CN101261525B - 稳压电路及其动作控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及稳压电路及其动作控制方法。通常时，通过直流特性良好的第1误差放大电路(4)实行输出晶体管(M1)的动作控制，实现输出电压(Vout)的稳压化，输出电压(Vout)急速低下时，第1误差放大电路(4)响应实行输出晶体管(M1)的动作控制前，在所定期间，通过高速响应性良好的第2误差放大电路(5)实行输出晶体管(M1)的动作控制，实现输出电压(Vout)的稳压化，使得第2误差放大电路(5)的差动放大器(11)的偏置电流与输出电流(iout)成正比变化。提供能得到高速的负载过渡响应性、同时能抑制无负载时的消耗电流的稳压电路。

Description

稳压电路及其动作控制方法
技术领域
本发明涉及设有误差放大器的稳压电路(voltage regulator circuit)，所述误差放大器具有用于进行位相补偿的频率补偿电路，尤其涉及以低消耗电流且能高速响应的稳压电路及其动作控制方法。
背景技术
以往，为了改善稳压器的负载响应特性，提出过放大输出电压的交流成份反馈给输出晶体管的稳压电路(例如参照专利文献1)。
图7表示这种稳压电路的电路例。
在图7中，电阻R101和R102对输出电压Vout进行分压，得到分压电压VFB，第1误差放大电路101放大基准电压Vref与该分压电压VFB的电压差，向输出晶体管M101的栅极输出，控制从输出晶体管M101输出的电流，使得输出电压Vout成为所定电压。
第2误差放大电路110是响应速度比第1误差放大电路101明显快的放大电路，其输入端与输出端OUT连接，输出端与输出晶体管M101的栅极连接。第2误差放大电路110为了放大输出电压Vout的交流成份，控制输出晶体管M101的栅极电压，以比第1误差放大电路101高的速度放大伴随负载变化而引起的输出电压Vout的变化，控制输出晶体管M101的栅极，能大幅度改善过渡响应特性。
[专利文献1]日本特开2005-353037号公报
但是，第2误差放大电路110实行比第1误差放大电路101明显快的动作，因此，必须增大供给第2误差放大电路110的偏置电流，存在增加消耗电流问题。尤其，作为具有以通常的消耗电流动作的重负载动作模式以及如“睡眠”模式等那样成为低消耗电流的轻负载动作模式的装置的电源使用场合，在轻负载动作模式时也必须高速的负载过渡特性，但是，若为了实现低消耗电力化，减小第2误差放大电路110的消耗电流，则响应速度变慢，不能得到所定的负载过渡特性。又，相反，若增大第2误差放大电路110的消耗电流，则增大轻负载动作模式时的消耗电流，存在缩短构成装置电源的电池寿命的问题。
发明内容
本发明就是为解决上述先有技术所存在的问题而提出来的，本发明的目的在于，提供能得到高速的负载过渡响应性、同时能抑制无负载时的消耗电流的稳压电路。
为了实现上述目的，本发明提出以下方案：
(1)一种稳压电路，将输入电压输入到输入端，变换成所设定的定电压，从输出端输出，其特征在于：
所述稳压电路包括：
输出晶体管，使得与输入的控制信号相对应的电流从所述输入端向所述输出端输出；
基准电压发生电路部，生成所定基准电压输出；
输出电压检测电路部，检测从所述输出端的输出电压，生成与该检测到的输出电压成正比的比例电压输出；
第1误差放大电路部，实行所述输出晶体管的动作控制，使得所述比例电压成为所述基准电压；
第2误差放大电路部，对上述输出电压变化，响应速度比上述第1误差放大电路部快，上述输出电压急速低下时，在所定期间，对上述输出晶体管使得输出电流增加；
上述第2误差放大电路部根据从上述输出晶体管输出的输出电流，使得消耗电流可变。
