CN101086673B - 构成电压调节器的方法及其结构 - Google Patents

Abstract

构成电压调节器的方法及其结构。在一个实施例中，电压调节器在第一时间周期内用第一电流给旁路电容器充电，并在第一时间周期之后使用第二电流。

Description

构成电压调节器的方法及其结构

技术领域

本发明一般涉及电子技术，并且更具体地，涉及构成半导体器件的方法和结构。

背景技术

过去，半导体工业利用各种方法和结构，来构成用于调节输出电压的线性电压调节器。电压调节器对输出电压取样，并使用误差信号放大器将取样电压调节到一个参考电压的值。在一些类型的电压调节器中，为了减少参考电压上的噪音，将一个旁路电容器在误差信号放大器的输入端与参考电压连接。该旁路电容器通常有一个很大的值，该值需要电压调节器花费很长时间来形成最初的参考电压，这样，电压调节器需要很长时间来启动。这个长的启动时间通常是个不合需要的特征。

因此，期望有一个可以减少启动时间的电压调节器。

附图说明

图1简要示出一部分供电系统的实施例，该供电系统具有一个根据本发明的电压调节器；和

图2简要示出一半导体器件的放大平面图，该半导体器件包括图1所示的根据本发明的电压调节器。

为了说明的简洁和清楚，附图中的组成部分没有必要按比例绘制，不同图中相同的附图标记表示相同的元件。此外，为了描述的简要而省略了对公知的步骤和元件的说明与详述。如这里所使用的，载流电极表示器件的一个元件，其承载通过该器件的电流，如MOS晶体管的源极或漏极、或双极晶体管的集电极或发射极、或二极管的阴极或阳极；控制电极表示器件的一个元件，其控制通过该器件的电流，如MOS晶体管的栅极或双极晶体管的基极。虽然这些器件在本文中被解释为特定的N沟道或P沟道器件，但本技术领域的普通技术人员应该认识到，依照本发明，互补器件也是可能的。本技术领域中的技术人员应认识到，本文使用的词语“在...的期间、在...同时、当...的时候”不是指一个动作在启动动作刚一开始就立即发生的精确术语，而是在被启动动作所启动的反应之间可能有一些小而合理的延迟，如传播延迟。

具体实施方式

图1简要示出一部分供电系统10的实施例，包括一个范例形式的电压调节器20，电压调节器20具有减少的启动时间。正如以下将进一步看到的，调节器20被设置成在第一时间周期期间用第一充电电流给旁路电容器16充电，并在第一时间周期终止后在第二时间周期中用第二充电电流给电容器16充电。电容器16的值通常在约五到一百(5-100)毫微法拉的范围内。系统10在功率输入端11和功率返回端12之间，从一个直流电压电源接收功率。该直流电压电源可能来自各种公知的直流电源，如家用电力网的总输入电压的全波整流信号。调节器20从电压输入端21和电压返回端22之间的输入电压接收功率，电压输入端21和电压返回端22通常分别与端点11和12相连。调节器20在输出25上形成经过调节的输出电压。负载15和滤波电容器14通常与输出端25连接，以接收该经过调节的输出电压。调节器20将输出电压调节到一个目标值，在处于该目标值附近的值的范围内。例如，目标值为5伏特(5V)，值的范围则为5伏特附近正或负百分之五(5％)。

调节器20有一个反馈控制环，包括误差信号放大器31、旁路晶体管37和一个反馈网络，该反馈网络由连接在输出25和返回22之间的串联电阻器33和34组成。电阻器33和34在节点35处形成读出信号，该读出信号代表输出电压的值。调节器20通常包括一个启动输入端27，启动输入端27接收启动信号以启动和禁止调节器20的运行。调节器20也可能包括带隙参考信号发生器或参考器39、输入缓冲器55、定时器56、反相器57和放大器44。参考器39在输出端40产生第一参考电压，在第二个输出端41产生第二参考电压，该第二参考电压基本与第一参考电压相等。放大器44被设置成从参考器39接收第二参考信号，并在放大器44的输出端形成一个基本相等的第三参考信号。放大器44也被设置成形成电流53，该电流将电容器16快速充电到基本为第三参考信号的值，因此，该第三参考信号值基本与来自参考器39的第一参考信号相等。目的是设置参考器39和放大器44，以使第二和第三参考信号与第一参考信号相等。然而，在本技术领域中众所周知，总有一些小的差异会阻止增益完全相等。在本技术领域中普遍接受，直到约百分之十(10％)的差异被认为是偏离完全相等的理想目标的合理差异。图1所示的示范性实施例放大器44包括第一跨导放大器46、第二跨导放大器47、第一激励晶体管50、第二激励晶体管51和截止晶体管58和59。

