JP2005243032A - 線形電圧調整器用の効率的な周波数補償 - Google Patents

Abstract

【課題】線形電圧調整器回路または、その特別な場合である、低ドロップアウト電圧調整器（ＬＤＯ）のための周波数補償機構を提供し、より小さな補償回路素子、ダイまたは基板領域の節約、プロセス技術のバリエーションおよび動作条件に対するより良い位相マージンおよびデザイン調整の容易さといった利点を得る。
【解決手段】１つの実施例によると、その周波数補償機構には、２つの回路、すなわち、内部ループ補償回路（２４０）および、出力分圧器（２３０）の抵抗の１つに平行な、出力における回路（２４５）、が含まれている。これらの２つの補償素子（２４０、２４５）は、相互依存しておらず、より最適な周波数補償を行うために別々に調整される。
【選択図】図２

Description

本出願には、線形および低ドロップアウト電圧調整器用の改良された周波数補償機構(scheme)およびその機構の特定の実施例が記述されている。

線形電圧調整器回路は、きれいで良好に調整された出力電圧を、より高く、ノイズのある電圧供給源から生成するのに用いられている。そのような調整器回路は、とりわけ環境にノイズのある産業／自動車の回路アプリケーション用のような、あるいは電池の電力が変動してオーディオ帯においてフレーム同期グリッチが非常に明らかとなる無線アプリケーション用のような、きれいな電圧が提供されるたいていの電気システムにおいて必要とされている。

高性能線形調整器回路は、一般に、非常に高い利得を有しているが、非常に広範囲の動作条件で安定したパフォーマンスを得るために周波数補償をする必要がある。パフォーマンスが高くて条件が広いほど、簡単な補償機構を提供して調整器を安定に保つのが困難となる。条件に含まれるのは、広範囲のドロップアウト電圧（入力供給電圧Ｖｉｎと調整された出力電圧Ｖｏｕｔとの差）、広範囲の負荷電流および多様なオフチップ容量である。また、温度変化や、特にＶｉｎをＶｏｕｔに切り替えるパストランジスタ(pass transistor)についての技術上のプロセスの不確かさもある。安定性を得るためにあらゆる種類の周波数補償機構が用いられる。例に含まれるのは、ミラー補償、入れ子のミラーループおよび低速ロールオフ補償であって、その補償の一部となる付加的なオフチップ(off-chip)またはオフダイ(off-die)負荷容量も伴う。コストおよびコンパクト性の理由から望ましい、簡単、小型の周波数補償機構を見出すのは困難であり、このように最小のサイズが好まれるために、補償機構に更なる制限が加えられる。

図１Ａに例示されているのは、従来技術の典型的な線形電圧調整器であって、その周波数補償素子１４０およびＣｌｏａｄ１５０を備える。その回路の目標は、フィードバックを介して出力電圧Ｖｏｕｔをモニタし、それをある一定値の参照電圧Ｖｒｅｆと比較することである。Ｖｏｕｔが高すぎるか低すぎるときは、Ｖｏｕｔがその通常の値に戻るように回路が自己調整を行い、Ｖｏｕｔが本質的に一定を保つものとなる。ひとつには高利得（パフォーマンス）のために、３つのステージ１１０、１２０、１３０がある。それらのステージおよび出力対象からの種々の高インピーダンスノードおよびフィードフォワード経路から結果的に生じるいくつかの位相および利得シフトがある。正のフィードバックを生成して回路を不安定とするようなあまりにも累積的な位相シフトを回避するように、補償および負荷容量が選択されなければならない。すなわち、補償によって、充分な位相マージンが得られるように、しかるべき周波数に極およびゼロがバランスして配置されなければならない。高パフォーマンス電圧調整器は、しばしば大きいか複雑な補償構成要素が安定することが必要である。更には、伝統的な補償素子は相互に作用し、独立して調整するのが困難であるので、最適な補償を得るのが難しい。

