CN101097455A - 形成反馈网络的方法及其结构 - Google Patents

Abstract

形成反馈网络的方法及其结构。在一个实施例中，电压调节器的反馈网络设置成响应于控制字调节分压器的值。

Description

形成反馈网络的方法及其结构

相关申请的相互参照

本申请涉及题为“形成可编程电压调节器的方法及其结构”的申请，该申请的发明人为Brain Ballweber等，与本申请具有一些共同的发明人、共同的受让人及在同一时间提交，因此在此并入作为参考。

技术领域

本发明一般涉及电子学领域，尤其是涉及形成半导体设备的方法及结构。

背景技术

在过去，半导体工业利用各种方法和结构来形成将输出电压调整为期望的目标值的电压调节器。电压调节器一般包括一些感知输出电压值的方法和形成误差信号的放大器，该误差放大器用于促进将输出电压调整为目标值。用于制造电压调节器的制造过程一般具有制造公差，其经常改变用在电压调节器电路中的部件的精确值。那些制造变化导致了在调节器运行时输出电压值中不期望的变化。

因此，期望有一种形成电压调节器结构的方法，其帮助调整电压调节器以补偿用于制造电压调节器的过程导致的变化以及会影响输出电压值的其它变化。

附图说明

图1根据本发明示意性地说明了包括电压调节器的电源系统的一部分的实施例；以及

图2根据本发明示意性地说明了包括图1中的电源系统的一部分的半导体设备的放大的平面图。

为了说明的简单和清楚，图中的元件不一定按照比例，并且在不同的图中相同的参考数字代表相同的元件。此外，为了说明的简要，省略了众所周知的步骤和元件的说明和细节。本文中使用的载流电极是指设备的一个单元，其承载通过设备的电流，例如，MOS晶体管的源极或漏极、或双极晶体管的发射极或集电极、或二极管的阴极或阳极，控制电极是指设备的一个单元，其控制通过设备的电流，例如，MOS晶体管的栅极或者双极晶体管的基极。虽然本文中把设备解释为确定的N通道或P通道设备，本领域的普通技术人员应该理解，根据本发明，互补的设备也是可以的。本领域的技术人员应理解，本文中的词汇“在...期间(during)”、“在...同时(while)”、以及“当...的时候(when)”不是精确的词语，其意味着在启始动作发生时立即发生的动作，但可能会在由启始动作启始的反应动作之间出现一些微小但合理的延迟，例如传播延迟。

具体实施方式

图1示意性地说明了包括线性电压调节器16的电源系统10的典型结构的一部分的实施例。调节器16包括在调节器制造及装配进半导体封装后可以被调整的反馈网络。该调整有利于补偿调节器16的元件中的变化，例如，调节器16的元件值的制造变化以及在调节器16装配期间引入到半导体封装内的变化。系统10一般在电力输入端子12和电力返回(power return)端子13间接收电力，如直流电压，并向连接至调节器16的输出19的负载11提供调整的电压。

调节器16在电压输入17和电压返回(voltage return)18间接收电力，电压输入和电压返回一般分别连接至端子12和端子13。调节器16通常包括可编程反馈网络66，其在输出53上形成感应信号(Vs)，所述信号代表输出19上输出电压的值。因为网络66的可编程性，感应信号(Vs)和输出电压之间的关系可以进行调整。调节器16还包括误差放大器26、上电复位电路或者POR 23、以及参考发生器或参考24。参考24可以是众所周知的各种参考中的任何一种，诸如带隙(band gap)参考电路。放大器26通常形成为跨导放大器，为了调整增益并为放大器26提供频率补偿，跨导放大器的阻抗连接至放大器26。放大器26接收来自输出53的感应信号(Vs)和来自参考24的参考信号，并形成控制诸如晶体管70的旁路元件的驱动信号，以调整输出电压的值。调节器16还可以包括内部工作电压调节器21，其提供输出22上的内部工作电压，所述工作电压用于运行调节器16上的一些元件，诸如工作元件30。调节器21是可选的，可以不包括在一些实施例中。

本领域的技术人员应该认识到，调节器16的各种元件具有制造变化，其会影响形成于输出19上的输出电压值。举例来说，放大器26可以具有影响放大器26运行的输入偏置电压，或者参考24可以具有偏离期望值几个毫伏的参考电压，或者晶体管70的增益可以偏离期望值几个百分点。任何或所有的制造变化影响输出19上的输出电压值。网络66的配置有利于调整输出53上的感应信号的值，以补偿这些制造变化和其它的变化，例如在装配调节器16期间引入到半导体封装内的变化。这些变化的任何一种影响形成于输出19上的输出电压的值。

