CN111913520B

CN111913520B - 频率补偿电路及对应设备

Info

Publication number: CN111913520B
Application number: CN202010387200.2A
Authority: CN
Inventors: G·尼科利尼; S·波勒塞尔
Original assignee: STMicroelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 2019-05-10
Filing date: 2020-05-09
Publication date: 2023-01-06
Anticipated expiration: 2040-05-09
Also published as: CN212723773U; US11150678B2; IT201900006715A1; US20200356127A1; CN111913520A

Abstract

本发明涉及一种频率补偿电路及对应设备。一种电流镜，包括第一晶体管和第二晶体管，第一晶体管和第二晶体管具有耦合到输入电流线的电流路径。第一晶体管和第二晶体管的电流路径经由相应的第一电阻器和第二电阻器而以地为基准，该第一电阻器和第二电阻器的电阻值是第一电阻值的两倍。第一晶体管是二极管式连接的。第三晶体管具有一电流路径，该电流路径耦合到输出电流线并且经由第三电阻器而以地为基准，第三电阻器具有第二电阻值，第二电阻值等于第一电阻值除以镜像因子。第一晶体管和第三晶体管的控制端子耦合在一起，并且还通过耦合电阻器耦合到第二晶体管的控制端子。第一电容器耦合在地与第二晶体管单元的控制端子之间。第二电容器耦合在地与穿过第三晶体管的电流路径之间。

Description

频率补偿电路及对应设备

优先权要求

本申请要求2019年05月10日提交的意大利专利申请号102019000006715的优先权，其内容在法律允许的最大范围内通过引用以其整体并入于此。

技术领域

本描述涉及频率补偿电路。

一个或多个实施例可以应用于例如低压降(LDO，Low Drop Out)调节器设备。

背景技术

在电子领域，在电路中插入一个或多个极点-零点双峰(doublet)经常用于促进频率补偿任务。

这种补偿任务的示例性情况是，例如，在LDO用于对大型数字块供电时的LDO调节器频率补偿。在该情况下，对负载改变的快速反应(例如在最终值的10％内恢复)是理想的特征。

如果LDO配备有外部电容器，则可以通过对电容器串联添加外部电阻器，或者在可能的情况下利用电容器ESR的等效串联电阻(ESR)来创建极点-零点双峰(例如，参见J.Falin：“ESR,stability and the LDO regulator”，德州仪器应用报告SLVA115，2002年5月)。

这可以表示昂贵的解决方案，并且以复杂和功耗昂贵的内部解决方案为代价而越来越多地使用无电容LDO(例如，参见KN Leung等人：“A capacitor-free CMOS low-dropout regulator with damping-factor-control frequency compensation”，IEEEJournal of Solid-state Circuits，第38卷，第10期，2003年10月，第1691-1702页)。

尽管在该领域中活动相当广泛，但仍需要进一步改进的解决方案。

发明内容

一个或多个实施例可以提供以下优点中的一个或多个优点：

-由于可以根据补偿规格来选择零点和极点位置，因此具有灵活性，例如，补偿规格为：仅一个简单的零点；首先为零点，然后为零点-极点双峰；首先为零点，然后为极点-零点双峰；首先为极点-零点双峰，然后为零点；

-不需要额外的功率，仅会稍微增加半导体面积。

附图说明

现在将参考附图仅通过示例的方式描述一个或多个实施例，其中：

图1和2是电流镜电路的电路图，以及

图3至图5是改进的电流镜电路的电路图。

具体实施方式

在随后的描述中，说明了一个或多个具体细节，旨在提供对本描述的实施例的示例的深入理解。可以在没有一个或多个特定细节的情况下，或者在其他方法、组件、材料等的情况下获得实施例。在其他情况下，没有详细图示或描述已知的结构、材料或操作，因此实施例的某些方面将不被遮盖。

