CN104508585B - 用于快速精确启动的模拟电路 - Google Patents

Abstract

描述了一些技术和电路，通过该技术和电路，模拟电路在启动时以快速和精确方式被快速驱动到所需状态。

Description

用于快速精确启动的模拟电路

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年7月2日提交的美国临时申请61/667259(代理人案卷号SNDKP633P/SDD-1973P)和2012年7月18日提交的美国专利申请13/551844(代理人案号SNDKP633/SDA-1769-US)的利益，这两申请的全部内容在此通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体涉及一种模拟电路，具体而言，涉及在启动时快速准确地达到所需状态的模拟电路。

背景技术

模拟电路，诸如，例如，参考电路和调节器，通常需要常快地打开，例如在几百纳秒内。此外，这种电路也可能需要在非常快的开启时间内收敛到具有高水平精度的特定状态(例如，输出参考电压电平)。这对于其中用于功率管理而可以选择性地将不同功能块置于低功率或待机模式的系统特别重要。这些块必须能够按需迅速“唤醒”到全功率而不期望中断或延迟系统操作。

一种用于实现快速开启时间的常用技术涉及使用钳位电路将电路节点或网络快速充电到非常接近所希望的水平。这种技术的缺点是，由于变化用于实现钳位电路的设备中的变化，例如，二极管电压和晶体管的阈值电压的变化，它可能不能提供用于所有应用的所需的精度级别。

另一种常用技术涉及在启动时临时使用高偏置电流以增加连接到目标网络节点或电路(例如，运算放大器)的较慢组件的转换速率(slew rate)。这种方法可以是高度精确的，因为它使用相同电路来产生用于所述启动和稳态条件的状态。然而，高偏置电流对某些负荷条件经常导致不稳定，并因此呈现不理想的复杂设计问题。

发明内容

根据本发明，提供了一种快速而精确的启动电路。根据具体实施方式，一种电路包括：稳态块，含有稳态电路、耦合到所述稳态电路并代表负载状态的负载以及配置成在稳态运行期间向所述稳态电路提供稳态偏置电流的稳态偏置电流源。启动块含有启动电路以及配置成在启动模式期间向启动电路提供启动偏置电流的启动偏置电流源。所述启动偏置电流基本上比所述稳态偏置电流大。所述启动电路的操作特性基本类似于所述稳态电路，但没有这样的负载状态，使得在启动模式期间所述启动电路被配置为将所述启动电路和所述稳态电路两者所连接的公共节点驱动到所需的状态。所述所需的状态与在具有负载状态的稳态操作期间由所述稳态电路实现的状态相同。

根据另一个实施方式，一种电路包括稳态块，包含具有第一级和第二级的电压调节器、耦合到所述电压调节器并代表负载状态的负荷以及配置为在稳态操作期间向所述电压调节器的至少一部分提供稳态偏置电流的稳态偏置电流源。启动块包含启动电路以及配置成在启动模式期间向所述启动电路提供启动偏置电流的启动偏置电流源。所述启动偏置电流基本上比所述稳态偏置电流大。所述启动电路基本上在示意上与所述电压调节器的第一级和第二级相同，并且其操作特性基本类似于所述电压调节器的第一级和第二级但是没有所述负载条件，使得在所述启动模式期间所述启动电路被配置为将公共节点驱动到所需的状态。所述公共节点在所述电压调节器的第一和第二级之间。所述所需状态与由所述电压调节器的第一级在具有负载条件的稳态操作期间所实现的状态相同。

根据另一个实施方式，提供了一种操作电路的方法。该电路包括启动块，其含有启动电路以及配置成提供启动偏置电流的启动偏置电流源。该电路还包括稳态块，其含有稳态电路、耦合到所述稳态电路并代表负载状态的负载以及配置成提供稳态偏置电流的稳态偏置电流源。所述启动偏置电流基本上比所述稳态偏置电流大。所述启动电路具有基本上类似于所述稳态电路的操作特性但没有负载条件。在启动模式期间向所述启动电路提供所述启动偏置电流，由此将所述启动电路和所述稳态电路两者所连接的公共节点驱动到所需的状态，所述所需的状态与在具有负载状态的稳态操作期间由所述稳态电路实现的状态相同。一旦达到所述所需的状态则禁用所述启动电路。在稳态操作期间将所述稳态偏置电流提供给所述稳态电路。

