KR20120000517A - 로드 스위치 - Google Patents

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KR20120000517A
KR20120000517A KR1020110061138A KR20110061138A KR20120000517A KR 20120000517 A KR20120000517 A KR 20120000517A KR 1020110061138 A KR1020110061138 A KR 1020110061138A KR 20110061138 A KR20110061138 A KR 20110061138A KR 20120000517 A KR20120000517 A KR 20120000517A
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스치 데이비드
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마이크렐 인코포레이티드
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Abstract

작은 입력-출력 차동 전압을 유지하고 규정된 응답을 제공하기 위한 반도체 디바이스, 회로 및 AC 및 DC 로드 스위치. 로드 스위치는 입력 단자 및 출력 단자에 결합되는 통과 소자를 구비할 수 있다. 통과 소자는 제어 단자를 구비할 수 있고, 제어 단자는 통과 소자의 응답을 제어한다. 로드 스위치는 통과 소자와 고 임피던스를 유지하면서 입력 단자와 출력 단자 사이의 전압 강하를 제어하도록 구성되는 제어 단자에 결합되는 제 1 루프를 구비할 수 있다. 로드 스위치는 입력 단자로부터의 규정된 필터 응답을 제공하도록 구성되는 제어 단자에 결합되는 제 2 루프를 구비할 수 있다. 규정된 응답은 저역 통과 응답, 고역 통과 응답, 또는 대역 통과 응답일 수 있다. 응답의 통과대역 및/또는 저지대역은 프로그램될 수 있다.

Description

로드 스위치{Load switch}
이 출원은 일반적으로 전력 시스템들에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 필터링을 제공하면서 매우 작은 입력-출력 차동 전압을 유지하는 로드 스위치에 관한 것이다.
전력 소비는 배터리에 의해 작동되는 많은 전자 시스템들 내에서, 특히 휴대 장치에서 주된 관심사항이 되고 있다. 이들 장치들은 전력을 저감하기 위해 스위칭 요소들을 통해 종종 접속되거나 분리되는 다수의 서브시스템들을 구비할 수 있다. 오늘날, 대부분의 시스템들에서, 전자 장치들은 아날로그 스위치들 또는 LDO들(low dropout regulators)을 사용한다. 서브시스템들은, 이들 스위칭 요소들을 통해, DC/DC 컨버터에 접속될 수 있다. 종종 이들 DC/DC 컨버터들은 배터리 수명의 최대화를 시도하는 부하선들(load lines) 및 가변 출력 전압들을 구비한다.
그러나, 스위칭 요소들을 DC/DC 컨버터에 접속함으로써, RF 구성요소를 포함해서, 다운스트림 구성요소를 잠재적으로 간섭하는 부하에 노이즈가 도입될 수 있다. 아날로그 스위치들에 있어서, 많은 시스템들이 이러한 노이즈를 감쇠시키기 위해 LC 필터들을 이용해 왔다. 아날로그 스위치 대신에, LDO가 사용되고, LDO 필터링 응답이 충분하지 않으면, 많은 시스템들은 또한 필터링을 위한 LDO 외에 수동(passive) 구성요소들을 이용한다.
아날로그 스위치의 사용은 이상적이지 않은 데 그 이유는 수동 필터 구성요소들이 부가되어 보드 공간을 차지하고 시스템의 전체 비용을 상승시키기 때문이다. 또한, 필터링 요소로서의 LDO의 사용은, 외부 구성요소들이 있든 없든 간에, 이상적이지 않은데 그 이유는 LDO들은 일반적으로 입력을 추적하지 않는 일정한 출력 전압을 가지기 때문이다. 전형적으로, 이것은 더 높은 전압 강하 및 본질적으로, 강하 직전까지 이상적인 것보다 낮은 효율을 가져 온다. 게다가, 구성요소 확산(component proliferation) 및 LDO들에 의해 일반적으로 제공되는 단차 응답(single order response)으로 인해 상기 해법들 중 어느 하나를 이용하여 다차 광대역 필터 응답(multi-order wideband filter response)을 제공하는 것은 금지이다.
이 요약은 이하의 출원의 설명에서 더 기술되는 단순화된 형태로 개념들의 선택을 소개하기 위해 제공된다. 이 요약은 청구된 발명의 대상의 중요 특징들을 확인하고자 의도되지 않고, 청구된 발명의 대상의 범위를 결정하는 데 있어서의 도움(aid)으로서 이용되도록 의도되지도 않는다.
본 출원의 일 양상에 따르면, 반도체 디바이스가 제공된다. 반도체 디바이스는 입력 단자 및 출력 단자에 결합되는 통과 소자를 구비할 수 있고, 상기 통과 소자는 제어 단자를 구비하고, 상기 제어 단자는 상기 통과 소자의 이득 응답을 제어한다. 또한, 반도체 디바이스는 상기 제어 단자에 결합되고 상기 통과 소자와 고 임피던스를 유지하면서 상기 입력 단자와 상기 출력 단자간의 전압 강하를 제어하도록 구성되는 제 1 루프를 구비할 수 있다. 반도체 디바이스는 또한 상기 제어 단자에 결합되고 상기 입력 단자로부터 규정된 응답을 제공하도록 구성되는 제 2 루프를 구비할 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 입력 단자 및 출력 단자를 가진 회로가 제공된다. 상기 회로는 게이트, 소스 및 드레인을 가진 트랜지스터를 구비할 수 있고, 상기 트랜지스터의 상기 드레인은 상기 입력 단자에 결합되고 상기 소스는 상기 출력 단자에 결합된다. 또한, 상기 회로는 반전 입력, 비반전 입력 및 출력을 가진 규정된 AC 및 DC 응답을 갖는 이득 소자(gain element)를 구비할 수 있고, 상기 이득 소자의 상기 출력은 상기 트랜지스터의 상기 게이트에 결합된다. 상기 회로는 또한 상기 트랜지스터에 대해 크기가 일정 비율로 되어 있는 2개의 레플리커 트랜지스터들을 가진 최적화된 강하 기준 발생 회로(optimized drop reference generating circuit)를 구비할 수 있고, 모든 3개의 소자들은 상기 게이트 및 소스에 접속되고, 상기 기준 전압은 포화 내에서만 이득 소자를 통해 트랜지스터를 유지한다.
