CN101196756A

CN101196756A - 电压调整器

Info

Publication number: CN101196756A
Application number: CNA2007101947831A
Authority: CN
Inventors: 本·海尔曼
Original assignee: Qimonda North America Corp
Current assignee: Qimonda North America Corp
Priority date: 2006-12-06
Filing date: 2007-12-06
Publication date: 2008-06-11
Also published as: DE102007058419A1; US20080136396A1

Abstract

通过以下步骤对电压调整器进行操作：确定由电压调整器输出的电压是否处于期望的操作区域之内，以及当由电压调整器输出的电压处于期望的操作区域之外时调节与电压调整器有关的反馈电阻。

Description

电压调整器

背景技术

多种类型的集成电路结合或利用用于产生恒定电压电平(例如，恒定基准电压和/或电源电压)的电压调整器。电压调整器常规上包括放大器、激励晶体管、及激励晶体管的输出端和放大器的一个输入端之间的反馈路径。放大器的另一个输入端接收基准电压。在操作期间，放大器产生与基准电压输入和反馈电压之间的差成比例的信号。放大器输出激励(actuate)激励晶体管的栅极。作为响应，激励晶体管输出具有与其栅极电压成比例的幅度的电压(即，放大器的输出)。

可以外部提供或者“在芯片上”产生(例如，由带隙基准电路产生)输入到电压调整器的基准电压。虽然带隙基准电路不受处理、电压、及温度变化的影响，但是电压调整器却受可变性的各种源的影响。同样地，在操作期间，传统的电压调整器的输出漂移或偏移。例如，温度变化会使电压调整器的激励晶体管的输出从基准电压输入漂移或偏移开。如果调整电压输出落在可接受的范围之外，则依赖于该调整器的输出的电路会不合需要的运行。

多种源会引起电压调整器的输出漂移或偏移。例如，布置错配(layout mismatch)和处理、电压、及温度变化均会使电压调整器的输出变化。另外，调整器的放大器的增益也会引起输出偏移。具体地，放大器的增益确定激励晶体管的反馈节点如何接近地跟踪基准电压输入。高的增益导致更好的跟踪，但是在所有的操作条件下电路会更难以稳定。稳定调整器电路会降低电路性能。相反地，低的增益会提供更好的操作稳定性。但是，低的增益会劣化反馈节点和基准电压输入之间的跟踪，从而增大电压偏移。另外，由调整器的激励晶体管提供的电流引入激励晶体管的输出和基准电压输入之间的系统误差(systemic offset)，进一步加剧了电压输出变化。

发明内容

根据本文中提供的方法和设备，对电压调整器进行操作的一个实施例包括：确定由电压调整器输出的电压是否在期望的操作区域中；以及在由电压调整器输出的电压在期望的操作区域之外时，调节与电压调整器相关联的反馈电阻。

当然，本发明并不局限于上述特征和优点。本领域的技术人员在阅读以下详细描述以及查看附图之后会认识到其他特征和优点。

附图说明

图1是具有可调反馈电阻的电压调整器电路的一个实施例的框图。

图2是具有可调反馈电阻的电压调整器电路的另一个实施例的框图。

图3是示出了图2的电压调整器电路的输出的曲线图。

图4是具有可调反馈电阻的电压调整器电路的又一个实施例的框图。

图5是示出了图4的电压调整器电路的输出的曲线图。

图6是包括在电压调整器电路中或者与电压调整器电路有关的可变反馈电阻器的一个实施例的框图。

图7是包括在电压调整器电路中或者与电压调整器电路有关的可变反馈电阻器的另一个实施例的框图。

图8是用于将电压调整器电路的输出保持在期望的操作范围之内的编程逻辑电路(program logic)的一个实施例的逻辑流程图。

具体实施方式

图1示出了具有可调反馈电阻的电压调整器电路10的实施例。电路10包括例如线性电压调整器的电压调整器12、比较器14、以及用于对包括在电压调整器12中的或与电压调整器相关联的可变反馈电阻器18进行设置的电路16。通过将可变电阻器18的反馈电阻设置为适当的值，不管处理、温度、电压、增益、电流负载(currentload)等如何变化均可以将电压调整器12的电压输出V_REG保持在期望的操作区域之内。同样地，电压调整器12的输出不会漂移或者偏移到期望的操作区域之外。

