TWI408525B - 線性調節器及其方法 - Google Patents

Description

線性調節器及其方法

本發明一般涉及電子學，特別是涉及形成半導體裝置與結構的方法。

過去，半導體產業應用各種方法和結構形成線性電壓調節電路。一種典型的線性電壓調節電路的實施是指一低壓差(LDO)調節器。這種LDO調節器通常使調節器兩端下降很小的電壓，並能向位於LDO調節器外部的負載提供很好的調節電壓。在大部分情況下，負載所必需的電流量隨負載的工作狀態而不同，這種不同會影響系統的頻率穩定性。由於負載電流不同，負載提供的阻抗也不同。這種負載阻抗的不同通常會導致LDO調節器及負載所形成的封閉回路系統的不穩定運行。

因此，希望有一種用於形成具有內部補償的調節器的方法，以改進由調節器所提供的穩定性。

圖1示意性地描述包含一線性調節器20的一調節系統10中的一部分的具體實施方式。調節器20包含一可變密勒補償電路，其係配置以形成補償零點，該補償零點在頻率中移動，並與調節器20提供的負載電流的變化成比例，藉以提高系統10的穩定性。可變密勒補償電路配置成包含一可變電阻，其回應於負載電流的變化而改變阻值，藉以形成補償零點。調節器20從電壓輸入端15和電壓回流端16之間的直流電源獲得電力。負載11通常與調節器20的輸出端22相連以獲得調節電壓及來自輸出22的負載電流17。負載11代表電容器12和電阻13代表的阻抗(Z負載)。通常負載11有一回流端14，其與公共的參考點(如回流端16)相連。調節器20還包含誤差放大器23，緩衝驅動器或緩衝器33，旁路元件(如電晶體24)，一感測網路(sense network)28和一可變密勒補償電路40。圖1中闡明的電路40的典型實施例包含一放大器47，一匹配電晶體48和一可變密勒補償網路43，該可變密勒補償網路包含由一電晶體45及一補償電容器44組成的一可變電阻。通常將誤差放大器23配置為連有增益元件的一跨導放大器，以形成放大器23所欲之增益。圖1所示的網路28的典型形式為一電阻分配器，其包含位於輸出端22及回流端16之間、相互串聯連接的電阻器29和30。電阻器29和30在它們之間的一共同連接的一節點31處形成一輸出電壓感測訊號。然而，網路28可以有其他的實施方式，只要該實施方式能形成代表輸出22上的輸出電壓值的輸出電壓感測訊號。電晶體24係形成以包含一主電晶體及一感測電晶體，該感測電晶體可形成一感測電流26，其代表流經電晶體24的主電晶體的電流25，這種電晶體的典型例子為感測(Sense)FET型的電晶體，感測電晶體的尺寸與主電晶體的尺寸成一定的比例，因此感測電晶體的電流值與流經主電晶體的電流成比例。SENSEFET是摩托羅拉公司(Motorola,Inc.of Schaumburg,Illinois)的商標，在1985年12月在被授予專利的美國專利號4,553,084中公開了具有SENSEFET型式的電晶體，其專利權人為Robert Wrathall(羅伯特.若斯霍爾)，該專利在此亦併入作為參考。本領域技術人員應理解電晶體24還可以為其他類型的比例電晶體，只要該電晶體可以形成代表流經主電晶體電流的感測電流。

誤差放大器23從調節器20的參考輸入點21接收一參考訊號，並從節點31接收電壓感測訊號。放大器23在其輸出端形成一誤差訊號，該誤差訊號代表感測訊號相對於該參考訊號的偏移量。緩衝器33接收誤差訊號並形成一驅動訊號，該驅動訊號控制電晶體24以提供電流25。在最佳實施例中，緩衝器33形成為具有增益的差分放大器34，該增益由增益電阻器35、36的值予以確定。緩衝器33的增益通常大於1以便驅動電晶體24，該增益最好在5左右。來自電晶體24的電流25的一部分流經網路28作為電流18，以提供電壓感測訊號，其餘部分流經輸出端22以作為一負載電流17。由於流經網路28的電流量相對於電流17的值是很小的，流經電晶體24的電流值25基本等於電流17的值，因此，感測電流26的值與負載電流17的值基本上成比例。

