CN101739050A - 低压降电压调节器及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种低压降电压调节器及其方法，该低压降电压调节器包括误差放大器、分压器和电压参考/放大器电路。误差放大器具有第一输入端子和第二输入端子、用于接收输入电压的电源端子以及用于提供已调输出电压的输出端子。分压器提供作为所述已调输出电压的预定部分的反馈电压。电压参考/放大器电路向所述误差放大器的所述第一输入端子提供与所述反馈电压的变化成相反变化的第一电压，并向所述误差放大器的所述第二输入端子提供第二电压，第二电压与所述第一电压对温度的变化量实质上相同。

Description

低压降电压调节器及其方法
技术领域
本公布一般涉及电源调节器，并具体涉及低压降(LDO)电压调节器。
背景技术
有各种已知类型的用于电源管理系统的电压调节器，包括线性调节器和开关模式调节器。一种特别有用的类型的线性电压调节器被称作低压降(low dropout，即LDO)电压调节器。即使当输入电压只比已调输出电压大约高1V，LDO调节器也能正确工作，因此LDO调节器对于高效电源管理系统，如电池操作的装置特别有用。一种典型的LDO调节器包括参考电压例如带隙电压参考电路、误差放大器和输出电压分压器。误差放大器改变输出电压，使分压的输出电压等于参考电压，并通常包括输入电压端子和输出电压端子之间的传输晶体管。
带隙电压参考电路提供稳定的参考，但是要求相当大的集成电路面积。然而，较简单的电压参考电路往往具有低的电源抑制比(PSRR)。此外，输出电压分压器用来构成分压的输出电压的电阻器产生噪声，该噪声出现在已调输出电压中。那么就需要一种低成本、低噪声、高PSRR的LDO调节器。
附图说明
通过参考附图，可更好理解本发明并使它的众多特征及优点对本领域技术人员来说明显，其中：
图1以部分结构图和部分示意性形式示出现有技术中已知的低压降电压调节器电源；
图2以部分结构图和部分示意性形式示出现有技术中已知的可替换的低压降电压调节器电源；
图3以结构图形式示出根据本发明的低压降电压调节器电源；
图4以部分结构图和部分示意性形式示出图3的低压降电压调节器电源；以及
图5示出用于在图3的低压降电压调节电源中提供已调输出电压的方法的流程图。
在不同图中使用的一样的参考符号指示相似或相同的项。
具体实施方式
图1用部分结构图并以部分示意性形式示出现有技术中已知的低压降(LDO)电压调节器电源100。LDO电压调节器电源100一般包括耗尽型金属氧化物半导体(MOS)晶体管102，增强型MOS晶体管104，误差放大器106，电阻器108、110和114以及电容器112和116。注意，正如它们通常所指的，这里使用的“MOS”晶体管包括有多晶硅栅极以及金属栅极的晶体管。耗尽型MOS晶体管102具有连接到标为“VIN”的输入电源电压端子的漏极、栅极和连接到栅极的源极。增强型MOS晶体管104具有连接到耗尽型MOS晶体管102的源极的漏极、连接到耗尽型MOS晶体的源极的栅极和接地的源极。误差放大器106具有连接到耗尽型MOS晶体管102的源极的非反相输入端子、反相输入端子、连接到VIN和地的电源端子以及输出端子。
电阻器108具有连接到误差放大器106的输出端子的第一端子和连接到误差放大器106的反相输入端子的第二端子。电阻器110具有连接到电阻器108的第二端子的第一端子和接地的第二端子。电容器112具有连接到电阻器108的第一端子的第一端子和连接到电阻器108的第二端子的第二端子。电阻器114具有连接到电容器112的第一端子的第一端子和接地的第二端子。电容器116具有连接到电阻器114的第一端子的第一端子和接地的第二端子。
在工作中，误差放大器106接收参考电压和反馈电压，并响应于参考电压和反馈电压之间的差异给电阻器114和电容器116提供已调输出电压。将耗尽型MOS晶体管102的栅极和源极连接在一起的做法把耗尽型MOS晶体管102配置为恒流源。将增强型MOS晶体管104的栅极和源极连接在一起则构成二极管接法晶体管。根据增强型MOS晶体管104的阈值电压设置增强型MOS晶体管104上的电压，以及因此增强型MOS晶体管的漏极上的电压。耗尽型MOS晶体管102和增强型MOS晶体管104的串联组合产生一参考电压，其为误差放大器106的非反相输入端子提供稳定的电压。