在本描述的框架中对“实施例”或“一个实施例”的引用旨在指示相对于该实施例描述的特定配置、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，可以在本描述的一个或多个点中出现的诸如“在实施例中”或“在一个实施例中”的短语不一定指代同一个实施例。此外，在一个或多个实施例中，可以以任何适当的方式组合特定的构造、结构或特性。

仅出于方便起见而提供本文中使用的参考，并且因此未定义保护的程度或实施例的范围。

图1的示图是在各种模拟电路中使用的电流镜构建块的示例。

如图1中所例示的，这种电流镜电路(current mirror circuit)包括第一晶体管M1(为简化起见，贯穿本描述将例示诸如MOSFET的场效应晶体管)，该第一晶体管M1具有穿过其(在诸如MOSFET的场效应晶体管的情况下，源极-漏极)的电流路径，该电流路径被布置在电流线中，该电流线被提供有以本领域技术人员已知的任何方式生成的(输入)电流Iin。

如图1中所例示的，处于二极管状布置(diode-like arrangement)的晶体管M1的控制端子(在诸如MOSFET的场效应晶体管的情况下，栅极)短路到电流路径(在漏极处)，其中电流路径以地GND为基准(在源极处)。

图1中例示的电流镜还包括第二晶体管M2，该第二晶体管M2的控制端子(在诸如MOSFET的场效应晶体管的情况下，栅极)耦合到M1的控制端子，并且该第二晶体管M2具有穿过其的电流路径，该电流路径被布置在电流线中，(输出)电流Iout流经该电流线，(输出)电流Iout经由镜像因子k来“镜像”输入电流Iin。

图1的布置在本领域中很大程度上是常规的(如所例示的并且在可能的变型中也是如此，该可能的变型包括类型和极性与本文例示的那些类型和极性不同的晶体管)，这使得在本文不必提供更详细的描述。

期望一种在这种电流镜电路上提供极点-零点双峰而不增加额外电流消耗的解决方案。

注意，图1中例示的基本电流镜具有以下Iin-Iout传递函数：

其中g_m1、g_m2和C_gs1、C_gs2分别表示M1和M2的跨导和栅极-源极(寄生)电容。

假设M2＝kM1，例如M2的宽度W2是M1的宽度W1的k倍(即W2＝kW1)，并且M2的长度L2等于M1的长度L1(即L2＝L1)，其中K>1并且为整数(这是一个完全明智的假设)→g_m2＝kg_m1并且C_gs2＝kC_gs1，从而：

这种传递函数在以下位置处只有极点(p)：

这处于高频，并且不能用于补偿，因为这可能会对稳定性产生不利影响。

如图2中所例示的，通常用于实施电流镜的另一种解决方案包括添加电阻性退化(resistive degeneration)，其中利用相同的附图标记表示如已经结合图1讨论的部件或元件一样的部件和元件。

本质上，退化的电流镜包含两个电阻器R1和R2(R2的电阻值等于R1的电阻值的1/k)，电阻器R1和R2分别布置在晶体管M1和M2与地GND之间的用于Iin和Iout的电流线中。

可以示出，在图2中例示的电流镜中，Iin-Iout传递函数变得有点更加复杂，其中极点(p₁)在以下位置处

并且零点-极点双峰(p₂)在以下位置附近：

其中零点和极点趋向于相互抵消，从而再次留下具有相关约束的单极点行为。

期望一种灵活的解决方案，使得可以“操纵”双峰中的极点和零点的位置，即极点在零点之前，反之亦然。

同样期望一种如下的解决方案，该解决方案促进对极点-零点距离的(准确)控制，而与过程、供电电压和温度变化无关。

另一个期望的特征由仅添加零点(而不是极点，如之前所讨论的)的可能性来表示，这将促进稳定性。

一个或多个实施例可以基于图3中例示的电流镜电路，该电流镜电路可以被包括在设备10中，诸如，对耦合到设备10的输出端口(例如，100)的负载L供电的LDO调节器设备。输出端口100可以耦合到如下面讨论的输出电流线Iout，其中输出端口被配置成(以本领域技术人员已知的方式)在输出端口100处提供经调节的(例如，电压)信号以供负载L使用。

