CN104704436B - 利用时钟频率前馈控制的改进型无电容电压调节器 - Google Patents

利用时钟频率前馈控制的改进型无电容电压调节器 Download PDF

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Abstract

本发明揭示一种根据实施例的用于控制输出装置的电压调节器，其包含：误差放大器；受控电导输出装置；及负荷预测电路；其中所述误差放大器的输出及所述负荷预测电路的输出经求和以控制所述输出装置。

Description

利用时钟频率前馈控制的改进型无电容电压调节器
相关申请案的交叉参考
本申请案为2013年3月14日申请的第61/784,737号美国临时申请案的转换且主张第61/784,737号美国临时申请案的优先权，出于全部目的，所述临时申请案的全文特此以引用方式并入本文中，就如同在本文中全面陈述一样。
技术领域
本发明涉及电压调节器，且特定来说，涉及改进型无电容电压调节器。
背景技术
电压调节器为经设计以无论输入或负荷条件如何都维持恒定电压输出的电路。
图1为说明常规调节器的图式。调节器100在跨导放大器104中比较参考电压102与来自输出108的反馈电压以产生电流，其接着通过电流镜106倍增以产生驱动输出108的电流。
时钟切换对此类调节器造成较大负荷瞬变，太快而使得其无法响应。举例来说，在时钟切换时，电流需求可在4ns内从75μA达到75mA。在15nF负荷的情况下，这产生5mV/ns的供电改变。然而，典型调节器最多将仅具有约100mV裕量。
尽管外部电容器可用以提供充分电荷以赋予调节器时间，但归因于寄生，其仅足够用于相对较小瞬变。此外，在集成电路环境中，外部电容器在招致具有管理后果(regulatory consequence)的装配问题的同时，用掉珍贵的引脚。
发明内容
可通过根据本发明的实施例的系统及方法在较大程度上克服现有技术中的这些及其它缺点。
如描述的实施例涉及芯片上无电容电压调节器，其是稳定的且快速响应于负荷瞬变。实施例利用对瞬时数字时钟频率的了解以预测负荷改变。实施例通过将负荷的时钟频率及(可选择地)功率耗散电容提供给无电容电压调节器而减少其响应时间。
一种根据实施例的用于控制输出装置的电压调节器包含：误差放大器；受控电导输出装置；及负荷预测电路；其中误差放大器的输出及负荷预测电路的输出经求和以控制输出装置。在一些实施例中，负荷预测电路为频率/电流转换器。在一些实施例中，频率/电流转换器按下列等式实施活动因子KACT：
ILOAD＝ILEAK+Idyn
其中
ILOAD为负荷所需的电流；
ILEAK为负荷所需的泄漏电流(独立于其它已知因子)；及
Idyn为动态电流且通过Idyn＝(KACT*VDD*CPD*FCLK)给出，其中
KACT为负荷的活动因子(随操作条件(例如，睡眠模式)变动)；
VDD为供应到负荷的电压；
CPD为负荷的所谓的“功率耗散电容”特性(通常不变动)；
FCLK为驱动负荷的时钟的频率。
在一些实施例中，误差放大器包括具有低增益高速度路径及高增益低速度路径的跨导放大器。在一些实施例中，负荷预测电路包括通过屏蔽电路缩放的多个频率/电流转换器。在一些实施例中，负荷预测电路包含跨阻抗装置以产生输出电压。
一些实施例可包含集成电路，其包含此电压调节器。其它实施例可包含一种用于产生此电压调节器的方法。众多其它实施例也是可行的。
当结合下文描述及附图考虑时，将更好地了解及理解本发明的这些及其它方面。然而，应理解，尽管指示本发明的各种实施例及其众多特定细节，但是下文描述是通过说明而非限制方式给出。在不背离本发明的精神的情况下，可在本发明的范围内做出许多取代、修改、添加及/或再布置，且本发明包含全部此类取代、修改、添加及/或再布置。
附图说明
通过参考附图，将更好地理解本发明且所属领域的技术人员将显而易见本发明的众多目的、特征及优势。在不同图式中使用的相同参考符号指示相似或相同项目。
图1说明示范性电压调节器。
图2说明根据实施例的电压调节器。
图3A到3C说明根据实施例的电压调节器的组件。
图4说明根据实施例的电压调节器。
具体实施方式
通过参考附图中说明及下文描述中详细描述的示范性及因此非限制性实施例更全面解释本发明及其各种特征及优势细节。可省略已知编程技术、计算机软件、硬件、操作平台及协议的描述以避免以不必要的细节模糊本发明。然而，应理解，详细描述及特定实例尽管指示优选实施例，但仅通过说明而非限制方式给出。所属领域的技术人员根据本发明将显而易见在本发明基本概念的精神及/或范围之内的各种取代、修改、添加及/或再布置。
如本文中使用，用语“包括(comprises/comprising)”、“包含(includes/including)”、“具有(has/having)”或其任何变动希望涵盖非排他性包含。举例来说，包括元件列表的过程、产品、物品或设备并非必须仅限于所述元件，而可包含未明确列出的或此过程、产品、物品或设备固有的其它元件。此外，除非有明确的相反陈述，否则，“或”指包含性“或”且不指排他性“或”。举例来说，条件A或B由以下任何一者满足：A为真(或存在)且B为假(或不存在)，A为假(或不存在)且B为真(或存在)，及A及B均为真(或存在)。