反馈电压应用于误差信号放大器106的反相端子。反馈电压是来自误差放大器106的输出电压的降低的电压，且反馈电压是基于电阻器108和110生成的分压器。电容器112用来减少误差放大器116、电阻器108和110以及MOS晶体管102和104在电阻器108和电容器112构成的电阻器/电容器(RC)网络的截止频率之上的噪声影响。误差放大器106使用提供给非反相端子的电压和提供给反相端子的反馈电压，向电阻器114和电容器116提供已调输出电压。然而，来自耗尽型MOS晶体管102、增强型MOS晶体管104、误差放大器106以及电阻器108和110的噪声影响结合生成大量的噪声。此外，由于电压参考的简易，耗尽型MOS晶体管102和增强型MOS晶体管104生成的电压参考的电源抑制比(PSRR)为低，以及因此，LDO电压调节器电源100的电源抑制比(PSRR)为低。
图2用部分结构图和部分示意性形式示出现有技术中已知的可替换的LDO电压调节器电源200。LDO电压调节器电源200一般包括耗尽型MOS晶体管202、204和206，增强型MOS晶体管208和210，误差放大器212，电阻器214、216和220以及电容器218和222。耗尽型MOS晶体管202具有连接到VIN的漏极、栅极和连接到该栅极的源极。增强型MOS晶体管208具有连接到耗尽型MOS晶体管202的源极的漏极、连接到耗尽型MOS晶体管202的源极的栅极和接地的源极。耗尽型MOS晶体管204具有连接到输入电压VIN的漏极、连接到耗尽型MOS晶体管202的源极的栅极和源极。耗尽型MOS晶体管206具有连接到耗尽型MOS晶体管204的源极的漏极、栅极和连接到该栅极的源极。增强型MOS晶体管210具有连接到耗尽型MOS晶体管206的源极的漏极、连接到耗尽型MOS晶体管206的源极的栅极和接地的源极。
误差放大器212具有连接到耗尽型MOS晶体管206的源极的非反相输入端子、反相输入端子、连接到VIN和地的电源端子以及输出端子。电阻器214具有连接到误差放大器212的输出端子的第一端子和连接到误差放大器212的反相输入端子的第二端子。电阻器216具有连接到电阻器214的第二端子的第一端子和接地的第二端子。电容器218具有连接到电阻器214的第一端子的第一端子和连接到电阻器214的第二端子的第二端子。电阻器220具有连接到电容器218的第一端子的第一端子和接地的第二端子。电容器222具有连接到电阻器220的第一端子的第一端子和接地的第二端子。
在工作中，LDO电压调节器电源200基于提供到误差放大器212的非反相端子的稳定的参考电压和提供给其反相端子的反馈电压来提供已调电压参考。将耗尽型MOS晶体管202的栅极端子和源极端子连接在一起的做法把耗尽型MOS晶体管202配置为恒流源。将增强型MOS晶体管208的栅极端子和漏极连接在一起以构成二极管接法晶体管。根据增强型MOS晶体管208的阈值电压，设置增强型MOS晶体管208的栅极端子上存在的电压，以及因此也设置在增强型MOS晶体管208的漏极端子上存在的电压。在增强型MOS晶体管208的漏极产生的电压依赖于增强型MOS晶体管208的阈值电压，并因此实质上不依赖输入电压VIN。耗尽型MOS晶体管202和增强型MOS晶体管208的串联组合给耗尽型MOS晶体管204的栅极提供稳定的电压。
耗尽型MOS晶体管204作用为高输入阻抗缓冲器，接收来自耗尽型MOS晶体管202和增强型MOS晶体管208的预稳定的电压输出，并向耗尽型MOS晶体管206的漏极供应缓冲的稳定的电压。配置耗尽型MOS晶体管204作为源极跟随器，由此耗尽型MOS晶体管204的源极端子上的电压追踪耗尽型MOS晶体管204的栅极端子上出现的电压。由于耗尽型MOS晶体管204的源极跟随器特性，耗尽型MOS晶体管204很大程度上不受输入电压VIN的变化的影响，并因此实质上增加LDO电压调节器电源200的PSRR性能而超过LDO电压调节器电源100。
耗尽型MOS晶体管204的源极端子上的电压向耗尽型MOS晶体管206的漏极端子供应电势。耗尽型MOS晶体管206向增强型MOS晶体管210提供恒流源。增强型MOS晶体管210是二极管接法的，以提供等于增强型MOS晶体管210的阈值电压的恒定电压。耗尽型MOS晶体管206的源极的电压提供给误差放大器212的非反相输入端子。