在图3中例示的电流镜中，电流镜的二极管式连接的晶体管(即，图1和图2中例示的M1)可以说是“分裂成两个”，以包括两个对称的(即，基本相同)晶体管单元M1、M1’，与图1和图2中例示的M1相比，上述的晶体管单元M1、M1’分别具有一半的宽度和相同的长度(0.5xM1)。

在这两个(半个)晶体管单元中，(第一)单元M1基本上以与图1和图2的晶体管M1相同的方式布置，即(第一)单元M1具有穿过其的电流路径(在诸如MOSFET的场效应晶体管的情况下，源极-漏极)，该电流路径在被提供有输入电流Iin(的一部分)的电流线中，其中再次以本领域技术人员已知的任何方式生成输入电流Iin。

如图3中例示的，(第二)晶体管单元M1’具有穿过其的电流路径，该电流路径在单元M1’的与退化电阻器相反的一侧(漏极)处(在漏极处)耦合到通过第一单元M1的电流线。

如图3中所例示的，可以将退化电阻器(图2中的R1，通过直接引用的方式)类似地分成具有相同宽度和两倍长度的两个相等的电阻器2R1，因此电阻器2R1的电阻值是R1的电阻值的两倍。

为了简单起见，贯穿本描述，相同的名称用于指示电路图中的电阻器及其电阻值。

在图3中例示的电流镜电路中，第一(半)晶体管单元M1的控制端子(栅极)，经由被包括在RC低通网络中的电阻器R2，耦合到第二(半)晶体管单元M1’的控制端子(栅极)，除了电阻器R2之外，该RC低通网络还包括耦合在M1’的控制端子(栅极)与地GND之间的电容器C2。

图3中例示的电流镜电路还包括晶体管M3＝k*M1(即，例如，M3具有M1的宽度的k倍的宽度，具有与M1相同的长度)，具有耦合到M1的控制端子的控制端子(在诸如MOSFET的场效应晶体管的情况下，栅极)并且具有穿过其的电流路径，该电流路径被布置在电流线中，(输出)电流Iout流经该电流线，(输出)电流Iout经由镜像因子k来“镜像”输入电流Iin。

在图3中例示的电流镜中，经由具有等于R1/k的电阻值的电阻器R3和电容器C3的并联布置，通过M3的电流路径以地GND(在源极处)为基准。

通过应用标准的网络分析，并且基于以下明智的假设：

-C2和C3适合以电容值C₂和C₃实施，该电容值大大超过镜像电路中的晶体管的任何寄生电容C_gs；并且

-电流镜比率k是整数(在电路设计中通常是常见的情况)；

可以示出，图3中例示的电流镜的Iin-Iout传递函数可以被表示为(在复数域s中)：

其中：

-R₁,R₂和R₃是前面介绍的电阻值，

-C₂和C₃指示电容器C2和C3的电容值，

-g_m3表示晶体管M3的跨导。

因此，图3中例示的电流镜的Iin-Iout传递函数包括：

-两个零点

-第一极点

以及

-另一极点

其是高频极点，它可以被认为对补偿目的无关紧要。

选择图3的例示性图中呈现的电阻器R_i和电容器C_i的电阻值和电容值(缩放)有助于实施几个不同的场景，诸如(以非限制性示例的方式)：

a)p₁<z₂<z₁或p₁<z₁<z₂→极点-零点双峰+零点

b)p₁＝z₂<z₁或z₁<p₁＝z₂→无双峰+简单零点

c)p₁＝z₁<z₂或z₂<p₁＝z₁→无双峰+简单零点

d)z₁<z₂<p₁或z₂<z₁<p₁→零点+零点-极点双峰

图3的基本布局适于可能的变型和/或某种程度上的简化实施方式。

例如，如之前结合图3讨论的实施例涉及两个晶体管单元M1和M1’，晶体管单元M1和M1’中的每个可以被(概念上)视为通过将诸如图2中的M1的晶体管分成两个而得到的“半”晶体管的示例，例如，图3中的M1和M1’中的每个具有图2中M1的一半宽度和相同长度，相关联的退化电阻器2R1的电阻值是与图2中的M1相关联的退化电阻器的值R1的两倍。

