TWI493314B - 低壓差線性穩壓器 - Google Patents

Description

低壓差線性穩壓器

本發明是有關於一種穩壓器，且特別是有關於一種低壓差線性穩壓器。

在現代，人們對電子產品依賴日益增加，以致於電子產品的功能也隨之複雜化。相對的，依據不同的功能需求，電子裝置需要不同的電壓轉換電路，常見的電壓轉換電路為交換式穩壓器(switching regulator)以及線性穩壓器(linear regulator)。其中，在降壓應用中常使用的線性穩壓器為低壓降穩壓器(Low DropOut regulator，LDO regulator)。低壓降穩壓器具有低生產成本、電路簡單和低噪音等特點，並且能夠提供穩定的輸出電壓，因此被廣泛地應用於各種攜帶式電子產品上。其中，響應速度和電壓穩定度是評估電壓轉換電路的重要參數。

本發明提供一種低壓差線性穩壓器，可提高其輸出電壓的穩定度。

本發明的低壓差線性穩壓器，包括一功率電晶體、一電壓回授單元、一第一差動放大電路、一第一電流鏡及一電流緩衝器。功率電晶體具有一第一端、一第二端及一控制端，其中功率電晶體的控制端接收一輸出設定電壓，功率電晶體的第一端接收一系統高電壓，功率電晶體的第二端提供一輸出電壓。電壓回授單元用以對輸出電壓進行分壓以產生一第一回授電壓及一第二回授電壓。第一差動放大電路具有一第一輸入端、一第二輸入端、一第一輸出端及一第二輸出端，其中第一輸入端接收一參考電壓，第二輸入端接收第二回授電壓，第一輸出端輸出一第一輸出電流，第二輸出端提供一電流設定電壓。第一電流鏡接收第一輸出電流以設定對應電流設定電壓的一第二輸出電流，並且接收輸出電壓以調整第一輸出電流及第二輸出電流。電流緩衝器接收電流設定電壓及第一回授電壓以提供輸出設定電壓。

基於上述，本發明實施例的低壓差線性穩壓器，其第一差動放大電路及第一電流鏡反應於輸出電壓的變化同步調整電流設定電壓，並且電流緩衝器依據輸出電壓的變化與電流設定電壓的變化調整輸出控制電壓。藉此，可快速反應輸出電壓的變化而調整功率電晶體的導通程度，以提高輸出電壓的穩定度。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100‧‧‧低壓差線性穩壓器

110‧‧‧差動放大器

111‧‧‧第一差動放大電路

113‧‧‧第一電流鏡

120‧‧‧電流緩衝器

121‧‧‧第二差動放大電路

123‧‧‧第二電流鏡

125‧‧‧第三電流鏡

130‧‧‧電壓回授單元

Ccp‧‧‧耦合電容

GND‧‧‧接地電壓

IO1‧‧‧第一輸出電流

IO2‧‧‧第二輸出電流

IO3‧‧‧第三輸出電流

IO4‧‧‧第四輸出電流

IO5‧‧‧第五輸出電流

IRE‧‧‧調整電流

M1~M13‧‧‧電晶體

MPR‧‧‧功率電晶體

R1~R3‧‧‧電阻

TI1~IT4‧‧‧輸入端

TO1~TO4‧‧‧輸出端

VB1‧‧‧第一偏壓

VB2‧‧‧第二偏壓

VDD‧‧‧系統高電壓

VF1‧‧‧第一回授電壓

VF2‧‧‧第二回授電壓

VIS‧‧‧電流設定電壓

VOC‧‧‧輸出設定電壓

Vout‧‧‧輸出電壓

VR1‧‧‧參考電壓

圖1A為依據本發明一實施例的低壓差線性穩壓器的系統示意圖。

圖1B為依據本發明一實施例的低壓差線性穩壓器的電路示意圖。

圖1A為依據本發明一實施例的低壓差線性穩壓器的系統示意圖。請參照圖1A，在本實施例中，低壓差線性穩壓器100包括差動放大器110、電流緩衝器120、電壓回授單元130及功率電晶體MPR。功率電晶體MPR在此例如為P型電晶體，其中功率電晶體MPR的閘極(對應控制端)接收輸出設定電壓VOC，功率電晶體MPR的源極(對應第一端)接收系統高電壓VDD，功率電晶體MPR的汲極(對應第二端)提供輸出電壓Vout。

