EP0973084B1 - Integrierte Schaltung mit einem Spannungsregler - Google Patents

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EP0973084B1
EP0973084B1 EP99113089A EP99113089A EP0973084B1 EP 0973084 B1 EP0973084 B1 EP 0973084B1 EP 99113089 A EP99113089 A EP 99113089A EP 99113089 A EP99113089 A EP 99113089A EP 0973084 B1 EP0973084 B1 EP 0973084B1
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EP
European Patent Office
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voltage
voltage divider
voltage regulator
integrated circuit
divider
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Christian Sichert
Rainer Bartenschlager
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Qimonda AG
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Infineon Technologies AG
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/468—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc characterised by reference voltage circuitry, e.g. soft start, remote shutdown
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/575—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices characterised by the feedback circuit

Definitions

  • the invention relates to an integrated circuit according to the preamble of claim 1.
  • an operational amplifier is used as a voltage regulator to which the actual and the setpoint are supplied.
  • the operational amplifier is followed by a switching transistor, which provides the voltage to be regulated at the output of the regulator, which is derived from a higher voltage.
  • the voltage dividing ratio of the first voltage divider and the value of the reference voltage determine the value of the regulated output voltage.
  • About the arranged between the regulated output voltage and ground voltage divider flows a leakage current, which is greater, the smaller the total resistance of the voltage divider.
  • increasing the ohmic resistance of the resistive elements of the voltage divider the sensitivity of the voltage regulator is reduced. Namely, this sensitivity depends on the RC constant, which is determined by the voltage divider and the associated input capacitance of the operational amplifier.
  • the voltage regulator has a plus input for supplying an actual value and a minus input for supplying a reference voltage as a setpoint.
  • the input for the actual value is connected to a first voltage divider, and a second voltage divider is connected in series with a switching element and can be activated and deactivated by this.
  • the invention has for its object to provide an integrated circuit of the type described, in which a sufficient sensitivity of the voltage regulator is ensured and on the other hand, the leakage current occurring is reduced.
  • a second voltage divider is connected in parallel, which has the same voltage divider ratio as the first voltage divider and which can be activated and deactivated by at least one switching element.
  • both voltage dividers have the same voltage divider ratio, the same value of the output voltage of the voltage regulator to be regulated results both when the second voltage divider is activated and when the voltage divider is deactivated, since the resulting voltage divider ratio is always constant.
  • the resistance value is different in both cases, so that in each case different RC constants result with the unchanged input capacitance of the voltage regulator and thus the sensitivity (regulating speed) the voltage regulator is changed. If the second voltage divider is deactivated and only the first voltage divider is active, the result of the relatively higher resistance value is both a lower sensitivity of the voltage regulator and a lower leakage current which flows via the voltage divider.
  • the second voltage divider is activated, the total resistance results from the parallel connection of the respective resistance elements and therefore will in any case be lower than in the previously described case, so that the sensitivity of the voltage regulator is increased due to the reduced RC constant, but at the same time the leakage current increases over the resulting voltage divider.
  • the at least one switching element which serves for activating or deactivating the second voltage divider is controlled via a mode signal which switches the switching element in a normal mode of the integrated circuit and blocks the switching element in an energy saving mode ,
  • an energy saving mode of an integrated circuit is understood to mean an operating mode in which its current consumption is significantly reduced compared to a normal operating mode. This is achieved, for example, by maintaining only certain basic functions while turning off other functions. Due to the low power consumption in the energy-saving mode, the output voltage of the voltage regulator to be regulated, which serves to supply the integrated circuit or parts thereof, is exposed to a substantially lower load than in the normal operating mode. Therefore, load changes in the energy saving mode are extremely low. For this reason, the voltage regulator in the power saving mode need not have the same sensitivity as in the normal mode. Therefore, it is unproblematic to accept higher resistance values of the first voltage divider in the energy saving mode.
  • the advantage to be achieved by the invention is greater, the greater the difference between the resistance values of the first and the second voltage divider. This is because the greatest difference in the height of the leakage current flowing in each case through the resulting voltage divider results.
  • the voltage regulator may be, for example, an operational amplifier.
  • the invention is also applicable to all other voltage regulators in which the control sensitivity depends on a voltage divider ratio.
  • FIG. 1 shown integrated circuit has an operational amplifier OP, which is fed by an external voltage V Ext .
  • a setpoint input of the operational amplifier OP is supplied with a reference voltage V Ref as the setpoint.