如之前结合图3讨论的实施例可以被认为是将图2中的晶体管M1“分裂”为分别对应于αM1和(1-α)M1的两个晶体管单元M1和M1’的更一般概念的有利实施方式，其中α在0到1的范围内选择。例如，这可以通过使图3中的M1和M1’分别具有与图2中的M1相同的长度、以及等于图2中M1的宽度的α倍和(1-α)倍的宽度来获得，其中α和(1-α)之和等于1。

相关联的退化电阻器(在图3中被指示为2R1)可以对应地分别利用等于以下值的电阻值来实施：

-R1/α，用于与图3中的晶体管单元M1相关联的退化电阻器，以及

-R1/(1-α)，用于与图3中的晶体管单元M1’相关联的退化电阻器。

在更一般的情况下，图3中例示的电流镜的Iin-Iout传递函数可以被表示为(在复数域s中)：

容易理解的是，通过设置α＝0.5，上面的公式与之前讨论的公式对应，基本上相同的注释适用于零点和极点位置。

综上所述，将晶体管单元M1和M1’实施为具有相关联的基本相同的退化电阻器(即α等于或接近0.5)的基本相同的(半)晶体管，尽管这是有利的，但并不是实施例的强制特征。

如图4中所图示的，第一简化的实施例可以被认为是通过简单地将R2短路(即R2＝0)、并且省去M1’(和相关联的退化电阻器)，而从图3获得的，以使处于二极管状布置的晶体管M1(该晶体管M1的控制端子(栅极)短路到电流路径(在漏极处))再次具有穿过其的电流路径，该电流路径经由电阻器R1而以地GND为基准(在源极处)，其中具有电容值C₁的电容器C1耦合在该晶体管M1的控制端子(栅极)与地GND之间。

在图4中例示的布置中(其中M1可以被视为基本上对应于图2中的M1)，Iin-Iout传递函数变为：

存在一个零点

一个极点

和另一个极点，该另一个极点处于高频，并且对补偿无关紧要。

根据R_i和C_i的缩放，可能有两个场景：

a)p₁<z₁→极点-零点双峰

b)z₁<p₁→零点-极点双峰

如图5中例示的另一可能的简化实施例可以被认为是通过简单地将C1从M1的控制端子(栅极)移动到电流路径(源极)而从图4中例示的实施例获得的。

在图5中例示的实施例中(其中M1可以再次被视为基本上对应于图2中的M1)，Iin-Iout传递函数变为：

存在一个零点

一个极点

以及一对极点和零点，该一对极点和零点处于高频，并且对补偿无关紧要。

根据R_i和C_i的缩放，可能有两个场景：

a)p₁<z₁→极点-零点双峰

b)z₁<p₁→零点-极点双峰

综上所述，本文例示的实施例有助于实施具有传递函数的(频率补偿的)布置，诸如提供经调节的输出电流Iout的频率补偿的LDO布置，传递函数可以包括：

-2个零点和1个极点(如图3中所例示的)，

-1个零点和1个极点(如图4和图5中所例示的)。

只要可以根据补偿规格选择零点和极点的位置，一个或多个实施例就可以表现出高度的灵活性，例如，补偿规格为：仅一个简单的零点；首先为零点，然后为零点-极点双峰；首先为零点，然后为极点-零点双峰；首先为极点-零点双峰，然后为零点。

