背景技术
传统的电压调节器包括:具有消耗大量电流以提高电源抑制比(PSRR)或纹波抑制、和负载瞬态响应的电路结构的那些电压调节器,以及具有由于不需要高速响应能力而降低其电流消耗的电路结构的那些电压调节器。
如果具有操作状态以及诸如休眠模式的待机状态的装置(诸如蜂窝电话)使用具有高响应速度的电压调节器,其中在操作状态下该装置以正常电流消耗操作,而在待机状态下电流消耗被降低,则电压调节器在不要求高响应速度的待机状态下不必要地消耗大量电流。
图1是示出传统的电压调节器的电路的图(参见例如专利文档1)。
图1的电压调节器包括:第一误差放大器电路101,其消耗大量电流但以高速操作;第二误差放大器电路102,其电流消耗被降低;参考电压生成器电路103;以及控制单元104。
参考图1,第一误差放大器电路101和第二误差放大器电路102具有从控制单元104向其输入的控制信号。第一误差放大器电路101和第二误差放大器电路102的每一个唯一地响应于对应的控制信号而开始或停止操作。当第一误差放大器电路101和第二误差放大器电路102停止操作时,它们的电流消耗被降低。
在从输出端子105输出大电流的重负载操作模式的情况下,第一误差放大器电路101投入操作而第二误差放大器电路102的操作停止。结果,输出晶体管M101被第一误差放大器电路101控制。相应地,电压调节器可以以高速操作,但消耗大量电流。
另一方面,在从输出端子105输出少量电流的轻负载操作模式的情况下,第一误差放大器电路101的操作停止而第二误差放大器电路102投入操作。结果,输出晶体管M101被第二误差放大器电路102控制。相应地,电压调节器可以降低电流消耗。
然而,在图1的电压调节器中,由于输出晶体管的数目为1,所以输出晶体管M101在器件尺寸方面是较大的,从而在重负载操作模式时允许最大电流。因此,输出晶体管M101具有大的栅极电容以使用大尺寸晶体管。
利用消耗少量电流的第二误差放大器电路102来控制该输出晶体管M101造成对输出电压中的变化的减慢的瞬态响应。如果在轻负载操作模式时也需要瞬态响应特性,这引起问题。
因此,为了解决该问题,提出了一种如在图2中示出的电压调节器(参见例如专利文档2)。
图2的电压调节器包括:第一误差放大器电路111,其消耗大量电流但以高速操作;第二误差放大器电路112,其电流消耗被降低。第一误差放大器电路111控制第一输出晶体管M111的操作,第二误差放大器电路112控制第二输出晶体管M112的操作,第二输出晶体管M112在器件尺寸方面明显地比第一输出晶体管M111小。
第一误差放大器电路111和第二误差放大器电路112中的每一个响应于向其控制信号输入的控制信号输入而唯一地开始或停止操作。在图2中,参考数字113表示比较器电路,参考数字114表示参考电压生成器电路,参考数字115表示延迟电路,以及参考数字116表示OR电路。
在图2的电压调节器中,在具有大负载电流的重负载操作模式时,第一误差放大器电路111投入操作而第二误差放大器电路112的操作停止;在具有小负载电流的轻负载操作模式时,第一误差放大器电路111的操作停止而第二误差放大器电路112投入操作。也就是说,具有小器件尺寸的第二输出晶体管M112被用作轻负载操作模式下的输出晶体管。这减小输出晶体管的栅极电容,从而即使误差放大器电路的电流消耗被降低也可能以高速响应。
【专利文档1】日本未审公开专利申请第2002-312043号
【专利文件2】日本专利第3710468号
然而,在图2的情况下,输出晶体管M111和M112之一总是保持不操作,这导致低效率。此外,甚至是在小负载电流时操作的输出晶体管M112也比常用晶体管占据大得多的空间,这造成芯片尺寸的增加。此外,在图2的情况下,要求两个PMOS晶体管M113和M114作为用于检测负载电流的晶体管,这引起电路尺寸增加的问题。
