JP6244194B2 - ボルテージレギュレータ - Google Patents

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Description

本発明は、電源が変動しても出力電圧を安定化することができるボルテージレギュレータに関する。
従来のボルテージレギュレータについて説明する。図9は、従来のボルテージレギュレータを示す回路図である。
従来のボルテージレギュレータは、誤差増幅回路103と、基準電圧回路102と、PMOSトランジスタ901、902と、出力トランジスタ105と、抵抗106、107、903と、容量904と、クランプ回路905と、グラウンド端子100と、出力端子104と、電源端子101を備えている。
抵抗106、107は、出力端子104とグラウンド端子100間に直列に設けられ、出力端子104に生ずる出力電圧Voutを分圧する。抵抗106、107の接続点に発生する電圧をVfbとすると、誤差増幅回路103はVfbが基準電圧回路102の電圧Vrefに近づくように出力トランジスタ105のゲート電圧を制御し、出力端子104に出力電圧Voutを出力させる。電源端子101の電源電圧VDDが上昇すると、電源端子101から変動検出キャパシタ904 に電流Ix1が流れる。電流Ix1は、PMOSトランジスタ901、902と抵抗903で構成される電流帰還回路によって増幅され、電流Ix2が生成される。電流Ix2は出力トランジスタ105のゲートに供給され、出力トランジスタ105のゲート容量を充電する。こうして、出力トランジスタ105のゲートソース間電圧VGSは、ソース電圧であるVDD が変動した場合でも適切な値に調節され、オーバーシュートが抑制されて安定化することができる(例えば、特許文献1参照)。
特開2007−157071号公報
しかしながら、従来のボルテージレギュレータは、電源電圧の変動を検出し出力電圧のオーバーシュートを抑制した後も依然として電源電圧の変動が続いている場合、過剰に出力トランジスタの制御を続けてしまい、アンダーシュートや新たなオーバーシュートを発生させるという課題があった。また、重負荷時に素早く電源電圧の変動が発生し、出力電圧のオーバーシュートを抑制した後アンダーシュートが発生した場合、その後の出力電圧を増大させる動作を誤検出して出力トランジスタを制御し発振してしまうという課題があった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、出力電圧のオーバーシュートを抑制した後、依然として電源電圧の変動が続いている場合や、重負荷時の電源変動でオーバーシュートとアンダーシュートが発生した場合でも、出力電圧を安定させることができるボルテージレギュレータを提供する。
従来の課題を解決するため、本発明のボルテージレギュレータは以下のような構成とした。
電源電圧の変動を検出するハイパスフィルタと、出力電圧の変動を検出するハイパスフィルタと、夫々のハイパスフィルタの出力に応じて電流を流す直列に接続したトランジスタと、直列に接続したトランジスタのドレイン電圧をクランプするクランプ回路と、を備え、直列に接続したトランジスタのドレイン電圧によってゲートが制御されるトランジスタのドレイン電圧で出力トランジスタのゲート電圧を制御するボルテージレギュレータ。
本発明のボルテージレギュレータによれば、出力電圧のオーバーシュートを抑制し、更にその後に発生するアンダーシュートを防止して、すばやく出力電圧を安定させることができる。
第一の実施形態のボルテージレギュレータを示す回路図である。 ハイパスフィルタの一例を示す回路図である。 ハイパスフィルタの他の例を示す回路図である。 ハイパスフィルタの他の例を示す回路図である。 第一の実施形態のボルテージレギュレータの動作を示す波形図である。 第一の実施形態のボルテージレギュレータの動作を示す波形図である。 第二の実施形態のボルテージレギュレータの構成を示す回路図である。 第三の実施形態のボルテージレギュレータの構成を示す回路図である。 従来のボルテージレギュレータの構成を示す回路図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
