TW201339785A - 具可調適米勒補償的電壓調節器 - Google Patents

Abstract

一種可調適米勒補償的電壓調節器，包含第一放大器及第二放大器。可調適補償電路包含串接的補償電容器及補償電晶體，耦接至第二放大器。偏壓電路產生適當的偏壓控制電壓，以動態控制可調適補償電路，使得補償電容器操作於通道弱反轉或通道強反轉的深三級管區。輸出電路產生輸出電壓，據以產生迴授電壓。補償電晶體受控於偏壓控制電壓，使其電阻隨電壓調節器的負載而改變。偏壓電路複製輸出電路之電流的至少一部分以產生鏡射電流，且根據鏡射電流以產生偏壓控制電壓。

Description

具可調適米勒補償的電壓調節器

    本發明係有關一種電壓調節器，特別是關於一種具可調適米勒補償（adaptive Miller compensation）的電壓調節器。

    電壓調節器為一種可自動維持固定電壓位準的電路，普遍使用於各種電子裝置及系統。為了讓傳統電壓調節器能夠適用於低負載及高負載，通常會使用補償電路以進行補償，例如由電阻器及電容器所組成的補償電路。

    對於固定電阻器及固定電容器所組成的補償電路，無法動態調整電壓調節器的閉迴路相位邊限（phase margin），因此當適用於低負載時，電壓調節器的輸出電壓會有抖動的現象。

    因此亟需提出一種新穎的電壓調節器，其具有動態補償以適用於低負載及高負載。

    鑑於上述，本發明實施例的目的之一在於提出一種具可調適米勒補償的電壓調節器，使其於低負載及高負載均具有足夠的相位邊限（例如45°或以上），以降低電壓抖動現象。

    根據本發明實施例，可調適米勒補償的電壓調節器包含第一放大器、第二放大器、可調適補償電路、偏壓電路及輸出電路。第一放大器耦接參考電壓及迴授電壓。第二放大器耦接第一放大器的輸出。可調適補償電路具有二端，分別耦接至第二放大器的輸入端及輸出端；且可調適補償電路包含串接的補償電容器及補償電晶體。偏壓電路用以產生適當的偏壓控制電壓，以動態控制可調適補償電路，使得補償電容器操作於通道弱反轉或通道強反轉的深三級管區。輸出電路耦接放大器的輸出，該輸出電路產生電壓調節器的輸出電壓，據以產生迴授電壓。補償電晶體受控於偏壓控制電壓，使其電阻隨電壓調節器的負載而改變。偏壓電路複製輸出電路之電流的至少一部分以產生鏡射電流，且根據鏡射電流以產生偏壓控制電壓。

    第一圖顯示本發明實施例之具可調適米勒補償（adaptive Miller compensation）的電壓調節器的方塊圖。在本實施例中，電壓調節器包含第一放大器11、第二放大器12、可調適補償電路13、偏壓電路14及輸出電路15。

     第一（級）放大器11可為差動放大器或折疊式串接（folded-cascode）放大器。第一放大器11具有非反相輸入端及反相輸入端，其中非反相輸入端可用以接收參考電壓VREF，其反相輸入端可接收（來自輸出電路15的）迴授電壓VFB。第一放大器11的直流增益A_v1可表示為A_v1=gm₁R_out1，其中gm₁為第一（級）轉導（transductance），且R_out1為自第一放大器11之輸出端看進去的第一（級）輸出阻抗。

    第二（級）放大器12可為共源極放大器，其耦接第一放大器11的輸出。第二放大器12的直流增益A_v2可表示為A_v2=gm₂R_out2，其中gm₂為第二（級）轉導，且R_out2為自第二放大器12之輸出端看進去的第二（級）輸出阻抗。

    可調適補償電路13具有二端，分別耦接至第二放大器12的輸入端及輸出端。偏壓電路14提供適當的偏壓控制電壓，以動態控制可調適補償電路13。

    輸出電路15耦接第二放大器12的輸出，並產生電壓調節器的輸出電壓VOUT。輸出電路15的直流增益A_v3可表示為A_v3=gm_pR_out，其中gm_p為第三（級）轉導，且R_out為自輸出電路15之輸出端看進去的第三（級）輸出阻抗。