在如本文所例示的一个或多个实施例中，不涉及任何可观的额外功率吸收，而额外面积方面可能只是略微增加。

本文结合图3例示的电路可以包括：

-第一晶体管单元(例如，M1)和第二晶体管单元(例如，M1’)(可能地，M1和M1’等于α和(1-α)乘以图2中的M1)，它们具有穿过其的电流路径，该电流路径耦合到输入电流线，该输入电流线被配置成由输入电流(例如，Iin)穿过，其中通过第一晶体管单元和第二晶体管单元的电流路径经由相应的第一(退化)电阻器(例如，2R1，可能具有等于R1/α和R1/(1-α)的电阻值)而以地(例如，GND)为基准，所述第一晶体管单元处于二极管布置中，其中该第一晶体管单元的控制端子在第一晶体管单元的与相应的第一(退化)电阻器相反的一侧处耦合到穿过其的电流路径，

-第二晶体管(例如，M3)，包括耦合到第一晶体管单元的控制端子的控制端子，并且包括穿过第二晶体管的电流路径，该电流路径耦合到输出电流线，该输出电流线被配置成由输出电流(例如，Iout)穿过，该输出电流经由电流镜像因子(例如，k)来镜像输入电流，通过第二晶体管(例如，M3)的电流路径经由第二电阻器(例如，R3)而以地为基准，

-第一电容器(例如，C2)，耦合到地并且耦合到第一晶体管单元的控制端子和第二晶体管单元的控制端子，其中耦合电阻器(例如，R2)布置在第一电容器与第一晶体管单元的控制端子中间，以及

-第二电容器(例如，C3)，在第二晶体管和第二电阻器之间的节点处，耦合到地并且耦合到通过第二晶体管的电流路径。

在本文结合图3例示的电路中，第一晶体管单元和第二晶体管单元可以具有相同宽度和相同长度(例如，由于α＝0.5)。

在本文结合图3例示的电路中：

-所述相应的第一电阻器(例如，2R1)可以具有第一电阻值两倍的相应电阻值(例如，由于α＝0.5，所以电阻值是R1的两倍)，

-第二电阻器可以具有等于第一电阻值(例如，R1)除以所述电流镜像因子(例如，k)的第二电阻值(例如，R3)。

本文结合图4或图5例示的电路可以包括：

-第一晶体管(例如，M1)，具有穿过其的电流路径，该电流路径耦合到输入电流线，该输入电流线被被配置成由输入电流(例如，Iin)穿过，通过第一晶体管的电流路径经由第一电阻器(例如，R1)而以地为基准，第一晶体管处于二极管布置中，其中第一晶体管的控制端子在第一晶体管的与第一电阻器相反的一侧耦合到通过第一晶体管的电流路径，

-第二晶体管(例如，M3)，包括耦合到第一晶体管的控制端子的控制端子，并且包括通过第二晶体管的电流路径，该电流路径耦合到输出电流线，该输出电流线被配置成由输出电流(例如，Iout)穿过，该输出电流经由电流镜像因子(例如，k)来镜像输入电流，通过第二晶体管的电流路径经由第二电阻器(例如，R3)而以地为基准，

-第一电容器(例如，C1)，耦合到地，并且在第一晶体管的控制端子处耦合到第一晶体管，或在第一晶体管和第一电阻器中间的节点处的耦合到穿过第一晶体管的电流路径，

-第二电容器(例如，C3)，耦合到地，并且在第二晶体管和第二电阻器之间的节点处耦合到穿过第二晶体管的电流路径。

在本文结合图4或图5例示的电路中：

-第一电阻器可以具有第一电阻值(R1)，

-第二电阻器可以具有第二电阻值(R3)，第二电阻值(R3)等于第一电阻值除以所述电流镜像因子(即R1/k)。

在本文例示的电路中，所述电流镜像因子可以是整数，可选地大于1。

在本文例示的电路中，所述晶体管(例如，M1、M3；M1、M1’、M3)可以包括场效应晶体管，该场效应晶体管包括栅极端子作为所述控制端子并且包括源极-漏极沟道作为穿过其的所述电流路径。