更具体地，电压调整器12包括放大器20和诸如一个或多个晶体管的激励电路22。在操作期间，激励电路22产生对应于放大器的输出相对恒定的调整电压V_REG。V_REG被提供给电压调整器电路10下游的一个或多个电路(未示出)(例如)作为工作或基准电压。激励电路22还产生部分地作为可变电阻器18的反馈电阻的函数的反馈电压。取决于可变电阻器18的构造，反馈电压可以是V_REG或V_REG的一部分。反馈电压被提供给放大器20的一个输入端，同时基准电压V_REF被提供给另一个输入端。优选地，V_REF相对不受处理、电压、温度、和/或其它变化源的影响，因此保持相对恒定。例如，V_REF可以在外部产生或者由带隙基准电路(未示出)产生。

不管怎样，放大器20的输出与V_REF和反馈电压之间的差成比例。同样地，放大器20使激励电路22对V_REG进行调节，直到V_REF和反馈电压之间的差被最小化。如果V_REG等于或大于预定限值，则调节可变反馈电阻器18以改变反馈电压。由于反馈电压是反馈电阻的函数以及V_REG与V_REF和反馈电压之间的差成比例，因此通过对可变反馈电阻器18进行适当的调节可以将V_REG保持在期望的操作区域内。

以足以使V_REG保持在期望的操作区域中的量来调节反馈电阻。例如，如果电压调整器电路10受较高的处理、温度、电压、增益、和/或电流负载的变化的影响，则对可变反馈电阻器18的调节也较高。相反地，如果调整器电路10受较小的变化的影响或者不受变化的影响，则最小地调节或者根本不调节可变反馈电阻器18。

到最后，由比较器14或其他的可比较的电路(例如，没有负反馈的运算放大器)将V_REG与目标电压信息V_TARG进行比较。如果V_REG等于或大于由V_TARG表示的限值，则相应地调节与调整器12相关联的反馈电阻。在一个实施例中，V_TARG表示目标调整电压。在另一个实施例中，V_TARG表示调整电压的目标范围。无论如何，比较器14确定V_REG是否处于由V_TARG表示的期望的操作区域之内，其中V_TARG可以包括容限(tolerance)。如果V_REG等于或大于由V_TARG表示的限值，则比较器14输出触发可变电阻器设置电路16的信号(COMP OUT)。否则，比较器输出保持未触发。

比较器输出表示是否要调节可变反馈电阻器18。在一个实施例中，比较器的输出代表V_REG和由V_TARG表示的限值之间的差的幅度。在另一个实施例中，如果V_REG等于或大于由V_TARG表示的限值，则比较器的输出才被触发(例如，高或低)。无论哪种方式，均通过改变输入到可变电阻器18的控制信号(CTRL)来调节调整器的反馈电阻，控制信号的值表示与电阻器18相关联的特定的电阻。因此，当比较器14表示要调节反馈电阻时，可变电阻器设置电路16相应地改变可变电阻器的控制信号输入。基于比较器的输出选择新的控制信号。相应地，可以通过改变输入到可变反馈电阻器18的控制信号将电压调整器电路10的输出保持在期望的操作区域之内。

图2示出了电压调整器电路10的一个实施例。根据该实施例，电压调整器12具有包括放大器24、激励晶体管T1、和精密固定电阻器R1的单电压调整级。电阻器R1可以包括半导体基板的掺杂区、或者一个或多个适当偏置的晶体管。在操作过程中，放大器24产生与基准电压输入V_REF和反馈电压V_FBK之间的差成比例的信号。激励晶体管T1响应于放大器输出而输出调整电压V_REG，其中，V_FBK是V_REG和调整器的反馈电阻的函数。比较器14将V_REG和目标电压信息V_TARG进行比较以确定V_REG是否处于如由V_TARG表示的期望的操作区域之内。如果V_REG落在了期望的操作区域之外，则可变电阻器设置电路16相应地调节可变电阻器的控制信号输入。

