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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungsregler mit einer Differenzierschaltung und einem Verstärker.
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Spannungsregler haben ein weites Einsatzgebiet in der Elektronik zur Bereitstellung einer Vorsorgungsspannung. Spannungsregler im Allgemeinen, können in zwei Klassen unterteilt werden, geschaltete und nichtgeschaltete, bzw. lineare Spannungsregler. Geschaltete Spannungsregler weisen gegenüber einem linearen Spannungsregler den besonderen Vorteil auf, dass die Verlustleistung nicht abhängig ist von der Eingangsspannung. Lineare Spannungsregler hingegen haben den besonderen Vorteil, dass die Ausgangsspannung besonders präzise und stabil ist. Lineare Spannungsregler sollten in der Lage sein, Störungen, die an ihrem Eingang oder an ihrem Ausgang auftreten, zu dämpfen. Aufgrund dessen können lineare Spannungsregler dort eingesetzt werden, wo Störungen am Eingang auftreten, beispielsweise nach einem geschalteten Spannungsregler zur Glättung der Spannungsspitzen, in einen Bordnetz eines Automobils. Durch den zunehmenden Einsatz von Elektronik treten auch in batteriegestützten Systemen immer häufiger Spitzen in der Versorgungsspannung auf, die von einem Spannungsregler gedämpft werden müssen. Ein Beispiel hierfür ist das Bordnetz eines Automobils. Alle Anwendungen, in denen digitale Technik zum Einsatz kommt sind davon betroffen, da Schaltvorgänge Spannungsspitzen in die Vorsorgungsspannung induzieren. Spannungsspitzen, bzw. Störspitzen können an dem Eingang, dem Ausgang oder dem Masseanschluss eines Spannungsreglers auftreten.
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Störspitzen am Eingang des Spannungsreglers treten beispielsweise auf, wenn die Eingangsspannung durch einen geschalteten Spannungsregler bereitgestellt wird. Störspitzen am Eingang treten auch auf, wenn die Eingangsspannung durch ein batteriegestütztes System bereitgestellt wird, wobei diese Eingangsspannung durch weitere geschaltete Verbraucher belastet wird.
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Störspitzen am Ausgang des Spannungsreglers treten beispielsweise auf, wenn am Ausgang digitale Technik oder Schalter zum Einsatz kommen. Die Störspitzen können auch durch andere Quellen verursacht werden.
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Die Fähigkeit eines Spannungsreglers diesen Störspitzen, bzw. transienten Einflüssen an seinen Anschlüssen widerstehen, spiegelt sich in Datenblatt durch die Parameter PSSR und „Input Voltage Transient Immunity” wieder, wobei PSSR die „Power Supply Rejection Ratio” ist, ein Maß für die Empfindlichkeit einer Schaltung gegenüber Einflüssen seiner Versorgungsspannung.
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Die Fähigkeit eines Spannungsreglers Störspitzen zu bedämpfen kann verbessert werden, indem der Ausgangskondensator vergrößert wird. Ein solcher Ausgangskondensator puffert den vom Spannungsregler bereitgestellten Strom, so dass ein angeschlossener Verbraucher den geforderten Strom aufnehmen kann. Ein vergrößerter Ausgangskondensator hat unter anderem die Nachteile, dass sowohl die Kosten als auch der beanspruchte Platz auf der Platine ansteigen. Die Regelgeschwindigkeit des Spannungsreglers verringert sich.
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Die Empfindlichkeit eines Spannungsreglers auf Störspitzen kann verbessert werden, indem ein Eingangskondensator oder ein Eingangsfilter verwendet wird. Ebenso wie bei einem vergrößerten Ausgangskondensator steigen sowohl die Kosten als auch der beanspruchte Platz auf der Platine an.
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Die Empfindlichkeit eines Spannungsreglers auf Störspitzen kann verbessert werden, indem der Biasstrom erhöht wird, wobei als Biasstrom der Strom des Spannungsreglers bezeichnet wird, der alle relevanten Ströme des Spannungsreglers einstellt. Eine Erhöhung des Biasstroms bewirkt, dass die Regelgeschwindigkeit, die Stromaufnahme und der Ruhestrom erhöht werden. Eine Erhöhung der Stromaufnahme ist in den meisten fällen unerwünscht.
