CN101763131A - 低压差稳压器及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种低压差(LDO)稳压器包括：误差放大器，比较参考电压与输出电压的反馈电压，并基于比较结果输出误差信号，该误差放大器由输入电压偏置；第一MOS晶体管，具有电连接到误差信号的栅极、电连接到输入电压的源极和电连接到输出电压的漏极；分压器，将输出电压的预定的部分作为反馈信号传输给误差放大器；以及电平限制器，当负载电流改变时限制所述输出电压的电平，以免所述输出电压的电平改变超过和低于偏置电压。根据本发明的实施例，提供了预定数量的比较器和MOS晶体管型开关，以增强调节的输出电压的转换速率并且降低待机电耗。

Description

低压差稳压器及其操作方法
本申请基于35 U.S.C 119要求第10-2008-0132841号(于2008年12月24日递交)韩国专利申请的优先权，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及一种电子线路，更具体地，涉及一种低压差稳压器(low-dropout voltage regulator)及其操作方法。
背景技术
低压差(LDO，low-dropout)稳压器通常用于馈电设备(powerfeeding equipment)中，以提供调整的电压。这种LDO稳压器由集成电路构成，可用于各种电子产品中。包含在LDO稳压器中的一些或全部元件可以与标准的数字CMOS技术相兼容。
在专利号为6,046,577、题为“LOW-DROPOUT VOLTAGEREGULATOR INCORPORATING A CURRENT EFFICIIENTTRANSIENT RESPONSE BOOST CIRCUIT”的美国专利，专利申请号为2007/0241728、题为“LOW-DROPOUT VOLTAGEREGULATOR WITH A VOLTAGE SLEW RATE EFFICEINTTRANSIENT RESPONSE BOSST CIRCUIT”美国专利，专利号为6,710,583和6,304,31、题为“LOW DROPOUT VOLTAGEREGULATOR WITH NON-MILLER FREQUENCYCOMPENSATION”美国专利中披露了传统的LDO稳压器的结构。
根据上文中披露的LDO稳压器，在随时间变化的负载电流环境下通过使用误差放大器消除了环路。然而，通过仅使用误差放大器来改善输出电压的瞬时响应具有局限性，从而以上传统的LDO稳压器应具有良好的稳定输出电压的转换速率(slew rate)。
发明内容
本发明实施例涉及一种低压差稳压器及其操作方法。
本发明实施例涉及一种低压差稳压器及其操作方法，该低压差稳压器增强了输出电压的转换速率。
根据本发明实施例，低压差(LDO)稳压器可以包括以下至少一个：误差放大器，比较参考电压与输出电压的反馈电压，然后基于比较结果输出误差信号，该误差放大器由输入电压偏置；第一MOS晶体管，具有连接到误差信号的栅极、电连接到输入电压的源极和电连接到输出电压的漏极；分压器，将输出电压的预定部分作为反馈信号反馈到误差放大器；以及电平限制器(level limiter)，在负载电流改变时，限制输出电压的电平以免输出电压的电平的改变超过和低于偏置电压。
根据本发明实施例，低压差(LDO)稳压器可以包括以下至少一个：包括多个晶体管的误差放大器，比较参考电压与输出电压的反馈电压，并基于比较结果输出误差信号，该误差放大器由输入电压偏置；第一MOS晶体管，具有电连接到误差信号的栅极、电连接到输入电压的源极和电连接到输出电压的漏极；分压器，将输出电压的预定部分作为反馈信号传输到误差放大器，该分压器包括以串联方式电连接在输出电压和地之间的第一电阻和第二电阻；以及电平限制器(level limiter)，当负载电流改变时，限制输出电压的电平以免输出电压的电平的改变超过和低于偏置电压。
根据本发明实施例，一种操作LDO稳压器的方法可以包括以下至少一步：合成参考电压和偏置电压；以及通过比较输出电压的反馈部分和合成的结果，在负载电流改变时限制输出电压的电平以免输出电压的电平的改变超过和低于偏置电压。
