DE102019135535A1

DE102019135535A1 - Vorrichtung zum Bereitstellen einer geregelten Ausgangsspannung, Verwendung, Chip und Verfahren

Info

Publication number: DE102019135535A1
Application number: DE102019135535.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Grewing
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2021-06-24
Also published as: EP4078325A1; WO2021121926A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (22) zum Bereitstellen einer geregelten Versorgungsspannung (VREG) aus einer ungeregelten Spannung (VE), umfassend eine Spannungsregelungsschaltung (1), wobei eine zu der Spannungsregelungsschaltung (1) parallel geschaltete Diode (20, 21) vorgesehen ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung die Verwendung einer solchen Vorrichtung (22), einen Chip (28) mit integrierten Schaltkreisen und ein Verfahren zum Bereitstellen einer geregelten Versorgungsspannung (VREG) aus einer ungeregelten Spannung (VE).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer geregelten Ausgangsspannung aus einer ungeregelten Spannung, umfassend eine Spannungsregelungsschaltung. Darüber hinaus betrifft die Erfindung die Verwendung einer solchen Vorrichtung, einen Chip mit integrierten Schaltkreisen und ein Verfahren zum Bereitstellen einer geregelten Versorgungsspannung aus einer ungeregelten Spannung.
Elektrische Schaltungen benötigen für den Betrieb Versorgungsspannungen (im Englischen auch als supply voltage bzw. kurz supply bezeichnet). Die Spannungshöhe richtet sich dabei nach den Anforderungen der Schaltungen, während die zur Verfügung stehenden Spannungen jedoch teilweise variieren. Daher kommen Vorrichtungen zur Spannungsregelung zum Einsatz, die aus einer zur Verfügung stehenden Spannung, insbesondere mittels einer Referenzspannung, die Versorgungsspannung generieren. Eine solche Vorrichtung kann beispielsweise einen Spannungsdifferenzverstärker, insbesondere Operationsversstärker, und einen Transistor, über den die Versorgungsspannung nierderohmig generiert wird, umfassen. Teilweise kommt auch ein Spannungsteiler zum Einsatz, um die generierte Versorgungsspannung auf die Referenzspannung herunterzusetzen.
Bezüglich Chips mit integrierten Schaltungen bzw. Schaltkreisen besteht oftmals die Anforderung, dass innerhalb eines Chips unterschiedliche Spannungen benötigt werden, z.B. einerseits für Interface-Schaltungen und andererseits für Schaltungen mit Core Transistoren.
Eine wichtige Eigenschaft von Vorrichtungen zur Spannungsregelung ist die Störungsfreiheit der geregelten Spannung. Dabei gilt es sowohl Störungen auf der Versorgungsspannung zu unterdrücken als auch Laststromänderungen auszugleichen. Eine wesentliche Größe eines Spannungsreglers ist die sogenannte Power Supply Rejection Ratio, die kurz als PSRR bezeichnet wird. Diese Größe gibt an, wie stark Eingangsspannungsänderungen auf der Ausgangsspannung unterdrückt werden können. Im Deutschen ist für die PSRR auch die Bezeichnung Betriebs- bzw. Eingangsspannungsunterdrückung üblich. Es sei angemerkt, dass im Deutschen auch der Begriff Versorgungsspannungsunterdrückung verwendet wird. Da vorliegend die Ausgangsspannung einer Vorrichtung zur Spannungsregelung als Versorgungsspannung bezeichnet wird, wird der Begriff Versorgungsspannungsunterdrückung bewusst nicht verwendet.
Um die bereitzustellende Versorgungsspannung möglichst genau regeln können, benötigen Vorrichtungen für die Spannungsregelung üblicher Weise eine hohe Verstärkung. Andererseits wäre eine große Bandbreite vorteilhaft, damit eine breitbandige PSRR erzielt werden kann. Gängige Operationsverstärker haben aber eine begrenzte Bandbreite von häufig nur unter 100 MHz. Eine (ausreichende) Unterdrückung von Eingangsspannungsänderungen erfolgt mit anderen Worten nur über einen begrenzten Frequenzbereich von.
Es ist bekannt, die Bandbreite der PSRR mithilfe einer Stützkapazität zu verbessern. Außerdem kann versucht werden, die Regelung breitbandiger zu machen, indem parallele Regelpfade implementiert werden. Diese weisen dann üblicher Weise einen niederfrequenten und einen hochfrequenten Regelpfad auf. Eine entsprechende Vorrichtung geht beispielsweise aus der US 2009/0085534 A1 hervor. Um gezielt die PSRR zu verbessern, können Störungen auch direkt geregelt werden, wie es beispielsweise in der US 2007/126329 A1 offenbart ist. Die US 2013/0307506 A1 und die CN 109189137 A zeigen eine Variation des aktiven Elementes, um die Bandbreite zu verbessern
Mit den vorbekannten Lösungen sind verschiedene Nachteile verbunden. Da das Regelglied, insbesondere ein Transistor, niederohmig am Ausgang ist, werden bei Einsatz einer nachgeschalteten Stützkapazität sehr hohe Kapazitätswerte benötigt. Im Bereich der Spannungsregelung für Chips mit integrierten Schaltkreisen führt dies üblicherweise dazu, dass nur externe Kapazitäten außerhalb des Packages, also außerhalb eines den Chip umgebenden Gehäuses, genutzt werden können. Das führt wiederum dazu, dass die Anzahl der geregelten Spannungen durch die maximale Anzahl der Packagepins begrenzt ist, und die parasitären Induktivitäten des Package begrenzen die Bandbreite der PSRR. Mit einer Regelung mit geteilten Regelpfaden sind üblicher Weise die Nachteile verbunden, das zusätzlicher Platz und Leistung verbraucht wird, und die erweiterte Bandbreite dadurch auch nur um maximal 30 bis 50% erhöht werden kann.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die sich durch eine vergleichsweise hohe PSRR mit vergleichsweise großer Bandbreite auszeichnet und dabei mit vertretbarer Leistung und vertretbarem Platzbedarf auskommt.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine zu der Spannungsregelungsschaltung parallel geschaltete Diode vorgesehen ist.
