CN119739238A - 一种应用于高压的无运放稳压启动电路及其稳压启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于高压的无运放稳压启动电路及其稳压启动方法，包含稳压电路和启动电路，启动电路产生偏置电流Ibias2，稳压电路中三极管Q7和PMOS管PDM2构成第一共射极放大器，NMOS管NDM2和PMOS管PDM3构成第一共源极放大器，PMOS管PDM4和三极管Q6、电阻R4和三极管Q5构成第二共源极放大器。本发明不需要额外设计预稳压电路和高压运算放大器，从而节省了芯片面积，而且稳压启动电路启动完成后，不需要关断启动电路。

Description

一种应用于高压的无运放稳压启动电路及其稳压启动方法

技术领域

本发明涉及一种稳压启动电路及其稳压启动方法，特别是一种应用于高压的无运放稳压启动电路及其稳压启动方法，属于半导体集成电路技术领域。

背景技术

稳压电路作为芯片的重要组成部分，为芯片内的模拟电路、数字电路提供稳定的工作电压，保证芯片可以正常工作。由于一些应用中既存在低电源电压又存在高电源电压，因此保证稳压电路在低电源电压和高电源电压下都可以正常工作至关重要。

传统应用于高压的稳压电路结构框图如图2所示，其工作的原理是预稳压电路将外部高压电源VS降压后，为低压带隙基准电路提供一个低压电源，确保低压带隙基准电路不被外部高压电源VS击穿损坏。带隙基准电路的输出VREF为高压运算放大器HV_AMP1的负向输入端提供一个参考电压，高压运算放大器HV_AMP1的正向输入端到高压运算放大器HV_AMP1的输出端然后输入到高压PMOS调整管PDM1的栅端，高压PMOS调整管PDM1的漏端经过电阻R2输入到高压运算放大器HV_AMP1的正向输入端，构成一个负反馈环路。通过该负反馈环路将高压运算放大器HV_AMP1的正向输入端与负向输入端钳位相等，那么稳压电路输出电压VLDO的大小为：

VLDO= VREF*(R1+R2)/R2

通过以上的分析可知，传统应用于高压的稳压电路为了给低压带隙基准电路提供一个可以正常工作的低压电源，需要额外设计一个预稳压电路。为了在高压下实现负反馈钳位，需要设计一个高压运算放大器，极大增加了设计的复杂度，且需要更大的芯片面积。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种应用于高压的无运放稳压启动电路及其稳压启动方法，无需额外的运放且能够稳定产生输出电压VLDO。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种应用于高压的无运放稳压启动电路，包含稳压电路和启动电路，启动电路产生偏置电流Ibias2，稳压电路包含三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6、三极管Q7、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、PMOS管PDM3、PMOS管PDM4、NMOS管NDM2和齐纳二极管Z2，齐纳二极管Z2的阴极与三极管Q7的集电极和NMOS管NDM2的栅极连接并连接偏置电流Ibias2，三极管Q7的基极与三极管Q5的集电极、三极管Q5的基极、三极管Q4的基极和三极管Q3的集电极连接，三极管Q3的基极与三极管Q2的基极、三极管Q2的集电极和三极管Q4的集电极连接，三极管Q3的发射极与电阻R3的一端连接，三极管Q5的发射极与电阻R4的一端和三极管Q4的发射极连接，电阻R4的另一端与三极管Q6的发射极连接，三极管Q6的集电极与PMOS管PDM4的漏极和电阻R6的一端连接并产生输出电压VLDO，三极管Q6的基极与电阻R6的另一端和电阻R5的一端连接，PMOS管PDM4的源极和PMOS管PDM3的源极连接电源VS，PMOS管PDM4的栅极与PMOS管PDM3的栅极、PMOS管PDM3的漏极和NMOS管NDM2的漏极连接，齐纳二极管Z2的阳极、三极管Q7的发射极、NMOS管NDM2的源极、电阻R3的另一端、三极管Q2的发射极和电阻R5的另一端接地。

