CN113853562A - 电压调节器、集成电路及电压调节方法 - Google Patents

电压调节器、集成电路及电压调节方法 Download PDF

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Abstract

一种电压调节器，包括具有连接在第一电源端子(VS)与输出端子(OUT)之间的受控部分的输出晶体管(MPOUT)。放大器(AMP)包括参考输入(VR)和反馈输入(VFB)。包括副本晶体管(MREP)的电流镜。电流镜被配置为镜像并衰减由输出晶体管(MPOUT)供给副本晶体管(MREP)的负载电流。滤波器电路(RC)耦合到副本晶体管(MREP)的受控部分，并经由输出端子(OUT)耦合到放大器(AMP)的反馈输入(VFB)。

Description

电压调节器、集成电路及电压调节方法
技术领域
本发明涉及一种电压调节器，例如低压差调节器。此外，本发明涉及一种包括一个或更多个所提出的电压调节器的集成电路，以及一种电压调节方法。
背景技术
在模拟和数字电路设计中，通常需要在芯片中提供不同的电压源。例如，出于可靠性的原因，数字电源通常提供非常低的电压值，而模拟电路通常关注动态范围需求。这些不同的需求并不总是彼此一致。有时，例如借助于针对敏感部分的专用耗材，避免电路架构各部分的串扰也是有益的。在电压调节器的几种解决方案中，不使用外部负载电容器的无电容器版本越来越受欢迎，以防止随着芯片上使用的调节器数量的增加，外部引脚的数量会增加。然而，作为一个主要缺点，常见的电压调节器可能只能对调节后的电压进行不充分地滤波。当调节后的电压应该为约1V或2V时，器件可靠性已经能够因约几百mV的过冲而降低，除非特别注意，否则这种情况可能很容易在负载电流变化后发生。
现有技术中已经解决了对过冲的敏感性。尽可能快地呈现对过冲事件的响应是一种方法。为了与功耗进行合理的权衡，已广泛采用了AB类方法，但如今电容耦合布局也越来越受欢迎。例如，电压调节器输出处的尖峰可以耦合到偏置电流发生器，以仅在尖峰持续时间内增加其值。这样可以在保持低功率特性的同时获得更即时的响应。
Pui Ying Or和Ka Nang Leung发表了电容耦合的概念：“具有直接电压尖峰检测的无输出电容器低压差调节器(An output-capacitorless low-dropout regulator withdirect voltage-spike detection)”，IEEE Journal of Solid-State Circuits,45(2):458-466，2010年2月。所提出的电压调节器具有对过冲事件快速响应的特征。例如，如果输出具有正尖峰，则电容耦合增加电流镜晶体管中的电流，从而迅速上拉PMOS输出晶体管的栅极以快速关断。负尖峰迫使另一个电流镜中二极管处的参考至更低的值，以增加电流并迅速下拉PMOS输出晶体管的栅极。遗憾的是，这种解决方案存在一些明显的缺点。在大多数情况下，提升的电流的路径穿过上述电流镜。这意味着速度可能是一个问题，例如当负载为数字电路时。此外，一旦耦合节点跟踪电源电压Vdd，则输出节点处的电容器与内部偏置的耦合可能导致较差的高频电源抑制比PSRR。
尽管许多尝试都具有有限功耗的特征，但电压调节器的放大器速度遇到了若干瓶颈。上面讨论的电流镜的实现方式是一个问题，但同样值得注意的是，即使是暂时的，更大的电流通常也需要更大的晶体管。这会导致更大的寄生电容，通常会阻碍速度的实现。考虑到所有这些，为了解决短时间尺度过冲事件，解决方案不能像通常必需的那样快。
发明内容
一个目的是提供允许改进过冲性能的电压调节器、集成电路和电压调节方法。
这些目的通过独立权利要求的主题来实现。在从属权利要求中描述了进一步的改进方案和实施例。
应当理解，与任何一个实施例相关描述的任何特征可以单独使用，或者与本文描述的其他特征组合使用，也可以与任何其他实施例的一个或更多个特征组合使用，或者与任何其他实施例的任何组合组合使用，除非被描述为替代方案。此外，在不脱离所附权利要求中限定的电压调节器、集成电路和电压调节方法的范围的情况下，也可以采用以下未描述的等同方案和修改。
以下涉及电压调节器过冲抑制领域中的改进构思。已经注意到，在低压差调节器(或LDO)中，负载瞬态后的过冲的影响取决于连续负载电流值之间的比率。在下文中，术语“过冲”涉及超过其标称稳态值的电压调节器(例如低压差调节器(LDO))的输出。术语“过冲事件”表示导致过冲事件的事件，例如，负载电流突然下降。例如，在过冲期间，负载电流的第一值较高，并且一旦过冲事件停止了，可能会立即下降到低得多的负载电流的第二值。负载电流的第一值和第二值的比率越大，值之间的这种“跳跃”可能具有越大的影响。例如，从101mA跳跃到1mA可能比从150mA跳跃到50mA更为严重。在这两个示例中，跳跃在绝对值方面相同，但在相对值方面不同。因此，在负载电流中引入偏移可能会对过冲事件的整体影响产生影响。
