CN103019288A - 电压调节器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电压调节器，包括传输型晶体管、运算放大器以及分压电路。传输型晶体管用以接收供应电压，并根据控制信号产生已调节的输出电压。运算放大器用以根据反馈电压产生控制信号。分压电路用以根据已调节的输出电压在反馈端提供反馈电压，其中分压电路包括电阻串以及稳定装置。电阻串耦接至传输型晶体管，包括多个电阻。稳定装置耦接至该等电阻，用以接收已调节的输出电压并在该反馈端获得一高频极点。本发明的电压调节器具有较高的稳定度。

Description

电压调节器

技术领域

本发明涉及低压降电压调节器，特别涉及一种具有高稳定度的低压降电压调节器。

背景技术

电压调节器(voltage regulator)常被应用在许多电子产品中，例如计算机、手机、汽车等。电压调节器用以将不稳定的电源供应电压转变为稳定的电源供应电压。低压降(Low Drop Out，简称为LDO)电压调节器为一种在输入端与输出端之间具有低输入-输出电压差的电压调节器，其中输入端耦接至不稳定的电源供应电压，而输出端用以输出稳定的电源供应电压，而所谓的“压降”指的是输入电压与输出电压的压差。理论上，压降越小越好，用以减少功率耗损，并增加电压调节的效能。

然而，传统的低压降电压调节器会在反馈端产生一低频极点，其频率通常约在200KHZ到500KHz之间。由于低频极点落在低压降电压调节器的操作频带上，严重影响低压降电压调节器的稳定度，而稳定度是低压降电压调节器的一个重要指标。

因此，需要一种全新的低压降电压调节器，其可将极点推高至高频区，用以维持低压降电压调节器的稳定度。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种可将极点推高至高频区以维持稳定度的低压降电压调节器。

根据本发明的一实施例，提供一种电压调节器，其包括：一传输型晶体管，用以接收一供应电压，并根据一控制信号产生一已调节的输出电压；一运算放大器，用以根据一反馈电压产生该控制信号；以及一分压电路，用以根据该已调节的输出电压在一反馈端提供该反馈电压。其中，该分压电路包括：一电阻串，耦接至该传输型晶体管，包括多个电阻；以及一稳定装置，耦接至该电阻串，用以接收该已调节的输出电压并在该反馈端获得一高频极点。

根据本发明的另一实施例，提供一种电压调节器，其包括：一传输型晶体管，用以接收一供应电压，并根据一控制信号产生一已调节的输出电压，其中该控制信号根据一反馈电压产生；以及一分压电路，用以根据该已调节的输出电压在一反馈端提供该反馈电压。其中，该分压电路包括：一电阻串，耦接至该传输型晶体管，包括多个电阻，其中该电阻串与多个寄生电容在该反馈端产生一极点；以及一稳定装置，耦接至该电阻串，用以进一步将该极点移至高频区。

本发明的电压调节器通过将稳定装置耦接在反馈端，能够在反馈端获得一高频极点。由于高频极点的频率远高于在电压调节器的操作频带，因此，此极点将不会对电压调节器的稳定度造成影响，从而保证了电压调节器的工作稳定度。

附图说明

图1为根据本发明一实施例所提供的电压调节器的功能模块图；

图2为图1所述的电压调节器的电路图；

图3为图1的电压调节器的运算放大器输入端的部分电路图；

图4为图1的电压调节器的交流信号分析示意图。

具体实施方式

在本说明书以及权利要求书当中使用了某些词汇来指代特定的组件。本领域的技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同样的组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”是一个开放式的用语，因此应解释成“包含但不限定于”。另外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接第二装置，则代表第一装置可以直接电气连接于第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电气连接至第二装置。

图1为根据本发明一实施例提供的电压调节器100的功能模块图。电压调节器100可以是低压降(Low Drop Out，简称为LDO)电压调节器，包括传输型晶体管(pass transistor)101、运算放大器102以及分压电路103。传输型晶体管101具有一栅极耦接至运算放大器102，用以接收未调节的电源供应电压V_IN，并根据控制信号Ctrl调节未调节的电源供应电压V_IN，以在输出端V_OUT产生已调节的输出电压V_OUT。分压电路103用以根据已调节的输出电压V_OUT在反馈端FB提供一反馈电压。运算放大器102耦接至反馈端FB，用以根据反馈电压产生控制信号Ctrl。

根据本发明的一实施例，分压电路103包括电阻串131与稳定装置132。电阻串131包括多个电阻，稳定装置132耦接至电阻串131，并具有一控制端用以接收已调节的输出电压V_OUT，用以稳定电压调节器100的操作。更具体来说，稳定装置132可在反馈端FB获得一高频极点，其频率远高于电压调节器100的操作频带，其中该高频极点的产生是由于稳定装置132将传统电压调节器中会造成系统不稳定的极点推高至高频区，藉此改善低压降电压调节器100的稳定度。