发明内容
本发明的实施例可以解决或减少一个或多个上述问题。
根据本发明的一方面,提供一种电压调节器,在该电压调节器中可以解决或减少一个或多个上述问题。
根据本发明的一方面,提供一种电压调节器,其在具有简单电路的同时可以降低电流消耗和芯片面积,并且还在轻负载操作模式时实现对输出电压的良好的瞬态响应。
根据本发明的一个实施例,提供一种电压调节器,其将输入到输入端子的输入电压转换为预定的恒定电压,并且将转换后的电压从预定的输出端子作为输出电压输出,该电压调节器包括:第一输出晶体管,其被配置为根据输入的第一控制信号从输入端子输出第一电流到输出端子;第二输出晶体管,其被配置为根据输入的第二控制信号从输入端子输出第二电流到输出端子;以及控制电路部分,其被配置为控制第一输出晶体管和第二输出晶体管的操作,使得与从输出端子输出的输出电压成比例的电压与预定的参考电压相等,该控制电路部分包括被配置为放大并输出比例电压与参考电压之间的差的第一误差放大器电路、以及被配置为放大并输出比例电压与参考电压之间的差的第二误差放大器电路,该第二误差放大器电路被配置为比第一误差放大器电路消耗更小量的电流,其中该控制电路部分被配置为:通过依据外部输入的外部控制信号来执行使用第一误差放大器电路控制第一输出晶体管和第二输出晶体管的操作、以及使用第二误差放大器电路控制第二输出晶体管的操作中的一种,从而控制输出电压。
根据上述的电压调节器,依据外部输入的外部控制信号,通过使用第一误差放大器电路控制第一输出晶体管和第二输出晶体管的操作、或者通过使用第二误差放大器电路控制第二输出晶体管的操作,来控制输出电压。
结果,当从输出端子输出大电流时,使用消耗大量电流但以高速操作的第一误差放大器电路,利用第一输出晶体管和第二输出晶体管两者来控制输出电压。另一方面,当从输出端子输出小电流时,可以使用消耗小量电流的第二误差放大器电路,利用第二输出晶体管来控制输出电压。
相应地,可以在具有简单电路的同时降低电流消耗和芯片面积,并且通过使第二输出晶体管在尺寸上比第一输出晶体管小,可以在从输出端子输出小电流的轻负载操作模式时也实现对输出电压的良好的瞬态响应。
根据本发明的一个方面,提供一种电压调节器,其将输入到输入端子的输入电压转换为预定的恒定电压,并且将转换后的电压从预定的输出端子作为输出电压输出,该电压调节器包括:第一输出晶体管,其被配置为根据输入的第一控制信号从输入端子输出第一电流到输出端子;第二输出晶体管,其被配置为根据输入的第二控制信号从输入端子输出第二电流到输出端子;以及控制电路部分,其被配置为控制第一输出晶体管和第二输出晶体管的操作,使得与从输出端子输出的输出电压成比例的电压与预定的参考电压相等,该控制电路部分包括被配置为放大并输出比例电压与参考电压之间的差的第一误差放大器电路、以及被配置为放大并输出比例电压与参考电压之间的差的第二误差放大器电路,该第二误差放大器电路被配置为比第一误差放大器电路消耗更小量的电流,其中该控制电路部分被配置为:基于第二输出晶体管的控制电极处的电压来确定从输出端子输出的电流的大小,以及通过依据该确定的结果而执行使用第一误差放大器电路控制第一输出晶体管和第二输出晶体管的操作、以及使用第二误差放大器电路控制第二输出晶体管的操作中的一种来控制输出电压。
根据上述的电压调节器,基于第二输出晶体管的控制电极处的电压来确定从输出端子输出的电流的大小,以及依据该确定的结果,通过使用第一误差放大器电路控制第一输出晶体管和第二输出晶体管的操作、或者通过使用第二误差放大器电路控制第二输出晶体管的操作,来控制输出电压。结果,可以产生与上述效果相同的效果,并且也可以自动地在仅使用第二输出晶体管的轻负载操作模式与使用第一输出晶体管和第二输出晶体管的重负载操作模式之间进行切换。