在下文中提出了一种电压调节器，其包括用于感测负载电流的输出晶体管。借助于副本晶体管和滤波器电路，对所述负载电流的衰减副本进行滤波，并重新注入为输出晶体管的附加负载。因此，总负载电流是由于常规负载而引起的负载电流与重新注入的衰减副本之和。在过冲事件的情况下，负载电流不会立即下降到低负载电流或零负载电流水平，而是下降到过冲事件之前初始负载电流的一小部分。此外，由于持续重新注入衰减副本，总负载电流在较慢的时间尺度上稳定下来。
例如，可以使用适当的参数(例如，滤波器电路的衰减因子或时间常数等)控制所述时间尺度，以通过电压调节器的放大器更容易地进行跟踪。事实上，连续负载电流值的比率可以取决于衰减因子。这样总负载电流不会从高电流值突然下降到低电流值，因此改善了过冲性能。
在至少一个实施例中，电压调节器包括输出晶体管、放大器、电流镜和滤波器电路。输出晶体管包括连接在第一电源端子与输出端子之间的受控部分。放大器包括参考输入和反馈输入。此外，电流镜包括副本晶体管。滤波器电路耦合到副本晶体管的受控部分并耦合到输出端子。
在操作中，输出晶体管连接到负载并感测负载电流。参考端子连接到参考电源。电流镜被配置为镜像并衰减由输出晶体管供给副本晶体管的负载电流。因此，经衰减的负载电流或负载电流的副本由副本晶体管来供给。然后，由滤波器电路对副本进行滤波，并作为附加负载经由输出端子重新注入到输出晶体管。因此，总负载电流是由于负载而引起的负载电流与重新注入的经衰减的负载电流(即副本)之和。由于滤波，副本会以一定的时间延迟重新注入。在过冲事件的情况下，总负载电流可能不会立即下降到低电流水平或零负载电流水平，而是下降到过冲事件之前初始负载电流的一小部分。此外，由于持续延迟重新注入副本，总负载电流在较慢的时间尺度上稳定下来。
因此，负载电流曲线，即作为时间的函数的负载电流，可以变得更平滑，并且可以允许放大器更容易地跟踪负载电流曲线。事实上，即使在过冲事件之后，放大器也可以提供所期望的响应并保持较小的正输出变化。所提出的构思遵循不同的过冲保护方法。不试图使放大器尽可能的如技术所允许的那样快，而是改变负载电流曲线。与其他解决方案相比，所提出的构思利用负载电流的感测，不将其作用于放大器偏置而是用于修改负载电流曲线。关注正尖峰，可以看出，如果负载电流改变非常快，比放大器响应更快，并且变化量非常大，则会发生较大的正过冲事件。考虑到晶体管(例如MOSFET或BJT)的非线性特性，当从例如几mA稳定到1μA或10μA或100μA时，输出晶体管的栅极处的变化可能明显不同。这意味着输出晶体管处可能需要更小的摆幅，以便能够在更短的时间内达到平衡，并且即使不能防止过冲事件，也能够大大减少过冲事件。由于回路增益保持不变，因此对放大器稳定性或动态范围的限制并不需要关心。另外，已经发现所提出的构思不是替代性的，而是与其他电压调节器设计协同的，因此可以添加到现有的电路布局。
在至少一个实施例中，放大器包括反馈输入。滤波器电路耦合到副本晶体管的受控部分，并经由输出端子连接到放大器的反馈输入。
在至少一个实施例中，输出晶体管和副本晶体管是PMOS晶体管。电流镜包括输出晶体管和副本晶体管两者，其中，输出晶体管的受控部分和副本晶体管的受控部分彼此连接。例如，输出晶体管的源极电连接到副本晶体管的源极。电流镜构成PMOS镜。由作为功率晶体管的PMOS输出晶体管所供给的负载电流根据PMOS镜的特性进行镜像和衰减。
在至少一个实施例中，输出晶体管是NMOS晶体管，副本晶体管是PMOS晶体管。电流镜包括二极管接法的PMOS晶体管，使得二极管接法的晶体管的受控部分和副本晶体管的受控部分经由电路节点彼此电连接。例如，二极管接法的PMOS晶体管的源极电连接到副本晶体管的源极。输出晶体管经由其受控部分(例如，经由漏极)连接到电路节点。
电流镜构成PMOS镜，而输出晶体管为NMOS。例如，由作为功率晶体管的输出晶体管所供给的负载电流在功率晶体管的漏极处被镜像并衰减。因此，可以使用NMOS和PMOS技术这两者来实现输出晶体管。术语“二极管接法的晶体管”表示将三端子的晶体管连接为两端子的整流器件，即二极管。在所提出的实施例中，二极管接法的晶体管是通过连接诸如PMOS晶体管的MOSFET的栅极和漏极来制成的。
在至少一个实施例中，副本晶体管被配置为通过因子k对负载电流进行衰减。因子k是实数。通常，电流镜提供与输入电流(即负载电流)成比例的输出电流。因子k或衰减因子构成指示衰减的比例因子。例如，放大器可以对由于过冲事件而导致的负载瞬态做出反应。负载瞬态可以从由于过冲事件而产生的相当大的值(表示为第一值)开始突然下降，不是下降到最小的可能电流值，而是下降到与第一值的1/k成比例的第二值。随着时间的推移，负载电流从第二值稳定到最小值或甚至零。这种逐渐稳定可以进行得足够慢，以便能够通过放大器进行跟踪。
在至少一个实施例中，因子k由副本晶体管确定。例如，调整副本晶体管的宽长比，对因子k的值进行定义。
在至少一个实施例中，滤波器电路包括级联的电流镜。级联的电流镜连接到副本晶体管的受控部分。此外，级联的电流镜经由输出端子连接到输出晶体管的受控部分。滤波器电路对由副本晶体管提供的经衰减的负载电流进行滤波。级联的电流镜将经衰减和滤波的负载电流重新注入，与负载电流并联。以这种方式，例如，输出晶体管被配置为提供总负载电流，该总负载电流具有源自负载的当前负载电流及其延迟的且经衰减的当前负载电流的副本的贡献。
