JP2001507484A - 低ドロップアウト調整器に対する周波数補償 - Google Patents
低ドロップアウト調整器に対する周波数補償Info
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Abstract
(57)【要約】
調整器の出力端子の両端に補償コンデンサと、基準電圧と出力端子における調整された出力信号から得る電圧とを比較する入力段の出力リード線とを提供することにより、低ドロップアウト電圧調整器が考えられる。入力段からの出力は、出力端子に与えられる前に反転される。この反転が、補償コンデンサによるミラー補償を可能にする。
Description
【発明の詳細な説明】
低ドロップアウト調整器に対する周波数補償
発明の分野
本発明は、回路における周波数補償に関し、特に調整回路(regulato
r circuit)に関する。
発明の背景
周波数補償回路を提供することは公知である。この回路の一例は、Solom
onの「モノリシック演算増幅器:指導用研究(The Monolithic
Op Amp:A tutorial Study)」(IEEE J.So
lid−State Circuits、1974年12月)に見出される。S
olomonの論文においては、コンデンサが周波数補償を行うため演算増幅器
段の間で回路内に含まれる。1つの極が補償コンデンサにより支配され他の極が
負荷コンデンサにより支配されるように、コンデンサは回路の極を「分割」する
。極を分割することにより、より高い周波数の極が単位利得周波数より大きさを
持つ。この極分割手法は、単位利得周波数より小さな周波数において移相が18
0°より大きくなることを防止することにより、回路の安定度を維持する。
低ドロップアウト調整器、即ち入力電圧と調整出力電圧間の小さな差をもつ調
整器と、負荷を一方または両方の給電レール(supply rail)付近の
電圧まで駆動する他の回路とは、補償が困難である。このような回路は、しばし
ば負荷抵抗に対して並列の大きな負荷のコンデンサを有する。負荷コンデンサが
既知であり信頼し得るならば、このコンデンサは、回路に対する一部または全て
の周波数の補償のために使用することができる。しかし、一般に、当該コンデン
サは、問題となる低ドロップアウト調整器の特定構成要素を整合させるように特
に選択されたものでないゆえに、信頼し得ない。
大きなコンデンサが回路内に含まれる時の周波数の問題は、特に等価直列抵抗
(ESR)の影響である。例えば、電解コンデンサは、数百オームから数オーム
の範囲にわたるESRを持ち得る。対処が更に難しいのは、ESRが時間と共に
増加し得ることである。ESRはフィルタ効果を妨げないが、周波数応答に利得
のロールオフを停止し得かつ他の極が周波数応答に影響を及ぼし得る比較的高い
周波数まで帯域幅を拡げ得るゼロを誘起する。別の考慮は、利得およびループの
安定度が広範囲の抵抗負荷によって更に複雑化されることである。
あり得る抵抗性負荷と容量性負荷における変動により生じる諸問題は、コレク
タまたはドレーンの如き高い出力インピーダンス要素を含む調整器において最も
大きい。ユーザおよび潜在的ユーザに対して、出力端子と接地間の最小キャパシ
タンスが要求されること、およびこのコンデンサが特定範囲のESRを持たねば
ならないことを製品仕様書によって表示することによって、負荷キャパシタンス
が処理される。しかし、この試みは、負荷コンデンサの適切な選択をユーザに依
存する。
1つの公知の調整回路においては、演算用相互コンダクタンス増幅器(OTA
)が調整器の出力電圧から分圧器を介してその反転入力で得たフィードバック電
圧を受取る。基準電圧が、その非反転入力に接続する。OTAは、これら電圧を
比較して、出力電流を負荷へ与えてフィードバック電圧と基準電圧とを等化する
。負荷は、負荷抵抗と、その固有ESRを持つ負荷コンデンサCLと、高インピ
ーダンス負荷として現れる付加的な電流源とを含み得る。
負荷電圧を調整するため、入力において小さな電圧差があるならば、OTAが