进一步地，所述启动电路包含电阻R1、电阻R2、三极管Q1、NMOS管NDM1、PMOS管PDM1、PMOS管PDM2和齐纳二极管Z1，电阻R1的一端与PMOS管PDM1的源极、PMOS管PDM2的源极连接并连接电源VS，电阻R1的另一端与三极管Q1的集电极、齐纳二极管Z1的阴极和NMOS管NDM1的栅极连接，三极管Q1的基极与NMOS管NDM1的源极和电阻R2的一端连接，NMOS管NDM1的漏极与PMOS管PDM1的漏极、PMOS管PDM1的栅极和PMOS管PDM2的栅极连接，PMOS管PDM2的漏极输出偏置电流Ibias2，三极管Q1的发射极、齐纳二极管Z1的阳极和电阻R2的另一端接地。

进一步地，所述NMOS管NDM1、NMOS管NDM2采用高压NMOS管，PMOS管PDM1、PMOS管PDM2、PMOS管PDM3和PMOS管PDM4采用高压PMOS管。

进一步地，所述三极管Q7和PMOS管PDM2构成第一共射极放大器，NMOS管NDM2和PMOS管PDM3构成第一共源极放大器，PMOS管PDM4和三极管Q6、电阻R4和三极管Q5构成第二共源极放大器。

进一步地，所述三极管Q4和三极管Q5采用PNP三极管，三极管Q4和三极管Q5构成第一PNP电流镜，三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q6和三极管Q7采用NPN三极管。

进一步地，所述PMOS管PDM1和PMOS管PDM2构成第一PMOS电流镜，PMOS管PDM3和PMOS管PDM4构成第二PMOS电流镜。

进一步地，所述电阻R1、电阻R2、三极管Q1、NMOS管NDM1、PMOS管PDM1、PMOS管PDM2和齐纳二极管Z1构成高压威尔逊电流源。

一种应用于高压的无运放稳压启动电路的稳压启动方法，包含以下步骤：

三极管Q5的集电极连接到三极管Q7和PMOS管PDM2构成的第一共射极放大器的输入端，第一共射极放大器的输出端连接到NMOS管NDM2和PMOS管PDM3组成的第一共源极放大器的输入端，第一共源极放大器的输出端连接到高压PMOS管PDM4、三极管Q6、电阻R4和三级管Q5组成的第二共源极放大器，第一共射极放大器、第一共源极放大器和第二共源极放大器构成负反馈环路，通过负反馈补偿得到一个稳定的输出电压VLDO；

三极管Q4和三极管Q5组成的第一PNP电流镜，使得流过三极管Q2和Q3的电流相等，由于三极管Q2和Q3的面积不同，因此三极管Q2和Q3的基极发射极电压VBE存在正温度系数的电压差△VBE，该正温度系数的电压差△VBE除以零温度系数的电阻R3得到了正温度系数的电流Ip；三极管Q6的基极电压等于负温度系数的三极管Q7的基极发射极电压VBE7加上负温度系数的三极管Q5的基极发射极电压VBE5加上电阻R4的压降2*Ip*R4加上负温度系数的三极管Q6的基极发射极电压VBE6，即VBE7+VBE5+2*Ip*R4+VBE6，则输出电压VLDO的大小为：

VLDO=(VBE7+VBE5+2*Ip*R4+VBE6)*(R6+R5)/R5

通过调整电阻R4的大小实现温度补偿得到一个零温度系数的电压；

采用齐纳二极管Z2通过钳位的方式使得三极管Q7的集电极发射极电压VCE7以及NMOS管NDM2的栅源电压VGSN2低于齐纳二极管钳位电压VZ2，避免三极管Q7的集电极发射极以及NMOS管NDM2的栅源被击穿；