  • the output of the operational amplifier is connected to the control terminal of a switching transistor T in the form of a p-channel transistor.
  • the switching transistor T connects via its main current path, the external supply voltage V Ext to the first electrode of a buffer capacitor C, whose second electrode is connected to ground.
  • an internal supply voltage V int to be regulated is generated by switching the switching transistor T.
  • the internal supply voltage V Int is fed back to an actual value input of the operational amplifier OP.
  • FIG. 1 shown circuit to a second voltage divider, which is connected in parallel to the first voltage divider and having a first resistance element R1 and a second resistance element R2.
  • the second voltage divider has, between the internal supply voltage V Int and the first resistance element R1, a first switching element S1 in the form of a p-channel transistor and between the second resistance element R2 and ground a second switching element S2 in the form of an n-channel transistor.
  • the control terminals of these two switching elements S1, S2 are connected directly or via an inverter I with a mode signal EN.
  • the operating mode signal EN it is possible to simultaneously switch or block the two switching elements S1, S2. In this way, an activation of the second voltage divider in a normal mode of the integrated circuit or a deactivation of the second voltage divider in an energy saving mode.
  • the voltage dividing ratio of the first voltage divider R3, R4 coincides with the voltage dividing ratio of the second voltage divider R1, R2. Therefore, in the normal mode in which the second voltage divider R1, R2 is activated, the same resulting voltage dividing ratio results as in the power saving mode in which only the first voltage divider is effective. Thus, in both cases, the internal supply voltage V int to be regulated is regulated to the same value. However, the resistance values of the resistance elements of the first voltage divider R3, R4 are much larger than those of the second voltage divider R1, R2. Thus, in the energy saving mode, a much lower leakage current through the first voltage divider results than in the normal mode by the resulting voltage divider, which is formed by the parallel connection of the first and the second voltage divider.
  • the sensitivity of the voltage regulator in the energy saving mode is lower than in the normal mode, since the sensitivity and thus the control speed of the voltage regulator depends significantly on the RC constant, which is formed by the resistance value of the respective voltage divider and the input capacitance of the actual value input of the operational amplifier OP.
  • the input capacitance C P of the operational amplifier OP is shown in FIG. 1 for purposes of illustration.
  • the RC constant is formed by the product of the resistance value of the parallel connection of the third resistance element R3 and the fourth resistance element R4 and the input capacitance CP.
  • the normal mode it is formed by the product of the parallel connection of the resistance values of the first R1, the second R2, the third R3 and the fourth R4 resistance element and the input capacitance CP.
  • the resistance elements R1, R2, R3, R4 may be formed, for example, by field-effect transistors.
  • the buffer capacity C which serves for buffering the internal supply voltage V Int , can be formed, for example, by the input capacitances of circuit units supplied by the internal supply voltage. If these values are too low, an additional buffer capacity may be provided.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine integrierte Schaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Ein Spannungsregler zum Erzeugen einer internen Versorgungsspannung, der einen Eingang zum Zuführen eines Istwertes und einen Eingang zum Zuführen einer Referenzspannung als Sollwert aufweist, wobei der Istwert mittels eines Spannungsteilers aus der internen Versorgungsspannung erzeugt wird und wobei die Empfindlichkeit des Spannungsreglers vom Widerstandswert wenigstens eines Widerstandselements des Spannungsteilers abhängt, ist in U. Tietze, Ch. Schenk: Halbleiterschaltungstechnik, 10. Auflage, Berlin 1993 in Kapitel 18.3.3 beschrieben. Als Spannungsregler, dem der Ist- und der Sollwert zugeführt werden, kommt ein Operationsverstärker zum Einsatz. Dem Operationsverstärker ist ein Schalttransistor nachgeschaltet, der am Ausgang des Reglers die zu regelnde Spannung bereitstellt, die aus einer höheren Spannung abgeleitet wird. Das Spannungsteilerverhältnis des ersten Spannungsteilers und der Wert der Referenzspannung bestimmen den Wert der geregelten Ausgangsspannung. Über den zwischen der geregelten Ausgangsspannung und Masse angeordneten ersten Spannungsteiler fließt ein Verluststrom, der um so größer ist, je kleiner der Gesamtwiderstand des Spannungsteilers ist. Vergrößert man jedoch den ohmschen Widerstand der Widerstandselemente des Spannungsteilers, wird die Empfindlichkeit des Spannungsreglers vermindert. Diese Empfindlichkeit hängt nämlich von der RC-Konstante ab, die durch den Spannungsteiler und die damit verbundene Eingangskapazität des Operationsverstärkers bestimmt wird.