必要な負荷電流を提供するようにOTAの相互コンダクタンス(gm)は、大き
い。OTAが内部極を持つので、単位利得周波数はこれらの極の周波数より充分
に低く置かれるべきである。このような制限が、任意の負荷コンデンサCLが比
較的大きいことを要求する。このことは、典型的にCLを負荷抵抗に対して有効
にフィルタするのに充分に大きくしたいという要求があるゆえに、通常は問題と
ならない。このとは、負荷コンデンサのESRが充分に小さい限り、妥当であり
続ける。
負荷コンデンサCLは、非常に低い周波数の極を生じて、CLの抵抗値がESR
と等しくなるまで利得が低減する。この時、応答ゼロとなり、周波数の増加に伴
って利得が低減しなくなる。ESRが分圧器からのgmと減衰係数の積の逆数よ
り大きくなるならば、このゼロの応答が所要の交差周波数(crossover
frequency)より低い周波数で生じる。従って、より高い周波数では、
OTAの妨害極(nuisance pole)がフィードバック・ループを不
安定にし得る。
負荷電圧の調整を制御する別の試みは、2つのOTAをカスケード接続して、
第1のOTAの出力と第2のOTAの入力間を接続する補償コンデンサを提供す
ることである。回路が軽い負荷が課されると、この回路は、OTAの制限利得の
積である大きな有限電圧利得を持つことになる。補償キャパシタンスを無視すれ
ば、利得は負荷コンデンサCLと、負荷抵抗RLおよび任意の内部インピーダンス
を含む第2のOTAが呈する全負荷抵抗とにより決定される周波数でロール・オ
フ(roll−off)し始める。この結果は、極が多くなるほど複雑化され、
その最たるものは第1のOTAの出力に存在する。これは、第1のOTAの出力
と第2のOTAの入力キャパシタンスとにおける避けられないキャパシタンスに
よる。2つのOTAが類似のものであるならば、2つの極の周波数は相互に近く
、このため回路に40dB/10進ロール・オフと限界安定度を持たせる。
負荷コンデンサCLおよびその固有ESRについての不確定性に対処するため
、補償コンデンサCCを第1のOTAの出力と回路の出力間に置いてもよい。負
荷コンデンサCLが存在しない場合、補償コンデンサCCは、他の極が応答に影響
を及ぼす周波数より低い単位利得周波数を生じるように選定することができる。
しかし、負荷コンデンサCLが大きければ、このコンデンサが応答を支配し、他
のある極が現れる前に利得をロール・オフし得る。
カスケード接続OTAは、局所フィードバック・ループに用いられる時、それ
ぞれ極を有し、かつそれぞれ安定なループを要求する。この問題は、入力セクシ
ョンと出力装置とが異なる給電レールに接続される低ドロップアウト調整器(l
ow drop−out regulator)において非常に大きな問題とな
る。これらの調整器は、先に触れた回路について述べたように容易には解決され
ない問題を有する。
入力段が接地の如き1つの給電レールと呼ばれ、出力段が他の給電レールと呼
ばれる1つの形式の正の低ドロップアウト調整器においては、出力段は、給電レ
ールと負荷間に接続されたPNPまたはPFETの如きP−タイプのトランジス
タを含み得る。このP−タイプのトランジスタは、制御電極に対して負である駆
動フルーリング(drive pulling)に応答して、調整器に負荷を正
に引かせる(pull)。制御電極に対する制御信号は、OTAの出力から制御
信号を受取るN−タイプのトランジスタにより与えられる。この出力信号は、非
反転入力リード線における基準電圧と反転入力における出力信号に基く電圧との
間の差に基いている。
発明の概要
本発明は、完全に周波数補償される調整回路である。本発明によれば、電圧調
整器は、基準電圧と出力電圧から生じる入力電圧とを比較するための入力段を有
する。この入力段はまた電圧における差を増幅して、増幅されたエラー信号を生
じる。この入力段は、増幅されたエラー信号を反転させるインバータに接続され
る。電圧調整器の出力段は、反転信号に応答して出力に調整信号を生じるために
インバータに接続される。補償コンデンサが、回路の出力と入力段の出力間に接