Durch die erfindungsgemäße Parallelschaltung einer insbesondere herkömmlichen bzw. konventionellen Regelschaltung mit einer Diode können auf überraschend einfache Weise die Vorteile einer genauen Regelung mit einer breitbandigen PSRR kombiniert werden. Die Erfindung basiert dabei auf der Erkenntnis, dass mittels einer parallel geschalteten Diode die PSRR gerade in demjenigen Frequenzbereich verbessert werden kann, in dem die PSRR der Spannungsregelung schlecht ausfällt bzw. abfällt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dabei durch einen vertretbaren Platz- und Leistungsbedarf aus. Aufgrund des vertretbaren Platz- und Leistungsbedarf können auch mehrere Schaltungen durch separate Regler in dem Sinne voneinander getrennt werden, dass Übersprechen vermieden wird.
Mittels der Spannungsregungsschaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann dann insbesondere eine Regelung in einem ersten Frequenzbereich erfolgen. Mittels der Diode kann insbesondere in einem zweiten Frequenzbereich, in dem die PSRR der Spannungsregelungsschaltung nicht (ausreichend) gut ist bzw. nicht greift, die Spannung gesetzt werden. Dabei nutzt die Erfindung, dass eine Diode sich durch eine frequenzabhängige PSRR auszeichnet, die in der Regel einen Peak bzw. ein Maximum in einem Frequenzbereich hat, in dem die PSRR konventioneller Spannungsregelungsschaltungen niedrig ausfällt bzw. auf ein Minimum abgefallen ist.
Die Spannungsregelungsschaltung, zu der erfindungsgemäß eine Diode parallel geschaltet ist, kann prinzipiell auf beliebige, insbesondere aus dem Stand der Technik vorbekannte Weise ausgebildet sein. Sie ist zweckmäßiger Weise ausgestaltet, um Spannungsänderungen der ungeregelten Spannung zu reduzieren. Dann kann sie mit anderen Worten Spannungsschwankungen auszugleichen bzw. glätten. Bevorzugt ist sie ausgebildet, um eine aktive Spannungsregelung zu realisieren. Es sei angemerkt, dass die Spannungsregelungsschaltung auch als Spannungsregelungseinrichtung bezeichnet werden kann.
Die Spannungsregelungsschaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung stellt insbesondere eine aktive Regelung dar bzw. realisiert eine solche und die Diode eine passive Schaltung.
Die Spannungsregelungsschaltung umfasst in vorteilhafter Ausgestaltung einen Verstärker. Unter einem Verstärker ist dabei jede Einrichtung zu verstehen, mittels derer eine Verstärkung einer Spannung erzielt werden kann. Unter einer Verstärkung ist dabei sowohl eine positive als auch eine negative Verstärkung, bei der die verstärkte Ausgangsspannung geringer ausfällt als die Eingangsspannung, zu verstehen.
Bei dem Verstärker der Spannungsregelungsschaltung handelt es sich bevorzugt um einen Spannungsdifferenzverstärker, besonders bevorzugt um einen Operationsverstärker. Bei Operationsverstärkern, die aus dem Stand der Technik in hinlänglicher Weise vorbekannt sind, handelt es sich üblicher Weise um Spannungsverstärker, mit denen eine differenzielle Eingangsspannung auf einen bevorzugten massenbezogenen Spannungs-Ausgang verstärkt wird. Ein Operationsverstärker kann sich durch zwei Eingänge auszeichnen, die in der Regel hochomige Spannungseingänge sind. Der Ausgang kann sich wie eine möglichst niederomige Spannungsquelle verhalten.
Es sei angemerkt, dass, auch wenn in der Regel ein Verstärker ausreichen wird, dies nicht einschränkend zu verstehen ist, sondern es ist vielmehr auch möglich ist, dass die Spannungsregelungsschaltung zwei oder mehr Verstärker umfasst, bei denen es sich dann jeweils um einen Spannungsdifferenzverstärker, bevorzugt Operationsverstärker handeln kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist zweckmäßiger Weise einen Eingang für die ungeregelte Spannung und/oder einen Ausgang für die geregelte Versorgungsspannung auf.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Spannungsregelungsschaltung ein Regelglied umfasst. Es kann ein Transistor vorgesehen sein, insbesondere ein als Regelglied dienender Transistor. Umfasst die Spannungsregelungsschaltung einen Transistor, weist dieser zweckmäßiger Weise in hinlänglich vorbekannter Weise einen Drain-, einen Gate- und einen Source-Anschluss auf.
Auch im Zusammenhang mit dem Regelglied, insbesondere Transistor gilt, dass es ausreichen kann, wenn die Spannungsregelungsschaltung einen solchen umfasst, dies jedoch nicht einschränkend zu verstehen ist, sondern diese auch mehrere, ggf. parallel geschaltete Regelglieder bzw. Transistoren umfassen kann.
Weist die Spannungsregelungsschaltung eines bzw. mehrere Regelglieder auf, gilt weiterbevorzugt, dass die Diode zu dem Regelglied bzw. den Regelgliedern parallel geschaltet ist.