본 출원의 또 다른 양상에 따르면, 입력 전압을 수신하고 출력 전압을 공급하는 프로그램 가능 저지대역(stopband) 또는 통과대역(passband)을 갖는 저역 통과 AC 및 DC 로드 스위치(load switch)가 제공된다. 상기 스위치는 포화 또는 고 임피던스 동작이 유지되도록 상기 입력 전압보다 낮은 전압으로 상기 출력 전압을 조절하는 루프 응답(loop response)을 포함할 수 있다. 또한, 저지대역 또는 통과대역 AC 필터 응답을 제공하는 루프 필터를 구비할 수 있고, 상기 루프 필터는 상기 프로그램 가능 저지대역 또는 통과대역에 기초한 계수들을 가진다.
이 출원의 특징이라고 믿어지는 신규의 특징들은 첨부된 청구항들에 기재되어 있다. 다음의 설명들에 있어서, 동일 부분들은 명세서 및 도면들 전체에 걸쳐 동일한 번호들이 각각 붙여진다. 도시된 도면들은 실제 축척으로 반드시 그려질 필요가 없고 특정 도면들은 명확성 및 간결성을 위하여 확대되거나 개괄적인 형태로 도시될 수 있다. 그러나, 최선의 사용 형태, 추가의 목적들 및 이들의 이점들뿐만 아니라 출원서 자체는 첨부 도면들과 관련하여 읽을 때 예시적인 실시예들의 다음의 상세한 설명을 참조하면 가장 잘 이해될 것이다.
도 1은 예시적인 로드 스위치가 본 출원의 일 양상에 따라 사용될 수 있는 전형적인 응용을 나타내는 도면.
도 2는 본 출원의 일 양상에 따른 로드 스위치 내의 구성요소들을 설명하는 예시적인 회로를 제공하는 도면.
도 3은 본 출원의 일 양상에 따른 필터의 전달 특성들 및 필터링된 응답 '마스크'에 대한 설명적인 보드 플롯을 나타내는 도면.
도 4는 본 출원의 일 양상에 따른 로드 스위치에 부가되는 기존의 이산 구성요소들에 공통인 LC 필터 응답을 도시하는 도면.
도 5는 본 출원의 일 양상에 따른 예시적인 로드 스위치에 대한 크기들 및 위상 응답들을 제공하는 그라프.
도 6은 본 출원의 일 양상에 따른 예시적인 로드 스위치에 대한 전형적인 핀 구성을 나타내는 도면.
도 7은 본 출원의 일 양상에 따라 드레인-소스 전압 강하를 유지하기 위한 설명적인 포화 추정 회로를 나타내는 도면.
도 8은 본 출원의 일 양상에 따른 설명적인 포화 추정 회로의 Vds/Ids 특성을 나타내는 도면.
(출원의 설명)
첨부 도면들과 관련하여 이하에 기술되는 설명은 이 출원의 현재의 최선의 실시예들의 설명으로서 의도되고 본 출원이 구성되고 및/또는 이용될 수 있는 유일한 형태들을 나타내도록 의도되지 않는다. 상기 설명은 설명된 실시예들과 관련하여 이 출원을 구성하고 조작하는 기능들 및 단계들의 순서를 기술한다. 그러나, 동일 또는 등가의 기능들 및 순서들이 또한 이 출원의 사상 및 범위 내에 포함되도록 의도되는 상이한 실시예들에 의해 달성될 수 있다는 것이 이해된다.
일반적으로 기술되는, 본 출원은 전력 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수동 필터 구성요소들(passive filter components)이 대체되는 것보다 고차 특성(higher order characteristic)을 유지하는 추가 이익을 가질 수 있는 이산 필터 대체 능력(discrete filter replacement capability)을 가지는 로드 스위치에 관한 것이다. 일 예시적인 실시예에 있어서, 로드 스위치는 입력 단자 및 출력 단자에 결합되는 통과 소자를 구비할 수 있고, 상기 통과 소자는 제어 단자를 구비할 수 있고, 상기 제어 단자는 상기 통과 소자의 이득 응답(gain response)을 제어한다. 로드 스위치는 상기 제어 단자에 결합되고 상기 통과 소자와 고 임피던스를 유지하면서 상기 입력 단자와 상기 출력 단자간의 전압 강하를 제어하도록 구성되는 제 1 루프를 더 구비할 수 있다. 루프는 공통 소스 MOSFET 구성이 사용될 때 포화를 유지할 수 있다. 또한, 로드 스위치는 상기 제어 단자에 결합되고 상기 입력 단자로부터 규정된 응답을 제공하도록 구성되는 제 2 루프를 구비할 수 있다. 규정된 응답은 저역 통과 응답, 고역 통과 응답 또는 대역 통과 응답을 제공할 수 있다. 응답의 통과대역 및/또는 저지대역이 프로그램될 수 있다.