可通过参考说明书的其余部分和附图可以实现对本发明的性质和优点的进一步理解。

附图说明

图1是配置用于快速和精确启动的模拟电路的具体实施方式的简化示意图。

图2是配置用于快速和精确启动的模拟电路的另一个具体实施方式的简化示意图。

具体实施方式

现在将详细地参考包括本发明人所想到的用于实施本发明的最佳模式的本发明的具体实施方案。这些具体实施方案的实例示于附图中。尽管结合这些具体实施例描述了本发明，但可以理解是其并不旨在将本发明限制于所描述的实施例。相反，其旨在覆盖可以包含在附后的权利要求书所限定的本发明的精神和范围之内的替换方式、修改方式以及等同方式。在以下描述中，给出了一些具体细以便提供对本发明的彻底理解。本发明可以在没有这些具体细节的一些或全部的情况下实施。此外，可能一些公知的特征没有被详细描述，以避免不必要地模糊本发明。

根据特定类的实施方案中，提供启动块来在启动模式期间将模拟电路的目标网络或节点驱动到期望状态。启动块示意性地是模拟电路的一部分的实质性的复制品，其驱动处于稳态条件下的根据目标网络或节点(即，稳态块)，除非启动块不包括由稳态块驱动的负载。图1中所示的是特定实施方式的例子。

图1示出稳定状态块102和关联启动块104的简化示意图。在所描绘的实施方式中，稳定状态块102是电压调节器。然而，如将理解的，稳态模块102可包括任何各种各样的模拟电路，包括，例如，参考电路。因此本公开的范围不应限制于电压调节器或任何特定类型的模拟电路。

稳态块102的电压调节器包括第一级，该第一级包括由电流源108(I_Biasl)偏置的运算放大器106。运算放大器(Op amp)106驱动第二级，该第二级包括电源开关110和电阻器分压器(可变电阻器Rl和电阻器R2)，其向运算放大器106提供反馈。稳态块第二级102驱动负载112和输出电容器114。

在稳态操作期间(当信号EN被启用，而信号EN启动被禁用时)，当Vout高于所期望的调节点时，在运算放大器106的非反相输入端的反馈电压相应地高，超出在反相输入端处的VREF并将NET_COM处的电压驱动为高。这会关闭电源开关110，导致电容器114(通过串联电阻R1和R2)放电，并且使得所述反馈电压在运算放大器106的非反相输入端处降低。当该电压低于VREF时，运算放大器106的输出将NET COM处的电压驱动为低，接通电源开关110，连接负载112至Vsupply和充电电容器114。通过以这种方式使得负载112和电容114与Vsupply连接和断开，提供给负载112的输出电压Vout被调节到所需的级别。

由电流源108在稳态操作期间提供给运算放大器106的偏置电流(即，I_Biasl)被设置在旨在确保稳态块102的稳定性的级别。然而，如上面所讨论的，这样的偏置电流通常不足以使运算放大器106足够快地将在其输出端的所述目标网络驱动到所需的状态(例如，使在NET_COM的电压到所需级别)以满足系统的要求。因此，在启动模式期间，启动块104(经由信号EN_Startup)被启用以便驱动基本上类似的目标网络，并使得在NET_COM处电压达到所需的水平。

如图1所示，许多启动块104基本在示意上与稳态块102相同，其包括第一级运放放大器156，其驱动包括电源开关160和含有电阻R1_2和R2_2的电阻分压器的第二级。根据各种不同的实施方案，这些组件的一些或全部与稳态块102的相应部件足够好地相匹配，使它们呈现出基本上类似的目标网络。在所描绘的实施方式中的重要区别是，启动块104不包括输出电容器或负载。另一个重要的区别是，运算放大器156是由电流源158偏置，电流源158提供显著大于由电流源108提供给运算放大器106的偏置电流的偏置电流I_Bias2。

