CN114442717A - 具有双向电流调整的低压差稳压器 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例公开了一种低压差稳压器，该低压差稳压器包括分压电路、运算放大器、调节电路以及输出电路。分压电路对一电源电压进行分压以产生一预设电压。运算放大器根据该预设电压与一输出端的一输出电压产生一偏压电压。调节电路根据该偏压电压产生一第一调节电压与一第二调节电压。输出电路根据该第一调节电压与该第二调节电压调整一第一电流与一第二电流之间的差值，以调节该输出电压。

Description

具有双向电流调整的低压差稳压器
技术领域
本申请涉及低压差稳压器技术领域，具体涉及一种关于可输出电流至输出端并自输出端汲取电流的低压差稳压器。
背景技术
低压差稳压器是一种直流电压调节器，其通常被用来提供一电压给电子装置中的多个电路。使用低压差稳压器的目的之一是在该些电路使用该电压时可维持该电压在一目标位准。在一些相关技术中，低压差稳压器是利用控制设置于供应电源与输出端之间的一P型晶体管，以利用该P型晶体管的阻值限制该电压。其中，该P型晶体管操作为传输晶体管(pass transistor)，其仅能单向地传输电流到该输出端。如此，此类型的低压差稳压器的应用场景较为受限。
发明内容
于一些实施例中，本申请的目的之一在于提供一种具有双向电流调整的低压差稳压器，以改善先前技术的不足。
于一些实施例中，低压差稳压器包括分压电路、运算放大器、调节电路以及输出电路。分压电路对一电源电压进行分压以产生一预设电压。运算放大器根据该预设电压与一输出端的一输出电压产生一偏压电压。调节电路根据该偏压电压产生一第一调节电压与一第二调节电压。输出电路根据该第一调节电压与该第二调节电压调整一第一电流与一第二电流之间的差值，以调节该输出电压。
于一些实施例中，低压差稳压器可对输出端进行双向电流调整以调节输出电压，进而支持更大的电源电压范围与/或更加稳定的输出电压，并支持特定的应用场景，改善先前低压差稳压器不足之处。
有关本申请的特征、实作与功效，兹配合图式作较佳实施例详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本申请一些实施例绘制一种低压差稳压器的示意图；以及
图2为根据本申请一些实施例绘制图1的运算放大器的示意图。
具体实施方式
本文所使用的所有词汇具有其通常的意涵。上述之词汇在普遍常用之字典中之定义，在本申请的内容中包括任一于此讨论的词汇之使用例子仅为示例，不应限制到本申请之范围与意涵。同样地，本申请亦不仅以于此说明书所示出的各种实施例为限。
关于本文中所使用之“耦接”或“连接”，均可指二或多个组件相互直接作实体或电性接触，或是相互间接作实体或电性接触，亦可指二或多个组件相互操作或动作。如本文所用，用语“电路”可为由至少一个晶体管与/或至少一个主被动组件按一定方式连接以处理讯号的装置。
图1为根据本申请一些实施例绘制一种低压差稳压器(low-dropout regulator,LDO)100的示意图。于一些实施例中，低压差稳压器100可提供一稳定电压给其他电路(例如可为，但不限于，输入输出接口的驱动电路)。
低压差稳压器100包括分压电路110、运算放大器120、调节电路130以及输出电路140。分压电路110对电源电压VDD进行分压以产生预设电压VP。于一些实施例中，预设电压VP为电源电压VDD的中间电压，其可表示为VP＝0.5×VDD。于一些实施例中，分压电路110可对电源电压VDD进行分压以产生电压VB1与电压VB2，其可用来对运算放大器120与调节电路130进行偏压。于一些实施例中，分压电路110包括串联耦接的多个电阻性组件R1～R6。电阻性组件R1的一端接收电源电压VDD，电阻性组件R1的另一端经由剩余的电阻性组件R2～R6耦接至地。如此，预设电压VP、电压VB1与电压VB2可经由该些电阻性组件R1～R6中的端点产生。应当理解，依据所需要的电压数值不同或是使用的电阻值不同，可以相应地调整电阻性组件的数量。因此，上述关于电阻性组件的数量仅为示例，且本申请并不以此为限。于一些实施例中，电压VB1与电压VB2并非是由分压电路110所产生，而是经由一电流镜电路所产生。