(2)在上述(1)所述的稳压电路中，其特征在于，上述第2误差放大电路部使得消耗电流与从上述输出晶体管输出的输出电流成比例地可变。
(3)在上述(1)所述的稳压电路中，其特征在于，若从上述输出晶体管输出的输出电流成为所定值以上，上述第2误差放大电路部使得消耗电流增加。
(4)在上述(1)-(3)中任一个所述的稳压电路中，其特征在于，上述第1误差放大电路部比上述第2误差放大电路部直流增益大。
(5)在上述(1)-(4)中任一个所述的稳压电路中，其特征在于，上述第2误差放大电路部仅放大上述输出电压的交流成份。
(6)在上述(1)所述的稳压电路中，其特征在于：
上述第2误差放大电路部包括：
差动放大电路，实行上述输出晶体管的动作控制，使得所定偏压输入一输入端，另一输入端的电压成为该偏压；
电容器，连接在该差动放大电路的另一输入端和上述输出电压之间；
固定电阻，连接在上述差动放大电路的各输入端之间；
上述差动放大电路根据上述输出晶体管的控制电极的电压，使得供给差动对的偏置电流可变。
(7)在上述(2)所述的稳压电路中，其特征在于：
上述第2误差放大电路部包括：
差动放大电路，实行上述输出晶体管的动作控制，使得所定偏压输入一输入端，另一输入端的电压成为该偏压；
电容器，连接在该差动放大电路的另一输入端和上述输出电压之间；
固定电阻，连接在上述差动放大电路的各输入端之间；
上述差动放大电路根据上述输出晶体管的控制电极的电压，使得供给差动对的偏置电流可变，使得与从上述输出晶体管输出的输出电流成比例。
(8)在上述(3)所述的稳压电路中，其特征在于：
上述第2误差放大电路部包括：
差动放大电路，实行上述输出晶体管的动作控制，使得所定偏压输入一输入端，另一输入端的电压成为该偏压；
电容器，连接在该差动放大电路的另一输入端和上述输出电压之间；
固定电阻，连接在上述差动放大电路的各输入端之间；
上述差动放大电路若从上述输出晶体管的控制电极的电压，检测到从上述输出晶体管输出的输出电流成为所定值以上，使得供给差动对的偏置电流增加。
(9)在上述(6)-(8)中任一个所述的稳压电路中，其特征在于，上述差动放大电路预先设定使得构成差动对的各晶体管的至少一方偏置(offset)，当上述输出电压的电压变化小到所定值以下场合，流过构成该差动对的一方晶体管的电流比流过另一方晶体管的电流小。
(10)在上述(1)-(9)中任一个所述的稳压电路中，其特征在于，上述输出晶体管，基准电压发生电路部，输出电压检测电路部，第1误差放大电路部及第2误差放大电路部集成在一个IC中。
(11)一种稳压电路的动作控制方法，其特征在于，包括：
从输出晶体管输出一输出电流；
根据所述输出电流，使得误差放大电路部的消耗电流可变。
(12)在上述(11)所述的稳压电路的动作控制方法中，其特征在于，进一步包括：
根据所述输出电流，使得施加到构成误差放大电路部的差动对的偏置电流可变。
(13)在上述(11)所述的稳压电路的动作控制方法中，其特征在于，使得误差放大电路的消耗电流与所述输出电流成比例地可变。
(14)在上述(13)所述的稳压电路的动作控制方法中，其特征在于，进一步包括：
使得施加到构成误差放大电路部的差动对的偏置电流与所述输出电流成比例地可变。
(15)在上述(11)所述的稳压电路的动作控制方法中，其特征在于，当输出电流等于或大于所定值时，使得误差放大电路部的消耗电流增加。
(16)在上述(15)所述的稳压电路的动作控制方法中，其特征在于，进一步包括：
当输出电流等于或大于所定值时，使得施加到构成误差放大电路部的差动对的偏置电流增加。
下面说明本发明的效果。
按照本发明的稳压电路及其动作控制方法，根据从输出晶体管输出的输出电流，使得比第1误差放大电路部响应速度快的第2误差放大电路部的消耗电流可变。由此，能得到高速的负载过渡响应性，同时能抑制无负载时的消耗电流。