反馈电压应用于误差放大器212的反相端子。反馈电压是来自误差放大器212的输出电压的降低的电压，且反馈电压是基于电阻器214和216生成的分压器。电容器218用于减少误差放大器212、电阻器214和216以及MOS晶体管210和206在电阻器214和电容器218构成的电阻器/电容器(RC)网络的截止频率之上的噪声影响。误差放大器212使用提供给非反相端子的电压和提供给反相端子的反馈电压，向电阻器220和电容器222输出已调输出电压。然而，来自耗尽型MOS晶体管202、204和206，增强型MOS晶体管208和210，误差放大器212以及电阻器214和216的噪声影响结合生成大量的噪声。
图3以结构图形式示出根据本发明的LDO电压调节器电源300。LDO电压调节器电源300一般包括电压参考电路302、电压参考/放大器电路304、误差放大器306、分压器308和负载310。电压参考电路302具有连接在VIN和地之间的电源端子和用于提供参考电压的输出端子。电压参考/放大器电路304具有连接到电压参考电路302的输出端子的第一输入端子、第二输入端子、接地的电源端子以及第一输出端子和第二输出端子。
误差放大器306具有连接到电压参考/放大器电路304的第一输出端子的第一输入端子、连接到电压参考/放大器电路304的第二输出端子的第二输入端子、用于接收输入电压VIN的电源端子和输出端子。LDO电压调节器电源300能设计为与MOS技术一起使用，因此误差放大器306的特征为是有MOS输入差动级的误差放大器。在另一实施方式中，误差放大器306能使用双极晶体管实现，因此误差放大器306的特征为是有双极输入差动级的误差放大器。分压器308具有连接到误差放大器306的输出端子的输入端子和连接到电压参考/放大器电路304的第二输入端子的输出端子。负载310连接在误差放大器306的输出端子和地之间。
在工作中，误差放大器306基于来自电压参考/放大器304的电压和来自分压器308的反馈电压向负载310提供已调输出电压。误差放大器306包括内部传输器件，以提供低压降操作，内部传输器件未在图3显示。电压参考电路302向电压参考/放大器电路304提供参考电压。分压器308向电压参考/放大器电路304提供作为已调输出电压的预定部分的反馈电压。电压参考/放大器电路304向误差放大器306的第一输入端子提供第一输入电压，其与反馈电压的变化成相反变化。此外，电压参考/放大器电路304向误差放大器306的第二输入端子提供第二电压，且第二电压对温度的变化量与第一电压的对温度的变化量实质上相同。在另一实施方式中，电压参考/放大器电路304可将第二电压作为电压参考向误差放大器306的第二输入端子提供。
电压参考电路302通过提供基本上不受输入电压VIN的变化影响的稳定的电压参考，生成LDO电压调节器电源300的高PSRR。此外，电压参考/放大器电路304的增益抑制误差放大器306生成的噪声。因此，LDO电压调节器电源300里生成的唯一噪声由电压参考/放大器电路304和分压器308产生。因此，LDO电压调节器电源300在提供已调输出电压的同时具有高PSRR和少量的噪声。
图4以部分结构图和部分示意性形式示出图3的LDO电压调节器电源300的电路实现400。LDO电压调节器电源400一般包括在图4更详细显示的电压参考电路302、电压参考/放大器电路304、误差放大器306、分压器308和负载310。电压参考电路302包括耗尽型MOS晶体管402和404以及增强型MOS晶体管406。耗尽型MOS晶体管402具有连接到VIN的漏极、栅极和连接到该栅极的源极。增强型MOS晶体管406具有连接到耗尽型MOS晶体管402的源极的漏极、连接到耗尽型MOS晶体管402的源极的栅极和接地的源极。耗尽型MOS晶体管404具有连接到VIN的漏极、连接到耗尽型MOS晶体管402的源极的栅极和源极。
电压参考/放大器电路304包括电阻器408和410、耗尽型MOS晶体管412以及增强型MOS晶体管414。电阻器408具有连接到耗尽型MOS晶体管404的源极的第一端子和第二端子。电阻器410具有连接到电阻器408的第一端子的第一端子和第二端子。耗尽型MOS晶体管412具有连接到电阻器408的第二端子的漏极、接地的栅极和接地的源极。增强MOS晶体管414具有连接到电阻器410的第二端子的漏极、栅极和接地的源极。
误差放大器306包括误差放大器416，误差放大器416具有连接到电阻器410的第二端子的非反相输入端子、连接到电阻器408的第二端子的反相输入端子、连接到VIN的输入电压端子和输出端子。
