CN107750351A - 电压调节器 - Google Patents

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Abstract

一种低压差电压调节器(2)包括：差分放大器部(4)，包括连接至参考电压(16)的第一放大器输入、第二放大器输入、及由该参考电压及该第二放大器输入上的电压之间的电压差所确定的差分输出；输出部(10)，被设置成提供被该放大器部的该差分输出所控制的调节器输出电压(62)，该第二放大器输入连接至该调节器输出电压(70)或从其导出；及偏置部(8)，被设置成测量外部负载电流且根据该负载电流将偏置电流提供给该差分放大器部。

Description

电压调节器
技术领域
本发明涉及电压调节器，特别是涉及低压差电压调节器。
背景技术
低压差(LDO)电压调节器是能够以非常低的输入-输出差分电压操作的线性直流(DC)电压调节器。通常会选用这样的调节器，因其具有较低的最小操作电压、较高的功率效率及较低的热耗散。
然而申请人现已了解，在典型的LDO电压调节器中，除非该调节器是在接近其最大设计负载电流下操作，否则无法达成该高功率效率，因其所拉(draw)的该静态电流取决于最大负载。然而申请人已进一步了解，实际上，在大多数应用中该LDO调节器只需要以非常小的时间比例实现其最大负载电流或接近最大负载电流。因此实际达到的实际效率显著地低于该理论值。
发明内容
本发明旨在提供一种改良的方式及提供一种低压差电压调节器，其包括：
差分放大器部，包括连接至参考电压的第一放大器输入、第二放大器输入、及被该参考电压及该第二放大器输入上的电压之间的电压差所确定的差分输出；
输出部，被设置成提供被该放大器部的该差分输出所控制的调节器输出电压，所述第二放大器输入连接至所述调节器输出电压或从其导出；及
偏置部，被设置成测量外部负载电流且根据该外部负载电流将偏置电流提供给该差分放大器部。
因此，本领域技术人员可理解，本发明提供了一种可基于该负载产生的电流对被提供给该差分放大器的偏置电流的水平进行适配的低压差(LDO)电压调节器。这意味着当提供小的负载电流时，该LDO调节器不需要大的静态电流，从而显著地减少该电路在低负载下的功率消耗，同时在需要大负载电流的情况下仍允许‘加大’该偏置电流以维持稳定性。通过以这种方式合适地对该LDO调节器进行偏置，当与传统LDO调节器比较时，该电路也可达成改良的带宽及短暂的响应。
虽然本发明在多个应用中是有益的，但申请人已了解在输出电容器跨接在(也就是并联于)该LDO调节器输出部的情况下特别有利。在一组这样的实施例中，该输出电容器被设置于具有该LDO调节器的集成电路装置外。该输出电容器配合被该LDO调节器驱动的该负载，为该LDO调节器提供频率相依性传递函数。
如同任何电路一般，LDO调节器的该差分放大器具有描述该电路的频率响应的关联传递函数。该传递函数在典型上具有位于被称为转折频率的特定频率处的极点。一旦达到该最低频率或‘主’极点的频率，该电路的增益开始以20dB/decade(十)的速率减少(也就是在频率中每增加十倍，该增益掉落20dB)。任何后续的极点则使该速率进一步增加20dB/decade。每个极点也将引入90度的相移。因此在有两极点的情况下，该输出反相(也就是具有180度的相位差)于该输入，这可能导致该电路不稳定。因此，为使电路稳定，该增益应在该第二极点(也就是第一个‘非主’极点)频率以下的频率处降至单位增益。
由于该输出电容器及负载形成第一阶低通滤波器，可按方程式1计算出与该LDO调节器的该主极点对应的该转折频率fc。
其中C是该输出电容器的电容，而R是该负载的电阻Rload及该放大器的输出电阻Rout的并联组合，如以下方程式2所示。
在这样的装置中，当该负载电流较大时，该负载的电阻较小，这使该主极点的频率漂移至更高。当该负载电流较大时，该放大器的输出电阻也较小，因此无法阻止该主极点随着增加的负载电流而漂移至更高频率。
