- 1 - Régulateur de tension combiné avec un bandgap à faible courant de consommation DESCRIPTION DE L'INVENTION Ces circuits sont destinés à réaliser des régulateurs de tension de type bandgap (des régulateurs de tensions compensées en température, c'est-à-dire avec une faible variation en fonction de la température), avec un faible courant de consommation. Ce type d'application est traditionnellement réalisé par deux circuits indépendants, dont un premier circuit de type bandgap qui sert de référence de tension au second circuit de type régulateur de tension (LDO). Cette invention présente un circuit de type régulateur de tension (LDO) combiné avec un bandgap, dans le but de réduire le nombre de branches de polarisation, et de réduire ainsi le courant de consommation et la taille du circuit, comparativement aux circuits traditionnels. DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION Avec cette l'invention, les circuits présentés se rapportent généralement aux circuits implémentés sur une seule puce de circuits mixtes (digital et analogique), dans les nouvelles technologies (nano technologies) CMOS, et dans les technologies CMOS plus anciennes (et peu coûteuses). Plus spécifiquement mais non exclusivement, la révélation actuelle se rapporte aux circuits de gestion de la puissance sur une seule puce qui demandent des consommations de courants très faibles afm d'avoir une très grande autonomie de la batterie qui les alimente, et se rapporte plus particulièrement aux régulateurs de tension (LDO) et aux références de tension de type bandgap à très faible courant de consommation. La description qui suit fait référence à ces champs d'application pour des facilités d'illustration uniquement. Ces circuits sont destinés à réaliser des régulateurs de tension de type bandgap (des régulateurs de tensions compensées en température, c'est-à-dire avec une faible variation en fonction de la température), avec un faible courant de consommation (comparativement aux circuits traditionnels), en réduisant le nombre de branches de polarisation.- 1 - Voltage regulator combined with a low current consumption bandgap DESCRIPTION OF THE INVENTION These circuits are intended to produce voltage regulators of the bandgap type (compensated voltage regulators in temperature, that is to say with a small variation depending on the temperature), with a low consumption current. This type of application is traditionally performed by two independent circuits, including a first bandgap type circuit which serves as a voltage reference to the second circuit voltage regulator type (LDO). This invention presents a voltage regulator type (LDO) circuit combined with a bandgap, in order to reduce the number of bias branches, thereby reducing the power consumption and circuit size compared to conventional circuits. TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION With this invention, the circuits presented generally relate to circuits implemented on a single chip of mixed circuits (digital and analog), in new technologies (nano technologies) CMOS, and in CMOS technologies more old (and inexpensive). More specifically, but not exclusively, the current revelation relates to power management circuits on a single chip that require very low current consumption in order to have a very large autonomy of the battery that powers them, and relates more particularly voltage regulators (LDO) and bandgap type voltage references with very low consumption current. The following description refers to these fields of application for ease of illustration only. These circuits are intended to produce bandgap voltage regulators (temperature-compensated voltage regulators, that is to say with a small variation depending on the temperature), with a low consumption current (compared to the circuits traditional), reducing the number of polarizing branches.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Un problème majeur rencontré en concevant de tels circuits concerne l'autonomie de la batterie qui alimente ces circuits, qui est directement liée au courant de consommation de ces circuits. Un autre problème concerne la taille de ces circuits, dont la tendance et la demande est d'être de plus en plus petite, afm qu'ils puissent être intégrés dans des produits industriels. De tels circuits sont traditionnellement réalisés par deux circuits totalement indépendants, dont un premier circuit de type bandgap qui sert de référence de tension au second circuit de type régulateur de tension (LDO - un régulateur de tension qui peut alimenter en tension fixe d'autres circuits et leur fournir un fort courant de charge). Cette invention présente un circuit de type régulateur de tension (LDO) combiné avec un circuit de type bandgap, dans le but de réduire le nombre de branches de polarisation, et ainsi de réduire le courant de consommation et de réduire la taille du circuit, comparativement à ces deux circuits traditionnels indépendants. DESCRIPTION BREVE DE L'INVENTION Ces circuits sont destinés à réaliser des