CN104035464A - 电压调节器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电压调节器，其在输出电压中产生过冲和下冲时，能够在大的温度范围内改善过冲和下冲，减少过冲和下冲的检测延迟。该电压调节器具有误差放大器和输出晶体管，该电压调节器具有第1晶体管，其栅极被输入基准电压，源极被输入该电压调节器的输出电压，在所述输出电压成为异常电压时，在所述第1晶体管中流过电流，根据流过所述第1晶体管的电流，控制所述输出晶体管的电流。
Description
技术领域
本发明涉及电压调节器的瞬态特性改善。
背景技术
图5示出以往的电压调节器的电路图。以往的电压调节器由误差放大器110、PMOS晶体管120、201、NMOS晶体管202、电阻211、212、213、214、电容231、232、电源端子100、接地端子101、基准电压端子102以及输出端子103构成。
通过误差放大器110控制PMOS晶体管120的栅极，从输出端子103输出输出电压Vout。输出电压Vout是对用基准电压端子102的电压除以电阻212与电阻213的合计电阻值之后的值乘以电阻211、电阻212以及电阻213的合计电阻值而得到的值。为了减小输出电压Vout的过冲，设置了PMOS晶体管201、NMOS晶体管202以及电阻214。
当在输出电压Vout中产生过冲时，NMOS晶体管202导通，在电阻214中流过电流。并且，在电阻214上产生电压且PMOS晶体管201导通。当PMOS晶体管201导通时，PMOS晶体管120的栅极被前置放大为电源电压，从而PMOS晶体管120截止。因此，能够防止输出电压Vout的过冲（例如，参照专利文献1的图5）。
专利文献1：日本特开2005-92693号公报
然而，在以往的电压调节器中存在无法在大的温度范围内防止过冲的问题。另外，还存在如下问题：在检测过冲时存在延迟且在延迟期间过冲变大。而且，在负载的电流变动频繁发生时，过冲和下冲的防止电路频繁工作，还存在消耗电流增加的问题。
以往的减小了过冲电压的电压调节器电路构成为：根据通过电阻对输出电压Vout进行分压后的电压成为NMOS晶体管的阈值电压以上这一点，来检测产生了规定值以上的过冲电压的情况，并且使输出晶体管截止以避免产生更大的过冲电压。另外，虽然未图示，但是以往的减小了下冲电压的电压调节器电路构成为：根据通过电阻对输出电压Vout进行分压后的电压小于NMOS晶体管的阈值这一点，来检测产生了规定值以上的下冲电压的情况，并且使输出晶体管全导通以避免产生更大的下冲电压。
以往的电压调节器电路检测的过冲电压值或下冲电压值是对NMOS晶体管202的阈值乘上分压比后的值。然而，NMOS晶体管202的阈值在高温下降低且在低温下增加，因此，当考虑该温度变化量来进行设计时，在低温下过冲电压变得非常大，而在高温下下冲电压变得非常大。因此，当需要在大的温度范围内工作时，不能够降低所检测的过冲电压或下冲电压。因此，存在如下问题：在工作温度范围内无法彻底防止过冲的上升，且无法在大的温度范围内防止过冲的产生。
另外，由于输出电压Vout越高分压比越大，因此会更严重。而且，由于输出电压Vout的电压变化通过分压电阻传递到NMOS晶体管的栅极，因此会产生延迟并在过冲电压或下冲电压的检测中产生延迟。因此，存在如下问题：在检测过冲电压时产生延迟，在延迟期间过冲变大。
在为了消除如上所述的延迟而利用耦合电容将输出电压Vout的电压变动传递至NMOS晶体管的栅极时，输出电压Vout的变化量直接传递到NMOS晶体管的栅极，过冲电压和下冲电压变小。因此，当负载的电流变动频繁发生时，过冲和下冲的防止电路频繁工作，消耗电流增加。因此，在负载的电流变动频繁发生时，过冲和下冲的防止电路频繁工作，存在消耗电流增加的问题。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而完成的，提供如下的电压调节器：当在输出电压中产生过冲或下冲时，能够在大的温度范围内改善过冲和下冲，减少过冲和下冲的检测延迟，即使负载的电流变动频繁发生，消耗电流也不会增加。
为了解决以往的问题，本发明的电压调节器如下构成。
一种电压调节器，其具有误差放大器和输出晶体管，该电压调节器具有：第1晶体管，其栅极被输入基准电压，源极被输入所述电压调节器的输出电压，在所述输出电压成为异常电压时，在所述第1晶体管中流过电流，根据流过所述第1晶体管的电流，控制所述输出晶体管的电流。
在本发明的电压调节器中，可以在大的温度范围内改善在输出电压中产生的过冲和下冲，减少检测到过冲和下冲的延迟时间，即使负载的电流变动频繁发生，也能够防止消耗电流增加。
