TW201428443A - 二級低壓降線性電源供應系統與方法 - Google Patents

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Abstract

本發明的態樣包含一種低壓降(LDO)線性電源供應系統。該系統包含一傳輸元件，其被配置成以一輸入電壓為基礎在一輸出產生一輸出電壓。該系統還包含一補償放大器級，其被耦合至該輸出並且被配置成用以提供頻率補償以及提供該輸出電壓之所希望的頻率響應。該系統還包含一增益放大器級，用以互連該補償放大器級和該傳輸元件並且被配置成用以提供DC增益縮放，以便在該輸入電壓的一給定範圍裡面產生實質上正比於該輸入電壓的輸出電壓。

Description

二級低壓降線性電源供應系統與方法
本發明大體上和電子電路有關，並且特別和二級低壓降線性電源供應系統與方法有關。
高效率操作的功率轉換和調節電路系統的需求日益增加。其中一種此類型調節器電路便係已知的低壓降(Low-DropOut，LDO)線性電源供應器(線性調節器)。LDO線性電源供應器的特徵為一能夠配合輸入電壓和輸出電壓之間的超小差額來操作的DC/DC線性電壓調節器。LDO電源供應器有數項優點優於典型的線性電源供應器，因為LDO線性電源供應器通常會操作於較低的最小操作電壓並且通常有較高效率的操作和較低的熱消散。LDO設計的一般難題可能包含在廣大範圍的負載和輸出電容值中確保低壓降和穩定性。
本發明的其中一項態樣包含一種低壓降(LDO)線性電源供應系統。該系統包含一傳輸元件，其被配置成以一輸入電壓為基礎在一輸出產生一輸出電壓。該系統還包含一補償放大器級，其被耦合至該輸出並且被配置成用以提供頻率補償以及提供該輸出電壓之所希望的頻率響應。 該系統進一步包含一增益放大器級，用以互連該補償放大器級和該傳輸元件並且被配置成用以提供DC增益縮放，以便在該輸入電壓的一給定範圍裡面產生實質上正比於該輸入電壓的輸出電壓。
本發明的另一實施例包含一種LDO線性電源供應系統。該系統包含一傳輸元件，其被配置成以一輸入電壓為基礎在一輸出產生一輸出電壓。該系統還包含一補償放大器級，其被耦合至該輸出並且被配置成用以提供頻率補償以及提供該輸出電壓之所希望的頻率響應。該系統還包含一增益放大器級，用以互連該補償放大器級和該傳輸元件並且被配置成用以提供DC增益縮放，以便在該輸入電壓的一給定範圍裡面產生實質上正比於該輸入電壓的輸出電壓。該系統進一步包含被耦合至該輸出的一電容器和一相關聯的等效串聯電阻器(Equivalent Series Resistor，ESR)，用以提供該輸出電壓的輸出濾波。
本發明的另一實施例包含一種積體電路(Integrated Circuit，IC)晶片，其包括一LDO線性電源供應系統。該系統包含一傳輸元件，其被配置成以一輸入電壓為基礎在一輸出產生一輸出電壓。該系統還包含一補償放大器級，其被耦合至該輸出並且包括一補償運算放大器(Operational AMPlifier，OP-AMP)，該補償運算放大器被配置成用以響應一和該輸出電壓相關聯的回授電壓與一參考電壓而產生一穩定化電壓。該補償放大器級會被配置成用以提供頻率補償以及提供該輸出電壓之所希望的頻率響應。該系統還包含一增益放大器級，用以互連該補償放大器級和該傳輸元件並且包括一增益OP-AMP，該增益OP-AMP被配置成用以在一第一輸入處接收該穩定化電壓並且在一輸出處產生一控制電壓。該控制電壓會在一控制輸入 處被提供用以控制的該傳輸元件，該增益放大器級被配置成用以提供DC增益縮放，以便產生實質上正比於該輸入電壓的輸出電壓。該系統進一步包含多個端點，它們被配置成用以接收被耦合至位於該IC外部之輸出的一電容器和一相關聯的等效串聯電阻器(ESR)，用以提供該輸出電壓的輸出濾波。
10‧‧‧低壓降(LDO)線性電源供應系統
12‧‧‧低壓降(LDO)線性電源供應器
14‧‧‧傳輸元件
16‧‧‧輸出
18‧‧‧補償放大器級
20‧‧‧電阻-電容(RC)網路
22‧‧‧增益放大器級
24‧‧‧端點
50‧‧‧低壓降(LDO)線性電源供應電路
52‧‧‧傳輸元件
54‧‧‧輸出
56‧‧‧補償放大器級
58‧‧‧補償運算放大器(OP-AMP)
60‧‧‧節點
62‧‧‧增益放大器級
64‧‧‧增益運算放大器(OP-AMP)
100‧‧‧LDO線性電源供應電路
102‧‧‧傳輸元件
104‧‧‧輸出
106‧‧‧補償放大器級
108‧‧‧補償運算放大器(OP-AMP)
110‧‧‧節點
112‧‧‧增益放大器級
114‧‧‧增益OP-AMP
N1‧‧‧N-FET
P1‧‧‧P-FET
R1‧‧‧電阻器
R2‧‧‧電阻器
R3‧‧‧電阻器
R4‧‧‧電阻器
R5‧‧‧電阻器
R6‧‧‧電阻器
R7‧‧‧電阻器
R8‧‧‧電阻器
R9‧‧‧電阻器
R10‧‧‧電阻器
R11‧‧‧電阻器
R12‧‧‧電阻器
R13‧‧‧電阻器
R14‧‧‧電阻器
R15‧‧‧電阻器
R16‧‧‧電阻器
R17‧‧‧電阻器
R18‧‧‧電阻器
R19‧‧‧電阻器
R20‧‧‧電阻器
C1‧‧‧電容器
C2‧‧‧電容器