Ferner kann, wenn die die Spannungsregelungsschaltung einen oder mehrere Verstärker und einen oder mehrere insbesondere als Regelglied dienende Transistoren aufweist, weiterhin bevorzugt vorgesehen sein, dass der Ausgang des bzw. wenigstens eines bzw. jedes Verstärkers mit dem Gate-Anschluss des oder zumindest eines oder jedes der Transistoren verbunden ist.
Auch kann vorgesehen sein, dass der Drain-Anschluss des oder im Falle mehrerer zumindest eines oder jedes Transistors der Spannungsregelungsschaltung mit dem Eingang der Vorrichtung verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Source-Anschluss des oder im Falle mehrerer zumindest eines oder jedes Transistors der Spannungsregelungsschaltung mit dem Ausgang der Vorrichtung verbunden sein, ggf. über einen oder mehrere Widerstände.
Als Diode, die erfindungsgemäß parallel zu der Spannungsregelungsschaltung geschaltet ist, kann insbesondere jede Komponente bzw. Einrichtung bzw. jedes elektronische Bauteil dienen, die bzw. das dazu geeignet bzw. ausgebildet und/oder eingerichtet ist, dass die Spannungspotentiale an zwei Kontakten der Komponente für einen Arbeitspunkt einen festen Potentialunterschied haben.
Die erfindungsgemäß vorgesehene, parallel zu der Spannungsregelungsschaltung geschaltete Diode ist in besonders bevorzugter Ausgestaltung durch einen als Diode verschalteten Transistor gegeben oder aber umfasst einen solchen. Die Diode kann also mit anderen Worten auch durch einen als Diode verschalteten Transistor gegeben bzw. gebildet sein. Ein als Diode verschalteter Transistor weist durch seinen Arbeitspunkt und durch seine Verschaltung einen festen Potentialunterschied zwischen zwei seiner Kontakte auf. Der Transistor weist zweckmäßiger Weise in hinlänglich vorbekannter Weise einen Drain-, einen Gate- und einen Source-Anschluss auf.
Dann ist vorteilhafter Weise der Drain-Anschluss des als Diode verschalteten Transistors mit dem Eingang der Vorrichtung verbunden. Alternativ oder zusätzlich kann der Source-Anschluss des als Diode verschalteten Transistors mit dem Ausgang der Vorrichtung verbunden sein.
Es sei angemerkt, dass die Diode auch anders ausgestaltet sein kann. So kann es sich bei dieser beispielsweise auch um eine Schottky-Diode oder eine PN-Diode handeln.
In ganz besonders bevorzugter Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung einen R-C-Kreis. Es sei angemerkt, dass ein R-C-Kreis auch als R-C-Glied bezeichnet werden kann. Ein R-C-Kreis bzw. R-C-Glied ist in an sich bekannter Weise durch eine Schaltung mit wenigstens einem Widerstand und wenigstens einem Kondensator gegeben. Der wenigstens eine Widerstand und der wenigstens eine Kondensator können dabei in Reihe geschaltet sein.
Ist ein R-C-Kreis vorgesehen, ist dieser bevorzugt parallel zu der Diode geschaltet.
Es kann sein, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung neben der zu der Spannungsregelungsschaltung parallel geschalteten Diode und einem ggf. vorhandenen weiteren parallel geschalteten Pfad, der beispielweise einen R-C-Kreis bzw. einen oder mehrere einstellbare Widerstände bzw. eine Filterschaltung umfasst oder durch einen solchen gebildet wird, keine weiteren parallelen Pfade aufweist. Mit anderen Worten kann es sein, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung nur genau einen oder nur genau zwei zu der Spannungsregelungsschaltung parallele Pfade aufweist, wobei dies optional und nicht zwingend zu verstehen ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht dann insbesondere aus einer Spannungsregelungsschaltung und einem dazu parallelen Pfad bzw. aus einer Spannungsregelungsschaltung und zwei dazu parallelen Pfaden. In ersterem Fall umfasst der eine parallele Pfad die Diode und im zweiten Fall der eine Pfad die Diode und der zweite parallele Pfad beispielsweise einen R-C-Kreis bzw. einen oder mehrere einstellbare Widerstände bzw. eine Filterschaltung. Es sei angemerkt, dass auch in diesem Falle innerhalb eines parallelen Pfades zu Komponenten auf diesem nochmals parallel geschaltete Komponenten vorhanden sein können. Beispielsweise kann eine zusätzlich zu einer parallel geschalteten Diode vorhandenen zweiter paralleler Pfad einen Widerstand umfassen, zu dem seinerseits beispielsweise eine Kapazität parallel geschaltet ist.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der R-C-Kreis wenigstens einen einstellbaren Widerstand umfasst.
Ist die Diode durch einen als Diode verschalteten Transistor gegeben bzw. umfasst sie einen solchen, gilt besonders bevorzugt, dass der R-C-Kreis parallel zu dem Gate-Anschluss des als Diode verschalteten Transistors geschaltet ist.
Es hat sich gezeigt, dass mittels eines R-C-Kreises der Frequenzbereich, in dem von der Diode Störungen unterdrückt werden, noch vergrößert werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich im Ergebnis durch eine besonders gute und breitbandige PSRR aus.
Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine insbesondere der Diode zugeordnete Filterschaltung vorgesehen.
