CN108572683B - 电压产生器 - Google Patents
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Abstract
电压产生器包括偏压产生器、开关、第一比较器、偏压电流调整器以及输出级电路。偏压产生器接收偏压电流以产生偏压电压。开关串接在偏压产生器耦接电源端的路径间，受控于控制信号。第一比较器比较误差放大信号与第一临界电压以产生第一比较结果，并依据第一比较结果产生控制信号。偏压电流调整器依据参考电压以及回授电压以产生误差放大信号，并依据误差放大信号调整偏压电流的大小。输出级电路接收偏压电压并依据偏压电压产生输出电压。其中，回授电压依据输出电压来产生。
Description
技术领域
本发明是有关于一种电压产生器，且特别是有关于一种在低电源电压维持低电流工作的低压降(low drop-out,LDO)电压产生器。
背景技术
随着电子技术的演进，提供优化的电子产品成为必要的趋势。在集成电路中，随着高工作速度、低耗能且高稳定度的需求，具有低工作电流、高抗噪声能力(高电源抑制比(power supply rejection ratio,PSRR)以及可快速反应的电压产生器成为集成电路中重要的组件。
在现有技术中，集成电路中常应用低压降(low drop-out,LDO)电压调整器来做为电压产生器。其中，现有技术的低压降电压调整器，请参照图9绘示的现有的低压降电压调整器的电路图。当低压降电压调整器900接收到的电源电压VIN的电压值低于一定的数值时(例如小于低压降电压调整器的正常输出电压值)，低压降电压调整器900中的误差放大器EA会依据回授电压FB(依据输出电压VOUT所产生)以及参考电压VREF产生相对高电压的误差放大信号VOP。在此，晶体管MN1将被导通，且晶体管MN1及MP1间会产生漏电路径，并产生大的漏电电流。如此一来，现有的低压降电压调整器将无法满足在低电源电压，维持低电流操作的需求。
发明内容
本发明提供一种电压产生器，可在低电源电压的条件下维持低电流运作。
本发明的电压产生器包括偏压产生器、开关、第一比较器、偏压电流调整器以及输出级电路。偏压产生器耦接电源端，接收偏压电流并产生偏压电压。开关串接在偏压产生器耦接电源端的路径间，受控于控制信号。第一比较器比较误差放大信号与第一临界电压以产生第一比较结果，并依据第一比较结果产生控制信号。偏压电流调整器依据参考电压以及回授电压以产生误差放大信号，并依据误差放大信号调整偏压电流的大小。输出级电路接收偏压电压并依据偏压电压产生输出电压。其中，回授电压依据输出电压来产生。
基于上述，本发明通过提供一开关，依据误差放大信号的大小来控制开关的导通或断开状态。如此一来，当电压产生器在低电源电压的条件下进行操作时，通过控制开关的导通或断开状态，可有效控制电压产生器内部不致产生大的漏电电流，可维持电压产生器的低电流运作。
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，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1绘示本发明一实施例的电压产生器的示意图。
图2绘示本发明电压产生器实施例图1的比较器的实施方式的示意图。
图3绘示本发明另一实施例的电压产生器的示意图。
图4绘示本发明实施例图3的比较器实施方式的示意图。
图5绘示本发明实施例的电压产生器的另一实施方式的示意图。
图6绘示本发明实施例图5的比较器实施例的另一实施方式的示意图。
图7绘示本发明再一实施例的电压产生器的示意图。
图8绘示本发明图7实施例的磁滞保护动作的波形图。
图9绘示的现有的低压降电压调整器的电路图。
其中附图标记为：
100、300、400、700：电压产生器
110、310、410、710：偏压产生器
120、320、420、720：开关
CMP1、CMP2：比较器
140、340、440、740：偏压电流调整器
150、350、450、750：输出级电路
900：低压降电压调整器
PWT：电源端
IOP：偏压电流
VG：偏压电压
POFF：控制信号
VIN：电源电压
VOP：误差放大信号
VTH1、VTH2：临界电压
GND：参考接地电压
VREF：参考电压
FB：回授电压
