CN113448372A

CN113448372A - 低压差稳压器的补偿

Info

Publication number: CN113448372A
Application number: CN202011328583.2A
Authority: CN
Inventors: P·米格里瓦卡
Original assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Current assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Priority date: 2020-03-27
Filing date: 2020-11-24
Publication date: 2021-09-28
Also published as: US20210303014A1; US11487312B2

Abstract

本发明涉及低压差稳压器的补偿。在一种形式中，在一种配置中提供驱动信号以响应于此来调节输出电压的低压差稳压器包括误差放大器、中间放大器、缓冲放大器和补偿网络。该误差放大器具有用于接收参考电压的第一输入、用于接收表示该输出电压的反馈信号的第二输入、第一输出和第二输出。该中间放大器具有耦接到所述误差放大器的该第一输出的第一输入、耦接到该误差放大器的该第二输出的第二输入，和输出。该缓冲放大器具有耦接到该中间放大器的该输出的第一输入和用于提供该驱动信号的输出。该补偿网络具有耦接到该中间放大器的该第一输入的第一端子和耦接到该中间放大器的该输出的第二端子。

Description

低压差稳压器的补偿

技术领域

本公开整体涉及稳压器，并且更具体地涉及低压差稳压器(LDO)。

背景技术

线性稳压器从另一个DC电压提供直流(DC)电压。例如，低压差稳压器(LDO)是线性稳压器，其控制通道元件两端的电压降以将输出电压调节到所需电平。LDO在线性电压调节应用中很常见。LDO是线性稳压器，即使当期望的输出电压非常接近输入电压时，其也提供输出电压。LDO通常包括放大器电路、通道元件和参考电路。放大器电路基于输出电压和参考电压来调整通道元件两端的电压降。

图1以局部框图和局部示意图形式示出了在现有技术中已知的LDO 100。LDO 100包括参考电压发生器101、放大器102、补偿电容器103、补偿电阻器104、寄生电容105、缓冲器106、通道晶体管107、第一电阻器108、第二电阻器109、输出电容器110和第三电阻器111。在操作中，电阻器108和109基于输出电压提供反馈信号。放大器102响应于反馈信号和参考电压提供调节信号。缓冲器106提供驱动信号以响应于调节信号而调节通道晶体管107两端的电压降。缓冲器106在其输入处具有寄生电容105。补偿电容器103和补偿电阻器104形成补偿网络以减轻寄生电容105的影响；然而，频率带宽仍然受到限制。

LDO可对系统的供电电压、充电噪声或其他干扰的变化敏感。对这些效应的响应时间受到LDO带宽的限制。寄生电容(诸如图1中的寄生电容105)降低LDO的主极频率并减慢LDO对噪声和其他干扰的响应。

为了提供良好的负载瞬变性能，LDO需要提供适当大的带宽，同时还提供低电流消耗和小电路面积。

附图说明

通过参照附图可更好地理解本公开，并且本公开的多个特征和优点对于本领域的技术人员为显而易见的，在附图中：

图1以局部框图和局部示意图形式示出了在现有技术中已知的稳压器；

图2以局部框图和局部示意图形式示出了根据本发明的一个实施方案的电压调节电路；

图3以局部框图和局部示意图形式示出了可用作图2的稳压器的稳压器；

图4以局部框图和局部示意图形式示出了根据本发明的另一个实施方案的稳压器；

图5以局部框图和局部示意图形式示出了根据其他实施方案的可用作图3和图4的中间级的中间级；和

图6以局部框图和局部示意图形式示出了根据又一个其他实施方案的可用作图3和图4的中间级的另一个中间级；和

图7以框图形式示出了可用作图3和图4的差分放大器的差分放大器。

在不同附图中使用相同的参考符号来指示相同或类似的元件。除非另有说明，否则字词“耦接”以及其相关联的动词形式包括直接连接以及通过本领域已知的方式的间接电连接两者；并且除非另有说明，否则对直接连接的任一描述也暗示使用合适形式的间接电连接的替代实施方案。

具体实施方式

图2以局部框图和局部示意图形式示出了根据本发明的一个实施方案的电压调节电路200。电压调节电路200是使用极分裂效应来增加频率带宽的低压差调节电路。电压调节电路200包括低压差稳压器(LDO)201、通道元件202、第一电阻器203、第二电阻器204、输入电容器205和输出电容器206。

