CN103294096A

CN103294096A - 生成亚基准输出电压的线性电压调节器

Info

Publication number: CN103294096A
Application number: CN2013100587266A
Authority: CN
Inventors: V·加喀尔; P·C·A·塔德帕啼
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 2012-02-23
Filing date: 2013-02-25
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2033-02-25
Also published as: US20130222052A1; US8536934B1; CN103294096B

Abstract

本发明涉及生成亚基准输出电压的线性电压调节器。一种线性电压调节器包括一对放大器。通过控制线性电压调节器中传输晶体管的阻抗，该对放大器中的第一放大器以常规方式用于生成调节输出电压，所述控制基于基准电压和连接在电压调节器的输出端子和接地端子之间的分压器网络中的第一节点处的电压之间的差值。该对放大器中的第二放大器比较调节输出电压和分压器网络中的第二节点处的电压，并且将成比例的电流注入第一节点。由此使得能够生成小于基准电压的调节输出电压。

Description

生成亚基准输出电压的线性电压调节器

技术领域

本公开的实施例一般涉及电压调节器，并且更具体地涉及用于生成亚基准输出电压的线性电压调节器设计。

背景技术

线性电压调节器一般是指接收未调节电源作为输入并提供调节输出电压的电压调节器，所述调节利用反馈技术通过根据传输装置（pass-device）的类型（例如是否是双极结型晶体管或MOS晶体管）控制传输装置（如传输晶体管）在其线性或饱和工作区工作时的导通电阻来实现。通常通过比较一小部分输出电压和基准电压并且基于输出电压和基准电压的差值调整传输装置的导通电阻，来设置调节输出电压的期望值。

经常期望使用线性电压调节器提供亚基准输出电压，即小于调节器中使用的基准电压的输出电压。用于生成这种亚基准输出电压的某些现有技术具有一些缺点，例如更大的实施区域、与调节输出电压相关的更大噪声等。

发明内容

提供本发明内容以便符合37 C.F.R.§ 1.73的规定，其要求发明内容部分简要地指出本发明的特性和实质。应当理解的是，这并不用于解释或限制权利要求的范围或含义。

一种线性电压调节器包括电压基准源、传输晶体管、分压器网络、第一放大器和第二放大器。电压基准源被设计为生成基准电压。传输晶体管耦合在外部电源和电压调节器的输出端子之间，其中电压调节器的输出在所述输出端子处提供。分压器网络耦合在输出端子和恒定基准电势之间。第一放大器比较基准电压和分压器网络中第一节点处的电压并且控制传输晶体管的阻抗。第二放大器比较输出端的输出电压和分压器网络中第二节点处的电压，并且向第一节点注入电流，该电流与输出电压和第二节点处的电压之间的差值成比例。

下面参考用于图示说明的示例来描述本公开的若干实施例。应当理解，为了充分理解实施例，下面阐述了很多特定细节、关系和方法。然而，相关领域的技术人员应当容易认识到可以在缺少一个或更多个特定细节或在使用其他方法的情况下实施所述技术。

附图说明

将参考下面简要说明的附图来描述示例性实施例。

图1是常规（现有）的线性电压调节器的示意图。

图2是示出一个实施例中被设计为生成亚基准输出电压的线性电压调节器的相关细节的示意图。

图3是示例性接收器系统的方框图。

在附图中，首次出现的元件由相应参考数字的最左位数表示。

具体实施方式

下面用图示说明的若干示例描述各种实施例。

1.线性电压调节器

图1是常规线性电压调节器的示意图。低压差电压调节器（LDO）100被显示为包含电压基准源110、运算放大器（OPAMP）120、传输晶体管130和电阻器140和150。电容器160代表输出节点149处的输出电容。

可以实现为带隙基准源的电压基准源110在路径112上生成基准电压，其连接到OPAMP 120的反相输入端（-）。电阻器140和150实现分压器网络，并且节点145处的电压被反馈至OPAMP 120的非反相输入端（+）。OPAMP120的输出端123控制传输晶体管130的导通电阻以将输出电压149保持在期望的恒定电压（调节电压）。节点145返回到OPAMP 120的连接实现调节输出电压149的闭环反馈。端子101从电源例如电池（未示出）接收未调节的电压。