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US6541946 zeigt eine Mitkopplungsschaltung mit einem Hochpassfilter zur Verbesserung der PSSR „Power Supply Rejection Ratio”.
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IEEE Transation an Circuits and Systems „Full On-Chip Low-Dropout Voltage Regulator" R. Milliken et al. zeigt eine Kompensationsschaltung zur Verbesserung der Empfindlichkeit eines Spannungsreglers auf Störspitzen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Spannungsregler mit einer verbesserten Widerstandsfähigkeit auf Störspitzen bereitzustellen, ohne dass zusätzliche externe Komponenten benötigt werden.
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Die Aufgabe wird durch einen Spannungsregler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche definieren jeweils bevorzugte Ausführungsformen.
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Der Spannungsregler umfasst drei Spannungsregleranschlüsse, eine Ausgangsschaltung mit einem Eingangsanschluss, die mit einem ersten und einem zweiten Spannungsregleranschluss verbunden ist, eine Differenzierschaltung mit einem Differenzierausgang, die mit einem Spannungsregleranschluss verbunden ist, und einem Verstärker mit einem Verstärkereingang und einem Verstärkerausgang, wobei der Verstärkereingang mit dem Differenzierausgang verbunden ist und der Verstärkerausgang mit dem Eingangsanschluss der Ausgangsschaltung verbunden ist, wobei die Differenzierschaltung dazu ausgebildet ist, eine Spannung an dem Spannungsregleranschluss zu Erfassen und als differenziertes Signal an Ihrem Differenzierausgang bereitzustellen, und wobei der Verstärker dazu ausgebildet ist, ein, von dem differenzierten Signal abhängiges, Kompensationssignal in den Eingangsanschluss der Ausgangsschaltung des Spannungsreglers einzuprägen, wobei der Verstärker eine erste Ausgangsstufe aufweist, die dazu ausgebildet ist einen positiven Anteil des Kompensationssignals in den Eingangsanschluss der Ausgangsschaltung einzuprägen und wobei der Verstärker eine zweite Ausgangsstufe aufweist, die dazu ausgebildet ist einen negativen Anteil des Kompensationssignals in den Eingangsanschluss der Ausgangsschaltung einzuprägen.
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Die Spannungsregleranschlüsse sind der Eingangsanschluss zum Anlegen einer Eingangsspannung, der Ausgangsanschluss zum Bereitstellen der Ausgangsspannung und der Masseanschluss. Die Differenzierschaltung ist mit einem Spannungsregleranschluss verbunden und weist einen Differenzierausgang auf. Die Differenzierschaltung kann mit jedem der drei Spannungsregleranschlüsse verbunden sein. Die Differenzierschaltung differenziert das Signal eines verbundenen Spannungsregleranschluss und stellt es als differenziertes Signal am Differenzierausgang bereit. Die Differenzierschaltung kann somit sowohl die Eingangsspannung, die Ausgangsspannung als auch das Massepotential erfassen und differenzieren.
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Der Spannungsregler weist einem Verstärker mit einem Verstärkereingang und einem Verstärkerausgang auf, wobei der Verstärkereingang mit dem Differenzierausgang verbunden ist und der Verstärkerausgang mit dem Eingangsanschluss der Ausgangsschaltung verbunden ist. Der Verstärker bildet aus dem differenzierten Signal ein davon abhängiges Kompensationssignal und prägt dies in den Eingang der Ausgangsschaltung ein. Die Ausgangsschaltung kann im einfachsten Fall ein Transistor sein. Dieser Transistor kann sowohl ein MOS- als auch ein bipolarer Transistor in P- oder N-Polarität sein. Die Ausgangsschaltung kann neben diesem Transistor auch eine Treiberschaltung zum Ansteuern des Transistors umfassen.