Ist die Diode durch einen als Diode verschalteten Transistor gegeben oder umfasst einen solchen, ist die Filterschaltung bevorzugt mit dessen Gate-Anschluss verbunden. Die Filterschaltung umfasst weiterhin bevorzugt wenigstens einen Kondensator und/oder einen Weiderstand. Der Widerstand und/oder der Kondensator kann dann einseitig mit dem Gate-Anschluss des als Diode verschalteten Transistor verbunden sein. Eine Filterschaltung kann in einer einfachen Ausführung beispielsweise aus einem Tiefpass aus einem Widerstand in Serie und einem Kondensator, mit anderen Worten einer Kapazität, parallel und nach Masse bestehen. Dadurch werden Störungen besonders gut gefiltert.
Es sei angemerkt, dass, auch wenn in der Regel eine Diode ausreichen wird, dies nicht einschränkend zu verstehen ist, sondern es auch möglich ist, dass die Vorrichtung zwei oder mehr Dioden umfasst. Ist mehr als eine Diode vorgesehen, sind diese bevorzugt alle parallel zu der Spannungsregelungsschaltung geschaltet. Diese können sich dann ferner jeweils durch eines oder mehrere der Merkmale auszeichnen, die vorstehend als vorteilhaft im Zusammenhang mit der Diode beschrieben wurden.
Die Erfindung betrifft auch einen Chip, insbesondere Halbleiter-Chip, der eine oder mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen zum Bereitstellen einer geregelten Versorgungsspannung aus einer ungeregelten Spannung umfasst.
Es kann ein den Chip umgebendes Gehäuse vorgesehen sein. Dann gilt bevorzugt, dass die bzw. im Falle mehrerer wenigstens eine oder auch jede der erfindungsgemäßen Vorrichtungen innerhalb des Gehäuses des Chips angeordnet ist. Bei einem Chip-Gehäuse spricht man auch von einem Package.
Der erfindungsgemäße Chip umfasst bevorzugt in an sich bekannter Weise ein Halbleiterplättchen mit integrierten Schaltkreisen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. die erfindungsgemäßen Vorrichtungen werden dann besonders bevorzugt durch integrierte Schaltkreise des Chips gebildet bzw. umfassen solche. Es kann ferner sein, dass integrierte Schaltkreise des Chips bzw. Komponenten dieser über eine oder mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen mit Spannung versorgt werden.
Sind zwei oder mehr erfindungsgemäße Vorrichtungen vorgesehen, dient bevorzugt jede Vorrichtung der Bereitstellung einer anderen Spannung. Weiter bevorzugt kommen verschiedene der Vorrichtungen für verschiedene Komponenten bzw. integrierte Schaltungen des Chips zum Einsatz, beispielsweise wenigstens eine erfindungsgemäße Vorrichtung für eine oder mehrere Interface-Schaltungen des Chips und wenigstens eine erfindungsgemäße Vorrichtung für Schaltungen des Chips mit Core Transistoren.
Wenn eine oder mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen auf einem Chip zum Einsatz kommen, besteht der große Vorteil erzielt, dass keine externen, außerhalb des Packages angeordnete Stützkapazitäten erforderlich sind. Das Problem der Begrenzung der Anzahl geregelter Spannungen durch die maximale Anzahl der Packagepins wird somit vollständig vermieden. Darüber hinaus wird auch die Problematik umgegangen, dass parasitäre Induktivitäten des Package die Bandbreite der PSRR begrenzen.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Bereitstellen einer geregelten Versorgungsspannung aus einer ungeregelten Spannung, bei dem eine erfindungsgemäße Vorrichtung bereitgestellt wird, deren Spannungsregelungsschaltung ein Regelglied umfasst, und deren Diode durch einen als Diode verschalteten Transistor mit einem Drain-, einem Gate- und einem Source-Anschluss gegeben ist oder einen solchen umfasst, wobei der als Diode verschaltete Transistor parallel zu dem Regelglied geschaltet ist, und wobei die Vorrichtung einen einstellbaren Widerstand umfasst, der parallel zu dem Gate-Anschluss des als Diode verschalteten Transistors geschaltet ist, und bei dem ein ungeregelte Spannung an die Vorrichtung angelegt und der einstellbare Widerstand derart eingestellt wird, dass sowohl durch das Regelglied als auch durch den als Diode verschalteten Transistor ein Strom fließt.
Auch das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es insbesondere, Versorgungsspannungen so einzustellen, dass die benötigten Komponenten auf einer Halbleiter-, insbesondere Siliziumschaltung mit vertretbarem Platzbedarf und vertretbarer Leistungsaufnahme implementiert werden können, bei gleichzeitig breitbandiger Unterdrückung von Störungen.
Schließlich betrifft die Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bereitstellen einer geregelten Versorgungsspannung aus einer ungeregelten Spannung.
Hinsichtlich der Ausgestaltungen der Erfindung wird auch auf die Unteransprüche sowie auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung verwiesen.
In der Zeichnung zeigt:

1 eine vorbekannte Spannungsregelungsschaltung mit einem PMOS als Regelglied in rein schematischer Darstellung;
2 eine vorbekannte Spannungsregelungsschaltung mit einem NMOS als Regelglied in rein schematischer Darstellung;
3 einen beispielhaften Aufbau eines Operationsverstärkers in rein schematischer Darstellung;
4 einen schematischen, unskalierten Graphen mit der über der Frequenz aufgetragenen PSRR der Spannungsregelungsschaltungen aus den 1 und 2;
5 eine Diode und eine Last in rein schematischer Darstellung;
6 einen als Diode verschalteten Transistor und eine Last in rein schematischer Darstellung;
7 einen schematischen, unskalierten Graphen mit der über der Frequenz aufgetragenen PSRR der Diode aus 5 und der als Diode verschalteten Transistors aus 6;
8 eine erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in rein schematischer Darstellung;
9 eine zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in rein schematischer Darstellung;
10 eine drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in rein schematischer Darstellung;
11 eine viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in rein schematischer Darstellung;
12 einen schematischen, unskalierten Graphen mit der über der Frequenz aufgetragenen PSRR der Vorrichtungen gemäß den 8 bis 11; und
13 eine rein schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Chips.

