CN107797595B - 具有消除噪声的电压稳压电路 - Google Patents

Abstract

本发明有关一种具有消除噪声的电压稳压电路，包含：一参考电压源电路、一噪声消除电路、一误差放大器、一传输晶体管以及一分压电路。本发明提供的电压稳压电路可消除参考电压源电路与误差放大器所产生的噪声，并可改善电压稳压电路的电源电压抑制比(Power Supply Rejection Ratio,PSRR)。本发明可以降低电压稳压电路本身产生的噪声与电源噪声。

Description

具有消除噪声的电压稳压电路

技术领域

本发明有关于一种电压稳压电路，且特别是具有消除本身噪声的电压稳压电路。

背景技术

现有的电压稳压电路包含参考电压电路、低通滤波电路、误差放大器、传输晶体管以及分压电路等，上述电路及元件都是有可能产生噪声。现有的电压稳压电路的噪声主要来自于参考电压电路、误差放大器以及输入电压，其中参考电压电路的噪声虽然可以通过低通滤波器来改善，然而缺点是低通滤波器中的电容会占据较大的晶片面积，误差放大器的噪声可通过传输晶体管导通的电阻与负载电容来滤除，然而缺点是较大的负载电容值会使得现有的电压稳压电路稳定度变差且对低频噪声的滤除有限，而输入电压到输出电压的噪声抑制一般称为电源电压抑制比，此噪声可通过误差放大器比较参考电压及输出电压的分压来降低，但是缺点是受到误差放大器增益及频宽的限制。因此，为了减少电压稳压电路的噪声，已成为该项事业所欲解决的重要课题之一。

发明内容

本发明实施例在于提供一种具有消除噪声的电压稳压电路，其能有效地改善现有电压稳压电路所产生的噪声问题，抑制电压稳压电路本身元件所产生的噪声干扰。

本发明实施例提供一种具有消除本身噪声的电压稳压电路，包含：一参考电压源电路、一噪声消除电路、一误差放大器、一传输晶体管以及一分压电路。其中该噪声消除电路的输出端耦接该参考电压源电路，该误差放大器的第一输入端耦接该参考电压源电路、该误差放大器的第二输入端耦接该噪声消除电路的输入端，该传输晶体管的栅极端耦接该误差放大器的输出端，该传输晶体管的输入端耦接一输入电压源，以及该传输晶体管的输出端输出一负载电压，该分压电路的输入端耦接该传输晶体管的输出端，该分压电路的接地端接地，以及该分压电路的分压端耦接该噪声消除电路的输入端。其中，该负载电压包含一第一噪声；该分压电路的分压端产生一第一比例的该第一噪声；该噪声消除电路依据该第一比例的该第一噪声输出一反馈噪声至该误差放大器的第一输入端；以及该误差放大器、该传输晶体管与该分压电路构成一闭回路放大器，该闭回路放大器对该反馈噪声放大该第一比例的倒数倍，并输出一调整噪声至该传输晶体管的输出端，以使该第一噪声及该调整噪声叠加以降低该第一噪声。

综合以上所述，本发明实施例所提供的具有消除电压稳压电路本身噪声与电源噪声的电压稳压电路，电压稳压电路本身产生的噪声与电源噪声通过噪声消除电路后得到反相噪声，因为噪声以及反相噪声的抵消而降低电压稳压电路本身产生的噪声与电源噪声。

为使能更进一步了解本发明为实现既定目的所采取的技术、方法及技术效果，请参阅以下有关本发明的详细说明、附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得以深入且具体的了解，然而说明书附图与附件仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