<第一の実施形態>
図1は、第一の実施形態のボルテージレギュレータの回路図である。
第一の実施形態のボルテージレギュレータは、誤差増幅回路103と、基準電圧回路102と、出力トランジスタ105と、抵抗106、107と、ハイパスフィルタ111、112と、NMOSトランジスタ113、114と、PMOSトランジスタ115と、バイアス回路121と、グラウンド端子100と、出力端子104と、電源端子101を備えている。
図2は、ハイパスフィルタ111、112の回路図である。ハイパスフィルタ111、112は、容量201と、抵抗202と、定電圧回路203と、入力端子211と、出力端子212を備えている。
次に、第一の実施形態のボルテージレギュレータの接続について説明する。
誤差増幅回路103は、反転入力端子が基準電圧回路102の正極に接続され、非反転入力端子が抵抗106と107の接続点に接続される。基準電圧回路102の負極はグラウンド端子100に接続され、抵抗107のもう一方の端子はグラウンド端子100に接続され、抵抗106のもう一方の端子は出力端子104に接続される。出力トランジスタ105は、ゲートが誤差増幅回路103の出力端子に接続され、ソースが電源端子101に接続され、ドレインが出力端子104に接続される。PMOSトランジスタ115は、ドレインが誤差増幅回路103の出力端子に接続され、ソースが電源端子101に接続され、ゲートがノード133を介してNMOSトランジスタ113のドレインに接続される。バイアス回路121は、一方の端子がNMOSトランジスタ113のドレインに接続され、もう一方の端子が電源端子101に接続される。NMOSトランジスタ113は、ソースはNMOSトランジスタ114のドレインに接続され、ゲートがノード132を介してハイパスフィルタ111の出力端子212に接続される。NMOSトランジスタ114は、ソースはグラウンド端子100に接続され、ゲートはノード131を介してハイパスフィルタ112の出力端子212に接続される。ハイパスフィルタ111の入力端子211は電源端子101に接続され、ハイパスフィルタ112の入力端子211は出力端子104に接続される。容量201は、一方の端子が入力端子211に接続され、もう一方の端子が出力端子212に接続される。抵抗202は、一方の端子が出力端子212に接続され、もう一方の端子が定電圧回路203の正極に接続される。定電圧回路203の負極はグラウンド端子100に接続される。
次に、第一の実施形態のボルテージレギュレータの動作について説明する。
電源端子101に電源電圧VDDが入力されると、ボルテージレギュレータは、出力端子104から出力電圧Voutを出力する。抵抗106と107は、出力電圧Voutを分圧し、分圧電圧Vfbを出力する。誤差増幅回路103は、基準電圧回路102の基準電圧Vrefと分圧電圧Vfbとを比較し、出力電圧Voutが一定になるよう出力トランジスタ105のゲート電圧を制御する。バイアス回路121はクランプ回路として動作し、PMOSトランジスタ115のゲート電圧を電源電圧VDDにクランプしてPMOSトランジスタ115をオフさせている。
出力電圧Voutが所定電圧よりも高いと、分圧電圧Vfbが基準電圧Vrefよりも高くなる。従って、誤差増幅回路103の出力信号(出力トランジスタ105のゲート電圧)が高くなり、出力トランジスタ104がオフしていくので出力電圧Voutは低くなる。また、出力電圧Voutが所定電圧よりも低いと、上記と逆の動作をして、出力電圧Voutは高くなる。この様にして、ボルテージレギュレータは、出力電圧Voutが一定になるように動作する。
