TW201602750A

TW201602750A - 用於穩壓器之電流源及其穩壓器

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Publication number: TW201602750A
Application number: TW103123929A
Authority: TW
Inventors: 胡敏弘; 黃秋皇; 吳振聰; 黃俊為; 蘇品翰
Original assignee: 聯詠科技股份有限公司
Priority date: 2014-07-11
Filing date: 2014-07-11
Publication date: 2016-01-16
Also published as: US9494959B2; US20160011615A1; TWI514104B

Abstract

一種電流源，用來快速調整一輸出電流，該電流源包含有一定電流產生模組，耦接於一控制節點，用來產生一額定電流流經該控制節點，以決定該控制節點之一電壓；一電容，耦接於該電流源之一輸出端；一電流變化偵測模組，耦接於該控制節點與該電容之間，用來於該電流源之該輸出端接收到一瞬間電流變化時，透過該電容使該控制節點之該電壓產生一變化；以及一轉導放大器，耦接於該控制節點與該輸出端之間，用來於該控制節點之該電壓產生該變化時，相對應地改變該輸出端之該輸出電流的大小。

Description

用於穩壓器之電流源及其穩壓器

本發明係指一種用於穩壓器之電流源及其穩壓器，尤指一種可快速調整穩壓器之輸出電流的電流源及其穩壓器。

穩壓器(voltage regulator)通常是利用回授電路來鎖定其所欲產生的輸出電壓，並在穩壓器的輸出端設置穩壓電容來輔助穩壓器的穩壓能力。其中，穩壓電容的設置，主要是在穩壓器所驅動的負載的需求電流產生急遽變化時，將其所預存的電荷轉換成驅動電流提供至負載，以維持穩壓器的輸出端之輸出電壓的穩定度。換句話說，若欲使穩壓器能夠承受大量需求電流的變化，必須使用大尺寸的穩壓電容，因而增加了穩壓器的成本，並降低了穩壓器的反應速率。

因此，業界逐漸發展出各種不需使用穩壓電容的穩壓器，而這些穩壓器往往具有複雜的偵測電路，用來偵測負載端輸出電壓的動態變化，並依據所偵測出的輸出電壓的變化來動態調整穩壓器的驅動電流。一種常見的方式是採用N型金氧半導體場效電晶體(N-type metal oxide semiconductor field-effect transistor，NMOS)取代P型金氧半導體場效電晶體(P-type metal oxide semiconductor field-effect transistor，PMOS)作為供電電晶體。然而，N型金氧半導體場效電晶體的輸出電壓調整範圍較小，且當負載端的需求電流急遽上升時，N型金氧半導體場效電晶體的閘極-源極電壓(Vgs)會大幅增加，造成源極電壓快速下降，無法達到穩定的輸出電壓。因此，美國專利公開號US 2009/0212753A1及美國專利證書號US 7,105,033分別教導了另一種電路結構，其主要概念都是利用比較器來比較輸出電壓及參考電壓，以在輸出電壓受到負載抽取瞬間電流的影響而下降至一定準位時，開啟一瞬間電流源來供應瞬間的電流需求，並採用另一比較器比較輸出電壓及另一參考電壓，以在輸出電流過大造成輸出電壓過高時關閉該瞬間電流源。然而，這類型的穩壓器往往需要較複雜的電路設計，因而提高了電路成本及額外的電源消耗，且瞬間電流源必須在輸出電壓產生較明顯下降之後才開啟，其穩定輸出電壓的效果有限。此外，由於此類型之電路具有二組比較器，並使用二組控制迴路來進行控制，較容易發生穩定性問題。

隨著製程的進步，數位電路的密度愈來愈高，功能性愈來愈強，所產生的瞬間電流也愈來愈大。因此，現有未包含穩壓電容之穩壓器的反應速度有限，已不符需求。即使是包含穩壓電容的穩壓器，在負載端需求電流愈來愈大的情況下，其穩壓效果更容易受到晶片外部或內部電路之寄生阻抗的影響而降低。有鑑於此，習知技術實有改進之必要。

因此，本發明之主要目的即在於提供一種可快速調整輸出電流的電流源及穩壓器(voltage regulator)，以在負載端需要大量瞬間電流時，快速調整輸出電流的大小，進而達到穩定輸出電壓的效果，同時避免輸出電壓被負載電流拉低造成電路失效。