该主极点移至更高频率的漂移可能导致稳定性问题，因其不会使该非主极点漂移，意味着该第二极点可能处在使该增益降至单位增益的频率以下的频率。对此，通过使该差分放大器具有相对高的偏置电流来抵消。然而，在传统的装置中，此偏置电流是固定的，意味着该调节器在低负载下不必要时提供高偏置，从而浪费功率。然而根据本发明，只在必要时，也就是在较高的负载电流下，增加偏置电流，使本发明的实施例在较宽的负载电流的范围内具有更高的功率效率，同时维持稳定性。
在一些实施例中，该偏置部包括偏置电阻器及偏置电容器。这样的实施例引入响应于该负载电流的额外的非主极点。这确保，当提供较高负载电流且使该主极点漂移至较高频率时，使该第一非主极点也漂移至较高频率，从而在该第二极点之前达到单位增益。
在一组实施例中，该输出部包括具有第一阻抗的第一分压器(divider)晶体管及具有第二阻抗的第二分压器晶体管，其被设置成使得该调节器输出电压为电源电压的分数，所述分数由所述第一及第二阻抗的比例确定，所述第一及第二阻抗中的至少一个由该放大器部的该差分输出控制。
在本领域本身中已知有很多能根据本发明容易实施的差分放大器配置。然而，在一组实施例中，该差分放大器部包括长尾对，其被设置成使得第一差分晶体管的栅极端子连接至该第一放大器输入，且第二差分晶体管的栅极端子连接至该第二放大器输入，其中该第一及第二差分晶体管的源极端子彼此连接。此装置允许在取自其差分晶体管的漏极端子的输出上产生差分电压，其中该差分电压取决于在该第一及第二输入上的电压之间的电压差。
在一些实施例中，该第一及第二差分晶体管的源极端子连接至尾晶体管。在这样的实施例中，该尾晶体管作为电流源，且可为该差分放大器部提供运行所需的该电流的一部分。
在一些实施例中，该差分放大器进一步包括连接至该第一差分晶体管的漏极端子的第一放大器电流镜、及连接至该第二差分晶体管的漏极端子的第二放大器电流镜。这些电流镜可起到用以转换该输出为单端电压的有源负载，减轻经由无源(电阻)负载连接电源轨的差分对放大器中常见的损失。
在一些实施例中，该差分放大器包括连接至该第一差分晶体管的漏极端子的第一放大器电流镜，其中该第一放大器电流镜包括：
第一晶体管，其源极端子连接至该电源电压，及其栅极及漏极端子连接至该第一差分晶体管的漏极端子；及
第二晶体管，其源极端子连接至该电源电压，及其栅极端子同时连接至该第一差分晶体管的漏极端子及该第一晶体管的栅极端子。
在一些实施例中，该差分放大器包括连接至该第二差分晶体管的漏极端子的第二放大器电流镜，其中该第二放大器电流镜包括：
第三晶体管，其源极端子连接至该电源电压，及其栅极及漏极端子连接至该第二差分晶体管的漏极端子；及
第四晶体管，其源极端子连接至该电源电压，及其栅极端子同时连接至该第二差分晶体管的漏极端子及该第三晶体管的栅极端子。
在一些实施例中，该差分放大器包括第三放大器电流镜，第三放大器电流镜包括：
第五晶体管，其漏极端子连接至该第二晶体管的漏极端子，及其源极端子接地；及
第六晶体管，其漏极端子连接至该第四晶体管的漏极端子，及其源极端子接地，
其中该第五及第六晶体管的栅极端子彼此连接。因此，此第三电流镜与该第一镜级联。
在一些实施例中，该第一、第二、第三、及第四晶体管为p沟道金氧半导体场效晶体管，而该第五及第六晶体管为n沟道金氧半导体场效晶体管。此优选的装置允许该第三电流放大器电流镜汲取具有与由该第一电流镜发出的电流相同的大小的电流。
如以上所解释，该偏置部被设置成将偏置电流提供给该差分放大器部。虽然有许多达成这一目标的方法，但在一组实施例中该偏置部包括被设置成将可控制的偏置电流提供给该差分放大器部的自适应偏置晶体管。通过改变该自适应偏置晶体管的导电性，提供给该差分放大器的偏置电流的量是直接可控的。
虽然该差分放大器可被直接连接至该输出部，在一组实施例中该LDO调节器包括缓冲部。该缓冲部可被用以减少由该输出部可见的该差分放大器的有效输出阻抗。在一组实施例中该缓冲部包括被设置成源极跟随器的缓冲晶体管。优选地，该缓冲部起到电压跟随器的作用，其中该缓冲部的输出电压跟随所施加的输入电压。该缓冲部有利地防止该输出部实际上变成在该差分放大器的输出上的失配负载。