图1所示的常规实现方式的一个缺点是调节输出电压149（稳态）不能低于基准电压112的值。输出电压149由以下等式指定：

Vo=VBG*(1+R140/R150) 等式1

其中，

VBG是基准电压112的值，并且

R140和R150分别是电阻器140和150的电阻值。

从等式1可以看出，可获得的Vo的最小值是VBG。用于获得小于VBG的输出电压的一种现有技术是使用电阻分压器按比例缩小VBG并且将按比例缩小的电压连接到OPAMP 120的反相（-）端子。然而，这种方案可能至少与（用于获得按比例缩小的VBG的）电阻分压器中的功率损耗、由电阻分压器导致的输出电压中的较高噪声以及增加的实施面积（用以容纳电阻分压器）相关联。此外，这种方案还可能与启动问题相关联，例如输出电压Vo达到其稳态值的可接受范围内所需的更长时间延迟启动（例如通电）。

2.生成亚基准输出电压

图2是示出在一个实施例中被设计为生成亚基准输出电压的线性电压调节器的相关细节的示意图。术语“亚基准输出电压”意味着线性电压调节器的输出电压的稳态值小于线性电压调节器中使用的电压基准源的输出电压值。图2的特定细节仅被显示以说明能够生成亚基准输出电压的线性电压调节器的结构。然而，这种线性电压调节器的特定实施方式也可以额外包括其他部件或电路。

低压差电压调节器（LDO）200被显示为包含电压基准源210、OPAMP 220（第一放大器）和270（第二放大器）、传输晶体管230和电阻器240（R1）、250（R2）和260（R3）。输出电容器280也被显示为连接到LDO 200的输出端子290，并且被提供以改善由LDO 200提供的调节。端子290代表电压调节器200的输出端子，并且生成输出电压Vout。尽管未示出，但一个或更多个单元（例如电压基准源210、OPAMP 220和270）可以由节点201直接供电。串联的电阻器R1、R2和R3作为分压器网络进行操作。

电压基准源110、OPAMP 220、传输晶体管230以及电阻器R2和R3分别对应于图1中的电压基准源110、OPAMP 120、传输晶体管130以及电阻器140和150，并且为了简洁起见，这里不再重复其描述和操作。可以实现为带隙基准源的电压基准源210在路径212上生成电压Vbg。节点201从源例如电池接收未调节的电源。

OPAMP 220以闭环负反馈配置进行操作以保持节点245处的电压等于由电压基准源210生成的Vbg。

OPAMP 270被实现为跨导放大器，并且生成与OPAMP 270的非反相（+）和反相（-）输入端子处的电压的差值成比例的输出电流。OPAMP 270的非反相（+）输入端被连接到输出端子291。OPAMP 270的反相（-）输入端被连接到节点256。节点256（第二节点）处的电压（VSUB-BG-TAP）总是低于节点245（第一节点）处的电压（VFB），并且因此也低于Vbg。当图2中的连接部件改变时（例如当晶体管230是N型MOS（NMOS）晶体管而非图2所示的P型MOS（PMOS）晶体管，并且OPAMP 220的连接改变时），LDO200可以被设计为接收节点201上的负电压并提供负输出电压（相对于地）。在这种配置中，VSUB-BG-TAP总是大于VFB。因此，一般来说，VSUB-BG-TAP的绝对值总是小于VFB的绝对值。OPAMP 270被连接在负反馈配置中，如从图2中可见。

通过控制分别流经电阻器R1和电阻器R2与R3的串联组合的电流I1和I2，OPAMP 270进行操作以保持输出电压Vout与节点256处的电压VSUB-BG-TAP的量值相同。由于VSUB-BG-TAP处于比VFB更低的电压，调节输出电压Vout也低于Vbg，并且等于电压VSUB-BG-TAP。OPAMP 270将电流“推入”OPAMP 220的反馈节点（245），从而使得电流以相反方向（即从节点245到节点291）流入电阻器R1。结果，输出电压Vout被减小到低于基准电压Vbg。通过适当选择R2和R3的比率，可以获得Vout的期望亚基准值。

LDO 200生成亚基准输出电压Vout的操作可以视为按以下流程发生：

假设OPAMP 220和270分别正常操作，则Vout被调节为处于目标输出电压VBG*R3/(R2+R3)。假设在输出端处发生向上扰动，Vout稍微升高，则OPAMP 270的输出电流将增加。“额外电流”（由于OPAMP 270的输出电流增加）的一部分流过R1（从节点245到端子291）并且剩余的额外电流流过串联的R2和R3，从而增加VFB。因此OPAMP 220的输出增加，进而减小Vout，并由此使Vout处的扰动无效。