本發明揭露一種電流源，用來快速調整一第一輸出電流，該電流源包含有一定電流產生模組，耦接於一控制節點，用來產生一額定電流流經該控制節點，以決定該控制節點之一電壓；一電容，耦接於該電流源之一輸出端；一電流變化偵測模組，耦接於該控制節點與該電容之間，用來於該電流源之該輸出端接收到一瞬間電流變化時，透過該電容使該控制節點之該電壓產生一變化；以及一轉導放大器，耦接於該控制節點與該輸出端之間，用來於該控制節點之該電壓產生該變化時，相對應地改變該輸出端之該第一輸出電流的大小。

本發明另揭露一種穩壓器，包含有一緩衝器、一電流源及一穩壓放大器。該緩衝器耦接於該穩壓器之一輸出端與一快速反應控制端之間，用來產生一輸出電流。該電流源耦接於該緩衝器，該電流源包含有一定電流產生模組，耦接於一控制節點，用來產生一額定電流流經該控制節點，以決定該控制節點之一電壓；一電容，耦接於該穩壓器之該輸出端；一電流變化偵測模組，耦接於該控制節點與該電容之間，用來於該穩壓器之該輸出端接收到一瞬間電流變化時，透過該電容使該控制節點之該電壓產生一變化；以及一轉導放大器，耦接於該控制節點與該快速反應控制端之間，用來於該控制節點之該電壓產生該變化時，於該快速反應控制端產生相對應的一輸出訊號，以控制該緩衝器改變該輸出電流的大小。該穩壓放大器耦接於該穩壓器之該輸出端與該快速反應控制端之間，用來鎖定該輸出端之一穩態電壓，並決定該快速反應控制端之一偏壓。

10‧‧‧電流源

102‧‧‧定電流產生模組

104‧‧‧電流變化偵測模組

106‧‧‧轉導放大器

C1、CMP1、CMN1、CMP2、CMN2‧‧‧電容

R1、RDCP、RDCN‧‧‧電阻

N_CTRL、N_CTRL1、N_CTRL2‧‧‧控制節點

N_OUT‧‧‧輸出端

IOUT‧‧‧輸出電流

MP1、MP2、MP3、MP3’、MP4、MP5‧‧‧P型金氧半導體場效電晶體

MN1、MN2、MN3、MN3’、MN4、MN5、MN0‧‧‧N型金氧半導體場效電晶體

NDP1、NDN1、NDP4、NDN4‧‧‧節點

50、70、90‧‧‧穩壓器

500、700、900‧‧‧穩壓放大器

502、702、902‧‧‧放大器

504、506、704、706、904、906‧‧‧分壓電阻

Vref‧‧‧參考電壓

VOUT‧‧‧輸出電壓

708、908‧‧‧緩衝器

710‧‧‧轉換電阻

N_FAST‧‧‧快速反應控制端

V_FAST‧‧‧控制電壓

第1圖為本發明實施例一電流源之示意圖。

第2圖為電流源之一種實施方式之示意圖。

第3圖為電流源之另一種實施方式之示意圖。

第4圖為電流源之另一種實施方式之示意圖。

第5圖為本發明實施例一穩壓器之示意圖。

第6圖為第5圖的穩壓器之一種實施方式之示意圖。

第7圖為本發明實施例另一穩壓器之示意圖。

第8圖為第7圖的穩壓器之一種實施方式之示意圖。

第9圖為本發明實施例另一穩壓器之示意圖。

第10圖為第9圖的穩壓器之一種實施方式之示意圖。

請參考第1圖，第1圖為本發明實施例一電流源10之示意圖。如第1圖所示，電流源10包含有一定電流產生模組102、一電容C1、一電流變化偵測模組104及一轉導放大器106。定電流產生模組102耦接於一控制節點N_CTRL，用來產生一額定電流流經控制節點N_CTRL，以決定控制節點N_CTRL之電壓。額定電流之主要目的是用來調整控制節點N_CTRL的偏壓，在避免過多耗電的情況下，額定電流可設定為較小之電流。電容C1耦接於電流源10之一輸出端N_OUT與電流變化偵測模組104之間。電流變化偵測模組104則耦接於控制節點N_CTRL與電容C1之間，其可於電流源10之輸出端N_OUT接收到一瞬間電流變化時，透過電容C1使控制節點N_CTRL之電壓產生相對應的變化。轉導放大器106耦接於控制節點N_CTRL與輸出端N_OUT之間，在控制節點N_CTRL之電壓發生變化時，轉導放大器106即可根據控制節點N_CTRL之電壓變化，相對應地改變輸出端N_OUT之輸出電流IOUT的大小。在一實施例中，電流源10可另包含一電阻R1，電阻R1耦接於控制節點N_CTRL與定電流產生模組102之間，可用以避免定電流產生模組102產生另一瞬間電流抵消控制節點N_CTRL之電壓變化。

