CN104950968B - 低压差线性稳压器 - Google Patents

Abstract

一种低压差线性稳压器，具有差动放大器、电流缓冲器、电压反馈单元及功率晶体管。功率晶体管受控于输出控制电压提供一输出电压。电压反馈单元对输出电压进行分压以提供多个反馈电压。差动放大器依据输出电压及上述反馈电压的其中之一提供一电流设定电压。电流缓冲器依据上述反馈电压的其中另一与电流设定电压提供输出控制电压。

Description

低压差线性稳压器

技术领域

本发明涉及一种稳压器，且特别涉及一种低压差线性稳压器。

背景技术

在现代，人们对电子产品依赖日益增加，以致于电子产品的功能也随之复杂化。相对的，依据不同的功能需求，电子装置需要不同的电压转换电路，常见的电压转换电路为交换式稳压器(switching regulator)以及线性稳压器(linear regulator)。其中，在降压应用中常使用的线性稳压器为低压降稳压器(Low DropOut regulator，LDO regulator)。低压降稳压器具有低生产成本、电路简单和低噪音等特点，并且能够提供稳定的输出电压，因此被广泛地应用于各种便携式电子产品上。其中，响应速度和电压稳定度是评估电压转换电路的重要参数。

发明内容

本发明提供一种低压差线性稳压器，可提高其输出电压的稳定度。

本发明的低压差线性稳压器，包括一功率晶体管、一电压反馈单元、一第一差动放大电路、一第一电流镜及一电流缓冲器。功率晶体管具有一第一端、一第二端及一控制端，其中功率晶体管的控制端接收一输出设定电压，功率晶体管的第一端接收一系统高电压，功率晶体管的第二端提供一输出电压。电压反馈单元用以对输出电压进行分压以产生一第一反馈电压及一第二反馈电压。第一差动放大电路具有一第一输入端、一第二输入端、一第一输出端及一第二输出端，其中第一输入端接收一参考电压，第二输入端接收第二反馈电压，第一输出端输出一第一输出电流，第二输出端提供一电流设定电压。第一电流镜接收第一输出电流以设定对应电流设定电压的一第二输出电流，并且接收输出电压以调整第一输出电流及第二输出电流。电流缓冲器接收电流设定电压及第一反馈电压以提供输出设定电压。

基于上述，本发明实施例的低压差线性稳压器，其第一差动放大电路及第一电流镜反应于输出电压的变化同步调整电流设定电压，并且电流缓冲器依据输出电压的变化与电流设定电压的变化调整输出控制电压。藉此，本发明实施例的低压差线性稳压器可快速反应输出电压的变化而调整功率晶体管的导通程度，以提高输出电压的稳定度。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1A为依据本发明一实施例的低压差线性稳压器的系统示意图。

图1B为依据本发明一实施例的低压差线性稳压器的电路示意图。

【符号说明】

100：低压差线性稳压器

110：差动放大器

111：第一差动放大电路

113：第一电流镜

120：电流缓冲器

121：第二差动放大电路

123：第二电流镜

125：第三电流镜

130：电压反馈单元

Ccp：耦合电容

GND：接地电压

IO1：第一输出电流

IO2：第二输出电流

IO3：第三输出电流

IO4：第四输出电流

IO5：第五输出电流

IRE：调整电流

M1～M13：晶体管

MPR：功率晶体管

R1～R3：电阻

TI1～IT4：输入端

TO1～TO4：输出端

VB1：第一偏压

VB2：第二偏压

VDD：系统高电压

VF1：第一反馈电压

VF2:第二反馈电压

VIS:电流设定电压

VOC：输出设定电压

Vout：输出电压

VR1：参考电压

具体实施方式

图1A为依据本发明一实施例的低压差线性稳压器的系统示意图。请参照图1A，在本实施例中，低压差线性稳压器100包括差动放大器110、电流缓冲器120、电压反馈单元130及功率晶体管MPR。功率晶体管MPR在此例如为P型晶体管，其中功率晶体管MPR的栅极(对应控制端)接收输出设定电压VOC，功率晶体管MPR的源极(对应第一端)接收系统高电压VDD，功率晶体管MPR的漏极(对应第二端)提供输出电压Vout。