附图说明
图1表示本发明第一实施例的稳压电路的电路例。
图2表示图1的第2误差放大电路5的内部电路例。
图3表示输出电流iout和差动放大器11的消耗电流iss的关系例。
图4表示输出电流iout急增时输出电压Vout的变化例。
图5表示本发明第二实施例的稳压电路的第2误差放大电路5a的电路例。
图6表示输出电流iout和差动放大器11a的消耗电流iss的关系例。
图7表示以往的稳压电路的电路例。
具体实施方式
下面参照附图，详细说明本发明实施例。
第一实施例
图1表示本发明第一实施例的稳压电路的电路例。
在图1的稳压电路1中，将输入电压Vin输入到输入端IN，从该输入电压Vin生成所设定的定电压，作为输出电压Vout从输出端OUT输出。负载7和电容器C1并联连接在输出端OUT和接地电压Vss之间。
稳压电路1设有基准电压发生电路2，偏压发生电路3，输出电压检测用的电阻R1，R2，输出晶体管M1，第1误差放大电路4，第2误差放大电路5。所述基准电压发生电路2生成所定基准电压Vref输出，所述偏压发生电路3生成所定的偏压Vs输出，所述电阻R1，R2对输出电压Vout分压，生成分压电压Vfb输出，所述输出晶体管M1由PMOS型晶体管构成，根据输入到栅极的信号，进行输出到输出端OUT的电流iout的控制，所述第1误差放大电路4实行输出晶体管M1的动作控制，使得分压电压Vfb成为基准电压Vref。所述第1误差放大电路4以与例如图7的第1误差放大电路101相同的电路形成，第2误差放大电路5由差动放大器11，电阻R11及电容器C11构成。基准电压发生电路2构成基准电压发生电路部，电阻R1，R2构成输出电压检测电路部，第1误差放大电路4构成第1误差放大电路部，偏压发生电路3及第2误差放大电路5构成第2误差放大电路部。
输出晶体管M1连接在输入端IN和输出端OUT之间，电阻R1，R2的串联电路连接在输出端OUT和接地电压Vss之间，从电阻R1，R2的连接部输出分压电压Vfb。第1误差放大电路4的反转输入端输入基准电压Vref，非反转输入端输入分压电压Vfb，输出端与输出晶体管M1的栅极连接。在第2误差放大电路5中，差动放大器11的输出端与输出晶体管M1的栅极连接，差动放大器11的反转输入端输入偏压Vs。输出电压Vout通过电容器C11输入差动放大器11的非反转输入端，电阻R11连接在差动放大器11的非反转输入端和反转输入端之间。差动放大器11的输出端构成第2误差放大电路5的输出端，由来自第1误差放大电路4及第2误差放大电路5的输出信号控制输出晶体管M1的动作。
图2表示图1的第2误差放大电路5的内部电路例。
在图2中，差动放大电路11由PMOS型晶体管M11，M12，M15，NMOS型晶体管M13，M14，M16以及定电流源12，13构成。PMOS型晶体管M11及M12构成差动对，NMOS型晶体管M13及M14形成电流反射镜电路，构成该差动对的负载。在NMOS型晶体管M13及M14中，各源极分别与接地电压Vss连接，各栅极连接，该连接部与NMOS型晶体管M13的漏极连接。
NMOS型晶体管M13的漏极与PMOS型晶体管M11的漏极连接，NMOS型晶体管M14的漏极与PMOS型晶体管M12的漏极连接。PMOS型晶体管M11的栅极构成差动放大器11的反转输入端，PMOS型晶体管M12的栅极构成差动放大器11的非反转输入端。PMOS型晶体管M11及M12的各源极连接，定电流源12与定电流源13和PMOS型晶体管M15的串联电路并联连接在所述连接部与输入电压Vin之间。NMOS型晶体管M16连接在PMOS型晶体管M15的栅极和接地电压Vss之间，NMOS型晶体管M16的栅极与PMOS型晶体管M12和NMOS型晶体管M14的连接部连接。NMOS型晶体管M16的漏极构成差动放大器11的输出端。