C3‧‧‧電容器
C4‧‧‧電容器
COUT‧‧‧輸出電容器
ESR‧‧‧等效串聯電阻器
圖1所示的係根據本發明一項態樣的低壓降(LDO)線性電源供應系統的範例。
圖2所示的係根據本發明一項態樣的LDO線性電源供應電路的範例。
圖3所示的係根據本發明一項態樣的LDO線性電源供應電路的另一範例。
本發明大體上和電子電路有關，並且特別和二級低壓降(LDO)線性電源供應系統與方法有關。該LDO線性電源供應系統包含一傳輸元件，其被配置成以一輸入電壓為基礎在該LDO線性電源供應系統的一輸出產生一輸出電壓。該輸出電壓會在該輸入電壓的一給定範圍裡面實質上正比於該輸入電壓，在該給定範圍以上，該輸出電壓會以該傳輸元件的飽和為基礎近乎恆定。於一範例中，該傳輸元件會在該通用架構裡面被配置成一N通道金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)、一P通道MOSFET、一NPN雙極接面電晶體(Bipolar Junction Transistor，BJT)、一PNP BJT、或是一達靈頓電晶體對(舉例來說，NPN BJT或PNP BJT)。
該LDO線性電源供應系統還包含一第一放大器級，其被配置成一補償放大器級，該補償放大器級被耦合至該LDO線性電源供應系統的輸出。舉例來說，該補償放大器級包含一反向運算放大器(OP-AMP)以及複數個電阻-電容(Resistive-Capacitive，RC)網路。該反向運算放大器會被配置成以一和該輸出電壓相關聯的回授電壓與一參考電壓為基礎而產生一穩定化電壓。該些RC網路會包含一被耦合在該輸出和該補償OP-AMP的第一輸入之間的RC前饋網路以及一被耦合在該第一輸入和該補償OP-AMP的輸出之間的RC回授網路。該些RC前饋網路和RC回授網路會協同操作用以影響該輸出電壓的頻率響應並且利用梯階負載來提供該穩定化電壓之實質上快速的暫態響應。
該LDO線性電源供應系統還包含一第二放大器級，其被配置成一增益放大器級，該增益放大器級會互連該傳輸元件與該補償放大器級。所以，該增益放大器級會操作用以從該反向OP-AMP所輸出的穩定化電壓處緩衝該傳輸元件。舉例來說，該增益放大器級包含一增益OP-AMP，其被配置成用以接收該穩定化電壓並且用以產生一控制電壓，該控制電壓的大小正比於該穩定化電壓。該控制電壓會被提供至該傳輸元件的一控制輸入，用以操作該傳輸元件於線性模式與飽和模式的其中一者之中，從而允許該輸出電壓在該輸入電壓的一給定範圍中實質上正比於該輸入電壓。
圖1所示的係根據本發明一項態樣的低壓降(LDO)線性電源供應系統10的範例。該LDO線性電源供應系統10被配置成用以產生一輸出電壓VOUT，該輸出電壓VOUT的大小在輸入電壓VIN的一給定範圍中實質上正比於該輸入電壓VIN。於一範例中，響應於提高至大於臨界大小之大小的 輸入電壓VIN，該輸出電壓VOUT可以被提供在近乎恆定的最大大小處。該LDO線性電源供應系統10能夠被施行在輸出電壓VOUT要以輸入電壓VIN為基礎被提供在一實質上穩定之大小處的任何各式各樣應用中。
LDO線性電源供應系統10包含一LDO線性電源供應器12，其能夠被排列在一積體電路(IC)晶片中。該LDO線性電源供應器12包含一傳輸元件14，其會被配置成一電晶體。傳輸元件14互連該輸入電壓VIN和在輸出16處的輸出電壓VOUT。舉例來說，傳輸元件14會被配置成一N通道金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)、一P通道MOSFET、一NPN雙極接面電晶體(BJT)、一PNP BJT、或是一達靈頓電晶體對(舉例來說，NPN BJT或PNP BJT)。於一範例中，該傳輸元件14會被施行成一P通道MOSFET、一PNP BJT、或是一包括一組PNP BJT的達靈頓對，以便提供該輸出電壓VOUT成為負電壓。
該LDO線性電源供應器12還包含一補償放大器級18，其會被耦合至輸出16。該補償放大器級18會被配置成用以產生一穩定化電壓VSTA，其和輸出16處的輸出電壓VOUT相關聯。於一範例中，該補償放大器級18包含一補償運算放大器(OP-AMP)，其會被配置成以一參考電壓VREF以及一和輸出電壓VOUT相關聯的回授電壓為基礎在一輸出處產生該穩定化電壓VSTA。此外，該補償放大器級18還包含複數個電阻-電容(RC)網路20，它們會協同操作用以影響該穩定化電壓VSTA的頻率響應，並且因而影響輸出電壓VOUT的頻率響應，以及用以提供該穩定化電壓VSTA之實質上快速的暫態響應。
該穩定化電壓VSTA會被提供至一增益放大器級22，該增益 放大器級互連該傳輸元件14和該補償放大器級18。該增益放大器級22會被配置成用以產生一控制電壓VCTRL，該控制電壓會被提供至傳輸元件14的一控制輸入，俾使得該傳輸元件14能夠在輸入電壓VIN的給定大小範圍中操作在線性區之中。於一範例中，該增益放大器級22包含一增益OP-AMP，其會以穩定化電壓VSTA為基礎來產生該控制電壓VCTRL。舉例來說，控制電壓VCTRL會實質上正比於該穩定化電壓VSTA。所以，控制電壓VCTRL會呈現和穩定化電壓VSTA實質上相同的頻率響應以及實質上快速的暫態響應。
