CN1675606A - 电压调节器 - Google Patents

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Abstract

低下降电压调节器包括位于电压调节器的输入端(I)和输出端(O)之间的串联调节元件(T1),以及具有第一输出端(O1)的差分输入误差放大器(1),该第一输出端(O1)耦合到串联调节元件(T1)的控制输入端,其特性在于:误差放大器(1)还包括第二输出端(O2),该第二输出端(O2)通过高通滤波器(5,C1,R1)耦合到输出端(O)。

Description

电压调节器
本发明涉及电压调节器,该电压调节器包括位于电压调节器的输入端和输出端之间的串联调节元件,以及差分输入误差放大器,该放大器具有连接到串联调节元件的控制输入端的第一输出端。
低下降电压(dropout voltage)调节器被广泛用于在几乎任何电子应用中构建块。它们采用外部电源满足电源电路的需要。在如移动电话的便携式应用中,对电压调节器的主要要求是低下降电压和大范围容性负载下良好的稳定性。
在如CD、DVD、Blue-ray Disk(BD)等要求在光盘上进行读出/写入操作的应用中,提供了光电二极管集成电路(PDIC)。在该IC中,在由光电二极管电源滤波器提供的光电二极管检测器之后连接有可编程放大器。在现有技术的光电二极管IC中,光电二极管电源滤波器包括无源一阶RC低通滤波器,如图7所示。使电阻器R适于光电二极管的电流源要求,并因此依赖于接收到的激光光强度。为了保持电阻器R上的电压降足够低,依赖于电流要求(光强度)来修改电阻器值。电流要求近似与前置放大器的增益成反比。因此,滤波器f-3dB=1/(2πRC)的截止频率依赖于电流要求而变化。在低频(远低于f-3dB)下,滤波器的输出阻抗由R决定。
高强度光脉冲用于光盘(CD、DVD或BD(Blu-ray Disc))上的写入操作。PDIC用于监视写入过程。紧接着高强度的“写入”激光脉冲,需要低强度的读出,如图6所示。在写入时间W期间,光电流PC的写入电平WL大约是读出时间R期间的读出电平RL的80倍。低强度读出包括大多数的伺服控制信息,包括摆动信号。PDIC光电二极管和放大器必须足够快地从写入脉冲恢复,以便在后来的读出操作中提供足够的精确度。就幅度和相位来说,该稳定时间(settling time)由响应的带宽和平直度控制作为频率的函数。这些要求也转化为电源滤波器的输出阻抗。在图7中示出的简单滤波器不适合用于具有这种严格稳定要求的读出/写入操作。基于图6,可以得出图7所示的滤波器具有40pF的电容器,电阻器的电阻不应超过60Ω。然而,使用这些值,将不再满足与高增益设置相关联的所需的滤波器抑制。
US-A-6,373,233描述了对所有容性负载都具有改进稳定性的低下降电压调节器。低下降电压调节器包括一系列由差分输入误差放大器控制的受控p-MOS晶体管。误差放大器的输出通过电容器和电阻器之间的串联连接耦合到该系列受控p-MOS晶体管的输出端子。还提供了从低下降电压调节器的输出端到误差放大器的输入端的反馈。该系列受控p-MOS晶体管充当积分器,并消耗非常大量的相位余量,从而允许在高频时也有低输出阻抗。因此,在现有技术专利中出现的低下降电压调节器在高频时不能提供低输出阻抗,因此不适于如CD、DVD和BD等包括读出/写入过程的应用。
因此,本发明的一个目的是提供一种改进的电压调节器。
依照本发明,这可以在如第一段中描述的电压调节器中实现,其特性在于:误差放大器还包括通过高通滤波器耦合到输出端的第二输出端。DC和低频由串联调节元件滤波,而相对较高的频率由高通滤波器滤波。两个支路都由差分输入误差放大器并联控制。该电路允许在输入信号和输出信号之间存在相对较低的电压降。
在本发明的一个实施例中,第一低通滤波器耦合在输入端和串联调节元件的一个输入端子之间。实验证明第一低通滤波器在获得良好的总体滤波器抑制方面仍是有利的。
第一低通滤波器可以包括串联连接的第一多个电阻器,该第一多个电阻器耦合到第一多个相应开关上,用于修改第一低通滤波器的时间常数。一阶低通滤波器的时间常数与滤波器的电阻器值和电容器值的乘积成比例。修改滤波器的电阻器值的结果是改变时间常数。滤波器的截止频率与电容器和电阻器值的乘积成反比,并且因此当电阻器值变化时,截止频率也变化。