附图说明
图1是本实施方式的电压调节器的框图。
图2是本实施方式的电压调节器的电路图。
图3是本实施方式的电压调节器的镜像电路的电路图。
图4是本实施方式的电压调节器的镜像电路的电路图。
图5是以往的电压调节器的电路图。
图6是示出本实施方式的电压调节器的另一例子的电路图。
标号说明：
100 电源端子
101 接地端子
102、131、132 基准电压端子
103 输出端子
110 误差放大器
130 输出变动检测电路
139 I-V转换电路
140、150 镜像电路
具体实施方式
下面，参照附图对本实施方式进行说明。
实施例
图1是本实施方式的电压调节器的框图。本实施方式的电压调节器由误差放大器110、PMOS晶体管120、输出变动检测电路130、I-V转换电路139、电源端子100、接地端子101、基准电压端子102以及输出端子103构成。PMOS晶体管120作为输出晶体管而工作。图2是本实施方式的电压调节器的电路图。输出变动检测电路130由PMOS晶体管136、NMOS晶体管135、镜像电路140、150、基准电压端子131、132构成。I-V转换电路139由PMOS晶体管111和NMOS晶体管112构成。图3是详细示出本实施方式的电压调节器的镜像电路140的电路图。镜像电路140由PMOS晶体管141、142、NMOS晶体管143、144、输入端子145以及输出端子146构成。图4是详细示出本实施方式的电压调节器的镜像电路150的电路图。镜像电路150由PMOS晶体管153、154、NMOS晶体管151、152、输入端子155以及输出端子156构成。
接着对本实施方式的电压调节器的连接进行说明。关于误差放大器110，其同相输入端子与基准电压端子102连接，反相输入端子与输出端子103连接，该误差放大器110的输出端子与NMOS晶体管112的栅极连接。关于NMOS晶体管112，其漏极与PMOS晶体管111的栅极和漏极连接，源极与接地端子101连接。PMOS晶体管111的源极与电源端子100连接。关于PMOS晶体管120，其栅极与PMOS晶体管111的栅极连接，漏极与输出端子103连接，源极与电源端子100连接。关于NMOS晶体管135，其栅极与基准电压端子131连接，源极与输出端子103连接，漏极与镜像电路140的输入端子145连接。关于PMOS晶体管136，其栅极与基准电压端子132连接，源极与输出端子103连接，漏极与镜像电路150的输入端子155连接。镜像电路140的输出端子146与NMOS晶体管112的漏极和镜像电路150的输出端子156连接。关于PMOS晶体管141，其栅极和漏极与输入端子145和PMOS晶体管142的栅极连接，源极与电源端子100连接。关于PMOS晶体管142，其漏极与NMOS晶体管143的栅极和漏极连接，源极与电源端子100连接。NMOS晶体管143的源极与接地端子101连接。关于NMOS晶体管144，其栅极与NMOS晶体管143的栅极连接，漏极与输出端子146连接，源极与接地端子101连接。关于NMOS晶体管151，其栅极和漏极与输入端子155连接，源极与接地端子101连接。关于NMOS晶体管152，其栅极与NMOS晶体管151的栅极连接，漏极与PMOS晶体管153的栅极和漏极连接，源极与接地端子101连接。PMOS晶体管153的源极与电源端子100连接。关于PMOS晶体管154，其栅极与PMOS晶体管153的栅极连接，漏极与输出端子156连接，源极与电源端子100连接。
对动作进行说明。基准电压端子102与基准电压电路连接并被输入基准电压Vref1。基准电压端子131与基准电压电路连接并被输入基准电压Vref2。基准电压端子132与基准电压电路连接并被输入基准电压Vref3。
误差放大器110对NMOS晶体管112的栅极电压进行控制，以使输出电压Vout成为基准电压Vref1。当输出电压Vout比目标值高时，输出电压Vout比基准电压Vref1高，误差放大器110的输出信号（NMOS晶体管112的栅极电压）降低。并且，使流过NMOS晶体管112的电流减少。PMOS晶体管111和PMOS晶体管120构成电流镜电路，当流过NMOS晶体管112的电流减少时流过PMOS晶体管120的电流也减少。由于输出电压Vout是根据流过PMOS晶体管120的电流、PMOS晶体管120的负载电流以及输出电流而设定的，因此当流过PMOS晶体管120的电流减少时输出电压Vout降低。