この発明によると、本来的に安定させるのが困難な高利得、高パフォーマンス線形および／または低ドロップアウト電圧調整器にとりわけ有用である周波数補償技法が提供される。一つの実施例によると、機構に含まれるのは、２つの部分、すなわち、内部ループ補償回路および出力分圧器の抵抗の一つに平行な回路である。その利点は、全体としてより小さな補償素子、ダイ領域およびコストの節約であり、従来の方法によって補償される調整器と比べて等しいか改良された位相マージンおよびパフォーマンスも伴う。この新しい補償技法の別の主要な利点は、デザインの面で、よりよい結果を得るように適用するのが簡単なことであり、つまり、低速ロールオフおよび入れ子のミラー補償のような伝統的な方法と違って、新しい補償素子は、相互依存しておらず、それで、それらは独立して調整するのが容易であるので、より小さく、より効率的な補償が得られる。線形調整器用の新しい補償によって、極およびゼロを戦略的に配置して、正のフィードバックおよび不安定性を導くような累積的な位相シフトを回避することができる。

図２には、独立した極およびゼロの組を配置する周波数補償機構を備える電圧調整器２００用の典型的な回路が示されている。電圧調整器２００には３つの回路ステージ、すなわち、入力ステージ２０１、第２ステージ２０２および出力ステージ２０３が、分圧器ユニット２０４とともに含まれている。入力ステージ２０１には、エラー増幅器ユニット２１０が含まれている。分圧器ユニット２０４には、２つの抵抗Ｒ_ＡおよびＲ_Ｂが含まれている。第２ステージ２０２は、通常、出力ステージの大きな入力容量を駆動するためのものである。第２ステージはまた、通常、軽い電流負荷の条件で出力ステージの利得が非常に低くなったとき、全体的に高い利得を維持するために調整器用の利得を含む。出力ステージ２０３には、通常Ｐ型またはＰチャンネルＭＯＳＦＥＴである大きなパスドライブトランジスタ２３０、ＰＭＯＳ共用ソースステージまたはそれと等価なバイポーラプロセス技術のためのＰ型またはＰＮＰトランジスタが含まれている。例示の目的で、電圧調整器２００の様々な要素が示され、説明されているが、しかしながら当業者であれば、電圧調整器２００には、所定のアプリケーションのための信号同調に必要とされる更なるインターフェース構成要素が含まれ得ることが理解される。例えば、第２ステージは、従来技術特許の米国特許５，６３１，５９８号に示されるような抵抗を含むインピーダンス変換増幅器でもよい。更には、抵抗、容量、増幅器およびパスデバイストランジスタのような別個の構成要素を用いて電圧調整器２００の様々な素子を構成することができる。あるいは、抵抗Ｒ_ＡおよびＲ_Ｂのように、様々な素子が、全てＩＣパッケージの内側にあるかＩＣダイ自体の上にあってもよい。そしてこの調整器はまた、大きなＩＣ上で電圧を調整する大きなシステムＩＣ上に構成されて、同じＩＣ上の、または同じパッケージ内のマルチチップモジュール上の、他の回路に電流を供給してもよい。

エラー増幅器２１０は、入力端子２０５で参照信号Ｖｒｅｆを受け、入力端子２０６で分圧器２３５を介してトランジスタ２３０の出力からのフィードバック電圧を受ける。エラー増幅器２１０は、それら入力電圧間の差を表すエラー信号を生成する。エラー増幅器ユニット２１０の出力は、第２ステージ２２０に結合される。第２ステージは、パスデバイストランジスタ２３０を制御するのに用いられる信号を出力して調整された出力電圧Ｖｏｕｔを提供する。第２ステージはまた、しばしば、調整器の利得を増大するために、ある非単一利得の大きさを有するようにデザインされるが、しかしそれは典型的には、その周波数応答が全体的な調整器周波数応答にほとんど影響を有さないように高い帯域でデザインされる。

調整された出力電圧Ｖｏｕｔが生成されて、電流負荷Ｉｌｏａｄで表される別の回路負荷をバイアスし、供給源となる。その出力にはまた、負荷容量２５０およびそれと関連するＥＳＲ、電気直列抵抗が含まれている。この容量は、電圧調整器２００の周波数補償を補助するのに用いられ、そしてそれはまた、ノイズが高感度の回路負荷を乱さないように調整された電圧Ｖｏｕｔのあらゆる高周波数ノイズを減衰させるのにも用いられる。しかしながら、この容量は、意図的な負荷の過渡応答、起動および停止条件を遅延させるほど大きかったり、あるいはあまりにも領域を占めるほど大きかったりすべきではない。したがって、この負荷容量は、サイズが制限された範囲にあるので、他の回路要素を有して周波数応答を安定する必要がある。第１の補償２４０は、周波数を補償する目的で用いられ、それは調整器の出力と第２ステージ２２０の入力との間に接続される。分圧器２３５の抵抗Ｒ_Ａを横切って接続される第２の補償ユニット２４５もまた、周波数補償に用いられる。第２の補償ユニット２４５によって、望ましくない極をキャンセルできるゼロを独立して配置することが可能となる。ゼロはまた、調整器の単一利得周波数辺りに配置されて、負の位相シフトを減らし、そうして位相マージンを向上させる。好ましい実施例において、第２の補償ユニット２４５は容量である。容量または、直列抵抗を備える容量を用いることが、構成要素のサイズを最小限化するのに望ましいが、補償ユニット２４０は、図１Ｂに示され、説明される種々の構成を含むことができる。調整器２００に良好な位相マージンを提供するのに、回路ユニット２４０および２４５はともに、多くのデザインにおいて適切である。