另外，本文给出的任何实例或说明不应以任何方式被视为限制其所用于的任一或多个用语、其所用于的任一或多个用语的极限或表达其所用于的任一或多个用语的定义。相反地，这些实例或说明应被视为关于一个特定实施例的描述及仅具说明性。所属领域的一般技术人员将明白这些实例或说明所用于的任一或多个用语包含可或可不随其给出或在本说明书的其它处给出的其它实施例以及其实施方案及调适，且全部此类实施例希望包含在所述一或多个用语的范围内。指定此类非限制实例及说明的语言包含(但不限于)：“举例来说”、“例如”、“在一个实施例中”及其类似物。
现参考图式且特定来说参考图2，展示根据实施例的实例芯片上无电容电压调节器的图式且所述调节器通常通过参考数字200识别。图2的调节器200在跨导放大器204中比较参考电压202与来自输出208的反馈电压以产生电流，所述电流接着通过电流镜206倍增以产生驱动输出208的电流。
另外，根据实施例的调节器200包含负荷212的时钟，其驱动频率/电流转换器210。所得电流214添加到跨导放大器204的输出以驱动电流镜206及因此驱动输出208。由消除负荷处的时钟频率中的改变与在系统电压中因此导致的改变之间的延迟产生所得性能改进。
频率/电流转换器210模仿负荷函数，即，调节器将需要提供的大约负荷。例如，经典CMOS负荷将需要以下电流：
ILOAD＝ILEAK+Idyn其中
ILOAD为负荷所需的电流；
ILEAK为负荷所需的泄漏电流(独立于其它已知因子)；及
Idyn为动态电流且通过Idyn＝(KACT*VDD*CPD*FCLK)给出，其中
KACT为负荷的活动因子(随操作条件(例如，睡眠模式)变动)；
VDD为供应到负荷的电压；
CPD为负荷的所谓的“功率耗散电容”特性(通常不变动)；
FCLK为驱动负荷的时钟的频率。
即，在一些实施例中，频率/电流转换器210对因子Idyn建模。应了解，可相似地模仿(或建模)其它负荷函数。预测器及误差放大器的输出经求和且控制输出装置。
在一些实施例中，跨导误差放大器实施有两个路径：包括差分N沟道晶体管的低增益、高速度路径；及包括差分P沟道晶体管的低速度、高增益路径。图3A中展示此种电路。特定来说，在302处展示简化高增益、低带宽路径的实例，且在304处展示简化低增益、高带宽路径的实例。应注意，其它实施方案是可行的。
在所说明的实例中，高增益低带宽放大器302为驱动N沟道受控电流源输出的四晶体管差分P沟道电压放大器(在全部四个晶体管上使用共射-共基放大器)。其具有到N沟道输出装置的栅极中的高电压增益，但归因于极低电流(到差分对的100nA尾电流)及高输出电容(输出装置的100微米宽及相当长的沟道)，其具有极慢响应。取决于应用，可能有必要使其更慢。
低增益高带宽放大器304为电流操纵跨导体。差分n沟道装置比较反馈与参考，且P沟道镜将此转换为到差分对的正尾电流与负尾电流之间的输出电流。第二输入电流被添加到输出以将范围从(-尾到+尾)偏移到(-2*尾到0)使得输出无法在调节器的输出处关闭电流镜。在图3B中展示实例P沟道传递晶体管/电流镜。在所说明的实例中，电流镜206包含具有共用栅极的晶体管350及晶体管352。晶体管350被二极管连接为驱动装置的电流的负荷。晶体管352的漏极连接到负荷208。在一些实施例中，晶体管352比晶体管350大。在一些实施例中，可相差一因子(例如，50比1)。在电流镜中的倍增的范围为在调节器中所要速度对可接受功率使用的函数。通常，大于10且小于1000的倍数是实用的，但这些限制仅为经验法则。两个晶体管350、352的共用源极耦合到输入电源。
在一些实施例中，频率/电流转换器214包括多个级。图3C中展示级的实例。在所说明的实例中，级包含NAND栅极360、负荷电容器368及反相器362、364。每一级接收反相器362的输出(第一级通过系统时钟(未展示)驱动)作为到NAND栅极360的输入。另外，NAND栅极360接收屏蔽(MASK)输入以缩放KACT因子。将屏蔽应用到任何级会阻止后续级切换。应注意，频率/电流转换器的其它实施方案是可能的。
在图4中展示另一实施例。特定来说，电路400包含频率/电流转换器210，频率/电流转换器210的输出被提供到跨阻抗装置406以提供输出电压而非输出电流。在所说明的实施例中，跨导放大器204经实施具有高速度路径412及低速度路径410。低速度路径包含受控电荷泵，其输出跨浮动电容器，将高速度路径412及预测器装置(频率/电流转换器210)输出耦合到晶体管402的输入。在共用漏极配置中，晶体管402为单一大晶体管。其漏极到输入电源，栅极为控制节点且源极到负荷。另外，在一些实施例中，放大器407可用以实施高速度路径412。
尽管前述说明书描述特定实施例，但是参考此描述的所属领域的一般技术人员将明白且可做出本文揭示的实施例及额外实施例的细节的许多改变。在此情境中，应以说明性而非限制性意义看待说明书及图，且全部此类修改希望包含在本发明的范围内。因此，本发明的范围应由所附权利要求书及其合法等效物确定。

