JP2005535954A - 電圧調整器 - Google Patents

Abstract

電圧調整器の入力（Ｉ）および出力（Ｏ）間の直列調整素子（Ｔ１）と、前記直列調整素子（Ｔ１）の制御入力に結合された第１の出力（Ｏ１）を有する差動入力エラー増幅器（１）と、を具備する低ドロップアウト電圧調整器であって、前記エラー増幅器（１）は、高域通過フィルタ（５、Ｃ１、Ｒ１）を介して出力（Ｏ）に結合された第２の出力（Ｏ２）をさらに備えることを特徴とする。

Description

本発明は、その入力と出力との間の直列調整素子と、この直列調整素子の制御入力に結合された第１の出力を有する差動入力エラー増幅器とを備える電圧調整器に関する。

低ドロップアウト電圧調整器は、ほとんどあらゆる電子的な用途において広く用いられている不可欠な要素である。これらは、供給を受ける回路の要求に外部電源を適合させるものである。携帯電話のような携帯型の応用において、電圧調整器には、主に低ドロップアウト電圧および広範囲に渡る容量性負荷での十分な安定性が要求される。

ＣＤ、ＤＶＤ、ブルーレイディスク（ＢＤ）のような光ディスクに対する読み出し／書き込み動作が要求される応用においては、光ダイオード集積回路（ＰＤＩＣ）が設けられる。このようなＩＣにおいては、光ダイオード供給フィルタから供給を受ける光ダイオード検波器の後には、プログラム可能な増幅器が続いている。従来技術の光ダイオードＩＣにおいては、光ダイオード供給フィルタは、図７に示されるような受動一次ＲＣ低域通過フィルタを含む。抵抗器Ｒは、光ダイオードの電流供給要求に適合化させられ、従って、受光レーザー光強度に依存する。抵抗器Ｒを通る際の電圧降下を十分に低くするためには、抵抗値を電流要件（光度）に適合させる。電流要件は前置増幅器のゲインにほぼ逆比例する。その結果、フィルタのカットオフ周波数ｆ_−３ｄＢ＝１／（２πＲＣ）は、電流要件に応じて変化する。（ｆ_−３ｄＢをはるかに下回る）低周波数では、フィルタの出力インピーダンスはＲによって決定される。

高い強度の光パルスを用いて光ディスク（ＣＤ、ＤＶＤまたはＢＤ（ブルーレイディスク））に書き込みが行われる。ＰＤＩＣを用いて書き込みプロセスを監視する。高強度「書き込み」レーザーパルスの直後に、低強度読み出しが必要とされ、図６を参照されたい。書き込み周期Ｗの間の光電流ＰＣの書き込みレベルＷＬは、読み出し周期Ｒの間の読み出しレベルＲＬのおよそ８０倍である。低強度読み出しに主として含まれるものは、ウォブル信号を含むサーボ制御情報である。ＰＤＩＣ光ダイオードおよび増幅器は、後続の読み出し動作の十分な精度を提供するのに十分速く書き込みパルスから回復する必要がある。この整定時間は、いずれも振幅および位相の観点から見ると、周波数の関数としての応答の帯域幅および平坦度によって決定される。これらの要件は供給フィルタの出力インピーダンスにも与えられる。図７に示された単純なフィルタは、このような厳密な整定要件による読み出し／書き込み動作での使用に適したものではない。図６に基づいて、４０ｐＦのキャパシタを有する図７に示されたフィルタに対して、抵抗器の抵抗は６０Ωを超えてはならないことが分かる。しかし、このような値では、高いゲイン設定に関連して要求されるフィルタ抑制は達成されない。