제어 단자의 대역폭 밖의 주파수들에 대해, 일 실시예에 있어서, 외부 커패시터가 출력 단자에 결합될 수 있다. 외부 커패시터는 주 통과 소자 및 외부 커패시터 양단의 기생들(parasitics)에 의해 형성되는 커패시터 분할기가 수동 감쇠(passive attenuation)를 제공하도록 공진 주파수로 선택될 수 있다.
다른 예시적인 실시예에 있어서, 통과 소자는 부하의 대부분을 다루는 대형 디바이스를 슬루잉(slewing)하는 저 대역폭 제어 루프 및 구동기에 의해 인출되는 전류를 최소화하기 위해 DC/DC 노이즈 리플을 거부하는 고 주파수 제어 루프를 갖는 2개의 병렬 요소들로 분할될 수 있다. 이 실시예에 있어서, 통과 소자들은 병렬 팔로워들(parallel follower) 또는 대안으로 작은 인버팅 통과 소자를 갖는 큰 팔로워의 형태로 제공될 수 있다. 전형적으로, 이러한 작은 소자는 낮은 전압 반도체 디바이스의 사용을 허용할 수 있는 데, 그 이유는 종종 그것이 팔로워 구성에서 필요로 되는 입력 전압 위에서 구동되는 그것의 제어 노드를 필요로 하지 않기 때문이다.
또 다른 예시적인 실시예에 있어서, 포화 검출 회로는, 통과 소자를 갖고 고 임피던스를 유지하는 입력 단자와 출력 단자간의 전압 강하를 유지할 필요가 있는 출력 기준 전압을 결정하기 위해 제어 루프의 부분으로서 사용될 수 있다. 이 회로는 고 임피던스를 보장하기 위해 포화 Vds/Ids 특성으로 3극 진공관의 포물선 무릎 밖의 지점에서 드레인-소스 전압 강하를 유지할 수 있고, 또는 단지 포물선 무릅 위의 이득 손실을 보상하기 위해 루프의 이득을 높이는 회로를 제공하는 포화 밖으로 설정될 수 있다.
이전의 설명을 통해, 구성요소는 포화된 채로 있고 따라서 고 임피던스를 제공하기 위해 반도체 통과 소자 양단에 필요로 되는 최소 강하를 결정할 수 있는 것으로 위에 기술되었다. 구성요소는 또한 상기 포화를 유지하는 데 필요로 되는 최소 입력-출력 전압 강하를 반영할 수 있는 제어 루프에 출력 전압 기준을 제공하고 그럼으로써 입력 전압 추적 기능을 제공할 수 있다. 상기 구성요소는, 인에이블링 기능, 즉, 스위치 능력 및 단차 내지 다차 필터 응답들을 제공한다. 구성요소는 저지 또는 통과 대역들을 프로그램하는 어떤 디지털 또는 아날로그 구성요소들을 더 구비할 수 있다.
도시될 것과 같이, 로드 스위치는 서브시스템들에 대해 전력을 공급하면서, 고 주파수 리플, 노이즈 및 스파이크들(spikes)을 제거할 수 있다. 또한, 종종 스위칭 기술들과 연관된 왜곡들이 제거되거나 최소화될 수 있다. 이하에 제공되는 설계 고려사항을 통해, 부피가 큰 부품들을 제거하면서 최종 사용자를 위한 배터리 수명을 연장하고 효율을 최대화하기 위해 전력 손실이 최소화된다. 관련 기술에서 숙련된 사람은 로드 스위치에 의해 제공되는 이점들이 이하에 더 완전히 기술되는 것을 이해할 것이다.
로드 스위치로서 여기에 기술되지만, 본 출원은 또한 LDO(low dropout regulator)와 같은 선형 조절기들 또는 전압 조절기들에 관한 것일 수 있다. 로드 스위치에 대한 응용들은 셀 폰 송수신기 전력, 무선 주파수(RF) 전력 및 범지구 위치확인 시스템(global positioning systems)을 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않는다.
도 1을 참조하면, 로드 스위치(100)에 대한 전형적인 응용(102)이 도시된다. 이 실시예에 있어서, 로드 스위치(100)는 DC/DC 컨버터 전력 입력(104)에 결합될 수 있다. 로드 스위치(100)는 일반적으로 이전 회로들에 배치되는, 이산 래더 필터들(discrete ladder filters)을 위한 감소된 풋프린트 대체물(reduced footprint replacement)을 통상 포함한다. 이 응용(102)에 있어서, 로드 스위치(100)는 입력 전압 Vin(104)을 수신할 수 있고 부하에 출력 전압 Vout(106)을 제공할 수 있다. 커패시터들, 예컨대 C1(108) 및 C2(110)은 고주파수 전류 경로들을 제공하고 또한 상기 로드 스위치(100)를 보상하기 위해 사용될 수 있다.
위에 제공된 예시적인 실시예에 있어서, 출력 전압 Vout(106)은 전력공급된 회로에 제공될 수 있다. 접지 기준(ground reference; 112)은 입력 전압 Vin(104), 출력 전압 Vout(106), 로드 스위치(100), 전력공급된 회로, 및 커패시터들 Cl(108) 및 C2(110)에 결합될 수 있다. 수개의 구성요소들이 이러한 응용(102)의 상황에서 기재되어 있지만, 많은 다른 형태의 응용(102)이 로드 스위치(100)를 사용할 수 있다.