ミラープラスリード(Miller plus lead)補償として知られる、１７４の構成、すなわち、直列の容量および抵抗を備える第１の回路ユニット２４０を用いて、従来技術の図１Ａに、典型的な内部ループ周波数補償技法が示されている。この典型的な従来技術の場合、調整器の極とゼロは以下のとおりである。負荷容量１５０Ｃ_ｌｏａｄおよび出力トランジスタ１３０の出力抵抗によって、主極Ｐ_ｄｏｍが生成される。

第１ステージユニット１１０および第２ステージユニット１２０と関連する極は、以下のとおりである。Ｇ_ｍ’は、それぞれのステージの入力トランジスタの変換コンダクタンスである。Ｃ_１およびＺ_ｌｅａｄ（Ｒ１）が１７４に示されている。Ｃ_２ｎｄステージは、第２ステージの入力容量である。Ｃ _１３０は、パスデバイス１３０の入力容量である。

典型的には、極の効果を相殺するためにリードＺ_ｌｅａｄ補償機構は、ゼロを単一利得周波数のすぐ上の周波数に導入して電圧調整器１００の位相マージンを改良する。ミラープラスＺ_ｌｅａｄ補償によって導入されるゼロは、式（４）によって与えられる。

負荷容量のＥＳＲ抵抗と関連するゼロが、式（５）によって与えられ、ここで、Ｚ_ＥＳＲは、負荷容量１５０の直列抵抗のインピーダンスであり、Ｃ_ＬＯＡＤは、負荷容量１５０であり、Ｇ_ｍ１３０は、パスデバイストランジスタ１３０の交換コンダクタンスである。

本出願についての図が、図２に与えられている。ラベルについては、先に述べた調整器１００が、ここでは調整器２００として記されており、第１の回路ユニット１４０が、ここでは２４０であったりする。第２の補償ユニット２４５が、図１Ｂにおけるように容量Ｃ_ｚｅｒｏとして構成されるとき、出力のゼロ−極の組が調整器２００について生成される。出力のゼロＺ_２４５と極Ｐ_２４５との値は、式（６）および（７）によって与えられ、ここで、語Ｒ_ＡおよびＲ_Ｂは分圧器２３５の抵抗である。

式（６）および（７）によって例示される、回路ユニット２４０および２４５によって導入される極−ゼロの組という語は、通常の補償機構について、式（２）−（５）によって例示される極およびゼロの語と一致しない。更には、回路ユニット２４５により導入される極およびゼロは、あるトランジスタ素子の交換コンダクタンスのような、調整器２００の内部構成要素の固有の特性に依存しない。そうして、２４５により導入されるゼロの周波数位置は、調整器２００および回路２４０とはすっかり独立して調整でき、それはまた、補償の目的でも用いられる。これによってデザインが柔軟的で容易となる。多くの例において、回路２４５からのゼロは、不安定性を招く位相シフトの量を低減するために、調整器の単一利得周波数近くに最もよく配置される。また対応する極も生成され、それは、周波数位置にあるゼロに続く。したがって、それは、ゼロが単一元辺りに配置されるならば、単一利得周波数を超えて起こり、そして極は、安定性に影響を及ぼさない。通常、周波数補償回路ユニット２４０と２４５の双方を適用することからの位相マージンは、第１の補償ユニット２４０自体を用いることに対して約１０度以下だけ向上する。