在本发明的一个实施例中,误差放大器的第一输入端通过第二低通滤波器耦合到调节器的输入端。第二低通滤波器可以包括串联耦合的下降电压源、第二电阻器和第二电容器。误差放大器的参考是电源电压,减小很小的DC电压并被第二电容器和第二电阻器低通滤波。由例如作为二极管或作为通过电阻器的固定偏流连接的双极结晶体管可以获得下降电压。在这里指出参考电压也可以是如在稳定电路中的不依赖电源电压的电压源。
在本发明的另一个实施例中,串联调节元件包括多个串联调节元件,这些元件耦合到相应的第二多个可选电阻器。第二多个可选电阻器实现为成对耦合的场效应晶体管。每对包括两个晶体管主电流通道的串联连接,这两个晶体管耦合在输入端和第一放大器的输出端之间或耦合在第一低通滤波器的输出端和第一放大器的输出端之间。当可选的电阻器对被选择时,为了适应低下降电压调节器的负载要求,低下降电压调节器的输出被输入到特定的可选串联调节元件。
在本发明的另一个实施例中,低下降电压调节器用在光学检测器/放大器中,用于为一个或多个耦合到可变增益放大器的光电二极管供电。具有相对较快的稳定时间和相对较大的带宽,根据本发明的低下降电压调节器对于其中光电二极管从光学数据载体中接收光学信号的应用来说是较好的解决方案。可变增益放大器优选地包括多个级联连接的可控放大器,用于获得对由光电二极管产生的信号的充分放大。
本发明的上述和其它特征和优点将参考附图从如下的本发明示例性实施例的描述中显而易见,其中:
图1描述了根据本发明的具有低输出阻抗的低下降电压调节器的
实施例;
图2描述了根据本发明的一个实施例的第一低通滤波器的实现方法;
图3描述了根据本发明的一个实施例的第二低通滤波器的实现方法;
图4描述了根据本发明的一个实施例的可选串联调节元件的实现方法;
图5描述了根据本发明的一个实施例的光学检测器/放大器的实现方法;
图6描述了PDIC的光-电流和写入/读出过程之间的典型依赖关系;
图7描述了第一低通滤波器的现有技术的实现方法;以及
图8描述了用在根据本发明的一个实施例的光学检测器/放大器中的光电二极管的容量对反向电压的典型特性曲线。
图1描述了根据本发明的低下降电压调节器100的一个实施例。电压调节器100包括位于其输入端I和输出端O之间的串联调节元件T1。低下降电压调节器100包括具有第一输出端01的差分输入误差放大器1,该第一输出端01通过第一放大器4耦合到串联调节元件T1的控制输入端。第一放大器A1的放大系数可以是1。电容器Cn1和电阻器Rn1的串联连接优选的是耦合在误差放大器的第一输出端01和电压调节器的输出端0之间以提高稳定性。电容器Cn1具有2pF的电容值。电容器C4和偏流源Ibias耦合在误差放大器的输出端0和地之间。电容器C4具有80pF的电容值。误差放大器1还包括通过高通滤波器耦合到输出端0的第二输出端02。在本实施例中,高通滤波器包括第二放大器5,它的放大系数可以是1,该第二放大器5耦合到第一电容器C1和第一电阻器R1的串联组合。电阻器R1不是必需的。如果误差放大器1的输出级设计合理的话,可以省略掉放大器4和5。
图1的实施例是“分带(split band)”结构,具有由放大器A1驱动的PMOST串联晶体管T1,由被放大器A2驱动的容性支路C2支持。由T1处理DC和低频,而由AB类放大器A2通过C2处理高频。这两个支路都由误差放大器1并联控制。由T1控制,该结构允许输入端和输出端之间的最低电压降。根据下面参考图3陈述的,误差放大器1的参考是电源电压,减小很小的DC电压“Vdrop”,并由包括R1和C1的低通滤波器滤波。由于PMOST晶体管T1的增益高度依赖于漏-源DC电流,因此固定偏流Ibias保证了某个最小增益,即使没有光射在光电二极管上时也是如此。依靠经验,发现前置滤波器3(可以如图7所示一样简单)对于获得良好的整体滤波抑制来说仍是有利的。类似现有技术的解决方案,低通滤波器3的这种简单实现方法使用电阻器R,该电阻器的值依照电流要求。可用的电压降“Vdrop”由前置滤波器3和PMOST T1均等分摊。
通常用在低下降电压调节器中的无源滤波器不适合用在有严格要求的读出/写入应用中。也可以考虑如US-A-5,434,535中公开的有源滤波器。在该现有技术专利中,使用具有反馈电容器的差分放大器,该电容器的容量由放大器的放大来扩大。为放大器提供校正偏置,滤波器适当工作对相对较高的频率信号进行过滤,但在相对较低的频率时被放大器的输出电压偏移能力所限制。