    第二圖例示第一圖之電壓調節器的細部電路圖。在本實施例中，第一放大器11包含差動放大器，其由p型金屬氧化半導體（PMOS）電晶體M1、M2、M5及n型金屬氧化半導體（NMOS）電晶體M3、M4所組成。電晶體M1~M5電性連接於第一電源（例如Vdd）與第二電源（例如接地）之間。非反相輸入端（亦即，PMOS電晶體M2的閘極）耦接參考電壓VREF，而反相輸入端（亦即，PMOS電晶體M1的閘極）耦接（來自輸出電路15的）迴授電壓VFB。第一放大器11的輸出端（亦即，NMOS電晶體M4與PMOS電晶體M1的連接節點）所提供的輸出饋至第二放大器12。

    本實施例的第二放大器12包含共源極放大器，其由串接的PMOS電晶體M7與NMOS電晶體M6所組成，並電性連接於第一電源（例如Vdd）與第二電源（例如接地）之間。輸入端（亦即，NMOS電晶體 M6的閘極）耦接第一放大器11的輸出，且輸出端（亦即，PMOS電晶體M7與NMOS電晶體M6的連接節點）所提供的輸出饋至輸出電路15。

    在本實施例中，可調適補償電路13包含串接的補償電容器C-_c、補償電阻器R_c及可變電阻器，該可變電阻器係由（NMOS）補償電晶體M_c所實施。上述三者串接並耦接於第二放大器12的輸入端與輸出端之間。特別的是，本實施例串接的補償電容器C-_c、補償電阻器R_c及補償電晶體M_c係直接連接於第二放大器12的輸入端與輸出端之間。補償電晶體（或可變電阻器）M_c的電阻R_Z會根據負載而改變。其中，補償電晶體M_c的閘極係由偏壓電路14所輸出之偏壓控制電壓V_c1所控制。

    本實施例之偏壓電路14包含（PMOS）鏡射電晶體M11及二極體連接型式的NMOS電晶體M9、M10。亦即，NMOS電晶體M9的閘極與汲極連接在一起，NMOS電晶體M10的閘極與汲極連接在一起，且M9的汲極與M10的源極連接在一起。鏡射電晶體M11與二極體連接型式的NMOS電晶體M9、M10互相串接並耦接於第一電源（例如Vdd）與第二電源（例如接地）之間。鏡射電晶體M11與二極體連接型式的NMOS電晶體M9、M10之間的連接節點提供偏壓控制電壓給可調適補償電路13（之補償電晶體M_c的閘極）。

    上述鏡射電晶體M11鏡射（或複製）輸出電路15之功率（PMOS）電晶體MP之電流的至少一部分。換句話說，鏡射電晶體M11與功率電晶體MP形成一電流鏡。在一例子中，當M11與MP的尺寸大小比例為M11:MP=1:K（K>1），鏡射電晶體M11所產生的鏡射電流為功率電晶體MP之電流的1/K倍。

    除了功率電晶體MP之外，輸出電路15還包含分壓器，其由串接的電阻器R1、R2所組成。功率電晶體MP與分壓器R1/R2互相串接並耦接於第一電源（例如Vdd）與第二電源（例如接地）之間。分壓器提供一分壓（亦即，迴授電壓）VFB以迴授至第一放大器11。

    當負載RL變大（亦即，RL的電阻值變小），鏡射電流會增加，偏壓控制電壓V_c1也跟著增加而成為V_c1=V_GS9+V_GS10=(V_OV9+V_TH9)+(V_OV10+V_TH10)，其中V_GS9、V_OV9及V_TH9分別表示電晶體M9的閘至源極（gate-to-source）電壓、過驅動（overdrive）電壓及臨界電壓；V_GS10、V_OV10及V_TH10分別表示電晶體M10的閘至源極電壓、過驅動電壓及臨界電壓。由於V_OV10的值大於零，補償電晶體M_c操作於通道強反轉（strongly-inverted channel）的深三級管區（deep triode region）。在本說明書中，通道強反轉的深三級管區係指補償電晶體M_c符合以下條件：V_OV,MC=V_GS,MC-V_TH,MC>0, V_DS,MC≈0。藉此，補償電晶體M_c的電阻R_Z會降低，且零點頻率增加。零點的頻率為以下轉換函數的z2（忽略高頻的極點和零點）：

其開迴路的直流增益為A_o=gm₁R_out1gm₂R_out2gm_pR_out，輸出極點為p1=1/R_outC_ext，第一（級）輸出極點為p2≈1/R_out1gm₂R_out2C_c，輸出零點為z1=1/R_ESRC_EXT（R_ESR為與C_EXT串接的電阻），且零點z2隨著負載而改變z2≈1/(R_z+R_c)C_c（假設R_z+R_c>>1/gm₂）。