在至少一个实施例中，滤波器电路包括具有至少一个时间常数的电阻电容网络。时间常数与衰减因子k一起影响负载瞬态随时间的演变。例如，在过冲事件之后，在从第一负载电流值下降之后，总负载电流达到第二负载电流值。通过使用电阻电容网络实现滤波器电路，负载瞬态可以进一步按照指数函数从第二负载电流值下降。该指数函数可以是时间的函数，并且以衰减因子和一个或多更个时间常数作为参数。衰减因子和时间常数均可以借助于硬件来调整。
例如，电阻器-电容器的网络包括至少一个电阻器和电容器。电容器可以耦合到地电位，或者备选地，耦合到输出端子。在两种实现方式中，由于滤波器电路而进行的滤波本质上具有相同的特性，例如，电阻器受由米勒效应(Miller effect)放大的电容器的影响。然而，将电容器耦合到输出端子允许实现偏置提升。例如，在过冲事件的情况下，例如正尖峰，电流的提升直接下拉输出端子处(即不是输出晶体管处)的调节器输出。这有助于进一步减少输出处的过冲。
在至少一个实施例中，滤波器电路(例如电阻电容网络)包括若干不同的时间常数。例如，当负载电流从第二负载电流值下降时，即在过冲事件之后，具有较低值的第一时间常数立即跟踪正负载电流变化，其值高于第一值的第二时间常数平滑负载电流瞬态。尽管实现具有若干不同时间常数的滤波器电路变得更加复杂，但这允许考虑到不同时间尺度下的负载瞬态。
在至少一个实施例中，时间常数取决于放大器的带宽。经镜像和衰减的负载电流在放大器可跟踪的时间尺度上经由输出端子重新注入。实际时间常数由电阻电容网络的实现方式来确定，并且可能会受限于以下权衡。放大器的带宽确定了其跟踪输入负载电流的能力。事实上，平滑的负载瞬态允许更容易的跟踪，并且通过较大的时间常数来进行更好地支持。相反，较大的时间常数会阻止对由于过冲事件而导致的短电流脉冲的跟踪，并且可能使所实现的校正效果降低。不过，如果负载电流脉冲非常短，放大器可能无论哪种情况下均不能跟踪负载电流，因此在脉冲结束后，放大器可能不会识别出由于从功率晶体管注入到输出端子中的过量电流而导致的过冲事件。这为时间常数值留下了一些空间，足够大以确保可接受的平滑曲线。例如，考虑到由电压调节器(例如LDO)的增益带宽所确定的响应时间τo，负载电流变化ΔI应该不能使调节后的输出放电超过给定量AVout，例如ΔI·τo<Cload-AVout。该量可能取决于LDO的准确度要求。
在至少一个实施例中，电阻电容网络布置在级联电流镜的连接支路中。这样，经镜像和衰减的负载电流在其重新注入输出端子之前被立即滤波。
在至少一个实施例中，放大器包括无输出电容器的低压差调节器。这种电压调节器可能不需要外部负载电容器，并且因此可以防止外部引脚的数量随着集成电路或芯片中使用的电压调节器的数量而增加。然而，需要指出的是，电压调节器的其他设计可以以协同方式与所提出的构思组合。LDO或无输出电容器构成一种可能的实施例，不应认为其以任何方式限制本文所提出的范围。
在至少一个实施例中，放大器包括放大器核、误差放大器以及第一偏置电流发生器和第二偏置电流发生器。放大器核包括输出晶体管和误差放大器。误差放大器包括输入晶体管，该输入晶体管经由输出端子串联连接到输出晶体管的受控部分，并经由其受控部分连接到输入端子。此外，误差放大器包括耦合在输出晶体管的受控部分与输入晶体管的受控部分之间的折叠晶体管。第一偏置电流发生器和第二偏置电流发生器分别包括第一尾电流源和第二尾电流源。第一尾电流源和第二尾电流源分别经由第一耦合电容器和第二耦合电容器耦合到输出端子。
上面介绍的放大器基于误差放大器作为输入元件，输出晶体管作为功率晶体管。放大器借助于包括折叠晶体管和输出晶体管的反馈回路在输出端子处生成调节后的电压。第一耦合电容器和第二耦合电容器将由于过冲事件而导致的负载电流中的输出尖峰耦合到充当偏置电流发生器的尾电流源，以便暂时增加放大器中的偏置电流。这导致负载电流中的输出尖峰减少。因此，放大器具有抵消过冲事件的作用。然而，一旦发生过冲事件，重新注入基于副本晶体管和滤波器电路的经衰减的延迟的负载电流，支持电压调节器恢复正常操作。
在至少一个实施例中，集成电路包括至少一个或多个数字和/或模拟电路。集成电路还包括根据以上所提出的构思的电压调节器。集成电路通常包括一个或多个电压调节器以便供给模拟和/或数字组件。调节后的电压源，例如约1V或2V，能够实现更高的可靠性和改进的过冲保护。
在至少一个实施例中，电压调节方法包括借助于电压调节器的输出晶体管来感测负载电流的步骤。负载电流被镜像和衰减，并由输出晶体管供给到副本晶体管。经衰减的负载电流借助于耦合到副本晶体管的滤波器电路进行滤波。最后，将经衰减和滤波的负载电流重新注入为输出晶体管的附加负载电流。结果是，总负载电流是由于负载引起的负载电流与重新注入的经衰减的负载电流(即副本)之和。由于滤波，副本以一定的时间延迟重新注入。在过冲事件的情况下，总负载电流可能不会立即下降到低电流水平或零负载电流水平，而是下降到过冲事件之前初始负载电流的一小部分。此外，由于持续进行副本的延迟重新注入，总负载电流在较慢的时间尺度上稳定下来。