  • Aus der DE-A-31 05 198 ist eine integrierte Schaltung der eingangs genannten Art mit einem Spannungsregler zum Erzeugen einer Versorgungsspannung bekannt. Bei dieser integrierten Schaltung weist der Spannungsregler einen Plus-Eingang zum Zuführen eines Istwertes und einen Minus-Eingang zum Zuführen einer Referenzspannung als Sollwert auf. Der Eingang für den Istwert mit einem ersten Spannungsteiler verbunden ist, und ein zweiter Spannungsteiler liegt in Reihe mit einem Schaltelement und ist durch dieses aktivier- und deaktivierbar.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrierte Schaltung der eingangs geschilderten Art anzugeben, bei der eine ausreichende Empfindlichkeit des Spannungsreglers gewährleistet ist und bei der andererseits der auftretende Verluststrom reduziert ist.
  • Diese Aufgabe wird mit einer integrierten Schaltung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
  • Zu dem ersten Spannungsteiler ist also ein zweiter Spannungsteiler parallel geschaltet, der das gleiche Spannungsteilerverhältnis wie der erste Spannungsteiler aufweist und der durch wenigstens ein Schaltelement aktivierbar und deaktivierbar ist.
  • Da beide Spannungsteiler das gleiche Spannungsteilerverhältnis aufweisen, ergibt sich sowohl bei aktiviertem als auch bei deaktiviertem zweiten Spannungsteiler derselbe Wert der zu regelnden Ausgangsspannung des Spannungsreglers, denn das resultierende Spannungsteilerverhältnis ist immer konstant. Allerdings ist der Widerstandswert in beiden Fällen unterschiedlich, so dass sich mit der unveränderten Eingangskapazität des Spannungsreglers jeweils unterschiedliche RC-Konstanten ergeben und somit die Empfindlichkeit (Regelgeschwindigkeit) des Spannungsreglers verändert wird. Ist der zweite Spannungsteiler deaktiviert und nur der erste Spannungsteiler wirksam, ergibt sich aufgrund des relativ höheren Widerstandwertes sowohl eine geringere Empfindlichkeit des Spannungsreglers als auch ein geringerer Verluststrom, der über den Spannungsteiler fließt. Ist dagegen der zweite Spannungsteiler aktiviert, ergibt sich der Gesamtwiderstand aus der Parallelschaltung der jeweiligen Widerstandselemente und wird daher in jedem Fall geringer als im zuvor geschilderten Fall, so dass die Empfindlichkeit des Spannungsreglers aufgrund der verminderten RC-Konstante erhöht wird, gleichzeitig aber auch der Verluststrom über den resultierenden Spannungsteiler zunimmt. Somit ergibt sich vorteilhafterweise die Möglickeit, durch Aktivierung bzw. Deaktivierung des zweiten Spannungsteilers die integrierte Schaltung in zwei verschiedenen Betriebsarten mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten des Spannungsreglers und unterschiedlich hohen Verlustströmen zu betreiben.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, das wenigstens eine Schaltelement, das zur Aktivierung bzw. Deaktivierung des zweiten Spannungsteilers dient, über ein Betriebsartsignal zu steuern, das in einer Normalbetriebsart der integrierten Schaltung das Schaltelement leitend schaltet und das in einer Energiesparbetriebsart das Schaltelement sperrt.
  • Generell versteht man unter einer Energiesparbetriebsart einer integrierten Schaltung eine Betriebsart, in der deren Stromaufnahme deutlich gegenüber einer Normalbetriebsart reduziert ist. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, daß nur bestimmt Grundfunktionen aufrechterhalten werden, während andere Funktionen abgeschaltet werden. Durch die geringe Stromaufnahme in der Energiesparbetriebsart wird die zu regelnde Ausgangsspannung des Spannungsreglers, die zur Versorgung der integrierten Schaltung bzw. Teile derselben dient, einer wesentlich geringeren Belastung ausgesetzt als in der Normalbetriebsart. Daher sind auch Belastungsänderungen in der Energiesparbetriebsart äußerst gering. Aus diesem Grund muß der Spannungsregler in der Energiesparbetriebsart nicht dieselbe Empfindlichkeit aufweisen wie in der Normalbetriebsart. Daher ist es unproblematisch, in der Energiesparbetriebsart höhere Widerstandswerte des ersten Spannungsteilers in Kauf zu nehmen. Diese höheren Widerstandswerte bewirken, daß in der Energiesparbetriebsart auch der durch den Spannungsregler verursachte Verluststrom bedeutend geringer ist als in der Normalbetriebsart. Umgekehrt weist der Spannungsregler in der Normalbetriebsart durch Aktivierung des zweiten Spannungsteilers die für die dort auftretenden höheren Strombelastungen der geregelten internen Versorgungsspannung undden stärkeren Belastungswechseln notwendige höhere Empfindlichkeit auf, die sich in einer höheren Regelgeschwindigkeit äußert.