可编程反馈网络66包括分压器，其由粗调电阻器(coarse adjustresistor)40与精良的微调电阻器(trim resistor)54在输出19和返回(return)18间串连形成。如下文中进一步所示，电阻器40和54分别为分压器提供第一和第二电阻R1和R2，以形成感应电压(Vs)。电阻器40和54是可编程的，以调整第一和第二电阻(R1和R2)的值以及感应信号(Vs)的值，以便补偿输出电压值的变化。网络66通常还包括存储元件30，其用于存储一个控制字，所述控制字帮助选择分压器的第一和第二电阻(R1和R2)的值。控制字通常通过数据输入27和时钟输入28从调节器16的外部电路存储到元件30中。外部数据通常施加给输入27，而时钟信号施加给输入28以将数据转移进元件30。元件30可以是已知存储元件中的任何一种，这些存储元件包括：串并行(serial to parallel)移位寄存器或诸如闪存EPROM的非易失性存储器。在其它的实施例中，数据字可以永久地存储在ROM或其它类型的可以用于元件30的存储设备中。

电阻器54包括一个固定电阻器59(R1F)和多个微调电阻器55-58，微调电阻器55-58选择性地连接至电阻分压器的第二电阻(R2)或第一电阻(R1)的一部分。固定电阻器59也标记为R1F，多个微调电阻器也通过R1TM标记为微调电阻器R1T1，其中M表征微调电阻器的数目。诸如晶体管61-65的多个微调开关用来响应于元件30中的控制字的值选择性地将输出53连接至微调电阻器55-58中的一个。电阻器40包括一个固定电阻器42(R2F)和多个可选电阻器分段(selectable resistor segment)43-46。固定电阻器42也可以标记为R2F，多个电阻器分段也可以通过R2SN标记为电阻器分段R2S1，其中N表征电阻器段的数目。诸如晶体管48-51的多个分段开关响应于元件30的控制字的值被选择性地启动或停用，以将电阻器分段43-46与固定电阻器42串连。

输出电压的值与分压器的第一和第二电阻以及以下等式中表示的参考电压有关：

Vs＝Vo(R1/(R1+R2))

因此，

Vo＝Vs(1+(R2/R1))

因为调节器16控制Vs大约等于Vref，那么：

Vo＝Vref(1+R2/R1))

以上等式示出输出电压的值可以通过调整分压器的第一电阻(R1)和第二电阻(R2)的值进行调整。分压器的第一电阻R1和第二电阻R2的值与电阻器40和54的值有关，有以下等式：

R1＝R1F+R1T(m)

R2＝R2F+R2S(n)+R1T(M-m)

其中：

R1F＝固定电阻器59的值，

R1T＝每个微调电阻器55-58的值，

M＝微调电阻器55-58的总数，

m＝连接在固定电阻器59(R1F)和输出53间的微调电阻器55-58的数目，

R2F＝固定电阻器42的值，

R2S＝分段43-46中的每个分段的值，

N＝分段43-46的总数，以及

n＝未被晶体管48-51短路因而与固定电阻器42(R2F)串连的分段43-46的数目。

从以上R1和R2的等式可以看出，电阻器54的第一部分用于电阻R1，电阻器54的剩余部分用于电阻器R2。导通晶体管48-51中的大多数减少了电阻R2的值，而导通晶体管48-51中的较少数增加了电阻器R2的值。因为导通和截至晶体管61-65将输出53的位置从微调电阻器55-58中的一个移动到另一个，所以R1和R2两者的值都被改变。将输出53移向电阻器40增加了电阻R1并减小了电阻R2，而将输出53移向固定电阻器59减小了电阻R1增加了电阻R2。举例来说，导通晶体管62以连接输出53至微调电阻器55使第一电阻(R1)的值等于电阻器59的值加上微调电阻器55的值，并使第二电阻(R2)包括微调电阻器56、57、以及58的值。因此，响应于控制字的值选择性地决定R1和R2的值。

因为电压分压器的第一和第二电阻(R1和R2)的值由控制字决定，那么如以下等式所示，输出电压的值也由控制字的值控制：

将R1和R2的等式插回Vo的等式，得出：

Vo＝Vref(1+((R2F+R2S(n)+R1T(M-m))/(R1F+R1T(m))))

在调节器16装配进半导体封装后，控制字可以存储到元件30中，并且可以测定输出电压的值。如果输出电压是不正确的，新的控制字可以写进元件30，而且可以再次检测输出电压。这样的过程可以一直重复，直到获得了输出电压的期望值。一旦获得正确的输出电压，控制字可以保持在元件30中。