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Der Verstärker weist eine erste und eine zweite Ausgangsstufe auf, die einen jeweils positiven oder negativen Anteil des Kompensationssignals in die Ausgangsstufe einprägen. Abhängig davon, mit welchem Spannungsregleranschluss eine Differenzierschaltung verbunden ist und abhängig davon, in welcher Phasenlage die Differenzierschaltung das differenzierte Signal an dem Differenzierausgang bereitstellt, können die Verstärker das differenzierte Signal invertieren, so dass das Kompensationssignal mit der gleichen Phasenlage oder mit einer invertierten Phasenlage verwendet werden kann. Die Verstärker und die Differenzierschaltung können in ihrer Gesamtheit derart ausgebildet sein, dass das Kompensationssignal invertiert oder nichtinvertiert in die Ausgangsschaltung eingeprägt wird.
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Die Differenzierschaltung des Spannungsreglers kann eine erste und zweite Kapazität zum Differenzieren der erfassten Spannung aufweisen, die an jeweils einen Eingang der ersten und zweiten Ausgangsstufe des Verstärkers geschaltet sind. Die erste und die zweite Kapazität sind mit dem Verstärker verbunden, wobei die Kapazitäten das differenzierte Signal in jeweils einen Eingang der Ausgangsstufen einprägen.
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Die Verstärker können eine erste und eine zweite Spannungsquelle zum Einstellen der Arbeitpunkte des ersten und des zweiten Verstärkers und einen ersten und einen zweiten Widerstand aufweisen. Der erste Widerstand verbindet die erste Spannungsquelle mit dem Eingang der ersten Ausgangsstufe des Verstärkers und der zweite Widerstand verbindet die zweite Spannungsquelle mit dem Eingang der zweiten Ausgangsstufe des Verstärkers.
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Die erste und die zweite Ausgangsstufe des Verstärkers können jeweils erste Transistoren aufweisen, wobei die Basis beziehungsweise das Gate mit dem jeweiligen Eingang des Verstärkers verbunden ist und der Kollektor, beziehungsweise das Drain mit dem jeweiligen Ausgang des Verstärkers verbunden ist.
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Die erste und die zweite Ausgangsstufe des Verstärkers können zweite und dritte Transistoren aufweisen, wobei die jeweiligen zweiten und dritten Transistoren als Stromspiegel verschaltet sind und wobei der Ausgang des jeweiligen Stromspiegels mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden ist. Weisen die Ausgangsstufen des Verstärkers einen zweiten und dritten Transistor auf, ist der jeweilige Kollektor, beziehungsweise Drain, mit dem Eingang des jeweiligen Stromspiegels verbunden.
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Wobei die Eingänge der ersten Transistoren mit den Eingängen, der ersten, bzw. der zweiten Ausgangsstufe des Verstärkers verbunden sind und wobei die Eingänge der zweiten Transistoren mit den Ausgängen der ersten Transistoren der ersten, bzw. der zweiten Ausgangsstufe des Verstärkers verbunden sind.
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Aufführungsformen werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen näher erläutert, in denen
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1 den prinzipiellen Aufbau eines Spannungsreglers zeigt,
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2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Spannungsreglers zeigt,
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Spannungsreglers zeigt,
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4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Spannungsreglers zeigt,
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5 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Differenzierschaltung mit einem Verstärker zeigt,
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6 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Differenzierschaltung mit einem Verstärker zeigt.
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1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Spannungsreglers ohne eine Differenzierschaltung und ohne einen Verstärker, mit einem Eingangsanschluss 11, einem Ausgangsanschluss 12, einem Masseanschluss 13, einer Ausgangsschaltung 21, einer Regelschaltung 22 und einer Referenzspannungsquelle 23. Die Ausgangsschaltung 21 ist mit dem Eingangsanschluss 11 und dem Ausgangsanschluss 12 verbunden. Die Ausgangsschaltung umfasst im wesendlichen einen Transistor der auch als Pass Device bezeichnet wird. Dieser Transistor kann sowohl ein MOS- als auch ein bipolarer Transistor in P- oder N-Polarität sein. Die Ausgangsschaltung kann auch eine Treiberschaltung zum Ansteuern umfassen. Der Spannungsregler weist eine Regelschaltung 22 und eine Referenzspannungsquelle 23 auf. Die Referenzspannungsquelle ist mit dem Masseanschluss 13 verbunden und die Regelschaltung 22 ist mit dem Ausgangsanschluss 12 verbunden.