régulateurs de tension de type bandgap (des régulateurs de tensions compensées en température, c'est-à-dire avec une faible variation en fonction de la température), avec un faible - 2 - courant de consommation (comparativement aux circuits traditionnels), en réduisant le nombre de branches de polarisation. Cette invention présente un circuit de type régulateur de tension (LDO) combiné avec un circuit de type bandgap, dans le but de réduire le nombre de branches de polarisation, et ainsi de réduire le courant de consommation et de réduire la taille du circuit, comparativement à l'utilisation conjointe d'un circuit de type bandgap et d'un circuit de type régulateur de tension, ces deux circuits étant totalement indépendants. BREVE PRESENTATION DES FIGURES Les figures d'accompagnement, qui sont incorporées dans ce brevet, illustrent une ou plusieurs implémentations de la présente invention et, associées avec la description détaillée, servent à expliquer les principes et les réalisations de l'invention. Dans les figures attachées: La figure 1 (FIG. 1) est un schéma électrique du nouveau circuit de régulateur de tension combiné avec un circuit de type bandgap, à faible courant de consommation.STATE OF PRIOR ART A major problem encountered in designing such circuits relates to the autonomy of the battery which supplies these circuits, which is directly related to the consumption current of these circuits. Another problem concerns the size of these circuits, whose trend and demand is to be smaller and smaller, so that they can be integrated into industrial products. Such circuits are traditionally made by two totally independent circuits, including a first bandgap circuit which serves as a voltage reference to the second voltage regulator type circuit (LDO) - a voltage regulator which can supply fixed voltage to other circuits. and provide them with a strong charging current). This invention presents a voltage regulator type (LDO) circuit combined with a bandgap type circuit, for the purpose of reducing the number of bias branches, and thus reducing the consumption current and reducing the size of the circuit, compared with to these two independent traditional circuits. BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION These circuits are intended to produce bandgap voltage regulators (temperature-compensated voltage regulators, that is to say with a small variation as a function of the temperature), with a low - 2 - consumption current (compared to traditional circuits), reducing the number of polarization branches. This invention presents a voltage regulator type (LDO) circuit combined with a bandgap type circuit, for the purpose of reducing the number of bias branches, and thus reducing the consumption current and reducing the size of the circuit, compared with the joint use of a bandgap type circuit and a voltage regulator type circuit, these two circuits being completely independent. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES The accompanying figures, which are incorporated in this patent, illustrate one or more implementations of the present invention and, together with the detailed description, serve to explain the principles and embodiments of the invention. In the attached figures: Figure 1 (FIG.1) is a circuit diagram of the new voltage regulator circuit combined with a low current consumption bandgap circuit.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Ces circuits sont destinés à réaliser des régulateurs de tension de type bandgap (des régulateurs de tensions compensées en température, c'est-à-dire avec une faible variation en fonction de la température), avec un faible courant de consommation et une taille réduite (comparativement aux circuits traditionnels), en réduisant le nombre de branches de polarisation. Ceux qui ont de la compétence dans ce domaine à l'état de l'art se rendront compte que la description détaillée qui suit de la présente invention est d'illustration seulement et n'est pas limitative de quelque façon. D'autres modes de réalisation de la présente invention se suggéreront aisément à de telles personnes bénéficiant des avantages de cette invention. Les références détaillent des réalisations de la présente invention, comme illustré dans les schémas joints.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION These circuits are intended to provide bandgap voltage regulators (temperature compensated voltage regulators, that is to say with a small variation as a function of temperature), with a low current consumption and a small size (compared to traditional circuits), by reducing the number of polarization branches. Those skilled in the art will realize that the following detailed description of the present invention is illustrative only and not in any way limiting. Other embodiments of the present invention will be readily apparent to such persons benefiting from the advantages of this invention. The references detail embodiments of the present invention, as illustrated in the accompanying drawings.