根据本发明实施例，可以仅另外地提供预定数量的比较器和MOS晶体管型开关。结果，本发明实施例可以增强调整的输出电压的转换速率并且可以降低待机电耗。
附图说明
实例图1示出了一种根据本发明实施例的低压差(LDO)稳压器。
实例图2示出了一种根据本发明的实施例的图1中所示出的误差放大器和电平限制器(level limiter)。
实例图3示出了一种根据本发明的实施例的操作LDO稳压器的方法。
实例图4示出了一种根据本发明的实施例的操作LDO稳压器的方法。
具体实施方式
在实例图1中，根据本发明的实施例的LDO稳压器包括：参考电压发生器100、误差放大器120、第一MOS晶体管(M1)、电平限制器130以及分压器140。参考电压发生器100电连接在输入电压VIN和地之间，以产生参考电压VREF。参考电压发生器100可以是用于产生参考电压VREF的带隙电压发生器(bandgap voltagegenerator)。
第一MOS晶体管M1可以包括连接到由误差放大器120传输的误差信号的栅极、连接到输入电压VIN的源极以及连接到输出电压VOUT的漏极。对于这样的结构，第一MOS晶体管M1可以是PMOS功率晶体管。作为通道器件(pass device)的第一MOS晶体管M1的电压可以被称为“压差(drop-out)”。根据本发明实施例，压差电压越小是越优选的。
误差放大器120由输入电压VIN偏置，误差放大器120比较参考电压VREF与输出电压VOUT的反馈电压VFB，以基于比较结果将误差信号输出到第一MOS晶体管M1的栅极。这意味着，对于实例图1中所示的稳压器的快速和准确的操作，误差放大器120检测并放大参考电压VREF与反馈电压VFB之差。误差放大器120可以是运算跨阻放大器(operational trans-impedance amplifier，OTA)。为便于理解实施例，在根据本发明实施例的LDO稳压器中采用了OTA型误差放大器120，但并不局限于此。特别地，在实例图2中所示的误差放大器120可以是可用于实施例的各种其他的类型。
如实例图2所示，实施例可以包括在实例图1中示出的误差放大器120和电平限制器130的误差放大器120A和电平限制器130A。放大器120A可以包括多个MOS晶体管，例如第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6、第七晶体管M7、第八晶体管M8、第九晶体管M9以及第十晶体管M10。例如，第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第七晶体管M7和第八晶体管M8可以配置为PMOS晶体管。另一方面，第五晶体管M5、第六晶体管M6、第九晶体管M9以及第十晶体管M10可以配置为NMOS晶体管。以下将描述每个晶体管的结构。
第二晶体管M2包括连接到输入电压VIN的源极和连接到正偏置电压的栅极。第三晶体管M3具有连接到输入电压VIN的源极和相互连接的栅极/漏极。第四晶体管M4具有连接到输入电压VIN的源极、连接到第三晶体管M3的栅极的栅极以及连接到第一晶体管M1的栅极的漏极。第五晶体管M5具有连接到第三晶体管M3的栅极/漏极的源极以及接地的漏极。第六晶体管M6具有连接第四晶体管M4的漏极和第一晶体管M1的栅极两者的源极以及接地的漏极。
第七晶体管M7具有连接到第二晶体管M2的漏极的源极以及连接到参考电压VREF的栅极。第八晶体管M8具有连接到第二晶体管M2的漏极的源极以及连接到反馈电压VFB的栅极。第九晶体管M9具有连接到第七晶体管M7的漏极和第五晶体管M5的栅极两者的源极/栅极以及接地的漏极。第十晶体管M10具有连接到第八晶体管M8的漏极和第六晶体管M6栅极的源极/栅极以及接地的漏极。
分压器140将输出电压VOUT的预定的部分作为反馈电压VFB传输到误差放大器120。分压器140可以包括以串联方式电连接在在输出电压VOUT和地之间的第一电阻R1和第二电阻R2。第一电阻R1和第二电阻R2之间的区域(area)对应于反馈电压VFB。