詳細來說，電流源10可用來提供晶片系統所需的電流，因此系統中任何需要供電的電路皆可視為電流源10的負載。當負載電流瞬間發生變化時，電容C1會立即反應，使控制節點N_CTRL的電壓產生變化。接著，轉導放大器106會根據控制節點N_CTRL的電壓大小，輸出相對應的輸出電流IOUT。舉例來說，當負載瞬間需要大量電流時，會從電路系統中任何存在電荷的寄生電容抽取電流，因此也會從電容C1抽取電流，造成耦接於電容C1之控制節點N_CTRL的電壓下降。當轉導放大器106偵測到控制節點N_CTRL的電壓下降時，會提升輸出電流IOUT的大小，使得輸出電流IOUT滿足瞬間的負載電流需求，進而避免輸出電壓被負載電流拉低而造成電路失效。另一方面，當負載端的需求電流瞬間減少時，由於輸出電流IOUT較大，過剩的電流會透過電容C1造成控制節點N_CTRL的電壓上升。當轉導放大器106偵測到控制節點N_CTRL的電壓上升時，會降低輸出電流IOUT的大小，甚至可抽取過剩的輸出電流IOUT，以避免輸出電壓過度上升造成電路失效或產生不良影響。

值得注意的是，在習知電流源或穩壓器電路中，直流迴路與交流迴路通常是建構於同一回授電路中，若欲提升電流源的反應速度而提高迴路頻寬時，往往會犧牲電路的穩定性。另一方面，在穩定性的考量之下，其反應速度必然會因此受限。相較之下，根據第1圖之電路結構，定電流產生模組102及電阻R1可建構直流迴路，電容C1、電流變化偵測模組104及轉導放大器106可建構交流迴路(小訊號迴路)。在此情況下，直流迴路與交流迴路是分開的。因此，若欲提升電流源的反應速度，只需要提升交流迴路的頻寬而不需調整直流迴路，使得直流迴路可達到較高的穩定性。

請參考第2圖，第2圖為電流源10之一種實施方式之示意圖。如第2圖所示，電流源10之電路結構可包含有P型金氧半導體場效電晶體(P-type metal oxide semiconductor field-effect transistor，PMOS)MP1、MP2及MP3、N型金氧半導體場效電晶體(N-type metal oxide semiconductor field-effect transistor，NMOS)MN1、MN2及MN3、電容CMP1及CMN1及電阻RDCP。在第2圖之電路結構中，P型金氧半導體場效電晶體MP1及MP3以電流鏡(current mirror)形式配置，而N型金氧半導體場效電晶體MN1 及MN3則分別用來沉入(sink)P型金氧半導體場效電晶體MP1及MP3之電流。P型金氧半導體場效電晶體MP2及N型金氧半導體場效電晶體MN2耦接於電晶體MP1及MN1之間，控制節點N_CTRL1則位於電晶體MP2及MN2之間，以透過電晶體MP2及MN2控制控制節點N_CTRL1的電壓大小。電容CMP1耦接於輸出端N_OUT及節點NDP1之間，其中，輸出端N_OUT位於電晶體MP3及MN3之間，節點NDP1位於電晶體MP1及MP2之間。電容CMN1耦接於輸出端N_OUT及節點NDN1之間，其中，節點NDN1位於電晶體MN1及MN2之間。電容CMP1及CMN1皆可視為第1圖之電容C1的一部份。電阻RDCP耦接於電晶體MP1之閘極及控制節點N_CTRL1之間，其可視為第1圖之電阻R1的一部份。