在稳态下，可以满足下列等式：

VFB=Vbg，

Vout=VSUB-BG-TAP，

VSUB-BG-TAP=VFB*R3/(R2+R3)，

因此，Vout=Vbg*R3/(R2+R3)，

其中，

R3和R2分别代表电阻器260和250的电阻值。

电流I1和I2的表达式被提供如下：

I1=(VFB-Vout)/R1=Vbg*(R2/(R1*(R2+R3)))

I2=VFB/(R2+R3)=VBG/(R2+R3)

OPAMP 270生成的总输出电流等于（I1+I2），并且因此等于VBG*(1+R2/R1)/(R2+R3)。

图2所示的技术的若干优点现在可能是显而易见的。LDO 200不需要如上述现有技术那样用分压器将基准电压Vbg按比例缩小。因此，不会因为实施这种分压器而造成面积损失。也不会存在如现有技术中的启动问题。此外，与使用现有技术中的分压器时将具有的噪声相比，OPAMP 220的输出与较小的噪声相关。

如上所述实施的LDO 220可以被合并到下面将描述的装置或系统中。

3.示例系统

图3是示例性接收器系统300的方框图。接收器系统300可以对应于移动电话，并且被显示为包含天线301、模拟处理器320、ADC 350、处理单元390、低压差电压调节器（LDO）200、电池310和输出电容器280。

天线301可以接收在无线介质上传送的各种信号。所接收的信号可以提供给路径302上的模拟处理器320以便进一步处理。模拟处理器320可以对所接收的信号执行例如放大（或根据需要为衰减）、滤波、频率转换等任务并且在路径325上提供最终的处理信号。

ADC 350将在路径325上接收的模拟信号转换成对应的数字值，所述数字值被提供到路径359上以便进一步处理。处理单元390接收路径359上的数据值，并且处理所述数据值以提供各种用户应用。LDO 200提供调节电压（以电池310作为电源）以用于模拟处理器320、ADC 350和处理单元390中每一个的操作。LDO 200可以如上面详细描述的那样实施。

在图1、图2和图3的图示中，尽管端子/节点被显示为直接连接到（即“连接到”）各种其他端子，但应当认识到，所述路径中还可以存在额外部件（适用于特定环境），并且相应地所述连接可视为“电耦合”到相同的连接端子。在即时应用中，电源和地端子指的是恒定基准电势。

此外，虽然在图2中LDO 200显示为提供输出电压的正值，但图2的连接和部件可以相应地改变以使得也能够生成负电压，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。还应当认识到，上述与图2相关的特定类型晶体管（如NMOS、PMOS等）仅仅为了图示说明。然而，通过阅读在此提供的公开内容，使用不同配置和其他类型晶体管如双极结型晶体管（BJT）或MOS和BJT的组合的可替换实施例对于本领域技术人员来说将是显而易见的。例如，NMOS晶体管和PMOS晶体管可以交换，同时交换与电源和接地端子的连接。相应地，在即时应用中，晶体管的源极（发射极）和漏极（集电极）端子（当接通时通过其提供电流路径，并且当关断时通过其提供开放路径）被称为电流端子，并且栅极（基极）端子被称为控制端子。

尽管上面已经描述了本公开的各种实施例，但是应当理解，其仅以示例而非限制的方式展示。因此，本公开的宽度和保护范围并不受上述任意实施例的限制，而仅由权利要求及其等价物限制。

Claims

1.一种线性电压调节器，其包括：

电压基准源，用于产生基准电压；

传输晶体管，其耦合在外部电源和所述电压调节器的输出端子之间，在所述输出端子处提供所述线性电压调节器的输出；

分压器网络，其耦合在所述输出端子和恒定基准电势之间；

第一放大器，用于比较所述基准电压和所述分压器网络中第一节点处的电压并且控制所述传输晶体管的阻抗；和

第二放大器，用于比较所述输出端的输出电压和所述分压器网络中第二节点处的电压并且将电流注入所述第一节点，其中所述电流与所述输出电压和所述第二节点处的电压之间的差值成比例。