Claims (14)

1.一种电压调节器，其包括：
误差放大器；
受控电导输出装置；以及
时钟驱动的负荷预测电路；
其中，所述误差放大器的输出及所述负荷预测电路的输出经求和以控制所述输出装置从而不需要连接至所述电压调节器的输出的电容器，且
其中所述负荷预测电路为频率/电流转换器。
2.根据权利要求1所述的电压调节器，其中驱动所述负荷预测电路的所述时钟为驱动所述负荷的时钟。
3.根据权利要求1所述的电压调节器，其中所述频率/电流转换器按下列等式基于活动因子KACT预测负荷电流ILOAD：
ILOAD＝ILEAK+Idyn
其中
ILOAD为负荷所需的电流；
ILEAK为所述负荷所需的泄漏电流；以及
Idyn为动态电流且通过Idyn＝(KACT*VDD*CPD*FCLK)给出，其中
KACT为所述负荷的所述活动因子，其随操作条件变动；
VDD为供应到所述负荷的电压；
CPD为所述负荷的实质上不变动的功率耗散电容特性；
FCLK为驱动所述负荷的时钟的频率。
4.根据权利要求1所述的电压调节器，其中所述误差放大器包括具有低增益高速度路径及高增益低速度路径的跨导放大器。
5.根据权利要求1所述的电压调节器，其中所述负荷预测电路包括多个频率/电流转换器，其中每一级的输出通过屏蔽电路缩放。
6.根据权利要求5所述的电压调节器，其中所述多个频率/电流转换器的输出被相加求和。
7.根据权利要求5所述的电压调节器，进一步包括由所述频率/电流转换器的输出控制的跨阻抗装置以产生输出电压。
8.一种集成电路设备，其包括根据权利要求1-7中的任一权利要求的所述电压调节器，其中所述电压调节器为芯片上电压调节器。
9.一种用于调节电压的方法，其不需要连接至电压调节器的输出的输出电容器，所述方法包括：
馈送所述电压调节器的输出电压至误差放大器；
使用驱动负荷的时钟对负荷预测电路计时；以及
对所述误差放大器的输出信号与所述负荷预测电路的输出信号求和，且转送所述求和至提供所述电压调节器的输出电压的受控电导输出装置,
其中所述负荷预测电路为频率/电流转换器。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述频率/电流转换器按下列等式基于活动因子KACT预测负荷电流ILOAD：
ILOAD＝ILEAK+Idyn
其中
ILOAD为负荷所需的电流；
ILEAK为所述负荷所需的泄漏电流；以及
Idyn为动态电流且通过Idyn＝(KACT*VDD*CPD*FCLK)给出，其中
KACT为所述负荷的所述活动因子，其随操作条件变动；
VDD为供应到所述负荷的电压；
CPD为所述负荷的实质上不变动的功率耗散电容特性；
FCLK为驱动所述负荷的时钟的频率。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述误差放大器包括具有低增益高速度路径及高增益低速度路径的跨导放大器。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述负荷预测电路包括多个频率/电流转换器，其中每一级的输出通过屏蔽电路缩放。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括对所述多个频率/电流转换器的输出求和。
14.根据权利要求13所述的方法，其中经求和的输出电流被馈送至跨阻抗装置以产生输出电压。
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