图1是本发明实施例的具有消除噪声的电压稳压电路的系统方块图。

图2是本发明实施例说明能隙参考电路噪声与误差放大器噪声的噪声消除示意图。

图3是本发明实施例的具有消除噪声的电压稳压电路与现有电压稳压电路的噪声消除的比较示意图。

图4是本发明实施例的改善电源电压抑制比的噪声消除示意图。

图5是本发明实施例的具有消除噪声的电压稳压电路与现有电压稳压电路的电源电压抑制比的比较示意图。

附图标记说明：

1 参考电压源电路

2 负载

3 噪声消除电路

5 误差放大器

7 传输晶体管

9、113 分压电路

11 能隙参考电路

13 低通滤波器

31 反相放大器

35、73、91、131、1131 输入端

37、39、55、75、135、1115 输出端

51、1111 第一输入端

53、1113 第二输入端

71 栅极端

93、133、1133 接地端

95、1135 分压端

100 电压稳压电路

200、300、400、500 噪声曲线

111 放大器

Vin 输入电压源

Vout 负载电压

Vref 参考电压

Vbg1 能隙电压

Vbg2 输出能隙电压

R1 第一电阻

R2 第二电阻

R3 电阻

C1 第一电容

C2 电容

CL 负载电容

β 第一比例

α 第二比例

N1 第一噪声

N2 第二噪声

N3 第三噪声

N4 第四噪声

N5 第五噪声

N6 第六噪声

NA 噪声

具体实施方式

在下文将参看说明书附图更充分地描述各种例示性实施例，在说明书附图中展示一些例示性实施例。然而，本发明概念可能以许多不同形式来体现，且不应解释为限于本文中所阐述的例示性实施例。确切而言，提供此等例示性实施例使得本发明将为详尽且完整，且将向熟习此项技术者充分传达本发明概念的范畴。在诸附图中，可为了清楚而夸示层及区的大小及相对大小。类似数字始终指示类似元件。

应理解，虽然本文中可能使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件或信号等，但此等元件或信号不应受此等术语限制。此等术语乃用以区分一元件与另一元件，或者一信号与另一信号。另外，如本文中所使用，术语「或」视实际情况可能包括相关联的列出项目中的任一者或者多者的所有组合。

图1是本发明实施例的具有消除噪声的电压稳压电路的系统方块图。本发明实施例的具有消除噪声的电压稳压电路100仅为了阐述目的，而非限制本发明。假设电压稳压电路100接上一负载2并产生一负载电容CL，如下面进一步描述的，本发明实施例的具有消除噪声的电压稳压电路100能有效地改善现有电压稳压电路所产生的噪声问题，进一步地抑制电压稳压电路本身元件所产生的噪声干扰。在一实施例中，具有消除噪声的电压稳压电路100可应用在任何电源供应系统中，如频率合成器(Frequency synthesizer)，以便提供稳定的电压。

如图1所示，具有消除噪声的电压稳压电路100包含参考电压源电路1、噪声消除电路3、误差放大器5、传输晶体管7以及分压电路9。根据本文所教示的，本领域的技术人员可以理解的是，具有消除噪声的电压稳压电路100可包括比图1中所示更多或更少的元件。

在一实施例中，参考电压源电路1包含能隙参考电路11以及低通滤波电路13，参考电压源电路1用以提供参考电压Vref给具有消除噪声的电压稳压电路100。能隙参考电路11包含放大器111以及分压电路113，放大器111的第一输入端1111接收一能隙电压(Bandgapvoltage)Vbg1，放大器111的输出端1115输出一输出能隙电压Vbg2，而分压电路113的输入端1131耦接放大器111的输出端1115，分压电路113的接地端1133接地，分压电路113的分压端1135耦接放大器的第二输入端1113。低通滤波电路13的输入端131即电阻R3的第一端耦接能隙参考电路11的输出端1115以接收输出能隙电压Vbg2，低通滤波电路13的接地端133即电容C2的第二端接地，低通滤波电路13的输出端135即电阻R3的第二端与电容C2的第一端输出参考电压Vref。根据本文所教示的，本领域的技术人员可以依据实际应用情形设计参考电压源电路1中的元件及装置，例如等效放大器111功能的元件及装置、等效分压电路113功能的元件及装置或分压电路13可包含多个阻值元件及装置进行分压、等效低通滤波电路13功能的元件及装置、及等效参考电压源电路1功能的元件及装置。