ここで、電源電圧VDDが変動した場合を考える。図5は電源電圧VDDが上昇したときの各ノードの電圧の変動を示した波形である。電源電圧VDDが上昇するとハイパスフィルタ111が電源電圧VDDの変動を検出してノード132の電圧を上昇させる。電源電圧VDDの上昇に伴い出力電圧Voutも上昇し、ハイパスフィルタ112は出力電圧Voutの変動を検出してノード131の電圧を上昇させる。こうして、NMOSトランジスタ113、114に電流I0が流れる。バイアス回路121は電流I1を流しており、ノード131、132の電圧がさらに上昇して電流I0が電流I1より大きくなると、ノード133の電圧を低下させる。そして、PMOSトランジスタ115をオンさせ出力トランジスタ105のゲート電圧を上昇させることで出力トランジスタ105の動作をオフするように制御し、出力電圧Voutのオーバーシュートを抑制させる。出力電圧Voutのオーバーシュートを抑制後、電源電圧VDDは上昇を続けているが、ハイパスフィルタ112は出力電圧Voutの変動を検出しないため、ノード131の電圧は上昇せずNMOSトランジスタ114をオフさせる。そして、電流I0が流れないためPMOSトランジスタ115は動作せず、出力トランジスタ105を制御することはない。こうして、出力電圧Voutのオーバーシュートの制御後、電源電圧VDDが上昇を続けていても出力電圧Voutを一定電圧に保つことができる。
図6は出力端子104に重負荷がついた状態で電源電圧VDDが素早く上昇したときの各ノードの電圧の変動を示した波形である。電源電圧VDDが上昇するとハイパスフィルタ111が電源電圧VDDの変動を検出してノード132の電圧を上昇させる。電源電圧VDDの上昇に伴い出力電圧Voutも上昇し、ハイパスフィルタ112は出力電圧Voutの変動を検出してノード131の電圧を上昇させる。こうして、NMOSトランジスタ113、114に電流I0が流れる。バイアス回路121は電流I1を流しており、ノード131、132の電圧がさらに上昇して電流I0が電流I1より大きくなると、ノード133の電圧を低下させる。そして、PMOSトランジスタ115をオンさせ出力トランジスタ105のゲート電圧を上昇させることで出力トランジスタ105の動作をオフするように制御し、出力電圧Voutのオーバーシュートを抑制させる。出力端子104には重負荷がついているため出力トランジスタ105がオフすることで出力電圧Voutは急激に下降する。そして、誤差増幅回路103が出力トランジスタ105を制御し出力電圧Voutは急激に上昇する。この出力電圧Voutの上昇を受けてハイパスフィルタ112はノード131の電圧を上昇させるが、電源電圧VDDは上昇していないためハイパスフィルタ111はノード132の電圧を上昇させることはなくNMOSトランジスタ113をオフさせる。このため、電流I0は流れずPMOSトランジスタ115が出力トランジスタ105を制御することはない。こうして、重負荷時、出力電圧Voutのオーバーシュートの制御後、重負荷によってアンダーシュートが生じ誤差増幅回路103が出力電圧Voutを上昇させるように制御しても、PMOSトランジスタ115が出力トランジスタを制御することなく、出力電圧Voutを一定電圧に保つことができる。
なお、ハイパスフィルタの構成は図2を用いて説明したが、この構成に限るものではなく図3、図4の構成のような他の構成のハイパスフィルタを用いてもよい。図3の構成を用いるとバイアス回路303の電流I2をNMOSトランジスタ302に流すことで、ハイパスフィルタの出力212にあらかじめ電圧をバイアスしておくことができる。これにより、電源電圧VDDや出力電圧Voutの変動が小さい場合でもNMOSトランジスタ113、114に流れる電流を増大させやすくなりオーバーシュート抑制の効果を大きくできる。
図4の構成を用いるとバイアス回路403の電流I3をNMOSトランジスタ402に流すソースフォロアの構成をしており、このソースフォロアの出力電圧によってハイパスフィルタの出力212にあらかじめ電圧をバイアスしておくことができる。これにより、電源電圧VDDや出力電圧Voutの変動が小さい場合でもNMOSトランジスタ113、114に流れる電流を増大させやすくなりオーバーシュート抑制の効果を大きくできる。
また、NMOSトランジスタ113のソースにNMOSトランジスタ114のドレインが接続されるように説明したが、この構成に限るものではなくNMOSトランジスタ113と114の配置を入れ替えて、NMOSトランジスタ114のソースにNMOSトランジスタ113のドレインを接続するように変更してもよい。
以上説明したように、第一の実施形態のボルテージレギュレータは出力電圧のオーバーシュートを抑制した後、電源電圧の変動が続いている場合でも、出力電圧を安定させることができる。また、重負荷時に電源電圧の変動が発生し出力電圧のオーバーシュートを抑制した後アンダーシュートが発生しても出力電圧を安定させることができる。