具体实施方式
下面参考附图给出本发明的实施例的描述。
第一实施例
图3是示出根据本发明的第一实施例的电压调节器1的电路图。
根据图3中示出的电压调节器1,输入到输入端子IN的输入电压Vin被降低并且被转换为预定的恒定电压,从而被从输出端子OUT作为输出电压Vout输出。
电压调节器1包括:参考电压生成器电路2,其生成并输出预定的参考电压Vref;第一误差放大器电路3,其消耗大量电流但以高速操作;第二误差放大器电路4,其电流消耗被降低;第一输出晶体管M1,其由能够驱动大电流并具有大的器件尺寸的PMOS晶体管形成;第二输出晶体管M2,其由在电流驱动能力和器件尺寸方面比第一输出晶体管M1小得多的PMOS晶体管形成;电阻器R1和电阻器R2,其用于输出电压检测;以及开关SW。
参考电压生成器电路2、第一误差放大器电路3、第二误差放大器电路4、电阻器R1和R2、以及开关SW可以形成控制电路部分。此外,电压调节器1可以集成到单片IC中。
第一输出晶体管M1和第二输出晶体管M2并联连接在输入端子IN和输出端子OUT之间。第一输出晶体管M1的栅极连接到第一误差放大器电路3的输出端。此外,第二输出晶体管M2的栅极连接到第二误差放大器电路4的输出端,开关SW连接在第一输出晶体管M1的栅极和第二输出晶体管M2的栅极之间。
外部控制信号Sc从外部输入到第一误差放大器电路3和开关SW中每一个的控制信号输入端子,使得由外部控制信号Sc控制第一误差放大器电路3和开关SW的操作。
电阻器R1和R2串联连接在输出端子OUT和地之间。通过将输出电压Vout分压而生成的分压电压Vfb从电阻器R1和R2的连接处输出到第一误差放大器电路3和第二误差放大器电路4的每一个的同相输入端。参考电压Vref输入到第一误差放大器电路3和第二误差放大器电路4的每一个的反相输入端。
根据该配置,第二误差放大器电路4与外部控制信号Sc无关地稳定操作。在诸如休眠模式的、从输出端子OUT输出小电流的轻负载操作模式的情况下,外部控制信号Sc变为例如HIGH(高电平),使得开关SW转为OFF以断开,并且第一误差放大器电路3停止操作,因此切断在第一误差放大器电路3中消耗的电流。第二误差放大器电路4放大参考电压Vref和分压电压Vfb之间的电压差,并将放大后的电压差输出到第二输出晶体管M2的栅极,从而控制第二输出晶体管M2的操作,使得分压电压Vfb与参考电压Vref相等。也就是说,在轻负载操作模式时,由于由第二误差放大器电路4和第二输出晶体管M2控制输出电压Vout,所以电压调节器1以低电流消耗操作。如上所述,第二输出晶体管M2在器件尺寸方面比第一输出晶体管M1小,因此具有较小的栅极电容。相应地,可以在轻负载操作模式时防止瞬态响应的减慢。
接下来,在从输出端子OUT输出大电流的重负载操作模式的情况下,外部控制信号Sc变为例如LOW(低电平),使得开关SW转为ON以接通并且第一误差放大器电路3投入操作。第一输出晶体管M1的栅极和第二输出晶体管M2的栅极通过开关SW连接。因此,第一误差放大器电路3同时控制第一输出晶体管M1和第二输出晶体管M2两者。第一误差放大器电路3放大参考电压Vref和分压电压Vfb之间的电压差,并将放大后的电压差输出到第一输出晶体管M1和第二输出晶体管M2中每一个的栅极,从而控制第一输出晶体管M1和第二输出晶体管M2的操作,使得分压电压Vfb与参考电压Vref相等。在该点处,第二误差放大器电路4的操作可以停止。然而,由于第一误差放大器电路3有力地控制输出电压Vout,所以其不引起问题以维持第二误差放大器电路4继续操作;相反,利用第二误差放大器电路4连续操作,重负载操作模式平滑地切换到轻负载操作模式。
