-
Die Erfindung betrifft einen Spannungsregler.
-
Aus der
US 7,166,991 B2 ist ein adaptives Biasing-Konzept für einen im Strommodus betriebenen Spannungsregler bekannt. Der Spannungsregler weist einen OTA auf, dessen Ausgangsstrom mittels eines Stromspiegels verstärkt am Spannungsreglerausgang ausgegeben wird. Der Spannungsabfall über einer am Spannungsreglerausgang angeschlossenen Last wird mittels eines Spannungsteilers geteilt und auf den invertierenden Eingang des OTAs zurückgeführt. Der Biasstrom des OTAs wird ebenfalls mittels Stromspiegelung aus dem Ausgangsstrom des OTAs gewonnen und durch einen Tiefpassfilter gefiltert. Der Biasstrom des OTAs ist durch die Stromspiegelung proportional zum Ausgangsstrom des OTAs.
-
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Spannungsregler anzugeben, der den Stand der Technik weiterbildet.
-
Die Aufgabe wird durch einen Spannungsregler mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
-
Gemäß dem Gegenstand der Erfindung ist ein Spannungsregler zur Ausgabe einer geregelten Ausgangsspannung vorgesehen.
-
Der Spannungsregler weist eine Verstärkerschaltung auf.
-
Die Verstärkerschaltung weist einen ersten Zweig und einen zweiten Zweig auf. Die Verstärkerschaltung weist einen Steuertransistor auf. Der Steuertransistor ist an den ersten Zweig und an den zweiten Zweig angeschlossen. Ein Steuereingang des Steuertransistors ist an einen Knoten angeschlossen.
-
Der erste Zweig weist einen ersten Eingangstransistor zum Anlegen einer Referenzspannung an einem ersten Eingang des ersten Eingangstransistors auf. Der zweite Zweig weist einen zweiten Eingangstransistor zur Verbindung mit einem Spannungsreglerausgang zur Gegenkopplung mittels einer Gegenkopplungsspannung auf. Die Gegenkopplungsspannung ist aus einer an dem Spannungsreglerausgang ausgegebenen Ausgangsspannung erzeugt.
-
Der Spannungsregler weist einen ersten Stromspiegel auf. Ein erster Eingang des ersten Stromspiegels ist mit dem ersten Zweig verbunden. Der erste Stromspiegel ist zur Spiegelung eines ersten Stroms durch den ersten Zweig eingerichtet. Beispielsweise weist der erste Stromspiegel ein Spiegelverhältnis von 1:1 auf.
-
Der Spannungsregler weist einen zweiten Stromspiegel auf. Ein zweiter Eingang des zweiten Stromspiegels ist mit dem zweiten Zweig verbunden. Der zweite Stromspiegel ist zur Spiegelung eines zweiten Stroms durch den zweiten Zweig eingerichtet. Beispielsweise weist der zweite Stromspiegel ein Spiegelverhältnis von 1:1 auf.
-
Der Spannungsregler weist einen Ausgangsstromverstärker zur Ausgabe eines Ausgangsstroms am Spannungsreglerausgang auf. Die Verstärkerschaltung ist mit dem Ausgangsstromverstärker zur Steuerung des Ausgangsstroms verbunden.
-
Ein erster Ausgang des ersten Stromspiegels und ein zweiter Ausgang des zweiten Stromspiegels und eine Kapazität sind an den Knoten angeschlossen. Der erste Ausgang des ersten Stromspiegels und der zweite Ausgang des zweiten Stromspiegels sind zum Laden und Entladen der Kapazität an den Knoten angeschlossen.
-
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Spannungsreglers ist es, dass der den Gesamtstrom durch beide Zweige steuernde Steuertransistor durch das Potential im Knoten gesteuert wird, wobei das Potential im Knoten im Wesentlichen durch den ersten Spiegelstrom des ersten Stromspiegels und durch den zweiten Spiegelstrom des zweiten Stromspiegels und durch den Verschiebestrom durch die Kapazität bestimmt wird. Hierdurch kann ein Gesamtstrom durch die Verstärkerschaltung durch das Laden bzw. Entladen der Kapazität besonders schnell geändert werden.
