CN102243504A - 具有用于避免硬饱和的控制回路的电压调节器 - Google Patents

Abstract

公开了具有用于避免硬饱和的控制回路的电压调节器的电路、装置和系统的实施例。可以描述其它实施例并要求其权利。

Description

具有用于避免硬饱和的控制回路的电压调节器

技术领域

本发明的实施例一般涉及电路领域，尤其涉及一种具有用于避免硬饱和的控制回路的低压降(low dropout)调节器。

背景技术

低压降(LDO)电压调节器是一类线性电压调节器，其具体被设计为以输入电压和输出电压之间的较小差工作。典型的LDO电压调节器在电源电压和输出电压之间连接有金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。MOSFET的栅极可以连接到运算放大器的输出，并且MOSFET可以与一个或更多个电阻器一起作为用于运算放大器的反馈网络的部分。

附图说明

在附图的图中，通过示例而非限制性的方式示出实施例，在附图中以类似的附图标记指示类似的单元，其中：

图1示出电压调节器；

图2示出描绘电压调节器的工作特性的曲线图；

图3示出另一电压调节器；

图4示出另一电压调节器；

图5是示出电压调节器的操作的流程图；以及

图6示出全部根据至少一些实施例实施电压调节器的无线发送设备。

具体实施方式

将使用本领域技术人员惯用的术语描述说明性实施例的各个方面，以将其工作的实质传达给本领域技术人员。然而，，对于本领域技术人员显而易见的是，可以仅使用所描述的方面中的一些方面来实现可选实施例。为了说明的目的，描述具体设备和配置以提供对说明性实施例的全面理解。然而，，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实现可选实施例。在其它实例中，省略或者简化公知的特征，以便不模糊说明性实施例。

此外，将以最有助于理解本发明的方式，作为多个具体操作依次描述各种操作；然而，描述的顺序不应当被解释为意指这些操作必然是依赖于顺序的。具体地，这些操作不需要按照所呈现的顺序来进行。

重复使用了表述“在一个实施例中”。该表述通常不是指同一实施例；然而，其可以是指同一实施例。除非上下文另外指出，否则术语“包括”、“具有”和“包含”是同义的。

在对结合各种实施例使用的语言提供一些澄清性上下文时，表述“A/B”和“A和/或B”意为(A)、(B)或者(A和B)；而表述“A、B和/或C”意为(A)、(B)、(C)、(A和B)、(A和C)、(B和C)或者(A、B和C)。

这里，可能使用术语“与...耦合”以及其派生词。“耦合”可能意为两个或者更多个单元处于直接物理接触或者电接触状态。然而，“耦合”还可能意为两个或者更多个单元彼此不直接接触，但是仍然彼此协作或者相互作用，并且可能意为一个或更多个其它单元耦合或者连接在所说的彼此耦合的单元之间。

图1示出了根据本公开的一些实施例的电压调节器100。电压调节器100在一些实施例中可以是LDO电压调节器，电压调节器100包括运算放大器(op amp)102，运算放大器102具有例如反相输入104的第一输入、例如非反相输入106的第二输入、正电源端子108、负电源端子110、以及输出112。反相输入104可以与基准电压或者斜坡电压(Vref/Vramp)耦合。通常，可以将基准电压视为基本恒定的电压，而斜坡电压可以是在电压调节器100工作期间随时间改变的电压。非反相输入106可以与反馈电压(Vfb)耦合；正电源端子108可以与提供电源电压(Vsupply)的电源轨114耦合；负电源端子110与地耦合。

电压调节器100还可以包括传输晶体管M1。传输晶体管M1可以是正型(p型)MOSFET，其也被称为“PMOS晶体管”，其栅极116与opamp 102的输出112耦合；源极118与电源轨114耦合；漏极120通过分压器122与地耦合。分压器122可以包括彼此串联耦合的部件124和126。部件124和126提供串联阻抗，该串联阻抗产生作为输出端子128处的输出电压(Vout)的一部分的Vfb。