该自适应偏置可通过直接测量来自该输出部的电流来达成。然而，考虑到该偏置电流通常是数量级低于该输出电流，这可能是无效的。在一些实施例中，该偏置部包括被设置成提供镜像电流的镜像晶体管。在一些实施例中，该镜像晶体管是实体上小于该第一分压器晶体管。该镜像电流则是该输出电流的比例复制品，例如其可比该输出电流小一千倍，从而使得功耗显著减少。
附图说明
本发明的实施例现在将仅以示例方式参照附图被描述，其中：
图1是根据本发明的实施例的低压差电压调节器的电路图；
图2是显示图1的实施例中偏置电流及负载电流之间的关系的图表；及
图3是显示图1的实施例中电流效率及该负载电流之间的关系的图表。
具体实施方式
图1是根据本发明的实施例的低压差(LDO)电压调节器2的电路图。该LDO调节器2包括差分放大级4、缓冲级6、自适应偏置级8、及输出级10。
该差分放大级4包括长尾对装置，其包括两个n沟道金氧半导体(NMOS)场效晶体管(FET或MOSFET)20、22。这两个晶体管20、22形成差分对并被设置成产生可被传递至如在下文中将被说明的该缓冲级6的差分输出。
该第一差分晶体管20的栅极系连接至参考电压16。该第二差分晶体管22的栅极端子被连接到节点70，该LDO调节器2的主要输出电压62取自节点70。此节点70是如后续将要描述的该输出级10内的分压器的中心点。
该第一及第二差分晶体管20、22的源极端子彼此连接。该第一及第二差分晶体管20、22的源极端子还连接至NMOS尾晶体管36。该尾晶体管36起到电流源的作用，且为该差分放大级4提供其运行所需的最小量的电流。该尾晶体管36生成通过电流供应晶体管58的电流的镜像，其进而生成被外部偏置电流源18供应的电流的镜像。
在该差分放大级4内还包括分别关联于差分晶体管20、22的第一及第二电流镜。这样的第一电流镜包括第一及第二晶体管24、26。该第一晶体管24是p沟道金氧半导体(PMOS)晶体管，其源极端子连接至电源电压12，及其栅极及漏极端子连接至该第一差分晶体管20的漏极端子。该第二晶体管26也是PMOS晶体管26，其源极端子连接至电源电压12，其栅极端子同时连接至该第一差分晶体管20的漏极端子及该第一晶体管24的栅极端子。
类似地，该第二电流镜包括第三及第四晶体管30、32。该第三晶体管(PMOS)30，使其源极端子连接至电源电压12，及其栅极及漏极端子连接至该第二差分晶体管22的该漏极端子。该第四晶体管(PMOS)32，使其源极端子连接至电源电压12，其栅极端子同时连接至该第二差分晶体管22的漏极端子及该第三晶体管30的栅极端子。
第五及第六晶体管28、34形成第三电流镜。该第五晶体管(NMOS)28，使其漏极端子连接至该第二晶体管26的漏极端子，及其源极端子接地14。该第六晶体管(NMOS)34，使其漏极与栅极端子连接至该第四晶体管32的漏极端子，及其源极端子接地14。该第五晶体管28及该第六晶体管34的栅极彼此连接。该第一及第二电流镜包括起到电流源的作用的PMOS晶体管，而此第三电流镜包括相反地被设置成汲取电流的NMOS晶体管。此结果就是，通过该第三电流镜的电流是通过该第一电流镜的电流的‘翻转(flipped)’版本。
这三个电流镜起到用以将在节点72处提供的输出转换为单端电压的有源负载的作用。在节点72处的电压取决于在该第一及第二差分晶体管20、22的栅极端子上的电压之间的差。
该缓冲级6包括第一NMOS缓冲晶体管38及第二NMOS缓冲晶体管40。该第一缓冲晶体管38的漏极端子连接至电源电压12，而其源极端子连接至该第二缓冲晶体管40的漏极端子。该第二缓冲晶体管40的源极端子接地14。
该第二缓冲晶体管40的栅极端子连接至该电流供应晶体管58，其以类似于该尾晶体管36的方式进而生成被该外部偏置电流源18供应的电流的镜像。
该第一缓冲晶体管38的栅极端子经由该节点72连接至来自该差分放大级4的输出。该第一缓冲晶体管38被设置成源极跟随器，如此其源极端子上的电压(也就是在节点74的电压)跟随其栅极端子上的电压(也就是在节点72上的电压)。当相比于该差分放大级4的输出阻抗时，这使得在输出阻抗方面有显著减少。
该输出级10包括第一PMOS分压器晶体管52及第二NMOS分压器晶体管54，此两者被设置成在该节点70提供调节器输出电压62，该电压为电源电压12的分数。该分数取决于该第一及第二分压器晶体管52、54的阻抗的比例，而其被来自该缓冲级6的输出电压(也就是在节点74的电压)所控制。