根据该实施例，可变电阻器设置电路16包括计数器26和控制逻辑电路28。由比较器14输出的信号对应于触发计数器26的增/减计数信号(INC/DEC)。当计数器26被触发时，其响应于比较器输出的状态来增加或者减少其当前计数值(CNT)。控制逻辑电路28将当前计数值翻译成相应的控制信号值(CTRL)。控制信号的特定值确定反馈电阻器18的电阻。

在一个实施例中，控制逻辑电路28访问一个表格(未示出)并选择对应于当前计数值的控制信号值。在另一个实施例中，控制逻辑电路28包括被配置为基于当前计数值来确定控制信号值的状态机逻辑电路。无论如何，可变电阻器设置电路16都会是同步的，从而使其能够响应于在多个连续时钟周期期间比较器输出被触发来增加(或减少)其计数。广义上讲，可变电阻器设置电路16可以包括适于将比较器输出翻译成或转换成控制信号值的任何电路。因此，可以通过将可变电阻器的控制信号输入设置为适当的值而将V_REG保持在期望的操作区域之内。

图3提供了关于尽管通过相应地调节反馈电阻来改变负载条件，但图2中所示的电压调整器电路10如何将V_REG保持在期望的操作区域之内的示例性说明。图3绘制了负载电流(x轴)相对于电压调整器输出(主y轴)和反馈电阻(副y轴)的曲线。在该示例中，期望的操作区域对应于在第一预定电压限值和第二预定电压限值V_TARG+/-ΔV(正容限)之间变化的电压值。当调整器的输出等于或超过V_TARG+/-ΔV时，通过调节调整器的反馈电阻来将调整器电路10的电压输出保持在期望的操作区域之内。

例如，如果调整器的输出等于或超过V_TARG+ΔV，比较器14和可变电阻器设置电路16使得输入到可变电阻器18的控制信号被调节，直到调整器的反馈电阻足够低，例如，直到V_REG约等于或低于V_TARG+ΔV。通过降低可变电阻器18的反馈电阻，增加了反馈电压V_FBK。当V_FBK增加时，V_FBK和基准输入V_REF之间的差增加，这使得放大器24减少施加至激励晶体管T1的栅极电压。减少激励晶体管T1的栅极电压使得V_REG减少。同样，尽管通过将反馈电阻减少足够的量来降低负载电流，但V_REG仍保持在期望的操作区域之内。

可以以逐步的方式(例如，通过连续改变输入至可变电阻器18的控制信号)来调节反馈电阻。例如，随着负载电流的减少，递增地减少调整器的反馈电阻以将V_REG保持在期望的操作区域之内。V_REG中的每一步都对应响应于负载电流的减少的反馈电阻的连续减少。优选地，以多步(导致V_REG变化小于两倍的ΔV)递增地调节反馈电阻。否则，调整器输出可能跃过或跳过(skip or jump over)如由V_TARG+/-ΔV表示的期望的操作区域。

类似地，如果调整器的输出等于或低于V_TARG-ΔV，则比较器14和可变电阻器设置电路16使得输入至可变电阻器18的控制信号被调节，直到调整器的反馈电阻足够高，例如，直到V_REG约等于或大于V_TARG-ΔV。随着负载电流的增加，递增地增加调整器的反馈电阻以将V_REG保持在期望的操作区域之内。V_REG中的每一步都对应响应于负载电流的增加的反馈电阻的连续增加。当V_REG落在如由V_TARG+/-ΔV表示的期望的操作区域之内时，不调节调整器的反馈电阻。

在该示例中，期望的操作区域对应由第一预定电压限值和第二预定电压限值V_TARG+/-ΔV(正容限(plus tolerance))所限定的电压值的范围。然而，可以调节反馈电阻以使V_REG保持约等于单电压限值(正容限)，而不是介于上限和下限V_TARG+/-ΔV之间。无论如何，通过相应地调节调整器的反馈电阻而对于所有的负载电流都将V_REG保持在期望的操作区域之内。

图4示出了电压调整器电路10的另一个实施例。根据该实施例，电压调整器12包括第一电压调节级和第二电压调节级30和32。第一级30产生作为由可变反馈电阻器18提供的第一级的反馈电阻的函数的调整电压输出V_REG1。因此，第一级30输出作为基准电压输入V_REF的倍数的调整电压。第二级32没有(或具有最小的)反馈电阻。因此，第二级的输出跟踪其输入(V_REG1)。在操作期间，第一级30用作电压基准发生器，其中，可以通过在第二级32提供额外的电流激励能力的同时改变第一级的反馈电阻来将V_REG1微调(trim)为期望的值。