电压反馈单元130用以对输出电压Vout进行分压以产生第一反馈电压VF1及第二反馈电压VF2。在本实施例中，输出电压Vout可大于第一反馈电压VF1，第一反馈电压VF1可大于第二反馈电压VF2，但本发明实施例不以此为限。

差动放大器110接收参考电压VR1、输出电压Vout及第二反馈电压VF2，并且提供电流设定电压VIS至电流缓冲器120。其中，差动放大器110会比较参考电压VR1及第二反馈电压VF2以决定电流设定电压VIS的电压电平。并且，差动放大器110会对应输出电压Vout的变化调整电流设定电压VIS的电压电平，亦即当输出电压Vout降低时，电流设定电压VIS的电压电平会提高，当输出电压Vout提高时，电流设定电压VIS的电压电平会降低。

电流缓冲器120接收电流设定电压VIS及第一反馈电压VF1以提供输出设定电压VOC。其中，电流缓冲器120比较电流设定电压VIS及第一反馈电压VF1以决定输出设定电压VOC的电压电平，亦即当电流设定电压VIS大于第一反馈电压VF1时，设定电压VOC会被拉低，当电流设定电压VIS小于第一反馈电压VF1时，设定电压VOC会被抬高。

依据上述，当低压差线性稳压器100的输出负载变大时，输出电压Vout会对应负载的变化而降低。此时，差动放大器110对应输出电压Vout的降低而抬高电流设定电压VIS的电压电平，并且电流缓冲器120会对应电流设定电压VIS的提高而降低输出设定电压VOC。接着，由于输出设定电压VOC的降低，功率晶体管MPR导通程度会被提高，亦即经由功率晶体管MPR提供至负载的电流变大，进而抬高输出设定电压VOC至回复至原始的电压电平。

当低压差线性稳压器100的输出负载变小时，输出电压Vout会对应负载的变化而上升。此时，差动放大器110对应输出电压Vout的提高而降低电流设定电压VIS的电压电平，并且电流缓冲器120会对应电流设定电压VIS的降低而抬高输出设定电压VOC。接着，由于输出设定电压VOC的提高，功率晶体管MPR导通程度会被降低，亦即经由功率晶体管MPR提供至负载的电流变小，进而降低输出设定电压VOC至回复至原始的电压电平。

依据上述，本发明低压差线性稳压器100会反应于负载的变化而快速地调整输出设定电压VOC的电压电平，以提高输出电压Vout的稳定度。

图1B为依据本发明一实施例的低压差线性稳压器的电路示意图。请参照图1A及图1B，其中相同或相似元件使用相同或相似标号。本实施例中，电压反馈单元130例如包括电阻R1～R3(对应第一电阻至第三电阻)。其中，电阻R1的一端接收输出电压Vout，电阻R1的另一端提供第一反馈电压VF1；电阻R2的一端耦接电阻R1的另一端，电阻R2的另一端提供第二反馈电压VF2；电阻R3耦接于电阻R2的另一端与接地电压GND之间。

差动放大器110例如包括第一差动放大电路111及第一电流镜113。第一差动放大电路111的输入端TI1(对应第一输入端)接收参考电压VR1，第一差动放大电路111的输入端TI2(对应第二输入端)接收第二反馈电压VF2，第一差动放大电路111的输出端TO1(对应第一输出端)输出第一输出电流IO1，第一差动放大电路111的输出端TO2(对应第二输出端)提供电流设定电压VIS及第二输出电流IO2。

第一差动放大电路111例如包括晶体管M1～M3(对应第一晶体管至第三晶体管)，并且晶体管M1～M3例如是P型晶体管。晶体管M1的源极(对应第一端)接收系统高电压VDD，晶体管M1的栅极(对应控制端)接收第一偏压VB1，其中晶体管M1可视为一电流源。晶体管M2的源极耦接晶体管M1的漏极(对应第二端)，晶体管M2的栅极耦接输入端TI1以接收参考电压VR1，晶体管M2的漏极耦接输出端TO1以提供第一输出电流IO1。晶体管M3的源极耦接晶体管M1的漏极，晶体管M3的栅极耦接输入端TI2以接收第二反馈电压VF2，晶体管M3的漏极耦接输出端TO2以提供第二输出电流IO2。