分压器308包括电阻器418和420以及电容器422。电阻器418具有连接到误差放大器416的输出端子的第一端子和连接到增强型MOS晶体管414的栅极的第二端子。电阻器420具有连接到电阻器418的第二端子的第一端子和接地的第二端子。电容器422具有连接到电阻器418的第一端子的第一端子和连接到电阻器418的第二端子的第二端子。
负载310包括电阻器424和电容器426。电阻器424具有连接到电容器422的第一端子的第一端子和接地的第二端子。电容器426具有连接到电阻器424的第一端子的第一端子和接地的第二端子。
在工作中，误差放大器416基于来自电压参考/放大器电路304的两个电压向负载310的电阻器424和电容器426提供已调输出电压。误差放大器306包括内部传输器件，以提供低压降操作，内部传输器件未在图4显示。误差放大器416使用MOS晶体管实现，但是在可替换的实施方式中可用双极晶体管来构成。将耗尽型MOS晶体管402的栅极端子和源极端子连接在一起这个做法把耗尽型MOS晶体管402配置为恒流源。增强型MOS晶体管406的栅极端子和漏极端子连接在一起，构成二极管接法晶体管。根据增强型MOS晶体管406的阈值电压，设置增强型MOS晶体管406的栅极端子上存在的电压，以及因此也设置在增强型MOS晶体管406的漏极端子上存在的电压。因此耗尽型MOS晶体管402的栅极端子的电压按照增强型MOS晶体管406的阈值电压设置。增强型MOS晶体管406的漏极处产生的电压依赖于增强型MOS晶体管406的阈值电压，并从而实质上不依赖输入电压VIN。耗尽型MOS晶体管402和增强型MOS晶体管406的串联组合给耗尽型MOS晶体管404的栅极提供稳定的电压。
耗尽型MOS晶体管404是高输入阻抗缓冲器，接收来自耗尽型MOS晶体管402和增强型MOS晶体管406的预先稳定的电压输出，并向电阻器408和410供应缓冲的稳定的电压。耗尽型MOS晶体管404被配置为源极跟随器，由此耗尽型MOS晶体管404的源极端子上的电压追踪耗尽型MOS晶体管404的栅极端子上出现的电压。由于耗尽型MOS晶体管404的源极跟随器特性，耗尽型MOS晶体管404很大程度上不受VIN的变化的影响，并因此充分增加LDO电压调节器电源400的PSRR性能。
基于耗尽型MOS晶体管412的栅极和源极接地，MOS晶体管412在电压参考/放大器电路304里生成参考电流。参考电压基于参考电流传导通过电阻器408而生成，且参考电压提供给误差放大器416的反相输入端子。反馈电压应用于增强型MOS晶体管414的栅极。反馈电压是来自误差放大器416的输出电压的降低的电压，且反馈电压是基于电阻器418和420生成的分压器。电容器422用于减少电阻器418和420以及MOS晶体管412和414在电阻器422和电容器418构成的电阻器/电容器(RC)网络的截止频率之上的噪声影响。
基于提供给增强型晶体管414的栅极的反馈，可变电流传导通过增强型MOS晶体管414。随着反馈电压的增加，增强型MOS晶体管414变得传导性更强，结果，更多电流传导通过增强型MOS晶体管414。传导通过增强型MOS晶体管414的可变电流也传导通过电阻器410，在电阻器410的第二端子生成电压。在电阻器410的第二端子的电压提供给误差放大器416的非反相输入端子，该电压的变化与反馈电压的变化相反。例如，反馈电压越高，越多的电流传导通过电阻器410，而越多的电流传导通过电阻器410，就造成电阻器410上更大的压降，这样应用到误差放大器416的非反相输入端子的电压就减少了。
可将耗尽型MOS晶体管412和增强型MOS晶体管414的物理特性设计为，使得提供给误差放大器416的电压在LDO电压参考电源400的期望的工作温度范围上的变化量实质上相同，同时增强型MOS晶体管414的栅极电压在期望的工作温度范围上几乎保持恒定。误差放大器416调节提供给负载310的电阻器424和电容器426的输出电压，使得应用于非反相输入端子和反相输入端子的电压实质上相等。因此，随着已调输出电压的改变，反馈电压和应用于误差放大器416的非反相输入端子的电压也改变。可将耗尽型MOS晶体管412、增强型MOS晶体管414以及电阻器408和410的增益构造设计成，使得误差放大器的输出造成的噪声被抑制。因此，LDO电压调节器电源400的噪声实质上限于来自耗尽型MOS晶体管412、增强型MOS晶体管414的噪声和分压器308的噪声。因此，LDO电压调节器电源400具有高PSRR和少量的噪声。