  • Der durch die Erfindung zu erzielende Vorteil ist um so größer, je größer der Unterschied zwischen den Widerstandswerten des ersten und des zweiten Spannungsteilers ist. Dann ergibt sich nämlich der größte Unterschied in der Höhe des jeweils durch den resultierenden Spannungsteiler fließenden Verluststroms.
  • Der Spannungsregler kann beispielsweise ein Operationsverstärker sein. Die Erfindung ist jedoch auch auf alle anderen Spannungsregler anwendbar, bei denen die Regelempfindlichkeit von einem Spannungsteilerverhältnis abhängt.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand der einzigen Figur 1 näher erläutert, die ein Ausführungsbeispiel zeigt.
  • Die in Figur 1 dargestellte integrierte Schaltung weist einen Operationsverstärker OP auf, der von einer externen Spannung VExt gespeist wird. Einem Sollwerteingang des Operationsverstärkers OP wird eine Referenzspannung VRef als Sollwert zugeführt. Der Ausgang des Operationsverstärkers ist mit dem Steueranschluß eines Schalttransistors T in Form eines p-Kanal-Transistors verbunden. Der Schalttransistor T verbindet über seinen Hauptstrompfad die externe Versorgungsspannung VExt mit der ersten Elektrode eines Pufferkondensators C, dessen zweite Elektrode mit Masse verbunden ist. An der ersten Elektrode des Kondensators C wird durch Schalten des Schalttransistors T eine zu regelnde interne Versorgungsspannung VInt erzeugt. Um den Regelkreis zu schließen, ist die interne Versorgungsspannung VInt auf einen Istwerteingang des Operationsverstärkers OP rückgekoppelt. Dies geschieht mittels eines zwischen der internen Versorgungsspannung VInt und Masse angeordneten ersten Spannungsteilers aus einem dritten Widerstandselement R3 und einem vierten Widerstandselement R4. Ein Schaltungsknoten A, der zwischen dem dritten R3 und dem vierten R4 Widerstandselement angeordnet ist, ist mit dem Istwerteingang des Operationsverstärkers OP verbunden.
  • Weiterhin weist die in Figur 1 gezeigte Schaltung einen zweiten Spannungsteiler auf, der dem ersten Spannungsteiler parallel geschaltet ist und ein erstes Widerstandselement R1 und ein zweites Widerstandselement R2 aufweist. Der zweite Spannungsteiler weist zwischen der internen Versorgungsspannung VInt und dem ersten Widerstandselement R1 ein erstes Schaltelement S1 in Form eines p-Kanal-Transistors und zwischen dem zweiten Widerstandselement R2 und Masse ein zweites Schaltelement S2 in Form eines n-Kanal-Transistors auf. Die Steueranschlüsse dieser beiden Schaltelemente S1, S2 sind direkt bzw. über einen Inverter I mit einem Betriebsartsignal EN verbunden. Mittels des Betriebsartsignals EN ist es möglich, die beiden Schaltelemente S1, S2 gleichzeitig leitend zu schalten oder zu sperren. Auf diese Weise erfolgt eine Aktivierung des zweiten Spannungsteilers in einer Normalbetriebsart der integrierten Schaltung bzw. eine Deaktivierung des zweiten Spannungsteilers in einer Energiesparbetriebsart.
  • Das Spannungsteilerverhältnis des ersten Spannungsteilers R3, R4 stimmt mit dem Spannungsteilerverhältnis des zweiten Spannungsteilers R1, R2 überein. Daher ergibt sich in der Normalbetriebsart, in der der zweite Spannungsteiler R1, R2 aktiviert ist, dasselbe resultierende Spannungsteilerverhältnis wie in der Energiesparbetriebsart, in der nur der erste Spannungsteiler wirksam ist. Somit wird in beiden Fällen die zu regelnde interne Versorgungsspannung VInt auf denselben Wert geregelt. Allerdings sind die Widerstandswerte der Widerstandselemente des ersten Spannungsteilers R3, R4 sehr viel größer als diejenigen des zweiten Spannungsteilers R1, R2. Somit ergibt sich in der Energiesparbetriebsart ein wesentlich geringerer Verluststrom durch den ersten Spannungsteiler als in der Normalbetriebsart durch den resultierenden Spannungsteiler, der durch die Parallelschaltung des ersten und des zweiten Spannungsteilers gebildet wird.