VOUT：输出电压
MP1、MP2、MN1、MN2、MN3、MPOUT、
MDP1、MDP2、MDN1、MDN2：晶体管
EA：误差放大器
R1、R2：电阻
210：差动电路
ICMP：电流源
CPS1、A1、A2：比较结果
360、460：逻辑运算器
CS1：电流传感器
MNCL：晶体管
RSENSE：电阻
ISENSE：控制电流源
R1A、R1B：电阻
MN4：旁路晶体管
T1～T3：时间点
VNORM：正常电压值
具体实施方式
请参照图1，图1绘示本发明一实施例的电压产生器的示意图。电压产生器100包括偏压产生器110、开关120、比较器CMP1、偏压电流调整器140以及输出级电路150。偏压产生器110耦接至开关120并通过开关120耦接至电源端PWT。偏压产生器110接收电源端PWT上所提供的电源电压VIN，并依据流经偏压产生器110的偏压电流IOP以产生偏压电压VG。开关120串接在偏压产生器110耦接电源端PWT的路径间，开关120受控于控制信号POFF以导通或被断开。
比较器CMP1耦接至开关120。比较器CMP1接收误差放大信号VOP与临界电压VTH1，并依据比较误差放大信号VOP与临界电压VTH1来产生比较结果。在本实施例中，比较器CMP1依据上述的比较结果来产生控制信号POFF。偏压电流调整器140耦接在偏压产生器110以及参考接地电压GND间。偏压电流调整器140接收参考电压VREF以及回授电压FB，并依据参考电压VREF以及回授电压FB的差值来产生误差放大信号VOP。偏压电流调整器140并依据误差放大信号VOP来调整偏压电流IOP的大小。也就是说，偏压产生器110所产生的偏压电压VG的电压值可以依据误差放大信号VOP来进行调整。在此，回授电压FB可以依据电压产生器100的输出电压VOUT来产生。例如，回授电压FB可以等于输出电压VOUT，或者，可以针对输出电压VOUT进行分压以产生回授电压FB。
输出级电路150耦接偏压产生器110。输出级电路150接收偏压电压VG，并依据偏压电压VG产生输出电压VOUT。输出级电路150另针对输出电压VOUT进行分压以产生回授电压FB。
关于电压产生器100的整体动作方面，在正常工作状态下，当输出电压VOUT接近于目标电压时，回授电压FB与参考电压VREF间的差值很小，并可能趋近于0。因此，偏压电流调整器140可产生具有相对小电压值的误差放大信号VOP。在此同时，误差放大信号VOP的电压值小于预设的临界电压VTH1，因此，比较器CMP1可产生低准位的控制信号POFF，并使开关120被导通。
在另一方面，当电源电压VIN低于正常输出电压VOUT时，若电源电压VIN的电压值被降低，输出电压VOUT的电压值将对应被降低。此时，回授电压FB将小于预设的参考电压VREF。因此，偏压电流调整器140依据参考电压VREF以及回授电压FB的差值进行放大，并产生具有相对大电压值的误差放大信号VOP。在此同时，误差放大信号VOP的电压值大于临界电压VTH1，因此，比较器CMP1可产生高准位的控制信号POFF，并使开关120被断开。由上述的内容可知，在当电压产生器100在低电源电压VIN的状态下进行操作时，开关120可以对应被断开，并断开可能产生的漏电流路径。
细节上来说明，在本实施例中，开关120可以为由晶体管MPSW建构的晶体管开关。偏压产生器110可以为由晶体管MP1以二极管连接组态(diode connected)的方式来建构，其中，晶体管MP1的第一端连接至开关120，晶体管MP1的第二端与控制端共同连接至偏压电流调整器140，并产生偏压电压VG。偏压电流调整器140包括误差放大器EA以及晶体管MN1。误差放大器EA接收回授电压FB以及参考电压VREF。误差放大器EA的输出端产生误差放大信号VOP，并提供误差放大信号VOP至晶体管MN1的控制端。晶体管MN1的第一、二端分别连接至偏压产生器110以及参考接地电压GND。
依据前述的实施内容，在当电压产生器100在低电源电压VIN的状态下进行操作时，误差放大器EA的输出端产生具有相对大电压值的误差放大信号VOP。也因此，晶体管MN1在接收到具有相对大电压值的误差放大信号VOP时，其导通电阻值将会大幅的降低，若此时施加电压于晶体管MN1的两端时，将产生相对大电流值的漏电电流。也因此，本发明实施例通过比较器CMP1在误差放大信号VOP具有相对大电压值时产生高电压准位的控制信号POFF以使开关120被断开。如此，因晶体管MN1被导通所产生漏电电流的现象可以被避免。