LDO 201是使用极分裂效应来调节电压调节电路200的输出电压以增加频率带宽的集成电路。LDO 201具有标记为“GATE”、“IN”、“FB”和“GND”的一组端子。IN端子连接到用于接收标记为“V_IN”的输入电压的电压源。GND端子连接到接地。通道元件202是P沟道金属氧化物半导体(MOS)晶体管，其具有连接到LDO 201的IN端子的源极、用于向负载(图2中未示出)提供标记为“V_OUT”的输出电压的漏极，以及连接到LDO 201的GATE端子的栅极。第一电阻器203具有连接到通道元件202的漏极的第一端子和连接到LDO 201的FB端子的第二端子。第二电阻器204具有连接到LDO 201的FB端子的第一端子和连接到接地的第二端子。输入电容器205具有连接到LDO 201的IN端子的第一端子和连接到初级接地的第二端子。输出电容器206具有连接到通道元件202的漏极的第一端子和连接到初级接地的第二端子。

输入电容器205使电压调节电路200的输入处的V_IN平滑化。输出电容器206减小了电压调节电路200的输出处的V_OUT的不稳定性。LDO 201由IN端子处的V_IN供电。

第一电阻器203和第二电阻器204形成反馈网络，该反馈网络向LDO 201的FB端子提供表示按比例缩小的V_OUT的反馈信号。LDO 201使用反馈信号产生栅极驱动信号以控制通道元件202两端的电压降。例如，如果负载电流减小，则V_OUT和反馈信号将增大。作为响应，LDO 201将增加通道元件202两端的电压，以便将V_OUT减小到其目标值。

图3以局部框图和局部示意图形式示出了可用作图2的LDO 201的稳压器300。稳压器300是使用极分裂效应来增加频率带宽的集成电路LDO。稳压器300包括IN端子301、GND端子302、GATE端子303、FB端子304、差分级310、中间级320和缓冲级330。

差分级310包括电压参考电路311和差分放大器312。电压参考电路311具有连接到IN端子301的输入，以及用于供应参考电压的输出。差分放大器312具有用于接收参考电压的非反相输入、连接到FB端子304的反相输入、连接到IN端子301的电源输入、用于提供差分输出信号的正分量的第一输出以及用于提供差分输出信号的负分量的第二输出。

中间级320包括中间放大器321、电阻元件322和电容器323。中间放大器321具有连接到差分放大器312的第二输出的反相输入、连接到差分放大器312的第一输出的非反相输入、连接到IN端子301的电源输入，以及用于提供中间信号的输出。电阻元件322是具有连接到中间放大器321的反相输入的第一端子和第二端子的可调节电阻器。电容器323具有连接到电阻元件322的第二端子的第一端子，以及连接到中间放大器321的输出的第二端子。

缓冲级330是反相缓冲器，其具有连接到中间放大器321的输出的输入端子、连接到IN端子301的电源输入、以及用于提供驱动信号的输出。

在操作中，稳压器300是作为LDO操作并且适合用作图2的稳压器201的集成电路。稳压器300通过响应于由FB端子304接收的反馈信号和从电压参考电路311输出的参考电压而生成栅极驱动信号来调节输出电压(V_OUT)。在缓冲级330的输入处存在寄生电容，该寄生电容限制稳压器的带宽。然而，与已知的低压差稳压器不同，稳压器300包括中间级，该中间级提供极分裂效应以将由缓冲级330的输入处的寄生电容引起的极推送到更高频率，从而增加稳压器的带宽。

电阻元件322和电容器323在中间放大器321的反相输入与中间放大器321的输出之间提供补偿网络。补偿网络在中间放大器321的反相输入处产生低频极。低频极的频率由下式给出：

其中C_lfeq为极的等效电容，并且R_lfeq为极的等效电阻。C_lfeq可计算为：

其中C_comp是电容器323的电容值，A₁是差分放大器312的增益，并且A₂是中间放大器321的增益。R_lfeq可计算为：

其中g_m3和g_m2为差分放大器312的跨导分量。根据公式1、2和3，低频极的频率可计算为：

如前所述，寄生电容存在于缓冲级330的输入处。该寄生电容产生高频极，这可限制稳压器300的带宽。高频极的频率由下式给出：

其中C_hfeq为极的等效电容，并且R_hfeq为极的等效电阻。C_hfeq可计算为：

其中C_parasitic是寄生电容的值。R_hfeq可计算为：

其中g_dsi为中间放大器321的输出电导分量。根据公式5、6和7，高频极的频率可计算为：

通过使用补偿网络，稳压器300将高频极除以差分放大器312的电压增益A₁和中间放大器321的电压增益A₂，这将高频极推向更高的频率，从而增加带宽。

图4以局部框图和局部示意图形式示出了根据本发明的另一个实施方案的稳压器400。稳压器400是LDO，其操作类似于图3的稳压器300，但具有下文所述的一些差异。稳压器400通常包括标记为“IN”的输入端子401、标记为“GND”的接地端子402、标记为“OUT”的输出端子403、差分级410、中间级420、缓冲级330、输出级440和反馈级450。