在光盘上要求读出/写入操作的应用可能是CD、DVD、Blue-rayDisk(BD)。在这些应用中提供了光电检测器集成电路(PDIC)。PDIC用于监视写入过程。紧接着高强度的写入激光脉冲,低强度的读出是必需的,正如图6所示。低强度的读出信号包括大部分的伺服控制信息,包括摆动信号。PDIC光电二极管必须足够快地从写入脉冲中恢复,从而能够为后来的读出操作中提供充分的精确度。稳定时间、幅度和相位由带宽和平直度响应对频率决定。这些要求决定了对滤波器的输出阻抗的大小的限制。在上述条件下,使用如图7所示的无源滤波器,不再满足与高增益设置条件相联系的滤波器抑制要求。为了遵守这些要求,可以使用如图1所示的低下降电压调节器。因此,使用第一低通滤波器3,该滤波器3耦合在输入端I和可选串联调节元件T1的主电流通道之间。DC和低频信号由串联调节元件T1滤波,该调节元件T1由第一放大器4控制。与第一电容器C1和第一电阻器R1串联耦合的AB类型的第二放大器5对高频分量进行滤波。该电路允许在输入I信号Vcc和输出0信号VOUT之间有相对较低的电压降。
误差放大器1的输入端+耦合到第二低通滤波器2,该第二低通滤波器2连接在输入端I和参考端子之间。在可替代的实施例中,没有第二低通滤波器,并且误差放大器1的+输入端耦合到参考电压源。
图2描述了根据本发明的一个实施例的第一低通滤波器LPF1的优选实现方式。第一低通滤波器3包括串联连接的第一多个电阻器R2a、R2b、R2c,该第一多个电阻器耦合到用于修改第一低通滤波器3的时间常数的第一多个相应开关T2a、T2b、T2c。在图2中,开关被表示成P-MOS晶体管,但是本领域的技术人员也可以设想使用其它开关元件,例如N-MOS晶体管、光电晶体管或无源开关。另外,控制信号S2a、S2b和S2c被认为是电压,但是也能够使用电流和光,并且本领域的技术人员很容易导出合适的电路。当开关T2a、b或c处于ON(导通)状态时,它的等效电阻相对较低,远低于电阻器R2a、b或c中任何一个的电阻值。当开关T2a、b或c是OFF(断开)状态时,它的等效电阻相对较高,远高于电阻器R2a、b或c中任何一个的电阻值。其结果是当所有的开关都是OFF状态时,电路的等效电阻是R2a+R2b+R2c+R2d,并且滤波器的时间常数是(R2a+R2b+R2c+R2d)*C2。如果T2a是ON,则电路的等效电阻是R2b+R2c+R2d,并且因此滤波器的时间常数是(R2b+R2c+R2d)*C2。类似的推理可以用于ON状态开关和OFF状态开关的任何组合。因此,可以考虑应用的技术限制来修改低通滤波器的截止频率,以允许应用中有更多的灵活性。
图3描述了根据本发明的一个实施例的第二低通滤波器LPF2的实现方法。第二低通滤波器2包括在输入In端和参考节点Ref之间串联耦合的电压源Vdrop、第二电阻器R3和第二电容器C3。第二低通滤波器将参考信号传送给误差放大器1。在对减小了相对较小的电压Vdrop后输入到低下降电压调节器100输入端I的信号Vcc进行低通滤波之后,可以得到参考信号。电压Vdrop可以使用例如双极结晶体管得到,该双板结晶体管作为二极管或通过电阻器的固定偏流连接。减小的信号进一步由第二电阻器R3和第二电容器C3的串联组合进行低通滤波。第二电容器C3上的电压作为参考电压输入到误差放大器1。
图4描述了根据本发明的一个实施例的可选串联调节元件T1的实现方法。可选串联调节元件T1包括多个串联调节元件T1a、T1b、T1c,该多个调节元件耦合到相应的第二多个可选电阻器R11a、R12a、R11b、R12b、R11c、R12c。第二多个可选电阻器R11a、R12a、R11b、R12b、R11c、R12c是成对耦合的P-MOS晶体管。每对包括两个晶体管的主电流通道的串联连接,这两个晶体管耦合在输入端I和第一放大器4的输出端之间或在第一低通滤波器3的输出端和第一放大器4的输出端之间。可以理解,可控电阻器也可以是N-MOS晶体管或光电晶体管。控制信号S1a、S1b和S1c被认为是电压,但是本领域的技术人员也可以设想是电流信号或光信号。可选电阻器R11a、R12a、R11b、R12b、R11c、R12c具有高电阻状态和低电阻状态。当电阻器处于高电阻状态时,相应的串联调节晶体管T1a、b或c不通过其主电流通道传导电流。实际上,有非常低的漏电流通过晶体管的主通道流动。当电阻器处于低电阻状态时,相应的串联调节晶体管T1a、b或c不通过其主电流通道传导电流,提供输出电流Ibias。