图2为根据图1所述的电压调节器100的电路图。运算放大器102具有两输入端分别用以接收参考电压V_REF与反馈电压V_FB，并根据参考电压V_REF与反馈电压V_FB的一差值产生控制信号Ctrl。分压电路103包括一电阻串与一稳定装置132。电阻串至少包括电阻R1与R2，电阻R1耦接在传输型晶体管101与稳定装置132之间，稳定装置132耦接在电阻R1与反馈端FB之间，而电阻R2耦接在反馈端FB与一接地端之间。

根据本发明的一实施例，稳定装置132可包含一晶体管，例如图中的晶体管232，其中晶体管232可以是N型金属氧化半导体(N-type metal-oxidesemiconductor，简称NMOS)晶体管。值得注意的是，由于晶体管232的一栅极(控制端)耦接至输出端V_OUT，接收已调节的输出电压，使得晶体管232的栅极电压高于漏极电压。一般而言，晶体管232的栅极与漏极的电压差会大于其临界电压，因此晶体管232会操作在线性区(linear region或triode region)。

图3为图1所述的运算放大器102输入端的部分电路图。运算放大器102输入端包括一MOS差动对(differential pair)，以及多个寄生电容，例如图中所示的寄生在运算放大器102的输入端的寄生电容Cgs与Cgd。一般而言，为了减少静态电流，分压电路103的电阻通常会选择具有很大的电阻值，例如，数百万欧姆。然而，如图2所示，由于运算放大器102的一输入端与分压电路103耦接在反馈端FB，在没有稳定装置132耦接至反馈端FB的情况下，互相耦接的寄生电容与电阻将在反馈端FB产生一个低频极点(pole)，其频率为：

$\mathrm{\ω}=\frac{1}{\left(R_1\right|\left|R_2\right)\×(C_{\mathrm{gs}}+C_{\mathrm{gd}})}---\left(1\right)$

其中R₁代表电阻R1的电阻值，R₂代表电阻R2的电阻值，C_gs代表寄生电容Cgs的电容值，而C_gd代表寄生电容Cgd的电容值。

假设R₁＝R₂＝1MΩ，并且C_gs＝C_gd＝500fF，则根据式(1)可算出低频极点的频率约为300KHz。由于电压调节器100的操作频带通常位于200KHZ到500KHz之间，在没有稳定装置132的情况下，此低频极点将严重影响电压调节器100的稳定度。

因此，根据本发明的一实施例，将晶体管232耦接在反馈端FB，用以稳定电压调节器100的操作。如上述，由于晶体管232操作在线性区，其导通电阻r_ON-非常小，因此以直流信号的角度来看，晶体管232可视为一小电阻，几乎不会对已调节的输出电压的直流电压值造成影响。而从交流信号的角度来看，晶体管232更可以将由反馈端FB往上看的阻抗降低，用以将反馈端FB因寄生电容Cgs与Cgd在低频区产生的极点(即，上述的低频极点)移至高频区。

图4为所述电压调节器100的交流信号分析示意图。如图4所示，将一交流电压V_i耦接至电阻R2，则在晶体管101栅极端的控制信号的交流成分电压为A×V_i，其中A代表运算放大器102的增益值，而已调节的输出电压的交流成分为(-V_i×A×gm×r_out)，其中r_out代表自电压调节器的输出端V_OUT看入的电阻值，而gm代表晶体管101的转导值(transconductance)。此外，晶体管232的栅极-源极电压V_gs＝[(-V_i×A×gm×r_out)-V_i]。

根据以上结果，可得晶体管232的漏极-源极电流为：

$i_{\mathrm{ds}}=\mathrm{\μ}\×C_{\mathrm{ox}}\×\frac{W}{L}(-V_i\×A\×\mathrm{gm}\×r_{\mathrm{out}}-V_i-V_{\mathrm{th}})$

$\≅-\mathrm{\μ}\×C_{\mathrm{ox}}\×\frac{W}{L}(V_i\×A\×\mathrm{gm}\×r_{\mathrm{out}})---\left(2\right)$

其中V_th为晶体管232的临界电压，μ为电荷载子有效迁移率(charge carriereffective mobility)、C_ox是栅极氧化层的单位电容大小、W是晶体管232的栅极宽度、L是晶体管232的栅极长度。

由式(2)可进一步推出交流电压V_i的输入阻抗

$r_{\mathrm{in}}=\frac{V_i}{\mathrm{\μ}\×C_{\mathrm{ox}}\×\frac{W}{L}(V_i\×A\×\mathrm{gm}\×r_{\mathrm{out}})}$