Die 1 zeigt in rein schematischer Darstellung eine aus dem Stand der Technik vorbekannte Spannungsregelungseinrichtung bzw. Spannungsregelungsschaltung 1, die für eine Last 2 eine geregelte Versorgungsspannung VREG aus einer ungeregelten Spannung VE bereitstellt. Die konventionelle Spannungsregelungsschaltung 1 umfasst einen Operationsverstärker 3, an dessen einem, invertierten Eingang 4 eine Referenzspannung VREF anliegt.
Die Spannungsregelungseinrichtung 1 umfasst ferner einen insbesondere als Regelglied dienenden Transistor 5, mit einem Drain-Anschluss 6, einem Gate-Anschluss 7 und einem Source-Anschluss 8. Bei dem Transistor 5 handelt es sich vorliegend um einen PMOS. Der Gate-Anschluss 8 des Transistors 5 ist mit dem Ausgang 9 des Operationsverstärkers 3 verbunden. Der Drain-Anschluss 6 ist mit dem Eingang 10 der Spannungsregelungsschaltung 1, an welchem die ungeregelte Spannung VE anliegt, und der Source-Anschluss 8 mit dem Ausgang 11 der Spannungsregelungsschaltung 1 verbunden. Ebenfalls mit dem Ausgang 11 des Spannungsregelungsschaltung 1 verbunden ist der zweite, nicht invertierte Eingang 12 des Operationsverstärkers 3. Die Anordnung kann insbesondere der Verstärkung des Fehlers der Regelung dienen.
Die Last 2, welche mit der mittels der Spannungsregelungsschaltung 1 geregelten Spannung VREG versorgt wird, umfasst einen einstellbaren Widerstand 13 und eine parallel zu diesem geschaltete Kapazität in Form eines Kondensators 14. Der einstellbare Widerstand 13 und der Kondensator 14 liegen beide an der Erde 15 an. Der Last 2 nachgeschaltet ist ein weitere Kondensator 14, der ebenfalls mit der Erde 15 verbunden ist.
Die 2 zeigt ein weiteres Beispiel einer konventionellen Spannungsregelungsschaltung 1, die mit derjenigen aus 1 in weiten Teilen übereinstimmt und der ebenfalls eine Last 2 und ein mit der Erde 15 verbundener Kondensator 14 nachgeschaltet ist. Gleiche Komponenten sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der einzige Unterschied der Schaltung 1 gemäß 1 und der Schaltung 1 gemäß 2 besteht darin, dass der bei letzterer als Regelglied dienende Transistor 5 nicht durch einen PMOS sondern einen NMOS gegeben ist.
Die 3 zeigt in rein schematischer Darstellung den Aufbau der Operationsverstärker 3 der Schaltungen aus den 1 und 2. Wie man erkennt, umfasst dieser eine Differenzstufe 16 und mehrere Stromspiegel 17. Es sei angemerkt, dass der Verstärkeraufbau gemäß 3 rein beispielhaft zu verstehen ist.
Die 4 zeigt einen Graphen, in welchem - rein schematisch und ohne Skalierung - das frequenzabhängige Verhalten der Power Supply Rejection Ratio (im Folgenden kurz PSRR) der Spannungsregelungseinrichtungen 1 aus den 1 und 2 dargestellt ist. Es gilt PSRR (f) = D VE (f) / D VREG (f). Die linke mit dem Bezugszeichen 18 versehene gestrichelte Linie markiert die Bandbreite des Operationsverstärkers 3 und die rechte, mit dem Bezugszeichen 19 versehene gestrichelte Linie die Bandbreite des Transistors 5.
Wie man erkennt, ist die PSRR der Einrichtung 1 in einem ersten Frequenzbereich F₁ , der sich bis zu der Linie 18 erstreckt, gut (deutlich von Null dB verschieden) und fällt dann bis fast auf Null dB ab, um anschließend wieder anzusteigen. Es gibt somit einen zweiten Frequenzbereich F₂ , in dem die PSRR deutlich schlechter ist. Die PSRR ist mit anderen Worten nicht über den gesamten Frequenzbereich (ausreichend) gut sondern hat eine begrenzte Bandbreite.
Die 5 zeigt in rein schematischer Darstellung eine Diode 20, an welcher eine ungeregelte Spannung VE anliegt und der - in Analogie zu den 1 und 2 - ein Last 2 nachgeschaltet ist. Bei der Diode 20 kann es sich beispielsweise um eine Schottky- oder PN-Diode handeln. In 6 ist ein analoger Aufbau gezeigt, wobei die Diode hier durch einen als Diode verschalteten Transistor 21 mit einem Drain-Anschluss 6, einem Gate-Anschluss 7 und einem Source-Anschluss 8 gegeben ist und an dem Gate-Anschluss 7 eine Referenzspannung VREF anliegt.
In der 7 ist das Verhalten der PSRR der Diode 20 und des als Diode verschalteten Transistors 21 gezeigt, dies in völliger Analogie zu 4 in einem rein schematischen, unskalierten Grafen, in dem die PSRR über der Frequenz f aufgetragen ist. Wie man erkennt, liegt die PSRR in einem ersten Frequenzbereich F₁ bei Null dB und in einem zweiten Frequenzbereich F₂ deutlich von Null dB verschieden.