在另一方面，在本实施例中，输出级电路150包括晶体管MPOUT以及电阻R1及R2。其中，晶体管MPOUT的第一端接收电源电压VIN，第二端产生输出电压VOUT，晶体管MPOUT的控制端则接收偏压电压VG。电阻R1、R2依序串接在晶体管MPOUT的第二端以及参考接地电压GND间。电阻R1、R2所形成的电阻串可针对输出电压VOUT进行分压以产生回授电压FB。
承续前述的说明，在当电压产生器100在低电源电压VIN的状态下进行操作时，开关120依据控制信号POFF被断开。在此同时，基于晶体管MN1被导通的条件下，偏压电压VG的电压值可依据被导通的晶体管MN1而通过偏压电流IOP被拉低。在此，偏压电压VG的电压值可被拉低于实质上等于参考接地电压GND(例如0V)。在此同时，晶体管MPOUT可接收到接近于0V的偏压电压VG，并使所产生的输出电压VOUT的电压值可以约等于电源电压VIN的电压值。
依据上述的说明可知，本发明实施例的电压产生器100可稳定的在低电源电压的条件下进行工作，并可消除低电源电压工作时所可能产生的漏电现象，确保电压产生器100的低电流运作。
以下请参照图2，图2绘示本发明电压产生器实施例图1的比较器的实施方式的示意图。比较器CMP1包括差动电路210、晶体管MP2以及晶体管MN2。差动电路210包括晶体管MDP1以及MDP2、电流源ICMP以及晶体管MDN1及MDN2。晶体管MDP1以及MDP2形成差动对，晶体管MDN1及MDN2则作为主动负载。晶体管MP2的第一端接收输入电源VIN，晶体管MP2的第二端产生控制信号POFF，晶体管MP2的控制端接收偏压电压VG。另外，晶体管MN2的第一端耦接晶体管MP2的第二端，晶体管MN2的第二端耦接至参考接地电压GND，晶体管MN2的控制端接收差动电路210的输出结果CPS1。
晶体管MDP1以及MDP2分别接收临界电压VTH1以及误差放大信号VOP以作为差动输入信号。差动电路210并提供比较结果CPS1至晶体管MN2的控制端，并通过控制晶体管MN2的工作状态的来调整控制信号POFF。
请参照图3，图3绘示本发明另一实施例的电压产生器的示意图。电压产生器300包括偏压产生器310、开关320、比较器CMP1、CMP2、偏压电流调整器340、输出级电路350以及逻辑运算器360。其中，偏压产生器310、开关320、比较器CMP1、偏压电流调整器340以及输出级电路350分别与本发明图1实施例中的偏压产生器110、开关120、比较器CMP1、偏压电流调整器140以及输出级电路150相类似，在此不重复说明。与前述实施例不同的，电压产生器300另设置的比较器CMP2，并通过逻辑运算器360依据比较器CMP1以及CMP2所产生的比较结果A1、A2进行逻辑运算来产生控制信号POFF。
请注意，在本实施例中，比较器CMP2接收偏压电压VG以及临界电压VTH2，并针对偏压电压VG以及临界电压VTH2进行比较以产生比较结果A2。在此，依据图1实施例，在当电压产生器300在低电源电压VIN的条件下工作时，误差放大信号VOP可具有相对大的电压值。此时，误差放大信号VOP的电压值大于临界电压VTH1的电压值。同时，偏压电压VG的电压值可因晶体管MN1被导通而被拉低。而本实施方式中的比较器CMP2则用以判断偏压电压VG是否已小于临界电压VTH2。通过比较器CMP1以及CMP2，本实施例中可确定在当误差放大信号VOP的电压值大于临界电压VTH1的电压值，且偏压电压VG是否已小于临界电压VTH2时，产生控制信号POFF以使开关320被断开以去除漏电电流。如此一来，电压产生器300的电路稳定性及安全性可以进一步被提升。
在本实施例中，逻辑运算器360可针对比较结果A1以及A2进行逻辑及(AND)运算以产生控制信号POFF。
当然，逻辑运算器360也可以别种逻辑运算方式来针对比较结果A1以及A2进行逻辑运算。逻辑运算器360所采用的逻辑运算方式可依据比较结果A1、A2以及对应产生的控制信号POFF的逻辑准位关系来设置，没有固定的限制。逻辑运算器360可包括一个或多个逻辑闸，其实施细节应为本领具通常知识者所熟知，在此恕不多赘述。