일 응용(102)이 위에 기술되었지만, 관련 기술에서 숙련된 사람은 많은 응용들이 여기에 기술될 로드 스위치(100)를 사용할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 게다가, 위에 제공된 이들 설계 특성들은 로드 스위치(100)의 일 예를 제공하고자 의도되고 본 출원을 여기에 기술된 회로로 제한하지 않는다.
도 2는 본 발명의 일 양상에 따른 전형적인 로드 스위치(100) 내의 구성요소들을 설명하는 예시적인 회로를 제공한다. 스위치(100)는 필터 응답을 제공하면서 매우 작은 입력 전압 Vin(104) 대 출력 전압 Vout(106) 차를 유지할 수 있다. 예시적인 로드 스위치(100)의 주 구성요소들은 AC 및 DC 응답을 갖는 이득 소자(206), 상기 AC 및 DC 이득 소자(206)의 비반전 단자에 접속되는 기준 전압 및 통과 소자(208)가 있지만, 이에 한정되지 않는다. 이들 구성요소들 각각은 이하에 더 상세히 기술될 것이다. 이어서, 이들 구성요소들의 동작들이 이후에 기술될 것이다.
로드 스위치들(100)은 단독으로는 필터링 성능들을 제공하지 않기 때문에, 이전의 로드 스위치들(100)은 수동 래더 필터 네트워크들(passive ladder filter networks)과 결합되었다. 그럼에도 불구하고, 이들 수동 래더 필터들은 추가의 공간을 차지하였고 비용 효율적이지 않았다. AC 및 DC 이득 소자(206)는 입력(104)으로부터 리플 및 노이즈를 감쇠시킬 수 있다. 설명될 것과 같이, AC 및 DC 이득 소자(206)는 고정된 응답(fixed response)을 제공할 수 있고 또는 프로그램될 수 있다. 일반적으로, AC 및 DC 이득 소자(206)는 디지털 필터 또는 아날로그 필터를 구비할 수 있다. 디지털 필터의 일 형태는 무한 임펄스 응답(infinite impulse response; IIR) 필터이고 다른 형태는 유한 임펄스 응답(finite impulse response; FIR) 필터이다. 관련 기술에서 숙련된 사람에게 알려진, 다수의 필터 형태가 신호들을 처리하기 위해 존재하고 여기에 통합된다.
이전에 기술된 AC 및 DC 이득 소자(206)의 예들이 제공된다. 명백하게 될 것과 같이, AC 및 DC 이득 소자(206)는 많은 형태들로 올 수 있고 상기한 것들로 제한하고자 의도되지 않는다. AC 및 DC 이득 소자(206) 자체는 저역-통과 응답, 고역-통과, 또는 대역 통과 응답을 제공할 수 있다. 저역-통과 응답들은 저주파수 신호들을 통과시킬 수 있지만 컷오프(cutoff) 주파수보다 높은 주파수들로 신호들을 감쇠킬 수 있다. 고역-통과 응답들은 고주파수들을 통과시킬 수 있지만 컷오프 주파수보다 낮은 주파수들을 감쇠시킬 수 있다. 대역 통과 응답은 특정 범위 내의 주파수들을 통과시킬 수 있고 그 범위 밖의 주파수들을 거절할 수 있다.
본 출원에 따르면, 통과대역 및 저지대역은 프로그램될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 루프 전달 함수(loop transfer function)의 저지대역 또는 통과대역 경계 주파수는 필터의 프로그래밍 단자에 접속되는 레지스터 또는 커패시터의 크기와 일치시켜 프로그램될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 루프 전달 함수의 저지대역 또는 통과대역 경계 주파수는 바이너리 레지스터의 크기와 일치시켜 프로그램될 수 있다. 바이너리 레지스터는 디지털 인터페이스에 의해 프로그램될 수 있다. 계수들은 최소 차수 필터 전달 함수(minimum order filter transfer function) 및 저지대역 및 통과대역의 최대로 균일한(flat) 또는 등리플(equiripple) 요건으로부터 선택될 수 있다.
전형적으로, AC 및 DC 이득 소자(206)는 제어기에 결합될 수 있다. 제어기는 저지대역 및 통과대역 선택들에 기초하여 루프 필터 계수들을 계산할 수 있다. 제어기는 또한 직접 또는 참조 테이블들의 사용을 통해 통과대역 및 저지대역에서 최대 균등 또는 등리플 요건들 외에 상기 선택들에 기초하여 최소 차수 필터 전달 함수를 선택할 수 있다.
AC 및 DC 이득 소자(206), 특히 AC 이득 소자(206)의 출력에는 도 2에 도시된 통과 소자 또는 트랜지스터(208)가 결합될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 트랜지스터(208)는 공통 소스 구성을 가진 n-채널 MOSFET일 수 있다. 트랜지스터(208)는 게이트, 소스 및 드레인을 구비할 수 있다. MOSFET의 게이트는 제어 단자일 수 있다. MOSFET의 드레인은 입력 전압 Vin(104)에 결합될 수 있고, MOSFET의 소스는 출력 전압 Vout(106)에 결합될 수 있다. MOSFET는 다수의 특징들 및 기능들을 제공할 수 있지만, MOSFET의 게이트는 Vds > Vgs - Vt을 유지하도록 조정될 수 있고, 여기서 Vds는 MOSFET의 드레인과 소스간 전압을 나타내고, Vgs는 MOSFET의 게이트와 소스간 전압을 나타내고, Vt는 문턱값을 나타낸다. 일 실시예에 있어서, 포화 검출 회로는 MOSFET가 포화 영역에서 동작을 유지하는 것을 보장하기 위해 이용될 수 있다.