例示の目的で、電圧調整器２００は、３つのステージを用いて構成されているが、しかしながら、調整器２００は、必要とされる利得−帯域幅の必要性および動作条件によってはステージをいくつでも用いて構成できる。更には、回路ユニット２４０および２４５の双方は、所定の調整器２００に適用できるような受動素子の様々な組み合わせを用いて構成することができる。加えて、それら受動素子は、様々な素子を用いて構成することができる。また、それら受動素子は、能動素子から成ることもでき、例えば抵抗は、バイアスされたトランジスタを用いて構成することができる。

ここでは、いくつかの好ましい実施例が詳細に説明されている。発明の範囲は、記述されたこれらのものとは異なっていても、請求項の範囲内である実施例をもまた包括することが理解されるべきである。包含の語は、発明の範囲を考慮して非網羅的であると解釈されるべきである。この発明は、例示的な実施例について説明されているが、この説明が、制限的な意味で解釈されることは意図していない。例示的な実施例並びに発明の他の実施例の種々の変更および組み合わせが、説明を参照して当業者には明らかである。したがって、添付した請求項は、そのような変更または実施例を包含することを意図している。

本発明によって実現されたものが、特定の実施例と関係して説明されている。その説明された実施例によって提供されるのは、入力および出力を備える出力ステージであって、その出力は、調整された出力信号を提供するよう動作可能である出力ステージと、第１の入力、第２の入力および出力を備える第１ステージであって、その第１の入力は、信号参照電圧を受けるよう動作可能であり、その第２の入力は、前記調整された出力信号から得られる補償された信号を受けるよう動作可能であり、その出力は、少なくとも部分的にその第１および第２の入力に基づいた第１ステージ出力信号を生成するよう動作可能である第１ステージと、入力および出力を備える第２ステージであって、その入力は、前記第１ステージの出力信号を受けるよう動作可能であり、かつその出力は、前記出力ステージの入力で受けられる第２ステージの出力信号を生成するよう動作可能である第２ステージと、前記出力ステージの出力に結合される分圧器であって、直列に結合される少なくとも２つの回路素子を有し、かつその少なくとも２つの回路素子の間の回路ノードに補償される出力を形成し、それによって前記出力信号から得られる前記補償された信号がその回路ノードに生成される分圧器と、前記第１ステージの出力と前記出力ステージの出力との間に結合される第１の補償ユニットと、前記分圧器の回路素子の１つと平行に結合される第２の補償ユニットとを有する電圧調整器である。

前記電圧調整器は、前記第１および第２の補償ユニットの一方または双方が周波数補償を提供するよう動作可能であるように構成されてもよい。負荷容量が、前記出力ステージの出力に結合されてもよい。抵抗が、その負荷容量と直列に結合されてもよい。負荷が、前記出力ステージの出力に結合されて、その負荷が、その出力ステージを通して電流を受けるものとされてもよい。前記第１および第２の補償ユニットの一方または双方は、少なくとも１つの容量を含んでいてもよく、かつ少なくとも１つの抵抗が、その少なくとも１つの容量と直列に結合されてもよい。前記出力ステージが、少なくとも１つの金属−酸化物半導体トランジスタを備えていてもよく、それはＰ型トランジスタであってよい。前記出力ステージは少なくとも１個のバイポーラトランジスタからなり、バイポーラトランジスタはＰＮＰトランジスタであってもよい。

前記電圧調整器の前記第１ステージは、交換コンダクタンスステージであってよい。前記第１および第２の補償ユニットの一方または双方は、種々の回路素子を含んでいてもよく、それは種々の容量、種々の抵抗または低ドロップアウト電圧調整器を備えていてもよい。前記電圧調整器は、前記第１および第２ステージと直列に更なるステージを有してもよい。