当输入端27为低时，调节器20被禁止而不能调节输出电压。输入端27为低使参考器39的输出为低，从而阻止放大器31启动晶体管37。输入端27为低还通过使参考器39的输出为低，使定时器56输出端上的控制信号无效。为低的控制信号启动晶体管58，并且还通过反相器57启动晶体管59。晶体管58和59的启动分别截止晶体管50和51，从而阻止放大器44运行。

当输入端27为高时，参考器39被启动，并分别在输出端40和41提供第一和第二参考信号。输入端27为高，也使定时器56能在定时器56的输出端确定(assert)对于第一时间周期的控制信号。在示范的实施例中，定时器56通过使控制信号为高来确定该控制信号，尽管其它的实施例也可能使控制信号为低来确定该控制信号。放大器44从输出端41接收第二参考信号，并产生第三参考信号和电流53。选择第一时间周期的长度，以确保在第一时间周期终止前，电流53能将电容器16基本充电到第一参考信号的值。定时器为56高使晶体管58截止，并通过反相器57使晶体管59截止从而启动放大器44。放大器46和47连接在一个共源极结构中，并分别驱动晶体管50和51。在优选实施例中，放大器46和47是二级跨导放大器，具有高增益，一般大于一千(1000)，并提供了一个电流，该电流足以控制各个晶体管50和51以产生电流53。放大器46和47及晶体管50和51如此构成，使得将电流53提供为如下值，该值足以在一个时间周期内，将电容器16充电到基本与第一参考信号相等的值，该时间周期小于定时器56确定控制信号的时间。一般地，放大器44在少于六十(60)微秒的时间内为电容器16充电。启动参考器39也可以在输出端40产生电流49，来帮助电容器16充电。然而，参考器39设置成将电流49的值限制到一个很小的值，该值能使电容器16在被电流53充电后依然保持充电。电阻器54可连接在放大器44的输出节点或输出端52和输入端24之间，以便提供频率补偿，从而提高调节器20的反馈环的稳定性。

定时器56的第一时间周期终止后，该定时器56使控制信号无效。定时器56为低可以启动晶体管58和59，而这分别使晶体管50和51截止，从而禁止放大器44。参考器39保持启动，以提供电流49和第一、第二参考信号。放大器44被禁止后，电流49维持电容器16上的电量。这样，形成了在第一时间周期给电容器16快速充电的电流53，将促使调节器20在输出端25迅速形成调节电压。使用较低值的电流49，以维持电容器16上的参考信号，将减少调节器20运行期间和任何等待时间中的功率消耗。在优选实施例中，第一参考信号的值约为六百毫伏(600mv)，电流49不大于约一(1)微安，电流53通常大于约十(10)微安并且优选地为约十(10)毫安，以及第一时间周期约为七十五微秒。

为了帮助调节器20提供这种功能，输入端27连接在缓冲器55的输入端，该缓冲器55的输出端连接到定时器56的输入端和参考器39的输入端。参考器39连接在输入端21和返回端22之间。参考器39的第一输出端40与输入端24连接，第二输出端41与放大器44的输入端相连。定时器56的输出端通常与反相器57的输入端和晶体管58的栅极连接。反相器57的输出端与晶体管59的栅极连接。晶体管58的源极与输入端21连接。晶体管58的漏极通常与放大器46的输出端和晶体管50的栅极连接。晶体管59的源极与返回端22连接，并且漏极通常与放大器47的输出端和晶体管51的栅极连接。晶体管50的源极与晶体管58的源极连接，并且晶体管50的漏极通常与输出端52、放大器46的非反相输入端、放大器47的非反相输入端和电阻器54的第一接线端连接。晶体管51的漏极与输出端52连接，并且晶体管51的源极与晶体管59的源极连接。放大器46的反相输入端通常与放大器44的输入端和放大器47的反相输入端连接。电阻器54的第二接线端通常与输入端24和放大器31的反相输入端连接。放大器31的输出端与晶体管37的栅极连接。晶体管37的源极与输入端21连接，并且漏极与输出端25连接。电阻器33的第一接线端与输出端25连接，并且第二接线端通常与节点35、电阻器34的第一接线端和放大器31的非反相输入端连接。电阻器34的第二接线端与返回端22连接。

图2简要示出半导体器件或集成电路65的一部分实施例的放大平面图，该器件或集成电路65在半导体基片66上形成。调节器20在基片66上形成。基片66也可能包括图2中为简化制图而没有示出的其它电路。调节器20和器件或集成电路65通过本技术领域中的技术人员公知的半导体制造技术，在基片66上形成。在一个实施例中，调节器20作为一个集成电路在半导体衬底上形成，该集成电路具有不多于六个并且优选地为五个外部导线。

鉴于上述内容，显然公开的是一种新颖的器件和方法。在其它特征中，包含如下特征：构成调节器20，以便用两个不同的电流值给外部电容器16充电。用大电流给电容器16快速充电，并且用较小的电流保持电容器16上的电量，从而利于减少调节器20的启动时间，也减小其功率消耗。