<第二の実施形態>
図7は、第二の実施形態のボルテージレギュレータの回路図である。図1との違いは、バイアス回路121を抵抗701に変更した点である。他は図1と同様である。
次に、第二の実施形態のボルテージレギュレータの動作について説明する。出力電圧Voutを一定にする動作は第一の実施形態と同様である。ここで、電源電圧VDDが変動した場合を考える。動作の波形は第一の実施形態と同様であり、図5は電源電圧VDDが上昇したときの各ノードの電圧の変動を示す。電源電圧VDDが上昇するとハイパスフィルタ111が電源電圧VDDの変動を検出してノード132の電圧を上昇させる。電源電圧VDDの上昇に伴い出力電圧Voutも上昇し、ハイパスフィルタ112は出力電圧Voutの変動を検出してノード131の電圧を上昇させる。こうして、NMOSトランジスタ113、114に電流I0が流れる。電流I0が抵抗701に流れるとノード133の電圧を低下させる。そして、PMOSトランジスタ115をオンさせ出力トランジスタ105のゲート電圧を上昇させることで出力トランジスタ105の動作をオフするように制御し、出力電圧Voutのオーバーシュートを抑制させる。出力電圧Voutのオーバーシュートを抑制後、電源電圧VDDは上昇を続けているが、ハイパスフィルタ112は出力電圧Voutの変動を検出しないため、ノード131の電圧は上昇せずNMOSトランジスタ114をオフさせる。そして、電流I0が流れないためPMOSトランジスタ115は動作せず、出力トランジスタ105を制御することはない。こうして、出力電圧Voutのオーバーシュートの制御後、電源電圧VDDが上昇を続けていても出力電圧Voutを一定電圧に保つことができる。
図6は出力端子104に重負荷がついた状態で電源電圧VDDが素早く上昇したときの各ノードの電圧の変動を示した波形である。電源電圧VDDが上昇するとハイパスフィルタ111が電源電圧VDDの変動を検出してノード132の電圧を上昇させる。電源電圧VDDの上昇に伴い出力電圧Voutも上昇し、ハイパスフィルタ112は出力電圧Voutの変動を検出してノード131の電圧を上昇させる。こうして、NMOSトランジスタ113、114に電流I0が流れる。電流I0が抵抗701に流れるとノード133の電圧を低下させる。そして、PMOSトランジスタ115をオンさせ出力トランジスタ105のゲート電圧を上昇させることで出力トランジスタ105の動作をオフするように制御し、出力電圧Voutのオーバーシュートを抑制させる。出力端子104には重負荷がついているため出力トランジスタ105がオフすることで出力電圧Voutは急激に下降する。そして、誤差増幅回路103が出力トランジスタ105を制御することで出力電圧Voutは急激に上昇する。この出力電圧Voutの上昇を受けてハイパスフィルタ112はノード131の電圧を上昇させるが、電源電圧VDDは上昇していないためハイパスフィルタ111はノード132の電圧を上昇させることはなくNMOSトランジスタ113をオフさせる。このため、電流I0は流れずPMOSトランジスタ115が出力トランジスタ105を制御することはない。こうして、重負荷時、出力電圧Voutのオーバーシュートの制御後、重負荷によってアンダーシュートが生じ誤差増幅回路103が出力電圧Voutを上昇させるように制御しても、PMOSトランジスタ115が出力トランジスタを制御することなく、出力電圧Voutを一定電圧に保つことができる。
なお、ハイパスフィルタの構成は図2を用いて説明したが、この構成に限るものではなく図3、図4の構成のような他の構成のハイパスフィルタを用いてもよい。
また、NMOSトランジスタ113のソースにNMOSトランジスタ114のドレインが接続されるように説明したが、この構成に限るものではなくNMOSトランジスタ113と114の配置を入れ替えて、NMOSトランジスタ114のソースにNMOSトランジスタ113のドレインを接続するように変更してもよい。