Die vorliegende Erfindung macht sich dies zunutze, um in Kombination mit einer Spannungsregelungsschaltung eine breitbandige PSRR zu erhalten.
Die 8 bis 11 zeigen vier Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Vorrichtungen zum Bereitstellen einer geregelten Versorgungsspannung aus einer ungeregelten Spannung.
Das erste Ausführungsbeispiel gemäß 8 umfasst eine Spannungsregelungsschaltung 1, die vorliegend mit der Spannungsregelungsschaltung 1 aus 1 übereinstimmt. Es sei betont, dass dies rein beispielhaft zu verstehen ist und die Spannungsregelungsschaltung 1 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 22 prinzipiell auch auf andere Weise ausgestaltet sein kann, etwa wie diejenige aus 2 mit einem NMOS anstatt eines PMOs, oder auch auf andere insbesondere aus dem Stand der Technik vorbekannte Weise.
Neben der Spannungsregelungsschaltung 1 umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 22 aus 8 eine Diode 20, die zu der Spannungsregelungsschaltung 1 parallel geschaltet ist. Bei der Diode 20 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 22 kann es sich beispielsweise um eine Schottky-Diode oder auch eine PN-Diode 18 handeln.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 22 kann als Diode ein als Diode verschalteter Transistor 21 zum Einsatz kommen, wie es in 9 (und auch den 10 und 11) rein schematisch dargestellt ist. Der Transistor 21 weist in an sich bekannter Weise einen Drain-Anschluss 6, einen Gate-Anschluss 7 und einen Source-Anschluss 8 auf. An dem Gate-Anschluss 7 kann in einer Ausführungsform, wie sie in 9 gezeigt ist, eine Referenzspannung VREF anliegen.
Die parallel geschaltete Diode 20 bzw. der als solche verschaltete Transistor 21 ist einerseits mit dem Eingang 10 der Spannungsregelungsschaltung 1 verbunden. Der Eingang 10 der Spannungsregelungsschaltung 1 ist wiederum mit dem nicht weiter dargestellten Eingang der Vorrichtung verbunden. Er kann diesen auch bilden. Die Diode 20 bzw. der als solche verschaltete Transistor 21 ist andererseits mit dem Ausgang 23 der Vorrichtung verbunden, mit dem auch der Ausgang 11 der Spannungsregelungsschaltung 1 verbunden ist. Die Diode 20 bzw. der als Diode verschaltete Transistor 21 ist parallel zu dem Transistor 5 der Spannungsregelungsschaltung 1 geschaltet. Dies gilt für alle vier Ausführungsbeispiele.
Durch die Parallelschaltung einer Spannungsregelungsschaltung 1 und einer Diode 20, die auch durch einen solche verschalteten Transistor 21 gegeben sein kann, können auf überraschend einfache Weise die Vorteile einer genauen Regelung mit einer breitbandigen PSRR kombiniert werden.
Die 12 veranschaulicht das Verhalten der PSRR einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Vergleich mit der PSRR der Spannungsregelungsschaltungen 1 aus den 1 und 2 (vgl. den Grafen gemäß 4) und der PSRR der in den 5 und 6 dargestellten Diode 20 bzw. des als Diode verschalteten Transistors 21 (vgl. den Grafen gemäß 7). Dabei ist in 12 die PSRR der Spannungsregelungsschaltungen 1 mit strichpunktierter Linie, die PSRR der Diode 20 und des als Diode verschalteten Transistors 21 mit gestrichelter Linie und die PSRR der Vorrichtung 22 gemäß der 10 mit durchgezogener Linie dargestellt. Es sei angemerkt, dass die PSRR von den Vorrichtungen 22 aus den 8, 10 und 11 ähnlich ist, so dass die Kurve der Vorrichtung 22 aus 9 zur Veranschaulichung aller Vorrichtungen 22 dienen kann. Auf den einzigen Unterschied wird weiter unten noch eingegangen.
Wie man sieht, kann mittels einer parallel geschalteten Diode 20, die auch durch einen als Diode verschalteten Transistor 21 gegeben sein kann, die PSRR gerade in demjenigen Frequenzbereich verbessert werden, in dem die PSRR der Spannungsregelung 1 schlecht ausfällt bzw. abfällt (vgl. die strichpunktierte Linie). Es wird in beiden Frequenzbereichen, also über alle Frequenzen eine gute PSRR erzielt.
Das in 10 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung unterscheidet sich von dem zweiten Beispiel gemäß 9 nur dadurch, dass ein R-C-Kreis 24 vorgesehen ist. Dieser ist sich zwischen dem Transistor 5 der Spannungsregelungsschaltung 1 und dem dazu parallel geschalteten als Diode verschalteten Transistor 21 angerordnet. Er ist ebenfalls parallel geschaltet, konkret zu dem Gate-Anschluss 7 des als Diode verschalteten Transistors 21. Der R-C-Kreis 24 umfasst in vorbekannter Weise einen Widerstand 25 und einen Kondensator 14. Der Widerstand 25 ist einerseits mit dem Eingang 10 der Spannungsregelungsschaltung 1 und andererseits mit dem Gate-Anschluss 7 des Transistors 21 verbunden. Der Kondensator 14 ist einerseits mit dem Gate-Anschluss 7 des Transistors 21 und andererseits der Erde 15 verbunden.