米国特許第６，３７３，２３３号には、あらゆる容量性負荷に対して安定性を向上させた低ドロップアウト電圧調整器が記載されている。この低ドロップアウト電圧調整器は、差動入力エラー増幅器によって制御される直列制御ｐ−ＭＯＳトランジスタを備えている。エラー増幅器の出力は、キャパシタと抵抗器との直列接続により直列制御ｐ−ＭＯＳトランジスタの出力端末に結合されている。また、低ドロップアウト電圧調整器の出力からエラー増幅器の入力へのフィードバックが与えられる。直列制御ｐ−ＭＯＳトランジスタは積分器としての機能を果たし、また非常に大きな位相マージンを消費するために、高周波数でも低出力インピーダンスは可能にならない。従って、前記従来技術の特許に提示された低ドロップアウト電圧調整器は、高周波数で低出力インピーダンスを供給することができないので、ＣＤ、ＤＶＤおよびＢＤのような読み出し／書き込みプロセスを含む応用には適切ではない。

従って、本発明の目的は、改良された電圧調整器を提供することである。

本発明によれば、この目的は最初の段落に記載された電圧調整器において達成され、エラー増幅器は高域通過フィルタを介して出力に結合された第２の出力をさらに備えることを特徴とする。直流および低周波数は直列調整素子によってフィルタ処理され、比較的高い周波数は高域通過フィルタによってフィルタ処理される。両方のブランチは差動入力エラー増幅器によって並列に制御される。この回路によって、入力信号と出力信号との間での比較的低い電圧降下が可能になる。

本発明の実施の一態様において、直列調整素子の入力および入力端末の間には第１の低域通過フィルタが結合されている。第１の低域通過フィルタも全体的に良好なフィルタ抑制を達成するのに有利であることが実験により明らかにされている。

第１の低域通過フィルタは、直列に接続された第１の複数の抵抗器を含んでもよく、前記第１の複数の抵抗器は、第１の低域通過フィルタの時定数を変更する第１の複数の各スイッチに結合されている。一次低域通過フィルタの時定数は、フィルタの抵抗器値およびキャパシタ値の積に比例する。フィルタ内の抵抗器の値を変更することによって、時定数が変更される。フィルタのカットオフ周波数は抵抗器値およびキャパシタ値の積に逆比例するため、抵抗器値が変化する際にカットオフ周波数も変化する。

本発明の実施の一態様において、エラー増幅器の第１の入力は、第２の低域通過フィルタを介して調整器の入力に結合されている。第２の低域通過フィルタは降下電圧源、第２の抵抗器および第２のキャパシタの直列結合を含んでもよい。エラー増幅器は、低直流電圧によって低下され且つ第２のキャパシタおよび第２の抵抗器によって低域通過フィルタ処理される供給電圧を基準とする。降下電圧は、例えば抵抗器を介してダイオードまたは固定バイアス電流として接続された二極接合トランジスタとして得ることができる。ここで、基準電圧を、安定化回路内にあるような供給電圧独立電圧源とすることもできる。

本発明の他の実施の態様において、直列調整素子は、第２の複数の各選択可能な抵抗器に結合された複数の直列調整素子を含む。第２の複数の選択可能な抵抗器は、対になって結合された電界効果トランジスタとして実施される。各対は、入力と第１の増幅器の出力との間、または第１の低域通過フィルタの出力と第１の増幅器の出力との間に結合された２つのトランジスタの主電流チャンネルの直列接続を含む。選択可能な抵抗器対が選択された時、低ドロップアウト電圧調整器の出力は、低ドロップアウト電圧調整器の負荷要件に適合する特定の選択可能な直列調整素子に入力される。

本発明の他の実施の態様において、低ドロップアウト電圧調整器は、可変ゲイン増幅器に結合された１つ以上の光ダイオードに供給を行うための光学検出器／増幅器で使用される。比較的速い整定時間および比較的広い帯域幅を有しているため、本発明による低ドロップアウト電圧調整器は、光ダイオードが光学的データキャリアから光信号を受信するような応用に対してはより良い解決策となる。可変ゲイン増幅器は、光ダイオードによって発生した信号の十分な増幅を達成する複数のカスケード接続された制御可能な増幅器を備えることが好ましい。