电容器130和电阻器132可以呈现外部连接的负载134的电特性。

电压调节器100通常用于调节Vout，例如，即便Vsupply变化也针对给定的Vref/Vramp提供基本恒定水平的Vout。包括传输晶体管M1和分压器122的反馈网络136可以对op amp 102提供Vfb，op amp 102对Vfb和Vref/Vramp之间的差进行放大，并且使用经放大的结果来驱动传输晶体管M1。Vfb和Vref/Vramp之间的差可以被称为差动输入电压，而经放大的结果可以被称为放大差动输入电压。如果Vout太低(可能由Vsupply的降低和/或负载电流(Iload)的增大而导致)，则op amp 102可以驱动传输晶体管M1以增大Vout。相反地，如果Vout太高，则op amp102可以驱动传输晶体管M1以减小Vout。

在Vramp和Vout之间保持希望的关系允许使用电压调节器100实现电源模块，以满足各种时间掩模和开关谱目标。如果关于特定状态不能保持希望的关系，则可能不会达到这些目标中的一些。这可以进一步参考图2来说明。

图2提供了分别示出根据一些实施例的Vramp和相关的Vout的曲线图200(a)和200(b)。在一些条件下，例如与高Vramp耦合的低电池(即低Vsupply)条件下，可以将电压调节器的传输晶体管推动到线性工作区域，在这种情况下，其将作为电阻器工作，并且Vout将超过传输晶体管的栅极电压多于传输晶体管的阈值。如果Vramp继续增大，则电压调节器进入硬饱和，并且传输晶体管的栅极将跌至地电势。然后，当Vramp下降时，在时间202，在Vout以希望的方式进行响应并且跟随Vramp下降之前，op amp可能需要对传输晶体管的栅极的电容充电。这由曲线图200(b)的转角204示出。当Vout进行响应时，可能通过经历接近垂直的下降而进行响应，这在射频通信中是不希望的。这种Vout对Vramp的改变的响应的滞后还可以被称为相位滞后，其可能危害Vout和Vramp之间的关系，并且使电源模块的性能降低。

再次参考图1，本发明的实施例包括控制回路138以在传输晶体管M1处保持希望的栅极电压，以避免电压调节器100进入硬饱和。控制回路138可以包括感测晶体管M2，感测晶体管M2可以是PMOS晶体管，以便于对与电压调节器100的硬饱和相关联的状态(下文中称为“硬饱和状态”)进行感测。然后，例如包括感测晶体管M2的控制回路138的部件可以进行工作以基于对硬饱和状态的感测在传输晶体管M1处保持希望的栅极电压。

在传输晶体管M1处保持希望的栅极电压可以避免电压调节器100在诸如以上所述的情况下进入硬饱和。因此，Vout可以对Vramp的改变进行响应，而不产生上述相位滞后。这使得Vout展现曲线图200(b)所示的更渐进的响应曲线206。

如上所述的电压调节器100能够在例如从大约-40摄氏度(C)到大约120摄氏度的较大工作温度范围内，以及在例如从大约2.85伏(V)到大约5.1V的变化的Vsupply值上鲁棒地工作。此外，如这里所述的电压调节器100能够在该温度和电源电压范围内进行稳定的工作，例如相对来说不发生振荡。

图3示出了根据实施例的电压调节器300。除了另外说明的，电压调节器300与电压调节器100类似，以相似的附图标记表示以类似方式工作的部件。

电压调节器300可以包括控制回路338，控制回路338具有感测晶体管M2，感测晶体管M2的栅极340与op amp 302的输出312和传输晶体管M1的栅极316耦合；源极342与输出端子328和传输晶体管M1的漏极320耦合；漏极344与反馈回路336上的反馈节点339耦合。

当传输晶体管M1在饱和工作区中工作时，感测晶体管M2可能传导零电流。在这种状态下，通过下式确定Vout：

$V_{\mathrm{out}}=V_{\mathrm{ramp}/\mathrm{ref}}*(1+\frac{R1}{R2})$ 等式1

其中，R1是分压器322的电阻器324的电阻，R2是分压器322的电阻器326的电阻。

在传输晶体管M1进入线性工作区时，感测晶体管M2可逐渐开始传导电流I2。依据实现op amp 302的技术，I2的大部分或者全部可以通过电阻器326流入地。因此，可以通过下式来确定Vout：