在这种构成中，第1误差放大电路4设计为使得直流增益尽可能大，直流特性良好。另一方面，在第2误差放大电路5中，PMOS型晶体管M12的栅极通过构成耦合电容器的电容器C11与输出端OUT连接，因此，能仅放大输出电压Vout的交流成份。差动放大器11的消耗电流根据差动放大器11的输出电压，即NMOS型晶体管M16的漏极电压变化。输出晶体管M1的栅极电压越低，漏极电流越增加，因此，差动放大器11的消耗电流根据输出晶体管M1的漏极电流变化。
从输出端OUT的输出电流iout急增，输出电压Vout急剧低下场合，仅仅输出电压Vout的交流成份通过电容器C11输入到差动放大器11的非反转输入端，差动放大器11的输出电压低下。差动放大器11的响应速度比第1误差放大电路4快，因此，在第1误差放大电路4的输出电压低下前，差动放大器11使得输出晶体管M1的栅极电压Vg低下，使得输出晶体管M1的阻抗低下，输出电压Vout上升，能抑制使得输出电压Vout变化小。
在此，PMOS型晶体管M11及M12的至少一方设为偏置(offset)，向栅极输入相同电压场合，PMOS型晶体管M11输出大电流，与此相反，PMOS型晶体管M12只输出非常小的电流。例如，PMOS型晶体管M11的晶体管尺寸形成为W(栅极宽)/L(栅极长)＝40μm/2μm，PMOS型晶体管M12的晶体管尺寸形成为W/L＝32μm/2μm。即，可以形成PMOS型晶体管M11及M12，使得PMOS型晶体管M11和PMOS型晶体管M12的晶体管尺寸比为10∶8左右。这样，没有输出电压Vout急速低下时，NMOS型晶体管M16不实行输出晶体管M1的动作控制，在通常时，第2误差放大电路5不会对第1误差放大电路4控制输出晶体管M1的动作产生影响。
另一方面，输出晶体管M1的栅极电压Vg输入PMOS型晶体管M15的栅极，PMOS型晶体管M15的漏极根据输出晶体管M1的栅极电压Vg变化，即，根据从输出端OUT输出的输出电流iout变化。从定电流源12供给定电流i1，PMOS型晶体管M15的漏极电流也成为差动放大器11的偏置电流，差动放大器11的偏置电流与输出电流iout成正比地增减。
若PMOS型晶体管M15的漏极电流成为0A，则差动放大器11的偏置电流成为定电流i1，差动放大器11的偏置电流不会低于定电流i1。即使输出晶体管M1的栅极电压Vg如何低下，PMOS型晶体管M15的漏极电流也不会超过从定电流源13供给的定电流源i2，以定电流源13进行限制。因此，差动放大器11的偏置电流在从电流i1到电流(i1+i2)的范围内，与输出电流iout成正比。
图3表示输出电流iout和差动放大器11的消耗电流iss的关系例。在图3中，例示定电流i1大约为0.2μA，定电流(i1+i2)大约为5μA场合。
由图3可知，差动放大器11的消耗电流iss在从约0.2μA至约5μA范围，与输出电流iout成正比。
图4表示在图1及图2的稳压电路1中，输出电流iout急增时输出电压Vout的变化例。在图4中，例示在稳压电路1中，输入电压Vin为1.8V，输出电压Vout为0.8V，在输出端OUT和接地电压Vss之间连接1μF容量状态下，输出电流iout从500μA急增到100mA场合，实线表示稳压电路1场合，虚线表示以往技术场合。
由图4可知，输出电流iout急增时，输出电压Vout变化比以往技术有大幅度改善。
