带有改进电源范围的低功率快响应稳压器的器件与方法
相关申请的交叉引用
下述两个相关的待审查专利申请在此作为参考而被全部引用:
1.中国专利申请200410066516.2,申请人罗文哲,名为“具有低待机电流的调压器用器件和方法”;以及
2.中国专利申请200410066517.7,申请人罗文哲,名为“具有稳定快速响应和低待机电流的调压器用器件和方法”。
技术领域
本发明一般地涉及集成电路。更具体地说,本发明提供了一种用于具有低待机电流的低功率快响应稳压器的器件与方法。
背景技术
本发明一般地涉及集成电路。更具体地说,本发明提供了一种用于具有低待机电流的低功率快响应稳压器的器件与方法。仅仅作为示例,本发明已经应用于电池供电系统。但是应当认识到本发明具有宽得多的适用范围。
稳压器被广泛使用并被集成到集成电路芯片上。集成电路芯片可能含有尺寸不断缩小的众多晶体管。晶体管尺寸的减小通常要求降低晶体管的工作电压。因而,集成电路芯片的电源电压随着晶体管尺寸缩小而降低。集成电路芯片通常用作系统的组件。该系统还含有其它子系统,这些子系统的工作电压可能高于晶体管的工作电压。因而系统的电源电压可能高于集成电路的电源电压。例如,系统电源等于5伏,而芯片电源等于3.3伏。在另一示例中,系统电源等于3.3伏,而芯片电源等于1.8伏。
为了提供芯片电源,系统电源通常由稳压器来转换。例如,稳压器接收5伏的信号,产生3.3伏的信号。在另一示例中,稳压器接收3.3伏的信号,产生1.8伏的信号。图1是传统稳压器的简化示图。稳压器100包括参考电压发生器110、运算放大器120和分压器130。电压发生器110产生参考电压Vref 112。Vref 112被运算放大器120接收。运算放大器120还接收系统电源Vsystem 124并产生输出电压Vout 122。Vout 122被分压器130分压,并且运算放大器接收反馈电压Vfeedback 132。Vout 122用作芯片电源。例如,系统电源是5伏而期望的芯片电源是3.3伏。如果Vref 112等于1.25伏,则分压器130将反馈电压Vfeedback 132设为等于(1.25/3.3)Vout。在另一示例中,Vref 112等于期望的芯片电源。之后Vout 122被直接用作Vfeedback 132而去除分压器130。
当系统处于活动模式或待机模式下,稳压器通常提供芯片电源。因为具有分压器,稳压器在待机模式下消耗大量能量。待机模式下的能量消耗限制了电池供电器件的工作时间。并且,某些电池供电器件需要低待机功耗,因而不能使用在待机模式下消耗大量功率的稳压器。另一方面,如果没有分压器,稳压器通常不能在系统电源的连续范围内工作。
由上可以看到,需要一种用于稳压器的改进技术。
发明内容
本发明一般地涉及集成电路。更具体地说,本发明提供了一种用于具有低待机电流的低功率快响应稳压器的器件与方法。仅仅作为示例,本发明已经应用于电池供电系统。但是应当认识到本发明具有宽得多的适用范围。
在一个具体实施例中,本发明提供了一种用于调节电压电平的装置。该装置包括第一晶体管和耦合到第一晶体管的第二晶体管。第一晶体管被配置成接收参考电压,而第二晶体管被配置成接收反馈电压并产生第一电压。第一电压与参考电压和反馈电压之间的差相关联。此外,该装置包括第三晶体管,第三晶体管耦合到第二晶体管,并且被配置成从第二晶体管接收第一电压并至少响应于该第一电压而产生一个输出电压。此外,该装置包括第四晶体管和第一电流产生系统,其中第四晶体管耦合到第三晶体管,并且被配置成从第三晶体管接收输出电压并产生反馈电压,第一电流产生系统通过至少一个节点耦合到第四晶体管。所述节点与反馈电压相关联。反馈电压基本等于输出电压和第二电压之间的差,并且第二电压与第四晶体管的一个或多个特性有关且基本为常数。