差分级410包括电压参考电路411和差分放大器412。电压参考电路411具有连接到IN端子401的输入，以及用于供应参考电压的输出。差分放大器412具有用于接收参考电压的非反相输入、用于接收反馈电压的反相输入、连接到IN端子401的电源输入、用于提供差分输出信号的正分量的第一输出以及用于提供差分输出信号的负分量的第二输出。

中间级420包括中间放大器421、电阻元件422和电容器423。中间放大器421具有连接到差分放大器412的第二输出的反相输入、连接到差分放大器412的第一输出的非反相输入、连接到IN端子401的电源输入，以及用于提供中间信号的输出。电阻元件422是具有连接到中间放大器421的反相输入的第一端子和第二端子的可调节电阻器。电容器423具有连接到电阻元件422的第二端子的第一端子，以及连接到中间放大器421的输出的第二端子。

缓冲级430是反相缓冲器，其具有连接到中间放大器421的输出的输入端子、连接到IN端子401的电源输入、以及用于提供驱动信号的输出。

输出级440是P沟道金属氧化物半导体(MOS)晶体管，其具有连接到IN端子401的源极、用于接收驱动信号的栅极、以及连接到OUT端子403的漏极。反馈级450具有连接到OUT端子403的第一端子、用于提供反馈信号的第二端子，以及连接到GND端子402的第三端子。反馈级450包括第一电阻器451和第二电阻器452。电阻器451具有连接到OUT端子403的第一端子，以及连接到差分放大器412的反相输入的第二端子。电阻器452具有连接到电阻器451的第二端子的第一端子、以及连接到GND端子402的第二端子。

除了图2的通道元件202以及电阻器203和204分别集成在与输出级440和反馈级450相同的管芯上之外，稳压器400在用于图2的稳压器电路200中时以与图3的稳压器300类似的方式操作。

稳压器300和400提供了可用于诸如图1的电压调节电路100的应用中的低压差稳压器的示例性实施方式。电阻元件322和422被描绘为可调节电阻器。电阻元件322和422的电阻值可在处理期间、制造期间、由用户或响应于电压信号来调节。在一些实施方案中，反馈电流随着输出电压上升而减小，并且在这些替代方案中，差分放大器312和412以及中间放大器321和421可切换它们的极性以考虑到反馈信号行为的差异。虽然晶体管440被示出为P沟道MOS晶体管，但其他实施方式可使用其他晶体管，诸如可使用双极性结型晶体管(BJT)、结型栅极场效应晶体管(JFET)或N沟道MOS晶体管。

图5以局部框图和局部示意图形式示出了可用作图3的中间级320或图4的中间级420的中间级500。中间级500是行为类似于图3的中间级320的中间级，但具有下文所述的一些差异。中间级500包括中间放大器521、偏置电路522、晶体管523和电容器524。中间放大器521具有用于接收反相差分输出信号的反相输入、用于接收非反相差分输出信号的非反相输入以及用于提供中间信号的输出。偏置电路522具有用于接收V_OUT的输入和用于提供偏置信号的输出。晶体管523是P沟道MOS晶体管，其具有连接到中间放大器521的反相输入的漏极、用于接收偏置信号的栅极、以及源极。电容器524具有连接到晶体管523的源极的第一端子，以及连接到中间放大器521的输出的第二端子。

在操作中，中间级500的行为类似于图3的中间级320，不同的是偏置电路522和晶体管523代替图3的电阻元件322。偏置电路522接收V_out并提供偏置信号以根据V_out调节晶体管523的漏极-源极电阻。晶体管523生成零，该零的位置通过调节其漏极-源极电阻而改变。

图6以局部框图和局部示意图形式示出了可用作图3的中间级320或图4的中间级420的另一个中间级600。中间级600是行为类似于图3的中间级320的中间级，但具有下文所述的一些差异。中间级600包括中间放大器621、电阻器622和电容器623。中间放大器621具有用于接收反相差分输出信号的反相输入、用于接收非反相差分输出信号的非反相输入以及用于提供中间信号的输出。电阻器622具有连接到中间放大器621的反相输入的第一端子，以及第二端子。电容器623具有连接到电阻器622的第二端子的第一端子，以及连接到中间放大器621的输出的第二端子。