Le cas échéant, les mêmes indicateurs de référence seront employés dans tous les schémas et dans la description détaillée qui suit, pour se rapporter à la même chose ou aux pièces semblables. Dans un intérêt de clarté, tous les dispositifs courants des réalisations décrites ci-dessus ne sont pas montrés et décrits. Bien entendu, dans le développement de telles implémentations, de nombreuses décisions spécifiques devront être prise selon l'application et les contraintes liées au marché, étant donné que ces buts spécifiques varieront d'une exécution à l'autre et d'un réalisateur à l'autre. D'ailleurs, un tel effort de développement pourrait être complexe et long, mais néanmoins serait une entreprise courante de ceux qui ont de la compétence dans ce domaine à l'état de l'art. En se tournant maintenant vers les figures : - La figure 1 (FIG. 1) est un schéma électrique du nouveau circuit de régulateur de tension combiné avec un circuit de type bandgap, à faible courant de consommation. Le circuit est constitué de deux transistors bipolaires de type pnp (1) (2), de cinq résistances (3) (4) (5) (6) (7), d'un amplificateur différentiel de tension (8), et d'un transistor de puissance (9) qui fournit sous une tension fixe régulée (VOUT) le courant de charge demandé (ILOAD) par les circuits qu'il alimente.Where appropriate, the same reference indicators will be used in all diagrams and in the detailed description that follows, to refer to the same or similar parts. For the sake of clarity, all current devices of the embodiments described above are not shown and described. Of course, in the development of such implementations, many specific decisions will have to be made depending on the application and market-related constraints, as these specific goals will vary from run to run and from developer to project. 'other. Moreover, such a development effort could be complex and time-consuming, but nevertheless would be a common undertaking of those with state-of-the-art expertise in this field. Turning now to the figures: - Figure 1 (FIG 1) is a circuit diagram of the new voltage regulator circuit combined with a bandgap type circuit, low consumption current. The circuit consists of two pnp (1) bipolar transistors (2), five resistors (3) (4) (5) (6) (7), a voltage differential amplifier (8), and a power transistor (9) which supplies the requested load current (ILOAD) at a regulated fixed voltage (VOUT) by the circuits it supplies.
Ce circuit est alimenté par la tension (VDD) d'une batterie ou d'une autre source d'énergie. Les équations suivantes peuvent être écrites : - 3 - Nous dénommons VBE1 la tension différentielle entre l'émetteur et la base du transistor pnp Q1 (1), VBE2 la tension différentielle entre l'émetteur et la base du transistor pnp Q2 (2), IQ1 le courant d'émetteur du transistor pnp QI (1), IQ2 le courant d'émetteur du transistor pnp Q2 (2), N le rapport de surface des deux transistors bipolaires pnp Q2 (2) et Q1 (1) (Q2=N*Q1), Il le courant de la résistance R1 (3), 12 le courant de la résistance R2 (4), 13 le courant de la résistance R3 (5), 14 le courant de la résistance R4 (6), 15 le courant de la résistance R5 (7), IMOS le courant du transistor de puissance (9) de type pmos ou de type nmos, ILOAD le courant de charge du régulateur de tension (quelques uA ou quelques mA). L'amplificateur différentiel de tension (8) et le transistor de puissance (9) forment un asservissement, qui a pour état d'équilibre l'égalité (à un petit offset près) des deux tensions de l'entrée positive et de l'entrée négative de l'amplificateur différentiel de tension (8). Ainsi, à cet état d'équilibre, nous avons : 13=14 si R3=R4 11=12 si R1=R2 