更详细地，第一级30包括放大器34、激励晶体管T2、和精密固定电阻器R2。包括在第一电压调整级30中的或与第一电压调整级有关的可变反馈电阻器18设置电路的反馈电阻。第一级30产生调整电压V_REG1和反馈电压V_FBK，其中，V_FBK是如前所述的反馈电阻的函数。第二级32包括放大器36、激励晶体管T3、和精密固定电阻器R3。第二级32没有可变反馈电阻。因此，V_REG2约等于V_REG1。计数器14和可变电阻器设置电路16运行来将调整电压V_REG2保持在由V_TARG表示的期望的操作区域之内。

如果V_REG2落在期望的操作区域之外，则比较器14指示与第一电压调整级30有关的反馈电阻将被调节。相应地，可变电阻器设置电路16基于由计数器26输出的当前计数值(CNT)来改变输入至第一级的可变电阻器18的控制信号。改变后的控制信号确定新的反馈电阻。因此，与第一级30有关的反馈电阻被调节以将由第二级32输出的电压保持在期望的操作区域之内。图4所示的实施例在提供额外的电流激励能力的同时，还减少了与处理、温度、电压、增益、和/或电流负载的变化有关的反作用。

图5提供了关于尽管改变电流负载条件，但图4中所示的电压调整器电路10如何将第二调整级32的调整电压输出V_REG2保持在期望的操作区域之内的示例性说明。如果负载电流中的变化使V_REG2等于或落在V_TARG+/-ΔV之外，则比较器14和可变电阻器设置电路16使与第一级30有关的反馈电阻被调节，以使第二级32的输出保持在期望的操作区域之内。如在图5中可以看到，以步进方式来调节调整电压输出V_REG2，每一步都对应于与第一级30有关的反馈电阻的调节。

例如，当减小负载电流时，第二级的输出(V_REG2)开始向由V_TARG+ΔV表示的期望的操作区域的上限偏移。相应地，第一级30的反馈电阻连续减小，引起V_REG1中的相应的递减式逐步(decremental step-wise)改变。由于第二级32跟踪第一级30的输出，减小V_REG1时引起V_REG2减小，从而将第二级32的输出保持在期望的操作区域之内。类似地，响应于增加负载电流而连续增加第一级的反馈电阻，引起V_REG1中的相应的递增式逐步(incrementalstep-wise)改变。同样，对与第一级30相关联的反馈电阻进行适当的调节以使得V_REG2保持在由V_TARG+/-ΔV表示的期望的操作区域之内。

图6示出了可变反馈电阻器18的一个实施例。根据该实施例，可变电阻器18包括并联电连接的多个晶体管T4～TM。每个晶体管的电阻都与其长度(L)成正比而与其宽度(W)成反比。例如，如图6所示，第一晶体管T4具有第二晶体管T5的电阻的约一半，具有第三晶体管T6的电阻的约四分之一，等等。可以通过适当地排列(size)这些晶体管并触发所选择的多个晶体管来实现期望的电阻值。响应于输入至可变电阻器18的控制信号(CTRL)来触发所选择的各个晶体管。例如，控制信号可以包括表明导通哪些晶体管不导通哪些晶体管的二进制的1和0的形式(pattern)。

图7示出了可变反馈电阻器18的另一个实施例。根据该实施例，可变电阻器18包括串联电连接的多个电阻器R。诸如晶体管T9～TN的开关确定是否将各个电阻器接入电阻网络。例如，输入至可变电阻器18的控制信号(CTRL)确定导通哪些晶体管，不导通哪些晶体管。这些电阻器可以由半导体晶片的掺杂区形成。通过形成改变维数(dimension)的电阻器和选择将被包括在电阻网络中的适当的多个电阻器来实现适合的电阻值。本领域的技术人员将很容易地认识到可以使用其他类型的可变电阻器来将可变反馈电阻提供至电压调整器电路10，因此，其包括在本发明的范围之内。