  • Gleichzeitig ist die Empfindlichkeit des Spannungsreglers in der Energiesparbetriebsart geringer als in der Normalbetriebsart, da die Empfindlichkeit und damit die Regelgeschwindigkeit des Spannungsreglers maßgeblich von der RC-Konstanten abhängt, die durch den Widerstandswert des jeweiligen Spannungsteilers und die Eingangskapazität des Istwerteingangs des Operationsverstärkers OP gebildet wird. Die Eingangskapazität CP des Operationsverstärkers OP ist in Figur 1 aus Gründen der Illustration eingezeichnet. In der Energiesparbetriebsart wird die RC-Konstante durch das Produkt des Widerstandswertes der Parallelschaltung des dritten Widerstandselementes R3 und des vierten Widerstandselementes R4 und der Eingangskapazität CP gebildet. In der Normalbetriebsart wird sie durch das Produkt aus der Parallelschaltung der Widerstandswerte des ersten R1, des zweiten R2, des dritten R3 und des vierten R4 Widerstandselementes und der Eingangskapazität CP gebildet.
  • Die Widerstandselemente R1, R2, R3, R4 können beispielsweise durch Feldeffekttransistoren gebildet sein. Die Pufferkapazität C, die zur Pufferung der internen Versorgungsspannung VInt dient, kann beispielsweise durch die Eingangskapazitäten von durch die interne Versorgungsspannung versorgten Schaltungseinheiten gebildet sein. Sollten diese zu geringe Werte aufweisen, kann eine zusätzliche Pufferkapazität vorgesehen sein.

Claims (4)

  1. Integrierte Schaltung mit einem Spannungsregler (OP) zum Erzeugen einer internen Versorgungsspannung (VInt), bei der:
    - der Spannungsregler (OP) einen Eingang zum Zuführen eines Istwertes und einen Eingang zum Zuführen einer Referenzspannung (VRef) als Sollwert aufweist,
    - der Eingang für den Istwert mit einem ersten Spannungsteilers (R3, R4) verbunden ist, an welchem die interne Versorgungsspannung (VInt) anliegt, so dass die Empfindlichkeit des Spannungsreglers (OP) vom Widerstandswert wenigstens eines Widerstandselementes (R3) des ersten Spannungsteilers abhängt, und
    - ein zweiter Spannungsteiler (R1, R2) durch eine Schalteinrichtung (S1, S2) aktivierbar und deaktivierbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - der zweite Spannungsteiler (R1, R2) zwischen einem ersten Widerstand (R1) und der internen Versorgungsspannung (VInt) ein erstes Schaltelement (S1) der Schalteinrichtung (S1, S2) und zwischen einem zweiten Widerstand (R2) und Masse ein zweites Schaltelement (S2) der Schalteinrichtung (S1, S2) aufweist,
    - die Steueranschlüsse der beiden Schaltelemente (S1 bzw. S2) direkt bzw. über einen Inverter (I) mit einem Betriebsartsignal (EN) beaufschlagbar sind, und
    - der zweite Spannungsteiler (R1, R2) das gleiche Spannungsteilerverhältnis wie der erste Spannungsteiler aufweist und zu dem ersten Spannungsteiler (R3, R4) parallel geschaltet ist.
  2. Schaltung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Betriebsartsignal (EN) in einer Normalbetriebsart der integrierten Schaltung die Schalteinrichtung leitend schaltet und diese in einer Energiesparbetriebsart sperrt.
  3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der erste Spannungsteiler (R3, R4) wesentlich hochohmiger ist als der zweite Spannungsteiler (R1, R2).
  4. Schaltung nach einem der vorstehende Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Spannungsregler (OP) einen Operationsverstärker enthält, dem der Istwert und der Sollwert zugeführt werden.
EP99113089A 1998-07-17 1999-07-06 Integrierte Schaltung mit einem Spannungsregler Expired - Lifetime EP0973084B1 (de)

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