VBE1=VBE2+(R5*I5)=VBE2+(R5*IQ2) Et étant donné que IQ1=I1-I3 et IQ2=12-14, nous avons aussi IQ1=IQ2 Grâce à l'équation des bipolaires, étant donné que IQ1=1Q2, nous avons VBE1-VBE2=(k*T/q)*ln(N) où k est la constante de Boltzmann, T est la température absolue du circuit, et q est la charge électrique d'un électron. Et alors : IQ1=IQ2=(k*T/q)*ln(N)/R5 Le courant d'émetteur des bipolaires est dit PTAT (signifiant Proportionnel à la Température Absolue) étant donné qu'il est proportionnel à la température absolue du circuit (T).This circuit is powered by the voltage (VDD) of a battery or other power source. The following equations can be written: We call VBE1 the differential voltage between the emitter and the base of the pnp transistor Q1 (1), VBE2 the differential voltage between the emitter and the base of pnp transistor Q2 (2), IQ1 the emitter current of pnp transistor QI (1), IQ2 the emitter current of pnp transistor Q2 (2), N the surface ratio of the two bipolar transistors pnp Q2 (2) and Q1 (1) (Q2 = No. Q1), the current of resistor R1 (3), 12 the current of resistor R2 (4), 13 the current of resistor R3 (5), 14 the current of resistor R4 (6), 15 the current of the resistor R5 (7), IMOS the power transistor current (9) type pmos or nmos type, ILOAD the load current of the voltage regulator (a few uA or a few mA). The differential voltage amplifier (8) and the power transistor (9) form a servocontrol, which has the state of equilibrium equal (at a small offset close) the two voltages of the positive input and the negative input of the differential voltage amplifier (8). Thus, at this equilibrium state, we have: 13 = 14 if R3 = R4 11 = 12 if R1 = R2 VBE1 = VBE2 + (R5 * I5) = VBE2 + (R5 * IQ2) And since IQ1 = I1-I3 and IQ2 = 12-14, we also have IQ1 = IQ2 Thanks to the bipolar equation, since IQ1 = 1Q2, we have VBE1-VBE2 = (k * T / q) * ln (N) where k is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature of the circuit, and q is the electric charge of an electron. And then: IQ1 = IQ2 = (k * T / q) * ln (N) / R5 The bipolar emitter current is said to be PTAT (meaning Proportional to Absolute Temperature) since it is proportional to the absolute temperature of the circuit (T).
Nous pouvons aussi écrire : 13 =VBE 1/R3 I 1 =IQ 1 +13 = [(k*T/q)*ln(N)/R5HVBE 1/R3 ] VOUT=VBE1+(R1 *I1)={VBE1*[1+(R1/R3)]} + { (k*T/q)*ln(N)*R1/R5} Nous notons alors que VOUT est une tension de type bandgap (c'est-à-dire avec une faible variation en fonction de la température T), étant donné que VBE1 a un coefficient négatif en température (dépendant de la technologie utilisée), et en choisissant N et la valeur des résistances RI, R3 et R5 qui annule ce coefficient en température à la température ambiante du circuit, et qui donne la valeur souhaitée de la tension de sortie. Et VOUT est indépendant de ILOAD, et est ainsi une tension de sortie régulée, indépendamment du courant de charge demandé par les circuits qu'il alimente.We can also write: 13 = VBE 1 / R3 I 1 = IQ 1 +13 = [(k * T / q) * ln (N) / R5HVBE 1 / R3] VOUT = VBE1 + (R1 * I1) = {VBE1 * [1+ (R1 / R3)]} + {(k * T / q) * ln (N) * R1 / R5} We then note that VOUT is a bandgap-type voltage (that is, with a weak variation as a function of the temperature T), since VBE1 has a negative coefficient in temperature (depending on the technology used), and by choosing N and the value of the resistances R1, R3 and R5 which cancels this coefficient in temperature at the ambient temperature of the circuit, and which gives the desired value of the output voltage. And VOUT is independent of ILOAD, and so is a regulated output voltage, regardless of the charging current required by the circuits it feeds.