当电源VS开始上电时，电路处于零电流状态，此时电阻R1上电流为零、压降为零，电阻R1一端的电压跟随VS升高而升高；同样的，电阻R2的电流为零、压降为零，电阻R2一端的电压为零，随着电阻R1一端电压的升高，NMOS管NDM1逐渐导通产生偏置电流Ibias；偏置电流Ibias流过电阻R2产生压降，使得电阻R2一端的电压开始升高，最终三极管Q1导通；电路稳定后，电阻R2的压降为三极管Q1的基极发射极电压VBE1，偏置电流Ibias等于VBE1/R2；偏置电流Ibias通过第一PMOS电流镜中PMOS管PDM1和PMOS管PDM2复制后并流入三极管Q7为三极管Q7提供偏置电流Ibias2，确定了三极管Q7的基极发射极电压VBE7；高压威尔逊电流源不存在简并点可以正常启动，高压威尔逊电流源启动完成后，第一PMOS电流镜中PMOS管PDM2的漏端为高，第一共源极放大器中NMOS管NDM2的栅端为高导通，则第一共源极放大器中PMOS管PDM3的栅端和漏端为低导通，第二共源极放大器中PMOS管PDM4的栅端为低导通，从而将整个电路启动。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明提供了一种应用于高压的无运放稳压启动电路及其稳压启动方法，采用一个共射极放大器和两个共源极放大器构成负反馈环路，通过负反馈补偿得到一个稳定的输出电压VLDO，不需要额外设计预稳压电路和高压运算放大器，从而节省了芯片面积，而且稳压启动电路启动完成后，不需要关断启动电路。

附图说明

图1是本发明的一种应用于高压的无运放稳压启动电路的示意图。

图2是现有技术的应用于高压的稳压电路结构示意图。

具体实施方式

为了详细阐述本发明为达到预定技术目的而所采取的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例，并且，在不付出创造性劳动的前提下，本发明的实施例中的技术手段或技术特征可以替换，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，本发明的一种应用于高压的无运放稳压启动电路，包含稳压电路和启动电路，启动电路产生偏置电流Ibias2，稳压电路包含三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6、三极管Q7、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、PMOS管PDM3、PMOS管PDM4、NMOS管NDM2和齐纳二极管Z2，齐纳二极管Z2的阴极与三极管Q7的集电极和NMOS管NDM2的栅极连接并连接偏置电流Ibias2，三极管Q7的基极与三极管Q5的集电极、三极管Q5的基极、三极管Q4的基极和三极管Q3的集电极连接，三极管Q3的基极与三极管Q2的基极、三极管Q2的集电极和三极管Q4的集电极连接，三极管Q3的发射极与电阻R3的一端连接，三极管Q5的发射极与电阻R4的一端和三极管Q4的发射极连接，电阻R4的另一端与三极管Q6的发射极连接，三极管Q6的集电极与PMOS管PDM4的漏极和电阻R6的一端连接并产生输出电压VLDO，三极管Q6的基极与电阻R6的另一端和电阻R5的一端连接，PMOS管PDM4的源极和PMOS管PDM3的源极连接电源VS，PMOS管PDM4的栅极与PMOS管PDM3的栅极、PMOS管PDM3的漏极和NMOS管NDM2的漏极连接，齐纳二极管Z2的阳极、三极管Q7的发射极、NMOS管NDM2的源极、电阻R3的另一端、三极管Q2的发射极和电阻R5的另一端接地；

启动电路包含电阻R1、电阻R2、三极管Q1、NMOS管NDM1、PMOS管PDM1、PMOS管PDM2和齐纳二极管Z1，电阻R1的一端与PMOS管PDM1的源极、PMOS管PDM2的源极连接并连接电源VS，电阻R1的另一端与三极管Q1的集电极、齐纳二极管Z1的阴极和NMOS管NDM1的栅极连接，三极管Q1的基极与NMOS管NDM1的源极和电阻R2的一端连接，NMOS管NDM1的漏极与PMOS管PDM1的漏极、PMOS管PDM1的栅极和PMOS管PDM2的栅极连接，PMOS管PDM2的漏极输出偏置电流Ibias2，三极管Q1的发射极、齐纳二极管Z1的阳极和电阻R2的另一端接地。