在优选实施例中，FOR 23将存储于元件30中的控制字设置为向输出19上的输出电压提供最小值的默认值。在这个优选实施例中，控制字的默认值启动所有的分段晶体管48-51，并将网络66的输出53连接至电阻器54的微调电阻器的中点。还在这个优选实施例中，选择固定电阻器42和59的值、每个分段43-46的值、以及每个微调电阻器55-58的值，使得微调电阻器55-58的每一级(step)代表固定电阻器42和59的值加上分段43-46的数目值的固定百分比，分段43-46被加至电阻器42的值。微调电阻器55-58的每一级的这样的固定的百分比降低了决定如何调整输出电压值的复杂性。

在一个实施例中，参考24的目标值大约是0.6伏特，输出电压的目标值大约是0.8伏特，固定电阻器59大约是208,000欧姆，存在32个诸如微调电阻器55-58的微调电阻器，并且每个微调电阻器的值大约是2000欧姆。固定电阻器42的值大约是48,000欧姆，存在84个诸如电阻器分段43-46的电阻器分段，并且每个电阻器分段的值大约是20,000欧姆。控制字的默认值启动所有84个诸如晶体管48-51的分段晶体管，并且启动诸如晶体管61-65的微调晶体管中的中心晶体管。这种默认情况为电阻分压器的电阻R1和R2提供以下所示值：

R1＝R1F+R1T(m)＝208,000+2,000(16)＝240,00欧姆

R2＝R2F+R2S(n)+R1T(M-m)＝48000+20000(0)+2000(16)＝80,000欧姆

其中：

M＝32，

m＝16，

R2F＝208,000欧姆，

R2S＝20,000欧姆，

N＝84，以及

n＝0

输出19上的输出电压的结果值是：

Vo＝Vref(1+((R2F+R2S(0)+R1T(16))/(R1F+R1T(16))))

  ＝0.605(1+80/240))＝1.605(1.333)＝0.8066

尽管粗调电阻器40是以所有的具有相等值的电阻器43-46来描述的，但在优选实施例中，电阻器43-46的每个具有不同的值。将不同的值用于电阻器43-46中的每一个有助于在进行电阻器和相关输出电压值的粗调时提供更大的灵活性。在这样的优选实施例中，由电阻器43-46的非短路电阻器(non-shorted resistor)产生的电阻器的值是非短路电阻器值的总和。举例来说，电阻器43可以具有20,000欧姆的值，电阻器44可以具有50,000欧姆的值，电阻器45可以具有70,000欧姆的值等。为了将输出电压的值调整为期望的目标值，控制字被写

进了元件30中，通过启动下一个更大微调晶体管，其增加了第一电阻R1中的微调电阻器的数目，该更大微调晶体管使输出53向上移动至电阻器54中的一个微调电阻器，从而如下所示，改变了R1和R2的值：

Vo＝Vref(1+((R2F+R2S(0)+R1T(15))/(R1F+R1T(17))))

  ＝0.605(1+(48K+20K(0)+2K(15)/(208K+2K(17))))

  ＝0.605(1+(78/242))＝0.605(1.32231)＝0.8

可以看出，微调电阻器55-58的较小值提供精细调整，而分段43-46的较大值为调整输出电压的值提供粗调。

为了促进调节器16的这项功能，电阻器40的第一端子被连接至输出19和电阻器42的第一端子。电阻器42的第二端子一般连接至晶体管48的漏极和电阻器分段43的第一端子。电阻器分段43的第二端子一般连接至晶体管49的漏极和电阻器44的第一端子。电阻器44的第二端子一般连接至晶体管50的漏极和电阻器45的第一端子。电阻器45的第二端子一般连接至晶体管51的漏极和电阻器46的第一端子。电阻器46的第二端子一般连接至晶体管51的源极、晶体管50的源极、晶体管49的源极、晶体管48的源极、晶体管65的源极、以及电阻器58的第一端子。电阻器58的第二端子一般连接至电阻器57的第一端子和晶体管64的源极。电阻器57的第二端子一般连接至晶体管63的源极和电阻器56的第一端子。电阻器56的第二端子一般连接至晶体管62的源极和电阻器55的第一端子。电阻器55的第二端子一般连接至晶体管61的源极和电阻器59的第一端子。电阻器59的第二端子连接至电阻器54的第二端子和返回18。晶体管61的漏极一般连接至输出53、放大器26的正相输入、晶体管62的漏极、晶体管63的漏极、晶体管64的漏极、以及晶体管65的漏极。晶体管61的栅极连接至元件30的第一输出，晶体管62的栅极连接至元件30的第二输出，晶体管63的栅极连接至元件30的第三输出，晶体管64的栅极连接至元件30的第四输出，晶体管65的栅极连接至元件30的第五输出。晶体管51的栅极连接至元件30的第六输出，晶体管50的栅极连接至元件30的第七输出，晶体管49的栅极连接至元件30的第八输出，晶体管48的栅极连接至元件30的第九输出。放大器26的反相输入连接至参考24的输出。放大器26的输出连接至晶体管70的栅极，该晶体管70的漏极连接至输出19并且源极连接至输入17。