続される。望ましくは、電圧調整回路は、給電レールの一方または両方に接近す
る出力信号を有し、かつ負荷コンデンサによる負荷を有する。補償コンデンサは
、システムにおける他の極が180°より大きな移相を生じる前に、利得が単位
利得周波数に近づくように極を有効に分割するように配置される。
望ましい実施の形態においては、入力段は、1つのトランジスタのドレーンと
コレクタに出力を有する差動トランジスタ対を含んでいる。インバータは、フィ
ードバック抵抗と等価の入力抵抗とを含むフィードバック・ループを有する単位
利得増幅器である。入力抵抗は、差動トランジスタ対の1つのトランジスタのコ
レクタまたはドレーンに接続されている。
出力段は、ベースまたはゲートが反転信号に接続されかつコレクタまたはドレ
ーンがP−タイプ・トランジスタのベースまたはゲートに接続されたN−タイプ
のトランジスタを含むことが望ましい。P−タイプ・トランジスタは、エミッタ
またはソースが給電レールに接続される。負荷は、負荷コンデンサと並列の負荷
抵抗を含んでいる。負荷は、負荷抵抗と負荷コンデンサと並列の高インピーダン
スの電流源を含む。
入力段と出力段間のインバータは、補償コンデンサが出力端子と比較段からの
出力の間に接続される。カスコード接続の如き別の特徴を加えることもできる。
本発明による調整器は、適切なESRによる適切なキャパシタンスを生じるよう
に、ユーザに依存することなく安定化させられる。
他の特徴および利点については、以降の詳細な記述を図面に関して参照すれば
、明らかになるであろう。
図面の簡単な説明
図1は、本発明による電圧調整器の概略図、
図2は、図1に示した形式の電圧調整器の更に詳細な図である。
詳細な記述
本発明は、完全に周波数補償される調整回路である。本発明は、電圧調整器に
おいて有効であり、特に、高インピーダンス出力段を持ち、調整器段が異なる給
電レールに対する接続段である時、低ドロップアウト電圧調整器において有効で
ある。本発明の低ドロップアウト電圧調整回路は、負荷コンデンサの正確な選定
に依存することなく、安定性を維持するように周波数補償される。このような補
償を得るのは、入力段の出力信号と調整器の出力とである。本発明の調整器につ
いて次に詳細に記述する。
図1において、低ドロップアウト調整器10が、差動入力段12と、反転段3
0と、出力段40とを有する。調整器10の目的は、入力電圧を受取り、負荷に
対して出力端子OUTに調整された出力信号を提供することである。これら要素
の接続および動作については、周波数補償を行う方法と共に記述する。
調整器10は、エラー検出のための演算用相互コンダクタンス増幅器(OTA
)14を有する差動入力段12を有する。基準電圧16が、OTA14の反転入
力へ入力される。OTAに対する非反転入力の入力電圧信号は、特に、抵抗R1
およびR2からなる分圧器18を介して調整器の出力における出力信号から得ら
れる。非反転入力における電圧は、下式により決定される。即ち、
V+=VOUT(R2/(R1+R2))
OTA14に対する電圧入力間の差は、入力段12の出力である線22に与え
られるエラー信号を生じる結果となる。
反転段30は、エラー信号を受取って反転させるものである。反転段30は、
演算増幅器(OPAMP)32と、入力抵抗R1と、フィードバック抵抗RFと
含むことが望ましい。OPAMP32の非反転入力は接地し、反転入力はRIと
RF間のノードにおけるエラー信号に接続する。反転段30がその周波数応答を
ループへ誘起するので、反転段30は、その極が単位利得周波数よりはるかに高く
なるように非常に広い帯域幅を有する。この帯域幅はまた、主として1/gmと
並列の負荷コンデンサCLである第2段のループに形成される寄生極(para
stie pole)より高い。その結果、OPAMP32は単位利得を持つこ
とが望ましく、従ってRI=RFである。必要に応じて、反転段30は、ある利
得を提供できる。反転されたエラー信号は、反転段30の出力における線34に
与えられる。
出力段40は、反転されたエラー信号を制御信号として受取り、調整用出力信