这里,通常,使在重负载操作模式中所要求的输出晶体管的电流驱动能力为10,例如在图2的电压调节器中,要求第一输出晶体管M111具有电流驱动能力10。同时,根据本发明的第一实施例,使第二输出晶体管M2的电流驱动能力为2,第一输出晶体管M1的电流驱动能力可以为8。因此,可以减小第一输出晶体管M1的尺寸和芯片面积。
因此,根据本发明第一实施例的电压调节器1,在重负载操作模式下,消耗大量电流但以高速操作的第一误差放大器电路3同时控制第一输出晶体管M1和第二输出晶体管M2两者,而在轻负载操作模式中,第一误差放大器电路3的操作停止以降低电流消耗,并且使用消耗小量电流的第二误差放大器电路4仅控制晶体管尺寸较小的第二输出晶体管M2。相应地,可以在具有简单电路的同时降低电流消耗和芯片面积,并且在轻负载操作模式时也实现对输出电压的较好的瞬态响应。
第二实施例
在上述第一实施例中,依据外部控制信号Sc控制第一误差放大器电路3和开关SW的操作。可替换地,可以提供一种自动开关电路,该自动开关电路依据第二输出晶体管M2的栅极电压来控制第一误差放大器电路3和开关SW的操作,这将在下面作为本发明的第二实施例描述。
图4是示出根据本发明的第二实施例的电压调节器10的电路图。在图4中,利用相同的参考数字指代与图3中的元件相同的元件,并且省略对其的描述。
在图4中,与图3的区别在于提供了自动开关电路5,其生成用于控制第一误差放大器电路3和开关SW的操作的控制信号。
根据图4中示出的电压调节器10,输入到输入端子IN的输入电压Vin被降低并被转换为预定的恒定电压,从而被从输出端子OUT作出输出电压Vout输出。
电压调节器10包括参考电压生成器电路2、第一误差放大器电路、第二误差放大器电路4、第一输出晶体管M1、第二输出晶体管M2、电阻器R1和R2、开关SW以及自动开关电路5。该自动开关电路5依据第二输出晶体管M2的栅极电压Vg2来控制第一误差放大器电路3和开关SW的操作。
参考电压生成器电路2、第一误差放大器电路3、第二误差放大器电路4、电阻器R1和R2、开关SW以及自动开关电路5可以形成控制电路部分。此外,该电压调节器10可以集成到单片IC中。
第二输出晶体管M2的栅极电压Vg2输入到自动开关电路5。自动开关电路5依据栅极电压Vg2生成控制信号Sc1,并将所生成的控制信号Sc1输出到第一误差放大器电路3和开关SW中每一个的控制信号输入端。通过控制信号Sc1控制第一误差放大器电路3和开关SW的操作。
图5是示出自动开关电路5的电路配置的图。
参考图5,自动开关电路5包括:PMOS晶体管M11,用于输出与从输出端子OUT输出的电流成比例的电流;电阻器R11,其将PMOS晶体管M11的输出电流转换成电压;以及缓冲器11,其将由电阻器R11生成的电压转换成二进制信号。PMOS晶体管M11和电阻器R11串联连接在输入电压Vin和地之间。第二输出晶体管M2的栅极电压Vg2输入到PMOS晶体管M11的栅极。PMOS晶体管M11和电阻器R11的连接点连接到缓冲器11的输入端,控制信号Sc1从缓冲器11的输出端输出。
根据如此配置的自动开关电路5,如果栅极电压Vg2超过预定电压V1(即,如果从输出端子OUT输出的电流小于预定值),则控制信号Sc1变为例如HIGH(高电平),使得开关SW转为OFF以断开并且使得第一误差放大器电路3的操作停止,因此设置轻负载操作模式。因此,切断了第一误差放大器电路3中消耗的电流。