以下请参照图4，图4绘示本发明实施例图3的比较器实施方式的示意图。其中，比较器CMP1的实施方式与图2绘示的实施方式相同，在此不多赘述。另外，比较器CMP2包括晶体管MP2以及晶体管MN3。其中，晶体管MP2为比较器CMP1以及CMP2所共享。晶体管MN3则与晶体管MN2并联耦接，晶体管MN3的控制端则接收偏压电压VG。
在图4中，可以清楚发现，晶体管MP2以及晶体管MN3可以形成一个反向器。在当偏压电压VG的电压值大于这个反向器的临界电压时，可使晶体管MN3被导通(晶体管MP2被断开)而拉低控制信号POFF的电压值；相对的，当偏压电压VG的电压值小于这个反向器的临界电压时，则可使晶体管MP2被导通(晶体管MN3被断开)而拉高控制信号POFF的电压值。由此可知，晶体管MP2以及晶体管MN3所形成反向器的临界电压等效于临界电压VTH2。
值得一提的，控制信号POFF的电压值还受到晶体管MN2的影响，因此，要使控制信号POFF的电压值被拉到逻辑高准位，还需要使晶体管MN2被断开。因此，在偏压电压VG小于晶体管MP2以及晶体管MN3所形成反向器的临界电压，且误差放大信号VOP的电压值大于临界电压VTH1两个条件同时成立下，控制信号POFF的电压值方可被拉高到逻辑高准位。
当然，除图4绘示的实施方式外，比较器CMP1以及CMP2也可以通过两个独立的比较器来建构，其中，比较器CMP1以及CMP2可通过例如图2绘示的实施方式来建构，当然也可应用本领域具通常知识者所熟知的比较器电路来建构，没有一定的限制。
请参照图5，图5绘示本发明实施例的电压产生器的另一实施方式的示意图。在图5中，电压产生器400另包括电流传感器CS1。其中，电流传感器CS1耦接至输出级电路450并感测输出级电路450上的输出电流。电流传感器CS1将所感测到的输出电流的相关信息传送至逻辑运算器460，并且，在当所感测到的输出电流高于预设的电流临界值时，将控制信号POFF拉低成逻辑低准位。因此，逻辑运算器460可通过所产生的控制信号POFF以控制开关420使其维持在导通的状态。
请参照图6，图6绘示本发明实施例图5的比较器实施例的另一实施方式的示意图。在图6中，比较器CMP1、CMP2并包括晶体管MNCL、电阻RSENSE以及控制电流源ISENSE。控制电流源ISENSE可镜射输出级电路450的输出电流。晶体管MNCL与晶体管MN3并联耦接，其控制端并耦接至电阻RSENSE以及控制电流源ISENSE的耦接端点。控制电流源ISENSE提供电流通过电阻RSENSE并产生感测电压以控制晶体管MNCL，并在当感测电压大于晶体管MNCL的临界电压时使晶体管MNCL被导通。如此一来可使控制信号POFF的电压准位等于逻辑低准位，并使控制开关420使其维持在导通的状态。
请参照图7，图7绘示本发明再一实施例的电压产生器的示意图。电压产生器700包括开关720、偏压产生器710、偏压电流调整器740以及输出级电路750。与图1的实施例不相同的，电压产生器700的输出级电路750中的电阻串由多个电阻R1A、R1B以及R2串接而成。输出级电路750中另包括旁路晶体管MN4。其中，旁路晶体管MN4用以调整电阻R1A、R1B以及R2所形成的电阻串所提供的分压比。旁路晶体管MN4受控于控制信号POFF，并跨接于电阻R1A的两端间。当旁路晶体管MN4导通时，依据输出电压VOUT所产生的回授电压FB将会降低，相对的，当旁路晶体管MN4断开时，依据输出电压VOUT所产生的回授电压FB将会升高。
通过旁路晶体管MN4可使电压产生器700产生磁滞保护的功效。简单来说，依据不同逻辑准位的控制信号POFF，误差放大器EA所接收的回授电压FB的电压值并不相同，可防止输出电压VOUT接近期望值时，开关720可能产生的不稳定的连续切换动作，提高电压产生器700的稳定性。
值得一提的，旁路晶体管MN4也可跨接在电阻R1B的两端，可达到相同的磁滞保护功效。且晶体管MN4与开关720的导通或断开状态是相反的。
以下请参照图8，图8绘示本发明图7实施例的磁滞保护动作的波形图。其中，在时间点T1之前，电压产生器700操作于低电源电压VIN下。随着时间增加，电源电压VIN递增，随之而生的输出电压VOUT因电压产生器700的限制下，输出电压VOUT的电压值小于电源电压VIN，此时输出电压VOUT小于其实际可输出的正常电压值VNORM。另外，控制信号POFF在时间点T1前为逻辑高准位，其电压值随电源电压VIN的电压值递增而递增。