根據電晶體MP1及MP3所形成之電流鏡，在穩態之下，輸出電流IOUT(即通過電晶體MP3之電流)的大小會大致等於通過電晶體MP1及控制節點N_CTRL1之額定電流的大小。當負載瞬間抽取大量電流時，負載會經由輸出端N_OUT從電容CMP1及CMN1中儲存的電荷抽取，造成節點NDP1及NDN1之電壓快速下降，節點NDP1之電壓下降會造成電晶體MP2迅速關閉，而節點NDN1之電壓下降會造成通過電晶體MN2的電流大幅增加，此電流會造成控制節點N_CTRL1之電壓快速且大幅度地下降，使電晶體MP3輸出大量電流。藉由上述運作，電晶體MP3可瞬間提供負載所需的大量電流。值得注意的是，電晶體MP1之閘極與控制節點N_CTRL1之間存在電阻RDCP，其目的在於，當控制節點N_CTRL1之電壓快速下降時，電阻RDCP可避免電晶體MP1之閘極電壓隨之而快速下降，而造成電晶體MP1快速通過大量電流使得控制節點N_CTRL1之電壓快速回升(即抵消控制節點N_CTRL1之電壓變化)。換句話說，電阻RDCP可降低電晶體MP1的反應速度，使得控制節點N_CTRL1之電壓在輸出端N_OUT輸出足夠電流以滿足負載需求之後再回升。

除了迅速滿足負載端需求電流之外，本發明之電流源亦可在輸出電流過大時，快速地提供沉入過剩電流之路徑。請參考第3圖，第3圖為電流源10之另一種實施方式之示意圖。如第3圖所示，電流源10之電路結構可包含有P型金氧半導體場效電晶體(P-type metal oxide semiconductor field-effect transistor，PMOS)MP3’、MP4及MP5、N型金氧半導體場效電晶體(N-type metal oxide semiconductor field-effect transistor，NMOS)MN3’、MN4及MN5、電容CMP2及CMN2及電阻RDCN。在第3圖之電路結構中，N型金氧半導體場效電晶體MN3’及MN4以電流鏡形式配置，而P型金氧半導體場效電晶體MP3’及MP4則分別作為N型金氧半導體場效電晶體MN3’及MN4的電流來源(source)。P型金氧半導體場效電晶體MP5及N型金氧半導體場效電晶體MN5耦接於電晶體MP4及MN4之間，控制節點N_CTRL2則位於電晶體MP5及MN5之間，以透過電晶體MP5及MN5控制控制節點N_CTRL2的電壓大小。電容CMP2耦接於輸出端N_OUT及節點NDP4之間，其中，輸出端N_OUT位於電晶體MP3’及MN3’之間，節點NDP4位於電晶體MP4及MP5之間。電容CMN2耦接於輸出端N_OUT及節點NDN4之間，其中，節點NDN4位於電晶體MN4及MN5之間。電容CMP2及CMN2皆可視為第1圖之電容C1的一部份。電阻RDCN耦接於電晶體MN4之閘極及控制節點N_CTRL2之間，其可視為第1圖之電阻R1的一部份。

根據電晶體MN3’及MN4所形成之電流鏡，在穩態之下，輸出電流IOUT(即通過電晶體MN3’之電流)的大小會大致等於通過電晶體MN4及控制節點N_CTRL2之額定電流的大小。當負載之需求電流瞬間減少時，過剩的電流會經由輸出端N_OUT灌入電容CMP2及CMN2中，造成節點NDP4及NDN4之電壓快速上升，節點NDN4之電壓上升會造成電晶體MN5迅速關閉，而節點NDP4之電壓上升會造成通過電晶體MP5的電流大幅增加，此電流會造成控制節點N_CTRL2之電壓快速且大幅度地上升，使電晶體MN3’沉入大量電流。藉由上述運作，電晶體MN3’可瞬間形成可沉入大量電流的路徑。值得注意的是，電晶體MN4之閘極與控制節點N_CTRL2之間存在電阻RDCN，其目的在於，當控制節點N_CTRL2之電壓快速上升時，電阻RDCN可避免電晶體MN4之閘極電壓隨之而快速上升，而造成電晶體MN4快速通過大量電流使得控制節點N_CTRL2之電壓快速回降(即抵消控制節點N_CTRL2之電壓變化)。換句話說，電阻RDCN可降低電晶體MN4的反應速度，使得控制節點N_CTRL2之電壓在輸出端N_OUT之過剩電流已沉入電晶體MN3’之後再回降。

值得注意的是，電流源10亦可同時具備快速提供大量電流以及快速沉入大量電流的功能。請參考第4圖，第4圖為電流源10之另一種實施方式之示意圖。第4圖之電路結構可視為第2圖及第3圖之電路結構的結合，因此功能相同的元件及訊號皆以相同符號表示。其中，第4圖之電晶體MP3及MN3的功能及運作方式分別與第2圖之電晶體MP3及MN3相同，也相同於第3圖之電晶體MP3’及MN3’。關於第4圖之電路結構之詳細運作方式可參考上述相關於第2圖及第3圖的說明，於此不贅述。