$V_{\mathrm{out}}=V_{\mathrm{ramp}/\mathrm{ref}}*(1+\frac{R1}{R2})-/2*R1$ 等式2

从等式2可以看出，Vout可能开始限制到低于Vsupply的值，由此在传输晶体管M1处保持希望的栅极电压Vgate。以这种方式，感测晶体管M2可以感测硬饱和状态，并且进行工作以通过传导I2并将I2通过电阻器326馈送到地来保持希望的Vgate，这将避免Vgate跌至地。

图4示出根据实施例的电压调节器400。除了另外说明的，电压调节器400与电压调节器100和/或300类似，以相似的附图标记表示以类似方式工作的部件。

电压调节器400可以具有控制回路438，控制回路438包括感测晶体管M2，感测晶体管M2与电流到电压(I到V)转换器448耦合。I到V转换器448可以包括如所示的彼此串联耦合的一对二极管耦合晶体管，例如MN1和MN2。晶体管MN1和MN2可以是负型MOSFET，其也可以被称为NMOS晶体管。具体地，I到V转换器448和晶体管MN2可以与触发器450耦合。可以是施密特触发器的触发器450可以与滤波器452耦合。滤波器452可以包括如所示的彼此耦合的电阻器458和电容器460。在该实施例中，滤波器452也可以被称为电阻电容滤波器。滤波器452可以与控制块454耦合，控制块454包括如所示的彼此串联耦合的两个PMOS晶体管，例如MP2和MP1。虽然关于控制回路438示出了一些具体电路部件，但是其它实施例可以采用提供类似操作的其它部件。

感测晶体管M2可以包括栅极440，栅极440与op amp 402的输出412和传输晶体管M1的栅极418耦合。栅极418和440两者还可以与控制块454耦合。感测晶体管M2还可以包括：源极442，其与输出端子428和传输晶体管M1的漏极422耦合；以及漏极444，其与I到V转换器448耦合。

如果传输晶体管M1的漏极422处的电压(即Vout)大于传输晶体管M1的栅极418处的电压(即Vgate)以上的阈值电压，则传输晶体管M1可能开始在线性工作区中工作，而电压调节器400可能接近硬饱和状态。给定感测晶体管M2的源极442与传输晶体管M1的漏极422耦合，并且栅极440与栅极418耦合，则大于Vgate以上的阈值电压的Vout还可能使感测晶体管M2传导感测电流Isense。

在Isense流过I到V转换器448时，晶体管MN1和MN2可以在晶体管MN2的栅极462处产生与Isense相对应的Vsense。当Isense增大到使Vsense大于可能对应于硬饱和状态的触发器450的触发电压的点时，触发器450可以设置(assert)Vcontrol。在一些实施例中，Vcontrol可以被设置为低。

可以通过滤波器452向控制块454提供Vcontrol，滤波器452可以提供平滑功能以避免过快地接通/断开控制块454。当触发器450的输出被设置为低时，晶体管MP2可以导通并开始传导控制电流Icontrol，并且将Vsupply短路到晶体管MP1的源极464。假定晶体管MP1是二极管耦合晶体管，其漏极466处的电压(也为Vgate)将被保持为低于Vsupply的栅极到源极电压Vgs。以这种方式，控制块454可以将Vgate从地箝位到预定值。

当Vout降到高于Vgate的阈值电压以下时，感测晶体管M2可以被关断，并且Isense可以被减小到Vsense降到触发电压以下的点。这可使触发器450被解除设置为高，这使晶体管MP2关断，并且去除对Vgate的箝位。

以这种方式，感测晶体管M2可以感测硬饱和状态，并且控制块454可以工作以将Vgate从地箝位为预定值。

图5示出描绘根据一些实施例的电压调节器，例如电压调节器100、300或400的操作的流程图500。

在块504(“提供第一和第二电压作为差动输入”)，该操作可以包括向运算放大器(例如op amp 102)提供两个电压(例如Vramp/Vref和Vfb)作为差动输入。在一些实施例中，例如以下参照图6所讨论的，可以由实现电压调节器100的装置的收发器提供Vramp/Vref。

在块508(“放大差动输入电压以驱动传输晶体管”)，该操作包括例如由op amp 102对运算放大器的两个差动输入之间的差进行放大。在该上下文中，还将op amp 102称为差动放大器。可以使用经放大的差动输入电压来驱动可以提供Vout的传输晶体管，例如传输晶体管M1。