这样，本第一实施例的稳压电路通常时通过直流特性良好的第1误差放大电路4实行输出晶体管M1的动作控制，实现输出电压Vout的稳压化，输出电压Vout急速低下时，第1误差放大电路4响应实行输出晶体管M1的动作控制前，在所定期间，通过高速响应性良好的第2误差放大电路5实行输出晶体管M1的动作控制，实现输出电压Vout的稳压化，使得第2误差放大电路5的差动放大器11的偏置电流与输出电流iout成正比变化。这样，能得到高速的负载过渡响应性，同时，能降低在输出电流iout小的轻负载状态的消耗电流。
第二实施例
在上述第一实施例中，与输出电流iout成正比，使得差动放大器11的偏置电流增加，但是，若输出电流iout成为所定值以上，则也可以使得第2误差放大电路5的差动放大器11的偏置电流仅增加定电流i2，将这种装置作为本发明的第二实施例。
本发明第二实施例的稳压电路的电路例是将图1的差动放大器11的符号变更为11a，图1的第2误差放大电路5的符号变更为5a，图1的稳压电路1的符号变更为1a，其他与图1相同，进行省略。
图5表示本发明第二实施例的稳压电路的第2误差放大电路5a的电路例。在图5中，与图2相同或相当者用相同符号表示，说明省略，仅说明与图2不同点。
图5与图2的不同点在于，在图1的差动放大器11追加PMOS型晶体管M17，反相器15及电阻R12。
在图5中，第2误差放大电路5a由差动放大器11a，电阻R11及电容器C11构成，差动放大器11a由PMOS型晶体管M11，M12，M15，M17，NMOS型晶体管M13，M14，M16定电流源12，13，反相器15及电阻R12构成。
PMOS型晶体管M17和电阻R12串联连接在输入电压Vin和接地电压Vss之间，反相器15的输入端与PMOS型晶体管M17和电阻R12的连接部连接，反相器15的输出端与PMOS型晶体管M15的栅极连接。PMOS型晶体管M17的栅极与NMOS型晶体管M16的漏极连接，输入所述输出晶体管M1的栅极电压Vg。
在这种构成中，输出晶体管M1的栅极电压Vg输入PMOS型晶体管M17的栅极，因此，根据输出电流iout，PMOS型晶体管M17的漏极电流变化。该漏极电流因电阻R12变换电压，该电压为反相器15的阈值以下场合，反相器15的输出端成为高电平，PMOS型晶体管M15断开成为截止状态。因此，差动放大器11a的偏置电流成为定电流i1。另一方面，若反相器15的输入电压超过反相器15的阈值，反相器15的输出端下降到低电平，PMOS型晶体管M15接通成为导通状态。结果，差动放大器11a的偏置电流从定电流i1增加到定电流(i1+i2)。
图6表示输出电流iout和差动放大器11a的消耗电流iss的关系例。在图6中，例示定电流i1大约为O.2μA，定电流(i1+i2)大约为5μA场合。
由图6可知，若输出电流iout成为所定值以上，则差动放大器11a的消耗电流iss增加到约5μA。能用PMOS型晶体管M17的尺寸及电阻R12的电阻值自由设定所述所定值，相对输出电流iout，定电流(i1+i2)可以充分小。例如，若定电流i1为0.2μA，定电流(i1+i2)为5μA，通过使得上述所定值为500μA，即使偏置电流从定电流i1增加到定电流(i1+i2)，从整体消耗电流看，为误差程度，没有问题。
在稳压电路la中，输出电流iout急增时输出电压Vout的变化例与图4相同，在此省略。
这样，本第二实施例的稳压电路不使得差动放大器11的偏置电流与输出电流iout成正比增加，若输出电流iout成为所定值以上，使得第2误差放大电路5的差动放大器11的偏置电流仅增加定电流i2，因此，能得到与上述第一实施例相同的效果。
上面参照附图说明了本发明的实施例，但本发明并不局限于上述实施例。在本发明技术思想范围内可以作种种变更，它们都属于本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种稳压电路，将输入电压输入到输入端，变换成所设定的定电压，从输出端输出，其特征在于：