在负载电流的电平快速改变时，电平限制器130A限制输出电压VOUT的电平以免输出电压VOUT的电平的改变超过和低于偏置电压(offset voltage)。为此，电平限制器130A可以包括增大限制器(increase limiter)134A和降低限制器(decrease limiter)132A。负载电流指的是沿着电连接到输出电压VOUT的外部负载流动的电流。降低限制器132A在负载电流增大时限制输出电压VOUT以免输出电压降低低于偏置电压的低点VOL。
如图2所示，降低限制器132A包括第一合成器34、第一开关35和第一比较器38。第一开关35响应于基于由第一比较器比较的结果而传输的第一开关信号在第一MOS晶体管M1的栅极与地之间切换。例如，第一开关35可以是诸如第十一晶体管M11的MOS晶体管。第十一晶体管M11是N型，其具有连接到从第一比较器38的输出端产生的第一开关信号的栅极、连接到第一晶体管M1的栅极的源极以及接地的漏极。
第一合成器34合成参考电压VREF和偏置电压的低点VOL，并且将合成结果输出到第一比较器38的正输入端(+)。第一比较器38比较第一合成器34的输出与经由负输入端(-)传输的反馈电压VFB，并基于比较结果将第一开关信号输出到第一开关35。
降低限制器132A可以进一步包括第三开关37。当误差放大器120A操作时，第三开关37可以在第一开关35和地之间导通。为此，第三开关37可以是MOS晶体管，诸如N型第十三晶体管M13。第十三晶体管M13具有连接到第六晶体管M6和第十晶体管M10的栅极的栅极、连接到第十一晶体管M11的漏极的源极以及接地的漏极。在这种情况下，第六晶体管M6的栅极电压被来作为控制第三开关37切换的信号。
当负载电流减小时，增大限制器134或增大限制器134A限制输出电压VOUT以免其增加超过偏置电压的高点VOH。为此，增大限制器134A包括第二开关33、第二合成器32和第二比较器36。第二开关33在输入电压VIN和第一晶体管M1的栅极之间切换。例如，第二开关33可以是MOS晶体管，诸如P-型第十二晶体管M12。第十二晶体管M12具有连接到输入电压VIN的源极、连接到从第二比较器36输出的第二开关信号的栅极以及连接到第一晶体管M1的栅极的漏极。第二合成器32合成参考电压VREF和偏置电压的高点VOH，并且将合成结果输出到第二比较器36的正输入端(+)。
第二比较器36比较从正输入端传输来的第二合成器的输出与从负输入端(-)传输来的反馈电压VFB，并且基于比较结果将第二开关信号输出到第二开关33。根据本发明的实施例，增大限制器134A可以进一步包括第四开关31。第四开关31可以在输入电压VIN和第二开关33之间导通。例如，第四开关31可以是MOS晶体管，诸如P型第十四晶体管M14。第十四晶体管M14具有连接到第三晶体管M3和第四晶体管M4的栅极的栅极、连接到输入电压VIN的源极以及连接到第十二晶体管M12的源极的漏极。在这种情况下，第四晶体管M4的栅极电压可以被来作为控制第十四晶体管M14切换的信号。
根据本发明的实施例，LDO稳压器可以被具体化为一种集成电路(IC)。
如下，将参照实例附图描述一种根据本发明的实施例的操作LDO稳压器的方法。如果实例图1中所示的参考电压发生器100和误差放大器120工作不同，则根据本发明实施例的操作LDO稳压器的方法是适用的。为方便起见，将在误差放大器120和电平限制器130为实例图2中所示的前提下描述操作LDO稳压器的方法。
实例图3是示出了操作LDO稳压器的方法的流程图，而实例图4是示出了操作LDO稳压器的方法的曲线，其横坐标指的是“时间”，纵坐标的左侧指的是“输出电压(VOUT)”，右侧指的是“负载电流(Ioad)”。
以下将详细描述误差放大器120、120A。第三晶体管M3和第四晶体管M4形成电流反射器，第五晶体管M5和第六晶体管M6由参考电压VREF偏置，以用来操作电流源第三晶体管M3和第四晶体管M4。误差放大器120比较反馈电压VFB和参考电压VREF。如果反馈电压VFB高于参考电压，则误差放大器120产生具有“高”电平的误差信号，然后P型第一MOS晶体管M1关闭。如果反馈电压VFB低于参考电压VREF，则误差放大器120产生具有“低”电平的误差信号，然后P型第一MOS晶体管M1开启。