在一实施例中，噪声消除电路3包含反相放大器31以及第一电容C1。噪声消除电路3的输入端35即反相放大器31的输入端，反相放大器31的输出端39即第一电容C1的第一端，第一电容C1的第二端即噪声消除电路3的输出端37。

根据本文所教示的，本领域的技术人员可以依据实际应用情形增加、减少或设计噪声消除电路3中的元件及装置，例如反相放大器31可以是场效晶体管放大器、双载子接面晶体管放大器、运算放大器、或等效反相放大器31功能的元件及装置，或是噪声消除电路3仅包含反相放大器31。

在一实施例中，噪声消除电路3的输出端37耦接参考电压源电路1的输出端135，误差放大器5的第一输入端51耦接参考电压源电路1的输出端135，误差放大器5的第二输入端53耦接噪声消除电路3的输入端35，传输晶体管7的栅极端71耦接误差放大器5的输出端55，传输晶体管7的输入端73耦接输入电压源Vin，传输晶体管7的输出端75输出负载电压Vout，分压电路9的输入端91耦接传输晶体管7的输出端75，分压电路9的接地端93接地，以及分压电路9的分压端95耦接噪声消除电路3的输入端35。根据本文所教示的，本领域的技术人员可以依据实际应用情形设计有消除噪声的电压稳压电路100中的元件及装置，例如等效分压电路9功能的元件及装置或分压电路9可包含多个阻值元件及装置进行分压，以及当误差放大器5为非反相放大器时，传输晶体管7为N型场效晶体管，或是当误差放大器5为反相放大器时，传输晶体管7为P型场效晶体管。

在本实施例中，负载电压Vout包含第一噪声N1，而第一噪声N1的来源来自输入电压源Vin及/或参考电压源电路1及/或误差放大器5。分压电路9的分压端95依据负载电压Vout上的第一噪声N1产生一第一比例β的第一噪声N1，即βN1。噪声消除电路3的输入端35接收噪声βN1，并通过反相放大器31将噪声βN1放大一反向第二比例-α倍，由于噪声消除电路3本身也会产生噪声NA，故反相放大器31的输出端39产生的第二噪声N2为-αβN1+NA。噪声消除电路3的输出端37输出一反馈噪声N2/α，其中，该第二比例α可通过设计电容C1与C2的值获得，后续将做详细的说明。

接着，误差放大器5的第一输入端51接收反馈噪声N2/α，误差放大器5、传输晶体管7与分压电路9构成一闭回路放大器，且放大倍数被设计为第一比例β的倒数倍1/β。故传输晶体管7的输出端75将输出一调整噪声N2/αβ。

最后，第一噪声N1以及调整噪声N2/αβ于传输晶体管7的输出端75进行叠加以降低第一噪声N1。

上述第一比例β为分压电路9中第一电阻R1与第二电阻R2的比例，如β＝R2/(R1+R2)，第一比例β可为小于或等于1(即R1＝0欧姆)。误差放大器5、传输晶体管7与分压电路9构成的闭回路放大器的放大倍数可被设计为第一比例β的倒数倍1/β。当第一比例β被设计等于1时，传输晶体管7的输出端75直接连接噪声消除电路3的输入端35。

根据本文所教示，本领域的技术人员可以依据实际应用情形设计分压电路9中第一电阻R1与第二电阻R2的比例以计算出第一比例β进而得到误差放大器5的放大倍数；或误差放大器5的放大倍数可与第一比例β有倍数关系；或误差放大器5的放大倍数可与第一比例β无关系。

上述第二比例α是由噪声消除电路3中的第一电容C1与参考电压源电路1中低通滤波电路13的电容C2所组成，如α＝(C1+C2)/C1。第二比例α可被设计为大于1、等于1(即C2＝0法拉)或小于1(即不存在C1)。而反相放大器31的放大倍率则设计为第二比例α的反相放大倍数-α。