Mittels des R-C-Kreises 24 kann der Frequenzbereich, in dem von der Diode Störungen unterdrückt werden, noch vergrößert werden. Mit anderen Worten kann die Flanke 26 (siehe 12) der PSRR einer Diode 20 bzw. eines als solche verschalteten Transistors 21 in 12 weiter nach links gebracht werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 22 zeichnet sich im Ergebnis durch eine besonders gute und breitbandige PSRR aus. Es sei angemerkt, dass auch wenn mit einem R-C-Kreis 25 ein besonders vorteilhaftes Ergebnis erzielt werden kann, sich die PSRR aber auch ohne einen solchen noch nur ein gutes Verhalten über den gesamten Frequenzbereich auszeichnet. Würde die Flanke 26 in 12 etwas weiter rechts liegen, würde dies lediglich zu einem etwas niedrigeren Wert der PSRR der Vorrichtung 22 (durchgezogene Linie) in einem vergleichsweise kleinen Frequenzbereich führen.
Das vierte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 11 unterscheidet sich von derjenigen gemäß 10 nur dadurch, dass anstelle des R-C-Kreises 24 zwei einstellbare Widerstände 27 und ein Kondensator 14 vorgesehen sind. Die beiden einstellbaren Widerstände 27 die in Reihe geschaltet sind, sind dabei parallel zu dem als Diode verschalteten Transistor 21 geschaltet. Der obere einstellbare Widerstand 27 ist dabei einerseits mit dem Eingang 10 und andererseits mit dem unteren einstellbaren Widerstand 27 verschaltet. Der untere Widerstand 27 ist einerseits mit dem oberen Widerstand 27 und andererseits mit der Erde 15 verbunden. Der Kondensator 14 ist parallel zu dem unteren der beiden Widerstände 27 geschaltet.
Hier gilt für die geregelte Spannung VREG = V1 - VTH, wobei VTH die Threshold-Spannung des Transistors 21 ist und V1 diejenige Spannung, die zwischen den beiden einstellbaren Widerständen anliegt und variiert werden kann. Diese Ausgestaltung bietet somit den Vorteil, dass die geregelte Spannung nicht auf VREG = VE - VTH festgelegt ist, wie bei den Ausgestaltungen gemäß den 8 und 9.
Hier ist es ferner möglich, einen der beiden bzw. beide einstellbaren Widerstände derart einzustellen, dass durch beide Äste, konkret sowohl durch den Transistor 5 der Spannungsregelungsschaltung 1 als auch durch den als Diode verschalteten Transistor 21 ein Strom fließt.
Es sei angemerkt, dass dies ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bereitstellen einer geregelten Versorgungsspannung aus einer ungeregelten Spannung darstellt.
Diese Vorgehensweise bietet den Vorteil, dass die gegebene Spannung frei gewählt werden kann und nicht eine Diodenschwelle über der geregelten Spannung liegen muss.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit dem Vorteil der frei wählbaren Spannung ist durch eine Anordnung gemäß 11 ohne den zweiten, unteren einstellbaren Widerstand 27 und ohne die parallel dazu geschaltete Kapazität 14 gegeben.
Der zweite einstellbare Widerstand 27 und die Kapazität 14 parallel und nach Masse 15 bilden insbesondere ein Beispiel einer Filterschaltung, durch welche Störungen besonders gut gefiltert werden können.
Es sei angemerkt, dass bezüglich aller in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Vorrichtungen 22 gelten kann, dass diese neben den dargestellten Komponenten keine weiteren Komponenten aufweisen, diese mit anderen Worten aus den in den Figuren dargestellten Komponenten bestehen können.
Die Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Vorrichtungen 22 sind besonders bevorzugt - zumindest teilweise, insbesondere vollständig - jeweils Bestandteil eines Halbleiterchips.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterchips 28 ist rein schematisch in der 13 dargestellt. Dieser umfasst zwei Vorrichtungen 22, die vorliegend wie in 10 gezeigt ausgestaltet sind. Die beiden Vorrichtungen 22 sind dabei als integrierte Schaltkreise des Chips 28 realisiert. Jede der beiden Vorrichtungen 22 versorgt bei dem dargestellten Beispiel einen weiteren Schaltkreis 29, 30 oder Komponente des Chips 28 mit Spannung. Vorliegend versorgt eine der Vorrichtungen eine Interface-Schaltung 29 des Chips 28 und die andere Vorrichtung 22 eine Schaltung 20 mit Core-Transistoren. Die beiden Schaltungen 29, 30 sind - genau wie der Chip selber und die Vorrichtungen 22 - in der rein schematischen Figur nur stark vereinfacht durch Blockbildelemente angedeutet. Jede Vorrichtung 22 dient dabei der Bereitstellung einer anderen Spannung.
Es sei angemerkt, dass die 13 rein beispielhaft zu verstehen ist und natürlich auch nur eine oder auch mehr als zwei erfindungsgemäße Vorrichtungen als Bestandteil eines Chips 28 realisiert sein können. Selbstverständlich kann auch eine andere Anzahl von weiteren Schaltkreisen bzw. Komponenten eines Chips 28 versorgt werden und die Vorrichtungen 22 können anders ausgebildet sein als die in 10 gezeigte.