Le courant du transistor de puissance (9) est : IMOS=ILOAD+Il+I2=ILOAD+(2*I1)=ILOAD+{[2*(k*T/q)*ln(N)/R5]+[2*VBEl/R3]} =ILOAD+IQ IQ=[2*(k*T/q)*ln(N)/R5H2*VBEl/R3] est le courant de repos (courant de consommation) du circuit (dans le cas où ILOAD=OmA), qui est très faible. Ce circuit est ainsi optimisé en courant de consommation, en minimisant le nombre de branche de polarisation. Ce circuit est aussi de taille réduite et optimisée Ce circuit comporte: - Un transistor de puissance (9) de type pmos ou de type nmos. Ce transistor de puissance (9) fournit le courant de charge du régulateur de tension, a sa source connectée à l'alimentation et son drain connectée à la sortie du régulateur dans le cas d'un pmos (9), ou a son drain connecté à l'alimentation et sa source connectée à la sortie du régulateur dans le cas d'un nmos (9). -4- - Un amplificateur de tension différentiel (8), qui a sa sortie connectée à la grille du transistor de puissance (9)- - Deux transistors bipolaires pnp (1) et (2). Ces transistors bipolaires pnp (1) et (2) ont un rapport de surface entre eux, et ont leur base et leur collecteur connectés à la masse. - Une résistance (7), qui a sa borne négative connectée à l'émetteur du transistor bipolaire pnp (2). - Deux résistances (5) et (6). La résistance (5) a sa borne négative connectée à la masse. La résistance (6) a sa borne négative connectée à la masse. La résistance (5) a sa borne positive connectée à l'émetteur du transistor bipolaire pnp (1) et à la première entrée de l'amplificateur de tension différentiel (8). La résistance (6) a sa borne positive connectée à la borne positive de la résistance (7) et à la seconde entrée de l'amplificateur de tension différentiel (8). - Deux résistances (3) et (4). La résistance (3) a sa borne négative connectée à la première entrée de l'amplificateur de tension différentiel (8). La résistance (4) a sa borne négative connectée à la seconde entrée de l'amplificateur de tension différentiel (8). Les résistances (3) et (4) ont leurs bornes positives connectées à la sortie du régulateur.15The current of the power transistor (9) is: IMOS = ILOAD + II + I2 = ILOAD + (2 * I1) = ILOAD + {[2 * (k * T / q) * ln (N) / R5] + [2 * VBEl / R3]} = ILOAD + IQ IQ = [2 * (k * T / q) * ln (N) / R5H2 * VBE1 / R3] is the quiescent current (consumption current) of the circuit (in the case where ILOAD = OmA), which is very weak. This circuit is thus optimized in consumption current, by minimizing the number of polarization branch. This circuit is also reduced in size and optimized This circuit comprises: - A power transistor (9) type pmos or nmos type. This power transistor (9) supplies the charging current of the voltage regulator, its source connected to the power supply and its drain connected to the output of the regulator in the case of a pmos (9), or its connected drain. to the power supply and its source connected to the output of the regulator in the case of nmos (9). -4- - A differential voltage amplifier (8), which has its output connected to the gate of the power transistor (9) - - Two pnp bipolar transistors (1) and (2). These bipolar transistors pnp (1) and (2) have a surface ratio between them, and have their base and their collector connected to ground. - A resistor (7), which has its negative terminal connected to the emitter of the pnp bipolar transistor (2). - Two resistors (5) and (6). The resistor (5) has its negative terminal connected to ground. The resistor (6) has its negative terminal connected to ground. The resistor (5) has its positive terminal connected to the emitter of the pnp bipolar transistor (1) and to the first input of the differential voltage amplifier (8). The resistor (6) has its positive terminal connected to the positive terminal of the resistor (7) and to the second input of the differential voltage amplifier (8). - Two resistors (3) and (4). The resistor (3) has its negative terminal connected to the first input of the differential voltage amplifier (8). The resistor (4) has its negative terminal connected to the second input of the differential voltage amplifier (8). The resistors (3) and (4) have their positive terminals connected to the output of the regulator.