根据本文所教示，本领域的技术人员可以依据实际应用情形增加、减少或设计噪声消除电路3中的元件及装置，例如噪声消除电路3仅包含反相放大器31；或依据噪声消除电路3中的第一电容C1与参考电压源电路1中低通滤波电路13的电容C2的比例以计算出第二比例α进而得到反相放大器31的反相放大倍数-α；或反相放大器31的反相放大倍数可与第二比例α有倍数关系；或反相放大器31的反相放大倍数可与第二比例α无关系。

图2是本发明实施例说明能隙参考电路噪声与误差放大器噪声的噪声消除示意图。

在一实施例中，传输晶体管7的输出端75输出负载电压Vout，负载电压Vout包含第三噪声N3，而第三噪声N3来自参考电压源电路1及误差放大器5，其中分压电路9的分压端95依据负载电压Vout上的第三噪声N3产生第一比例β的第三噪声N3，即βN3。

噪声消除电路3的输入端35接收噪声βN3，由于噪声消除电路3自身也会产生噪声NA，因此反相放大器31的输出端39输出第四噪声N4为-αβN3+NA。接着，第四噪声N4通过第一电容C1与第二电容C2的组合，被放大第二比例α的倒数倍1/α，即噪声消除电路3的输出端输出反馈噪声N4/α，其中，第二比例α的设计可参考前一实施例，在此不重复赘述。

误差放大器5的第一输入端51接收反馈噪声N4/α，误差放大器5、传输晶体管7与分压电路9构成闭回路放大器，且放大倍数设计为第一比例β的倒数倍1/β。故传输晶体管7的输出端75将输出调整噪声N4/αβ。

最后，第三噪声N3及调整噪声N4/αβ于传输晶体管7的输出端75进行叠加以降低第三噪声N3。

图3是本发明实施例的具有消除噪声的电压稳压电路与现有电压稳压电路的噪声消除的比较示意图。如图3所示，本发明实施例的具有消除噪声的电压稳压电路100产生的噪声曲线200，在大部分的工作频率下，是优于现有电压稳压电路输出产生的噪声曲线300。噪声消除电路3的反相放大器31虽然也会产生噪声，但是会比参考电压源电路1及误差放大器5所产生的噪声低很多。因此本发明实施例的具有消除噪声的电压稳压电路的优点至少有1.处理低频噪声时第一电容C1不需要大的电容值，因为频率相关的信号(噪声)会与噪声消除电路3中的第一电容C1与参考电压源电路1中低通滤波电路13的电容C2组成的电容分压电路构成分压，2.噪声消除电路3的反相放大器31的反相放大倍数-α为第一电容C1与电容C2所组成的电容分压的倒数，以及3.可以不需要增加额外的噪声滤除器、加/减法电路以及比较电路，进而大幅降低电路的复杂度。

图4是本发明实施例的改善电源电压抑制比(power supply rejection ratio,PSRR)的噪声消除的示意图。此时来自输入电压源Vin的噪声可由误差放大器5、传输晶体管7与分压电路9构成闭回路放大器进行抑制(即所谓的电源电压抑制比)，而当输入电压源Vin的噪声被电源电压抑制比抑制后则会变成电压稳压电路100的输出噪声为第五噪声N5。

而噪声消除电路3就可对第五噪声N5进行进一步的噪声消除。在一实施例中，传输晶体管7的输出端75输出负载电压Vout，负载电压Vout包含第五噪声N5，其中分压电路9的分压端95依据负载电压Vout包含的第五噪声N5产生第一比例β的第五噪声N5，即βN5。

噪声消除电路3的输入端35接收噪声βN5，由于噪声消除电路3也会产生噪声NA，因此反相放大器31的输出端39输出第六噪声N6为-αβN5+NA。接着，第六噪声N6通过第一电容C1与第二电容C2的组合，被放大第二比例α的倒数倍1/α，即噪声消除电路3的输出端输出反馈噪声N6/α，其中，第二比例α的设计可参考前一实施例，在此不重复赘述。

误差放大器5的第一输入端51接收反馈噪声N6/α，误差放大器5、传输晶体管7与分压电路9构成闭回路放大器，且放大倍数设计为第一比例β的倒数倍1/β。故传输晶体管7的输出端75将输出调整噪声N6/αβ。