電壓回授單元130用以對輸出電壓Vout進行分壓以產生第一回授電壓VF1及第二回授電壓VF2。在本實施例中，輸出電壓Vout可大於第一回授電壓VF1，第一回授電壓VF1可大於第二回授電壓VF2，但本發明實施例不以此為限。

差動放大器110接收參考電壓VR1、輸出電壓Vout及第二回授電壓VF2，並且提供電流設定電壓VIS至電流緩衝器120。其中，差動放大器110會比較參考電壓VR1及第二回授電壓VF2 以決定電流設定電壓VIS的電壓準位。並且，差動放大器110會對應輸出電壓Vout的變化調整電流設定電壓VIS的電壓準位，亦即當輸出電壓Vout降低時，電流設定電壓VIS的電壓準位會提高，當輸出電壓Vout提高時，電流設定電壓VIS的電壓準位會降低。

電流緩衝器120接收電流設定電壓VIS及第一回授電壓VF1以提供輸出設定電壓VOC。其中，電流緩衝器120比較電流設定電壓VIS及第一回授電壓VF1以決定輸出設定電壓VOC的電壓準位，亦即當電流設定電壓VIS大於第一回授電壓VF1時，設定電壓VOC會被拉低，當電流設定電壓VIS小於第一回授電壓VF1時，設定電壓VOC會被抬高。

依據上述，當低壓差線性穩壓器100的輸出負載變大時，輸出電壓Vout會對應負載的變化而降低。此時，差動放大器110對應輸出電壓Vout的降低而抬高電流設定電壓VIS的電壓準位，並且電流緩衝器120會對應電流設定電壓VIS的提高而降低輸出設定電壓VOC。接著，由於輸出設定電壓VOC的降低，功率電晶體MPR導通程度會被提高，亦即經由功率電晶體MPR提供至負載的電流變大，進而抬高輸出設定電壓VOC至回復至原始的電壓準位。

當低壓差線性穩壓器100的輸出負載變小時，輸出電壓Vout會對應負載的變化而上升。此時，差動放大器110對應輸出電壓Vout的提高而降低電流設定電壓VIS的電壓準位，並且電流 緩衝器120會對應電流設定電壓VIS的降低而抬高輸出設定電壓VOC。接著，由於輸出設定電壓VOC的提高，功率電晶體MPR導通程度會被降低，亦即經由功率電晶體MPR提供至負載的電流變小，進而降低輸出設定電壓VOC至回復至原始的電壓準位。

依據上述，本發明低壓差線性穩壓器100會反應於負載的變化而快速地調整輸出設定電壓VOC的電壓準位，以提高輸出電壓Vout的穩定度。

圖1B為依據本發明一實施例的低壓差線性穩壓器的電路示意圖。請參照圖1A及圖1B，其中相同或相似元件使用相同或相似標號。本實施例中，電壓回授單元130例如包括電阻R1~R3(對應第一電阻至第三電阻)。其中，電阻R1的一端接收輸出電壓Vout，電阻R1的另一端提供第一回授電壓VF1；電阻R2的一端耦接電阻R1的另一端，電阻R2的另一端提供第二回授電壓VF2；電阻R3耦接於電阻R2的另一端與接地電壓GND之間。

差動放大器110例如包括第一差動放大電路111及第一電流鏡113。第一差動放大電路111的輸入端TI1(對應第一輸入端)接收參考電壓VR1，第一差動放大電路111的輸入端TI2(對應第二輸入端)接收第二回授電壓VF2，第一差動放大電路111的輸出端TO1(對應第一輸出端)輸出第一輸出電流IO1，第一差動放大電路111的輸出端TO2(對應第二輸出端)提供電流設定電壓VIS及第二輸出電流IO2。

第一差動放大電路111例如包括電晶體M1~M3(對應第 一電晶體至第三電晶體)，並且電晶體M1~M3例如是P型電晶體。電晶體M1的源極(對應第一端)接收系統高電壓VDD，電晶體M1的閘極(對應控制端)接收第一偏壓VB1，其中電晶體M1可視為一電流源。電晶體M2的源極耦接電晶體M1的汲極(對應第二端)，電晶體M2的閘極耦接輸入端TI1以接收參考電壓VR1，電晶體M2的汲極耦接輸出端TO1以提供第一輸出電流IO1。電晶體M3的源極耦接電晶體M1的汲極，電晶體M3的閘極耦接輸入端TI2以接收第二回授電壓VF2，電晶體M3的汲極耦接輸出端TO2以提供第二輸出電流IO2。