号を生じる。図1に示されるバイポーラ実施形態においては、出力段が、ベース
が出力反転段30に接続された42で示されるNPNトランジスタQ2を含むこ
とが望ましい。トランジスタ42のコレクタは抵抗R3を介して給電レール44
に接続され、かつ抵抗R4を介して46で示されるPNPトランジスタQ1の制
御リード線に接続されている。トランジスタ42のエミッタは、接地されている
。
PNPトランジスタ46のエミッタは、給電レール44に接続されている。P
NPトランジスタ46のコレクタは、調整器10の出力に接続されている。負荷
47は、負荷抵抗RLと、固有ESRを持ち、REとして示される負荷コンデンサ
CLと、電流シンクILとを並列に含んでいる。
補償コンデンサCCは、OTA14の出力に接続する線50と、調整器の出力
48に接続する線とにある(図2に更に詳細に示されるように、補償コンデンサ
は、実際に差動トランジスタ対とバッファ間でOTAにおいて接続される)。コ
ンデンサCCの目的は、OTA14と関連する第1の極がコンデンサCCにより支
配される、かつ第2の極が負荷コンデンサCLにより支配されるように、極を分
割することである。比較的低い周波数においては、負荷コンデンサCLが、利得
にロール・オフを開始させる。更に増加した周波数では、補償コンデンサCCが
更に確実に出力48と線22におけるOTA14の出力とを接続する。補償コン
デンサは、極を寄生キャパシタンスから抑制して、このような寄生キャパシタン
スからの不安定化極(destabilizing pole)より低い周波数
でクロス ユニテイ(cross unity)させる。
図1に示した当該回路においては、線22上のOTA14の出力の電圧はG(
V+−Vref)であり、ここでGはOTA14の開ループ利得である。RI=RF
であるから、OPAMP32の利得は−1であり、このため、線34上の反転エ
ラー信号はG(Vref−V+)である。V+がVrefより充分な量だけ小さければ、
反転出力は正となり、トランジスタQ2をターンオンさせる。トランジスタQ2
のこの付勢は、PNPトランジスタQ1のベースを接地に引寄せ、これによりト
ランジスタQ1をターンオンさせて負荷を更に正に引寄せて出力48を調整する
。
図2は、図1に示した回路の更に詳細な図である。図2において、基準電圧が
入力Vrefへ印加され、エラー・フィードバックが差動入力段51の入力Vinへ
印加される。入力段51は、トランジスタQ3〜Q8を含む。差動段トランジス
タQ3〜Q6により生じる差動出力信号V0は、トランジスタQ7およびQ8に
よりバッファされ、これがトランジスタQ8のエミッタであるノード62にバッ
ファされた入力段出力信号を与える。(入力段の出力は、ノード60またはノー
ド61のいずれかの信号を指し得る)。
抵抗R5=R6と、トランジスタQ9〜Q11およびQ14〜Q15とを含む
インバータ段52では、バッファされた入力段の出力信号を受取り、反転し、バ
ッファする。トランジスタQ9と抵抗R5、R6は、入力信号を反転させ、この
反転された信号をダーリントン・フォロワ・トランジスタ対Q15、Q11を含
むバッファへ与える。バッファされた反転信号は、トランジスタQ12のベース
へ与えられる。
トランジスタQ10は、トランジスタQ11をバイアスする負荷感応電流源で
ある。トランジスタQ9およびQ10のベースが一緒に接続されるので、トラン
ジスタQ9のベースに対する信号が変化すると、このトランジスタはトランジス
タQ10のベースにおいて対応する変化を生じる。このため、トランジスタQ1
0は、必要に応じてR6に対して電流の変化を与え、従って、トランジスタQ1
1は抵抗R6に電流を与えるように変動する必要がない。その結果、トランジス
タQ11は、トランジスタQ10が定常電流源である場合におけるよりも更に理
想的なバッファとして働く。この場合、トランジスタQ9のベースにおける増加
がトランジスタQ11に更なる電流を抵抗R6へ与えさせることになる。従って
、トランジスタQ11は、あり得る変動を許容するため大きな電流源となる。