로드 스위치(100) 내에 전형적인 구성요소들이 제공되지만, 관련 기술에서 숙련된 사람은 스위치(100) 내에 더 적은 또는 더 많은 구성요소들이 있을 수 있다는 것을 이해할 것이다. 게다가, 입력 전압 Vin(104)은 AC 성분들을 포함할 수 있다.
이전에 기술된 것과 같이, 로드 스위치(100)는 입력 전압 Vin(104)과 출력 전압 Vout(106) 사이에서 일정한 전압을 유지할 수 있다. 이것은 AC 이득 소자(206)의 비반전 입력에 제공되는 기준 전압, 및 네커티브 피드백 구성에서 AC 및 DC 이득 소자(206)의 반전 입력에 공급되는 출력 전압 또는 스케일링된(scaled) Vout(106)에 의존할 수 있다. 이득 소자(206)는 원하는 기준 전압으로 출력 전압 Vout(106)을 유지하기 위해 트랜지스터(208)의 전압 강하를 제어할 수 있다. AC 및 DC 이득 소자(206)에 제공되는 피드백은 또한 고 임피던스일 수 있는 부하, 저항 또는 다른 유형의 부하에 결합되는 출력 전압 Vout(106)을 모니터링할 수 있다.
AC 및 DC 이득 소자(206)를 통해, 프로그램 가능 저지대역 및 통과대역을 제공하면서 매우 작은 입력 전압 Vin(104) 및 출력 전압 Vout(106) 차를 유지하기 위해 로드 스위치(100)에 대해 다수의 동작들(multiple operations)이 제공된다. AC 이득 소자(206)는 에러 증폭기로서 작용할 수 있다. 도시된 것과 같이, 출력은 트랜지스터(208)를 조정하는 트랜지스터(208)의 게이트에 공급될 수 있다.
도 3은 본 출원의 일 양상에 따른 로드 스위치(100)의 전달 특성들 및 필터링된 응답 "마스크(mask)"에 대한 설명적인 보드 플롯(bode plot)을 나타낸다. 도 4에 묘사된 것과 같이, 로드 스위치(100)에 부가되는 기존의 이산 구성요소들에 공통인 LC 필터 응답이 도시된다. 게다가 도 5에 도시된 것과 같이, 예시적인 로드 스위치(100)에 대한 크기들 및 위상 응답들을 제공하는 그라프가 제공된다.
도 6를 참조하면, 예시적인 로드 스위치(100)의 전형적인 핀 구성이 도시된다. 상대적으로 말해, 이 실시예 내에서, 그것은 로드 스위치(100) 상의 핀들의 수가 적어 오늘날 많은 응용들에 이상적으로 적합하게 한다. Pin 1은 STOP을 나타내고, Pin 2는 GND를 나타내고, Pin 3은 IN을 나타내고, Pin 4는 OUT을 나타내고, Pin 5는 SCL을 나타내고, Pin 6은 SDA를 나타내고, 이것은 통과대역 및 저지대역을 프로그래밍하기 위한 2개의 유선 디지털 버스를 위한 단자들이다. 최소의 예시적인 로드 스위치(100)는 Pin 2, Pin 3 및 Pin 4만을 구비할 수 있다.
도 7에 도시된 것과 같이, 포화 측정 회로는 AC 이득 소자(206)가 그 드레인을 가로질러 소스 단자들에 작동하도록 사용하는 출력 전압 기준을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 이 회로는 포화를 유지하는 데 필요한 최소 강하를 결정함으로써 통과 소자(208)가 포화된 채로 있는 것을 보장하는 데 사용될 수 있다. 이 때 강하는 최소 강하를 추적하기 위한 기준 출력 전압으로서 사용될 수 있다. 레플리커(replica) 통과 소자 및 포화 추정 회로는 출력 단자 기준 전압을 확립하는 데 사용될 수 있다. 기준 전압은 단지 필요한 부하 전류에 대한 포화 내의 한 지점에서 드레인-소스 전압 강하로 유지할 수 있는 제어 루프를 통해 확립될 수 있다.