本發明之電流源10可應用於各種類型的穩壓器，以針對系統需求，穩定地輸出一額定電壓至負載端，在此情況下，電流源10之輸出端可另耦接至放大器、分壓電阻及其它相關元件，以形成穩壓器的架構。請參考第5圖，第5圖為本發明實施例一穩壓器50之示意圖。如第5圖所示，穩壓器50包含有電流源10及一穩壓放大器500。穩壓放大器500可用來鎖定穩壓器50輸出端之一輸出電壓VOUT，其包含有一放大器502及分壓電阻504、506。放大器502之輸出端耦接於電流源10之輸出端，以作為穩壓器50之輸出端，用來提供輸出電壓VOUT至負載。分壓電阻504、506可形成一回授電路，以根據一參考電壓Vref，將穩壓器50輸出端的穩態輸出電壓VOUT鎖定在一預定值。當負載端之需求電流固定時(即穩態之下)，輸出電壓VOUT的值是由穩壓放大器500控制，而電流源10不影響輸出電壓VOUT的值；當負載端的需求電流發生急遽變化時，則是透過電流源10快速提供大量電流或沉入大量電流。

請參考第6圖，第6圖為穩壓器50之一種實施方式之示意圖。如第6圖所示，電流源10採用第4圖所繪示之電路結構，並搭配穩壓放大器500中的放大器502及分壓電阻504、506來實現穩壓器50之電路結構。關於第6圖之電路結構之詳細運作方式可參考上述相關於第2圖、第3圖及第5圖的說明，於此不贅述。

在一實施例中，電流源10可不直接輸出電流，而是將其輸出的電流藉由一阻抗轉換為快速變化的輸出電壓，進而控制一緩衝器輸出電流，並藉由緩衝器的推力來提升對負載供應電流的速度。請參考第7圖，第7圖為本發明實施例另一穩壓器70之示意圖。如第7圖所示，穩壓器70包含有電流源10、一穩壓放大器700、一緩衝器708及一轉換電阻710。穩壓放大器700可用來鎖定穩壓器70輸出端之一輸出電壓VOUT，其包含有一放大器702及分壓電阻704、706。放大器702之輸出端耦接於緩衝器708之輸出端，以作為穩壓器70之輸出端，用來提供輸出電壓VOUT至負載。分壓電阻704、706可形成一回授電路，以根據一參考電壓Vref，將穩壓器70輸出端的穩態輸出電壓VOUT鎖定在一預定值。轉換電阻710可將電流源10進行快速反應所輸出的瞬間電流轉換為電壓，並於一快速反應控制端N_FAST產生快速的電壓變化。快速反應控制端N_FAST進而控制緩衝器708輸出電流至負載。當負載端之需求電流固定時(即穩態之下)，輸出電壓VOUT的值是由穩壓放大器700控制，而電流源10及緩衝器708不影響輸出電壓VOUT的值；當負載端的需求電流發生急遽變化時，則是透過電流源10及快速反應控制端N_FAST控制緩衝器708快速提供大量電流。

請參考第8圖，第8圖為穩壓器70之一種實施方式之示意圖。如第8圖所示，電流源10採用第4圖所繪示之電路結構但連接方式略有不同，緩衝器708可為一N型金氧半導體場效電晶體MN0，並搭配穩壓放大器700中的放大器702及分壓電阻704、706以及轉換電阻710來實現穩壓器70之電路結構。電流源10中的電容CMP1、CMP2、CMN1及CMN2之一端耦接於穩壓器70之輸出端，另一端分別耦接於節點NDP1、NDP4、NDN1及NDN4。電晶體MP3及MN3之汲極則耦接至快速反應控制端N_FAST。N型金氧半導體場效電晶體MN0之閘極耦接於快速反應控制端N_FAST，汲極耦接於電源供應端，而源極耦接於穩壓器70之輸出端。在第8圖中，轉換電阻710係繪示為一電阻，但在其它實施例中，轉換電阻710亦可透過連接成二極體形式的電晶體(diode-connected transistor)實現，以藉由其等效電阻將電流源10所輸出的電流轉換為快速反應控制端N_FAST之一控制電壓V_FAST，而不限於此。