トランジスタQ12は、そのコレクタにPNPトランジスタQ13に対する制
御信号を与えるように反転信号により制御されるNPNトランジスタである。ト
ランジスタQ13は、VinがVrefより小さい時に調整器の出力を更に正に引寄
せ、Vinは抵抗R7およびR8を含む分圧器を介して48における出力信号から
得られることが望ましい。
補償コンデンサCCは、48における出力からトランジスタQ7のベースにお
けるノード60へ接続され、先に述べた如き機能を供する。
本発明の望ましい実施の形態について述べたが、請求の範囲により定義される
如き本発明の範囲から逸脱することなく、他の変更が可能なことは明らかである
。本文に用いられた用語および表現は、表現の用語として用いられ、限定のため
に用いられたものではない。かかる用語や表現の使用には、本文に示し記述した
特徴の相等内容あるいはその部分を排除する意図はなく、種々の変更が本発明の
範囲内で可能であることが認識されよう。
【手続補正書】特許法第184条の8第1項
【提出日】平成9年4月17日(1997.4.17)
【補正内容】
請求の範囲
1.入力電圧信号と基準電圧信号(VREF)とを受取り入力段出力信号(22
)を与える入力段(14)を持ち、該入力段出力信号が入力電圧信号と基準電圧
間の差に基き、該入力電圧信号が出力端子における調整された出力信号から得ら
れる、出力端子(OUT)に調整された出力信号を与える低ドロップアウト電圧
調整器において、
前記入力段(14)に接続されて、入力段出力信号を反転させて反転された出
力信号(34)を与える反転段(30)と、
前記反転された出力信号に応答して調整された出力信号を与える出力段(40
)と、
入力段出力信号と調整された出力信号間に接続されたコンデンサ(CC)とを
備える調整器。
2.前記出力段が、制御端子で反転された出力信号を受取る駆動トランジスタ(
Q2)と、制御端子と前記調整された出力信号に接続された手段とを有する通過
トランジスタ(Q1)とを含む請求項1記載の調整器。
3.前記駆動トランジスタがn−タイプ・トランジスタであり、前記通過トラン
ジスタがp−タイプ・トランジスタである請求項2記載の調整器。
4.前記反転段が、制御入力と、該制御入力と前記入力段出力の入力間の第1の
抵抗(R5)と、前記制御入力と前記出力段に対する入力間の第2の抵抗(R6
)とを含む請求項1ないし3のいずれか一つに記載の調整器。
5.等価の抵抗値とインバータを持つ前記第1および第2の抵抗が単位利得を有
する請求項4記載の調整器。
6.前記反転段が、負荷感応電流源と、前記インバータ出力信号をバッファする
バッファとを含み、前記負荷感応電流源が前記バッファに接続された請求項1な
いし5のいずれか一つに記載の調整器。
7.前記反転段が、入力段の出力信号を反転する第1のトランジスタを含み、前
記負荷感応電流源が第2のトランジスタを含み、前記第1および第2のトランジ
スタの制御端子が前記第1の抵抗を介して前記入力段出力信号を受取るように一
緒に接続される請求項6記載の調整器。
8.前記バッファが、前記第1のトランジスタに接続された制御端子と前記第2
のトランジスタに接続された出力とを有するダーリントン・トランジスタ対を含
む請求項7記載の調整器。
9.前記第1および第2のトランジスタの制御部と前記バッファの出力間に接続
された第2の抵抗を更に含む請求項8記載の調整器。
10.前記調整器が調整された出力信号と入力段間に分圧器(R1、R2)を含
み、前記入力信号が前記分圧器を介して調整された出力信号から得られる請求項
1ないし9のいずれか一つに記載の調整器。
11.前記入力段が、前記基準電圧信号を受取る反転入力と前記入力電圧信号を
受取る非反転入力とを有する請求項1ないし10のいずれか一つに記載の調整器
。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 ブロコー,エイ・ポール
アメリカ合衆国マサチューセッツ州01803,
バーリントン,メイコン・ロード 81