在操作中，中间级600的行为类似于图3的中间级320，不同的是电阻器622具有固定的电阻值。

中间级320、420、500和600提供了用于低压差稳压器的中间级的示例性实施方式。通过使用中间级，稳压器300和400可具有更高的带宽，这允许对扰动诸如电荷噪声和电源噪声的更快响应。

图7以框图形式示出了可用作图3的差分放大器312或图4的差分放大器412的差分放大器700。差分放大器700是行为类似于图3的差分放大器312的放大器链，但具有下文所述的一些差异。差分放大器700包括第一放大器711、增益反相器712和第二放大器713。第一放大器711具有用于接收反馈信号(V_FB)的反相输入、用于接收参考电压的非反相输入，以及用于提供非反相差分输出信号的输出。增益反相器712具有用于接收反相差分输出信号的输入以及连接到第一放大器711的输出的输出。第二放大器713具有用于接收V_FB的非反相输入、用于接收参考电压的反相输入，以及用于提供反相差分输出信号的输出。

在操作中，差分放大器700仅使用单端输出放大器来实现图3的差分放大器312。

因此，已经描述了稳压器、中间级及其操作的各种实施方案。各种实施方案为低压差稳压器提供改进的带宽。它们还在DC/DC转换器中提供改善的电源纹波抑制(PSRR)。

上文所公开的主题应被视为示例性的而非限制性的，并且所附权利要求书旨在涵盖落在权利要求书的真实范围内的所有此类修改、增强和其他实施方案。举例来说，稳压器芯片所支持的开始和结束频率的特定值在不同的实施方案中可变化。此外，在其他实施方案中，图2和图3所示的电压调节电路的不同部件可集成在单个半导体芯片上，或包括在单个集成电路封装中。

在一种形式中，在一种配置中提供驱动信号以响应于此而调节输出电压的低压差稳压器包括误差放大器、中间放大器、缓冲放大器和补偿网络。所述误差放大器具有用于接收参考电压的第一输入、用于接收表示所述输出电压的反馈信号的第二输入、第一输出和第二输出。所述中间放大器具有耦接到所述误差放大器的所述第一输出的第一输入、耦接到所述误差放大器的所述第二输出的第二输入，和输出。所述缓冲放大器具有耦接到所述中间放大器的所述输出的第一输入和用于提供所述驱动信号的输出。所述补偿网络具有耦接到所述中间放大器的所述第一输入的第一端子和耦接到所述中间放大器的所述输出的第二端子。

根据一个方面，误差放大器包括第一放大器、第二放大器和第三放大器。第一放大器具有用于接收反馈信号的第一输入、用于接收参考电压的第二输入、以及用于提供误差放大器的第二输出的输出。第二放大器具有用于接收反馈信号的第一输入、用于接收参考电压的第二输入、以及用于提供误差放大器的第一输出的输出。第三放大器具有耦接到第二放大器的输出的输入和耦接到第一放大器的输出的输出。

根据另一方面，低压差稳压器还包括输出晶体管，该输出晶体管具有用于接收输入电压的第一电流电极、用于提供输出电压的第二电流电极以及耦接到缓冲放大器的输出的控制电极。在这种情况下，输出晶体管可以是p沟道MOSFET。此外，稳压器还可包括分压器电路，该分压器电路具有耦接到输出晶体管的第二电流电极的第一端子、耦接到误差放大器的第二输入的第二端子，以及耦接到电源端子的第三端子。

在另一种形式中，电压调节电路包括差分级、中间级、缓冲级、输出级和反馈级。差分级具有用于响应于反馈信号与参考信号之间的差值而提供差分信号的输出。中间级响应于所述差分信号，并且具有用于提供第一输出信号的输出，其中所述中间级包括用于向所述差分信号和所述第一输出信号提供极分裂效应的补偿网络。缓冲级响应于所述第一输出信号，并且具有用于提供缓冲信号的输出。输出级响应于所述缓冲信号，并且具有用于提供输出电压的输出。反馈级响应于输出电压提供反馈信号。

根据一个方面，补偿网络包括耦接在中间级的输入和中间级的输出之间的电阻元件和电容器的串联组合，并且所述电容器具有限定极的大小，所述极的频率低于由所述缓冲级的输入处的寄生电容产生的极的频率，并且所述极的频率还与所述中间级的增益成比例。在这种情况下，电阻元件可具有可调节的电阻值。电阻元件还可是包括晶体管的可调节电阻电路，所述晶体管具有用于响应于所述输出电压而改变所述可调节电阻值的控制输入。