根据另一实施例,一种用于调节电压电平的装置包括第一晶体管和耦合到第一晶体管的第二晶体管。第一晶体管被配置成接收参考电压,而第二晶体管被配置成接收反馈电压并产生第一电压。第一电压与参考电压和反馈电压之间的差相关联。此外,该装置包括第三晶体管,第三晶体管耦合到第二晶体管,并且被配置成从第二晶体管接收第一电压并至少响应于该第一电压而产生一个输出电压。此外,该装置包括第四晶体管和第一电流产生系统,其中第四晶体管耦合到第三晶体管,并且被配置成从第三晶体管接收输出电压并产生反馈电压,第一电流产生系统通过至少一个节点耦合到第四晶体管。所述节点与反馈电压相关联。反馈电压基本等于输出电压和第二电压之间的差,并且第二电压与第四晶体管的一个或多个特性有关且基本为常数。第一晶体管和第二晶体管每个都耦合到电流反射镜(current mirror),并且电流反射镜耦合到供电电压。第三晶体管和第四晶体管每个都耦合到供电电压。输出电压等于预定电压,并且供电电压等于或大于预定电压。
根据另一实施例,一种用于调节电压电平的装置包括第一晶体管和耦合到第一晶体管的第二晶体管。第一晶体管被配置成接收参考电压,而第二晶体管被配置成接收反馈电压并产生第一电压。第一电压与参考电压和反馈电压之间的差相关联。此外,该装置包括第三晶体管,第三晶体管耦合到第二晶体管,并且被配置成从第二晶体管接收第一电压并至少响应于该第一电压而产生一个输出电压。此外,该装置包括第四晶体管和第一电流产生系统,其中第四晶体管耦合到第三晶体管,并且被配置成从第三晶体管接收输出电压并产生反馈电压,第一电流产生系统通过至少一个节点耦合到第四晶体管。所述节点与反馈电压相关联。反馈电压基本等于输出电压和第二电压之间的差,并且第二电压与第四晶体管的一个或多个特性有关且基本为常数。第一晶体管和第二晶体管每个都耦合到一个负载,并且所述负载耦合到供电电压。
通过本发明,实现了许多优于传统技术的优点。本发明的一些实施例显著降低了稳压器在待机模式下的功耗。本发明的某些实施例显著改进了稳压器的频率响应。本发明的一些实施例扩展了供电电压的范围。例如,稳压器可以以等于或大于期望输出电压的供电电压工作。根据实施例,可以实现一个或多个这些优点。在本说明书的下文中,将详细描述这些以及其它的优点。
参考下文详细的描述和附图,可以更全面地理解本发明的各种其它目的、特征和优点。
附图说明
图1是传统稳压器的简化示图;
图2是简化的传统稳压器;
图3是根据本发明一个实施例的简化稳压器。
具体实施方式
本发明一般地涉及集成电路。更具体地说,本发明提供了一种用于具有低待机电流的稳压器的器件与方法。仅仅作为示例,本发明已经应用于电池供电系统。但是应当认识到本发明具有宽得多的适用范围。
图2是简化的传统稳压器。器件200包括下述组件:
1. 电流反射镜210;
2. 晶体管220、222和224;
3. 补偿电容器230;
4. 负载电容器240;
5. 电流源250和260;
6. 分压器270。
电流反射镜210、晶体管220和222以及电流源260形成差分放大器的第一级,而晶体管220和222形成差分对。晶体管224、补偿电容器230、负载电容器240、电流源250和分压器270形成该差分放大器的输出级。分压器270是可选的。如果未使用分压器270,则Vout 280用作Vfeedback 282并跟随Vref。Vref可以由电压发生器提供。相反,如果使用了分压器270,则Vdivided 284用作Vfeedback 282并且等于Vout除以常数K所得的值,其中K大于1。
对于稳压器200,由于电流反射镜210的缘故,Vref通常要求小于VDD减去Vsat所得的值。VDD是电流反射镜210的供电电压。该要求通常使晶体管222保持在活性区内。因此稳压器200通常用于VDD大于Vref加上约1000mV所得的值的情况。如果没有分压器270,则VDD通常要求大于期望的Voutdesired加上约1000mV所得的值。相反,如果有分压器270,则VDD通常要求大于(Voutdesired/K+1000mV)。作为示例,VDD大于或等于Voutdesired。因此对于给定的Voutdesired,分压器270可以扩展VDD的范围。
另一方面,分压器270可以提高静态电流并限制稳压器200的频率响应。具体地说,分压器270在Vdivided处产生一个极点(pole),这可以降低反馈环路的频率响应。为了不使速度降低,分压器270的阻抗不能太大。因此,流过分压器270的静态电流通常不能被进一步减小。
总之,如果没有分压器270,则稳压器220输运较小的静态电流并提供较快的频率响应,但是通常仅工作在VDD的较窄范围内。相反,如果具有分压器270,则稳压器200通常可以工作在VDD的较宽范围内,但是输运较大的静态电流并提供较慢的频率响应。