当输出电压Vout比目标值低时，输出电压Vout比基准电压Vref1低，误差放大器110的输出信号（NMOS晶体管112的栅极电压）变高。并且，使流过NMOS晶体管112的电流增加，使流过PMOS晶体管120的电流也增加。由于输出电压Vout是根据流过PMOS晶体管120的电流、PMOS晶体管120的负载电流以及输出电流而设定的，因此当流过PMOS晶体管120的电流增加时输出电压Vout变高。由此，输出电压Vout被控制为恒定。
通过这种动作，I-V转换电路139根据由误差放大器110的输出控制的电流而对流过输出晶体管120的电流进行控制。
考虑在输出端子103上出现过冲，输出电压Vout瞬态地变大的情况。将基准电压Vref1、基准电压Vref2、基准电压Vref3设定为满足Vref3≤Vref1≤Vref2的关系。将PMOS晶体管136的阈值设为Vtp。当输出电压Vout瞬态地变大且满足Vout≥｜Vtp｜+Vref3时，PMOS晶体管136导通，向NMOS晶体管151流入电流。NMOS晶体管151与NMOS晶体管152、以及PMOS晶体管153与PMOS晶体管154分别构成电流镜电路，当电流流过NMOS晶体管151时被镜像而在PMOS晶体管154中流过电流。
虽然来自PMOS晶体管154的电流以流向NMOS晶体管112的方式工作，但是由于误差放大器110的输出不变，因此流入到NMOS晶体管112的电流量不变，来自PMOS晶体管154的电流无法流入。因此，PMOS晶体管111以减少从PMOS晶体管111流向NMOS晶体管112的电流的方式工作，使来自PMOS晶体管154的电流流入NMOS晶体管112。由于流过PMOS晶体管111的电流减少，因此流向PMOS晶体管120的电流也减少。由此，输出电压Vout被控制为不再上升，能够阻止输出电压Vout的过冲电压的上升。
过冲产生后，当控制输出电压Vout使其降低时，流过PMOS晶体管136的电流也慢慢减少，NMOS晶体管151的电流也慢慢减少。并且，PMOS晶体管154的电流也慢慢减少，PMOS晶体管111的电流慢慢增加，回到平常的电流值，输出电压Vout被控制为恒定。在该控制期间，PMOS晶体管120以不截止而继续控制输出电压Vout的方式工作。因此，输出电压Vout不会因输出电流不足而降低，即使在刚消除过冲之后也能够稳定地进行控制。
考虑在输出端子103上产生下冲，输出电压Vout瞬态地减小的情况。将NMOS晶体管135的阈值设为Vtn。当输出电压Vout瞬态地减小且满足Vout≤Vref2-Vtn时，NMOS晶体管135导通，电流流过PMOS晶体管141。PMOS晶体管141与PMOS晶体管142、以及NMOS晶体管143与NMOS晶体管144分别构成电流镜电路，当电流流过PMOS晶体管141时被镜像而在NMOS晶体管144中流过电流。
PMOS晶体管111使电流流过NMOS晶体管112。当在输出端子103上出现下冲时，由于误差放大器110的输出不变，因此，由于在NMOS晶体管144上流过电流，从而PMOS晶体管111也需要向NMOS晶体管144流入电流，流过PMOS晶体管111的电流增加。并且，由于流过PMOS晶体管111的电流增加，因此流向PMOS晶体管120的电流也增加。由此，输出电压Vout被控制为不再降低，能够阻止输出电压Vout的下冲电压的降低。
产生下冲之后，当控制输出电压Vout使其变高时，流过NMOS晶体管135的电流也慢慢减少，PMOS晶体管141的电流也慢慢减少。并且，NMOS晶体管144的电流也慢慢减少，PMOS晶体管111的电流慢慢减少，回到平常的电流值，输出电压Vout被控制为恒定。在该控制期间，PMOS晶体管120以不截止而继续控制输出电压Vout的方式工作。因此，输出电压Vout不会因输出电流过量而上升，即使在刚消除下冲后也能够稳定地进行控制。
对于在输出电压中产生的过冲和下冲，不用通过如现有技术那样的分压电阻来进行检测，而能够直接通过输出变动检测电路130来进行检测。因此，晶体管的阈值的温度变化不会因分压电阻而乘以分压比，能够减少在高温和低温下过冲和下冲变大的情况，能够在大的温度范围内改善过冲和下冲。另外，由于不会产生由分压电阻导致的延迟，因此能够防止发生过冲和下冲的检测延迟的情况，能够防止过冲和下冲变大的情况。
对于在输出电压中产生的过冲和下冲，不用通过如现有技术那样的耦合电容来进行检测。因此，即使过冲和下冲频繁发生，输出变动检测电路130也无需频繁地做出反应，能够始终防止消耗电流增加的情况。
另外，虽然参照图3、图4对镜像电路进行了说明，但其结构不限于此，只要是能够对电流进行镜像的结构，则可以是任何结构。