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2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Spannungsreglers, die eine Differenzierschaltung 31 und einen Verstärker 32 aufweist. Ein Eingang der Differenzierschaltung 31 ist mit dem Eingangsanschluss 11 verbunden und ein Ausgang der Differenzierschaltung 31 ist mit einem Eingang des Verstärkers 32 verbunden. Ein Ausgang des Verstärkers 32 ist mit der Ausgangsschaltung 21 verbunden. Die Differenzierschaltung 31 erfasst die Spannung am Einganganschluss 11 des Spannungsreglers und differenziert diese. Der Verstärker 32 verstärkt dieses Signal und prägt das verstärkte Signal in den Eingang der Ausgangsschaltung 21 ein. Einer Störung am Eingangsanschluss 11 wird somit, unter Umgehung der Regelschaltung 22, entgegengewirkt. Tritt am Eingangsanschluss 11 eine kurze positive Störung auf, so kann dem entgegengewirkt werden, indem die Ausgangsschaltung für diesen Moment der Störung weniger Strom führt als in einem eingeschwungenen Zustand, der durch die Regelschaltung 22 bestimmt wird. Ist die Ausgangsschaltung 21 als P-Typ ausgeführt, also als PMOS oder als PNP, und weist einen Stromeingang auf, prägt der Verstärker 31 bei einer positiven Störung an Eingangsanschluss 11 einen Strom in den Eingang der Ausgangsschaltung 21 ein. Bei einer negativen Störung am Eingangsanschluss 11 entnimmt der Verstärker 31 einen Strom aus dem Eingang der Ausgangsschaltung 21.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Spannungsreglers, die eine Differenzierschaltung 31 und einen Verstärker 32 aufweist. Ein Eingang der Differenzierschaltung 31 ist mit dem Ausgangsanschluss 12 verbunden und ein Ausgang der Differenzierschaltung 31 ist mit einem Eingang des Verstärkers 32 verbunden. Ein Ausgang des Verstärkers 32 ist mit der Ausgangsschaltung 21 verbunden. Die Differenzierschaltung 31 erfasst die Spannung am Ausgangsanschluss 12 des Spannungsreglers und differenziert diese. Der Verstärker 32 verstärkt dieses Signal und prägt das verstärkte Signal in den Eingang der Ausgangsschaltung 21 ein. Einer Störung am Ausgangsanschluss 12 wird somit, unter Umgehung der Regelschaltung 22, entgegengewirkt. Tritt am Ausgangsanschluss 12 eine kurze positive Störung auf, so kann dem entgegengewirkt werden, indem die Ausgangsschaltung für diesen Moment der Störung weniger Strom führt als in einem eingeschwungenen Zustand, der durch die Regelschaltung 22 bestimmt wird. Ist die Ausgangsschaltung 21 als N-Typ ausgeführt, also als NMOS oder als NPN, und weist einen Stromeingang auf, prägt der Verstärker 31 bei einer negativen Störung an Ausgangsanschluss 12 einen Strom in den Eingang der Ausgangsschaltung 21 ein. Bei einer positiven Störung am Ausgangsanschluss 12 entnimmt der Verstärker 31 einen Strom aus dem Eingang der Ausgangsschaltung 21.