第一电流镜113例如包括晶体管M4、M5(对应第四晶体管及第五晶体管)，并且晶体管M4、M5例如是N型晶体管。晶体管M4的漏极(对应第一端)耦接输出端TO1以接收第一输出电流IO1，晶体管M4的栅极(对应控制端)耦接晶体管M4的漏极，晶体管M4的源极(对应第二端)接收接地电压GND。晶体管M5的漏极耦接输出端TO2以接收第二输出电流IO2，晶体管M5的栅极耦接晶体管M4的栅极，晶体管M5的源极接收接地电压GND。耦合电容Ccp耦接于晶体管M4的栅极与输出电压Vout之间。

电流缓冲器120例如包括第二差动放大电路121、第二电流镜123及第三电流镜125。第二差动放大电路121的输入端TI3(对应第三输入端)接收电流设定电压VIS，第二差动放大电路121的输入端TI4(对应第四输入端)接收第一反馈电压VF1，第二差动放大电路121的输出端TO3(对应第三输出端)输出第三输出电流IO3，第二差动放大电路121的输出端TO4(对应第四输出端)接收第四输出电流IO4，第二差动放大电路121的电流调整端TIR接收调整电流IRE。第二电流镜123接收第三输出电流IO3以设定第四输出电流IO4及第五输出电流IO5，且提供输出设定电压VOC。第三电流镜125接收第五输出电流IO5以设定调整电流IRE。

第二差动放大电路121例如包括晶体管M6～M8(对应第六晶体管至第八晶体管)，并且晶体管M6～M8例如是N型晶体管。晶体管M6的漏极(对应第一端)耦接输出端TO3以提供第三输出电流IO3，晶体管M6的栅极(对应控制端)耦接输入端TI3以接收电流设定电压VIS，晶体管M6的源极(对应第二端)耦接电流调整端TIR以接收调整电流IRE。晶体管M7的漏极耦接输出端TO4以提供第四输出电流IO4，晶体管M7的栅极耦接输入端TI4以接收第一反馈电压VF1，晶体管M7的源极(对应第二端)耦接晶体管M6的源极。晶体管M8的漏极耦接晶体管M6的源极，晶体管M8的栅极接收第二偏压VB2，晶体管M8的源极接收接地电压GND。

第二电流镜123例如包括晶体管M9～M11(对应第九晶体管至第十一晶体管)，并且晶体管M9～M11例如是P型晶体管。晶体管M9的源极(对应第一端)接收系统高电压VDD，晶体管M9的栅极(对应控制端)耦接晶体管M9的漏极(对应第二端)且提供输出设定电压VOC，晶体管M9的漏极耦接输出端TO3以接收第三输出电流IO3。晶体管M10的源极接收系统高电压VDD，晶体管M10的栅极耦接晶体管M9的栅极，晶体管M10的漏极耦接输出端TO4以接收第四输出电流IO4。晶体管M11的源极接收系统高电压VDD，晶体管M11的栅极耦接晶体管M9的栅极，晶体管M11的漏极输出第五输出电流IO5。

第三电流镜125例如包括晶体管M12及M13(对应第十二晶体管及第十三晶体管)，并且晶体管M12及M13例如是N型晶体管。晶体管M12的漏极(对应第一端)接收第五输出电流IO5，晶体管M12的栅极(对应控制端)耦接晶体管M12的漏极，晶体管M12的源极(对应第二端)接收接地电压GND。晶体管M13的漏极耦接电流调整端TIR，晶体管M13的栅极耦接晶体管M12的栅极，晶体管M13的源极接收接地电压GND。