所述稳压电路包括：
输出晶体管，使得与输入的控制信号相对应的电流从所述输入端向所述输出端输出；
基准电压发生电路部，生成所定基准电压输出；
输出电压检测电路部，检测从所述输出端的输出电压，生成与该检测到的输出电压成正比的比例电压输出；
第1误差放大电路部，实行所述输出晶体管的动作控制，使得所述比例电压成为所述基准电压；以及
第2误差放大电路部，对上述输出电压变化，响应速度比上述第1误差放大电路部快，上述输出电压急速低下时，在所定期间，对上述输出晶体管执行动作控制使得输出电流增加；
上述第2误差放大电路部根据从上述输出晶体管输出的输出电流，使得消耗电流可变；
上述第2误差放大电路部包括：
差动放大电路，实行上述输出晶体管的动作控制，使得所定偏压输入一输入端，另一输入端的电压成为该偏压；
电容器，连接在该差动放大电路的另一输入端和上述输出端之间；以及
固定电阻，连接在上述差动放大电路的各输入端之间；
上述差动放大电路根据上述输出晶体管的控制电极的电压，使得供给差动对的偏置电流可变。
2.根据权利要求1中所述的稳压电路，其特征在于，上述第2误差放大电路部使得消耗电流与从上述输出晶体管输出的输出电流成比例地可变。
3.根据权利要求1中所述的稳压电路，其特征在于，若从上述输出晶体管输出的输出电流成为所定值以上，上述第2误差放大电路部使得消耗电流增加。
4.根据权利要求1-3中任一个所述的稳压电路，其特征在于，上述第1误差放大电路部比上述第2误差放大电路部直流增益大。
5.根据权利要求1-3中任一个所述的稳压电路，其特征在于，上述第2误差放大电路部仅放大上述输出电压的交流成份。
6.根据权利要求2中所述的稳压电路，其特征在于：
上述差动放大电路根据上述输出晶体管的控制电极的电压，使得供给差动对的偏置电流可变，使得与从上述输出晶体管输出的输出电流成比例。
7.根据权利要求3中所述的稳压电路，其特征在于：
上述差动放大电路若从上述输出晶体管的控制电极的电压，检测到从上述输出晶体管输出的输出电流成为所定值以上，使得供给差动对的偏置电流增加。
8.根据权利要求1、6、7中任一个所述的稳压电路，其特征在于，上述差动放大电路预先设定使得构成差动对的各晶体管的至少一方偏置，当上述输出电压的电压变化小到所定值以下场合，流过构成该差动对的一方晶体管的电流比流过另一方晶体管的电流小。
9.根据权利要求1-3、6-7中任一个所述的稳压电路，其特征在于，上述输出晶体管，基准电压发生电路部，输出电压检测电路部，第1误差放大电路部及第2误差放大电路部集成在一个IC中。
10.一种权利要求1所述的稳压电路的动作控制方法，其特征在于，包括：
从输出晶体管输出一输出电流；
根据所述输出电流，使得第2误差放大电路部的消耗电流可变。
11.根据权利要求10中所述的稳压电路的动作控制方法，其特征在于，进一步包括：
根据所述输出电流，使得施加到构成第2误差放大电路部的差动对的偏置电流可变。
12.根据权利要求10中所述的稳压电路的动作控制方法，其特征在于，使得第2误差放大电路部的消耗电流与所述输出电流成比例地可变。
13.根据权利要求12中所述的稳压电路的动作控制方法，其特征在于，进一步包括：
使得施加到构成第2误差放大电路部的差动对的偏置电流与所述输出电流成比例地可变。
14.根据权利要求10中所述的稳压电路的动作控制方法，其特征在于，当输出电流等于或大于所定值时，使得第2误差放大电路部的消耗电流增加。
15.根据权利要求14中所述的稳压电路的动作控制方法，其特征在于，进一步包括：
当输出电流等于或大于所定值时，使得施加到构成第2误差放大电路部的差动对的偏置电流增加。
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