これらの実施例は、例示的なものであって制限的であることを意味していない。多くのバリエーション、変更、付加および改良が可能である。

以上の説明に関してさらに以下の項を開示する。
（１）入力および出力を有する出力ステージであって、その出力は、調整された出力信号を提供するよう動作可能である出力ステージと、
第１の入力、第２の入力および出力を有する第１ステージであって、その第１の入力は、信号参照電圧を受けるよう動作可能であり、その第２の入力は、前記調整された出力信号から得られる補償された信号を受けるよう動作可能であり、その出力は、少なくとも部分的にその第１および第２の入力に基づいた第１ステージ出力信号を生成するよう動作可能である第１ステージと、
入力および出力を有する第２ステージであって、その入力は、前記第１ステージの出力信号を受けるよう動作可能であり、かつその出力は、前記出力ステージの入力で受けられる第２ステージの出力信号を生成するよう動作可能である第２ステージと、
前記出力ステージの出力に結合される分圧器であって、直列に結合される少なくとも２つの回路素子を有し、かつその少なくとも２つの回路素子の間の回路ノードに補償された出力を形成し、それによって前記出力信号から得られる前記補償された信号が前記回路ノードに生成される分圧器と、
前記第１ステージの出力と前記出力ステージの出力との間に結合される第１の補償ユニットと、
前記分圧器の回路素子の１つと平行に結合される第２の補償ユニットと
を備える電圧調整器。
（２）前記第１および第２の補償ユニットの少なくとも１つは、周波数補償を提供するよう動作可能である（１）記載の電圧調整器。
（３）前記出力ステージの出力に結合される負荷容量および、その負荷容量と直列に結合される抵抗を更に備える（１）または（２）記載の電圧調整器。
（４）前記第１および第２の補償ユニットの少なくとも１つが、少なくとも１つの容量および、その少なくとも１つの容量に直列する少なくとも１つの抵抗を備える（１）乃至（３）のいずれかに記載の電圧調整器。
（５）前記出力ステージが、少なくとも１つのＰ型金属−酸化物半導体トランジスタまたはＰＮＰバイポーラトランジスタを備える（１）乃至（４）のいずれかに記載の電圧調整器。
（６）前記第１ステージが、交換コンダクタンスステージである（１）乃至（５）のいずれかに記載の電圧調整器。
（７）前記第１および第２の補償ユニットの少なくとも１つが、可変回路素子を備える（１）乃至（６）のいずれかに記載の電圧調整器。
（８）本出願は、線形電圧調整器回路または、その特別な場合である、低ドロップアウト電圧調整器（ＬＤＯ）のための周波数補償機構を記述する。１つの実施例によると、その周波数補償機構には、２つの回路、すなわち、内部ループ補償回路（２４０）および、出力分圧器（２３０）の抵抗の１つに平行な、出力における回路（２４５）、が含まれている。これらの２つの補償素子（２４０、２４５）は、相互依存しておらず、より最適な周波数補償を行うために別々に調整される。利点に含まれるのは、より小さな補償回路素子、ダイまたは基板領域の節約、プロセス技術のバリエーションおよび動作条件に対するより良い位相マージンおよびデザイン調整の容易さである。

Ａは、従来の、電圧調整器回路用の周波数補償機構を例示する。Ｂは、従来の周波数補償機構の様々な構成を例示する。 独立した極およびゼロの組を配置する周波数補償機構を備える、電圧調整器用の典型的な回路を例示する。

符号の説明

１００、２００ 電圧調整器
１１０、１２０、１３０ ステージユニット
１４０、２４０ 第１の周波数補償回路ユニット
１５０ 負荷容量
２０１ 入力ステージ
２０２ 第２ステージ
２０３ 出力ステージ
２０４ 分圧器ユニット
２０５、２０６ 入力端子
２１０ エラー増幅器ユニット
２２０ 第２ステージ
２３０ トランジスタ
２３５ 分圧器
２４５ 第２の周波数補償回路ユニット
２５０ 負荷容量

Claims (1)

1. 入力および出力を有する出力ステージであって、その出力は、調整された出力信号を提供するよう動作可能である出力ステージと、
   第１の入力、第２の入力および出力を有する第１ステージであって、その第１の入力は、信号参照電圧を受けるよう動作可能であり、その第２の入力は、前記調整された出力信号から得られる補償された信号を受けるよう動作可能であり、その出力は、少なくとも部分的にその第１および第２の入力に基づいた第１ステージ出力信号を生成するよう動作可能である第１ステージと、
   入力および出力を有する第２ステージであって、その入力は、前記第１ステージの出力信号を受けるよう動作可能であり、かつその出力は、前記出力ステージの入力で受けられる第２ステージの出力信号を生成するよう動作可能である第２ステージと、
   前記出力ステージの出力に結合される分圧器であって、直列に結合される少なくとも２つの回路素子を有し、かつその少なくとも２つの回路素子の間の回路ノードに補償された出力を形成し、それによって前記出力信号から得られる前記補償された信号が前記回路ノードに生成される分圧器と、
   前記第１ステージの出力と前記出力ステージの出力との間に結合される第１の補償ユニットと、
   前記分圧器の回路素子の１つと平行に結合される第２の補償ユニットと
   を備える電圧調整器。

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