第一電流鏡113例如包括電晶體M4、M5(對應第四電晶體及第五電晶體)，並且電晶體M4、M5例如是N型電晶體。電晶體M4的汲極(對應第一端)耦接輸出端TO1以接收第一輸出電流IO1，電晶體M4的閘極(對應控制端)耦接電晶體M4的汲極，電晶體M4的源極(對應第二端)接收接地電壓GND。電晶體M5的汲極耦接輸出端TO2以接收第二輸出電流IO2，電晶體M5的閘極耦接電晶體M4的閘極，電晶體M5的源極接收接地電壓GND。耦合電容Ccp耦接於電晶體M4的閘極與輸出電壓Vout之間。

電流緩衝器120例如包括第二差動放大電路121、第二電流鏡123及第三電流鏡125。第二差動放大電路121的輸入端TI3(對應第三輸入端)接收電流設定電壓VIS，第二差動放大電路121的輸入端TI4(對應第四輸入端)接收第一回授電壓VF1，第 二差動放大電路121的輸出端TO3(對應第三輸出端)輸出第三輸出電流IO3，第二差動放大電路121的輸出端TO4(對應第四輸出端)接收第四輸出電流IO4，第二差動放大電路121的電流調整端TIR接收調整電流IRE。第二電流鏡123接收第三輸出電流IO3以設定第四輸出電流IO4及第五輸出電流IO5，且提供輸出設定電壓VOC。第三電流鏡125接收第五輸出電流IO5以設定調整電流IRE。

第二差動放大電路121例如包括電晶體M6~M8(對應第六電晶體至第八電晶體)，並且電晶體M6~M8例如是N型電晶體。電晶體M6的汲極(對應第一端)耦接輸出端TO3以提供第三輸出電流IO3，電晶體M6的閘極(對應控制端)耦接輸入端TI3以接收電流設定電壓VIS，電晶體M6的源極(對應第二端)耦接電流調整端TIR以接收調整電流IRE。電晶體M7的汲極耦接輸出端TO4以提供第四輸出電流IO4，電晶體M7的閘極耦接輸入端TI4以接收第一回授電壓VF1，電晶體M7的源極(對應第二端)耦接電晶體M6的源極。電晶體M8的汲極耦接電晶體M6的源極，電晶體M8的閘極接收第二偏壓VB2，電晶體M8的源極接收接地電壓GND。

第二電流鏡123例如包括電晶體M9~M11(對應第九電晶體至第十一電晶體)，並且電晶體M9~M11例如是P型電晶體。電晶體M9的源極(對應第一端)接收系統高電壓VDD，電晶體M9的閘極(對應控制端)耦接電晶體M9的汲極(對應第二端) 且提供輸出設定電壓VOC，電晶體M9的汲極耦接輸出端TO3以接收第三輸出電流IO3。電晶體M10的源極接收系統高電壓VDD，電晶體M10的閘極耦接電晶體M9的閘極，電晶體M10的汲極耦接輸出端TO4以接收第四輸出電流IO4。電晶體M11的源極接收系統高電壓VDD，電晶體M11的閘極耦接電晶體M9的閘極，電晶體M11的汲極輸出第五輸出電流IO5。

第三電流鏡125例如包括電晶體M12及M13(對應第十二電晶體及第十三電晶體)，並且電晶體M12及M13例如是N型電晶體。電晶體M12的汲極(對應第一端)接收第五輸出電流IO5，電晶體M12的閘極(對應控制端)耦接電晶體M12的汲極，電晶體M12的源極(對應第二端)接收接地電壓GND。電晶體M13的汲極耦接電流調整端TIR，電晶體M13的閘極耦接電晶體M12的閘極，電晶體M13的源極接收接地電壓GND。

依據上述，當輸出電壓Vout降低時，輸出電壓Vout會透過耦合電容Ccp耦合至電晶體M4及M5的閘極，以降低電晶體M4及M5的導通程度，甚或關閉電晶體M4及M5。並且，降低的第二回授電壓VF2會提高電晶體M3的導通程度，因此第二輸出電流IO2會增加。此時，電流設定電壓VIS的電壓準位會快速上升。