运算放大器120根据预设电压VP与输出电压VO产生偏压电压VB。详细而言，运算放大器120的正输入端耦接至分压电路110，以接收预设电压VP。运算放大器120的负输入端耦接至输出端NO，以接收输出端NO上的输出电压VO。运算放大器120的输出端(标示为节点NA)输出偏压电压VB。于一些实施例中，如后图2所示，运算放大器120更接收分压电路110产生的电压VB2，以设定运算放大器120中的部分组件的偏压。
调节电路130耦接至节点NA以接收偏压电压VB。调节电路130根据偏压电压VB产生调节电压V1以及调节电压V2。于一些实施例中，调节电路130包括晶体管PM1、电流源电路131、晶体管NM1以及电流源电路132。晶体管PM1根据偏压电压VB自节点N1产生调节电压V1。电流源电路131可根据电压VB1偏压，并与晶体管PM1耦接至节点N1，以偏压晶体管PM1。详细而言，电流源电路131可包括晶体管PMC。晶体管PMC的第一端(例如为源极)接收电源电压VDD，晶体管PMC的第二端(例如为汲极)耦接至节点N1以及晶体管PM1的第一端并产生调节电压V1，且晶体管PMC的控制端(例如为闸极)耦接至分压电路110以接收电压VB1。晶体管PM1的第二端耦接至地，且晶体管PM1的控制端(例如为闸极)耦接至节点NA以接收偏压电压VB。借由上述设置方式，晶体管PM1的工作点可基于电流源电路131所产生的电流以及偏压电压VB设定。
类似地，晶体管NM1根据偏压电压VB自节点N2产生调节电压V2。电流源电路132可根据电压VB2偏压，并与晶体管PM2耦接至节点N2，以偏压晶体管NM1。详细而言，电流源电路132可包括晶体管NMC。晶体管NM1的第一端(例如为汲极)接收电源电压VDD，晶体管NM1的第二端(例如为源极)耦接至节点N2以及N型晶体管NMC的第一端并产生调节电压V2，且晶体管NM1的控制端(例如为闸极)耦接至节点NA以接收偏压电压VB。晶体管NMC的第二端耦接至地，且晶体管NMC的控制端(例如为闸极)耦接至分压电路110以接收电压VB2。借由上述设置方式，晶体管NM1的工作点可基于电流源电路132所产生的电流以及偏压电压VB设定。上述关于电流源电路131与电流源电路132的设置方式仅用于示例，且本申请并不以此为限。各种类型的电流源电路皆为本申请所涵盖的范围。
输出电路140根据调节电压V1与调节电压V2调整电流I1与电流I2之间的差值，以调节输出电压VO。于一些实施例中，输出电路140可借由调整该差值以决定是否向输出端NO提供电流或是自该输出端NO汲取电流。于一些实施例中，输出电路140包括晶体管NM2以及晶体管PM2。晶体管NM2耦接至输出端NO，并根据调节电压V1调整电流I1。晶体管PM2耦接于输出端NO与地之间，并根据调节电压V2调整电流I2。详细而言，晶体管NM2的第一端接收电源电压VDD，晶体管NM2的第二端耦接至输出端NO以产生输出电压VO以及电流I1，且晶体管NM2的控制端耦接至节点N1以接收调节电压V1。晶体管PM2的第一端耦接至输出端NO以汲取电流I2，晶体管PM2的第二端耦接至地，且晶体管PM2的控制端耦接至节点N2以接收调节电压V2。
于一些实施例中，晶体管NM1与晶体管NM2具有相同的工作状态，且晶体管PM1与晶体管PM2具有相同的工作状态。例如，当晶体管NM1操作于线性区时，晶体管NM2亦操作于线性区。或者，当晶体管NM1操作于饱和区时，晶体管NM2亦操作于饱和区。晶体管PM1与晶体管PM2亦适用于上述关系。如此，当输出电压VO出现变动时，可借由这些晶体管NM1、NM2、PM1以及PM2的协同运作来自动地调节输出电压VO。关于上述这些晶体管之间的相互操作将于后说明。
于一些实施例中，低压差稳压器100还包括补偿电容CP，其耦接于节点NA与地之间。补偿电容CP可用来维持偏压电压VB的稳定，并可设定低压差稳压器100的稳定度，以确保低压差稳压器100不会产生振荡。于一些实施例中，低压差稳压器100还包括负载电容CO，其耦接于输出端NO与地之间。负载电容CO可用以维持输出电压VO稳定，并过滤掉部分噪声。于一些实施例中，补偿电容CP与负载电容CO皆为芯片上电容。