本発明の上記および他の特徴および利点については、添付された図面に基づく以下の本発明の代表的な実施の形態の説明より明らかとなるであろう。

図１は、本発明による低ドロップアウト電圧調整器１００の実施の形態を示している。電圧調整器１００は、この電圧調整器の入力Ｉおよび出力Ｏの間に直列調整素子Ｔ１を備えている。低ドロップアウト電圧調整器１００は、第１の増幅器４を介して直列調整素子Ｔ１の制御入力に結合されている第１の出力Ｏ１を有する差動入力エラー増幅器１を含んでいる。第１の増幅器Ａ１は、１の増幅定数を有してもよい。キャパシタＣｎ１および抵抗器Ｒｎ１の直列接続は、安定性を高めるためにエラー増幅器の第１の出力Ｏ１と電圧調整器の出力Ｏとの間に結合されることが好ましい。キャパシタＣｎ１は２ｐＦのキャパシタ値を有してもよい。キャパシタＣ４およびバイアス電流源Ｉｂｉａｓは、エラー増幅器の出力Ｏと接地との間に結合されている。キャパシタＣ４は８０ｐＦの静電容量を有してもよい。エラー増幅器１は、高域通過フィルタを介して出力Ｏに結合された第２の出力Ｏ２をさらに備えている。この実施の形態において、高域通過フィルタは、第１のキャパシタＣ１および第１の抵抗器Ｒ１の直列の組合せに結合された第２の増幅器５を備えている。第２の増幅器５は、１の増幅定数を有してもよい。抵抗器Ｒ１を必要としない場合もある。増幅器４および５は、エラー増幅器１の出力段が適切に設計されている場合には省略してもよい。

図１の実施の形態は、増幅器Ａ１によって駆動されるＰＭＯＳＴ直列トランジスタＴ１を有し、増幅器Ａ２によって駆動される容量ブランチＣ２に支持される「スプリットバンド」構造である。直流および低周波数はＴ１によって処理され、高周波数はＣ２を介してＡＢ級増幅器Ａ２によって処理される。両方のブランチはエラー増幅器１により並列に制御される。この構造により、Ｔ１によって決定される入力および出力間での最も低い電圧降下が可能になる。図３を参照して以下に説明するように、エラー増幅器１は、低直流電圧’Ｖｄｒｏｐ’によって低下され且つＲ１およびＣ１からなる低域通過フィルタによってフィルタ処理される供給電圧を基準とする。ＰＭＯＳＴトランジスタＴ１のゲインはドレインソース間直流電流に大きく依存するため、一定の最小ゲインと共に光ダイオードが発光しないことが固定バイアスＩｂｉａｓにより保証される。経験的に、（図７に示されているような単純なものでもよい）前置フィルタ３でも全体的に良好なフィルタ抑制を達成するのに有利であることが判明している。従来技術による解決策のように、この簡単に実現される低域通過フィルタ３は、電流要件に従って値を適合させる抵抗器Ｒを使用する。利用可能な電圧降下’Ｖｄｒｏｐ’は、前置フィルタ３およびＰＭＯＳＴＴ１によって均等に共有される。

低ドロップアウト電圧調整器で通常使用される受動フィルタは、要件の厳密な読み出し／書き込みに応用して使用するのに適したものではない。米国特許第５，４３４，５３５号のような能動フィルタを検討することもできる。この従来技術の特許においては、フィードバックキャパシタを有する差動増幅器が用いられており、キャパシタの容量は増幅器の増幅によって拡大される。増幅器に対して適正なバイアスを与えることによって、このフィルタは比較的高い周波数信号をフィルタ処理する場合には適切に作動するが、比較的低い周波数では増幅器の出力電圧偏位能力によって制限される。