在块512(“感测硬饱和状态”)，该操作可以包括例如由控制回路138感测硬饱和状态。这可以由例如感测晶体管M2的感测晶体管在与控制回路的其它单元协作或不协作的情况下感测。

如果在块512处没有感测到硬饱和状态，则操作可以循环回块504。如果在块512处感测到硬饱和状态，则操作可以进行到块516(“在传输晶体管处保持希望的栅极电压”)。在块516，该操作可以包括例如通过控制回路138的操作，在传输晶体管处保持希望的栅极电压。如上面所讨论的，可以如参照图3和/或4描述的，进行希望的栅极电压的保持。在块516之后，操作进行回块504。

可以将电压调节器100、300和/或400包含到多种装置和系统中的任意一个中。在图6中示出了包含可以与调节器100、300和/或400类似的调节器602的示例性无线发送设备600的框图。无线发送设备600(下文中也称为“设备600”)可以包括如图所示的彼此耦合的功率放大器604、天线结构608、双工器612、收发器616、主处理器620和存储器624。虽然示出了设备600具有发送和接收能力，但是其它实施例可以包括没有接收能力的无线发送设备。

在各种实施例中，设备600可以是，但不限于移动电话、传呼设备、个人数字助理、短信设备、便携式计算机(例如上网本、膝上计算机等)、台式计算机、电信基站、用户站、接入点、雷达、卫星通信设备或任意其它能够无线发送RF信号的设备。

主处理器620可以执行存储在存储器624中的基本操作系统程序，以控制设备600的总体操作。例如，主处理器620可以控制收发器616对信号的接收和对信号的发送。主处理器620能够执行驻留在存储器624中的其它过程和程序，并且可以按照执行过程所希望的，将数据移入或移出存储器624。

收发器616可以接收来自主处理器620的输出数据(例如语音数据、web数据、e-mail、信令数据等)，可以生成表示输出数据的RFin信号，并将RFin信号提供给功率放大器604。收发器616还可以向调节器602提供Vramp。可以基于功率放大器604希望的功率来提供Vramp，Vramp的幅值支配输出功率。Vramp可以随设备600的操作而变化。至少在一些实施例中，Vramp的变化可以是由于设备600在不同的放大模式之间的切换。

功率放大器604可以根据所选择的放大模式对RFin信号进行放大。可以将经放大的RFamp信号转发到双工器612，然后转发到天线结构608，以用于空中(OTA)发送。在各种实施例中，天线结构608可以包括一个或更多个定向和/或全向天线，例如包括偶极天线、单极天线、贴片天线(patch antenna)、环状天线、微带天线或者任意其它类型的适合RF信号的OTA发送/接收的天线。

本领域技术任意应当认识到，作为示例给出了设备600，为了简单和清楚，仅仅示出并描述了理解实施例所需的设备600的构造和操作。根据具体需要，各种实施例预期与设备600相关联地执行任意合适的任务的任意合适的部件或者部件的组合。此外，应当理解，设备600不应当被解释为限制可以实现实施例的设备的类型。

虽然根据上述实施例描述了本发明，但是本领域普通技术任意将理解，计算用于实现相同目的的各种可选和/或等同实施方式，可以代替所示出和描述的具体实施例，而不脱离本发明的范围。本领域技术人员容易理解，可以在广泛的多种实施例中实施本发明的教导。该说明书旨在被视为说明性的，而不是限制性的。

Claims (20)

1.一种电压调节器，包括：

具有输出的运算放大器；

传输晶体管，其第一栅极与所述运算放大器的所述输出耦合，第一源极与电源轨耦合，而漏极与输出端子耦合；以及

具有感测晶体管的控制回路，所述感测晶体管的第二栅极与所述运算放大器的所述输出耦合，所述感测晶体管的第二源极与所述传输晶体管的所述漏极耦合，所述控制回路被配置为感测状态，并且基于所感测的状态保持所述传输晶体管处的希望的栅极电压。