依据上述，当输出电压Vout降低时，输出电压Vout会通过耦合电容Ccp耦合至晶体管M4及M5的栅极，以降低晶体管M4及M5的导通程度，甚或关闭晶体管M4及M5。并且，降低的第二反馈电压VF2会提高晶体管M3的导通程度，因此第二输出电流IO2会增加。此时，电流设定电压VIS的电压电平会快速上升。

接着，上升的电流设定电压VIS会提高晶体管M6的导通程度，而降低的第一反馈电压VF1会降低晶体管M7的导通程度，以致于第三输出电流IO3会增加，同时第三输出端TO3的电压电平会下降(等同于输出控制电压VOC)。因为第三输出电流IO3为增加，所以第四输出电流IO4及第五输出电流IO5也会同时增加，进而调整电流IRE也会增加。接着，增加的调整电流IRE提高了第三输出电流IO3的电流大小，进而加速了第三输出端TO3的电压电平的下降速度，以使功率晶体管MPR可快速反应输出电压Vout的下降而增加其导通程度，进而使输出电压Vout上升。

另一方面，当输出电压Vout上升时，输出电压Vout会通过耦合电容Ccp耦合至晶体管M4及M5的栅极，以提高晶体管M4及M5的导通程度。并且，上升的第二反馈电压VF2会降低晶体管M3的导通程度，因此第二输出电流IO2会减少。依据上述，电流设定电压VIS的电压电平会快速下降。

接着，下降的电流设定电压VIS会降低晶体管M6的导通程度或关闭晶体管M6，而提高的第一反馈电压VF1会提高晶体管M7的导通程度，以致于第三输出电流IO3会减少，同时第三输出端TO3的电压电平会上升(等同于输出控制电压VOC)。因为第三输出电流IO3为减少，所以第四输出电流IO4及第五输出电流IO5也会同时减少，进而调整电流IRE也会减少。接着，减少的调整电流IRE降低了第三输出电流IO3的电流大小，进而加速了第三输出端TO3的电压电平的上升速度，以使功率晶体管MPR可快速反应输出电压Vout的上升而降低其导通程度，进而使输出电压Vout下降。

综上所述，本发明实施例的低压差线性稳压器，其差动放大器反应于输出电压的变化调整电流设定电压，并且电流缓冲器依据输出电压的变化与电流设定电压的变化调整输出控制电压。藉此，本发明实施例的低压差线性稳压器可快速地反应输出电压的变化而调整功率晶体管的导通程度，以提高输出电压的稳定度。

虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视所附权利要求书界定范围为准。

Claims (9)

1.一种低压差线性稳压器，包括：

一功率晶体管，具有一第一端、一第二端及一控制端，该功率晶体管的该控制端接收一输出设定电压，该功率晶体管的该第一端接收一系统高电压，该功率晶体管的该第二端提供一输出电压；

一电压反馈单元，用以对该输出电压进行分压以产生一第一反馈电压及一第二反馈电压；

一第一差动放大电路，具有一第一输入端、一第二输入端、一第一输出端及一第二输出端，该第一输入端接收一参考电压，该第二输入端接收该第二反馈电压，该第一输出端输出一第一输出电流，该第二输出端提供一电流设定电压；

一第一电流镜，接收该第一输出电流以设定对应该电流设定电压的一第二输出电流，并且接收该输出电压以调整该第一输出电流及该第二输出电流；以及

一电流缓冲器，接收该电流设定电压及该第一反馈电压以提供该输出设定电压。

2.如权利要求1所述的低压差线性稳压器，其中该第一差动放大电路包括：

一第一晶体管，具有一第一端、一第二端及一控制端，该第一晶体管的该第一端接收该系统高电压，该第一晶体管的该控制端接收一第一偏压；

一第二晶体管，具有一第一端、一第二端及一控制端，该第二晶体管的该第一端耦接该第一晶体管的该第二端，该第二晶体管的该控制端耦接该第一输入端，该第二晶体管的该第二端耦接该第一输出端；以及

一第三晶体管，具有一第一端、一第二端及一控制端，该第三晶体管的该第一端耦接该第一晶体管的该第二端，该第三晶体管的该控制端耦接该第二输入端，该第三晶体管的该第二端耦接该第二输出端。