    當負載RL變小（亦即，RL的電阻值變大），鏡射電流會降低，偏壓控制電壓V_c1也跟著降低。藉此，補償電晶體M_c的電阻R_Z會增加，且零點的頻率降低。為了避免因太小的V_c1及太大的R_z所造成的過補償，因此本實施例使用不受負載RL影響的偏壓次電路（例如由PMOS電晶體M8所組成），以提供內部偏壓V_c0給二極體連接型式的NMOS電晶體M9、M10（之電晶體M9）。其中，電晶體M8的閘極為固定偏壓，其汲極電性連接至電晶體M9的閘極。當零負載時，內部偏壓為V_c0=V_GS9=(V_OV9+V_TH9) ≈V_O1，其中V_O1為第一放大器11的輸出，電晶體M9的過驅動電壓V_OV9=V_GS9-V_TH9。偏壓控制電壓V_c1成為V_c1=V_GS9+V_GS10=(V_OV9+V_TH9)+(V_OV10+V_TH10)，其中V_OV10的值小於零，因此補償電晶體M_c操作於通道弱反轉（weakly-inverted channel）的深三級管區。在本說明書中，通道弱反轉的深三級管區係指補償電晶體M_c符合以下條件：V_OV,MC=V_GS,MC-V_TH,MC<0, V_DS,MC≈0。值得注意的是，無論於低負載或者是高負載，補償電晶體M_c內沒有電流（或者可忽略的極小電流）通過，因此第二放大器12之輸入端（亦即，電晶體M6的閘極）維持於固定電壓位準。

    第三圖例示第一圖之電壓調節器的另一細部電路圖。第三圖的電路架構類似於第二圖，不同的地方在於PMOS電晶體被取代為NMOS電晶體，反之亦是。在本實施例中，鏡射電晶體M12根據通過電晶體M11、M13的電流以產生鏡射電流。換句話說，本實施例的鏡射電晶體M12係間接複製功率電晶體MP的電流。本實施例的第一電源為接地，而第二電源為Vss。

    第四圖例示第二圖或第三圖之電壓調節器的頻率響應。當負載RL較小時，極點p1成為主極點，且極點p2為次極點。偏壓控制電壓V_c1降低，使得補償電晶體M_c操作於通道弱反轉的深三級管區，且補償電晶體M_c的電阻R_Z可增加至一百萬歐姆（Ω）或更高。零點z2偏移至極點p2，因而可得到足夠的相位邊限。當負載RL較大時，第三（級）輸出阻抗R_out降低且偏壓控制電壓V_c1增加，使得補償電晶體M_c操作於通道強反轉的深三級管區，且補償電晶體M_c的電阻R_Z可降低至數十個千歐姆（Ω）或更低。極點p1及零點z2偏移至高頻，且極點p2成為主極點，且極點p1為次極點。於低負載或者高負載，z2會比p1、p2更靠近單位增益（unit-gain）頻率，因而可得到足夠的相位邊限。根據第四圖所示的響應，於低負載時的相位邊限為60°，而高負載時的相位邊限為70°，兩者都大於45°。

    以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。

11．．．第一放大器

12．．．第二放大器

13．．．可調適補償電路

14．．．偏壓電路

15．．．輸出電路

A_v1~A_v2．．．直流增益

C_EXT．．．電容

C_c．．．補償電容器

M_c．．．補償電晶體

M1~M11．．．電晶體

MP．．．功率電晶體

P1~P2．．．極點

R_c．．．補償電阻器

R1．．．電阻器

R2．．．電阻器

RL．．．負載

R_out1．．．第一(級)輸出阻抗

R_out2．．．第二(級)輸出阻抗

R_out．．．第三(級)輸出阻抗

R_ESR．．．電阻

VREF．．．參考電壓

VFB．．．迴授電壓

VOUT．．．輸出電壓

VBIAS．．．偏壓電壓

Vdd．．．第一電源

Vss．．．第二電源

V_c0．．．內部偏壓

V_c1．．．偏壓控制電壓

Z1~Z2．．．零點

第一圖顯示本發明實施例之具可調適米勒補償的電壓調節器的方塊圖。
第二圖例示第一圖之電壓調節器的細部電路圖。
第三圖例示第一圖之電壓調節器的另一細部電路圖。
第四圖例示第二圖或第三圖之電壓調節器的頻率響應。