以下说明低压差稳压器100的操作。若输出电压VO低于预设电压VP，运算放大器120输出具有较高位准的偏压电压VB。于此条件下，晶体管PM1的导通程度会变低(即晶体管PM1的等效阻抗会变高)，使得节点N1的位准经由电流源电路131拉升到较高位准(即调节电压V1会变高)。响应于此调节电压V1，晶体管NM2会产生较大的电流I1。另外，晶体管NM1的导通程度会变高(即晶体管PM1的等效阻抗会变低)，使得节点N2的位准经由晶体管NM1拉升到较高位准(即调节电压V2会变高)。响应于此调节电压V2，晶体管PM2会产生较低的电流I2。换言之，在输出电压VO变低的情形下，调节电压V1与调节电压V2会变高，使得输出电路140可提高电流I1并降低电流I2，以向输出端NO提供一电流(相当于电流I1与电流I2之间的电流差)。如此一来，负载电容CO可被充电，从而使输出电压VO回复到相同于预设电压VP的位准。
另一方面，若输出电压VO高于预设电压VP，运算放大器120输出具有较低位准的偏压电压VB。于此条件下，晶体管PM1的导通程度会变高(即晶体管PM1的等效阻抗会变低)，使得节点N1的位准经由晶体管PM1拉高到较低位准(即调节电压V1会变低)。响应于此调节电压V1，晶体管NM2会产生较低的电流I1。另外，晶体管NM1的导通程度会变低(即晶体管NM1的等效阻抗会变高)，使得节点N2的位准经由电流源电路132拉低至较低位准(即调节电压V2会变低)。响应于此调节电压V2，晶体管PM2会产生较高的电流I2。换言之，在输出电压VO变高的情形下，调节电压V1与调节电压V2也会变高，使得输出电路140可降高电流I1并提高电流I2，以向输出端NO汲取一电流(相当于电流I1与电流I2之间的电流差)。如此一来，负载电容CO可被放电，从而使输出电压VO回复到相同于预设电压VP的位准。
据此，应可理解，调节电路130所产生的调节电压V1与调节电压V2中每一者的位准与输出电压VO成反比。当输出电压VO变高，调节电压V1与调节电压V2会变低。或者，当输出电压VO变低，调节电压V1与调节电压V2会变高。如此一来，当输出电压VO出现变动时，调节电路130可产生相对应的调节电压V1与调节电压V2，以调整电流I1与电流I2并根据电流I1与电流I2之间的差值来决定是否向输出端NO提供电流或是自输出端NO汲取电流，进而保持输出电压VO稳定。
在一实施例中，前述的晶体管NM1、NM2、PM1以及PM2可由22奈米制程中耐压为1.8伏特的晶体管实施，其中晶体管NM2的尺寸设定约为晶体管NM1的尺寸的15倍，且晶体管PM2的尺寸设定约为晶体管PM1的尺寸的15倍。在上述条件下，电流I1或电流I2的静态数值约为2毫安，电流I1或电流I2的瞬间数值可达到约200毫安，且输出电压VO上的电压抖动范围约为±10％。此外，在一些需要较多位准的应用(例如，通用输入/输出(GPIO)接口的驱动电路)中，低压差稳压器100所支持的电源电压VDD的范围可为1.8～3.6伏特，且所支持的输出电压VO的范围可为0.9～1.8伏特。上述数值仅为低压差稳压器100的一种应用例，且本申请并不以此为限。
图2为根据本申请一些实施例中绘制图1的运算放大器120的示意图。运算放大器120包括电流源电路201，晶体管NM3、晶体管NM4、电流镜电路202以及电流镜电路203。电流源电路201可对晶体管NM3与晶体管NM4进行偏压。具体而言，电流源电路201可包括晶体管NM5。晶体管NM3的第一端耦接至电流镜电路202，晶体管NM3的第二端耦接至晶体管NM5的第一端，且晶体管NM3的控制端(相当于图1的负输入端)耦接至输出端NO以接收输出电压VO。晶体管NM4的第一端耦接至电流镜电路203，晶体管NM4的第二端耦接至晶体管NM5的第一端，且晶体管NM4的控制端(相当于图1的正输入端)耦接至分压电路110以接收预设电压VP。晶体管NM5的第二端耦接至地，且晶体管NM5的控制端耦接至分压电路110以接收电压VB2。电流镜电路203相当于晶体管NM4的主动负载，其可用以输出偏压电压VB。
于一些实施例中，晶体管NM3的控制端可直接接收输出电压VO。于另一些实施例中，运算放大器120还包括一传输电路(图中未示出)，其可用以传输输出电压VO到晶体管NM3的控制端。该传输电路可为，但不限于，缓冲器电路、传输闸电路等等。