图8示出了用于通过调节调整器的反馈电阻来将电压调整器电路10的输出电压保持在期望的操作区域之内的编程逻辑电路的一个实施例。编程逻辑电路以监视电压调整器的输出(例如，图2中的V_REG或图4中的V_REG2)“开始”(步骤100)。(例如)通过比较器14或其他可比较的电路将调整电压与目标电压信息进行比较(步骤102)。接下来，比较器14确定调整电压输出是否处于由目标电压信息表示的期望的操作区域之内(步骤104)。如果调整电压落入期望的操作区域之内，则调整器的反馈电阻保持不被改变(步骤106)。否则，相应地调节调整器的反馈电阻以将其输出电压保持在期望的操作区域之内(步骤108)。继续调整器的输出的监视，除非有其他的指示(步骤110和112)。与电压调整器电路10有关的反馈电阻可以保持不被改变，或根据输出监视的结束可以被改变为默认值。

本发明的电压调整器电路10可以包括在需要内部产生的工作和/或基准电压的任何的集成电路中。例如，电压调整器电路10可以包括在诸如动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、磁阻随机存取存储器(MRAM)、和嵌入式存储装置的存储装置中，以及包括在微处理器、微控制器、特定用途集成电路(ASIC)、片上系统(SoC)、等等中。

通过理解上述的一系列变化和应用，应该理解本发明既不被前述描述所限制也不被附图所限制。相反，本发明仅为所附权利要求及其合法等同物所限制。

Claims

1.一种操作电压调整器的方法，包括：

确定由所述电压调整器输出的电压是否处于期望的操作区域之内；以及

当由所述电压调整器输出的所述电压处于所述期望的操作区域之外时，调节与所述电压调整器有关的反馈电阻。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定由所述电压调整器输

出的电压是否处于期望的操作区域包括：

将由所述电压调整器输出的所述电压与至少一个预定限值进行比较；以及

当比较结果表示由所述电压调整器输出的所述电压处于所述期望的操作区域之外时触发信号。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，当比较结果表示由所述电压调整器输出的所述电压处于所述期望的操作区域之外时触发信号包括触发计数器。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，调节与所述电压调整器有关的所述反馈电阻包括：

将所述计数器的输出转换为控制信号；以及

基于所述控制信号来改变与所述电压调整器有关的所述反馈电阻。

5.根据权利要求3所述的方法，进一步包括：将所述计数器保持在触发状态，直到由所述电压调整器输出的所述电压处于所述期望的操作区域之内。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，调节与所述电压调整器有关的所述反馈电阻包括：向可变电阻器提供控制信号。

7.一种集成电路，包括：

电压调整器，被配置为响应于参考电压输入和反馈电压来输出电压；以及

电路，被配置为确定由所述电压调整器输出的所述电压是否处于期望的操作区域之内，以及被配置为当由所述电压调整器输出的所述电压处于所述期望的操作区域之外时，调节与所述电压调整器有关的反馈电阻。

8.根据权利要求7所述的集成电路，其中，所述电路被配置为通过将由所述电压调整器输出的所述电压与至少一个预定限值进行比较，来确定由所述电压调整器输出的所述电压是否处于期望的操作区域之内，以及当比较结果表示由所述电压调整器输出的所述电压处于所述期望的操作区域之外时触发信号。

9.根据权利要求8所述的集成电路，其中，所述电路被配置为当所述比较结果表示由所述电压调整器输出的所述电压处于所述期望的操作区域之外时，通过触发包括在所述集成电路中的计数器来触发信号。

10.根据权利要求9所述的集成电路，其中，所述电路被配置为将所述计数器的输出转换为控制信号，以及基于所述控制信号来改变与所述电压调整器有关的所述反馈电阻。

11.根据权利要求9所述的集成电路，其中，所述电路进一步被配置为将所述计数器保持在触发状态，直到由所述电压调整器输出的所述电压处于所述期望的操作区域之内。

12.根据权利要求7所述的集成电路，其中，所述电路被配置为改变提供给所述电压调整器的可变电阻器的控制信号。

13.一种操作电压调整器的方法，包括：

产生调整电压；

将所述调整电压与第一预定限值和第二预定限值进行比较；

当所述调整电压处于由所述第一预定限值和所述第二预定限值表示的范围之外时，触发信号；

基于触发的信号来确定控制信号；以及

将所述控制信号提供给所述电压调整器的可变电阻器。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，触发所述信号包括：触发计数器。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，确定所述控制信号包括：