以上説明したように、第二の実施形態のボルテージレギュレータは出力電圧のオーバーシュートを抑制した後、電源電圧の変動が続いている場合でも、出力電圧を安定させることができる。また、重負荷時に電源電圧の変動が発生し出力電圧のオーバーシュートを抑制した後アンダーシュートが発生しても出力電圧を安定させることができる。
<第三の実施形態>
図8は、第三の実施形態のボルテージレギュレータの回路図である。図1との違いは、バイアス回路121をダイオード接続したPMOSトランジスタ801に変更した点である。他は図1と同様である。
次に、第三の実施形態のボルテージレギュレータの動作について説明する。出力電圧Voutを一定にする動作は第一の実施形態と同様である。ここで、電源電圧VDDが変動した場合を考える。動作の波形は第一の実施形態と同様であり、図5は電源電圧VDDが上昇したときの各ノードの電圧の変動を示す。電源電圧VDDが上昇するとハイパスフィルタ111が電源電圧VDDの変動を検出してノード132の電圧を上昇させる。電源電圧VDDの上昇に伴い出力電圧Voutも上昇し、ハイパスフィルタ112は出力電圧Voutの変動を検出してノード131の電圧を上昇させる。こうして、NMOSトランジスタ113、114に電流I0が流れる。電流I0がダイオード接続したPMOSトランジスタ801に流れるとノード133の電圧が低下する。そして、PMOSトランジスタ115をオンさせ出力トランジスタ105のゲート電圧を上昇させることで出力トランジスタ105の動作をオフするように制御し、出力電圧Voutのオーバーシュートを抑制させる。出力電圧Voutのオーバーシュートを抑制後、電源電圧VDDは上昇を続けているが、ハイパスフィルタ112は出力電圧Voutの変動を検出しないため、ノード131の電圧は上昇せずNMOSトランジスタ114をオフさせる。そして、電流I0が流れないためPMOSトランジスタ115は動作せず、出力トランジスタ105を制御することはない。こうして、出力電圧Voutのオーバーシュートの制御後、電源電圧VDDが上昇を続けていても出力電圧Voutを一定電圧に保つことができる。
図6は出力端子104に重負荷がついた状態で電源電圧VDDが素早く上昇したときの各ノードの電圧の変動を示した波形である。電源電圧VDDが上昇するとハイパスフィルタ111が電源電圧VDDの変動を検出してノード132の電圧を上昇させる。電源電圧VDDの上昇に伴い出力電圧Voutも上昇し、ハイパスフィルタ112は出力電圧Voutの変動を検出してノード131の電圧を上昇させる。こうして、NMOSトランジスタ113、114に電流I0が流れる。電流I0がダイオード接続したPMOSトランジスタ801に流れるとノード133の電圧が低下する。そして、PMOSトランジスタ115をオンさせ出力トランジスタ105のゲート電圧を上昇させることで出力トランジスタ105の動作をオフするように制御し、出力電圧Voutのオーバーシュートを抑制させる。出力端子104には重負荷がついているため出力トランジスタ105がオフすることで出力電圧Voutは急激に下降する。そして、誤差増幅回路103が出力トランジスタ105を制御することで出力電圧Voutは急激に上昇する。この出力電圧Voutの上昇を受けてハイパスフィルタ112はノード131の電圧を上昇させるが、電源電圧VDDは上昇していないためハイパスフィルタ111はノード132の電圧を上昇させることはなくNMOSトランジスタ113をオフさせる。このため、電流I0は流れずPMOSトランジスタ115が出力トランジスタ105を制御することはない。こうして、重負荷時、出力電圧Voutのオーバーシュートの制御後、重負荷によってアンダーシュートが生じ誤差増幅回路103が出力電圧Voutを上昇させるように制御しても、PMOSトランジスタ115が出力トランジスタを制御することなく、出力電圧Voutを一定電圧に保つことができる。
なお、ハイパスフィルタの構成は図2を用いて説明したが、この構成に限るものではなく図3、図4の構成のような他の構成のハイパスフィルタを用いてもよい。
また、NMOSトランジスタ113のソースにNMOSトランジスタ114のドレインが接続されるように説明したが、この構成に限るものではなくNMOSトランジスタ113と114の配置を入れ替えて、NMOSトランジスタ114のソースにNMOSトランジスタ113のドレインを接続するように変更してもよい。