調節器20和系統10的可變電容器及電阻器形成極點和零點，其影響調節器20和系統10的穩定性。電晶體24具有一大閘極－源極寄生電容，其形成調節器20的寄生極點。緩衝器33通常具有高輸入阻抗、低輸出阻抗，其將電晶體24的寄生電容與放大器23的輸出阻抗分開。緩衝器33的低輸出阻抗將寄生極點置於高頻率，其位於系統10的主動頻率範圍之外。補償電容器44形成調節器20與系統10的主極點。電容器44的主極點頻率由放大器23的輸出阻抗乘以電容器44的有效值來控制。因為電容器44與位於密勒結構中的電晶體24和緩衝器33並聯，因而電容器44的有效電容是電容44的物理值乘以由緩衝器33與電晶體24提供的增益。密勒結構使得電容器44的有效值很大，因此主極點係置於低頻範圍。負載極點由負載11的電容形成，由電容12表示。負載極點的頻率由電容12及負載電阻決定，負載電阻由電阻器13表示。由於負載電流17的值7在負載11的操作期間變化，而電阻器13的有效值也隨電流17的變化而變化，因此，負載極點的頻率也隨電流17的變化而變化。以下將進一步看出，電路40於密勒結構中係與緩衝器33和電晶體24並聯配置，使得電晶體45的可變電阻與電容器44串聯連接，且該串聯結構又與緩衝器33及電晶體24的增益並聯連接。

圖2是說明系統10中某些極點及零點的頻率圖。該頻率圖是一維的，橫坐標表示頻率的增加，而縱坐標則沒有用到；其中主極點用一個X標誌表示，負載極點用兩個X標誌表示，寄生極點用三個X標誌表示，補償零點用圓圈表示，而主動頻率範圍用符號f_r 表示。極點及零點處於輕負載(即電流值17較小)下的頻率用實線表示，處於重負載(即電流值17較大)下的頻率用虛線表示。電路40係配置以確定補償零點的位置，使補償零點的頻率接近輕負載狀態下負載極點的頻率，並在系統10運行過程中追蹤負載極點的頻率變化來維持系統10的穩定性。電晶體45的電阻與電容器44的電容形成補償零點。電晶體45係配置以作為一可變電阻，其移動補償零點的頻率。放大器47接收來自放大器23的誤差訊號並形成代表誤差訊號值的緩衝誤差訊號。放大器47最好為單一增益緩衝器，因此緩衝的誤差訊號與誤差訊號相等。放大器47通常配置為具有增益元件的跨導放大器，該增益元件用來設定放大器47的增益。與二極體相連的電晶體48接收緩衝的誤差訊號及感測電流26，其向電晶體48施加一閘極-源極電壓(Vgs)。因為電晶體45的閘極與電晶體48的閘極相連，且電晶體45的源極與電晶體48的源極接收基本上相同的訊號，所以施加於電晶體45上的閘極-源極電壓Vgs與施加於電晶體48上的Vgs基本上相同。因此，電晶體45具有有限的Vgs，但電晶體45的汲極與電容器44相連，所以沒有直流電流流經電晶體45。這種偏壓情況使電晶體45的汲極-源極電壓(Vds)基本上為零。因為Vds小於Vgs，因此電晶體45是作為電阻器。隨著電晶體45的Vgs值的變化，電晶體45的電阻值也隨著變化。電晶體45的Vgs受控於電晶體48的Vgs，而電晶體48的Vgs又受控於電流26的值。因此，由於電晶體45的電阻值隨電流17的變化而變化，因而補償零點的頻率也隨之變化。認為由電容器44產生的主極點通常位於小於10赫茲的頻率，而且最好不大於1赫茲。主極點頻率通常不大於調節器20操作範圍的大約10倍；且在系統10運行期間補償零點追蹤負載極點的範圍不超過5%；其目的是配置放大器23、47及電晶體45、48，而使得電晶體45的Vgs與電晶體48的Vgs相等。然而，如本領域所共知的，存在阻止增益完全相等的許多細微的變化，一般認為高達10%的變化都是完全相等於此一理想目標的合理偏差。