使用所提出的构思，负载电流曲线，即作为时间的函数的负载电流，可以变得更平滑，并且可以允许放大器更容易地跟踪负载电流曲线。事实上，即使在过冲事件之后，放大器也可以提供所期望的响应并保持较小的正输出变化。与其他解决方案相比，所提出的构思利用负载电流的感测，不将其作用于放大器偏置而是用于修改负载电流曲线。由于回路增益保持不变，对放大器稳定性或动态范围的限制并不需要关心。另外，已经发现所提出的构思不是替代性的，而是与其他电压调节器设计协同的，因此可以添加到现有的电路布局。
在至少一个实施例中，与负载电流并联并且在已经借助于滤波器电路进行滤波之后，重新注入经衰减和滤波的负载电流。这样，在发生过冲事件后，可以影响负载电流曲线。
在至少一个实施例中，滤波器电路具有取决于放大器带宽的时间常数。在放大器可跟踪的时间尺度上重新注入经镜像和衰减的负载电流。实际的时间常数由滤波器电路的实现方式来确定。放大器的带宽确定了其跟踪输入负载电流的能力。事实上，平滑的负载瞬态允许更容易的跟踪，并且通过较大的时间常数来进行更好地支持。相反，较大的时间常数会阻止对由于过冲事件而导致的短电流脉冲的跟踪，并且可能使所实现的校正效果降低。不过，如果负载电流脉冲非常短，放大器可能无论哪种情况下均不能跟踪负载电流，因此在脉冲结束后，放大器可能不会识别出由于从功率晶体管注入到输出端子中的过量电流而导致的过冲事件。这为时间常数值留下了一些空间，足够大以确保可接受的平滑曲线。
从电压调节器和集成电路的各种实施方式和实施例中可以容易地推导出电压调节方法的其他实施方式，并且反之亦然。
从电压调节器的各种实施方式和实施例中可以容易地推导出方法的其他实施方式，并且反之亦然。
附图说明
在下文中，参照附图来更详细地描述上述构思，其中呈现了实施例的示例。在下文呈现的实施例和附图中，相似或相同的元件可以各自以相同的附图标记提供。然而，图中所示的元件及其彼此之间的大小关系不应被视为真实的比例，而是可以放大单个元件(例如层、组件和区域)，以使得能够进行更好的说明或更好的理解。
图1示出了电压调节器的示例实施例，
图2示出了电压调节器的另一示例实施例，
图3示出了电压调节器的负载瞬态的示例，
图4示出了电压调节器的负载瞬态的另一示例，
图5示出了电压调节器的另一示例实施例，以及
图6示出了电压调节器的另一示例实施例。
具体实施方式
图1示出了包括放大器AMP和过冲电路OC的电压调节器的示例实施例。过冲电路OC包括输出晶体管MPOUT、电流镜和滤波器电路RC，电流镜包括副本晶体管MREP，滤波器电路RC将副本晶体管MREP连接到输出晶体管MPOUT。
放大器AMP包括连接到参考电位的参考输入VR，并且还包括反馈输入VFB。正如下文中将更详细解释的，已经发现所提出的过冲电路OC不是替代性的，而是与其他电压调节器设计协同的，因此可以添加到现有的电路布局。这减少了对放大器AMP设计的限制，并且可以利用过冲电路OC来实现或补充不同的设计。一个示例包括无输出电容器的低压差调节器。其他示例将分别参考图5和图6做更详细讨论。
放大器AMP的输出侧电连接到输出晶体管MPOUT。在该特定实施例中，输出晶体管MPOUT是PMOS晶体管，其栅极连接到放大器AMP的输出侧。此外，输出晶体管MPOUT的源极连接到电源端子VS。输出晶体管MPOUT的受控部分(例如漏极)连接到负载，负载表示为负载电流源Iload，并且进一步连接到电源端子VS。
电流镜包括输出晶体管MPOUT和副本晶体管MREP两者。他们的受控部分(例如源极)彼此电连接。此外，输出晶体管MPOUT和副本晶体管MREP的受控部分(例如栅极)彼此电连接并连接到放大器AMP的输出侧。
滤波器电路包括具有第一晶体管M1和第二晶体管M2的级联的电流镜。滤波器电路包括电阻器-电容器的网络，例如，具有至少电阻器R和电容器C的一个或更多个RC滤波器。在该实施例中，RC滤波器布置在级联的电流镜的连接支路中，即在第一晶体管M1的受控部分(即栅极)与第二晶体管M2的受控部分(即栅极)之间。此外，级联的电流镜在其输入侧经由第一晶体管M1连接到副本晶体管MREP的受控部分，例如MREP的漏极。
电压调节器的输出端子OUT连接到输出晶体管MPOUT的受控部分(例如漏极)。此外，输出端子OUT，即经由第二晶体管M2的受控部分(例如漏极)，连接到滤波器电路的输出侧。第二晶体管M2的另一个受控部分(例如源极)连接到地电位GND。最后，输出端子OUT连接到放大器AMP的反馈输入VFB。
在操作中，输出晶体管MPOUT连接到负载电流源Iload并感测负载电流。参考端子VR连接到参考电源，以便在其输出侧处，放大器AMP根据参考电源提供输出。电流镜镜像并衰减由作为功率晶体管的输出晶体管MPOUT所供给的负载电流。因此，经衰减的负载电流或负载电流的副本由副本晶体管MREP来供给。然后，通过滤波器电路对副本进行滤波。然后，将经滤波的副本作为附加负载、经由输出端子OUT重新注入到输出晶体管MPOUT，与负载电流并联。这样，输出晶体管MPOUT提供负载电流以及所述负载电流的经延迟和衰减的副本。