詳細來說，當穩壓器70之負載瞬間抽取大量電流時，透過電流源10的快速反應，電晶體MP3可瞬間輸出大量電流。此電流會經由快速反應控制端N_FAST流至轉換電阻710，使得快速反應控制端N_FAST之控制電壓V_FAST快速上升，進而控制N型金氧半導體場效電晶體MN0瞬間輸出大量電流至負載，以快速提供負載所需的電流。相較於由電流源10直接輸出電流至負載的方式，穩壓器70可透過推力較強的緩衝器708來提升推動負載的能力，可進一步提升輸出電流的速度。另一方面，當負載的需求電流瞬間下降時，透過電流源10的快速反應，電晶體MN3可瞬間沉入大量電流。此電流會從轉換電阻710經由快速反應控制端N_FAST被電流源10吸收，使得快速反應控制端N_FAST之控制電壓V_FAST快速下降，進而控制電晶體MN0瞬間關閉，以迅速降低輸出電流的大小或停止供應輸出電流。

值得注意的是，欲使快速反應控制端N_FAST控制電晶體MN0的運作達到最佳化，快速反應控制端N_FAST的控制電壓V_FAST在穩態之下應鎖定於一特定準位。較佳地，控制電壓V_FAST可設定為等於或接近於輸出電壓VOUT加上電晶體MN0之一臨界電壓(threshold voltage)的大小。換句話說，控制電壓V_FAST約略等於使電晶體MN0介於開啟及關閉之間的臨界值。因此，在穩態狀況下，控制電壓V_FAST恰好位於可開啟N型金氧半導體場效電晶體MN0的準位，使得電晶體MN0輸出少量電流。當負載瞬間抽取大量電流時，控制電壓V_FAST只需要稍微提升即可控制電晶體MN0瞬間輸出大量電流。當輸出電流過大時，控制電壓V_FAST也只需要稍微下降即可控制電晶體MN0關閉。在此情況下，穩壓器70及電流源10對負載瞬間電流變化的反應可達到最快。若控制電壓V_FAST設定的準位過低，當負載瞬間抽取大量電流時，控制電壓V_FAST開始上升至電晶體MN0開啟之前會有一小段時間電晶體MN0無法輸出電流；另一方面，若控制電壓V_FAST設定的準位過高，除了穩態電流可能過大之外，當電流源10偵測到輸出電流過大時，控制電壓V_FAST下降至關閉電晶體MN0之前會有一小段時間電晶體MN0仍會繼續輸出電流。

在第8圖之穩壓器70電路結構中，控制電壓V_FAST的穩態電壓是由電流源10在穩態狀態下的額定電流及轉換電阻710的阻值決定。由於製程上的偏移，無論轉換電阻710透過任何形式的電阻或是連接成二極體形式的電晶體來實現，其阻值都會存在一定程度的誤差，同時額定電流也存在有誤差，造成控制電壓V_FAST的穩態電壓之準確度較低。因此，在一實施例中，可另將穩壓放大器耦接至快速反應控制端N_FAST，以鎖定控制電壓 V_FAST在穩態狀況下的偏壓。

請參考第9圖，第9圖為本發明實施例另一穩壓器90之示意圖。如第9圖所示，穩壓器90包含有電流源10、一穩壓放大器900及一緩衝器908。穩壓放大器900可用來鎖定穩壓器90輸出端之一輸出電壓VOUT，其包含有一放大器902及分壓電阻904、906。放大器902之輸出端耦接於一快速反應控制端N_FAST，分壓電阻904、906則耦接於緩衝器908之輸出端，以作為穩壓器90之輸出端，用來提供輸出電壓VOUT至負載。分壓電阻904、906可形成一回授電路，以根據一參考電壓Vref，將穩壓器90輸出端的穩態輸出電壓VOUT鎖定在一預定值。當負載端之需求電流固定時(即穩態之下)，輸出電壓VOUT的值是由穩壓放大器900控制，而電流源10不影響輸出電壓VOUT的值；當負載端的需求電流發生急遽變化時，則是透過電流源10及快速反應控制端N_FAST控制緩衝器908快速提供大量電流。