LDO線性電源供應器12進一步包含多個端點24，例如，接觸端點、導線、焊墊、或是各式各樣其它外部電氣連接點。於圖1的範例中，該等端點24被配置成用以接收參考電壓VREF和輸入電壓VIN，並且用以提供輸出電壓VOUT和連接至一低電壓軌，於圖1的範例中顯示為接地。用以提供輸出電壓VOUT和連接至接地的端點24還會被配置成用以接收被連接至該LDO線性電源供應器12的一輸出電容器COUT和一等效串聯電阻器(ESR)(舉例來說，位於該IC封裝的外部)。於一範例中，該ESR會對應於一和輸出電容器COUT相關聯的寄生阻值。
藉由施行LDO線性電源供應系統10為二級放大器系統，該LDO線性電源供應系統10能夠被施行為一種具有相對簡單設計但是擁有優於典型LDO線性電源供應系統之改良能力的電路。於一範例中，典型LDO線性電源供應系統透過一外部電容器和外部電阻器連接所提供的ESR運用輸出電壓濾波和頻率補償(也就是，迴路塑形(loop shaping))兩者。用於一LDO線性電源供應系統的輸出電壓濾波和頻率補償的此些必要條件會彼此衝突，俾使得當施行包含該個別輸出電容器的ESR以進行輸出濾波時，該個 別輸出電容器的零點會被施行以達迴路穩定性。此必要條件衝突會造成以ESR為函數之輸出電流有非常狹窄的穩定區，從而產生一通常被稱為「死亡隧道(Tunnel of Death)」的穩定區，LDO線性電源供應系統的穩定性在該區域外面會變差。LDO線性電源供應系統10藉由分開輸出濾波和頻率補償的功能而克服狹窄「死亡隧道」的問題，俾使得輸出電容器COUT和ESR提供輸出電壓VOUT的輸出濾波，而補償放大器級18則獨立於該輸出電容器COUT提供該LDO線性電源供應系統10的頻率補償(也就是，不需要施行輸出電容器COUT的零點)。因此，LDO線性電源供應系統10能夠在輸出電容器COUT的較廣器件數值範圍中，並且從而在ESR的較廣器件數值範圍中，呈現更大的穩定性，而不會損及輸出電容器COUT的輸出濾波功能以及所希望的頻率響應。
此外，典型的LDO線性電源供應系統僅施行單一放大器級來互連和該輸出電壓相關聯的回授和一相關聯傳輸元件的控制輸入，從而係利用更直接以該輸出電壓為基礎的訊號來驅動該傳輸元件。所以，典型的LDO線性電源供應系統的健全性亦會在關於該典型LDO線性電源供應系統的交越頻率、增益和相位邊限以及電源供應拒斥的負載變異中受到波及。藉由將補償放大器級18和增益放大器級22併入二級施行方式中，該增益放大器級22在該傳輸元件14和輸出電壓VOUT的頻率補償之間提供充分的緩衝，用以解耦作用於傳輸元件14上的負載效應。以另一種方式說明，補償放大器級18在輸出電壓VOUT和增益放大器級22所提供的DC增益縮放之間提供緩衝。所以，LDO線性電源供應系統10能夠在各式各樣負載條件中保持充分的交越頻率、增益和相位邊限以及電源供應拒斥。此外，藉由 施行兩個放大器級，LDO線性電源供應系統10能夠相對於典型LDO線性電源供應系統保持相對簡單的設計同時達成實質改良的效能。再者，LDO線性電源供應系統10的簡單設計使得能夠以最小變異來提供任何各式各樣的傳輸元件，俾使得被施行於LDO線性電源供應系統10中的電路器件能夠撓曲變形，以便在產生輸出電壓VOUT時提供超低壓降能力。
圖2所示的係根據本發明一項態樣的LDO線性電源供應電路50的範例。LDO線性電源供應電路50會被併入於一IC晶片(也就是，IC封裝)之中。LDO線性電源供應電路50會對應於圖1之範例中的LDO線性電源供應器12。所以，在圖2之範例的下面說明中會參考圖1的範例。
LDO線性電源供應電路50被配置成用以產生一輸出電壓VOUT，該輸出電壓VOUT的大小在輸入電壓VIN的一給定範圍中實質上正比於該輸入電壓VIN。於一範例中，響應於提高至大於臨界大小之大小的輸入電壓VIN，該輸出電壓VOUT可以被提供在近乎恆定的最大大小處。該LDO線性電源供應電路50能夠被施行在輸出電壓VOUT要以輸入電壓VIN為基礎被提供在一實質上穩定之大小處的任何各式各樣應用中，如本文中的更詳細說明。
LDO線性電源供應電路50包含一傳輸元件52，在圖2的範例中顯示為一N通道MOSFET(N-FET)N1。該N-FET N1在汲極處被耦合至輸入電壓VIN並且透過源極被耦合至一輸出54用以提供該輸出電壓VOUT。在圖2的範例中，該N-FET N1會在閘極處接收一控制電壓VCTRL，用以在輸入電壓VIN的給定大小範圍中控制該N-FET N1於一線性區之中。