最后，第五噪声N5及调整噪声N6/αβ于传输晶体管7的输出端75进行叠加以降低第五噪声N5。

图5是本发明实施例的具有消除噪声的电压稳压电路与现有电压稳压电路的电源电压抑制比的比较示意图。如图5所示，本发明实施例的具有消除噪声的电压稳压电路100产生的噪声曲线400，在大部分的工作频率下，是优于现有电压稳压电路输出产生的噪声曲线500。除了误差放大器5、传输晶体管7与分压电路9所构成的的负反馈路径之外，分压电路9的分压端95至噪声消除电路3的输出端37亦形成另一路径，形成双路径同时改善电源电压抑制比。因此本发明实施例的具有消除噪声的电压稳压电路的优点更可包含改善电压稳压电路的电源电压抑制比。

综上所述，本发明的具有消除噪声的电压稳压电路，是除了当输入电压源有噪声时用电源电压抑制比进行噪声抑制之外，更可通过电压稳压电路中噪声消除电路进一步对电压稳压电路本身或电压稳压电路中的元件或装置进行噪声抑制，并且有效改善电压电源抑制比。

以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，其并非用以局限本发明的专利范围，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种具有消除噪声的电压稳压电路，其特征在于，包含：

一参考电压源电路；

一噪声消除电路，该噪声消除电路的输出端耦接该参考电压源电路；

一误差放大器，该误差放大器的第一输入端耦接该参考电压源电路、该误差放大器的第二输入端耦接该噪声消除电路的输入端；

一传输晶体管，该传输晶体管的栅极端耦接该误差放大器的输出端，该传输晶体管的输入端耦接一输入电压源，以及该传输晶体管的输出端输出一负载电压；

一分压电路，该分压电路的输入端耦接该传输晶体管的输出端，该分压电路的接地端接地，以及该分压电路的分压端耦接该噪声消除电路的输入端；以及

一第二电容，耦接该误差放大器的第一输入端与一地电位之间；

其中，该负载电压包含一第一噪声；该分压电路的分压端产生一第一比例的该第一噪声；该噪声消除电路依据该第一比例的该第一噪声输出一反馈噪声至该误差放大器的第一输入端；以及该误差放大器、该传输晶体管与该分压电路构成一闭回路放大器，该闭回路放大器对该反馈噪声放大该第一比例的倒数倍，并输出一调整噪声至该传输晶体管的输出端，以使该第一噪声及该调整噪声叠加以降低该第一噪声；

该第一比例为该分压电路中第一电阻与第二电阻的比例；以及

该噪声消除电路包含：一反相放大器，具有一第二比例的反相放大倍数，该反相放大器依据该第二比例的反相放大倍数放大该第一比例的该第一噪声，以输出一第二噪声；以及一第一电容，耦接该反相放大器的输出端与该误差放大器的第一输入端之间，用以依据该第二噪声以输出该反馈噪声；其中，该第二比例为该第一电容与该第二电容所组成的电容分压的倒数。

2.如权利要求1所述的电压稳压电路，包含：

一电阻，耦接该第二电容与该参考电压源电路的一能隙参考电路之间；

其中，该电阻与该第二电容形成一低通滤波器。

3.如权利要求1所述的电压稳压电路，其中该反相放大器通过一场效晶体管放大器、一双载子接面晶体管放大器或一运算放大器所实现。

4.如权利要求1所述的电压稳压电路，其中该第一比例小于1或等于1。

5.如权利要求4所述的电压稳压电路，其中当该第一比例等于1时，该传输晶体管的输出端直接连接该噪声消除电路的输入端。

6.如权利要求1所述的电压稳压电路，其中当该误差放大器为一非反相放大器时，该传输晶体管是由一N型场效晶体管所实现，其中当该误差放大器为一反相放大器时，该传输晶体管是由一P型场效晶体管所实现。

7.如权利要求1所述的电压稳压电路，其中该第一噪声的来源是来自于该输入电压源及/或该参考电压源电路及/或该误差放大器。

Images