负载56及补偿电容器58跨接至该输出级10的输出。该补偿电容器58允许该调节器对波动负载更快速地响应。该负载56及该补偿电容器58一同为该LDO调节器2提供频率相依性传递函数。由于该补偿电容器58及负载56形成第一阶低通滤波器，对应至该LDO调节器的该主极点的该转折频率fc可按以下方程式3计算，其中Rload负载56的电阻，Rout是该输出级8的输出阻抗(也就是该第一及第二分压器晶体管52、54的阻抗的并联组合)，而C是该补偿电容器58的电容。
该自适应偏置级8包括PMOS复制品(replica)晶体管42，其被配置在同源装置中，其中其源极连接至电源电压12。该复制品晶体管42为该第一分压器晶体管52的实体上缩小版本，而在特定范例中被选为比该第一分压器晶体管52小一千倍。这意味着通过该复制品晶体管42的电流也是通过该第一分压器晶体管52的电流的缩小的复本，后者对应于流过该负载56的负载电流60。
该复制品晶体管42的栅极端子连接至节点74，而其漏极同时连接至NMOS二极管连接(diode-connected)晶体管44的漏极与栅极。这些都连接至固定偏置电阻器46，其转而连接至NMOS偏置控制晶体管50的栅极端子。该偏置控制晶体管50并联连接于该尾晶体管36，因此使其源极端子接地14及使其漏极端子同时连接该尾晶体管36的漏极端子及差分晶体管20、22的源极端子。此偏置控制晶体管50控制流经它的电流64来响应流经该复制品晶体管42的电流。
偏置电容器48连接至该固定偏置电阻器46及并联于该偏置控制晶体管50。该偏置电阻器46及电容器48将额外的、可控制的非主极点引入至该LDO调节器2中。由于该偏置电容器48及电阻器46形成第一阶低通滤波器，可按以上方程式3将该偏置电阻器46的电阻代入R及将该偏置电容器48的电容代入C以计算出与该LDO调节器的该可控制的非主极点对应的该转折频率fc。
该偏置控制晶体管50产生的电流64被与该尾晶体管36产生的该最小偏置电流经相加以形成在该误差放大级4内驱动该差分放大器的总偏置电流66。随着该负载电流60的增加，流过该复制品晶体管42的电流同样增加，这是由于该自适应偏置级8使被供应至该差分放大级4的该偏置电流66增加。这意味着在低负载电流下，较小的偏置(或‘静态’)电流66被供应，但该LDO可通过相应地缩放该偏置电流66来保持稳定的同时处理较大的负载电流。
图2是显示图1的实施例的放大器中该负载电流60及该偏置电流66之间的关系的对数图表。如从图表中可见，对于低负载电流60，该LDO调节器2产生最小偏置电流66。若该负载电流60增加，该偏置电流66追踪这样的增加以便随时维持稳定性。
图3是显示图1的实施例的放大器中的该负载电流60(采用对数)及电流效率68(用百分比线性地)之间的关系的图表。
按照方程式4计算出该负载电流60及从该电源产生的总电流之间的比例以作为该电流效率68。
如从该图表可见，当该负载电流60增加，该电流效率68同样增加。对于500nA以上的负载电流60，该电流效率大于90％。
因此，可看出，本文中已描述了在低负载电流下具改良的功率效率、能够在较宽范围的负载电流下维持稳定性的低压差电压调节器装置。虽然详细描述了特定的实施例，但是本领域技术人员可理解利用本文所记载的本发明的原理可作出许多变化及修改。

Claims (18)

1.一种电压调节器，其包括：
差分放大器部，包括第一放大器输入、第二放大器输入及差分输出，所述第一放大器输入连接至参考电压，所述差分输出由所述参考电压及所述第二放大器输入上的电压之间的电压差确定；
输出部，被设置成提供被所述差分放大器部的所述差分输出所控制的调节器输出电压，所述第二放大器输入连接至所述调节器输出电压或从所述调节器输出电压导出；及
偏置部，被设置成测量外部负载电流且根据所述外部负载电流将偏置电流提供给所述差分放大器部。
2.根据权利要求1所述的电压调节器，其中，输出电容器与所述输出部并联连接。