LDO線性電源供應電路50還包含一補償放大器級56，其被 耦合至輸出54。補償放大器級56包含一補償OP-AMP 58，其被配置成以一非反向輸入處的參考電壓VREF和一被耦合至節點60的反向輸入處的回授電壓VFB為基礎來產生一穩定化電壓VSTA。所以，補償OP-AMP 58係被配置成一反向OP-AMP，用以為補償OP-AMP 58的迴轉(slew)提供快速的暫態響應。該補償放大器級56還包含一組電阻器R1、R2、以及R3，它們會互連輸出54和一低電壓軌，於圖2的範例中顯示為接地。電阻器R1與R2形成一第一分壓器，用以產生一電壓VDIV1；電阻器R2與R3形成一第二分壓器，用以產生一電壓VDIV2。回授電壓VFB係透過電容器C1和電阻器R4所形成的一電阻-電容前饋網路以電壓VDIV1為基礎，透過電阻器R5以電壓VDIV2為基礎，以及透過電容器C2和電阻器R6所形成的一電阻-電容回授網路以穩定化電壓VSTA為基礎被產生在節點60處。所以，回授電壓VFB係以輸出電壓VOUT和穩定化電壓VSTA為基礎被產生。補償OP-AMP 58因而充當一誤差放大器，用以產生該穩定化電壓VSTA，用以提供LDO線性電源供應電路50的頻率補償，以便影響穩定化電壓VSTA的頻率響應並且因而影響輸出電壓VOUT的頻率響應；以及用以提供該穩定化電壓VSTA之實質上快速的暫態響應。
穩定化電壓VSTA係被提供至一增益放大器級62，其互連傳輸元件52和補償放大器級56。該增益放大器級62包含一增益OP-AMP 64，該增益OP-AMP被配置成用以透過一電阻器R7來產生一控制電壓VCTRL。該控制電壓VCTRL係被提供至N-FET N1的閘極，俾使得N-FET N1能夠在輸入電壓VIN的給定大小範圍中操作在線性區之中。於圖2的範例中，增益OP-AMP 64透過一電阻器R8在該增益OP-AMP 64的反向輸入處接收該穩定化電壓VSTA，並且透過一電阻器R9在非反向輸入處被耦合至接地。此外，一回授電 阻器R10會互連一輸出和該增益OP-AMP 64的反向輸入。所以，該增益OP-AMP 64被配置成用以在產生該控制電壓VCTRL時提供穩定化電壓VSTA的DC增益縮放；並且用以提供緩衝，以便解耦該負載阻抗影響補償OP-AMP 58的頻率響應。因此，控制電壓VCTRL會呈現和穩定化電壓VSTA實質上相同的頻率響應以及實質上快速的暫態響應。據此，N-FET N1能夠以該控制電壓VCTRL為基礎在該輸入電壓VIN的給定大小範圍中操作於一線性區之中。
應該瞭解的係，LDO線性電源供應電路50不希望受限於圖2的範例。舉例來說，LDO線性電源供應電路50能夠利用額外或替代的電路器件來施行，用以達到和補償級56及/或增益級62相同所希望的效應。此外，傳輸元件52亦不受限為被施行成N-FET；取而代之的係，亦能夠被施行成NPN BJT或是NPN達靈頓對，俾使得傳輸元件52能夠由經由電阻器R7所提供的電流來控制。據此，LDO線性電源供應電路50能夠以各種方式來配置。
圖3所示的係根據本發明一項態樣的LDO線性電源供應電路100的另一範例。LDO線性電源供應電路100會被併入於一IC晶片(也就是，IC封裝)之中。LDO線性電源供應電路100會對應於圖1之範例中的LDO線性電源供應器12。所以，在圖3之範例的下面說明中會參考圖1的範例。
LDO線性電源供應電路100被配置成用以產生一輸出電壓VOUT，該輸出電壓VOUT的大小在輸入電壓VIN的一給定範圍中實質上正比於該輸入電壓VIN。如本文中的更詳細說明，該輸出電壓VOUT在圖3之範例中會為負電壓。於一範例中，響應於降低至小於臨界大小之大小的輸入電壓VIN，該輸出電壓VOUT可以被提供在近乎恆定的最小大小處。該LDO線性電 源供應電路100能夠被施行在輸出電壓VOUT要以輸入電壓VIN為基礎被提供在一實質上穩定之大小處的任何各式各樣應用中，如本文中的更詳細說明。
LDO線性電源供應電路100包含一傳輸元件102，在圖3的範例中顯示為一P通道MOSFET(P-FET)P1。該P-FET P1在源極處被耦合至輸入電壓VIN並且透過汲極被耦合至一輸出104用以提供該輸出電壓VOUT。在圖3的範例中，該P-FET P1會在閘極處接收一控制電壓VCTRL，用以在輸入電壓VIN的給定大小範圍中控制該P-FET P1於一線性區之中。一電阻器R11會互連該輸入電壓VIN和該控制電壓VCTRL，並且提供用於啟動條件的所希望偏壓。
LDO線性電源供應電路100還包含一補償放大器級106，其被耦合至輸出104。補償放大器級106包含一補償OP-AMP 108，其被配置成以一在非反向輸入處透過一電阻器R12被耦合的低電壓軌以及一在反向輸入處被耦合至節點110的回授電壓VFB為基礎來產生一穩定化電壓VSTA。所以，補償OP-AMP 108係被配置成一反向OP-AMP，用以為補償OP-AMP 108的迴轉(slew)提供快速的暫態響應。該補償放大器級106還包含一組電阻器R13以及R14，它們會互連輸出104和一參考電壓VREF。電阻器R13與R14形成一分壓器，用以產生一電壓VDIV3。回授電壓VFB係透過電容器C3和電阻器R15所形成的一電阻-電容前饋網路並且透過電阻器R16以電壓VDIV3為基礎，以及透過電容器C4和電阻器R17所形成的一電阻-電容回授網路以穩定化電壓VSTA為基礎被產生在節點110處。所以，回授電壓VFB係以輸出電壓VOUT和穩定化電壓VSTA為基礎被產生。補償OP-AMP 108因而充當一誤差放大器，用以產生該穩定化電壓VSTA，用以提供LDO線性電源供應電路100的 頻率補償，以便影響穩定化電壓VSTA的頻率響應並且因而影響輸出電壓VOUT的頻率響應；以及用以提供該穩定化電壓VSTA之實質上快速的暫態響應。