光ディスクに対して読み出し／書き込み動作が要求される応用例としては、ＣＤ、ＤＶＤ、ブルーレイディスク（ＢＤ）が考えられる。これらの応用例においては、光検波器集積回路（ＰＤＩＣ）が設けられる。ＰＤＩＣを用いて書き込みプロセスを監視する。高強度書き込みレーザーパルスの直後に、図６に示されているような低強度読み出しが必要とされる。低強度読み出しに主として含まれるものは、ウォブル信号を含むサーボ制御情報である。ＰＤＩＣ光ダイオードは、後続の読み出し動作の十分な精度を提供するのに十分速く書き込みパルスから回復する必要がある。この整定時間、振幅および位相は、周波数に対する応答の帯域幅および平坦度によって決定される。これらの要件はフィルタの出力インピーダンスの大きさに対する制限を決定する。図７に示されたような上述の条件における受動フィルタを使用した場合、高ゲイン設定条件に関連したフィルタ抑制要件は達成されない。これらの要件を満たすために、図１に示された低ドロップアウト電圧調整器を使用することができる。従って、入力Ｉと選択可能な直列調整素子Ｔ１の主電流チャンネルとの間に結合された第１の低域通過フィルタ３が使用される。直流および低周波数信号は、第１の増幅器４によって制御される直列調整素子Ｔ１によってフィルタ処理される。第１のキャパシタＣ１に直列に結合されたＡＢ級第２の増幅器５および第１の抵抗器Ｒ１は、高周波数成分をフィルタ処理する。この回路によって、入力Ｉ信号Ｖｃｃと出力Ｏ信号ＶＯＵＴとの間での比較的低い電圧降下が可能になる。

エラー増幅器１の入力＋は第２の低域通過フィルタに結合され、この第２の低域通過フィルタは入力Ｉと基準端末との間に接続されている。他の実施の形態においては、第２の低域通過フィルタはなく、エラー増幅器１の入力＋は基準電圧源に結合されている。

図２は、本発明の実施の形態による第１の低域通過フィルタＬＰＦ１の好ましい実施を示している。第１の低域通過フィルタ３は、この第１の低域通過フィルタ３の時定数を変更する第１の複数の各スイッチＴ２ａ、Ｔ２ｂ、Ｔ２ｃに結合されている、直列接続された第１の複数の抵抗器Ｒ２ａ、Ｒ２ｂ、Ｒ２ｃを備えている。図２においては、スイッチはＰ−ＭＯＳトランジスタとして示されているが、当業者は例えば、Ｎ−ＭＯＳトランジスタ、フォトトランジスタまたは受動スイッチのような他のスイッチング素子を使用することを考えることもできるであろう。さらに、制御信号Ｓ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ２ｃは電圧であると考えられているが、電流および光を使用することもでき、当業者は適切な回路を容易に得ることができる。スイッチＴ２ａ、ｂまたはｃがオン状態にある時、その対応する抵抗は比較的低く、抵抗器Ｒ２ａ、ｂまたはｃのいずれの抵抗の値よりもはるかに低い。スイッチＴ２ａ、ｂまたはｃがオフ状態にある時、その対応する抵抗は比較的大きく、抵抗器Ｒ２ａ、ｂまたはｃのいずれの抵抗の値よりもはるかに大きい。その結果として、すべてのスイッチがオフ状態にある時、回路の対応する抵抗はＲ２ａ＋Ｒ２ｂ＋Ｒ２ｃ＋Ｒ２ｄであり、フィルタの時定数は（Ｒ２ａ＋Ｒ２ｂ＋Ｒ２ｃ＋Ｒ２ｄ）＊Ｃ２である。Ｔ２ａがオンの場合、回路の対応する抵抗はＲ２ｂ＋Ｒ２ｃ＋Ｒ２ｄであり、従ってフィルタの時定数は（Ｒ２ｂ＋Ｒ２ｃ＋Ｒ２ｄ）＊Ｃ２である。同様の推論を、オン状態スイッチ―オフ状態スイッチのどのような組合せに対しても用いることができる。従って、応用例の技術的制約を考慮に入れて低域通過フィルタのカットオフ周波数を適合させることにより、様々な応用例での柔軟性を増すことが可能となる。