图5示出用于提供图3的LDO电压调节器电源300里的已调输出电压的方法500的流程图。在块502，对已调输出电压进行分压，以提供反馈电压。在块504，参考电流通过第一电路元件传导。在块506，基于参考电流并使用第一电阻器形成第一电压。在块508，响应于反馈电压，可变电流传导通过第二电路元件。在块510，基于可变电流并使用第二电阻器形成第二电压。响应于输入电压以及第一电压和第二电压之间的差异来提供已调输出电压。
以上公开的主题应认为是示例性的，而不是限制性的，并希望随附的权利要求覆盖所有这样的更改、增加和落在权利要求的真实范围内的其他实施方式。因此，对法律所允许的最大程度，本发明的范围由以下权利要求及其等价形式允许的最宽泛的解释确定，且不应被前述详细描述限制或限定。

Claims (10)

1.一种低压降电压调节器(300)，包括：
误差放大器(306)，其具有第一输入端子和第二输入端子、用于接收输入电压的电源端子以及用于提供已调输出电压的输出端子；
分压器(308)，其用于提供作为所述已调输出电压的预定部分的反馈电压；以及
放大器电路(304)，其用于向所述误差放大器(306)的所述第一输入端子提供与所述反馈电压的变化成相反变化的第一电压，以及向所述误差放大器(306)的所述第二输入端子提供第二电压，所述第二电压与所述第一电压对温度变化的量基本上相同。
2.如权利要求1所述的低压降电压调节器(300)，其中所述误差放大器(306)的特征在于是具有MOS输入差动级的误差放大器。
3.如权利要求1所述的低压降电压调节器(300)，其中所述放大器电路(304)的特征在于是参考电压/放大器电路，其中所述第二电压的特征在于是参考电压。
4.如权利要求3所述的低压降电压调节器(300)，其中所述放大器电路(304)包括：
第一电阻器(408)，其具有用于接收参考电压的第一端子和耦合到所述误差放大器(306)的所述第一输入端子的第二端子；
第二电阻器(410)，其具有用于接收所述参考电压的第一端子和耦合到所述误差放大器(306)的所述第二输入端子的第二端子；
耗尽型MOS晶体管(412)，其具有耦合到所述第一电阻器(408)的所述第二端子的第一电流电极、耦合到电源电压端子的栅极和耦合到所述电源电压端子的第二电流电极；以及
增强型MOS晶体管(414)，其具有耦合到所述第二电阻器(410)的所述第二端子的第一电流电极、用于接收所述反馈电压的栅极和耦合到所述电源电压端子的第二电流电极。
5.如权利要求1所述的低压降电压调节器(300)，其进一步包括：
电压参考电路(302)，其具有用于提供参考电压的输出；
所述电压参考电路(302)包括：
第一耗尽型MOS晶体管(402)，其具有用于接收所述输入电压的第一电流电极、栅极和耦合到所述栅极的第二电流电极；
增强型MOS晶体管(404)，其具有耦合到所述第一耗尽型MOS晶体管(402)的所述第二电流电极的第一电流电极、耦合到所述第一耗尽型MOS晶体管(402)的所述第二电流电极的栅极和耦合到电源电压端子的第二电流电极；以及
第二耗尽型MOS晶体管(406)，其具有用于接收所述输入电压的第一电流电极、耦合到所述第一耗尽型MOS晶体管(402)的所述第二电流电极的栅极和用于提供所述参考电压的第二电流电极；
负载(310)，其具有用于接收所述已调输出电压的输入端子。
6.一种用于在提供已调输出电压的低压降电压调节器(300)中使用的方法，所述方法包括如下步骤：
对所述已调输出电压进行分压以提供反馈电压；
传导参考电流通过第一电路元件(412)；
基于所述参考电流使用第一电阻器(408)形成第一电压；
响应于所述反馈电压而传导可变电流通过第二电路元件(414)；
基于所述可变电流使用第二电阻器(410)形成第二电压；以及
响应于输入电压和所述第一电压与所述第二电压之间的差值来提供所述已调输出电压。
7.如权利要求6所述的方法，其中传导所述参考电流的所述步骤包括传导所述参考电流通过耗尽型MOS晶体管(412)。
8.如权利要求6所述的方法，其中传导所述可变电流的所述步骤包括传导所述可变电流通过增强型MOS晶体管(414)。
9.如权利要求6所述的方法，其中提供所述已调输出电压的所述步骤包括从具有MOS输入差动级的误差放大器(306)提供所述已调输出电压。
10.如权利要求6所述的方法，其中提供所述已调输出电压的所述步骤包括从具有双极型输入差动级的误差放大器(306)提供所述已调输出电压。
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