穩定化電壓VSTA係被提供至一增益放大器級112，其互連傳輸元件102和補償放大器級106。增益放大器級112包含一增益OP-AMP 114，該增益OP-AMP被配置成用以透過一電阻器R18來產生一控制電壓VCTRL。該控制電壓VCTRL係被提供至P-FET P1的閘極，俾使得P-FET P1能夠在輸入電壓VIN的給定大小範圍中操作在線性區之中。於圖3的範例中，增益OP-AMP 114透過一電阻器R19在該增益OP-AMP 114的反向輸入處接收該穩定化電壓VSTA，並且透過一電阻器R20在非反向輸入處被耦合至接地。此外，一回授電阻器R21會互連一輸出和該增益OP-AMP 114的反向輸入。所以，該增益OP-AMP 114被配置成用以在產生該控制電壓VCTRL時提供穩定化電壓VSTA的DC增益縮放。因此，控制電壓VCTRL會呈現和穩定化電壓VSTA實質上相同的頻率響應以及實質上快速的暫態響應。據此，P-FET P1能夠以該控制電壓VCTRL為基礎在該輸入電壓VIN的給定大小範圍中操作於一線性區之中。
應該瞭解的係，LDO線性電源供應電路100不希望受限於圖3的範例。舉例來說，LDO線性電源供應電路100能夠利用額外或替代的電路器件來施行，用以達到和補償級106及/或增益級112相同所希望的效應。此外，傳輸元件102亦不受限為被施行成P-FET；取而代之的係，亦能夠被施行成PNP BJT或是PNP達靈頓對，俾使得傳輸元件102能夠由經由電阻器R18所提供的電流來控制。據此，LDO線性電源供應電路100能夠以各種方式來配置。
上面已經說明本發明的範例。當然，本文並無法說明為達說明本發明之目的的器件或方法的每一種可想到的組合；但是，熟習本技術的人士便會明瞭本發明可以有許多進一步組合和變更。據此，本發明希望涵蓋落在本申請案的範疇裡面，包含隨附申請專利範圍在內，的所有此些修改、修正、以及改變。
10‧‧‧低壓降(LDO)線性電源供應系統
12‧‧‧低壓降(LDO)線性電源供應器
14‧‧‧傳輸元件
16‧‧‧輸出
18‧‧‧補償放大器級
20‧‧‧電阻-電容(RC)網路
22‧‧‧增益放大器級
24‧‧‧端點
COUT‧‧‧輸出電容器
ESR‧‧‧等效串聯電阻器

Claims (20)

  1. 一種低壓降(LDO)線性電源供應系統，其包括：一傳輸元件，其被配置成以一輸入電壓為基礎在一輸出產生一輸出電壓；一補償放大器級，其被耦合至該輸出並且被配置成用以提供頻率補償以及提供該輸出電壓之所希望的頻率響應；以及一增益放大器級，用以互連該補償放大器級和該傳輸元件並且被配置成用以提供DC增益縮放，以便在該輸入電壓的一給定範圍裡面產生實質上正比於該輸入電壓的該輸出電壓。
  2. 根據申請專利範圍第1項的系統，其中，該補償放大器級包括一補常運算放大器(OP-AMP)，其被配置成用以響應和該輸出電壓相關聯的一回受電壓以及一參考電壓而產生一穩定化電壓。
  3. 根據申請專利範圍第2項的系統，其中，該補償放大器級包括被耦合在該輸出和該補償OP-AMP的第一輸入之間的一電阻-電容前饋網路以及被耦合在該第一輸入和該補償OP-AMP的輸出之間的一電阻-電容回授網路，該些電阻-電容前饋網路和電阻-電容回授網路會協同操作用以影響該輸出電壓的頻率響應並且提供該穩定化電壓之實質上快速的暫態響應。
  4. 根據申請專利範圍第3項的系統，其中，該補償OP-AMP的第一輸入係一反向輸入，俾使得該補償OP-AMP被配置成一反向OP-AMP。
  5. 根據申請專利範圍第2項的系統，其中，該增益級包括一增益OP-AMP，其被配置成用以在一第一輸入處接收該穩定化電壓並且用以在一輸出處產生一控制電壓，該控制電壓會在一控制輸入處被提供用以控制該 傳輸元件。
  6. 根據申請專利範圍第5項的系統，其中，該控制電壓的大小正比於該穩定化電壓。
  7. 根據申請專利範圍第2項的系統，其中，該參考電壓和該輸出電壓係由一分壓器來互連，該分壓器被配置成用以產生該回授電壓。
  8. 根據申請專利範圍第1項的系統，其中，該傳輸元件被配置成為下面其中一者：雙極接面電晶體(BJT)、金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)、以及達靈頓電晶體對。
  9. 一種積體電路(IC)晶片，其包括根據申請專利範圍第1項的LDO線性電源供應系統。
  10. 根據申請專利範圍第9項的IC晶片，其中，該IC晶片包括多個端點，它們被配置成用以接收被耦合至位於該IC外部之輸出的一電容器和一相關聯的等效串聯電阻器(ESR)，用以提供該輸出電壓的輸出濾波。
  11. 一種低壓降(LDO)線性電源供應系統，其包括：一傳輸元件，其被配置成以一輸入電壓為基礎在一輸出產生一輸出電壓；一補償放大器級，其被耦合至該輸出並且被配置成用以提供頻率補償以及提供該輸出電壓之所希望的頻率響應；一增益放大器級，用以互連該補償放大器級和該傳輸元件並且被配置成用以提供DC增益縮放，以便產生實質上正比於該輸入電壓的該輸出電壓；以及一電容器和一相關聯的等效串聯電阻器(ESR)，其被耦合至該輸出，用 以提供該輸出電壓的輸出濾波。