其中，NMOS管NDM1、NMOS管NDM2采用高压NMOS管，PMOS管PDM1、PMOS管PDM2、PMOS管PDM3和PMOS管PDM4采用高压PMOS管。

三极管Q7和PMOS管PDM2构成第一共射极放大器，NMOS管NDM2和PMOS管PDM3构成第一共源极放大器，PMOS管PDM4和三极管Q6、电阻R4和三极管Q5构成第二共源极放大器。第一共射极放大器、第一共源极放大器和第二共源极放大器构成负反馈环路，通过负反馈补偿得到一个稳定的输出电压VLDO。

三极管Q4和三极管Q5采用PNP三极管，三极管Q4和三极管Q5构成第一PNP电流镜，三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q6和三极管Q7采用NPN三极管。

PMOS管PDM1和PMOS管PDM2构成第一PMOS电流镜，PMOS管PDM3和PMOS管PDM4构成第二PMOS电流镜。

电阻R1、电阻R2、三极管Q1、NMOS管NDM1、PMOS管PDM1、PMOS管PDM2和齐纳二极管Z1构成高压威尔逊电流源。

一种应用于高压的无运放稳压启动电路的稳压启动方法，包含以下步骤：

三极管Q5的集电极连接到三极管Q7和PMOS管PDM2构成的第一共射极放大器的输入端，第一共射极放大器的输出端连接到NMOS管NDM2和PMOS管PDM3组成的第一共源极放大器的输入端，第一共源极放大器的输出端连接到高压PMOS管PDM4、三极管Q6、电阻R4和三级管Q5组成的第二共源极放大器，第一共射极放大器、第一共源极放大器和第二共源极放大器构成负反馈环路，通过负反馈补偿得到一个稳定的输出电压VLDO。

三极管Q4和三极管Q5组成的第一PNP电流镜，使得流过三极管Q2和Q3的电流相等，由于三极管Q2和Q3的面积不同，因此三极管Q2和Q3的基极发射极电压VBE存在正温度系数的电压差△VBE，该正温度系数的电压差△VBE除以零温度系数的电阻R3得到了正温度系数的电流Ip；三极管Q6的基极电压等于负温度系数的三极管Q7的基极发射极电压VBE7加上负温度系数的三极管Q5的基极发射极电压VBE5加上电阻R4的压降2*Ip*R4加上负温度系数的三极管Q6的基极发射极电压VBE6，即VBE7+VBE5+2*Ip*R4+VBE6，则输出电压VLDO的大小为：

VLDO=(VBE7+VBE5+2*Ip*R4+VBE6)*(R6+R5)/R5

通过调整电阻R4的大小实现温度补偿得到一个零温度系数的电压。

采用齐纳二极管Z2通过钳位的方式使得三极管Q7的集电极发射极电压VCE7以及NMOS管NDM2的栅源电压VGSN2低于齐纳二极管钳位电压VZ2，避免三极管Q7的集电极发射极以及NMOS管NDM2的栅源被击穿。

电阻R1、电阻R2、三极管Q1、NMOS管NDM1、PMOS管PDM1、PMOS管PDM2和齐纳二极管Z1构成高压威尔逊电流源。当电源VS开始上电时，电路处于零电流状态，此时电阻R1上电流为零、压降为零，电阻R1一端的电压跟随VS升高而升高；同样的，电阻R2的电流为零、压降为零，电阻R2一端的电压为零，随着电阻R1一端电压的升高，NMOS管NDM1逐渐导通产生偏置电流Ibias；偏置电流Ibias流过电阻R2产生压降，使得电阻R2一端的电压开始升高，最终三极管Q1导通；电路稳定后，电阻R2的压降为三极管Q1的基极发射极电压VBE1，偏置电流Ibias等于VBE1/R2；偏置电流Ibias通过第一PMOS电流镜中PMOS管PDM1和PMOS管PDM2复制后并流入三极管Q7为三极管Q7提供偏置电流Ibias2，确定了三极管Q7的基极发射极电压VBE7；高压威尔逊电流源不存在简并点可以正常启动，高压威尔逊电流源启动完成后，第一PMOS电流镜中PMOS管PDM2的漏端为高，第一共源极放大器中NMOS管NDM2的栅端为高导通，则第一共源极放大器中PMOS管PDM3的栅端和漏端为低导通，第二共源极放大器中PMOS管PDM4的栅端为低导通，从而将整个电路启动。而且和传统启动电路相比，启动完成后不需要关断启动电路。