接著，上升的電流設定電壓VIS會提高電晶體M6的導通程度，而降低的第一回授電壓VF1會降低電晶體M7的導通程度，以致於第三輸出電流IO3會增加，同時第三輸出端TO3的電 壓準位會下降(等同於輸出控制電壓VOC)。因為第三輸出電流IO3為增加，所以第四輸出電流IO4及第五輸出電流IO5也會同時增加，進而調整電流IRE也會增加。接著，增加的調整電流IRE提高了第三輸出電流IO3的電流大小，進而加速了第三輸出端TO3的電壓準位的下降速度，以使功率電晶體MPR可快速反應輸出電壓Vout的下降而增加其導通程度，進而使輸出電壓Vout上升。

另一方面，當輸出電壓Vout上升時，輸出電壓Vout會透過耦合電容Ccp耦合至電晶體M4及M5的閘極，以提高電晶體M4及M5的導通程度。並且，上升的第二回授電壓VF2會降低電晶體M3的導通程度，因此第二輸出電流IO2會減少。依據上述，電流設定電壓VIS的電壓準位會快速下降。

接著，下降的電流設定電壓VIS會降低電晶體M6的導通程度或關閉電晶體M6，而提高的第一回授電壓VF1會提高電晶體M7的導通程度，以致於第三輸出電流IO3會減少，同時第三輸出端TO3的電壓準位會上升(等同於輸出控制電壓VOC)。因為第三輸出電流IO3為減少，所以第四輸出電流IO4及第五輸出電流IO5也會同時減少，進而調整電流IRE也會減少。接著，減少的調整電流IRE降低了第三輸出電流IO3的電流大小，進而加速了第三輸出端TO3的電壓準位的上升速度，以使功率電晶體MPR可快速反應輸出電壓Vout的上升而降低其導通程度，進而使輸出電壓Vout下降。

綜上所述，本發明實施例的低壓差線性穩壓器，其差動 放大器反應於輸出電壓的變化調整電流設定電壓，並且電流緩衝器依據輸出電壓的變化與電流設定電壓的變化調整輸出控制電壓。藉此，可快速地反應輸出電壓的變化而調整功率電晶體的導通程度，以提高輸出電壓的穩定度。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧低壓差線性穩壓器

110‧‧‧差動放大器

120‧‧‧電流緩衝器

130‧‧‧電壓回授單元

MPR‧‧‧功率電晶體

VDD‧‧‧系統高電壓

VF1‧‧‧第一回授電壓

VF2‧‧‧第二回授電壓

VIS‧‧‧電流設定電壓

VOC‧‧‧輸出設定電壓

Vout‧‧‧輸出電壓

VR1‧‧‧參考電壓

Claims (9)