図３は、本発明の実施の形態による第２の低域通過フィルタＬＰＦ２の実施を示している。第２の低域通過フィルタ２は、入力Ｉと基準ノードＲｅｆとの間に、電圧源Ｖｄｒｏｐ、第２の抵抗器Ｒ３および第２のキャパシタＣ３の直列結合を備えている。第２の低域通過フィルタは、エラー増幅器１へ基準信号を供給する。基準信号は、低ドロップアウト電圧調整器１００の入力Ｉに入力される信号Ｖｃｃを比較的小さな電圧Ｖｄｒｏｐで低下させた後に低域通過フィルタ処理して得られる。電圧Ｖｄｒｏｐは、例えば抵抗器を介してダイオードまたは固定バイアス電流として接続された二極接合トランジスタを用いて得ることができる。低下された信号は、第２の抵抗器Ｒ３および第２のキャパシタＣ３の直列組合せによってさらに低域通過フィルタ処理される。第２のキャパシタＣ３の電圧は、基準電圧としてエラー増幅器１へ入力される。

図４は、本発明の実施の形態による選択可能な直列調整素子Ｔ１の実施を示している。選択可能な直列調整素子Ｔ１は、第２の複数の各選択可能な抵抗器Ｒ１１ａ、Ｒ１２ａ、Ｒ１１ｂ、Ｒ１２ｂ、Ｒ１１ｃ、Ｒ１２ｃに結合された複数の直列調整素子Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ、Ｔ１ｃを備えている。第２の複数の選択可能な抵抗器Ｒ１１ａ、Ｒ１２ａ、Ｒ１１ｂ、Ｒ１２ｂ、Ｒ１１ｃ、Ｒ１２ｃは対になって結合されたＰ−ＭＯＳトランジスタである。各対は、入力Ｉと第１の増幅器４の出力との間、または第１の低域通過フィルタ３の出力と第１の増幅器４の出力との間に結合された２つのトランジスタの主電流チャンネルの直列接続を含む。これらの制御可能な抵抗器をＮ−ＭＯＳトランジスタまたはフォトトランジスタとすることもできることは明らかである。制御信号Ｓ１ａ、Ｓ１ｂおよびＳ１ｃは電圧と考えられるが、当業者は電流信号および光信号を考えることもできるであろう。選択可能な抵抗器Ｒ１１ａ、Ｒ１２ａ、Ｒ１１ｂ、Ｒ１２ｂ、Ｒ１１ｃ、Ｒ１２ｃには高抵抗状態および低抵抗状態がある。これらの抵抗器が高抵抗状態にある時、各直列調整トランジスタＴ１ａ、ｂまたはｃはその主電流チャンネルに電流を通すことはない。実際には、非常に低い漏れ電流がトランジスタの主チャンネルを流れる。抵抗器が低抵抗状態にある時には、各直列調整トランジスタＴ１ａ、ｂまたはｃはその主電流チャンネルに電流を通して、出力電流Ｉｂｉａｓを供給する。

図５は、本発明の実施の形態による光学検波器／増幅器２００の実施を示している。光学検波器／増幅器２００は、可変ゲイン増幅器２０２に結合された１つ以上の光ダイオード２０１に電源を供給するための低ドロップアウト電圧調整器１００を備えている。光ダイオード２０１は光ディスクにまたは光ディスクから読み出しまたは書き込み動作に対応する信号を送信する。可変ゲイン増幅器は、複数のカスケード接続された制御可能な増幅器を含む。低ドロップアウト電圧調整器１００は光ダイオード２０１に電源を供給しなければならず、光ダイオード２０１は例えばレーザーによって発生した光信号を受信する。光信号に対する光ダイオード２０１における光電流の依存が図６に示されており、光学検波器／増幅器で使用される光ダイオード２０１の逆電圧に対する典型的な特性容量は図８に示されている。この発明による低ドロップアウト電圧調整器１００は、先に示したようなものに関連するこの種のダイオードおよび信号を用いて応用する場合での使用に適している。光ダイオード２０１の出力信号は可変ゲイン増幅器２０２で増幅され、可変ゲイン増幅器２０２はこの信号を負荷に適応させる必要がある。特定の用途に応じて、増幅器２０２を１つまたは複数とすることができる。