本发明提供了一种应用于高压的无运放稳压启动电路及其稳压启动方法，采用一个共射极放大器和两个共源极放大器构成负反馈环路，通过负反馈补偿得到一个稳定的输出电压VLDO，不需要额外设计预稳压电路和高压运算放大器，从而节省了芯片面积，而且稳压启动电路启动完成后，不需要关断启动电路。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种应用于高压的无运放稳压启动电路，其特征在于：包含稳压电路和启动电路，启动电路产生偏置电流Ibias2，稳压电路包含三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6、三极管Q7、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、PMOS管PDM3、PMOS管PDM4、NMOS管NDM2和齐纳二极管Z2，齐纳二极管Z2的阴极与三极管Q7的集电极和NMOS管NDM2的栅极连接并连接偏置电流Ibias2，三极管Q7的基极与三极管Q5的集电极、三极管Q5的基极、三极管Q4的基极和三极管Q3的集电极连接，三极管Q3的基极与三极管Q2的基极、三极管Q2的集电极和三极管Q4的集电极连接，三极管Q3的发射极与电阻R3的一端连接，三极管Q5的发射极与电阻R4的一端和三极管Q4的发射极连接，电阻R4的另一端与三极管Q6的发射极连接，三极管Q6的集电极与PMOS管PDM4的漏极和电阻R6的一端连接并产生输出电压VLDO，三极管Q6的基极与电阻R6的另一端和电阻R5的一端连接，PMOS管PDM4的源极和PMOS管PDM3的源极连接电源VS，PMOS管PDM4的栅极与PMOS管PDM3的栅极、PMOS管PDM3的漏极和NMOS管NDM2的漏极连接，齐纳二极管Z2的阳极、三极管Q7的发射极、NMOS管NDM2的源极、电阻R3的另一端、三极管Q2的发射极和电阻R5的另一端接地。

2.根据权利要求1所述的一种应用于高压的无运放稳压启动电路，其特征在于：所述启动电路包含电阻R1、电阻R2、三极管Q1、NMOS管NDM1、PMOS管PDM1、PMOS管PDM2和齐纳二极管Z1，电阻R1的一端与PMOS管PDM1的源极、PMOS管PDM2的源极连接并连接电源VS，电阻R1的另一端与三极管Q1的集电极、齐纳二极管Z1的阴极和NMOS管NDM1的栅极连接，三极管Q1的基极与NMOS管NDM1的源极和电阻R2的一端连接，NMOS管NDM1的漏极与PMOS管PDM1的漏极、PMOS管PDM1的栅极和PMOS管PDM2的栅极连接，PMOS管PDM2的漏极输出偏置电流Ibias2，三极管Q1的发射极、齐纳二极管Z1的阳极和电阻R2的另一端接地。

3.根据权利要求2所述的一种应用于高压的无运放稳压启动电路，其特征在于：所述NMOS管NDM1、NMOS管NDM2采用高压NMOS管，PMOS管PDM1、PMOS管PDM2、PMOS管PDM3和PMOS管PDM4采用高压PMOS管。

4.根据权利要求2所述的一种应用于高压的无运放稳压启动电路，其特征在于：所述三极管Q7和PMOS管PDM2构成第一共射极放大器，NMOS管NDM2和PMOS管PDM3构成第一共源极放大器，PMOS管PDM4和三极管Q6、电阻R4和三极管Q5构成第二共源极放大器。