  12. 根據申請專利範圍第11項的系統，其中，該補償放大器級包括一補常運算放大器(OP-AMP)，其被配置成用以響應和該輸出電壓相關聯的一回受電壓以及一參考電壓而產生一穩定化電壓。
  13. 根據申請專利範圍第12項的系統，其中，該補償放大器級包括被耦合在該輸出和該補償OP-AMP的第一輸入之間的一電阻-電容前饋網路以及被耦合在該第一輸入和該補償OP-AMP的輸出之間的一電阻-電容回授網路，該些電阻-電容前饋網路和電阻-電容回授網路會協同操作用以影響該輸出電壓的頻率響應並且提供該穩定化電壓之實質上快速的暫態響應。
  14. 根據申請專利範圍第12項的系統，其中，該增益級包括一增益OP-AMP，其被配置成用以在一第一輸入處接收該穩定化電壓並且用以在一輸出處產生一控制電壓，該控制電壓會在一控制輸入處被提供用以控制該傳輸元件。
  15. 根據申請專利範圍第12項的系統，其中，該參考電壓和該輸出電壓係由一分壓器來互連，該分壓器被配置成用以產生該回授電壓。
  16. 一種積體電路(IC)晶片，其包括根據申請專利範圍第11項的LDO線性電源供應系統，其中，該IC晶片被配置成用以接收該電容器和該電阻器成為一外部電容器與一外部電阻器。
  17. 一種積體電路(IC)晶片，其包括一低壓降(LDO)線性電源供應系統，該LDO線性電源供應系統包括：一傳輸元件，其被配置成以一輸入電壓為基礎在一輸出產生一輸出電壓； 一補償放大器級，其被耦合至該輸出並且包括一補償運算放大器(OP-AMP)，該補償運算放大器被配置成用以響應一和該輸出電壓相關聯的回授電壓與一參考電壓而產生一穩定化電壓，該補償放大器級會被配置成用以提供頻率補償以及提供該輸出電壓之所希望的頻率響應；一增益放大器級，用以互連該補償放大器級和該傳輸元件並且包括一增益OP-AMP，該增益OP-AMP被配置成用以在一第一輸入處接收該穩定化電壓並且在一輸出處產生一控制電壓，該控制電壓會在一控制輸入處被提供用以控制該傳輸元件，該增益放大器級被配置成用以提供DC增益縮放，以便產生實質上正比於該輸入電壓的該輸出電壓；以及多個端點，它們被配置成用以接收被耦合至位於該IC外部之輸出的一電容器和一相關聯的等效串聯電阻器(ESR)，用以提供和該輸出電壓相關聯的輸出濾波。
  18. 根據申請專利範圍第17項的系統，其中，該補償放大器級包括被耦合在該輸出和該補償OP-AMP的第一輸入之間的一電阻-電容前饋網路以及被耦合在該第一輸入和該補償OP-AMP的輸出之間的一電阻-電容回授網路，該些電阻-電容前饋網路和電阻-電容回授網路會協同操作用以影響該輸出電壓的頻率響應並且提供該穩定化電壓之實質上快速的暫態響應。
  19. 根據申請專利範圍第17項的系統，其中，該參考電壓和該輸出電壓係由一分壓器來互連，該分壓器被配置成用以產生該回授電壓。
  20. 根據申請專利範圍第17項的系統，其中，該補償OP-AMP的第一輸入係一反向輸入，俾使得該補償OP-AMP被配置成一反向OP-AMP。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI701539B (zh) * 2016-03-23 2020-08-11 日商艾普凌科有限公司 電壓調節器

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9886044B2 (en) * 2015-08-07 2018-02-06 Mediatek Inc. Dynamic current sink for stabilizing low dropout linear regulator (LDO)
US9983604B2 (en) * 2015-10-05 2018-05-29 Samsung Electronics Co., Ltd. Low drop-out regulator and display device including the same
DE102016201171B4 (de) * 2016-01-27 2021-07-22 Dialog Semiconductor (Uk) Limited Anpassbare Verstärkungssteuerung für Spannungsregler
GB2557223A (en) * 2016-11-30 2018-06-20 Nordic Semiconductor Asa Voltage regulator
US10013010B1 (en) * 2017-01-05 2018-07-03 Qualcomm Incorporated Voltage droop mitigation circuit for power supply network
US11036246B1 (en) * 2017-09-14 2021-06-15 Verily Life Sciences Llc Gear shifting low drop out regulator circuits