以上説明したように、第三の実施形態のボルテージレギュレータは出力電圧のオーバーシュートを抑制した後、電源電圧の変動が続いている場合でも、出力電圧を安定させることができる。また、重負荷時に電源電圧の変動が発生し出力電圧のオーバーシュートを抑制した後アンダーシュートが発生しても出力電圧を安定させることができる。
100 グラウンド端子
101 電源端子
102 基準電圧回路
103 誤差増幅回路
104 出力端子
105 出力トランジスタ
111、112 ハイパスフィルタ
121、303、403 バイアス回路
905 クランプ回路

Claims (8)

  1. 電源端子から入力された電源電圧を安定化して出力するボルテージレギュレータであって、
    出力トランジスタが出力する出力電圧を分圧した分圧電圧と基準電圧の差を増幅して出力し、前記出力トランジスタのゲートを制御する誤差増幅回路と、
    前記電源電圧の変動を検出する第一のハイパスフィルタと、
    前記出力電圧の変動を検出する第二のハイパスフィルタと、
    前記第一または第二のハイパスフィルタの出力電圧に応じて電流を流す第一のトランジスタと、
    前記第二または第一のハイパスフィルタの出力電圧に応じて電流を流し、前記第一のトランジスタと直列に接続される第二のトランジスタと、
    前記第一のトランジスタのドレイン電圧をクランプするクランプ回路と、
    ゲートが前記第一のトランジスタのドレインに接続され、ドレインが前記出力トランジスタのゲートに接続され、前記第一のトランジスタのドレイン電圧によって前記出力トランジスタの動作を制御する第三のトランジスタと、を備えることを特徴とするボルテージレギュレータ。
  2. 前記クランプ回路は、一方の端子が前記電源端子に接続され、他方の端子が前記第三のトランジスタのゲートと前記第一のトランジスタのドレインに接続される第一のバイアス回路を備えることを特徴とする請求項1に記載のボルテージレギュレータ。
  3. 前記クランプ回路は、一方の端子が前記電源端子に接続され、他方の端子が前記第三のトランジスタのゲートと前記第一のトランジスタのドレインに接続される第一の抵抗を備えることを特徴とする請求項1に記載のボルテージレギュレータ。
  4. 前記クランプ回路は、ゲートとドレインが前記第三のトランジスタのゲートと前記第一のトランジスタのドレインに接続された第四のトランジスタを備えることを特徴とする請求項1に記載のボルテージレギュレータ。
  5. 前記第一のハイパスフィルタは、
    一方の端子が前記第一のハイパスフィルタの入力端子に接続され、他方の端子が前記第一のハイパスフィルタの出力端子に接続された容量と、
    一方の端子が前記第一のハイパスフィルタの出力端子に接続された第二の抵抗と、
    前記第二の抵抗の他方の端子に接続された第一の定電圧回路と、を備えることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のボルテージレギュレータ。
  6. 前記第二のハイパスフィルタは、
    一方の端子が前記第二のハイパスフィルタの入力端子に接続され、他方の端子が前記第二のハイパスフィルタの出力端子に接続された容量と、
    一方の端子が前記第二のハイパスフィルタの出力端子に接続された第二の抵抗と、
    前記第二の抵抗の他方の端子に接続された第一の定電圧回路と、を備えることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のボルテージレギュレータ。
  7. 前記第一の定電圧回路は、
    ゲートとドレインが接続された第五のトランジスタと、
    前記第五のトランジスタのゲートとドレインに接続された第二のバイアス回路を備えることを特徴とする請求項5または6に記載のボルテージレギュレータ。
  8. 前記第一の定電圧回路は、
    ソースフォロア回路と、
    前記ソースフォロア回路の入力に接続された第二の定電圧回路を備えることを特徴とする請求項5または6に記載のボルテージレギュレータ。
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