图2示出了包括放大器AMP和过冲电路OC的电压调节器的示例实施例。该实现方式基于图1中所示的实现方式，并且与参考图1所讨论的电路类似地操作。然而，输出晶体管MPOUT换成了NMOS晶体管。副本晶体管是PMOS晶体管。电流镜包括二极管接法的PMOS晶体管MD。在该电压调节器的实施例中，放大器AMP的输出侧电连接到输出晶体管MPOUT，例如，电连接到输出晶体管MPOUT的控制侧或栅极。二极管接法的晶体管MD和副本晶体管MREP的受控部分(例如栅极)经由电路节点N1彼此电连接。此外，二极管接法的晶体管MD和副本晶体管MREP的受控部分彼此电连接。例如，二极管接法的PMOS晶体管MD的源极电连接到副本晶体管MREP的源极。输出晶体管MPOUT经由其受控部分(例如经由漏极)连接到电路节点N1。电源端子VS连接到二极管接法的晶体管MD和副本晶体管MREP。
图3示出了电压调节器的负载瞬态的示例。该图示出了由作为时间t的函数的负载电流I(t)表示的负载瞬态。第一曲线图G1示出了没有过冲电路OC存在的负载瞬态，第二曲线图G2示出了过冲电路OC的影响，例如对于参考图1和图2所讨论的电路而言。如上所述，电压调节器的总负载电流可以表示为由于负载电流源(表示为Iload)引起的负载电流与重新注入的经衰减的负载电流(即副本)之和。
在过冲事件的情况下，负载电流上升到第一值。该第一值等于曲线图G1中的I1＝Iload。然而，对于较大的k值，曲线图G1中的对应的第一值可以近似为I2＝Iload(1+1/k)，其中，k表示电流镜的衰减因子。负载电流的这个附加值是由于来自过冲电路OC的附加副本电流的贡献。在过冲事件之后，负载电流可以下降到第二值(用I3表示)，其在例如曲线图G1的情况下可以保持最小值或等于0。由于过冲电路OC，滤波会导致副本以一定的时间延迟重新注入。因此，在过冲事件的情况下，总负载电流可以不立即下降到低电流水平或零负载电流水平，而是下降到过冲事件之前的初始负载电流的一小部分。在曲线图G2中，总负载电流下降到第三值，其给定为I4＝Iload/k。此外，由于副本的持续并联以及延迟重新注入，总负载电流在较慢的时间尺度上稳定下来。这可以近似为指数衰减，其与下式成比例：
Figure BDA0003254513290000111
其中，τ表示RC滤波器的时间常数。结果是，放大器AMP在其带宽内对整个负载转变做出反应，该转变可以从比较大的第一值I1开始突然下降，不是下降到最小可能值，而是下降到为起始点I1的1/k的值。然后，负载稳定为零的速度非常缓慢，以至于很容易通过放大器AMP进行跟踪，即负载瞬态的改变处于放大器AMP可跟踪的时间尺度上。如果衰减因子k足够小，则输出晶体管MPOUT处(例如在其栅极处)的短时间内的大摆幅变化可以被阻止。
例如，k＝100确保了与从10mA到零的负载转变相同的效果可以在100μA处停止。这使得放大器AMP更容易对负载瞬态进行跟踪。另外，如果负载电流中出现由于过冲事件而导致的尖峰，则上述等式中表示的剩余电流将有助于使输出更快地放电。结果是，电压调节器可以耗散2-Iload/k倍以上(或为该值的一半，以防电流镜增益大于单位值)。在Iload接近其最小值或边界的情况下，这可能导致可以忽略不计的贡献。通常，衰减因子k是实数。其准确值可由副本晶体管来确定，例如，考虑电流镜中的输出晶体管或二极管接法的晶体管MD。例如，副本晶体管的宽长比确定了因子k的值。k的实际值可以根据以下考虑来确定。首先，k应该有下限。事实上，所提出的过冲事件电路基于增益小于单位值的正反馈。这取决于1/k与将经滤波的副本电流重新注入输出节点的电流镜的增益之间的乘积。其次，k的较大值支持降低功耗，但可能会降低副本器件中的匹配，并可能导致更慢的响应，比由滤波器电路确定的响应更慢。
通过实现过冲电路OC，可以使负载电流曲线(即作为时间的函数的负载电流)变得更平滑，并且可以允许放大器AMP更容易地跟踪负载电流曲线。即使在过冲事件之后，放大器也可以提供所期望的响应并保持小的正输出变化。然而，应该注意的是，过冲电路OC仅对正过冲事件有效。负过冲事件不会以有意义的方式受到影响，因为复本负载电流的值远小于电压调节器应稳定的值。与其他解决方案相比，所提出的构思利用负载电流的感测，不将其作用于放大器偏置而是用于修改负载电流曲线。由于回路增益保持不变，因此对放大器稳定性或动态范围的限制无关紧要或不需要关心。另外，已经发现所提出的构思不是替代性的，而是与其他电压调节器设计协同的，因此可以添加到现有的电路布局。
图4示出了电压调节器的负载瞬态的另一示例。该图示出了常用无电容器电压调节器与所提出的构思之间的比较。假设无电容器电压调节器在从10mA到10μA的负载变化下操作，并且副本元件镜像了1/20的负载电流。曲线图G3和G6分别示出了无电容器电压调节器的负载电流和电压的瞬态函数。曲线图G4和G5示出了根据所提出的构思的电压调节器输出端子处的负载电流和电压的瞬态函数。曲线图G3和G4类似于图3中的曲线图G1和G2。两个曲线图的比较示出了在过冲事件之后稳定所涉及的不同时间尺度。曲线图跨度从1ps到10ps，在1ps处发生负载转变，在10ps处电压几乎完全稳定。