5.根据权利要求2所述的一种应用于高压的无运放稳压启动电路，其特征在于：所述三极管Q4和三极管Q5采用PNP三极管，三极管Q4和三极管Q5构成第一PNP电流镜，三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q6和三极管Q7采用NPN三极管。

6.根据权利要求2所述的一种应用于高压的无运放稳压启动电路，其特征在于：所述PMOS管PDM1和PMOS管PDM2构成第一PMOS电流镜，PMOS管PDM3和PMOS管PDM4构成第二PMOS电流镜。

7.根据权利要求2所述的一种应用于高压的无运放稳压启动电路，其特征在于：所述电阻R1、电阻R2、三极管Q1、NMOS管NDM1、PMOS管PDM1、PMOS管PDM2和齐纳二极管Z1构成高压威尔逊电流源。

8.一种权利要求1-7任一项所述的应用于高压的无运放稳压启动电路的稳压启动方法，其特征在于包含以下步骤：

三极管Q5的集电极连接到三极管Q7和PMOS管PDM2构成的第一共射极放大器的输入端，第一共射极放大器的输出端连接到NMOS管NDM2和PMOS管PDM3组成的第一共源极放大器的输入端，第一共源极放大器的输出端连接到高压PMOS管PDM4、三极管Q6、电阻R4和三级管Q5组成的第二共源极放大器，第一共射极放大器、第一共源极放大器和第二共源极放大器构成负反馈环路，通过负反馈补偿得到一个稳定的输出电压VLDO；

三极管Q4和三极管Q5组成的第一PNP电流镜，使得流过三极管Q2和Q3的电流相等，由于三极管Q2和Q3的面积不同，因此三极管Q2和Q3的基极发射极电压VBE存在正温度系数的电压差△VBE，该正温度系数的电压差△VBE除以零温度系数的电阻R3得到了正温度系数的电流Ip；三极管Q6的基极电压等于负温度系数的三极管Q7的基极发射极电压VBE7加上负温度系数的三极管Q5的基极发射极电压VBE5加上电阻R4的压降2*Ip*R4加上负温度系数的三极管Q6的基极发射极电压VBE6，即VBE7+VBE5+2*Ip*R4+VBE6，则输出电压VLDO的大小为：

VLDO=(VBE7+VBE5+2*Ip*R4+VBE6)*(R6+R5)/R5

通过调整电阻R4的大小实现温度补偿得到一个零温度系数的电压；

采用齐纳二极管Z2通过钳位的方式使得三极管Q7的集电极发射极电压VCE7以及NMOS管NDM2的栅源电压VGSN2低于齐纳二极管钳位电压VZ2，避免三极管Q7的集电极发射极以及NMOS管NDM2的栅源被击穿；

当电源VS开始上电时，电路处于零电流状态，此时电阻R1上电流为零、压降为零，电阻R1一端的电压跟随VS升高而升高；同样的，电阻R2的电流为零、压降为零，电阻R2一端的电压为零，随着电阻R1一端电压的升高，NMOS管NDM1逐渐导通产生偏置电流Ibias；偏置电流Ibias流过电阻R2产生压降，使得电阻R2一端的电压开始升高，最终三极管Q1导通；电路稳定后，电阻R2的压降为三极管Q1的基极发射极电压VBE1，偏置电流Ibias等于VBE1/R2；偏置电流Ibias通过第一PMOS电流镜中PMOS管PDM1和PMOS管PDM2复制后并流入三极管Q7为三极管Q7提供偏置电流Ibias2，确定了三极管Q7的基极发射极电压VBE7；高压威尔逊电流源不存在简并点可以正常启动，高压威尔逊电流源启动完成后，第一PMOS电流镜中PMOS管PDM2的漏端为高，第一共源极放大器中NMOS管NDM2的栅端为高导通，则第一共源极放大器中PMOS管PDM3的栅端和漏端为低导通，第二共源极放大器中PMOS管PDM4的栅端为低导通，从而将整个电路启动。