图2示意性地说明了形成于半导体管芯71上的集成电路75或半导体设备的一个实施例的一部分的放大的平面图。调节器16在管芯71上形成，管芯71也可以包括为了简化图形而未在图2中示出的其它电路。调节器16和设备或集成电路75通过本领域技术人员公知的半导体制造技术形成在管芯71上。在一个实施例中，将调节器16形成在半导体基片上，作为具有五个外部引脚的集成电路，例如，输入17、返回18、输出19、以及输入27和28，并将其装配进具有六个引脚或端子的半导体封装中。

综上所述，显然公开了一种新的设备和方法。除其它特征，被包括的是形成调整输出电压值的可编程反馈网络。编程反馈网络的值也对使感应信号(Vs)与输出电压相关的感应信号转换功能进行编程。对感应信号的转换功能进行编程有利于补偿电压调节器在调节器的元件中的值的变化，其包括由制造公差引起的变化以及在将调节器装配进最终的封装器间导致的变化。

虽然本发明的主题通过具体的优选实施例进行了描述，但显然，对于半导体领域的技术人员而言，许多替换和改变是显而易见的。例如，第一和第二电阻可以是颠倒的，或者可以反转开关的效果使得开关可以被停用以加上或减去电阻元素。尽管该方法以特定的N通道MOS晶体管描述，但是本方法可直接地应用于其它的晶体管，例如，MOS、BiCMOS、金属半导体FET(MESFET)、HFET、以及其它的晶体管结构。另外，为了清晰地说明，全文使用词汇“连接(connect)”，但是，其与词语“耦接(couple)”具有相同的含义。因此，“连接(connect)”应该解释为包括直接连接或间接连接。

Claims (10)

1.一种用于电压调节器的反馈网络，其包括：

第一电阻器；

第二电阻器，其与所述第一电阻器串连，所述第二电阻器具有多个微调电阻器；以及

所述反馈网络的输出，其设置成选择性地连接至所述多个微调电阻器中的一个，从而将所述多个微调电阻器中的第一部分与所述第一电阻器串连。

2.如权利要求1所述的反馈网络，其中，所述第二电阻器包括与所述多个微调电阻器串连的固定电阻器，其中，所述第二电阻器的值包括所述固定电阻器加上不包括所述多个微调电阻器的所述第一部分的所述多个微调电阻器的第二部分。

3.如权利要求1所述的反馈网络，其中，所述反馈网络的所述输出响应于从所述电压调节器的外部接收的控制字，选择性地连接至所述多个微调电阻器中的一个。

4.如权利要求1所述的反馈网络，其中，所述第一电阻器包括与多个电阻器分段串连的固定电阻器，所述多个电阻器分段选择性地与所述固定电阻器串连，其中，所述第一电阻器的值包括所述固定电阻器加上所述多个电阻器分段的第一部分加上所述多个微调电阻器的所述第一部分。

5.如权利要求4所述的反馈网络，其中，所述多个电阻器分段的一部分响应于从所述电压调节器的外部接收的控制命令，选择性地与所述固定电阻器串连。

6.一种电压调节器的形成方法，其包括：

设置所述电压调节器以形成具有一个值的输出电压；以及

设置可编程反馈网络以包括具有第一值的第一电阻器和具有第二值的第二电阻器，其中，所述第一值和所述第二值响应于控制字选择性地形成，其中，通过第一总数改变所述第一值就通过同样的总数但在相反方向改变所述第二值。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述设置所述可编程反馈网络的步骤包括将待选择连接的所述可编程反馈网络的输出连接至多个串连的微调电阻器中的第一微调电阻器。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述将所述输出连接至所述第一微调电阻器的步骤串连了所述多个微调电阻器中的第一部分以形成所述第一值，并且将所述多个微调电阻器的第二部分连接至所述第二电阻器。

9.一种可编程分压器，其包括：

第一电阻器；

第一晶体管，其与所述第一电阻器并连，并且设置成响应于控制字选择性地启动；

第二电阻器，其与所述第一电阻器串连；

第二晶体管，其具有连接至所述第二电阻器的第一载流电极、连接至所述可编程分压器的输出的第二载流电极、以及设置成相应于所述控制字选择性地启动所述第二晶体管的控制电极；

第三电阻器，其与所述第二电阻器串连；

第三晶体管，其具有连接至所述第三电阻器的第一载流电极、连接至所述可编程分压器的所述输出的第二载流电极、以及设置成响应于所述控制字选择性地启动所述第三晶体管的控制电极。

10.根据权利要求9所述的可编程分压器，还包括第四电阻器和第四晶体管，所述第四电阻器与所述第一电阻器串连，所述第四晶体管与所述第四电阻器并连。