在曲线图G3中，由于过冲事件而引起的负载电流几乎立即或突然地从相当大的第一值I1下降到小得多的值I3。使用过冲电路OC，转变可能不会出现最小可能值，而是为起始点I2的1/k的值。术语“几乎立即”或“立即”可以被视为取决于放大器AMP的压摆率。压摆率可以被定义为每单位时间的电压或电流的改变，例如伏特/秒或安培/秒。通常，规定放大器具有针对输入和/或输出的压摆率的最小限制或最大限制。一般而言，几乎立即或立即的转变可以被视为以高于放大器AMP的对应压摆率的最大限制的速率所发生的转变。在本文讨论的这些示例中，这种转变发生在1ps的若干分之几这样的时间尺度上，例如100ns。从曲线图G3中可以明显看出，常规电压调节器的负载电流可以稳定在相同的时间尺度内(参见负载电流值I3)。利用所提出的过冲电路OC，负载电流曲线仅下降到I4，并从那里向着I3稳定。稳定时间在10μs范围内。曲线图G5和G6示出了类似的行为，但表示的是电压。此外，曲线图G5指示调节后的电压变化。借助于所提出的过冲电路OC，使负载电流变化更平滑，实现了调节后电压峰值的显著降低，例如100mV而不是图中所示的320mV。事实上，通过采用所提出的过冲事件电路，几乎消除了电压过冲。
图5示出了电压调节器的另一示例实施例。在该实施例中，放大器AMP包括具有误差放大器EA的放大器核AC，以及第一偏置电流发生器BG1和第二偏置电流发生器BG2。误差放大器EA包括输入晶体管MF，其经由输出端子OUT串联连接到输出晶体管MPOUT的受控部分，并且经由其控制部分连接到输入端子VIN。此外，折叠晶体管MN连接在输出晶体管MPOUT的受控部分(栅极)与输入晶体管的受控部分(漏极)之间。
第一偏置电流发生器BG1和第二偏置电流发生器BG2分别包括第一尾电流源Ia和第二尾电流源Ib。此外，第一偏置电流发生器BG1和第二偏置电流发生器BG2分别耦合到第一电流镜CM1和第二电流镜CM2。第一尾电流源Ia连接在GND与第一电流镜的第一晶体管M1a之间，第一电流镜包括晶体管M1a、M2a以及具有第一电阻器Ra的第一电流镜CM1的连接支路。第二尾电流源Ib连接在电源端子VS与第二电流镜的第一晶体管M1b之间，第二电流镜包括电阻器M1b、M2b以及具有第二电阻器Rb的第二电流镜的连接支路。第一尾电流源Ia和第二尾电流源Ib分别经由第一耦合电容器C1和第二耦合电容器C2耦合到输出端子OUT。事实上，耦合是经由第一电阻器Ra和第二电阻器Rb建立的，它们分别将第一电流镜和第二电流镜的连接支路连接到第一耦合电容器C1和第二耦合电容器C2。
其他的电流镜CM1、CM2分别将晶体管M2a和M2b连接到误差放大器和电源端子。第二尾电流源Ib、电流镜CM2、误差放大器经由输出晶体管MPOUT、晶体管M1a、M2a和副本晶体管MREP连接到电源端子VS。第一尾电流源Ia、电流镜CM1和晶体管M1b、M2b连接到GND。如在图1和图2的实施例中所讨论的，过冲电路OC连接到放大器AMP，即经由输出晶体管MPOUT和输出端子OUT连接到放大器AMP。
与图1和图2的实施例相比，过冲电路OC的连接方式不同。来自滤波器电路的电容器C不是端接到地电位GND，而是经由一个端子耦合到输出端子OUT。
放大器AMP构成了具有直接电压尖峰检测的无输出电容器低压差调节器。基本上，放大器AMP利用了电容耦合和输出端子OUT处的快速瞬态电压。这样，偏置电流几乎可以瞬间增加。基于输入晶体管MF作为输入元件，其借助于反馈回路在输出端子OUT处生成调节后的电压，该反馈回路包括作为折叠元件的折叠晶体管MN和作为功率晶体管的输出晶体管MPOUT。
电容器C1和C2将输出中出现的尖峰耦合到偏置电流发生器BG1、BG2，以便暂时增加偏置电流，并由此迅速抑制尖峰本身。结果是，由于功率晶体管MPOUT栅极处的压摆率的改进，放大器的瞬态响应显著增强。
单独考虑放大器AMP的直接电压尖峰检测是有代价的。例如，升压电容器C1、C2两端的信号路径包括电流镜，因此会使响应减慢。AC稳定性可能会受到增加HF增益的增益提升的影响。在较大提升的情况下可能会出现稳定性问题。此外，电容耦合可能会注入噪声，例如电容器C1将电源端子直接耦合到输出，从而影响HF PSRR。
根据所提出的构思，固有电压尖峰检测与过冲电路OC相补充。如上所述，负载电流被镜像并滤波。这样，在输出处重新注入其延迟版本，以防止整体负载突然变化。因此，放大器固有的电容耦合方法也可以应用到我们的发明中：红框中的滤波器的C没有端接到GND，如图3所示，而是端接到Vout：在已经触发了过冲的情况下，这使得从电流发生器中减去的电流更高来对冲它。
当连接到放大器时，过冲电路OC不改变回路稳定性，因为它不提升偏置或生成进入放大器核AC的电流。过冲电路OC与放大器协同操作，而非替代。此外，该电路不依赖于电容注入，因此不会出现PSSR问题。基本上，过冲电路OC改变了整体电流曲线，因此，可以避免或至少减少了放大器中的附加电流镜和快速路径的提供。