在时间点T1时，控制信号POFF转换为逻辑低准位，输出电压VOUT的电压值切换为小于电源电压VIN的电压值一个电压差VHYS。
在时间点T2后，电源电压VIN递减，并在时间点T3时，电源电压VIN递减至约等于正常电压值VNORM。此时，控制信号POFF转换为逻辑高准位，并进入低电源电压操作模式。在时间点T3后，输出电压VOUT的电压值随电源电压VIN递减而递减。
综上所述，本发明在电压产生器中提供开关以串接在偏压电压产生器与电源电压间。通过比较器依据误差放大信号来产生控制信号，并在低电源电压的模式下，使开关断开以切断所可能产生的漏电路径，使电压产生器在低电源电压的条件下维持低电流工作。
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，任何所属技术领域中具有通常知识者，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后附的申请专利范围所界定者为准。
Claims (9)
1.一种电压产生器，其特征在于，包括：
一偏压产生器，耦接一电源端，接收一偏压电流并产生一偏压电压；
一开关，串接在该偏压产生器耦接该电源端的路径间，受控于一控制信号；
一第一比较器，比较一误差放大信号与一第一临界电压以产生一第一比较结果；
一偏压电流调整器，依据一参考电压以及一回授电压以产生该误差放大信号，并依据该误差放大信号调整该偏压电流的大小；
一输出级电路，接收该偏压电压并依据该偏压电压产生一输出电压；
一第二比较器，比较该偏压电压与一第二临界电压以产生一第二比较结果；以及
一逻辑运算器，耦接在该开关以及该第一、二比较器间；
其中，该回授电压依据该输出电压来产生；
该逻辑运算器针对该第一比较结果以及该第二比较结果进行逻辑及运算以产生该控制信号。
2.如权利要求1所述的电压产生器，其特征在于，更包括：
一电流传感器，耦接该输出级电路，用以感测该输出级电路的一输出电流。
3.如权利要求2所述的电压产生器，其特征在于，该逻辑运算器更依据该输出电流以产生该控制信号。
4.如权利要求3所述的电压产生器，其特征在于，该逻辑运算器在该输出电流大于一临界电流值时，产生该控制信号以导通该开关。
5.如权利要求1所述的电压产生器，其特征在于，该第一比较器包括：
一差动电路，接收该误差放大信号与该第一临界电压，并产生一差动输出信号；
一第一晶体管，第一端接收一电源端，该第一晶体管的第二端产生该第一比较结果，该第一晶体管受控于该偏压电压；
一第二晶体管，第一端耦接至该第一晶体管的第二端，该第二晶体管的第二端耦接至一参考接地电压，该第二晶体管受控于该差动输出信号。
6.如权利要求5所述的电压产生器，其特征在于，该第二比较器包括：
该第一晶体管；以及
一第三晶体管，第一端耦接至该第一晶体管的第二端，该第三晶体管的第二端耦接至该参考接地电压，该第三晶体管受控于该偏压电压，
其中，该第三晶体管与该第一晶体管形成的反向器的临界电压为该第二临界电压。
7.如权利要求1所述的电压产生器，其特征在于，该偏压电流调整器包括：
一晶体管，其第一端接至该偏压产生器并接收该偏压电压，该晶体管的第二端耦接至一参考接地端，该晶体管并受控于该误差放大信号；以及
一误差放大器，耦接至该晶体管，依据该参考电压以及该回授电压的差以产生该误差放大信号。
8.如权利要求1所述的电压产生器，其特征在于，该输出级电路包括：
一晶体管，第一端耦接至一电源端，该晶体管的控制端接收该偏压电压，该晶体管的第二端产生该输出电压；以及
一电阻串，具以多个相互串连的电阻，耦接在该晶体管的第二端以及一参考接地端间，针对该输出电压进行分压并产生该回授电压。
9.如权利要求8所述的电压产生器，其特征在于，该输出级电路更包括：
一旁路晶体管，第一端及第二端跨接在该些电阻的至少其中之一的两端点间，该旁路晶体管受控于该控制信号，
其中，该输出级电路通过调整该旁路晶体管的导通或断开状态以调整该回授电压的电压值。
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