예로서, 그러나 제한하지 않는 것으로, 포화 측정 회로는 주 통과 소자(208)로 스케일링된 2개의 레플리커 트랜지스터들(M3, M2)을 구비하고, 여기서 모든 3개의 소자 소스들은 동일한 전위 Vo에 접속된다. 레플리커 트랜지스터들(M3, M2)의 드레인들은 통과 소자(206) 드레인 입력 전압(Vcc)보다 높은 전압 VCHARGEPUMP에 접속될 수 있다. 전류 미러들(mirrors)은 I=Vo/nR의 전류로 제 1 레플리커 디바이스(M2)에 의해 그리고 I-ΔI의 약간 낮은 전류로 제 2 레플리커 디바이스(M3)에 의해 구동되고, 여기서 I=Vo/nR의 n은 주 통과 소자와 레플리커 디바이스들간의 스케일링 인자(scaling factor)이다. 레플리커 트랜지스터(M3)에 있어서, 도 8에 도시된 것과 같은 I로부터 I-ΔI로의 Vds의 변경에 대응하는 작은 전압 ΔVo은 I-ΔI 전류 소스 및 M3에 직렬로 삽입된다. 이 때 ΔVo 전압 강하 소자의 포지티브측 및 M2의 드레인에 접속되는 단자들을 갖는 증폭기(A)는 주어진 Vo 에 대해 도 8에 도시된 것과 유사한 동작을 강행하고, 여기서 M2는 단지 포화 내에 있고 M2 및 M3는 3극 진공관과 포화 사이의 포물선 무릎에 걸쳐 있고 대안으로 M3는 포물선 무릎 위에서 동작한다. 제 3 루프는, 예를 들어, 반복 루프(iterative loop)는 이때 Vo 및 차례로 VCHARGEPUMP에 접속된 전류 소스들을 양 증폭기(A)가 적절한 동작점의 로크(lock)를 잃거나 V1이 Vcc에 도달할 때까지 증분시킬 수 있다. 이들 조건들 중 어느 하나가 부합하면, 루프는 Vo를 Vcc에 도달하기 전에 V1 동작 또는 로크를 제공하는 마지막에 알려진 지점으로 증분시킬 수 있다.
도 8은 본 출원의 일 양상에 따른 설명적인 포화 추정 회로의 Vds/Ids 특성을 나타낸다. 도시된 동작 외에, 포화 측정 회로는 3극 진공관-포화 Vds/Ids 특성의 포물선 무릎 상의 한 지점에서 통과 소자(206)의 드레인-소스 전압 강하를 유지할 수 있고, 여기서 출력 임피던스는 포화보다 낮지만 3극 진공관보다 높다. 무릎 상에서의 동작에 기인하는 전체 이득의 손실은 또한 전체 루프 이득의 손실을 보상하기 위해, 예를 들어 증폭기 꼬리 전류(tail current)를 증가시켜, 제어 루프를 상승시키는 포화 추정 회로에 의해 결정될 수 있다. 제공된 것과 같이, 곡선은 Vds가 증가될 때 3극 진공관으로부터 포화로의 일정한 Vgs 특성 전이를 나타낸다. 3극 진공관 특성은 M3과 M2 사이에 포물선 특성에 의해 추종되는 저 저항 특성을 포함할 수 있다. 곡선의 우측 상의 평탄한 부분은 포화를 나타낸다.
동작에 있어서, 동일한 게이트-소스 전압이 동일한 2개의 MOSFET들에 인가되고 하나의 MOSFET가 M2의 드레인-소스 전압으로 동작되고 제 2 MOSFET가 M3의 드레인-소스 전압으로 동작되면, MOSFET들 간의 전류의 차는 도 8의 좌측 상에 나타낸 것과 같이, ΔI일 수 있다. M3가 작동했다면- M2가 현재이고 M2가 곡선 더 위쪽에 있었다면,- 전형적으로 ΔI만큼의 강하는 없을 것이다. 도 7에 제공된 회로는 도 8에 도시된 것과 같이 2개의 레플리커 디바이스들이 곡선 위에 M2를, 곡선 위에 M3을 가지도록 곡선에 대하여 Vds 전압차 ΔVo에 대응하는 소정의 차이에 대응하도록 2개의 디바이스들(M3, M2)에 전류를 흘린다.
ΔVo를 가할 때 M3의 Vds는 전형적으로 M2의 Vds와 동일하다. op 앰프의 형태를 취할 수 있는 회로 A는 M3의 Vds 더하기 ΔVo 및 M2의 Vds를 동일한 전압으로 유지한다. 포화 추정 회로는 VO를 증분시키는 반복 루프 및 또한 전류 미러들일 수 있다. 각각의 증분으로 상기한 루프는 새로운 "무릎(knee)" 주위에 고정할 수 있다. 결국 고 루프 이득을 필요로 하는 MOSFET(206)의 고 임피던스 동작을 유지하면서 최소화된 강하를 나타내는 포화 내에서만 동작을 허용하는 결국 출력 전압 기준 전압이 결정될 수 있다.
2개의 레플리커 디바이스들(M3, M2)은 이들이 주 통과 소자(208)보다 훨씬 작고 훨씬 적은 전류를 이용하도록 스케일링될 수 있다. 도 7에 도시된 실시예에 있어서, 레플리커 디바이스들(M3, M2)은 주 통과 소자보다 n배 작다. 추가로, M3, M2는 포화에서 작은 윈도를 갖는 한 쌍의 검출기들은 이들이 포화 영역으로 상승했는지 또는 3극 진공관 영역에 있는지를 용이하게 판정할 수 있도록 라므다(lambda)에 따라 더 스케일링될 수 있다. 이 경우에, 레플리커 디바이스(M3, M2)는 포화에서, Vds에 대한 전류차와 같은 유한 출력 임피던스를 고려한다.
도 7의 회로는 주 통과 소자가 포화 내에 또는 포화 근방에 있는 것을 보장하는 주 통과 소자(206) 양단의 최적화된 강하를 생성할 수 있다. 하나의 포화 검출기가 도시되었지만, 본 출원은 이것에 제한되지 않는다. 관련 기술에서 숙련된 사람은 다수 형태의 다른 포화 검출기들이 있을 수 있고 본 출원은 상기한 단일 실시예에 한정되지 않는다는 것을 이해할 것이다.