RC的时间常数可以是权衡考虑的结果。放大器的带宽确定了其跟踪输入负载电流的能力，例如借助于其压摆率。在其压摆率范围内，平滑的负载瞬态允许跟踪更容易。较大的时间常数可以更好地支持这一点。然而，较大的时间常数可能会阻止短过冲事件电流脉冲被跟踪，并可能使过冲保护的效果降低。不过，如果负载电流脉冲非常短，放大器可能在无论哪种情况下都不能跟踪负载电流，因此在脉冲结束之后放大器可能不会识别出由于从功率晶体管注入到输出端子中的过量电流而导致的过冲。这为时间常数值留下了一些空间，足够大以确保可接受的平滑曲线。为了解决短脉冲和负载瞬态的平滑曲线，可以在滤波器电路中实现不同的时间常数。例如，一个短的可立即跟踪正负载电流变化，一个长的可以在负载电流下降时形成平滑的电流曲线。
此外，电容器C从滤波器电路到输出端子OUT的替代耦合对过冲性能有附加的影响。由于滤波器电路的滤波不受影响，例如，滤波器电路的电阻器R看得到由米勒效应(Miller effect)所放大的电容器C。然而，另外，电容器C将输出端子OUT耦合到晶体管M2。例如，晶体管M2被配置为NMOS晶体管，并且经由其栅极连接到电容器C。这样，晶体管M2充当NMOS电流发生器。电容器C和晶体管M2这两者的耦合实现了附加的偏置提升并且对升压电容器C1、C2进行了补充。特别地，所提出的过冲电路OC体现了电流的提升，例如，当输出具有正尖峰时，该电流的提升直接在输出端子OUT(即而非功率晶体管的栅极)处下拉调节器输出。这有助于进一步减少输出处的过冲。
图6示出了电压调节器的另一示例实施例。输出晶体管MPOUT以其受控部分连接在电源端子VS与输出端子OUT之间。例如，输出晶体管MPOUT的漏极连接与输出端子OUT连接。输出晶体管MPOUT借助于放大器AMP进行控制，在该实施例中，放大器AMP包括输入晶体管M1、M2和输入晶体管对M1b、M2b和M1a、M2a。输入晶体管对由包括镜像晶体管MM1、MM2的电流镜结构来供给。
此外，放大器AMP具有第一输入晶体管对M1a、M2a和第二输入晶体管对M1b、M2b。输入晶体管M1a、M2a、M1b、M2b的漏极端子连接到电流镜结构MM1、MM2。例如，相应的第一晶体管M1a、M1b共享连接到第一镜像晶体管MM1的公共漏极连接，而相应的第二晶体管M2a、M2b共享连接到第二镜像晶体管MM2的公共漏极连接。第一晶体管M1a、M1b的漏极连接形成或连接到放大器AMP的输出DOUT。第一晶体管M1a、M1b的控制端子均连接到参考输入VR，而第二晶体管M2a、M2b的控制端子共同连接到反馈输入VFB。第一对的输入晶体管M1a、M2a共享公共源极Sa，第一对的尾电流源Ia连接到该公共源极。以类似的方式，第二对的输入晶体管M1b、M2b共享公共源极Sb，第二对的第二尾电流源Ib连接到该公共源极。尾电流源Ia、Ib相应的第二端连接到地电位端子GND。第一电容元件C1连接在第一对的公共源极Sa与输出端子OUT之间。第二电容元件C2连接在第二对的公共源极Sb与第二电源端子之间，在本实施例中，第二电源端子是地电位端子GND。
在正常操作期间，第一差分对和第二差分对并联作用，例如由于它们到参考输入VR和反馈输入VFB的对应连接而导致并联作用。然而，由于分开的公共源极Sa、Sb，在输出端子OUT处存在负载改变期间，第一电容元件C1与第二电容元件C2之间的相互作用、至少直接相互作用减少。
如果具有相应符号的特定方向的负载尖峰发生，则仅电容元件C1、C2之一变成活动的，作为升压元件。如果输出具有正尖峰，则第二差分对的输入晶体管M2a、M2b都充当电压跟随器。当第一电容元件C1采用自举并且不提供瞬态电流时，第二电容元件C2在其端子处经历相同的尖峰幅度，并且合适的电流与由第二尾电流源Ib贡献的尾电流并联注入。这导致输出DOUT和输出晶体管MPOUT的栅极端子处具有上拉能力，该晶体管立即或几乎立即关断以降低尖峰幅度。例如，这种效果是因为由于更大的栅极电压，晶体管M2b比晶体管M1b传导得更多。
具有较大负尖峰的负载转变影响输出端子OUT，使得仅有第一晶体管M1a、M1b导通，而第二晶体管M2a、M2b不能够利用它们的源极来跟踪它们的栅极压降。结果是，公共源极Sa和Sb两者都保持在恒定电压下。这意味着虽然没有瞬态电流穿过第二电容元件C2，但第一电容元件C1在其端子处看得到输出尖峰，使得瞬态电流被注入到第一差分晶体管对M1a、M2a中，其符号与第一尾电流源Ia所贡献的电流相同。因此，仅有第一对中的第一晶体管M1a导通，从而在放大器输出DOUT和输出晶体管MPOUT的栅极处产生适当的下拉能力。这能够导通输出晶体管MPOUT以衰减输出尖峰幅度。
附图标记列表
AC 放大器核
AMP 放大器
BG1、BG2 偏置电流发生器
C、C1、C2 电容器
CM1、CM2 电流镜
DOUT 输出
G1-G6 曲线
GND 地电位
M1、M1a、M1b 晶体管
M2、M2a、M2b 晶体管
MD 二极管接法的晶体管
MF 输入晶体管
MM1、MM2 镜像晶体管
MN 折叠晶体管