-
Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass durch die Steuerung des Gesamtstroms durch die Verstärkerschaltung mittels des Steuertransistors der Stromverbrauch des Spannungsreglers für kleine Ausgangsströme deutlich reduziert werden kann. Durch das erfindungsgemäße Laden und Entladen der Kapazität durch den ersten Stromspiegel bzw. zweiten Stromspiegel kann die Steilheit der Verstärkerschaltung bei einer plötzlichen Verringerung der Last schnell verändert werden, indem mittels des Steuertransistors der Gesamtstrom durch beide Zweige der Verstärkerschaltung signifikant erhöht wird.
-
In einer bevorzugten Weiterbildung ist der Steuertransistor in Drainschaltung (Sourcefolger) oder Kollektorschaltung (Emitterfolger) angeschlossen. Wird ein Feldeffekttransistor als Steuertransistor verwendet folgt die Spannung am Sourceanschluss der Steuerspannung am Steuereingang (Gate) mit dem Unterschied der Thresholdspannung des Feldeffekttransistors. Der Sourceanschluss ist an den ersten Zweig und an den zweiten Zweig angeschlossen. Der Steuertransistor in der Drainschaltung bzw. Kollektorschaltung wirkt als niederohmige Spannungsquelle und steuert die über dem ersten Zweig und zweiten Zweig abfallende Spannung.
-
In einer alternativen Weiterbildung ist der Steuertransistor als Stromquelle an den ersten Zweig und an den zweiten Zweig angeschlossen. Hierzu ist der Steuertransistor beispielsweise in Sourceschaltung oder Emitterschaltung verschaltet. Wenn die Summe der Ströme durch den ersten Zweig und den zweiten Zweig dem Strom durch den Steuertransistor entspricht, kann die Steuerschaltung auch als Differenz-Transkonduktanz-Verstärker (OTA) bezeichnet werden.
-
Gemäß einer anderen Weiterbildung sind der zweite Transistor des zweiten Zweiges und der Ausgangsstromverstärker Bestandteile eines ersten Regelkreises. Der Steuertransistor und der erste Transistor des ersten Zweiges und der erste Stromspiegel und der zweite Stromspiegel und die Kapazität sind Bestandteile eines zweiten Regelkreises. Der zweite Regelkreis weist basierend auf der Kapazität eine größere Zeitkonstante als der erste Regelkreis auf.
-
In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung sind der erste Regelkreis und der zweite Regelkreis mittels des zweiten Stromspiegels gekoppelt.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Versorgungsanschluss der Verstärkerschaltung von einem Versorgungsanschluss des Ausgangsstromverstärkers zur Anlegung unterschiedlicher Versorgungsspannungen getrennt.
-
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Hierbei werden Bauteile und Blöcke gleicher Funktion innerhalb des Spannungsreglers mit identischen Bezeichnungen beschriftet. Die dargestellte Ausführungsformen sind stark schematisiert, d. h. der Spannungsregler kann durch weitere Bauelemente ergänzt werden, die insbesondere der Arbeitspunkteinstellung oder der Stabilität dienen. Es zeigt die:
-
1 einen schematischen Schaltplan einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Spannungsreglers,
-
2 einen schematischen Schaltplan einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Spannungsreglers, und
-
3 einen schematischen Schaltplan einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Spannungsreglers.