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4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Spannungsreglers, die eine Differenzierschaltung 31 und einen Verstärker 32 aufweist. Ein Eingang der Differenzierschaltung 31 ist mit dem Masseanschluss 13 verbunden und ein Ausgang der Differenzierschaltung 31 ist mit einem Eingang des Verstärkers 32 verbunden. Ein Ausgang des Verstärkers 32 ist mit der Ausgangsschaltung 21 verbunden. Die Differenzierschaltung 31 erfasst die Spannung am Masseanschluss 13 des Spannungsreglers und differenziert diese. Der Verstärker 32 verstärkt dieses Signal und prägt das verstärkte Signal in den Eingang der Ausgangsschaltung 21 ein. Einer Störung am Masseanschluss 13 wird somit, unter Umgehung der Regelschaltung 22, entgegengewirkt. Tritt am Masseanschluss 13 eine kurze positive Störung auf, so kann dem entgegengewirkt werden, indem die Ausgangsschaltung für diesen Moment der Störung weniger Strom führt als in einem eingeschwungenen Zustand, der durch die Regelschaltung 22 bestimmt wird.
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5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Differenzierschaltung mit einem Verstärker. Der Verstärker weist eine erste 44 und eine zweite Ausgangsstufe 43 zum Verstärken des differenzierten Signals auf, die in diesem Ausführungsbeispiel als komplementäre bipolare Transistoren 43 (NPN), 44 (PNP) ausgebildet sind. Die Kollektoren dieser Transistoren 43, 44 sind verbunden und bilden den Ausgang 15 des Verstärkers. Die Eingänge dieser Transistoren bilden die Eingänge der Ausgangsstufen, die mit der Differenzierschaltung verbunden sind.
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Die Differenzierschaltung umfasst einen ersten und einen zweiten Kondensator 51, 52, wobei jeweils ein Anschluss der Kondensatoren mit dem anderen Anschluss verbunden ist und den Eingang 14 der Differenzierschaltung bildet. Die jeweils anderen Anschlüsse der Kondensatoren sind mit den jeweiligen Eingängen der Ausgangsstufen 43, 44 verbunden. Die Arbeitpunkteinstellung der ersten und zweiten Ausgangsstufe 43, 44 erfolgt mit Hilfe der ersten bis dritten Biastransistoren 41, 42, 45, den Widerständen 53, 54 und der Stromquelle 55. Die Basen der ersten und zweiten Biastransistoren 41, 42 sind mit Widerständen 53, 54 mit den jeweiligen Basen der ersten und zweiten Ausgangsstufe 43, 44 verbunden. Der Arbeitspunkt des ersten und des zweiten Biastransistors 41, 42 wird mit einem dritten Biastransistor 45 und der Stromquelle 55 eingestellt.
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Ist der Eingang 14 der Differenzierschaltung geerdet, beziehungsweise ohne Signal, befindet sich die Differenzierschaltung und der Verstärker im Ruhezustand. Mit Hilfe der Stromquelle kann die Ruhestromaufnahme der Anordnung auf sehr niedrige Werte eingestellt werden, so dass sie beispielsweise einige uA nicht überschreitet. Mit Ausnahme eines Offsetstroms fließt aus dem Ausgang 25 des Verstärkers kein Strom. Der vorhandene Offsetstrom wird durch die Regelschaltung 22 des Spannungsreglers ausgeregelt, so dass sich durch diesen Strom keine störenden Effekte ergeben. Die Widerstände 53, 54 und die Kondensatoren 51, 52 bilden je einen Hochpass, der vor den Ausgangstufen 43, 44 geschaltet ist. Durch diese Anordnung sind die Ausgangsstufen bei hohen Frequenzen von den Biastransistoren 41, 42, 45 entkoppelt. Eine Störung am Eingang 14 wirkt bei hohen Frequenzen direkt auf den Eingang der Ausgangsstufen 43, 44. Eine hohe Frequenz ist eine Frequenz, die größer ist als die Frequenz, die sich aus der Eckfrequenz der Kondensatoren 51, 52, der Widerstände 53, 54 und der parallel zum jeweiligen Widerstand liegenden Eingangsimpedanz der Ausgangsstufen 43, 44 ergibt.
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Tritt am Eingang 14 eine positive Störung auf, treten am Eingang der ersten und zweiten Ausgangsstufe 43, 44 positive Auslenkungen auf, so dass die erste Ausgangsstufe 44 derart angesteuert wird, das aus ihrem Ausgang ein kleinerer Strom fließt und dass die zweite Ausgangsstufe derart angesteuert wird, dass aus ihrem Ausgang ein größerer Strom fließt, so dass am Ausgang 15 ein Strom hinein fließt.