MPOUT 输出晶体管
MREP 副本晶体管
I1-I4 电流值
Ia、Ib 尾电流源
Iload 负载电流源
N1 电路节点
OUT 输出端子
OC 过冲电路
R、Ra、Rb 电阻器
RC 滤波器电路
Sa、Sb 公共源极
t 时间
VFB 反馈输入
Vin 输入端子
VR 参考输入
VS 电源端子。

Claims (15)

1.一种电压调节器，包括：
-输出晶体管(MPOUT)，其具有连接在第一电源端子(VS)与输出端子(OUT)之间的受控部分，
-放大器(AMP)，其包括参考输入(VR)，
-电流镜，其包括副本晶体管(MREP)，其中，所述电流镜被配置为镜像并衰减由所述输出晶体管(MPOUT)供给所述副本晶体管(MREP)的负载电流，以及
-滤波器电路(RC)，其耦合到所述副本晶体管(MREP)的受控部分，并且耦合到所述输出端子(OUT)。
2.根据权利要求1所述的电压调节器，其中，
-所述输出晶体管(MPOUT)和所述副本晶体管(MREP)是PMOS晶体管，并且
-所述电流镜包括所述输出晶体管(MPOUT)，使得所述输出晶体管(MPOUT)的受控部分和所述副本晶体管(MREP)的受控部分彼此电连接。
3.根据权利要求1所述的电压调节器，其中，
-所述输出晶体管(MPOUT)是NMOS晶体管，
-所述电流镜包括二极管接法的晶体管(MD)，使得所述二极管接法的晶体管(MD)的受控部分和所述副本晶体管(MREP)的受控部分电连接到彼此的控制侧，并且
-所述输出晶体管(MPOUT)经由所述输出晶体管(MPOUT)的受控部分连接到电路节点(N1)。
4.根据权利要求1至3之一所述的电压调节器，其中，所述副本晶体管(MREP)被配置为通过因子k对所述负载电流进行衰减，其中，所述因子k是实数。
5.根据权利要求4所述的电压调节器，其中，所述因子k由所述副本晶体管(MREP)来确定。
6.根据权利要求1至5之一所述的电压调节器，其中：
-所述滤波器电路(RC)包括级联的电流镜，并且
-所述级联的电流镜连接到所述副本晶体管(MREP)的受控部分，并且经由所述输出端子(OUT)连接到所述输出晶体管(MPOUT)的受控部分。
7.根据权利要求1至6之一所述的电压调节器，其中，
-所述滤波器电路包括具有至少一个时间常数的电阻器-电容器的网络，和/或
-所述电阻器-电容器的网络包括至少一个电阻器(R)和电容器(C)，其中，所述电容器(C)耦合到地电位(GND)或耦合到所述输出端子(OUT)。
8.根据权利要求7所述的电压调节器，其中，所述时间常数取决于所述放大器(AMP)的带宽，使得经镜像和衰减的负载电流在所述放大器(AMP)可跟踪的时间尺度上经由所述输出端子(OUT)重新注入。
9.根据权利要求7或8所述的电压调节器，其中，所述电阻器-电容器的网络布置在级联的电流镜的连接支路中。
10.根据权利要求1至9之一所述的电压调节器，其中，所述放大器(AMP)包括无输出电容器的低压差调节器。
11.根据权利要求1至10之一所述的电压调节器，其中，所述放大器(AMP)包括：
-放大器核(AC)，其包括输出晶体管(MPOUT)和误差放大器，
-所述误差放大器包括输入晶体管(MF)，所述输入晶体管经由所述输出端子(OUT)串联连接到所述输出晶体管(MPOUT)的受控部分，并经由其受控部分连接到输入端子(Vin)，并且包括耦合在所述输出晶体管(MPOUT)的受控部分与所述输入晶体管(MF)的受控部分之间的折叠晶体管(MN)，以及
-第一偏置电流发生器和第二偏置电流发生器(BG1、BG2)，其分别包括第一尾电流源和第二尾电流源(Ia、Ib)，其中，所述第一尾电流源和第二尾电流源(Ia、Ib)分别经由第一耦合电容器和第二耦合电容器(C1、C2)耦合到所述输出端子。
12.一种集成电路，包括：
-至少一个或更多个数字和/或模拟电路，并且还包括根据权利要求1至11之一所述的电压调节器。
13.一种电压调节方法，包括以下步骤：
-借助于电压调节器的输出晶体管(MPOUT)感测负载电流(Iload)，
-将由所述输出晶体管(MPOUT)所供给的负载电流(Iload)镜像并衰减到副本晶体管(MREP)，
-借助于耦合到所述副本晶体管(MREP)的滤波器电路(RC)对经衰减的负载电流进行滤波，以及
-重新注入经衰减和滤波的负载电流，作为所述电压调节器的附加负载电流。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述经衰减和滤波的负载电流是与所述负载电流(Iload)并联且在借助于所述滤波器电路(RC)进行了滤波之后重新注入的。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中，所述滤波器电路(RC)具有至少一个时间常数，所述时间常数取决于放大器(AMP)的带宽，使得经镜像和衰减的负载电流在所述放大器(AMP)可跟踪的时间尺度上经由输出端子(OUT)重新注入。
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