在上述各实施例中，多个晶体管NM1～NM5为N型晶体管，且多个晶体管PM1～PM5为P型晶体管。上述各个晶体管可由金属氧化物场效晶体管(MOSFET)实施，但本申请并不以此为限。可实施类似操作的各种类型或导电型式的晶体管皆为本申请所涵盖的范围。
综上所述，本申请一些实施例中的低压差稳压器可对输出端进行双向电流调整以调节输出电压，进而支持更大的电源电压范围与/或更加稳定的输出电压，并支持特定的应用场景，改善先前低压差稳压器不足之处。
虽然本申请之实施例如上所述，然而该些实施例并非用来限定本申请，本技术领域具有通常知识者可依据本申请之明示或隐含之内容对本申请之技术特征施以变化，凡此种种变化均可能属于本申请所寻求之专利保护范畴，换言之，本申请之专利保护范围须视本说明书之申请专利范围所界定者为准。
符号说明：
100:低压差稳压器；
110:分压电路；
120:运算放大器；
130:调节电路；
131,132:电流源电路；
140:输出电路；
201:电流源电路；
202,203:电流镜电路；
CO:负载电容；
CP:补偿电容；
I1,I2:电流；
N1,N2,NA:节点；
NM1～NM5,NMC,PM1～PM5,PMC:晶体管；
NO:输出端；
R1～R6:电阻性组件；
V1,V2:调节电压；
VB:偏压电压；
VB1,VB2:电压；
VDD:电源电压；
VO:输出电压；
VP:预设电压。

Claims (11)

1.一种低压差稳压器，其特征在于，包括：
一分压电路，对一电源电压进行分压以产生一预设电压；
一运算放大器，根据所述预设电压与一输出端的一输出电压产生一偏压电压；
一调节电路，根据所述偏压电压产生一第一调节电压与一第二调节电压；以及
一输出电路，根据所述第一调节电压与所述第二调节电压调整一第一电流与一第二电流之间的差值，以调节所述输出电压。
2.如权利要求1所述的低压差稳压器，其特征在于，所述输出电路调整所述差值以决定是否向所述输出端提供电流或是自所述输出端汲取电流。
3.如权利要求1所述的低压差稳压器，其特征在于，当所述输出电压变低时，所述输出电路根据所述第一调节电压提高所述第一电流，并根据所述第二调节电压降低所述第二电流，以向所述输出端提供电流。
4.如权利要求1所述的低压差稳压器，其特征在于，当所述输出电压变高时，所述输出电路根据所述第一调节电压降低所述第一电流，并根据所述第二调节电压增加所述第二电流，以自所述输出端汲取电流。
5.如权利要求1所述的低压差稳压器，其特征在于，所述第一调节电压与所述第二调节电压中每一者的位准与所述输出电压的位准成反比。
6.如权利要求1所述的低压差稳压器，其特征在于，所述调节电路包括：
一第一晶体管，根据所述偏压电压自一第一节点产生所述第一调节电压；
一第一电流源电路，与所述第一晶体管耦接至所述第一节点，并偏压所述第一晶体管；
一第二晶体管，根据所述偏压电压自一第二节点产生所述第二调节电压；以及
一第二电流源电路，与所述第二晶体管耦接至所述第二节点，并偏压所述第二晶体管。
7.如权利要求6所述的低压差稳压器，其特征在于，所述分压电路更对所述电源电压进行分压以产生一第一电压与一第二电压，所述第一电流源电路经由所述第一电压偏压，且所述第二电流源电路经由所述第二电压偏压。
8.如权利要求6所述的低压差稳压器，其特征在于，所述输出电路包括：
一第三晶体管，耦接至所述输出端，并根据所述第一调节电压调整所述第一电流；以及
一第四晶体管，耦接于所述输出端与地之间，并根据所述第二调节电压调整所述第二电流。
9.如权利要求8所述的低压差稳压器，其特征在于，所述第一晶体管与所述第四晶体管具有相同工作状态，且所述第二晶体管与所述第三晶体管具有相同工作状态。
10.如权利要求8所述的低压差稳压器，其特征在于，所述第三晶体管及所述第四晶体管的尺寸大于所述第一晶体管及所述第二晶体管的尺寸。
11.如权利要求1所述的低压差稳压器，其特征在于，还包括：
一补偿电容，耦接于一节点与地之间，其中所述运算放大器自所述节点输出所述偏压电压；以及
一负载电容，耦接于所述输出端与地之间。
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