设置偏置电流I_Bias2使得算放大器156的转换速率足够高以允许启动块104将其目标网络驱动到所需的状态，并使得在NET COM处的电压达到所需的电压。一旦这被实现，启动块104会被禁用(通过禁用EN启动)，让运算放大器106来驱动其目标网络。根据一些实施方式，稳态块102在启动模式期间可被启用，假设其对目标网络的驱动贡献将受到该启动块104和其高得多的偏置电流的支配。另外，稳态块102可以启动模式的全部或部分过程被禁用。

因为通由启动块104的组件所呈现的目标网络基本上类似于由稳态块102的相应组件呈现的目标网络，因此从启动模式产生在NET_COM处的电压与所希望的稳态电压基本上相同，因此在快速启动时段内提供所需的精度级别。应当指出的是，该精度级别可以通过调整稳态块102和启动块104的各组件的匹配级别而进行调整。

另外，由于启动块104所呈现的目标网络不经历稳态块102在稳态操作期间所经历的负载条件，因此在NET_COM处的电压可以快速而精确地驱动到所需的水平，而不会存在不同情况下如果运算放大器106被类似偏置电流驱动而呈现的稳定性问题。

图2所示的是一种更一般的实施方式。与图1所示的更具体的实施一样，图2的实施例包括稳态块202和启动块204。如上所讨论的，稳态模块202可以是任何的各种各样的希望对其快速而准确的启动的模拟电路。例如，稳态模块202可对应于电压调节器(如参照图1所讨论的)、基准电路等。因此，稳态电路206可以包括各种各样的电路类型和拓扑。

在稳态条件下，稳态电路206被连接到负载212，并且偏置电流(I_{Bias_Steady-State})由电流源208提供到稳态电路206的至少一个部分。在启动模式期间，启动块204(经由信号EN_Startup)被启用，以便使得在NET_COM处的电压到达所需的水平。这通过经由电流源258将偏置电流(I_{Bias_Startup})施加到启动电路256来实现，该偏置电流明显大于由电流源208提供到稳态电路206的偏置电流。一旦实现这一点，启动块204可以被禁用。

设置偏置电流I_{Bias_Startup}使得启动电路256的转换速率高到足以使得启动块204将其目标网络驱动到理想状态，并使得NET_COM处的电压在所需的启动时间(例如，根据由系统要求所施加的)内达到所需要的电压。因为起动电路256的操作特性基本上类似于稳态电路206并且具有更高的偏置电流，在NET COM处的电压被驱动到具有与所述稳态电路206可获得的精度不同的精度的所需的级别，但是所用的时间段更短。另外，由于启动电路256不经历与稳态电路206在稳态操作下所经历的负载条件相同的负载条件，因此以一种稳定的方式来实现所希望的快速和精确启动。

尽管已经参考其具体实施方案具体示出了本发明，但是本领域技术人员可以理解到，可以在不脱离本发明的精神或范围情况下做出所公开的实施例的形式和细节的改变。例如，根据各种实施方式，启动块的组件可以相对于那些稳态块在某些方面变化并且依然以所描述的方式操作。只要在启动块和稳态块的操作性能基本相似(例如，过工艺，电压和温度)，也可以实现所需的操作。例如，在图1所示的实施例中，电源开关160不必物理地匹配的电源开关110以确保在NET_COM处的电压达到所需的水平。也就是说，给定电压调节器的稳态功率要求，电源开关110可以被实现为相对较大的并行晶体管阵列。然而，由于电源开关160不具有相同的功率要求，它可以实现为一个较小的阵列，或者甚至单个晶体管。同样地，运算放大器156可以是比运算放大器106更小的设备，只要以其驱动目标网络的方式基本上类似地行为即可。对本领域技术人员而言，其它合适的变型将是清楚的。

在另一实例中，各个实施方式可以使用任何各种标准的或专有的CMOS工艺来实现。但是，应该指出的是，可以想到可以采用更宽范围的半导体材料和制造工艺的实现方式，例如，砷化镓、硅锗等。如本文所述的快速启动电路可以以(但不限于)软件(以非暂时性计算机可读介质的目标代码或机器代码)、不同的编译阶段，代表为一个或多个网表(例如，SPICE网表)，以仿真语言、硬件描述语言(例如，Verilog、VHDL)由一组半导体加工掩模代表为部分或完全实现半导体器件(例如，ASIC)。本领域技术人员所理解的用于前述每一种的各种变化形式也在本发明的范围内。