-
Die Abbildung der 1 zeigt einen schematischen Schaltplan einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Spannungsreglers 1. Der Spannungsregler 1 weist eine Verstärkerschaltung 100 auf. In der Ausführungsform der 1 ist die Verstärkerschaltung 100 Bestandteil eines Differenz-Transkonduktanz-Verstärkers. Die Verstärkerschaltung 100 weist einen Steuertransistor 130 auf, der in der Ausführungsform der 1 als PMOS-Feldeffekttransistor Mps ausgebildet ist. Der Drainanschluss des PMOS-Feldeffekttransistors Mps ist an einen ersten Zweig 110 und an einen zweiten Zweig 120 der Verstärkerschaltung angeschlossen. In der Ausführungsform der 1 wirkt der PMOS-Feldeffekttransistor Mps als Stromquelle mit einem Strom I1, so dass die Summe aus einem ersten Strom I1A durch den ersten Zweig 110 und einem zweiten Strom I1B durch den zweiten Zweig 120 dem Strom I1 durch den Steuertransistor 130, Mps entspricht. Die Spannung an dem gemeinsamen Knoten 123 des Steuertransistors 130, Mps und des ersten Zweiges 110 und des zweiten Zweiges 120 ist demzufolge nicht konstant.
-
In der Ausführungsform der 1 weist der erste Zweig 110 einen ersten Eingangstransistor Mp1 und der zweite Zweig 120 einen zweiten Eingangstransistor Mp2 auf. Beide Transistoren Mp1, Mp2 sind in der Ausführungsform der 1 als PMOS-Feldeffekttransistoren Mp1, Mp2 ausgebildet. In der Ausführungsform der 1 ist an einen ersten Eingang Gp1 des ersten Eingangstransistors Mp1 eine Referenzspannung Vref angelegt. Die Referenzspannung Vref wird beispielsweise mittels einer Bandgag-Spannungsquelle erzeugt.
-
Der zweite Eingangstransistor Mp2 des zweiten Zweiges 120 dient zur Gegenkopplung. Hierzu wird eine Gegenkopplungsspannung Vfb aus einer Ausgangsspannung Vout des Spannungsreglers 1 erzeugt. In der Ausführungsform der 1 ist zur Erzeugung der Gegenkopplungsspannung Vfb ein Spannungsteiler aus den Widerständen R1 und R2 vorgesehen, der an den Spannungsreglerausgang 300 und an den zweiten Eingang Gp2 des zweiten Eingangstransistors Mp2 angeschlossen ist. Soll die Ausgangsspannung der Referenzspannung entsprechen, kann der Widerstand R1 entfallen, so dass der zweite Eingang Gp2 des zweiten Eingangstransistors Mp2 an den Spannungsreglerausgang 300 angeschlossen würde.
-
In der Ausführungsform der 1 weist der erste Zweig 110 lediglich den ersten Eingangstransistor Mp1 und der zweite Zweig 120 weist lediglich den zweiten Eingangstransistor Mp2 auf. Abweichend von der Ausführungsform der 1 können die Zweige 110, 120 deutlich komplexer ausgebildet werden und weitere Bauelemente, beispielsweise zur Spannungsbegrenzung oder Arbeitspunkteinstellung oder Stabilität aufweisen.
-
Der Spannungsregler 1 der Ausführungsform der 1 weist einen ersten Stromspiegel 210 mit den Transistoren Mp11, Mp19 und einen zweiten Stromspiegel 220 mit den Transistoren Mn21, Mn29 auf. Der erste Stromspiegel 210 ist über einen weiteren Stromspiegel, gebildet durch die NMOS-Feldeffekttransistoren Mn31 und Mn39 mit dem ersten Zweig 110 der Verstärkerschaltung 100 verbunden. Der zweite Stromspiegel 220 ist in der Ausführungsform der 1 an den zweiten Zweig 220 der Verstärkerschaltung 100 angeschlossen. In der Ausführungsform der 1 weist der erste Stromspiegel 210 ein Spiegelverhältnis von 1:1 auf. Der zweite Stromspiegel 220 weist ebenfalls ein Spiegelverhältnis von 1:1 auf. Auch der weitere Stromspiegel, gebildet durch die NMOS-Feldeffekttransistoren Mn31 und Mn39, weist ein Spiegelverhältnis von 1:1 auf.