2.根据权利要求1所述的电压调节器，其中，所述控制回路包括：

转换器，其与所述感测晶体管耦合，并且被配置为从所述感测晶体管接收感测电流，并基于所述感测电流产生感测电压。

3.根据权利要求2所述的电压调节器，其中，所述转换器包括彼此串联耦合的一对二极管耦合晶体管。

4.根据权利要求2所述的电压调节器，其中，所述控制回路还包括：

触发器，其与所述转换器耦合，并且被配置为基于所述感测电压设置控制电压。

5.根据权利要求4所述的电压调节器，其中，所述触发器包括施密特触发器。

6.根据权利要求4所述的电压调节器，其中，所述控制回路还包括：

控制块，其与所述触发器以及所述第一栅极和所述第二栅极耦合，并且被配置为基于所述控制电压的设置，将所述传输晶体管的所述第一栅极处的电压从地箝位为预定值，以保持所述希望的电压降。

7.根据权利要求6所述的电压调节器，其中，所述控制回路还包括：

滤波器，其与所述触发器和所述控制块耦合，并被配置为对向所述控制块提供的所述控制电压提供平滑功能。

8.根据权利要求1所述的电压调节器，其中，所述漏极是第一漏极，并且所述电压调节器包括：

具有分压器的反馈回路，所述分压器具有第一单元、第二单元以及所述第一单元和所述第二单元之间的节点，以向所述运算放大器的输入端子提供反馈电压；

其中，所述感测晶体管包括与所述节点耦合的第二漏极。

9.根据权利要求8所述的电压调节器，其中，所述感测晶体管被配置为基于所感测的状态向所述第二单元提供电流。

10.根据权利要求1所述的电压调节器，其中，所述控制回路包括与所述第一栅极和所述第二栅极耦合的控制块，其中，所述控制回路被配置为将所述栅极电压从地箝位为预定值。

11.一种提供经调节的输出电压的方法，包括：

使用由运算放大器产生的经放大的差动输出电压驱动传输晶体管，以提供所述经调节的输出电压；

使用控制回路的感测晶体管感测硬饱和状态，其中，所述感测晶体管的源极与所述传输晶体管的漏极耦合；以及

基于对所述状态的所述感测，操作所述控制回路以保持所述传输晶体管处的希望的栅极电压。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述操作所述控制回路包括：

基于对所述状态的所述感测，使用所述感测晶体管向反馈回路的分压器的单元提供电流。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述操作所述控制回路包括：

基于对所述状态的所述感测，使用所述感测晶体管提供感测电流；

基于所述感测电流设置控制信号；以及

基于对所述控制信号的所述设置，使用控制块提供控制电流，以将所述传输晶体管的所述栅极电压从地箝位为预定值。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述操作所述控制回路还包括：

使用电阻电容滤波器对所述控制信号进行滤波，以提供经滤波的控制信号；以及

向所述控制块提供所述经滤波的控制信号。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述设置包括：

基于所述感测电流，使用触发器接收感测电压；以及

基于对所述感测电压与触发电压的比较，使用所述触发器设置所述控制信号。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述操作所述控制回路还包括：

将所述感测电流转换为所述感测电压。

17.一种系统，包括：

电压调节器，其具有：

运算放大器，用于提供经放大的差动输入电压；

传输晶体管，其与所述运算放大器耦合，并且被配置为基于所述经放大的差动输入电压提供经调节的输出电压；以及

包括感测晶体管的控制回路，所述感测晶体管的源极与所述传输晶体管的漏极耦合，所述控制回路被配置为感测状态，并且基于所感测的状态保持所述传输晶体管处的希望的栅极电压；以及

包括功率输入电源端子的功率放大器，所述功率输入电源端子与所述电压调节器耦合以接收所述经调节的输出电压，所述功率放大器被配置为对射频(RF)信号进行放大，以在空中进行传输。

18.根据权利要求17所述的系统，还包括：

收发器，其与所述电压调节器和所述功率放大器耦合，并且被配置为向所述电压调节器提供斜坡电压，并向所述功率放大器提供所述RF信号。

19.根据权利要求17所述的系统，其中，所述感测晶体管被配置为基于所感测的状态提供感测电流，所述控制回路还包括：

控制块，其被配置为基于所述感测电流提供控制电流，以将所述传输晶体管的所述栅极电压从地箝位为预定值。

20.根据权利要求17所述的系统，其中，所述分压器还包括：

具有分压器的反馈回路，所述分压器具有第一单元、第二单元以及所述第一单元和所述第二单元之间的节点，以向所述运算放大器的输入端子提供反馈电压；

其中，所述感测晶体管与所述节点耦合，并且配置为基于所感测的状态向所述分压器的所述第二单元提供感测电流。

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