图3是根据本发明一个实施例的简化稳压器。器件300包括下述组件
1. 电流反射镜310;
2. 晶体管320、322、324和380;
3. 补偿电容器330;
4. 负载电容器340;
5. 电流源350、360和370。
上述电子器件提供了用于根据本发明一个实施例的稳压器的组件。在不脱离这里权利要求的范围的条件下,可以得到其它的替代物,其中添加某些器件,去除一个或多个器件,或者以不同连接来设置一个或多个器件。例如,去除电流源360,并且晶体管320和322直接耦合到地电平。作为另一示例,添加电压发生器以向晶体管320提供Vref。在另一实施例中,电流反射镜310被一个负载替换。在一个实施例中,负载包括电流反射器。
电流反射镜310将晶体管320和322与电压源VDD相耦合。例如,电压源VDD与稳压器300作为其组件的系统的电源相同。电压源VDD可以在从1.8V到5V的范围内。作为示例,电流反射镜310、晶体管320和322,以及电流源360形成运算放大器的第一级,且晶体管320和322用作差分对。晶体管320和322是NMOS晶体管。
晶体管320和322接收参考电压Vref 396和反馈电压Vfeedback 392。例如,Vref 396在1V到3.3V的范围内。如果Vfeedback 392与Vref 396不同,则运算放大器的第一级在中间电压Vintermediate 398处产生一个变化。此外,电流源360可以在从100nA到1μA的范围内。
Vintermediate398由晶体管324接收。作为示例,晶体管324和380、补偿电容器330、负载电容器340、以及电流源350和370形成了差分放大器的输出级的多个部分。晶体管324和380耦合到电压源。例如,电压源与VDD相同。在另一示例中,晶体管324是NMOS晶体管,而晶体管380是PMOS晶体管。晶体管324为稳压器300产生输出电压Vout 390。
Vout 390由晶体管380接收。在一个实施例中,晶体管380和电流源370形成源跟随器,其输出一个跟随器电压Vfollower 394。Vfollower 394等于(Vout-VT-Vdsat),并且用作Vfeedback 392以和Vref 396相比较。VT和Vdsat分别是晶体管380的阈值电压和饱和电压。例如,VT在从0.3V到0.8V的范围内,Vdsat在从50mV到500mV的范围内。作为另一个示例,电流源370在从100nA到20μA的范围内。
在一个实施例中,对于稳压器300,为了使晶体管322处于活性区中,Vref应当小于VDD减去电流反射镜310的饱和电压Vsatmirror所得的值。换句话说,
VDD>Vref+Vsatmirror (式1)
其中Vref等于期望的Vfeedback,其与期望的Vfollower相同。例如,Vfollower等于期望的输出电压Voutdesired减去(VT+Vsat)所得的值。因此,
VDD>Voutdesired-(VT+Vdsat-Vsatmirror) (式2)
在一个实施例中,VT+Vdsat-Vsatmirror大于或等于零。稳压器300可以以工作于大于或等于Voutdesired的VDD。
如图3所示,传统的分压器已被源跟随器替换,这可以显著地降低静态电流。对于传统的分压器,分压器电阻通常被设得较低,以增高分压器的小信号极点。小的分压器电阻会引起大的DC电流。相反,对于源跟随器,通过使晶体管380变大,可以增高小信号极点。因为晶体管380的源节点处的小阻抗,所以电流源370保持很小。增高小信号极点显著改进了反馈环路的频率响应。
本发明具有多种优点。本发明的一些实施例显著降低了稳压器在待机模式下的功耗。本发明的某些实施例显著改进了稳压器的频率响应。本发明的一些实施例扩展了供电电压的范围。例如,稳压器可以在等于或大于期望输出电压的供电电压下工作。
还应当理解,这里所描述的示例和实施例只是为了说明的目的,本领域的普通技术人员可以根据上述实施例对本发明作出各种修改和变化。这些修改和变化都在本申请的精神和范围内,并且也在权利要求的范围内。