-
Der erste Ausgang 219 des ersten Stromspiegels 210 und der zweite Ausgang 229 des zweiten Stromspiegels 220 sind an den Knoten 140 angeschlossen. Eine Kapazität Cc und ein Steueranschluss 131 des Steuertransistors 130, Mps sind ebenfalls an den Knoten 140 angeschlossen. Gemäß der Knotenregel ist die Summe der Ströme im Knoten 140 gleich Null, wobei in der Ausführungsform der 1 ein Verschiebestrom durch das Gate des Steuertransistors 130, Mps vernachlässigt werden kann.
-
In der Ausführungsform der 1 bilden die NMOS-Feldeffekttransistoren Mn21 und Mn22 einen weiteren Stromspiegel zur Erzeugung des Stroms I2 proportional zum zweiten Strom I1B durch den zweiten Zweig 120 der Verstärkerschaltung 100. Der Spannungsregler 1 weist einen Ausgangsstromverstärker 400 zur Ausgabe eines Ausgangsstroms Iout auf, wobei der Ausgang des Ausgangsstromverstärkers 400 in der Ausführungsform der 1 dem Spannungsreglerausgang 300 entspricht. Der Ausgangsstromverstärker 400 ist in der Ausführungsform der 1 durch die als Stromspiegel verschalteten PMOS-Feldeffekttransistoren Mp41 und Mp49 gebildet.
-
In der Ausführungsform der 1 sind ein Lastwiderstand RL und eine Lastkapazität CL dargestellt, die an den Spannungsreglerausgang 300 angeschlossen sind. Diese sind ein Ersatzschaltbild für beispielsweise eine digitale und/oder analoge Schaltung, die durch den Spannungsregler 1 mit der Spannung Vout und dem Strom Iout versorgt werden. In der Ausführungsform der 1 sind ein Anschluss 190 zur Versorgung der Verstärkerschaltung 100 und ein Anschluss 490 für den Ausgangsstromverstärker 400 getrennt ausgeführt, so dass unterschiedliche Spannungen an die Anschlüsse 190, 490 angelegt werden können.
-
Im Folgenden wird die Funktion des Spannungsreglers 1 der Ausführungsform der 1 näher erläutert.
-
Der Spannungsteiler R1, R2 und der zweite Eingangstransistor 120 und der weiterer Stromspiegel mit den Transistoren Mn21 und Mn22 und der Ausgangsstromverstärker 400 sind Bestandteile eines ersten Regelkreises. Erfolgt beispielsweise ein Lastwechsel, indem der Lastwiderstand RL schlagartig verringert wird, sinkt zunächst die Ausgangsspannung Vout. Proportional sinkt zur Ausgangsspannung Vout die Gegenkopplungsspannung Vfb, so dass der PMOS-Feldeffekttransistor Mp2 des zweiten Zweiges 120 aufsteuert und den Strom I1B erhöht. Mittels des weiteren Stromspiegels mit den Transistoren Mn21 und Mn22 wird proportional auch der Strom I2 und durch den Ausgangsstromverstärkers auch der Strom Iout erhöht, so dass die Spannung über dem Lastwiderstand RL wieder ansteigt. Hierdurch kann eine Laständerung besonders schnell ausgeregelt werden. Die Zeitkonstante dieses ersten Regelkreises wird überwiegend durch die Lastkapazität CL geprägt.
-
Der zweite Regelkreis weist in der Ausführungsform der 1 den zweiten Stromspiegel 220, die Kapazität 140, den ersten Stromspiegel 210, den Steuertransistor 130, den ersten Eingangstransistor 110 und den weiteren Stromspiegel mit den Transistoren Mn31 und Mn39 auf. Der erste Regelkreis und der zweite Regelkreis sind durch den zweiten Stromspiegel 220 miteinander gekoppelt.