接下来,如果栅极电压Vg2变为低于或等于预定电压V1(即,如果从输出端子OUT输出的电流大于或等于预定值),则自动开关电路5将控制信号Sc1设置为LOW(低电平),以便从轻负载操作模式切换到重负载操作模式。因此,开关SW转为ON以接通,并且第一误差放大器电路3投入操作。由于第一输出晶体管M1的栅极和第二输出晶体管M2的栅极通过开关SW连接,所以第一误差放大器电路3同时控制第一输出晶体管M1和第二输出晶体管M2两者。
在自动开关电路5中,可以利用磁滞现象(hysteresis)提供从轻负载操作模式切换到重负载操作模式时的栅极电压Vg2的电压值以及从重负载操作模式切换到轻负载操作模式时的栅极电压Vg2的电压值。在此情况下,可以使用磁滞比较器来替代图5的缓冲器11。
因此,根据本发明第二实施例的电压调节器10,可以提供与第一实施例中的效果相同的效果,并且可以自动地在轻负载操作模式和重负载操作模式之间进行切换。此外,尽管在第一误差放大器电路111和第二误差放大器电路112之间进行切换的电路需要图2的常规电压调节器中的两个PMOS晶体管M113和M114、两个电阻器R113和R114以及比较器电路113,但是可以利用由第二实施例的电压调节器10中的PMOS晶体管M11、电阻器R11以及缓冲器11形成的自动开关电路5来控制第一误差放大器电路3和开关SW的操作。相应地,可以简化电路并进一步减小芯片面积。
在上面的第一和第二实施例中,给出了第二输出晶体管M2在晶体管尺寸方面小于第一输出晶体管M1的情况的描述。然而,本发明不限于此,第一输出晶体管M1可以与第二输出晶体管M2相同,或者第一输出晶体管M1可以在晶体管尺寸方面小于第二输出晶体管M2。在另一情况中,可以产生与上面在第一和第二实施例中描述的效果相同的效果。
根据本发明的一个实施例,提供了一种电压调节器,其将输入到输入端子的输入电压转换为预定的恒定电压,并且将转换后的电压从预定的输出端子作为输出电压输出,该电压调节器包括:第一输出晶体管,其被配置为根据输入的第一控制信号从输入端子向输出端子输出第一电流;第二输出晶体管,其被配置为根据输入的第二控制信号从输入端子向输出端子输出第二电流;以及控制电路部分,其被配置为控制第一输出晶体管和第二输出晶体管的操作,使得与从输出端子输出的输出电压成比例的电压等于预定的参考电压,该控制电路部分包括被配置为放大并输出比例电压和参考电压之间的差的第一误差放大器电路、以及被配置为放大并输出比例电压和参考电压之间的差的第二误差放大器电路,该第二误差放大器电路比第一误差放大器电路消耗更少量的电流,其中,该控制电路部分被配置为:通过依据从外部输入的外部控制信号执行使用第一误差放大器电路控制第一输出晶体管和第二输出晶体管的操作以及使用第二误差放大器电路控制第二输出晶体管的操作之一,来控制输出电压。
根据上述电压调节器,依据从外部输入的外部控制信号,通过使用第一误差放大器电路控制第一输出晶体管和第二输出晶体管的操作或者通过使用第二误差放大器电路控制第二输出晶体管的操作来控制输出电压。
结果,当从输出端子输出大电流时,使用消耗大量电流但以高速操作的第一误差放大器电路、利用第一输出晶体管和第二输出晶体管两者来控制输出电压。另一方面,当从输出端子输出小电流时,可以使用消耗小量电流的第二误差放大器电路、利用第二输出晶体管来控制输出电压。
相应地,可以在具有简单电路的同时降低电流消耗和芯片面积,并且通过使第二输出晶体管在尺寸上小于第一输出晶体管,可以在从输出端子输出小电流的轻负载操作模式时也实现对输出电压的良好的瞬态响应。
另外,在上述电压调节器中,控制电路部分还可以包括开关,其被配置为依据外部控制信号来连接第一输出晶体管和第二输出晶体管的控制电极,第一误差放大器电路可以具有连接到第一输出晶体管的控制电极的输出端并且依据外部控制信号而操作,并且第二误差放大器电路可以具有连接到第二输出晶体管的控制电极的输出端。