상기한 구현에서 부딪히는 주된 제한들 중 하나는 일반적으로 디바이스 용량(device capacitance)이 적당한 부하 전류들을 취급할 수 있는 디바이스에 대해 크기 때문에 고주파수에서 용량성 반도체 제어 소자를 슬루잉할 수 있는 구동기 회로를 만듦에 있어서의 곤란성이다. 게다가 팔로워 구성들은 최소 입력 전압보다 높은 전압 공정의 사용을 강제하는 입력 전압 위의 동작들을 필요로 하고 바이어스 입력 또는 차지 펌프(charge pump)을 요구할 수 있다.
구동기에 의해 인출되는 전류를 최소화하기 위해, 통과 소자(208)는 큰 부하를 취급하는 대형의 디바이스를 슬루잉하는 낮은 대역폭 제어 루프 및 DC/DC 노이즈 리플을 거절하는 고 주파수 제어 루프를 갖는 2개의 병렬 소자들로 분할될 수 있다. 통과 소자들은 병렬 팔로워들 또는 대안으로 작은 인버팅 통과 소자를 갖는 대형의 팔로워들일 수 있다. 전형적으로, 이것은 저 전압 디바이스의 사용을 허용할 수 있는 데 그 이유는 팔로워 구성은 입력 전압 위에서 구동되는 그것의 제어 노드를 필요로 하지만 그것은 그것의 제어 노드를 필요로 하지 않기 때문이다. 제 1 통과 소자는 슬로 루프(slow loop) 및 DC 구성요소를 구동하기 위한 슬로워 구동기(slower driver)를 제공할 수 있다. 제 2 통과 소자는 더 작을 수 있고 고 대역폭 제어 루프에 결합된다. 소형의 통과 소자는 고 주파수 응답의 취급을 허용할 수 있고 대형의 통과 소자는 저 주파수 응답의 취급을 허용할 수 있다.
상기 설명은 관련 기술에서 숙련된 어떤 사람이라도 여기에 기술된 다양한 실시예들을 실시할 수 있도록 제공된다. 이들 실시예들에 대한 다양한 변형예들이 관련 기술에서 숙련된 사람들에게 용이하게 명백해질 것이고, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 따라서, 청구항들은 여기에 도시되고 설명된 실시예들에 한정되도록 의도되지 않고 전체 범위가 청구항들의 언어와 일치하도록 되고, 여기서 단일 요소에 대한 참조는 특별히 언급되지 않는 한 "하나 및 단지 하나"를 의미하도록 의도되지 않고, 오히려 "하나 이상"을 의미한다. 관련 기술에서 통상의 지식을 가진 사람이 알고 있거나 나중에 알게 될 본 개시내용 전반에 걸쳐 기술된 다양한 실시예들의 요소들과 모든 구조 및 기능상의 등가물들은 참조로 여기에 명확히 통합되고 청구항들에 의해 포함되도록 의도된다. 더욱이, 여기에 개시된 내용은 이와 같은 개시 내용이 청구항들에 명확히 설명되는지의 여부와 관계없이 대중에 바쳐지도록 의도되지 않는다.
100 : 로드 스위치
104 : 입력 전압
106 : 출력 전압
108, 110 : 커패시터
206 : 이득 소자
208 : 통과 소자

Claims (24)

  1. 반도체 디바이스에 있어서,
    입력 단자 및 출력 단자에 결합되는 통과 소자로서, 상기 통과 소자는 제어 단자를 구비하고, 상기 제어 단자는 상기 통과 소자의 이득 응답을 제어하는, 상기 통과 소자;
    상기 제어 단자에 결합되고 상기 통과 소자와 고 임피던스를 유지하면서 상기 입력 단자와 상기 출력 단자간의 전압 강하를 제어하도록 구성되는 제 1 루프; 및
    상기 제어 단자에 결합되고 상기 입력 단자로부터 규정된 응답을 제공하도록 구성되는 제 2 루프를 포함하는, 반도체 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 규정된 응답은 프로그램 가능 응답인, 반도체 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 규정된 응답은 저역 통과 응답, 고역 통과 응답 또는 대역 통과 응답인, 반도체 디바이스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 응답은 경계 주파수(edge frequency)를 포함하는 저지대역 또는 통과대역을 포함하고, 상기 경계 주파수는 레지스터 또는 커패시터로 프로그램되는, 반도체 디바이스.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 응답은 경계 주파수를 포함하는 저지대역 또는 통과대역을 포함하고, 상기 경계 주파수는 바이너리 레지스터로 프로그램되는, 반도체 디바이스.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 바이너리 레지스터는 디지털 인터페이스(digital interface)에 의해 프로그램되는, 반도체 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 통과 소자는 금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor; MOSFET)이고, 상기 MOSFET는 게이트, 소스 및 드레인을 구비하고, 상기 게이트는 상기 제어 단자에 접속되고, 상기 드레인은 상기 입력 단자에 접속되고, 상기 소스는 상기 출력 단자에 접속되는, 반도체 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 통과 소자는 MOSFET이고, 상기 MOSFET는 게이트, 소스 및 드레인을 구비하고, 상기 게이트는 상기 제어 단자에 접속되고, 상기 드레인은 상기 출력 단자에 접속되고, 상기 소스는 상기 입력 단자에 접속되는, 반도체 디바이스.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 MOSFET는 포화 영역에서 동작하고 고 출력 임피던스를 유지하도록 조정되는, 반도체 디바이스.