穩壓器90與穩壓器70的主要差異在於，在穩壓器70中，放大器702之輸出端耦接至穩壓器70之輸出端，而在穩壓器90中，放大器902之輸出端則是耦接至快速反應控制端N_FAST，用來控制快速反應控制端N_FAST之偏壓(即穩態之下的控制電壓V_FAST)。在此情況下，穩壓放大器900可將快速反應控制端N_FAST之偏壓控制在較佳的準位，使得控制電壓V_FAST等於或接近於輸出電壓VOUT加上電晶體MN0之臨界電壓的大小。此外，放大器902之等效輸出阻抗提供了快速反應控制端N_FAST至接地端的等效電阻，因此穩壓器90不需另包含轉換電阻。

請參考第10圖，第10圖為穩壓器90之一種實施方式之示意圖。如第10圖所示，電流源10採用第4圖所繪示之電路結構，其連接方式相同於第8圖之電流源10，緩衝器908可為一N型金氧半導體場效電晶體MN0，並搭配穩壓放大器900中的放大器902及分壓電阻904、906來實現穩壓器90之電路結構。在第10圖中，N型金氧半導體場效電晶體MN0之運作方式及功效相同於第8圖之N型金氧半導體場效電晶體MN0，因此以相同符號表示。由於穩壓器90未包含轉換電阻，放大器902之等效輸出阻抗提供了相同於轉換電阻的功能。詳細來說，當穩壓器90之負載瞬間抽取大量電流時，透過電流源10的快速反應，電晶體MP3可瞬間輸出大量電流。此電流會經由快速反應控制端N_FAST流至放大器902之等效輸出阻抗，使得快速反應控制端N_FAST之控制電壓V_FAST快速上升，進而控制N型金氧半導體場效電晶體MN0瞬間輸出大量電流至負載，以快速提供負載所需的電流。另一方面，當負載的需求電流瞬間下降時，透過電流源10的快速反應，電晶體MN3可瞬間沉入大量電流。此電流會從放大器902之等效輸出阻抗經由快速反應控制端N_FAST被電流源10吸收，使得快速反應控制端N_FAST之控制電壓V_FAST快速下降，進而控制電晶體MN0瞬間關閉，以迅速降低輸出電流的大小或停止供應輸出電流。

習知電流源及穩壓器(如美國專利公開號US 2009/0212753A1及美國專利證書號US 7,105,033)皆必須對輸出電壓進行偵測，以在負載瞬間產生大量需求電流並偵測到輸出電壓下降至一定程度時，開啟一瞬間電流源來補足負載端的電流需求。相較於習知電流源是根據電壓變化來調整輸出電流，本發明是根據負載電流來調整輸出電流，因此反應速度較快。詳細來說，由於輸出電壓的變化是負載需求電流改變所造成的結果，因此，相較於偵測輸出電壓的變化，直接根據負載電流調整輸出電流可達到較快的反應速度。理想狀況下，當電路反應速度夠快時，不需等待輸出電壓發生變化，即可在輸出電流的變化造成輸出電壓產生波動之前提供負載所需的電流。如此一來，輸出電壓因負載電流改變而產生的波動將減至最低，使得穩壓器達到最佳的穩壓效果。

值得注意的是，本發明之電流源可在負載出現大量需求電流時，快速地產生輸出電流提供予負載，使得輸出電壓因負載電流改變而產生的波動減至最低，進而使穩壓器的穩壓效果達到最佳化。本領域具通常知識者當可據以進行修飾或變化，而不限於此。舉例來說，電流源10的實現可根據系統需求，採用第2圖、第3圖或第4圖所示的電路結構，或採用其它電路結構來輸出快速反應的電流。此外，穩壓器的實現方式亦不限於上述穩壓器50、70及90。本發明之電流源可搭配各種不同結構的穩壓電路以實現不同類型的穩壓器，而不限於此。

舉例來說，為達到更好的穩定性，亦可在穩壓器90之輸出端及放大器902內之反相輸出級之間配置一米勒補償(Miller compensation)電容。米勒補償電容可用來提高穩壓放大器900與緩衝器908所形成之迴路的穩定性，同時降低該迴路的頻寬，進而降低穩壓放大器900的反應速度。如上所述，當負載的需求電流發生急遽變化時，是由電流源10產生快速反應，並藉由電流源10的輸出電流調整快速反應控制端N_FAST的控制電壓V_FAST，以控制緩衝器708快速提供大量電流。因此，降低穩壓放大器900的反應速度可避免穩壓放大器900在短期間內影響控制電壓V_FAST，使其控制緩衝器708快速提供電流的效果受到影響。