根据另一方面，差分级包括第一放大器、第二放大器和第三放大器。第一放大器具有用于接收反馈信号的第一输入、用于接收第一参考电压的第二输入、以及用于提供差分信号的第一分量的输出。第二放大器具有用于接收反馈信号的第一输入、用于接收第二参考电压的第二输入、以及用于提供差分信号的第二分量的输出。第三放大器具有耦接到第二放大器的输出的输入和耦接到第一放大器的输出的输出。

根据又一方面，差分级、中间级、缓冲级、输出级和反馈级组合在单个集成电路芯片内。

根据又一方面，差分级、中间级和缓冲级组合在集成电路封装内，并且输出级和反馈级在集成电路封装外部。

在又一种形式中，用于调节电压的方法包括：放大与输出电压成比例的反馈电压和参考电压之间的差值以形成差分信号，其中所述差分信号具有正分量和负分量；补偿所述差分信号；放大所述中间信号以提供缓冲信号；以及使用所述缓冲信号生成所述输出电压。所述补偿包括：放大所述差分信号以提供中间信号；以及用所述差分信号的所述负分量与所述中间信号之间的电容调节所述中间信号。根据一个方面，响应于输出电压的调制来调节电阻。

因此，在法律所允许的最大范围上，本发明的范围将由对所附权利要求及它们的等同物的最广泛的可允许的解释来确定，并且不应受到前文详细描述约束或限制。

Claims

1.一种低压差稳压器，所述低压差稳压器在一种配置中提供驱动信号以响应于此来调节输出电压，所述低压差稳压器包括：

误差放大器，所述误差放大器具有用于接收参考电压的第一输入、用于接收表示所述输出电压的反馈信号的第二输入、第一输出、以及第二输出；

中间放大器，所述中间放大器具有耦接到所述误差放大器的所述第一输出的第一输入、耦接到所述误差放大器的所述第二输出的第二输入，以及输出；

缓冲放大器，所述缓冲放大器具有耦接到所述中间放大器的所述输出的第一输入、以及用于提供所述驱动信号的输出；和

补偿网络，所述补偿网络具有耦接到所述中间放大器的所述第一输入的第一端子、以及耦接到所述中间放大器的所述输出的第二端子。

2.根据权利要求1所述的低压差稳压器，其中所述补偿网络包括：

电阻元件和电容器的串联组合，所述串联组合耦接在所述中间放大器的所述第一输入和所述第一输出之间。

3.根据权利要求2所述的低压差稳压器，其中所述电容器具有限定极的大小，所述极的频率低于由所述缓冲放大器的输入处的寄生电容产生的极的频率，并且所述极的频率还与所述中间放大器的增益成比例。

4.根据权利要求2所述的低压差稳压器，其中所述电阻元件具有可调节的电阻值。

5.根据权利要求4所述的低压差稳压器，其中所述电阻元件是包括晶体管的可调节的电阻电路，所述晶体管具有用于响应于所述输出电压来改变所述可调节的电阻值的控制输入。

6.一种电压调节电路，所述电压调节电路包括：

差分级，所述差分级具有用于响应于反馈信号与参考信号之间的差来提供差分信号的输出；

中间级，所述中间级响应于所述差分信号，所述中间级具有用于提供第一输出信号的输出，其中所述中间级包括用于向所述差分信号和所述第一输出信号提供极分裂效应的补偿网络；和

缓冲级，所述缓冲级响应于所述第一输出信号，所述缓冲级具有用于提供缓冲信号的输出；

输出级，所述输出级响应于所述缓冲信号，所述输出级具有用于提供输出电压的输出；和

反馈级，所述反馈级用于响应于所述输出电压来提供所述反馈信号。

7.根据权利要求6所述的电压调节电路，其中所述补偿网络包括：

电阻元件和电容器的串联组合，所述串联组合耦接在所述中间级的输入与所述中间级的所述输出之间。

8.根据权利要求7所述的电压调节电路，其中所述电容器具有限定极的大小，所述极的频率低于由所述缓冲级的输入处的寄生电容产生的极的频率，并且所述极的频率还与所述中间级的增益成比例。

9.一种用于调节电压的方法，所述方法包括：

放大与输出电压成比例的反馈电压和参考电压之间的差以形成差分信号，其中所述差分信号具有正分量和负分量；以及

补偿所述差分信号，其中所述补偿包括：

放大所述差分信号以提供中间信号；以及

利用所述差分信号的所述负分量与所述中间信号之间的电容来调节所述中间信号，

放大所述中间信号以提供缓冲信号；以及

使用所述缓冲信号生成所述输出电压。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述补偿还包括：

调节所述差分信号的所述负分量与所述中间信号之间的电阻。