-
Steigt im zuvor erläuterten Fall der Strom I1B durch den zweiten Zweig 120, wird auch der Strom I3B' am Ausgang 229 des zweiten Stromspiegels 220 erhöht. Im ersten Moment ist der Ausgangsstrom I3A' des ersten Stromspiegels 210 nach unverändert, so dass die Kapazität Cc aufgrund der Erhöhung des Stromes I3B' entladen wird, bis die Ströme I3B' und I3A' wieder gleich sind. Durch das Entladen der Kapazität Cc wird die Steuerspannung am Steuereingang 131 des Steuertransistors 130, Mps verringert, so dass der Gesamtstrom I1 durch die Verstärkerschaltung 100 erhöht wird. Der Gesamtstrom I1 durch die Verstärkerschaltung 100 wird dabei solang erhöht, bis der Strom I1A im ersten Zweig 110 und der Strom I1B im zweiten Zweig 120 wieder gleich sind. Das Erreichen eines Gleichgewichtszustands ist dabei von einer Zeitkonstanten des zweiten Regelkreises abhängig. Die Zeitkonstante des zweiten Regelkreises ist dabei überwiegend durch die Kapazität Cc geprägt.
-
Die Ausführungsform der 1 weist dabei eine Vielzahl von Vorteilen auf. Durch die Kapazität Cc kann sowohl ein stabiles Regelverhalten als auch eine gute Störspannungsunterdrückung eingestellt werden. Durch das Laden bzw. Entladen der Kapazität Cc mittels des ersten Stromspiegels 210 und des zweiten Stromspiegels 220 kann der zweite Regelkreis für eine kleine Zeitkonstante ausgelegt werden. Vorteilhafterweise ist die Zeitkonstante des zweiten Regelkreises jedoch größer als die Zeitkonstante des ersten Regelkreises. Im erreichten Gleichgewichtszustand sind sowohl der Ausgangsstrom Iout des Spannungsreglers 1 als auch der Strom I1 durch die Verstärkerschaltung 100 erhöht. Durch die Erhöhung des Stromes I1 durch die Verstärkerschaltung 100 wird die Steilheit der Verstärkerschaltung 100 deutlich erhöht. Zugleich wird erreicht, dass bei kleinen Ausgangsströmen Iout – beispielsweise im Stand-By-Betrieb – auch der Stromverbrauch der Verstärkerschaltung 100 und damit der Stromverbrauch des Spannungsreglers 1 insgesamt deutlich reduziert ist. Der Stromverbrauch des Spannungsreglers 1 ist somit dynamisch an den Strombedarf am Spannungsreglerausgang 300 angepasst.
-
In der Abbildung der 2 ist eine weitere Ausführungsform eines Spannungsreglers 1 mittels eines schematischen Schaltplans schematisch dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Abbildung der 1 erläutert. Eine Beschaltung eines Spannungsreglerausgangs 300 und ein Ausgangsstromverstärker 400 sind gegenüber der Ausführungsform der 1 unverändert. Hingegen weist eine Verstärkerschaltung 100 als Steuertransistor 130 einen NMOS-Feldeffekttransistor Mns auf. Der Steuertransistor Mns ist dabei in Drainschaltung (Sourcefolger) angeschlossen und wirkt daher als gesteuerte Spannungsquelle. Die Spannung am Sourceanschluss des Steuertransistors 130, Mns und somit am Verbindungsknoten 123 ist daher um die Thresholdspannung des Steuertransistors Mns niedriger als die Steuerspannung (Gatespannung) am Steuereingang 131 des Steuertransistors Mns.
-
Der erste Regelkreis funktioniert ähnlich der Ausführungsform der 1. Hingegen weist der zweite Regelkreis in der Ausführungsform der 2 den NMOS-Feldeffekttransistor Mns als Steuertransistor 130 auf. Geändert sind ebenfalls der erste Stromspiegel 210 mit den Transistoren Mn11 und Mn19 und der zweite Stromspiegel 220 mit den Transistoren Mp21 und Mp29. Im Gegensatz zur Ausführungsform der 1 entlädt hier der Ausgangsstrom I3A' des ersten Stromspiegels 210 die Kapazität Cc und der Ausgangsstrom I3B' des zweiten Stromspiegels 220 lädt die Kapazität Cc. Wird in der Ausführungsform der 2 aufgrund des Abfalls der Gegenkopplungsspannung Vfb der Strom I1B durch den zweiten Zweig 120 erhöht, wird mittels des weiteren Stromspiegels aus den Transistoren Mn31 und Mn39 der Strom I3B proportional erhöht, so dass mittels des zweiten Stromspiegels 200 auch der Ausgangsstrom I3b' des zweiten Stromspiegels 220 erhöht und die Kapazität Cc geladen wird. In der Ausführungsform der 2 weisen der weitere Stromspiegel mit den Transistoren Mn31 und Mn39 und der zweite Stromspiegel 220 jeweils ein Spiegelverhältnis von 1:1 auf.