另外,在上述电压调节器中,第一误差放大器电路可以被配置为:在输入外部控制信号时开始操作,从而使开关连接第一输出晶体管和第二输出晶体管的控制电极,并且在输入外部控制信号时停止操作,从而使开关中断第一输出晶体管和第二输出晶体管的控制电极的连接。
另外,在上述电压调节器中,第二输出晶体管可以被配置为具有比第一输出晶体管小的晶体管尺寸和小的电流驱动能力。
另外,在上述电压调节器中,第一输出晶体管、第二输出晶体管和控制电路部分可以集成到单片IC中。
根据本发明的一个方面,提供了一种电压调节器,其将输入到输入端子的输入电压转换为预定的恒定电压,并且将转换后的电压从预定的输出端子作为输出电压输出,该电压调节器包括:第一输出晶体管,被配置为根据输入的第一控制信号从输入端子向输出端子输出第一电流;第二输出晶体管,被配置为根据输入的第二控制信号从输入端子向输出端子输出第二电流;以及控制电路部分,被配置为控制第一输出晶体管和第二输出晶体管的操作,使得与从输出端子输出的输出电压成比例的电压等于预定的参考电压,该控制电路部分包括:被配置为放大并输出比例电压和参考电压之间的差的第一误差放大器电路、以及被配置为放大并输出比例电压和参考电压之间的差的第二误差放大器电路,该第二误差放大器电路被配置为比第一误差放大器电路消耗更少量的电流,其中,该控制电路部分被配置为:基于第二输出晶体管的控制电极处的电压确定从输出端子输出的电流的大小,并且通过依据确定结果执行使用第一误差放大器电路控制第一输出晶体管和第二输出晶体管的操作以及使用第二误差放大器电路控制第二输出晶体管的操作之一,来控制输出电压。
根据上述电压调节器,基于第二输出晶体管的控制电极处的电压来确定从输出端子输出的电流的大小,并且,依据确定结果,通过使用第一误差放大器电路控制第一输出晶体管和第二输出晶体管的操作或者通过使用第二误差放大器电路控制第二输出晶体管的操作来控制输出电压。结果,可以产生与上述效果相同的效果,并且还可以自动地在仅使用第二输出晶体管的轻负载操作模式以及使用第一输出晶体管和第二输出晶体管的重负载操作模式之间进行切换。
另外,在上述电压调节器中,控制电路部分可以被配置为:在确定从输出端子输出的电流大于或等于预定值时,使用第一误差放大器电路控制第一输出晶体管和第二输出晶体管的操作;而在确定从输出端子输出的电流小于预定值时,使用第二误差放大器电路控制第二输出晶体管的操作。
另外,在上述电压调节器中,控制电路部分还可以包括:开关,被配置为依据输入的第三控制信号而连接第一输出晶体管的控制电极和第二输出晶体管的控制电极;以及自动开关电路,被配置为依据第二输出晶体管的控制电极处的电压而控制第一误差放大器电路和开关的操作,其中,第一误差放大器电路可以具有连接到第一输出晶体管的控制电极的输出端并且依据来自自动开关电路的第三控制信号而操作,第二误差放大器电路可以具有连接到第二输出晶体管的控制电极的输出端。
另外,在上述电压调节器中,自动开关电路可以被配置为:在基于第二输出晶体管的控制电极处的电压确定从输出端子输出的电流大于或等于预定值时,使第一误差放大器电路操作并且使开关连接第一输出晶体管和第二输出晶体管的控制电极。
另外,在上述电压调节器中,自动开关电路可以被配置为:在基于第二输出晶体管的控制电极处的电压确定从输出端子输出的电流小于预定值时,停止第一误差放大器电路的操作以降低电流消耗并且使开关中断第一输出晶体管和第二输出晶体管的控制电极的连接。
另外,在上述电压调节器中,第二输出晶体管可以被配置为具有比第一输出晶体管更小的晶体管尺寸和更小的电流驱动能力。
另外,在上述电压调节器中,第一输出晶体管、第二输出晶体管和控制电路部分可以集成到单片IC中。
本发明不限于具体公开的实施例,可以在不偏离本发明的范围的情况下作出变化和修改。