本文例示的设备(例如，10)可以包括：

-本文例示的电路，以及

-输出端口(例如，100)，耦合到所述输出电流线并且被配置成在所述输出端口处提供经调节的信号。

本文例示的设备可以包括低压降调节器。

在不损害基本原理的情况下，细节和实施例可以相对于仅通过示例的方式讨论的内容变化(甚至显著地变化)，而不会脱离保护的范围。

保护的范围由所附权利要求确定。

权利要求是如本文所提供的实施例的公开内容的组成部分。

Claims

1.一种频率补偿电路，包括：

第一晶体管，具有穿过所述第一晶体管的第一电流路径，所述第一电流路径通过第一电阻器而以地为基准；

第二晶体管，具有穿过所述第二晶体管的第二电流路径，所述第二电流路径通过第二电阻器而以地为基准；

其中所述第一电流路径和所述第二电流路径耦合到输入电流线，所述输入电流线被配置成由输入电流穿过；

其中所述第一晶体管以二极管布置被配置，其中所述第一晶体管的控制端子耦合到所述第一电流路径；

第三晶体管，具有穿过所述第三晶体管的第三电流路径，所述第三电流路径通过第三电阻器而以地为基准；

其中所述第三晶体管的控制端子耦合到所述第一晶体管的控制端子；

其中所述第三电流路径耦合到输出电流线，所述输出电流线被配置成由输出电流穿过；

其中所述输出电流经由电流镜像因子来镜像所述输入电流；

第四电阻器，耦合在所述第一晶体管的所述控制端子与所述第二晶体管的控制端子之间；

第一电容器，耦合在地与所述第二晶体管的所述控制端子之间；以及

第二电容器，在所述第三晶体管和所述第三电阻器中间的节点处，耦合在地与穿过所述第三晶体管的所述第三电流路径之间。

2.根据权利要求1所述的频率补偿电路，其中所述第一晶体管和所述第二晶体管具有相同的宽度和相同的长度。

3.根据权利要求1所述的频率补偿电路，其中：

所述第一电阻器和所述第二电阻器具有相同的电阻值，所述相同的电阻值是第一电阻值的两倍，并且

所述第三电阻器具有第二电阻值，所述第二电阻值等于所述第一电阻值除以所述电流镜像因子。

4.根据权利要求1所述的频率补偿电路，其中所述电流镜像因子是大于1的整数。

5.根据权利要求1所述的频率补偿电路，其中所述第一晶体管、所述第二晶体管和所述第三晶体管均是场效应晶体管。

6.根据权利要求1所述的频率补偿电路，还包括输出端口，所述输出端口耦合到所述输出电流线，并且被配置成在所述输出端口处提供设备的经调节信号。

7.根据权利要求6所述的频率补偿电路，其中所述设备是低压降调节器。

8.一种频率补偿电路，包括：

其中所述第一电流路径耦合到输入电流线，所述输入电流线被配置成由输入电流穿过；

其中所述第二晶体管的控制端子耦合到所述第一晶体管的控制端子；

其中所述第二电流路径耦合到输出电流线，所述输出电流线被配置成由输出电流穿过；

其中所述输出电流经由电流镜像因子来镜像所述输入电流；

第一电容器，耦合在地与所述第一晶体管和所述第二晶体管的所述控制端子之间；以及

第二电容器，在所述第二晶体管和所述第二电阻器中间的节点处，耦合在地与穿过所述第二晶体管的所述第二电流路径之间。

9.根据权利要求8所述的频率补偿电路，其中：

所述第一电阻器具有第一电阻值，并且

所述第二电阻器具有第二电阻值，所述第二电阻值等于所述第一电阻值除以所述电流镜像因子。

10.根据权利要求8所述的频率补偿电路，其中所述电流镜像因子是大于1的整数。

11.根据权利要求8所述的频率补偿电路，其中所述第一晶体管和所述第二晶体管均是场效应晶体管。

12.根据权利要求8所述的频率补偿电路，还包括输出端口，所述输出端口耦合到所述输出电流线，并且被配置成在所述输出端口处提供设备的经调节信号。

13.根据权利要求12所述的频率补偿电路，其中所述设备是低压降调节器。