由于以上操作，未被调整的输入电压VIN被改变为已调整的输出电压VOUT。在这种情况下，第一合成器34合成参考电压VREF和偏置电压的低点VOL，第二合成器32合成参考电压VREF和偏置电压的高点VOH(S50)。偏置电压的高点和低点是在设计实例图1中所示的稳压器时预置的预定值。
以下将描述电平限制器130、130A的操作。步骤S50之后，基于由第一合成器34和第二合成器32实现的合成之间的比较结果判断负载电流的电平是否变高或变低。然后，基于判断结果限制输出电压的电平，以免其增大超过了偏置电压VOH或降低低于偏置电压VOL(S52至S56)。以下将详细描述步骤S52至S56。首先，第一比较器38和第二比较器36确定负载电流是否增大或减小(S52)。为完成该步骤，第一比较器38和第二比较器36将反馈电压VFB和合成的结果进行比较。
如实例图4所示，如果低电平负载电流快速增大到最大电平负载电流，则输出电压VOUT受到限制以免其下降到偏置电压的低点VOL之下(S54)。实例图4示出了LDO稳压器70和根据本发明的实施例的LDO稳压器60的特性。与LDO稳压器70相比，根据本发明的实施例的LDO稳压器60表现出：在输出电压几乎达到偏置电压的低点VOL时其再次增加。
如果反馈电压VFB高于第一合成器34合成的电压，则第一比较器38产生“高”电平信号并且导通第十一MOS晶体管M11。结果，形成了从第一MOS晶体管M1经由第十一MOS晶体管M11和第十三MOS晶体管M13流向地的电流通路。这里，当误差放大器120A被偏置时，第十三MOS晶体管M13饱和。随着施加到第一MOS晶体管M1的栅极的电压降低，输出电压VOUT降低直到偏置电压的低点VOL但不低于该低点，然后再次增加。
在步骤S54过程中，第二比较器36产生“高”电平信号，第十二MOS晶体管M12截止，从而不形成从第十四MOS晶体管M14流向第一MOS晶体管M1的栅极的电流通路。结果，当降低限制器132A工作时，第二开关33和第四开关31不必要消耗电流。然而，如果与实例图4相反，负载电流一直快速降低，则输出电压受到限制以免其增加超过偏置电压的高点VOH(S56)。
如果反馈电压高于VFB高于第二合成器32合成的电压，则第二比较器36产生“低”电平信号，并导通第十二MOS晶体管M12。结果，形成了从输入电压VIN经由第十四MOS晶体管M14和第十二MOS晶体管M12流向第一MOS晶体管M1的栅极的电流通路。这里，当误差放大器120A被偏置时，第十四MOS晶体管M14始终是饱和的。结果，施加到第一MOS晶体管M1的栅极的电压增大，输出电压VOUT增大直到偏置电压的高点VOH而不超过该高点，然后降低。在步骤S56中，第一比较器38产生“低”电平信号，并且截止第十一MOS晶体管M11。结果，电流不能从第一MOS晶体管M1的栅极流向地，这减小了不必要的由第一开关35和第三开关37消耗的电流。
同时，第一MOS晶体管M1是功率晶体管，第十三晶体管M13的纵横比(aspect ratio，W/L)多倍正比于第六MOS晶体管M6的纵横比。类似地，第十四晶体管M14的纵横比(W/L)多倍正比于第四MOS晶体管M4的纵横比。例如，如果从输入电压VIN经由第四MOS晶体管M4和第六MOS晶体管M6流向地的电流是1μA，则第十三晶体管M13和第十四MOS晶体管M14的每一个的尺寸可以是第六MOS晶体管M6和第四MOS晶体管M4的每一个的尺寸的十倍。如果第十三晶体管M13和第十四MOS晶体管M14直接相连，而没有第一比较器38和第二比较器36，则流过第十三晶体管M13和第十四MOS晶体管M14的电流是10μA，待机电流(standbycurrent)逐渐变大。然而，如上所述，可以选择性地形成电流通路，因此可以减小由开关31、33或者开关35、37不必要消耗的电流。
因此，在根据本发明实施例的稳压器中，第一比较器38和第二比较器36在瞬态响应中选择性地工作，以便可以快速改变施加到第一MOS晶体管M1的栅极的电压。正因为此，才提高了瞬态响应的速度，并因此可以提高输出电压的转换速率。
虽然已经参照本发明的大量示例性的实施例描述了本发明的实施例，可以理解的是，本领域的技术人员可以在本公开的理论的精神和范围内对各种其他的修改和实施例进行设计。更具体地，在本公开、附图以及所附权利要求的范围内，可以对元件部分和/或主题组合设置的排列进行各种修改和变形。除了元件部分和/或排列的修改和变形，可选的使用对本领域的技术人员也是显而易见的。