1. 一種低壓差線性穩壓器，包括：一功率電晶體，具有一第一端、一第二端及一控制端，該功率電晶體的該控制端接收一輸出設定電壓，該功率電晶體的該第一端接收一系統高電壓，該功率電晶體的該第二端提供一輸出電壓；一電壓回授單元，用以對該輸出電壓進行分壓以產生一第一回授電壓及一第二回授電壓；一第一差動放大電路，具有一第一輸入端、一第二輸入端、一第一輸出端及一第二輸出端，該第一輸入端接收一參考電壓，該第二輸入端接收該第二回授電壓，該第一輸出端輸出一第一輸出電流，該第二輸出端提供一電流設定電壓；一第一電流鏡，接收該第一輸出電流以設定對應該電流設定電壓的一第二輸出電流，並且接收該輸出電壓以調整該第一輸出電流及該第二輸出電流；以及一電流緩衝器，接收該電流設定電壓及該第一回授電壓以提供該輸出設定電壓。
2. 如申請專利範圍第1項所述的低壓差線性穩壓器，其中該第一差動放大電路包括：一第一電晶體，具有一第一端、一第二端及一控制端，該第一電晶體的該第一端接收該系統高電壓，該第一電晶體的該控制端接收一第一偏壓； 一第二電晶體，具有一第一端、一第二端及一控制端，該第二電晶體的該第一端耦接該第一電晶體的該第二端，該第二電晶體的該控制端耦接該第一輸入端，該第二電晶體的該第二端耦接該第一輸出端；以及一第三電晶體，具有一第一端、一第二端及一控制端，該第三電晶體的該第一端耦接該第一電晶體的該第二端，該第三電晶體的該控制端耦接該第二輸入端，該第三電晶體的該第二端耦接該第二輸出端。
3. 如申請專利範圍第1項所述的低壓差線性穩壓器，其中該第一電流鏡包括：一第四電晶體，具有一第一端、一第二端及一控制端，該第四電晶體的該第一端耦接該第一輸出端，該第四電晶體的該控制端耦接該第四電晶體的該第一端，該第四電晶體的該第二端接收一接地電壓；一第五電晶體，具有一第一端、一第二端及一控制端，該第五電晶體的該第一端耦接該第二輸出端，該第五電晶體的該控制端耦接該第四電晶體的該控制端，該第五電晶體的該第二端接收該接地電壓；以及一耦合電容，耦接於該第四電晶體的該控制端與該輸出電壓之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述的低壓差線性穩壓器，其中該電流緩衝器包括： 一第二差動放大電路，具有一第三輸入端、一第四輸入端、一第三輸出端、一第四輸出端及一電流調整端，該第三輸入端接收該電流設定電壓，該第四輸入端接收該第一回授電壓，該第三輸出端輸出一第三輸出電流，該第四輸出端接收一第四輸出電流，該電流調整端接收一調整電流；一第二電流鏡，接收該第三輸出電流以設定該第四輸出電流及一第五輸出電流，且提供該輸出設定電壓；以及一第三電流鏡，接收該第五輸出電流以設定該調整電流。
5. 如申請專利範圍第4項所述的低壓差線性穩壓器，其中該第二差動放大電路包括：一第六電晶體，具有一第一端、一第二端及一控制端，該第六電晶體的該第一端耦接該第三輸出端，該第六電晶體的該控制端耦接該第三輸入端，該第六電晶體的該第二端耦接該電流調整端；一第七電晶體，具有一第一端、一第二端及一控制端，該第七電晶體的該第一端耦接該第四輸出端，該第七電晶體的該控制端耦接該第四輸入端，該第七電晶體的該第二端耦接該第六電晶體的該第二端；以及一第八電晶體，具有一第一端、一第二端及一控制端，該第八電晶體的該第一端耦接該第六電晶體的該第二端，該第八電晶體的該控制端接收一第二偏壓，該第八電晶體的該第二端接收一接地電壓。
6. 如申請專利範圍第4項所述的低壓差線性穩壓器，其中該第二電流鏡包括：一第九電晶體，具有一第一端、一第二端及一控制端，該第九電晶體的該第一端接收該系統高電壓，該第九電晶體的該控制端耦接該第九電晶體的該第二端且提供該輸出設定電壓，該第九電晶體的該第二端耦接該第三輸出端；一第十電晶體，具有一第一端、一第二端及一控制端，該第十電晶體的該第一端接收該系統高電壓，該第十電晶體的該控制端耦接該第九電晶體的該控制端，該第十電晶體的該第二端耦接該第四輸出端；以及一第十一電晶體，具有一第一端、一第二端及一控制端，該第十一電晶體的該第一端接收該系統高電壓，該第十一電晶體的該控制端耦接該第九電晶體的該控制端，該第十一電晶體的該第二端輸出該第五輸出電流。
7. 如申請專利範圍第4項所述的低壓差線性穩壓器，其中該第三電流鏡包括：一第十二電晶體，具有一第一端、一第二端及一控制端，該第十二電晶體的該第一端接收該第五輸出電流，該第十二電晶體的該控制端耦接該第十二電晶體的該第一端，該第十二電晶體的該第二端接收一接地電壓；以及一第十三電晶體，具有一第一端、一第二端及一控制端，該第十三電晶體的該第一端耦接該電流調整端，該第十三電晶體的 該控制端耦接該第十二電晶體的該控制端，該第十三電晶體的該第二端接收該接地電壓。
8. 如申請專利範圍第1項所述的低壓差線性穩壓器，其中該該輸出電壓大於該第一回授電壓，該第一回授電壓大於該第二回授電壓。
9. 如申請專利範圍第8項所述的低壓差線性穩壓器，其中該電壓回授單元包括：一第一電阻，該第一電阻的一端接收該輸出電壓，該第一電阻的另一端提供該第一回授電壓；一第二電阻，該第二電阻的一端耦接該第一電阻的另一端，該第二電阻的另一端提供該第二回授電壓；以及一第三電阻，耦接於該第二電阻的另一端與一接地電壓之間。