一种5 V到3.3 V CMOS线性稳压器与三输出温度无关的参考电压

摘要

本文介绍了5 V-TO-3.3 V线性调节器电路，它使用3.3 V CMOS晶体管来更换5 V CMOS晶体管。因此，可以改善制造半导体过程的复杂性。所提出的线性调节器由Cascode架构实现，该架构需要三个不同的参考电压作为其电路的偏置电压。因此，提出了三个输出温度无关的参考电压电路，其同时提供三个精确的参考电压。该三输出不依赖温度的参考电压也可用于芯片的其他电路。通过使用所提出的温度相互关系的参考电压，所提出的线性稳压器可以提供精确的输出电压，适用于低成本，小尺寸和高度集成的片上系统（SOC）应用。此外，所提出的线性调节器采用CASCODE技术，可提高增益性能和隔离性能。因此，所提出的线性调节器具有良好的参考电压性能，以输出电压隔离。线性调节器的电压变化在-40°C-120℃的温度范围内小于2.153％，电源排斥比（PSRR）在60 Hz时小于-42.8dB。调节器可支持0〜200 mA输出电流。 The core area is less than 0.16 mm²．

1.介绍

在过去的几年中，微型传感器、医疗电子和便携式电子产品越来越受欢迎[1-3.]。为了使这些产品易于使用，易于携带，易于推广，这些产品的需求尺寸小，成本低，功耗低，并在芯片上集成了多个功能。因此，降低这些产品的尺寸和成本是重要的研究方向。传统的微型传感器和医用电子和便携式电子产品利用外部线性调节器将输入电压转换为所需的电压。外部线性调节器通常具有大尺寸和高成本，不符合微型传感器和医用电子和便携式电子产品的要求。基于这些原因，需要片上线性调节器以满足低成本和小尺寸要求。

在大多数CMOS过程中，为了降低制造半导体过程的复杂性和成本，制造商不提供高压晶体管。例如，典型的0.18 μM CMOS工艺通常不提供5 V晶体管。因此，使用3.3V CMOS晶体管的5 V-To-3.3 V线性调节器电路替换5 V CMOS晶体管，是重要的，因为它可以有效降低产品的成本和大小。

此外，微型传感器和医疗电子产品通常需要精确的参考电压和电源电压，以提高微型传感器和医疗电子设备的准确性。复杂的电子系统通常需要许多不同的参考电压来支持芯片上不同电路的要求。这些参考电压需要具有良好的特征以覆盖温度变化。

根据上述概念，整个片上5 V-TO-3.3 V CMOS线性调节器[4.本文提出了三次输出温度相互关系的参考电压，可以实现高精度，小尺寸，低成本，低功耗，稳定的输出电压和三输出温度无关的准确参考电压的要求。因此，它适用于微型传感器和医用电子和便携式电子应用。

2.提出了电路

线性调节器通常由几个部分组成[5.-8.]：一个误差放大器电路，一个温度无关的参考电路[9.]，反馈电阻网络[10.那11.]，通过晶体管和输出电容[12.]。误差放大器电路和温度无关的参考电路是线性稳压器最重要的组件，如下所述。

2.1。误差放大器电路

误差放大电路通常决定线性调节器的性能[13.那14.]，特别是误差放大器的增益会影响线路调节、负载调节和电源抑制比(PSRR)的性能。然而，误差放大器的特性往往需要在增益和电流消耗之间进行权衡。因此，如何设计一个高增益和低电流消耗的误差放大器是非常重要的。

传统的线性调节器如图所示1．典型调节器中的误差放大器的增益可以大致计算 在哪里是晶体管m的跨导₁和M₂和是晶体管m的跨导_5.和M_6.，这些阶段是普通源拓扑。器件的输出电阻是M吗_3.和M_4.,是设备的输出电阻_7.和M_8.．然而，传统的5 V到3.3 V线性调节器如图所示1不能通过使用3.3 V晶体管实现。此外,(1）显示图中误差放大器的增益1．它表明，如果我们想增加误差放大器的增益，则增加跨导的增加和是不可避免的，它需要更多的静态电流。

数字2展示了在设计中使用cascode技术的线性调节器。输入电压的下降由级编码晶体管分散。因此，提出的电路可以使用3.3 V CMOS晶体管代替5 V CMOS晶体管。在这种情况下，所提出的调节器中的误差放大器增益可近似计算为 在哪里是晶体管m的跨导_11.和M_12.和级编码晶体管的跨导是M吗_15.，M._16.，M._17.和m_18.．该阶段提供大的跨导和高输入输出隔离。是晶体管M的输出电阻_13.和M_14.．是输出电阻，由设备组成_19.，M._20.，M._21.和m_22.．该阶段也是Cascode级，其为输出负载提供高阻抗。比较 （1） 和 （2)，所提出的线性调节器增加了误差放大器的增益而不增加电流损耗。换句话说，与传统的拓扑结构相比，所提出的误差放大器可以用更少的电流实现相同的增益。此外，共门级电路(M_17.和M_18.在图中2）还可以提高输出电压和参考电压之间的反向隔离性能。因此，无论输出负载是否发生了变化，都不会受到干扰的输入参考电压。并且，参考电压也可用于芯片上的其他电路同时使用。

