最大输出电流(马)gydF4y2Ba
200年gydF4y2Ba
温度范围(°C)gydF4y2Ba
−40 ~ 120gydF4y2Ba
温度依赖性(ppm /°C)gydF4y2Ba
284年gydF4y2Ba
静态电流(gydF4y2Ba
μgydF4y2Ba 一)gydF4y2Ba
247.6gydF4y2Ba
沉降时间(单位:纳秒)gydF4y2Ba
50gydF4y2Ba
PSRR (dB)gydF4y2Ba
−42.85 @60赫兹gydF4y2Ba
芯片尺寸:gydF4y2Ba
WgydF4y2Ba
(毫米)×gydF4y2Ba
lgydF4y2Ba
(毫米)=毫米gydF4y2Ba2gydF4y2Ba
0.38gydF4y2Ba
×gydF4y2Ba
0.42 = 0.16gydF4y2Ba
表2gydF4y2Ba
提出了线性调节器的比较其他现有的线性稳压器。gydF4y2Ba
规范gydF4y2Ba
2007年(gydF4y2Ba
4gydF4y2Ba ]gydF4y2Ba TCS-IgydF4y2Ba
2010年(gydF4y2Ba
6gydF4y2Ba ]gydF4y2Ba TCS-IIgydF4y2Ba
1998年(gydF4y2Ba
7gydF4y2Ba ]gydF4y2Ba JSSCgydF4y2Ba
2010年(gydF4y2Ba
10gydF4y2Ba ]gydF4y2Ba 微电子学gydF4y2Ba
这项工作gydF4y2Ba
过程gydF4y2Ba
0.35gydF4y2Ba
μgydF4y2Ba 米gydF4y2Ba 互补金属氧化物半导体gydF4y2Ba
0.5gydF4y2Ba
μgydF4y2Ba 米gydF4y2Ba 互补金属氧化物半导体gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
μgydF4y2Ba 米gydF4y2Ba 互补金属氧化物半导体gydF4y2Ba
0.35gydF4y2Ba
μgydF4y2Ba 米gydF4y2Ba 互补金属氧化物半导体gydF4y2Ba
0.18gydF4y2Ba
μgydF4y2Ba 米gydF4y2Ba 互补金属氧化物半导体gydF4y2Ba
电源电压(V)gydF4y2Ba
3gydF4y2Ba
4.2gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
1.8gydF4y2Ba
5gydF4y2Ba
静态电流(gydF4y2Ba
μgydF4y2Ba 一)gydF4y2Ba
65(无基准电路)gydF4y2Ba
50(没有基准电路)gydF4y2Ba
23日(没有基准电路)gydF4y2Ba
492(无基准电路)gydF4y2Ba
247.6(与基准电路)gydF4y2Ba
负载调整率(mV / mA)gydF4y2Ba
NAgydF4y2Ba
1.2gydF4y2Ba
0.4gydF4y2Ba
0.013gydF4y2Ba
0.4gydF4y2Ba
PSRR (dB)gydF4y2Ba
−53gydF4y2Ba (1 KHz)gydF4y2Ba
N /一个gydF4y2Ba
NAgydF4y2Ba
NAgydF4y2Ba
−42.85gydF4y2Ba (60 Hz)gydF4y2Ba
沉淀时间gydF4y2Ba
15我们gydF4y2Ba
4我们gydF4y2Ba
70年美国gydF4y2Ba
50纳秒gydF4y2Ba
50纳秒gydF4y2Ba
最大输出电流(马)gydF4y2Ba
50gydF4y2Ba
One hundred.gydF4y2Ba
50gydF4y2Ba
180年gydF4y2Ba
200年gydF4y2Ba
芯片尺寸(毫米gydF4y2Ba2gydF4y2Ba )gydF4y2Ba
0.12gydF4y2Ba
0.263gydF4y2Ba
1.375gydF4y2Ba
0.205gydF4y2Ba
0.16gydF4y2Ba
图11gydF4y2Ba
提出了线性调节器的芯片缩影照片。gydF4y2Ba