2.根据权利要求1所述的线性电压调节器，其中所述第一节点处的电压的绝对值大于所述第二节点处的电压的绝对值，其中所述输出电压的量值小于所述基准电压的量值。

3.根据权利要求1所述的线性电压调节器，其中所述分压器网络包括串联的第一电阻器、第二电阻器和第三电阻器，

其中所述第一节点是所述第一电阻器和第二电阻器的接合点，其中所述第二节点是所述第二电阻器和所述第三电阻器的接合点，所述第一电阻器的一个端子连接至所述传输晶体管的一个端子，并且所述第三电阻器的一个端子连接至所述恒定基准电势。

4.根据权利要求2所述的线性电压调节器，其中所述电压基准源是带隙基准源。

5.一种线性电压调节器，其包括：

传输晶体管，所述传输晶体管的第一电流端子被耦合以接收电源电压，其中所述传输晶体管的第二电源端子是所述线性电压调节器的输出节点，在所述输出节点上提供调节输出电压；

电压基准源，用于生成基准电压；

分压器网络，其包括第一电阻器、第二电阻器和第三电阻器，其中所述第一电阻器的第一端子耦合到所述传输晶体管的第二电流端子，其中所述第一电阻器的第二端子在第一节点处耦合到所述第二电阻器的第一端子，其中所述第二电阻器的第二端子在第二节点处耦合到所述第三电阻器的第一端子，并且其中所述第三电阻器的第二端子耦合到恒定基准电势；

第一运算放大器OPAMP，其中所述第一OPAMP的反相输入端子被耦合以接收所述基准电压，其中所述第一OPAMP的非反相输入端子耦合到所述第一节点，并且其中所述第一OPAMP的输出端子耦合到所述传输晶体管的控制端子；以及

第二运算放大器OPAMP，其中所述第二OPAMP的反相输入端子耦合到所述第二节点，其中所述第二OPAMP的非反相输入端子耦合到所述输出端子，并且其中所述第一OPAMP的输出端子耦合到所述传输晶体管的控制端子。

6.根据权利要求5所述的线性电压调节器，其中所述第二OPAMP是跨导放大器，其中所述第二OPAMP的所述输出端子处的电流输出与所述第二OPAMP的所述反相输入端子和所述第二OPAMP的所述非反相输入端子处的电压之间的差值成比例。

7.根据权利要求5所述的线性电压调节器，其中所述第一节点处的电压的绝对值大于所述第二节点处的电压的绝对值，因此所述调节输出电压的量值小于所述基准电压的量值。

8.根据权利要求7所述的线性电压调节器，其中所述电压基准源是带隙基准源。

9.一种装置，其包括：

天线，用于接收无线介质上的信号；

模拟处理器，用于处理所述信号并且生成经处理信号；

模数转换器ADC，用于接收所述经处理信号作为输入并且生成代表所述经处理信号的多个数字值；

处理单元，用于处理所述多个数字值；以及

电压调节器，用于从电池接收功率并且为所述模拟处理器、ADC和所述处理单元中的每一个的操作提供调节输出电压，

其中所述电压调节器包括：

电压基准源，用于生成基准电压；

传输晶体管，其中所述传输晶体管的第一电流端子耦合到所述电池的端子，所述传输晶体管的第二电流端子是所述电压调节器的输出端子，在所述5输出端子处提供所述电压调节器的输出；

分压器网络，其耦合在所述输出端子和恒定基准电势之间；

第二放大器，用于比较所述输出端的输出电压和所述分压器网络中第0二节点处的电压并且将电流注入所述第一节点，其中所述电流与所述输出电压和所述第二节点处的电压之间的差值成比例。

10.根据权利要求9所述的装置，其中所述第一节点处的电压的绝对值大于所述第二节点处的电压的绝对值，其中所述输出电压的量值小于所述基准电压5的量值。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述分压器网络包括串联的第一电阻器、第二电阻器和第三电阻器，

其中所述第一节点是所述第一电阻器和所述第二电阻器的接合点，其中所0述第二节点是所述第二电阻器和所述第三电阻器的接合点，所述第一电阻器的一个端子连接到所述传输晶体管的一个端子，并且所述第三电阻器的一个端子连接到所述恒定基准电势。

12.根据权利要求11所述的装置，其中所述电压基准源是带隙基准源。