虽然本发明的主题是用特定优选实施例来描述的，但显然对半导体领域的技术人员来说许多替换和变化的方法也是显而易见的。例如，虽然放大器44被设置为AB类放大器，但也可以使用其它结构的放大器，只要其提供的充电电流大于参考信号发生器提供的电流，以便为旁路电容器充电。此外，为描述清楚而始终使用词语“连接”，但是该词语倾向于具有与词语“耦合”相同的含义。相应地，“连接”应被解释为既包括直接连接也包括间接连接。

Claims (10)

1.一种电压调节器，包括：

输出端，其设置成将输出电压调节到一个目标值；

误差信号放大器，其被耦合以接收代表所述输出电压的读出信号，接收参考信号，及响应性地将所述读出信号调节到近似等于所述参考信号；

电压调节器的第一输入端，其设置成耦合到一个电容器，并被耦合以接收所述参考信号；和

充电电路，其耦合到所述电压调节器的第一输入端，并设置成在第一时间周期期间用第一电流为所述电容器充电，及在所述第一时间周期后用第二电流为所述电容器充电，其中，所述第一电流比所述第二电流大。

2.如权利要求1所述的电压调节器，其中，所述充电电路包括一个定时器和一个放大器，所述定时器设置成确定对于所述第一时间周期的控制信号，所述放大器被耦合以接收所述控制信号并响应性地形成所述第一电流，所述放大器具有输出端。

3.如权利要求2所述的电压调节器，其中，所述放大器包括一对二级跨导放大器，每个所述二级跨导放大器驱动一个输出晶体管。

4.如权利要求3所述的电压调节器，其中，所述一对二级跨导放大器连接在一个共源极结构中。

5.如权利要求3所述的电压调节器，其中，所述一对二级跨导放大器中的第一个二级跨导放大器包括一个第一输入端、一个第二输入端和一个输出端，所述第一输入端被耦合以接收所述参考信号，所述第二输入端耦合到所述放大器的所述输出端，并且所述第一个二级跨导放大器的所述输出端耦合到第一输出晶体管的控制电极；所述一对二级跨导放大器中的第二个二级跨导放大器包括一个第一输入端、一个第二输入端和一个输出端，所述第一输入端被耦合以接收所述参考信号，所述第二输入端耦合到所述放大器的所述输出端，并且所述第二个二级跨导放大器的所述输出端耦合到第二输出晶体管的控制电极；所述第一输出晶体管包括一个第一载流电极和一个第二载流电极，所述第一载流电极被耦合以接收输入电压，所述第二载流电极耦合到所述放大器的所述输出端；所述第二输出晶体管包括一个第一载流电极和一个第二载流电极，所述第一载流电极耦合到电压返回端，第二载流电极耦合到所述放大器的所述输出端。

6.一种构成电压调节器的方法，包括以下步骤：

设置一个参考电路，以产生第一参考信号；

设置所述电压调节器，以将输出电压调节到基于所述第一参考信号的一个目标值；

设置所述电压调节器，以形成基本等于所述第一参考信号的第二参考信号，并且在第一时间周期以第一电流值将所述电压调节器的输入端充电到所述第二参考信号；以及

在所述第一时间周期之后设置所述电压调节器，从而以第二电流值将所述电压调节器的输入端基本充电到第一参考信号，其中所述第二电流值小于所述第一电流值。

7.如权利要求6所述的方法，其中，设置所述电压调节器，以形成基本等于所述第一参考信号的第二参考信号的步骤包括：将第一放大器和第二放大器耦合在一个共源极结构中以形成所述第一电流值。

8.如权利要求7所述的方法，其中设置一个参考电路以产生第一参考信号的步骤包括：设置参考信号发生器以形成所述第一参考信号，并且所述方法还包括：设置所述共源极结构以接收所述第二参考信号并产生基本等于所述第一参考信号的第三参考信号。

9.一种电压调节器，包括：

参考电路，其设置成形成第一参考信号和第二参考信号，所述第二参考信号基本与所述第一参考信号相等；

误差信号放大器，被耦合以接收所述第一参考信号，并将所述电压调节器的输出电压调节到一个目标电压值；

放大器，被耦合以接收所述第二参考信号，并在第一时间周期期间将处于第一电流值的所述电压调节器的输入端基本充电到所述第一参考信号；以及

所述参考电路设置为在所述第一时间周期之后以第二电流将所述电压调节器的输入端基本充电到第一参考信号，其中所述第二电流值小于所述第一电流值。

10.如权利要求9所述的电压调节器，其中，一个定时器电路确定对于所述第一时间周期的控制信号，并且所述放大器响应于控制信号给所述电压调节器的所述输入端充电。

Images