-
Durch das Laden der Kapazität Cd wird in der Ausführungsform der 1 die Steuerspannung am Steuereingang 131 erhöht, so dass ebenfalls die Spannung am Verbindungsknoten 123 erhöht wird. Mit der Erhöhung der Spannung am Verbindungsknoten 123 wird die Gate-Source-Spannung am ersten Eingangstransistor Mp1 erhöht, so dass der Strom I1A durch den ersten Zweig 110 signifikant erhöht wird, so dass auch der Ausgangsstrom I3A' am Ausgang 219 des ersten Stromspiegels 210 erhöht wird. Der Ausgangsstrom I3A' am Ausgang 219 des ersten Stromspiegels 210 wird dabei solange erhöht, bis dieser dem Ausgangsstrom I3B' des zweiten Stromspiegels 220 entspricht, so dass der Ladevorgang der Kapazität Cc beendet wird.
-
Gegenüber der Ausführungsform der 1 weist die Ausführungsform der 2 den Vorteil auf, dass der Strom I1 durch die Verstärkerschaltung 100 nicht durch eine Stromquelle begrenzt ist. Hierdurch kann kurzzeitig ein sehr viel höherer Strom zum Ausregeln von Lastschwankungen zur Verfügung gestellt werden.
-
In der Abbildung der 3 ist eine weitere Ausführungsform eines Spannungsreglers 1 mittels eines Schaltplans schematisch dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Abbildung der 2 erläutert. Eine Beschaltung eines Spannungsreglerausgangs 300 und ein Ausgangsstromverstärker 400 sind gegenüber der Ausführungsform der 2 unverändert. Ebenfalls weist eine Verstärkerschaltung 100 als Steuertransistor 130 einen NMOS-Feldeffekttransistor Mns in Drainschaltung auf.
-
Ein erster Regelkreis funktioniert ähnlich der Ausführungsform der 2. Hingegen weist ein zweiter Regelkreis in der Ausführungsform der 3 einen weiteren Transistor Mn12 auf, der mit dem Transistor Mn11 des ersten Stromspiegels 210 einen weiteren Stromspiegel bildet. Der Strom durch den Transistor Mn12 wird von dem Strom I1B durch den zweiten Zweig 120 abgezogen, so dass durch den Transistor Mn31 entsprechend die Stromdifferenz fließt. Der Transistor Mn12 bewirkt eine Erhöhung der Steilheit des Spannungsreglers 1, wenn die Spiegelverhältnisse angepasst werden. In der Ausführungsform der Figur sind die Spiegelverhältnisse L:N:N–1 und 1:L:M und 1:X (1) schematisch dargestellt. Mögliche Werte für die Spiegelverhältnisse sind: L = 2, N = 4, M = 10 und X = 100 (2)
-
Gegenüber der Ausführungsform der 2 weist die Ausführungsform der 3 den zusätzlichen Vorteil auf, dass die Steilheit des Spannungsreglers deutlich erhöht ist und Lastschwankungen schneller ausgeregelt werden können.
-
Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsformen der 1 bis 3 beschränkt. Beispielsweise kann der Fachmann leicht einen Spannungsregler für negative Spannungen ableiten, indem die jeweilige Schaltung horizontal an der Masseleitung GND gespiegelt wird und für die Transistoren komplementäre Typen verwendet werden. Ebenfalls können anstelle der Feldeffekttransistoren Bipolartransistoren verwendet werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