图5描述了根据本发明的一个实施例的光学检测器/放大器200的实现方法。光学检测器/放大器200包括低下降电压调节器100,用于为一个或多个耦合到可变增益放大器202的光电二极管201供电。光电二极管(组)201传输对应于在或从光盘读出或写入操作的信号。可变增益放大器包括多个级联连接的可控放大器。低下降电压调节器100为光电二极管(组)201供电,光电二极管(组)201接收由例如激光产生的光学信号。光电二极管(组)201中的光-电流对光学信号的依赖关系在图6中示出,并且用在光学检测器/放大器中的光电二极管(组)201的容量对反向电压的典型特性曲线在图8中示出。根据本发明的低下降电压调节器100适合用在这样的应用中,在这些应用中使用与先前示出的这类二极管和与之相关联的信号。光电二极管(组)201的输出信号在可变增益放大器202中被放大,该可变增益放大器202是使信号适合于负载所必需的。依赖于特定的应用,有可能是一个放大器202或多个放大器202。
总之,创建了一种低功率、低下降电源滤波器,该滤波器展示了低噪声和低输出阻抗。在闭环中工作时,PMOST串联晶体管T1为DC和低频提供输出功率,而容性耦合的AB类放大器输出级5为高频(高达200MHz)提供功率。固定的输出并联电容器C4从那里开始起作用。通过适当选择组件,可以得到在三个频率区域上工作的平稳过渡。该电路尤其用在PDIC中,以减少串扰并满足严格的稳定要求。
值得注意的是,本发明的保护范围不限于在这里描述的实施例。本发明的保护范围也不限于权利要求中的参考数字。词汇“包括”并不排除除了在权利要求中提及的那些之外的其它部分。元件前的词汇“一个”并不排除多个这种元件。形成本发明的部分的装置可以用专用硬件形式或可编程处理器形式来实现。本发明在于每个新特征或多个特性的组合。

Claims (9)

1.一种电压调节器,包括在其输入端(I)和输出端(O)之间的串联调节元件(T1),以及具有第一输出端(O1)的差分输入误差放大器(1),该第一输出端(O1)耦合到串联调节元件(T1)的控制输入端,其特性在于:误差放大器(1)还包括第二输出端(O2),该第二输出端(O2)通过高通滤波器(5,R1,C1)耦合到输出端(O)。
2.如权利要求1所述的电压调节器,其中第一低通滤波器(3)耦合在电压调节器的输入端(I)和串联调节元件(T1)的输入端子之间。
3.如权利要求2所述的电压调节器,其中第一低通滤波器(3)包括第一多个串联连接的电阻器(R2a,R2b,R2c),该第一多个电阻器(R2a,R2b,R2c)耦合到第一多个相应开关(T2a,T2b,T2c),用于修改第一低通滤波器(3)的时间常数。
4.如权利要求1、2或3所述的电压调节器,其中误差放大器(1)的第一输入端(+)通过第二低通滤波器(2)耦合到电压调节器的输入端(I)。
5.如权利要求4所述的电压调节器,其中第二低通滤波器(2)包括串联耦合的电压源(Vdrop)、电阻器(R3)和电容器(C3)。
6.如前面任一权利要求所述的电压调节器,其中串联调节元件(T1)包括多个串联调节元件(T1a,T1b,T1c),这些串联调节元件耦合到相应的第二多个可选的电阻器(R11a,R12a,R11b,R12b,R11c,R12c)。
7.如权利要求6所述的电压调节器,其中第二多个可选的电阻器(R11a,R12a,R11b,R12b,R11c,R12c)是成对耦合的场效应晶体管,每对包括两个晶体管的主电流通道的串联联接,这两个晶体管耦合在电压调节器的输入端(I)和误差放大器(1)的第一输出端(O)之间。
8.一种光学检测器/放大器(200),包括如前面任一权利要求所述的电压调节器,用于为耦合到可变增益放大器(202)的一个或多个光电二极管(201)供电。
9.如权利要求8所述的光学检测器/放大器(200),其中可变增益放大器包括多个级联连接的可控放大器。
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