EP3511796B1 (en) * 2018-01-15 2021-06-30 Nxp B.V. A linear regulator with a common resistance
US10579084B2 (en) * 2018-01-30 2020-03-03 Mediatek Inc. Voltage regulator apparatus offering low dropout and high power supply rejection
US11146227B1 (en) 2019-09-06 2021-10-12 Northrop Grumman Systems Corporation Open-loop tracking control module to control input range swing for radiation-hardened devices
US11209849B1 (en) * 2019-09-06 2021-12-28 Northrop Grumman Systems Corporation Dynamic tracking regulator to protect radiation-hardened devices
JP7199330B2 (ja) 2019-09-19 2023-01-05 株式会社東芝 レギュレータ回路
JP7381397B2 (ja) * 2020-04-28 2023-11-15 ローム株式会社 電源装置
CN112650353B (zh) * 2020-12-31 2022-06-14 成都芯源系统有限公司 具有稳定性补偿的线性电压调节器
US11687104B2 (en) * 2021-03-25 2023-06-27 Qualcomm Incorporated Power supply rejection enhancer

Family Cites Families (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS501353B1 (zh) 1970-03-31 1975-01-17
JPS5434134B2 (zh) * 1972-09-16 1979-10-25
JPS501353A (zh) * 1973-05-10 1975-01-08
JP3345339B2 (ja) * 1998-03-13 2002-11-18 富士通電装株式会社 デュアルトラッキング回路
US6075351A (en) * 1998-08-04 2000-06-13 Hewlett-Packard Company Control system with nonlinear network for load transients
DE19937932C2 (de) 1999-08-11 2003-07-17 Mtu Aero Engines Gmbh Bürstendichtring
US6522111B2 (en) 2001-01-26 2003-02-18 Linfinity Microelectronics Linear voltage regulator using adaptive biasing
US6459246B1 (en) * 2001-06-13 2002-10-01 Marvell International, Ltd. Voltage regulator
US6518737B1 (en) * 2001-09-28 2003-02-11 Catalyst Semiconductor, Inc. Low dropout voltage regulator with non-miller frequency compensation
US6522112B1 (en) * 2001-11-08 2003-02-18 National Semiconductor Corporation Linear regulator compensation inversion
US6465994B1 (en) 2002-03-27 2002-10-15 Texas Instruments Incorporated Low dropout voltage regulator with variable bandwidth based on load current
JP3943485B2 (ja) 2002-11-26 2007-07-11 太陽誘電株式会社 電源装置
US7205827B2 (en) * 2002-12-23 2007-04-17 The Hong Kong University Of Science And Technology Low dropout regulator capable of on-chip implementation