  10. 제 7 항에 있어서,
    하나 이상의 레플리커(replica) MOSFET들 및 포화 추정 회로(saturation estimator circuit)는 드레인-소스 전압 강하가 단지 필요로 되는 부하 전류에 대한 포화(saturation) 내의 지점에서 제어되도록 상기 제 1 루프에 대한 출력 기준(output reference)을 설정하는, 반도체 디바이스.
  11. 제 1 항에 있어서,
    포화 추정 회로는 3극 진공관-포화 Vds/Ids 특성의 포물선-선형 전이점 근방의 포물선 특성 내의 지점에서 드레인-소스 전압 강하를 유지하기 위해 상기 제 1 루프에 대한 출력 단자 기준 전압을 확립하고, 상기 지점에서의 동작에 기인하는 전체 이득의 손실이 전체 이득의 상기 손실을 보상하도록 제어 루프 이득을 상승시키기 위해 상기 포함 추정 회로에 의해 결정되는, 반도체 디바이스.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 프로그램 가능 응답은 디지털 필터(digital filter)에 의해 제공되는, 반도체 디바이스.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 디지털 필터는 무한 임펄스 응답(infinite impulse response; IIR) 필터 또는 유한 임펄스 응답(finite impulse response; FIR) 필터인, 반도체 디바이스.
  14. 제 2 항에 있어서,
    상기 프로그램 가능 응답은 아날로그 필터에 의해 제공되는, 반도체 디바이스.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 통과 소자는 병렬로 2개의 소자들을 포함하고, 상기 2개의 소자들의 입력들 및 출력들은 함께 결합되고 상기 2개의 소자들의 제어 단자들은 별개의 루프들에 접속되는, 반도체 디바이스.
  16. 제 15 항에 있어서,
    제 1 소자는 저 주파수 응답들을 다루고 제 2 소자는 고 주파수 응답들을 다루는, 반도체 디바이스.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 소자들은 팔로워 구성(follower configuration)으로 구성되는 MOSFET들인, 반도체 디바이스.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 통과 소자는 제 2 소자와 병렬의 제 1 소자를 포함하고, 양자의 상기 제 1 및 제 2 소자들은 MOSFET들이고, 상기 제 1 소자는 팔로워 구성으로 구성되고 상기 제 2 소자는 반전 구성(inverting configuration)으로 구성되는, 반도체 디바이스.
  19. 제 7 항에 있어서,
    상기 입력 단자는 제 1 핀(pin)에 접속되고, 상기 출력 단자는 제 2 핀에 접속되고, 접지 단자는 제 3 핀에 접속되는, 반도체 디바이스.
  20. 제 19 항에 있어서,
    내부 회로(internal circuitry)를 인에이블링하기 위한 제 4 핀을 더 포함하는, 반도체 디바이스.
  21. 입력 단자 및 출력 단자를 가진 회로에 있어서,
    게이트, 소스 및 드레인을 가진 트랜지스터로서, 상기 트랜지스터의 상기 드레인은 상기 입력 단자에 결합되고 상기 소스는 상기 출력 단자에 결합되는, 상기 트랜지스터;
    반전 입력, 비반전 입력 및 출력을 가진 규정된 AC 및 DC 응답을 갖는 이득 소자(gain element)로서, 상기 이득 소자의 상기 출력은 상기 트랜지스터의 상기 게이트에 결합되는, 상기 이득 소자; 및
    상기 트랜지스터에 대해 크기가 일정 비율로 되어 있는 2개의 레플리커 트랜지스터들을 가진 최적화된 강하 기준 발생 회로(optimized drop reference generating circuit)를 포함하고,
    모든 3개의 소자들은 상기 게이트 및 소스에 접속되고, 상기 기준 발생회로는 포화 내에서만 상기 통과 소자를 유지하는, 회로.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 레플리커 트랜지스터들의 드레인들은 상기 통과 소자들 드레인의 입력 전압보다 높은 전압에 의존하는 2개의 별개의 전류 미러들에 접속되고, 상기 전류 미러들은 부하에 역으로 그리고 제 1 레플리커 디바이스를 위한 상기 부하의 포화에서 및 3극 진공관에서 또는 제 2 레플리커 디바이스를 위한 포물선 무릅(parabolic knee) 상에서의 동작과 일치하는 전류/전압 강하 특성에 일치시켜 확립되고, 루프는 상기 통과 소자 양단의 강하가 최적화될 때까지 상기 트랜지스터들 소스들에서 출력 전압을 조정하고, 상기 최적화된 강하는 더 이상 유지될 수 없는 상기 2개의 레플리커의 동작점 또는 상기 제 1 레플리커 디바이스의 드레인 상의 전압이 상기 입력 전압에 도달하기 바로 전의 지점으로서 인식되는, 회로.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 통과 소자들 드레인의 상기 입력 전압보다 높은 상기 전압은 차지 펌프 회로(charge pump circuit)를 이용하여 발생되는, 회로.
  24. 입력 전압을 수신하고 출력 전압을 공급하는 프로그램 가능 저지대역 또는 통과대역을 갖는 저역 통과 AC 및 DC 로드 스위치(load switch)에 있어서,
    포화가 유지되도록 상기 입력 전압보다 낮은 전압으로 상기 출력 전압을 조절하는 루프 응답(loop response), 및
    저지대역 또는 통과대역 필터 응답을 제공하는 루프 필터를 포함하고, 상기 상기 루프 필터는 상기 프로그램 가능 저지대역 또는 루프대역에 기초한 계수들을 가지는, 저역 통과 AC 및 DC 로드 스위치.
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