图6是示出本实施方式的电压调节器的另一例子的电路图。输出变动检测电路130和I-V转换电路139具有与图2的电路不同的结构。即，从输出变动检测电路130中删除了镜像电路140、150，在I-V转换电路139中增加了作为共源共栅晶体管的PMOS晶体管503和NMOS晶体管504。
关于PMOS晶体管503中，其源极与PMOS晶体管111的漏极和NMOS晶体管135的漏极连接，漏极与PMOS晶体管111的栅极、PMOS晶体管120的栅极以及NMOS晶体管504的漏极连接，栅极与输入第1共源共栅电压Vcas1的第1共源共栅电压输入端子501连接。关于NMOS晶体管504，其源极与PMOS晶体管136的漏极和NMOS晶体管112的漏极连接，栅极与输入第2共源共栅电压Vcas2的第2共源共栅电压输入端子502连接。
图6的电压调节器与图2的电路相同，以如下方式工作：PMOS晶体管120的电流根据流过NMOS晶体管135的电流而增加，PMOS晶体管120的电流根据流过PMOS晶体管136的电流而减少。
PMOS晶体管503是为了提高PMOS晶体管111的漏极电压而设置的，以使PMOS晶体管111能够以饱和方式工作，且第1共源共栅电压Vcas1也被适当设定。即，当在输出端子103上产生下冲时，如果PMOS晶体管111的漏极电压足够高，则NMOS晶体管135能够通过所流过的电流而使PMOS晶体管120的电流增加。
NMOS晶体管504是为了降低NMOS晶体管112的漏极电压而设置的，以使NMOS晶体管112能够以饱和方式工作，且第2共源共栅电压Vcas2也被适当设定。即，当在输出端子103上产生过冲时，如果NMOS晶体管112的漏极电压足够低，则PMOS晶体管136能够通过所流过的电流使PMOS晶体管120的电流减少。
如以上说明的那样，在图6的电压调节器中，对于在输出电压Vout中产生的过冲和下冲，不用通过如现有技术那样的分压电阻来进行检测，而能够通过输出变动检测电路130直接进行检测。因此，晶体管的阈值的温度变化不会因分压电阻而乘以分压比，能够减少在高温和低温下过冲和下冲变大的情况，能够在大的温度范围内改善过冲和下冲。另外，由于不会产生由分压电阻导致的延迟，因此能够防止发生过冲和下冲的检测延迟的情况，能够防止过冲和下冲变大的情况。
另外，由于流过NMOS晶体管135和PMOS晶体管136的电流能够不经过镜像电路而传递给PMOS晶体管120，因此该电流能够更快地传递。因此，与图2的电路结构相比，能够快速地抑制过冲和下冲，因此能够减少下冲电压量和过冲电压量。
另外，在图6的电路结构中，由于不需要镜像电路140、150，因此还具有能够实现小型化的效果。
如以上说明的那样，本实施方式的电压调节器能够在大的温度范围内改善在输出电压Vout中产生的过冲和下冲，减少检测过冲和下冲的延迟时间，即使负载的电流变动频繁发生，也能够防止消耗电流增加的情况。
Claims (8)
1.一种电压调节器，其具有误差放大器和输出晶体管，该电压调节器的特征在于，具有：
第1晶体管，其栅极被输入基准电压，源极被输入所述电压调节器的输出电压，
在所述输出电压成为异常电压时，在所述第1晶体管中流过电流，根据流过所述第1晶体管的电流，控制所述输出晶体管的电流。
2.根据权利要求1所述的电压调节器，其特征在于，
所述电压调节器具有I-V转换电路，该I-V转换电路根据由所述误差放大器的输出控制的电流和流过所述第1晶体管的电流，控制流过所述输出晶体管的电流。
3.根据权利要求2所述的电压调节器，其特征在于，
所述I-V转换电路具有第2晶体管，该第2晶体管由所述误差放大器的输出进行控制，
所述I-V转换电路根据流过所述第2晶体管的电流，控制流过所述输出晶体管的电流。
4.根据权利要求3所述的电压调节器，其特征在于，
所述I-V转换电路具有第3晶体管，该第3晶体管使得以流过所述第2晶体管的电流和从所述第1晶体管流出的电流为基础的电流流过所述输出晶体管。
5.根据权利要求3所述的电压调节器，其特征在于，
所述第2晶体管的栅极与所述误差放大器的输出连接，所述第2晶体管的漏极与所述输出晶体管的栅极连接。
6.根据权利要求4所述的电压调节器，其特征在于，
所述第3晶体管的栅极和漏极与所述输出晶体管的栅极连接。
7.根据权利要求2所述的电压调节器，其特征在于，
流过所述第1晶体管的电流经由镜像电路传递至所述I-V转换电路。
8.根据权利要求4或6所述的电压调节器，其特征在于，
所述I-V转换电路在所述第2晶体管与第3晶体管之间具有共源共栅晶体管。
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