為了提供這種功能，放大器23，34及47係連接以自輸入端15及回流端16之間接收電力。放大器23的反相輸入端與輸入端21相連，而放大器23的非反相輸入端與節點31相連。放大器23的輸出端通常與放大器34的非反相輸入端、放大器47的非反相輸入端及電晶體45的源極相連。放大器34的反相輸入端通常與電阻器35的第一端和電阻器36的第一端相連。電阻器36的第二端與回流端16相連，而電阻器35的第二端常與放大器34的輸出端、電晶體24的閘極相連。電晶體24的源極與輸入端15相連。電晶體24的汲極與輸出端22及電容器44的第一端相連。電晶體24的感測汲極常與電晶體48的閘極和汲極以及電晶體45的閘極相連。電晶體48的源極常與放大器47的一個反相輸入端和一個輸出端相連。電晶體45的汲極與電容器44的第二端相連。電阻器29的第一端與輸出端22相連，而其第二端通常連接至節點31和電阻器30的第一端。電阻器30的第二端與回流端16相連。

圖3示意性地說明了半導體裝置或在半導體晶片56上形成的積體電路55的一實施方式的一部分放大平面圖。調節器20形成於晶片56上。為作圖的簡便，晶片56也可包含其他未在圖3中顯示的電路。調節器20與裝置或積體電路55均以本領域專業人員公知的半導體製造技術而形成於晶片56上。在一實施例中，控制器20形成在一半導體基板上，以作為具有4個外接導線的積體電路，這4個外接導線分別與輸入端15，回流端16，輸入端21及輸出端22相連。

綜上所述，本發明顯然公開了一種創新的裝置及其方法。在其他特徵中包含形成具有與調節器的輸出放大器(如放大器34)串聯連接的可變密勒補償電路的一線性調節器，配置與輸出放大器並聯連接的密勒放大器以增加有效電容，藉以將最終極點控制在一個很低的幾乎沒什麼變化的頻率範圍；配置可變密勒電路以包含隨負載電流成比例變化的一電阻，藉以形成其頻率隨負載電流而改變的最終零點。隨負載電流而改變頻率可使零點保持於接近負載極點，並提高使用線性調節器的系統的穩定性。

雖然本發明的主題用特定的較佳實施例進行描述，但顯然，許多替換和變化對半導體領域的專業人員來說是顯而易見的。例如，雖然圖中所示的調節器20是一獨立的電路，但本領域的技術人員人應理解可在半導體晶片上形成調節器20，作為具有其他多種組成部分的積體電路的一部分，而這些組成部分同樣能在形成半導體晶片上。另外，可變密勒補償電路的控制元件(如放大器47及電晶體48)可由其他的電路元件實施，以連接改變電晶體45的電阻，只要這些可變電阻及電容器連接在密勒結構中。同樣，本發明的主體已用特殊的P通道電晶體進行了描述，然其方法可直接適用於其他的MOS電晶體，也適用於BiCMOS、金屬半導體FET(MESFET)、HFET、及其它的電晶體結構。另外，本文中使用"連接(connected)"一詞來清楚說明，然而，其與詞語"連接(coupled)"具有相同的意思。因而，"連接(connected)"可解釋為包括直接連接或間接連接。