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.出力端子に調整された出力信号を与える調整器において、 入力電圧信号と基準電圧信号とを受取り、入力段出力信号を与える入力段であ って、入力段出力信号が入力電圧信号と基準電圧信号間の差に基き、入力電圧信 号が出力端子における調整された出力信号から得られる入力段と、 前記入力段に接続され、入力段出力信号を反転させて、インバータ出力信号を 与える反転段と、 前記インバータ出力信号に応答して、調整された出力信号を与える出力段と、 入力段出力と調整された出力信号間に接続されたコンデンサと を備える調整器。 2.前記反転段が単位利得を有する請求項1記載の調整器。 3.前記入力段が、差動トランジスタ対とバッファとを含む請求項1記載の調整 器。 4.前記出力段が、制御部でインバータ出力信号を受取るN−タイプ・トランジ スタと、制御部と及び調整された出力信号に接続された手段とを有するP−タイ プ・トランジスタとを含む請求項1記載の調整器。 5.前記調整器が、調整された出力信号と入力段との間の分圧器を含み、前記入 力信号が、調整された出力信号から前記分圧器を介して得られる請求項1記載の 調整器。 6.前記反転段が、制御入力を持つトランジスタと、前記制御入力と入力段の出 入力間の第1の抵抗と、前記制御入力と前記出力段に対する入力との間の第2の 抵抗とを含む請求項1記載の調整器。 7.前記第1および第2の抵抗が等価の抵抗値を有する請求項6記載の調整器。 8.前記反転段が、負荷感応電流源と、前記インバータ出力信号をバッファする バッファとを含み、前記負荷感応電流源が前記バッファに接続された請求項1記 載の調整器。 9.前記反転段が、入力段の出力信号を反転する第1のトランジスタを含み、前 記負荷感応電流源が第2のトランジスタを含み、前記第1および第2のトランジ スタの制御部が一緒に第1の抵抗を介して前記入力段出力信号を受取るように接 続される請求項8記載の調整器。 10.前記バッファが、前記第1のトランジスタに接続された制御部と前記第2 のトランジスタに接続された出力とを有するダーリントン・フォロワ・トランジ スタ対を含む請求項9記載の調整器。 11.前記第1および第2のトランジスタの制御部と前記バッファの出力との間 に接続された第2の抵抗を更に含む請求項9記載の調整器。 12.調整された出力信号を出力に与える低ドロップアウト電圧調整器において 、 調整された出力電圧から入力信号を生じる手段と、 入力電圧と基準電圧とを比較して、前記入力電圧と入力段出力における基準電 圧との間の差に基くエラー信号を入力段出力において与える第1の給電レール手 段と、 前記エラー信号を反転させる手段と、 前記反転信号を受取り前記調整された出力信号を与える第2の給電レール手段 と、 前記入力段出力と前記調整された出力信号とに接続されて調整器を補償するコ ンデンサと を備える電圧調整器。 13.前記反転手段が単位利得で反転する請求項12記載の調整器。 14.前記反転手段が、前記エラー信号を受取る制御入力を持つトランジスタを 含む請求項12記載の調整器。 15.前記入力信号を生じる手段が分圧器を含む請求項12記載の調整器。 16.前記反転手段が、負荷感応電流源と、前記エラー信号をバッファするバッ ファと含み、前記負荷感応電流源が前記バッファに接続された請求項12記載の 調整器。 17.前記反転手段が、エラー信号を反転する第1のトランジスタを含み、前記 負荷感応電流源が第2のトランジスタを含み、前記第1および第2のトランジス タの制御部が一緒に第1の抵抗を介してエラー信号を受取るように接続された請 求項16記載の調整器。 18.前記バッファが、制御部が前記第1のトランジスタに接続され出力が前記 第2のトランジスタに接続されたダーリントン・フォロワ・トランジスタ対を含 む請求項17記載の調整器。 19.前記第1および第2のトランジスタの制御部と前記バッファの出力との間 に接続された第2の抵抗を更に備える請求項16記載の調整器。
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