3.如权利要求1所述的低压差线性稳压器，其中该第一电流镜包括：

一第四晶体管，具有一第一端、一第二端及一控制端，该第四晶体管的该第一端耦接该第一输出端，该第四晶体管的该控制端耦接该第四晶体管的该第一端，该第四晶体管的该第二端接收一接地电压；

一第五晶体管，具有一第一端、一第二端及一控制端，该第五晶体管的该第一端耦接该第二输出端，该第五晶体管的该控制端耦接该第四晶体管的该控制端，该第五晶体管的该第二端接收该接地电压；以及

一耦合电容，耦接于该第四晶体管的该控制端与该输出电压之间。

4.如权利要求1所述的低压差线性稳压器，其中该电流缓冲器包括：

一第二差动放大电路，具有一第三输入端、一第四输入端、一第三输出端、一第四输出端及一电流调整端，该第三输入端接收该电流设定电压，该第四输入端接收该第一反馈电压，该第三输出端输出一第三输出电流，该第四输出端接收一第四输出电流，该电流调整端接收一调整电流；

一第二电流镜，接收该第三输出电流以设定该第四输出电流及一第五输出电流，且提供该输出设定电压；以及

一第三电流镜，接收该第五输出电流以设定该调整电流。

5.如权利要求4所述的低压差线性稳压器，其中该第二差动放大电路包括：

一第六晶体管，具有一第一端、一第二端及一控制端，该第六晶体管的该第一端耦接该第三输出端，该第六晶体管的该控制端耦接该第三输入端，该第六晶体管的该第二端耦接该电流调整端；

一第七晶体管，具有一第一端、一第二端及一控制端，该第七晶体管的该第一端耦接该第四输出端，该第七晶体管的该控制端耦接该第四输入端，该第七晶体管的该第二端耦接该第六晶体管的该第二端；以及

一第八晶体管，具有一第一端、一第二端及一控制端，该第八晶体管的该第一端耦接该第六晶体管的该第二端，该第八晶体管的该控制端接收一第二偏压，该第八晶体管的该第二端接收一接地电压。

6.如权利要求4所述的低压差线性稳压器，其中该第二电流镜包括：

一第九晶体管，具有一第一端、一第二端及一控制端，该第九晶体管的该第一端接收该系统高电压，该第九晶体管的该控制端耦接该第九晶体管的该第二端且提供该输出设定电压，该第九晶体管的该第二端耦接该第三输出端；

一第十晶体管，具有一第一端、一第二端及一控制端，该第十晶体管的该第一端接收该系统高电压，该第十晶体管的该控制端耦接该第九晶体管的该控制端，该第十晶体管的该第二端耦接该第四输出端；以及

一第十一晶体管，具有一第一端、一第二端及一控制端，该第十一晶体管的该第一端接收该系统高电压，该第十一晶体管的该控制端耦接该第九晶体管的该控制端，该第十一晶体管的该第二端输出该第五输出电流。

7.如权利要求4所述的低压差线性稳压器，其中该第三电流镜包括：

一第十二晶体管，具有一第一端、一第二端及一控制端，该第十二晶体管的该第一端接收该第五输出电流，该第十二晶体管的该控制端耦接该第十二晶体管的该第一端，该第十二晶体管的该第二端接收一接地电压；以及

一第十三晶体管，具有一第一端、一第二端及一控制端，该第十三晶体管的该第一端耦接该电流调整端，该第十三晶体管的该控制端耦接该第十二晶体管的该控制端，该第十三晶体管的该第二端接收该接地电压。

8.如权利要求1所述的低压差线性稳压器，其中该该输出电压大于该第一反馈电压，该第一反馈电压大于该第二反馈电压。

9.如权利要求8所述的低压差线性稳压器，其中该电压反馈单元包括：

一第一电阻，该第一电阻的一端接收该输出电压，该第一电阻的另一端提供该第一反馈电压；

一第二电阻，该第二电阻的一端耦接该第一电阻的另一端，该第二电阻的另一端提供该第二反馈电压；以及

一第三电阻，耦接于该第二电阻的另一端与一接地电压之间。