10‧‧‧調節系統

11‧‧‧負載

12‧‧‧電容

13‧‧‧電阻

14‧‧‧回流端

15‧‧‧電壓輸入端

16‧‧‧電壓回流端

17‧‧‧負載電流

18‧‧‧電流

20‧‧‧線性調節器

21‧‧‧參考輸入點

22‧‧‧輸出端

23‧‧‧誤差放大器

24‧‧‧電晶體

25‧‧‧主電晶體的電流

26‧‧‧感測電流

28‧‧‧感測網路

29‧‧‧電阻器

30‧‧‧電阻器

31‧‧‧節點

33‧‧‧緩衝器

34‧‧‧具有增益的差分放大器

35‧‧‧增益電阻器

36‧‧‧增益電阻器

40‧‧‧密勒補償電路

43‧‧‧可變密勒補償網路

44‧‧‧補償電容器

45‧‧‧電晶體

47‧‧‧放大器

48‧‧‧匹配電晶體

55‧‧‧積體電路

56‧‧‧晶片

圖1示意性地說明了包含根據本發明的線性調節器的系統的一部分的具體實施方式；圖2是闡釋圖1中根據本發明的線性調節器系統的一部分的頻率圖的圖形，圖3示意性地說明了包括根據本發明的圖1的線性調節器的半導體裝置的放大平面圖。

為簡單和清楚說明，圖中的元件沒必要按比例畫出，且相同的元件符號代表相同的元件。另外，為了簡單描述，將省略習知步驟及元件的細節描述。這裡使用的載流電極是指裝置的一個元件，其承載通過裝置的電流，如MOS電晶體的源極或汲極、或雙極電晶體的射極或集極、或二極體的陰極或陽極，而控制電極是指裝置的一個元件，其控制通過裝置的電流，如MOS電晶體的閘極或雙極電晶體的基極。儘管在這裡裝置被解釋為N通道或P通道器件，本領域普通技術人員應認識到，依照本發明，補償裝置也是可行的。但本領域技術人員應認識到，這裡使用的詞語"在…期間(during)"，"當…的時候(while)"，"當…(when)"不是精確的詞語，其意味著在起始動作發生時立即發生的動作，但可能會有一些在由起始動作起始的反應動作之間、雖小但合理的延時，例如傳播延遲。

15‧‧‧電壓輸入端

16‧‧‧電壓回流端

20‧‧‧線性調節器

21‧‧‧參考輸入點

22‧‧‧輸出端

55‧‧‧積體電路

56‧‧‧晶片

Claims (17)