要約すると、低ノイズおよび低出力インピーダンスを示す低電力、低ドロップアウト供給フィルタが作り出される。閉ループで動作する場合、ＰＭＯＳＴ直列トランジスタＴ１は直流および低周波数に対して出力電力を供給し、容量結合されたＡＢ級増幅器出力段５は高周波数（２００ＭＨｚまで）に対して電力を供給する。そこからは固定出力並列キャパシタが引き継ぐ。構成要素を適切に選択することによって、３つの周波数領域での動作の滑らかな移行が実現される。この回路は、混信を低減し、且つ厳密な整定要件を満たすために、特にＰＤＩＣで使用されるものである。

尚、本発明の保護範囲はここに説明されている実施の形態に限定されるものではない。また、本発明の保護範囲は、請求の範囲内の参照番号に限定されるものではない。’ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ’（備える）という語は、請求の範囲に記載された以外のものを除外することはない。ある要素の前の’ａ（ａ）’（１つの）という語はその要素が複数存在することを除外するものではない。本発明の一部をなす手段は、専用ハードウェアの形態、またはプログラムされることを目的とするプロセッサの形態の両方で実施するようにしてもよい。新たな特徴のそれぞれまたはこれらの特徴の組合せは本発明に含まれるものとする。

本発明による低出力インピーダンスを有する低ドロップアウト電圧調整器の実施の一形態を示している。 本発明の実施の一形態による第１の低域通過フィルタの実施を示している。 本発明の実施の一形態による第２の低域通過フィルタの実施を示している。 本発明の実施の一形態による選択可能な直列調整素子の実施を示している。 本発明の実施の一形態による光学検波器／増幅器の実施を示している。 ＰＤＩＣの光電流と読み出し／書き込みプロセスとの間における典型的な依存性を示している。 第１の低域通過フィルタの従来技術による実施を示している。 本発明の実施の一形態による光学検波器／増幅器で使用される光ダイオードの逆電圧に対する典型的な特性容量を示している。

Claims (9)

1. 電圧調整器の入力と出力との間の直列調整素子と、
   前記直列調整素子の制御入力に結合された第１の出力を有する差動入力エラー増幅器と、を備える電圧調整器であって、
   前記エラー増幅器は、高域通過フィルタを介して前記出力に結合された第２の出力をさらに備えることを特徴とする、電圧調整器。
2. 第１の低域通過フィルタが前記電圧調整器の入力と前記直列調整素子の入力端末との間に結合されている、請求項１に記載の電圧調整器。
3. 前記第１の低域通過フィルタは、直列に接続された第１の複数の抵抗器を含み、
   前記第１の複数の抵抗器は、前記第１の低域通過フィルタの時定数を変更する第１の複数の各スイッチに結合されている、請求項２に記載の電圧調整器。
4. 前記エラー増幅器の第１の入力は、第２の低域通過フィルタを介して前記電圧調整器の入力に結合されている、請求項１、２または３に記載の電圧調整器。
5. 前記第２の低域通過フィルタは、電圧源、抵抗器およびキャパシタの直列結合を含む、請求項４に記載の電圧調整器。
6. 前記直列調整素子は、第２の複数の各選択可能な抵抗器に結合された複数の直列調整素子を含む、請求項１乃至７のいずれかに記載の電圧調整器。
7. 前記第２の複数の選択可能な抵抗器は、対になって結合された電界効果トランジスタであり、各対は前記電圧調整器の入力と前記エラー増幅器の第１の出力との間に結合された２つのトランジスタの主電流チャンネルの直列接続を含む、請求項６に記載の電圧調整器。
8. 可変ゲイン増幅器に結合された１つ以上の光ダイオードを供給する、請求項１乃至７のいずれかに記載の電圧調整器を備える光学検波器／増幅器。
9. 前記可変ゲイン増幅器は、複数のカスケード接続された制御可能な増幅器を含む、請求項８に記載の光学検波器／増幅器。

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