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Tritt am Eingang 14 eine negative Störung auf, treten am Eingang der ersten und zweiten Ausgangsstufe 43, 44 negative Auslenkungen auf, so dass die erste Ausgangsstufe 44 derart angesteuert wird, das aus ihrem Ausgang ein größerer Strom fließt und dass die zweite Ausgangsstufe derart angesteuert wird, dass aus ihrem Ausgang ein kleinerer Strom fließt, so dass am Ausgang 15 ein Strom hinaus fließt.
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Das erste Ausführungsbeispiel kann beispielsweise mit bipolaren Transistoren oder mit CMOS-Transistoren aufgebaut werden. Das erste Ausführungsbeispiel einer Differenzierschaltung mit einem Verstärker kann in den ersten bis dritten Ausführungsbeispielen eines Spannungsreglers verwendet werden.
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6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Differenzierschaltung mit einem Verstärker. Die Arbeitpunkteinstellung der ersten und zweiten Ausgangsstufe 43, 44 erfolgt, wie im ersten Ausführungsbeispiel, mit Hilfe der ersten bis dritten Biastransistoren 41, 42, 45, den Widerständen 53, 54 und der Stromquelle 55. Die erste Ausgangsstufe wird durch die Transistoren 44, 46, 47 gebildet, die zweite Ausgangsstufe wird durch die Transistoren 43, 48, 49 gebildet. Ein erster Transistor 44 der ersten Ausgangsstufe verstärkt das Signal der Differenzierschaltung und speist dieses verstärkte Signal als Strom in einen Stromspiegel der ersten Ausgangstufe ein. Dieser Stromspiegel der ersten Ausgangsstufe weist einen zweiten und einen dritten Transistor 46, 47 auf. Die zweiten und dritten Transistoren 48, 49, 46, 47 der ersten und zweiten Ausgangsstufe können an ein anderes Bezugspotential angeschlossen sein.
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Ein erster Transistor 43 der zweiten Ausgangsstufe verstärkt das Signal der Differenzierschaltung und speist dieses verstärkte Signal als Strom in einen Stromspiegel der zweiten Ausgangstufe ein. Dieser Stromspiegel der zweiten Ausgangsstufe weist einen zweiten und einen dritten Transistor 48, 49 auf.
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Tritt am Eingang 14 eine positive Störung auf, treten am Eingang der ersten und zweiten Ausgangsstufe 43, 44 positive Auslenkungen auf, so dass die erste Ausgangsstufe 44 derart angesteuert wird, das aus ihrem Ausgang ein kleinerer Strom fließt und dass die zweite Ausgangsstufe derart angesteuert wird, dass aus ihrem Ausgang ein größerer Strom fließt. Die Stromspiegel der Ausgangsstufen bewirken, dass am Ausgang 15 ein Strom hinaus fließt.
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Tritt am Eingang 14 eine negative Störung auf, treten am Eingang der ersten und zweiten Ausgangsstufe 43, 44 negative Auslenkungen auf, so dass die erste Ausgangsstufe 44 derart angesteuert wird, das aus ihrem Ausgang ein größerer Strom fließt und dass die zweite Ausgangsstufe derart angesteuert wird, dass aus ihrem Ausgang ein kleinerer Strom fließt. Die Stromspiegel der Ausgangsstufen bewirken, dass am Ausgang 15 ein Strom hinein fließt.
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Das zweite Ausführungsbeispiel kann mit bipolaren Transistoren oder mit CMOS-Transistoren aufgebaut werden. Das erste Ausführungsbeispiel einer Differenzierschaltung mit einem Verstärker kann in den ersten bis dritten Ausführungsbeispielen eines Spannungsreglers verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- IEEE Transation an Circuits and Systems „Full On-Chip Low-Dropout Voltage Regulator” R. Milliken et al. [0010]