1. 一種線性調節器，包括：一輸出放大器，其配置以提供一負載電流給一負載，所述負載位於所述線性調節器的外部；一誤差放大器，其連接以形成一誤差訊號，以控制所述輸出放大器並調整供應至所述負載的一輸出電壓值；以及一密勒補償電路，其與所述輸出放大器並聯連接，其中所述密勒補償電路包含一可變電阻並配置以響應所述負載電流的變化來改變所述密勒補償電路的一電阻，所述密勒補償電路亦包括與所述可變電阻串聯耦合的一電容器，其中所述串聯結構係與所述輸出放大器並聯連接，以及所述電容器的一第一端係連接至所述輸出放大器的一輸出。
2. 如申請專利範圍第1項所述的線性調節器，其中所述密勒補償電路包含一放大器，該放大器連接以接收所述誤差訊號並形成代表所述誤差訊號的一第一訊號；所述密勒補償電路還包含一第一電晶體，該第一電晶體連接以接收代表所述負載電流的一感測訊號、接收所述第一訊號、並回應地形成一控制電壓。
3. 如申請專利範圍第2項所述的線性調節器，其中該第一電晶體是連接在一二極體配置中，且其中所述可變電阻是具有一控制電極的一第二電晶體，該第二電晶體的所述控制電極連接至所述第一電晶體的所述控制電極。
4. 如申請專利範圍第2項所述的線性調節器，其中所述可變電阻的一第一端係連接以接收所述誤差訊號，而其一控制端係連接以接收所述控制電壓。
5. 如申請專利範圍第1項所述的線性調節器，其中所述輸出放大器包括一緩衝放大器和一驅動電晶體。
6. 如申請專利範圍第1項所述的線性調節器，其中所述誤差放大器係連接以接收代表所述輸出電壓的一感測訊號，並回應於所述感測訊號而控制所述輸出電壓值。
7. 一種用於形成一線性調節器的方法，包括：將一密勒補償網路並聯連接至所述線性調節器的一輸出放大器，以及配置所述密勒補償網路，以回應於通過所述線性調節器的一輸出的一負載電流的變化而改變所述密勒補償網路的一電阻，包括耦合一第一電晶體以接收代表負載電流的一電流、接收來自所述線性調節器的一誤差放大器的一誤差訊號，以及形成一控制訊號，其中該控制訊號係回應於所述負載電流的變化而改變。
8. 如申請專利範圍第7項所述的方法，其中將所述密勒補償網路並聯連接至所述輸出放大器包括將一可變電阻與一電容器串聯連接，並將所述串聯結構與所述輸出放大器並聯連接。
9. 如申請專利範圍第8項所述的方法，其中將所述可變電阻與所述電容器串聯連接包括連接所述電容器的一第一端至所述輸出放大器的一輸出，並連接所述電容器的一 第二端至所述可變電阻。
10. 如申請專利範圍第9項所述的方法，進一步包括所述可變電阻的一第二端以自所述線性調節器的一誤差放大器接收一誤差訊號。
11. 如申請專利範圍第7項所述的方法，進一步包括連接一第二電晶體的一控制電極以接收所述控制訊號，連接所述第二電晶體的一第一載流電極以接收所述誤差訊號，以及將所述第二電晶體的一第二載流電極連接至一電容器。
12. 一種線性調節器，包括：一輸出放大器，其配置以提供一負載電流至一負載；一誤差放大器，其配置以形成一誤差訊號以控制所述輸出放大器；一電容器，其具有一第一端和一第二端，其中該第一端與所述輸出放大器的一輸出端相連；一可變電阻，其配置以回應所述負載電流而改變所述可變電阻的一阻值，所述可變電阻與所述電容器串聯連接並具有連接的一第一端以接收所述誤差訊號，其中所述可變電阻與所述電容器的串聯結構又與所述輸出放大器並聯連接。
13. 如申請專利範圍第12項所述的線性調節器，更包括：一放大器，其連接以接收所述誤差訊號並形成代表所述誤差訊號的一第一訊號；一第一電晶體，其連接以接收所述第一訊號，接收代表所述負載電流的一感測訊號，並 回應地形成一控制訊號；以及一可變電阻，其連接以接收所述控制訊號並回應地改變所述可變電阻的一阻值。
14. 如申請專利範圍第13項所述的線性調節器，其中所述可變電阻包含一第二電晶體，所述第二電晶體具有一控制電極、一第一載流電極和一第二載流電極，所述控制電極連接以接收所述控制訊號，所述第一載流電極連接以接收所述誤差訊號，且所述第二載流電極連接至所述電容器的所述第二端。
15. 如申請專利範圍第13項所述的線性調節器，其中所述輸出放大器包括一輸出電晶體，所述輸出電晶體連接以形成所述負載電流和與所述輸出電晶體成比例的一比率電晶體，其中所述比率電晶體形成代表所述負載電流的所述感測訊號，所述輸出電晶體具有一增益，所述比率電晶體具有一控制電極和一第一載流電極，所述比率電晶體的所述第一載流電極連接至所述輸出電晶體的所述控制電極和所述第一載流電極。
16. 如申請專利範圍第15項所述的線性調節器，其中所述輸出放大器還包括一放大器，其連接以接收所述誤差訊號並形成代表所述誤差訊號的一驅動訊號，且所述輸出電晶體連接以接收所述驅動訊號。
17. 如申請專利範圍第12項所述的線性調節器，其中所述輸出放大器包括一緩衝放大器和一輸出電晶體。