Der Chip 28 ist von einem in den Figuren nicht weiter dargestellten Gehäuse (auch als Package bezeichnet) umgeben und die beiden erfindungsgemäßen Vorrichtungen 22 erstrecken sich bei dem dargestellten Beispiel vollständig innerhalb des Gehäuses.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen 22 bieten den großen Vorteil, dass sie ohne externe, außerhalb des Packages angeordnete Stützkapazitäten auskommen. Das Problem der Begrenzung der Anzahl geregelter Spannungen durch die maximale Anzahl der Packagepins wird somit vollständig vermieden. Darüber hinaus wird auch die Problematik umgegangen, dass parasitäre Induktivitäten des Package die Bandbreite der PSRR begrenzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2009/0085534 A1 [0006]
US 2007126329 A1 [0006]
US 2013/0307506 A1 [0006]
CN 109189137 A [0006]

Claims

Vorrichtung (22) zum Bereitstellen einer geregelten Versorgungsspannung (VREG) aus einer ungeregelten Spannung (VE), umfassend eine Spannungsregelungsschaltung (1), dadurch gekennzeichnet, dass eine zu der Spannungsregelungsschaltung (1) parallel geschaltete Diode (20, 21) vorgesehen ist.
Vorrichtung (22) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsregelungsschaltung (1) einen Verstärker, bevorzugt einen Spannungsdifferenzverstärker, besonders bevorzugt einen Operationsverstärker (3), umfasst.
Vorrichtung (22) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsregelungsschaltung (1) ein Regelglied umfasst, insbesondere einen als Regelglied dienenden Transistor (5), der bevorzugt einen Drain- (6), einen Gate- (7) und einen Source-Anschluss (8) umfasst.
Vorrichtung (22) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode (20, 21) zu dem Regelglied, insbesondere Transistor (5) der Spannungsregelungsschaltung (1) parallel geschaltet ist.
Vorrichtung (22) nach Anspruch 2 und Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgang (9) des Verstärkers (3) der Spannungsregelungsschaltung (1) mit dem Gate-Anschuss (7) des Transistors (5) der Spannungsregelungsschaltung (1) verbunden ist.
Vorrichtung (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (22) einen Eingang (10) für die ungeregelte Spannung (VE) und/oder einen Ausgang (11) für die geregelte Versorgungsspannung (VREG) aufweist.
Vorrichtung (22) nach einem der Ansprüche 3 bis 5 und Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Drain-Anschluss (8) des Transistors (5) der Spannungsregelungsschaltung (1) mit dem Eingang (10) der Vorrichtung (22) verbunden ist, und/oder dass der Source-Anschluss des Transistors (5) der Spannungsregelungsschaltung (1) mit dem Ausgang (23) der Vorrichtung (22) verbunden ist, bevorzugt über einen oder mehrere Widerstände.
Vorrichtung (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode durch einen als Diode verschalteten Transistor (21) mit einem Drain- (6), einem Gate- (7) und einem Source-Anschluss (8) gegeben ist oder einen solchen umfasst.
Vorrichtung (22) nach Anspruch 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Drain-Anschluss (6) des als Diode verschalteten Transistors (21) mit dem Eingang (10) der Vorrichtung (22) verbunden ist, und/oder dass der Source-Anschluss (8) des als Diode verschalteten Transistors (21) mit dem Ausgang (23) der Vorrichtung verbunden ist.
Vorrichtung (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein insbesondere parallel zu der Diode (20, 21) geschalteter einstellbarer Widerstand (27) vorgesehen ist.
Vorrichtung (22) nach Anspruch 8 oder 9 und Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der einstellbare Widerstand (27) parallel zu dem Gate-Anschluss (7) des als Diode verschalteten Transistors (21) geschaltet ist.
Vorrichtung (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein insbesondere parallel zu der Diode (20, 21) geschalteter R-C-Kreis (24) vorgesehen ist.
Vorrichtung (22) nach Anspruch 8 oder 9 und Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der R-C-Kreis (24) parallel zu dem Gate-Anschluss (8) des als Diode verschalteten Transistors (21) geschaltet ist.
Vorrichtung (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Diode (20, 21) zugeordnete Filterschaltung vorgesehen ist.
Vorrichtung (22) nach Anspruch 8 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterschaltung mit dem Gate-Anschluss (8) des als Diode verschalteten Transistors (21) verbunden ist, wobei die Filterschaltung bevorzugt einen Kondensator aufweist, der einseitig mit dem Gate-Anschluss (8) verbunden ist.
Chip, insbesondere Halbleiter-Chip (28) umfassend eine oder mehrere Vorrichtungen (22) nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
Chip (28) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Chip (28) von einem Gehäuse umgeben ist und die oder wenigstens eine der Vorrichtungen (22) innerhalb des Gehäuses angeordnet ist.
Verfahren zum Bereitstellen einer geregelten Versorgungsspannung (VREG) aus einer ungeregelten Spannung (VE), bei dem eine Vorrichtung (22) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 bereitgestellt wird, deren Spannungsregelungsschaltung (1) ein Regelglied (5) umfasst, und deren Diode durch einen als Diode verschalteten Transistor (21) mit einem Drain- (6), einem Gate- (7) und einem Source-Anschluss (8) gegeben ist oder einen solchen umfasst, wobei der als Diode verschaltete Transistor (21) parallel zu dem Regelglied (5) geschaltet ist, und wobei die Vorrichtung (22) einen einstellbaren Widerstand (27) umfasst, der parallel zu dem Gate-Anschluss (8) des als Diode verschalteten Transistors (21) geschaltet ist, und bei dem ein ungeregelte Spannung (VE) an die Vorrichtung (22) angelegt und der einstellbare Widerstand (27) derart eingestellt wird, dass sowohl durch das Regelglied (5) als auch durch den als Diode verschalteten Transistor (21) ein Strom fließt.
Verwendung einer Vorrichtung (22) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 zum Bereitstellen einer geregelten Versorgungsspannung (VREG) aus einer ungeregelten Spannung (VE).