基于所述计数器的输出来确定所述控制信号。

16.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：将所述计数器保持在触发状态，直到所述调整电压处于由所述第一预定限值和所述第二预定限值表示的范围之内。

17.一种电压调整器电路，包括：

电压调整器，被配置为输出调整电压；

比较器，被配置为将所述调整电压与第一预定限值和第二预定限值进行比较，以及当所述调整电压处于由所述第一预定限值和所述第二预定限值表示的范围之外时，触发信号；电路，被配置为基于触发的信号来确定控制信号；以及可变电阻器，被配置为响应于所述控制信号来设置所述电压调整器的反馈电阻。

18.根据权利要求17所述的电压调整器电路，其中，所述电路包括计数器和控制逻辑电路。

19.根据权利要求18所述的电压调整器电路，其中，所述比较器被配置为通过触发所述计数器来触发所述信号。

20.根据权利要求19所述的电压调整器电路，其中，所述控制逻辑电路被配置为响应于所述计数器的输出来确定所述控制信号。

21.根据权利要求19所述的电压调整器电路，其中，所述比较器进一步被配置为将所述计数器保持在触发状态，直到所述调整电压处于由所述第一预定限值和所述第二预定限值表示的范围之内。

22.根据权利要求17所述的电压调整器电路，其中，所述电压调整器包括：

第一电压调整级，被配置为响应于基准电压输入和反馈电压之间的差来产生电压；以及

第二电压调整级，被配置为响应于由所述第一电压调整级产生的所述电压和所述调整电压之间的差来产生所述调整电压。

23.根据权利要求22所述的电压调整器电路，其中，所述可变电阻器被配置为响应于所述控制信号来改变所述反馈电压。

24.根据权利要求17所述的电压调整器电路，其中，所述电压调整器包括具有激励一个或多个晶体管的输入的输出端的放大器。

25.一种包括如权利要求17所述的电压调整器的集成电路。

26.一种电压调整器电路，包括：

电压调整器，用于输出调整电压；

可变电阻器，与所述电压调整器相关联，用于改变所述电压调整器的调整电压输出；

控制电路，可操作地与所述电压调整器相关联，用于改变所述调整电压，以及总体控制所述调整电压，以使所述调整电压接近于目标电压或落在目标电压范围之内，所述控制电路包括：

比较器，用于将所述调整电压与所述目标电压或所述目标电压范围进行比较；以及

其中，所述控制电路响应于所述调整电压和所述目标电压或所述目标电压范围之间的差等于或大于预定限值来改变所述可变电阻器的电阻，以控制所述电压调整器的所述调整电压，以使所述调整电压接近所述目标电压或位于所述目标电压范围之内。

27.根据权利要求26所述的电压调整器电路，其中，所述控制电路进一步包括计数器和逻辑电路，所述计数器被配置为对应于所述调整电压和所述目标电压或所述目标电压范围之间的差等于或大于所述预定限值来输出计数值，以及所述逻辑电路被配置为基于所述计数值来对提供给可变电阻器的控制信号进行编程。

28.一种电压调整器电路，包括：

电压调整器，被配置为输出调整电压；

可变电阻器，与所述电压调整器相关联，被配置为改变到所述电压调整器的反馈电压；以及

装置，用于将所述调整电压与目标电压或目标电压范围进行比较，并在所述调整电压和所述目标电压或所述目标电压范围之间的差等于或大于预定限值时，改变所述可变电阻器的电阻。

29.根据权利要求28所述的电压调整器电路，其中，用于将所述调整电压与目标电压或目标电压范围进行比较，以及改变所述可变电阻器的电阻的所述装置包括：比较器，用于将所述调整电压与所述目标电压或所述目标电压范围进行比较；以及电路，用于设置所述可变电阻器。

30.根据权利要求29所述的电压调整器电路，其中，所述电路包括计数器和控制逻辑电路。

31.一种包括如权利要求28所述的电压调整器电路的集成电路。