3.根据权利要求2所述的电压调节器，其中，所述输出电容器被设置于集成电路装置的外部，在所述集成电路装置上设有所述电压调节器。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电压调节器，其中，所述偏置部包括偏置电阻器及偏置电容器。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电压调节器，其中，所述偏置部包括被设置成提供镜像电流的镜像晶体管。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电压调节器，其中，所述输出部包括具有第一阻抗的第一分压器晶体管及具有第二阻抗的第二分压器晶体管，所述第一分压器晶体管以及所述第二分压器晶体管被设置成使得所述调节器输出电压为电源电压的分数，所述分数由所述第一阻抗及所述第二阻抗的比例确定，所述第一阻抗及所述第二阻抗中的至少一个由所述差分放大器部的所述差分输出所控制。
7.根据权利要求6所述的电压调节器，其中，所述偏置部包括被设置成提供镜像电流的镜像晶体管，而所述镜像晶体管是实体上小于所述第一分压器晶体管。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电压调节器，其中，所述差分放大器部包括长尾对，所述长尾对被设置成使得第一差分晶体管的栅极端子连接至所述第一放大器输入且使得第二差分晶体管的栅极端子连接至所述第二放大器输入，其中所述第一差分晶体管的源极端子及所述第二差分晶体管的源极端子彼此连接。
9.根据权利要求8所述的电压调节器，其中，所述第一差分晶体管及第二差分晶体管的源极端子连接至尾晶体管。
10.根据权利要求9所述的电压调节器，其中，所述尾晶体管被设置成电流源。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的电压调节器，其中，所述差分放大器进一步包括连接至所述第一差分晶体管的漏极端子的第一放大器电流镜、及连接至所述第二差分晶体管的漏极端子的第二放大器电流镜。
12.根据权利要求8至10中任一项所述的电压调节器，其中，所述差分放大器包括连接至所述第一差分晶体管的漏极端子的第一放大器电流镜，其中所述第一放大器电流镜包括：
第一晶体管，其源极端子连接至所述电源电压，且其栅极端子及漏极端子连接至所述第一差分晶体管的漏极端子；及
第二晶体管，其源极端子连接至所述电源电压，且其栅极端子同时连接至所述第一差分晶体管的漏极端子及所述第一晶体管的栅极端子。
13.根据权利要求12所述的电压调节器，其中，所述差分放大器包括连接至所述第二差分晶体管的漏极端子的第二放大器电流镜，其中所述第二放大器电流镜包括：
第三晶体管，其源极端子连接至所述电源电压，且其栅极端子及漏极端子连接至所述第二差分晶体管的漏极端子；及
第四晶体管，其源极端子连接至所述电源电压，且其栅极端子同时连接至所述第二差分晶体管的漏极端子及所述第三晶体管的栅极端子。
14.根据权利要求13所述的电压调节器，其中，所述差分放大器包括第三放大器电流镜，所述第三放大器电流镜包括：
第五晶体管，其漏极端子连接至所述第二晶体管的漏极端子，且其源极端子接地；及
第六晶体管，其漏极端子连接至所述第四晶体管的漏极端子，且其源极端子接地，
其中所述第五晶体管的栅极端子及所述第六晶体管的栅极端子彼此连接。
15.根据权利要求14所述的电压调节器，其中，所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管及所述第四晶体管为p沟道金氧半导体场效晶体管，而所述第五晶体管及所述第六晶体管为n沟道金氧半导体场效晶体管。
16.根据前述权利要求中任一项所述的电压调节器，其中，所述偏置部包括被设置成将可控制的偏置电流提供给所述差分放大器部的自适应偏置晶体管。
17.根据前述权利要求中任一项所述的电压调节器，包括缓冲部。
18.根据权利要求17所述的电压调节器，其中，所述缓冲部包括被设置成源极跟随器的缓冲晶体管。
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