$=\frac{1}{\mathrm{\μ}\×C_{\mathrm{ox}}\×\frac{W}{L}\×A\×\mathrm{gm}\×r_{\mathrm{out}}}---\left(3\right)$

其中r_in是由反馈端FB看到晶体管232的输入阻抗。由于增益值A与转导值gm通常都非常大，因此从式(3)可看出输入阻抗r_in会非常小。因此，当晶体管232被耦接在反馈端FB时，在反馈端FB产生极点其频率变为：

$\mathrm{\ω}=\frac{1}{\left(r_{\mathrm{in}}\right|\left|R_2\right)\×(C_{\mathrm{gs}}+C_{\mathrm{gd}})}---\left(4\right)$

由从式(4)可看出，因为输入阻抗r_in非常小，因此在反馈端FB产生极点会被移至高频区，成为一高频极点。由于高频极点的频率远高于在电压调节器100的操作频带(如上述，通常为数百千赫兹(KHz))，因此，此极点将不会对电压调节器100的稳定度造成影响。此外，由于晶体管232的面积小，因此使用晶体管232作为稳定装置132，也不会增加太多电压调节器100的电路面积。

值得注意的是，在另一实施方式中，稳定装置132可包含多个晶体管，利用晶体管可编程(programmable)的特性，提供更高的稳定度以及抗制程变异度(process variation)。此外，晶体管232的栅极并不必然如图2及图4所示般直接连接到输出端V_OUT，举例来说，在稳定装置132的控制端(亦即，晶体管232的栅极与输出端V_OUT之间)可能配置静电放电防护(electrostatic dischargeprotection)电路等等。

综上所述，本发明的电压调节器100通过将晶体管232耦接在反馈端FB，能够在反馈端FB获得一高频极点。由于高频极点的频率远高于在电压调节器100的操作频带，因此，此极点将不会对电压调节器100的稳定度造成影响，从而保证了电压调节器100的工作稳定度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电压调节器，其特征在于，包括：

一传输型晶体管，用以接收一供应电压，并根据一控制信号产生一已调节的输出电压；

一运算放大器，用以根据一反馈电压产生该控制信号；以及

一分压电路，用以根据该已调节的输出电压在一反馈端提供该反馈电压，其中该分压电路包括：

一电阻串，耦接至该传输型晶体管，包括多个电阻；以及

一稳定装置，耦接至该电阻串，用以接收该已调节的输出电压并在该反馈端获得一高频极点。

2.一种电压调节器，其特征在于，包括：

一传输型晶体管，用以接收一供应电压，并根据一控制信号产生一已调节的输出电压，其中该控制信号根据一反馈电压产生；以及

一分压电路，用以根据该已调节的输出电压在一反馈端提供该反馈电压，其中该分压电路包括：

一电阻串，耦接至该传输型晶体管，包括多个电阻，其中该电阻串与多个寄生电容在该反馈端产生一极点；以及

一稳定装置，耦接至该电阻串，用以进一步将该极点移至高频区。

3.如权利要求1或2所述的电压调节器，其特征在于，该电阻串至少包括一第一电阻与一第二电阻，该第一电阻耦接在该传输型晶体管与该稳定装置之间，该稳定装置耦接在该第一电阻与该反馈端之间，该第二电阻耦接在该反馈端与一接地端之间。

4.如权利要求1或2所述的电压调节器，其特征在于，该稳定装置包含操作在线性区的一晶体管。

5.如权利要求1或2所述的电压调节器，其特征在于，该稳定装置包含一N型金属氧化半导体晶体管。

6.如权利要求1或2所述的电压调节器，其特征在于，该稳定装置包括一栅极耦接至所述已调节的输出电压。

7.如权利要求1所述的电压调节器，其特征在于，该运算放大器包括：

一第一输入端，用以接收一参考电压；

一第二输入端，用以接收该反馈电压；以及

一输出端，用以输出该控制信号，

其中该运算放大器的第二输入端耦接至该稳定装置的反馈端，该稳定装置与该第二输入端的多个寄生电容在该反馈端获得一高频极点。

8.如权利要求1所述的电压调节器，其特征在于，该运算放大器根据一参考电压与该反馈电压的差值产生该控制信号。

9.如权利要求1或2所述的电压调节器，其特征在于，该稳定装置具有一控制端，用以接收该已调节的输出电压。

10.如权利要求2所述的电压调节器，其特征在于，更包括：

一运算放大器，用以接收该反馈电压与一参考电压，并根据该反馈电压与该参考电压的一差值产生该控制信号，其中该运算放大器包括：

一第一输入端，用以接收该参考电压；

一第二输入端，用以接收该反馈电压；以及

一输出端，用以输出该控制信号，

其中该寄生电容寄生在该第二输入端，并且该运算放大器耦接该稳定装置在该第二输入端。

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