Claims (10)

1.一种低压差(LDO)稳压器，包括：
误差放大器，比较参考电压与输出电压的反馈电压，并基于所述比较结果来输出误差信号，所述误差放大器由输入电压偏置；
第一MOS晶体管，具有连接到所述误差信号的栅极、连接到所述输入电压的源极和连接到所述输出电压的漏极；
分压器，将所述输出电压的预定的部分作为反馈信号反馈给所述误差放大器；以及
电平限制器(level limiter)，在负载电流改变时限制所述输出电压的电平，以免所述输出电压的电平的改变超过和低于偏置电压。
2.根据权利要求1所述的LDO稳压器，其中，所述电平限制器包括：
降低限制器，在所述负载电流增大时限制所述输出电压，以免所述输出电压降低低于所述偏置电压的低点；以及
增大限制器，在所述负载电流降低时限制所述输出电压，以免所述输出电压增大超过所述偏置电压的高点。
3.根据权利要求2所述的LDO稳压器，其中，所述降低限制器包括：
第一开关，响应于第一开关信号在所述第一MOS晶体管的所述栅极和地之间切换；
第一合成器，合成所述参考电压和所述偏置电压的所述低点；以及
第一比较器，比较所述第一合成器的输出和所述反馈电压，并且根据所述比较的结果输出所述第一开关信号。
4.根据权利要求2所述的LDO稳压器，其中，所述增大限制器包括：
第二开关，响应于第二开关信号在所述输入电压和所述第一MOS晶体管的所述栅极之间切换；
第二合成器，合成所述参考电压和所述偏置电压的所述高点；以及
第二比较器，比较所述第二合成器的输出和所述反馈电压，并基于所述比较的结果输出所述第二开关信号。
5.根据权利要求3所述的LDO稳压器，其中，所述降低限制器进一步包括：
第三开关，当所述误差放大器工作时，在所述第一开关和所述地之间切换。
6.根据权利要求4所述的LDO稳压器，其中，所述增大限制器进一步包括：
第四开关，当所述误差放大器工作时，在所述输入电压和所述第二开关之间切换。
7.根据权利要求1至6中的一个所述的LDO稳压器，其中，所述误差放大器包括：
第二MOS晶体管，包括连接到所述输入电压的源极和连接到正偏置电压的栅极；
第三MOS晶体管，具有连接到所述输入电压的源极和相互连接的栅极/漏极；
第四MOS晶体管，具有连接到所述输入电压的源极、连接到所述第三MOS晶体管的所述栅极的栅极以及连接到所述第一MOS晶体管的所述栅极的漏极；
第五MOS晶体管，具有连接到所述第三MOS晶体管的栅极/漏极的源极以及接所述地的漏极；
第六MOS晶体管，具有连接到所述第四MOS晶体管的所述漏极和所述第一MOS晶体管的所述栅极两者的源极以及连接到所述地的漏极。
第七MOS晶体管，具有连接到所述第二MOS晶体管的所述漏极的源极以及连接到所述参考电压的栅极；
第八MOS晶体管，具有连接到所述第二MOS晶体管的所述漏极的源极以及连接到所述反馈电压的栅极；
第九MOS晶体管，具有连接到所述第七MOS晶体管的所述漏极和所述第五MOS晶体管的所述栅极两者的源极/栅极以及连接到所述地的漏极；以及
第十MOS晶体管，具有连接到所述第八MOS晶体管的所述漏极和所述第六MOS晶体管的所述栅极的源极/栅极以及连接到所述地的漏极。
8.根据权利要求1所述的LDO稳压器，其中，所述分压器包括：
以串联方式连接在所述输出电压和所述地之间的第一电阻和第二电阻，所述反馈电压连接在所述第一电阻和所述第二电阻之间。
9.一种LDO稳压器的操作方法，包括：
合成参考电压和偏置电压；以及
当负载电流的值改变时，通过比较输出电压的反馈部分和所述合成的结果来限制所述输出电压的电平，以免所述输出电压的电平改变超过或低于所述偏置电压。
10.根据权利要求9所述的操作方法，其中，所述限制所述电平的步骤包括：
当所述负载电流增大时限制所述输出电压，以免所述输出电压降低低于所述偏置电压的低点；以及
当所述负载电流降低时限制所述输出电压，以免所述输出电压的电平增大超过所述偏置电压的高点。
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