11．．．第一放大器

12．．．第二放大器

13．．．可調適補償電路

14．．．偏壓電路

15．．．輸出電路

A_v1~A_v2．．．直流增益

C_EXT．．．電容

MP．．．功率電晶體

R1．．．電阻器

R2．．．電阻器

RL．．．負載

R_out1．．．第一(級)輸出阻抗

R_out2．．．第二(級)輸出阻抗

R_out．．．第三(級)輸出阻抗

R_ESR．．．電阻

VREF．．．參考電壓

VFB．．．迴授電壓

VOUT．．．輸出電壓

Claims (11)

1. 一種可調適米勒補償的電壓調節器，包含：
   　　 一第一放大器，耦接一參考電壓及一迴授電壓；
   　　 一第二放大器，耦接該第一放大器的輸出；
   　　 一可調適補償電路，具有二端，分別耦接至該第二放大器的輸入端及輸出端，該可調適補償電路包含串接的補償電容器及補償電晶體；
   　　 一偏壓電路，用以產生一適當的偏壓控制電壓，以動態控制可調適補償電路，使得該補償電容器操作於通道弱反轉或通道強反轉的深三級管區；及
   　　 一輸出電路，耦接該放大器的輸出，該輸出電路產生該電壓調節器的輸出電壓，據以產生該迴授電壓；
   　　 其中該補償電晶體受控於該偏壓控制電壓，使其電阻隨電壓調節器的負載而改變；及
   　　 其中該偏壓電路複製該輸出電路之電流的至少一部分以產生一鏡射電流，且根據該鏡射電流以產生該偏壓控制電壓。
2. 如申請專利範圍第1項所述之可調適米勒補償的電壓調節器，其中該第一放大器包含差動放大器或折疊式串接（folded-cascode）放大器，該第一放大器具有非反相輸入端及反相輸入端，用以分別耦接該參考電壓及該迴授電壓。
3. 如申請專利範圍第1項所述之可調適米勒補償的電壓調節器，其中該第二放大器包含共源極放大器。
4. 如申請專利範圍第3項所述之可調適米勒補償的電壓調節器，其中該第二放大器係由串接的PMOS電晶體與NMOS電晶體所組成，該PMOS電晶體的汲極電性連接至該NMOS電晶體的汲極，其中該NMOS電晶體或該PMOS電晶體的閘極作為該第二放大器的輸入端，且該PMOS電晶體與該NMOS電晶體的連接節點作為該第二放大器的輸出端。
5. 如申請專利範圍第1項所述之可調適米勒補償的電壓調節器，其中該可調適補償電路更包含一補償電阻器，串接於該補償電容器及該補償電晶體。
6. 如申請專利範圍第1項所述之可調適米勒補償的電壓調節器，其中該補償電晶體包含一MOS電晶體，其閘極耦接該偏壓控制電壓。
7. 如申請專利範圍第1項所述之可調適米勒補償的電壓調節器，其中該偏壓電路包含：
   　　 一鏡射電晶體，用以產生該鏡射電流；及
   　　 至少一個二極體連接型式的電晶體，串接於該鏡射電晶體；
   　　 其中該鏡射電晶體與該二極體連接型式的電晶體之間的連接節點提供該偏壓控制電壓。
8. 如申請專利範圍第7項所述之可調適米勒補償的電壓調節器，其中該輸出電路包含：
   　　 一分壓器，用以產生該迴授電壓；及
   　　 一功率電晶體，串接於該分壓器，其中該功率電晶體的電流根據該負載而改變，且該功率電晶體之電流的至少一部分被複製到該偏壓電路的鏡射電晶體。
9. 如申請專利範圍第7項所述之可調適米勒補償的電壓調節器，其中當該負載增加，則該偏壓控制電壓也跟著增加，且該二極體連接型式的電晶體之過驅動電壓大於零，使得該補償電晶體操作於通道強反轉的深三級管區；且當該負載降低，則該偏壓控制電壓也跟著降低，且該二極體連接型式的電晶體之過驅動電壓小於零，使得該補償電晶體操作於通道弱反轉的深三級管區。
10. 如申請專利範圍第9項所述之可調適米勒補償的電壓調節器，其中該偏壓電路更包含一偏壓次電路，其不受該負載的影響，用以提供一內部偏壓給該二極體連接型式之電晶體的其中之一，藉此，當零負載時，該補償電晶體操作於通道弱反轉的深三級管區。
11. 如申請專利範圍第10項所述之可調適米勒補償的電壓調節器，其中該偏壓次電路包含一MOS電晶體，其閘極為固定偏壓，其汲極電性連接至該二極體連接型式之電晶體其中之一的閘極。