2.2。多节点无关的参考电路

温度无关的参考电路可能是混合信号集成芯片中最重要的组件。它为芯片中的许多块提供了准确的参考电压。此外，它决定了测量信号的准确性。

在图中2，所提出的线性稳压器需要三个精确的参考电压(0.8，1.7,3.3),同时进行。传统的不依赖温度的参考电路采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了功率，而且增加了芯片面积。数字3（a）显示传统的温度无关的参考电路，以及图3（b）示出了不同参考电压之间的转换的传统方法。

数字4.显示所提出的温度无关的参考电路，该参考电路也由Cascode架构实现。因此，它可以使用3.3 V CMOS晶体管更换5 V CMOS晶体管。Cascode架构还提供稳定的电流源到电阻和BJT。

传统的温度 - 无关的参考电路增加了负温度系数和正温度系数，以适当的加权以获得零温度系数。然而，所提出的参考电压转换电路使用不同的技术。在图中4.，第一温度无关参考电压，1.7，由上述技术产生，第二温度无关的参考电压，0.8，由1.7 -和第三温度无关的参考电压，3.3，由1.7 -．

换句话说，所提出的参考电压转换技术由NMOS栅极源电压降和PMOS栅极源电压上升实现。此外，所提出的参考电压可以通过调节来获得精确的参考电压和．根据上述技术，提出了三输出不依赖温度的参考电压电路，该电路可以同时提供三个准确的参考电压。该三输出不依赖温度的参考电压也可用于芯片的其他电路。与标准电压转换电路相比，如图所示3（b），所提出的电压转换电路在没有额外的操作放大器的情况下实现，这减少了功耗和芯片区域。因此，它适用于低成本，低功耗，小尺寸和高度集成的片上系统（SOC）应用。

3.测量和模拟结果

线性稳压器和三输出温度无关的参考电压电路设计为TSMC 0.18 μM CMOS工艺5 V电源电压。

数字5.显示输出电压的测量结果，其在40°C和120°C之间的环境温度范围内操作。所提出的线性调节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非常小。

通常，稳定时间是线性调节器的重要规范。当加载改变时，输出达到稳定性所需的时间。因此，我们测量动态电压变化和电流变化响应从轻负载到重载，如图所示6.如图所示，从重负荷到轻负荷7.．数据6.和7.线性稳压器的稳定时间小于50 ns。数字8.以60Hz显示所提出的线性调节器的PSRR测量结果。在该实验中，输入噪声频率在60 Hz处固定，并在输出端口进行测量（)．输入端口的输入噪声幅度是AC 1 V（)．实验结果表明，所提出的线性调节器在60 Hz下的PSRR性能为42.85 dB，能够有效抑制交流(家用电源)噪声。数字9.显示PSRR性能以差异输入噪声频率。它们验证了所提出的线性调节器是否具有良好的PSRR性能。数字10.给出了三输出温度无关参考电压的仿真结果。由于我们在芯片设计时没有对这三输出不依赖温度的参考电压设置测量点，在这里，我们仅给出所提出的三输出不依赖温度的参考电压的仿真结果。实验证明，该电路可以同时提供三个温度无关的参考电压。当温度在−40℃~ 120℃之间变化时，3.3 V、1.7 V和0.8 V的参考电压范围分别小于0.424%、1.462%和1.219%。

所提出的线性调节器的芯片显微照片如图所示11.．总面积为0.38×0.42毫米²．表中给出了所提出的线性调节器的特性总结1．最后，我们将提出的线性调节器与表中的其他现有的线性稳压器进行比较2结果表明，与其他线性稳压器相比，该稳压器具有输出电流大、负载调节小、稳定时间快、芯片面积小等优点。此外，在现有的线性稳压器论文中，一般没有讨论参考电压和偏置电路。本文将参考电压电路和线性稳压电路结合在一起进行了讨论，使电路具有较高的完整性。此外，该电路还具有在不同环境温度下的精确输出电压，并能同时提供三个温度无关的参考电压，从而提高微型传感器和医疗电子产品的精度。

4。结论

所提出的线性调节器利用CASCODE技术来提高增益，实现高线调节，负载调节和电源噪声抑制比。所提出的电路使用3.3 V CMOS晶体管来更换5 V CMOS晶体管。因此，可以改善制造半导体过程的复杂性。此外，所提出的线性调节器可以显着提高信号的精度。因此，它适用于高度集成的产品，例如微型传感器和医用电子和便携式电子产品。

相互竞争的利益

作者宣布没有关于本文的出版物的利益冲突。

致谢

作者要感谢国家科学委员会和台湾芯片实施中心对项目的支持、芯片实施和芯片测量。

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