最后，虽然已在本文中参考各种实施例讨论了本发明的各种优点、方面和目的，但是可以理解的是，本发明的范围不应该由于参照这些优点、方面和对象而受到限制。相反，本发明的范围应当参照所附权利要求来确定。

Claims (12)

1.一种电路，包括：

稳态块，含有稳态电路、耦合到所述稳态电路的输出节点并代表负载状态的负载以及配置成在稳态运行期间向所述稳态电路提供稳态偏置电流的稳态偏置电流源；以及

启动块，含有启动电路以及配置成在启动模式期间向启动电路提供启动偏置电流的启动偏置电流源，所述启动偏置电流显著地比所述稳态偏置电流大，

其中，所述启动电路的操作特性与所述稳态电路相同，但没有这样的负载状态，使得在启动模式期间所述启动电路被配置为将所述启动电路和所述稳态电路两者所连接的公共节点驱动到所需的状态，所述公共节点与所述稳态电路的输出节点不同，所述所需的状态与在具有负载状态的稳态操作期间由所述稳态电路实现的状态相同。

2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述启动电路在示意上与所述稳态电路的一部分相同。

3.根据权利要求1所述的电路，其中，所述启动电路在示意上与所述稳态电路一致。

4.根据权利要求1-3任意一个所述的电路，其中所述稳态块包括电压调节器或参考电路。

5.根据权利要求1-3任意一个所述的电路，其中所述启动偏置电流被选择来实现用于所述启动电路的一个或多个组件的特定转换速率。

6.根据权利要求1-3任意一个所述的电路，其中，所述启动块被配置为仅仅在所述启动模式期间被启用。

7.一种电路，包括：

稳态块，包含具有第一级和第二级的电压调节器、耦合到所述电压调节器并代表负载状态的负荷以及配置为在稳态操作期间向所述电压调节器的至少一部分提供稳态偏置电流的稳态偏置电流源；以及

启动块，包含启动电路以及配置成在启动模式期间向所述启动电路提供启动偏置电流的启动偏置电流源，所述启动偏置电流显著地比所述稳态偏置电流大，所述启动电路在示意上与所述电压调节器的第一级和第二级相同，

其中，所述启动电路的操作特性与所述电压调节器的第一级和第二级相同但是没有所述负载条件，使得在所述启动模式期间所述启动电路被配置为将公共节点驱动到所需的状态，所述公共节点在所述电压调节器的第一和第二级之间，所述所需状态与由所述电压调节器的第一级在具有负载条件的稳态操作期间所实现的状态相同。

8.根据权利要求7所述的电路，其中，所述启动电路是在示意上与所述电压调节器的第一和第二级一致。

9.根据权利要求7或8所述的电路，其中所述启动偏置电流被选择来实现用于所述启动电路的一个或多个组件的特定转换速率。

10.根据权利要求9所述的电路，其中所述一个或多个组件包括运算放大器。

11.根据权利要求7或8所述的电路，其中所述启动块被配置为仅仅在启动模式期间被启用。

12.一种操作电路的方法，该电路包括启动块，其含有启动电路以及配置成提供启动偏置电流的启动偏置电流源，该电路还包括稳态块，其含有稳态电路、耦合到所述稳态电路的输出节点并代表负载状态的负载以及配置成提供稳态偏置电流的稳态偏置电流源，所述启动偏置电流显著地比所述稳态偏置电流大，所述启动电路具有与所述稳态电路的操作特性相同但没有负载条件，该方法包括：

在启动模式期间向所述启动电路提供所述启动偏置电流，由此将所述启动电路和所述稳态电路两者所连接的公共节点驱动到所需的状态，所述公共节点与所述稳态电路的输出节点不同，所述所需的状态与在具有负载状态的稳态操作期间由所述稳态电路实现的状态相同；

一旦达到所述所需的状态则禁用所述启动电路；以及

在稳态操作期间将所述稳态偏置电流提供给所述稳态电路。