JP2004362250A (ja) 2003-06-04 2004-12-24 Fuji Electric Device Technology Co Ltd 安定化電源回路
US6765374B1 (en) * 2003-07-10 2004-07-20 System General Corp. Low drop-out regulator and an pole-zero cancellation method for the same
US6975099B2 (en) 2004-02-27 2005-12-13 Texas Instruments Incorporated Efficient frequency compensation for linear voltage regulators
US20060273771A1 (en) * 2005-06-03 2006-12-07 Micrel, Incorporated Creating additional phase margin in the open loop gain of a negative feedback amplifier system
US7589507B2 (en) 2005-12-30 2009-09-15 St-Ericsson Sa Low dropout regulator with stability compensation
FR2896051B1 (fr) * 2006-01-09 2008-04-18 St Microelectronics Sa Regulateur de tension serie a faible tension d'insertion
US7919954B1 (en) * 2006-10-12 2011-04-05 National Semiconductor Corporation LDO with output noise filter
TWI332134B (en) 2006-12-28 2010-10-21 Ind Tech Res Inst Adaptive pole and zero & pole zero cancellation control low drop-out voltage regulator
CN101183270B (zh) * 2007-11-21 2010-06-02 北京中星微电子有限公司 一种低压差稳压器
WO2009098545A1 (en) 2008-02-04 2009-08-13 Freescale Semiconductor, Inc. Low drop-out dc voltage regulator
WO2009156971A1 (en) 2008-06-26 2009-12-30 Nxp B.V. Low dropout voltage regulator and method of stabilising a linear regulator
JP5594980B2 (ja) * 2009-04-03 2014-09-24 ピーエスフォー ルクスコ エスエイアールエル 非反転増幅回路及び半導体集積回路と非反転増幅回路の位相補償方法
JP2010259154A (ja) 2009-04-21 2010-11-11 Mitsubishi Electric Corp 電源制御装置および無効電力制御方法
GB2484442B (en) 2009-07-28 2013-12-25 Skyworks Solutions Inc Process, voltage, and temperature sensor
JP2011039578A (ja) 2009-08-06 2011-02-24 Minebea Co Ltd 電源装置
US8427122B2 (en) 2010-02-11 2013-04-23 Mediatek Singapore Pte. Ltd. Enhancement of power supply rejection for operational amplifiers and voltage regulators

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI701539B (zh) * 2016-03-23 2020-08-11 日商艾普凌科有限公司 電壓調節器

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Publication number Publication date
KR101818313B1 (ko) 2018-01-12
KR20150082272A (ko) 2015-07-15
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US9753473B2 (en) 2017-09-05
WO2014055423A4 (en) 2014-06-19
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