綜上所述，本發明之電流源可在負載的需求電流瞬間增加時，快速產生輸出電流提供予負載，亦可在負載的需求電流瞬間減少時，快速降低輸出電流的大小或提供沉入大量電流的路徑。電流源可直接輸出瞬間電流至負載端，亦可控制緩衝器提供瞬間的輸出電流，以提升對負載供應電流的速度。使用上述電流源的穩壓器即可根據負載的需求電流，迅速產生輸出電流以避免輸出電壓產生劇烈波動，藉此達到最佳的穩壓效果，同時避免輸出電壓被負載電流拉低造成電路失效。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10‧‧‧電流源

102‧‧‧定電流產生模組

104‧‧‧電流變化偵測模組

106‧‧‧轉導放大器

C1‧‧‧電容

R1‧‧‧電阻

N_CTRL‧‧‧控制節點

N_OUT‧‧‧輸出端

IOUT‧‧‧輸出電流

Claims

一種電流源，用來快速調整一第一輸出電流，該電流源包含有：一定電流產生模組，耦接於一控制節點，用來產生一額定電流流經該控制節點，以決定該控制節點之一電壓；一電容，耦接於該電流源之一輸出端；一電流變化偵測模組，耦接於該控制節點與該電容之間，用來於該電流源之該輸出端接收到一瞬間電流變化時，透過該電容使該控制節點之該電壓產生一變化；以及一轉導放大器，耦接於該控制節點與該輸出端之間，用來於該控制節點之該電壓產生該變化時，相對應地改變該輸出端之該第一輸出電流的大小。
如請求項1所述之電流源，另包含有：一電阻，耦接於該控制節點，用來避免該定電流產生模組產生另一瞬間電流抵消該控制節點之該電壓之該變化。
如請求項1所述之電流源，其中該電流源之該輸出端耦接於一緩衝器，以控制該緩衝器輸出一第二輸出電流。
如請求項3所述之電流源，其中該緩衝器係一N型金氧半導體場效電晶體，其一汲極耦接於一電源供應端、一源極耦接於該電容、以及一閘極耦接於該輸出端，該電流源根據該N型金氧半導體場效電晶體之該源極的一負載變化，控制該N型金氧半導體場效電晶體輸出該第二輸出電流。
如請求項1所述之電流源，其中該定電流產生模組包含有一電流鏡，以在穩態之下，控制該第一輸出電流的大小等於該額定電流的大小。
一種穩壓器(voltage regulator)，包含有：一緩衝器，耦接於該穩壓器之一輸出端與一快速反應控制端之間，用來產生一輸出電流；一電流源，耦接於該緩衝器，該電流源包含有：一定電流產生模組，耦接於一控制節點，用來產生一額定電流流經該控制節點，以決定該控制節點之一電壓；一電容，耦接於該穩壓器之該輸出端；一電流變化偵測模組，耦接於該控制節點與該電容之間，用來於該穩壓器之該輸出端接收到一瞬間電流變化時，透過該電容使該控制節點之該電壓產生一變化；以及一轉導放大器，耦接於該控制節點與該快速反應控制端之間，用來於該控制節點之該電壓產生該變化時，於該快速反應控制端產生相對應的一輸出訊號，以控制該緩衝器改變該輸出電流的大小；以及一穩壓放大器，耦接於該穩壓器之該輸出端與該快速反應控制端之間，用來鎖定該輸出端之一輸出電壓，並決定該快速反應控制端之一偏壓。
如請求項6所述之穩壓器，其中該電流源另包含有：一電阻，耦接於該控制節點，用來避免該定電流產生模組產生另一瞬間電流抵消該控制節點之該電壓之該變化。
如請求項6所述之穩壓器，其中該緩衝器係一N型金氧半導體場效電晶體，該N型金氧半導體場效電晶體之一汲極耦接於一電源供應端、一源極耦接於該穩壓器之該輸出端、以及一閘極耦接於該快速反應控制端。
如請求項8所述之穩壓器，其中該快速反應控制端耦接至該穩壓放大器之一輸出端，以控制該快速反應控制端之該偏壓等於或接近於該輸出電壓加上該N型金氧半導體場效電晶體之一臨界電壓(threshold voltage)的大小。
如請求項5所述之穩壓器，另包含有：一米勒補償(Miller compensation)電容，耦接於該穩壓器之該輸出端與該穩壓放大器內之一反相輸出級之間，用來提高該穩壓放大器與該緩衝器形成之迴路的穩定性。