TWI598718B - 具有消除雜訊的電壓穩壓電路 - Google Patents

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Description

具有消除雜訊的電壓穩壓電路
本發明有關於一種電壓穩壓電路，且特別是具有消除本身雜訊的電壓穩壓電路。
習知的電壓穩壓電路包含參考電壓電路、低通濾波電路、誤差放大器、傳輸電晶體以及分壓電路等，上述電路及元件都是有可能產生雜訊。習知的電壓穩壓電路的雜訊主要來自於參考電壓電路、誤差放大器以及輸入電壓，其中參考電壓電路的雜訊雖然可以透過低通濾波器來改善，然而缺點是低通濾波器中的電容會占據較大的晶片面積，誤差放大器的雜訊可透過傳輸電晶體導通的電阻與負載電容來濾除，然而缺點是較大的負載電容值會使得習知的電壓穩壓電路穩定度變差且對低頻雜訊的濾除有限，而輸入電壓到輸出電壓的雜訊抑制一般稱為電源電壓抑制比，此雜訊可透過誤差放大器比較參考電壓及輸出電壓的分壓來降低，但是缺點是受到誤差放大器增益及頻寬的限制。因此，為了減少電壓穩壓電路的雜訊，已成為該項事業所欲解決的重要課題之一。
本發明實施例在於提供一種具有消除雜訊的電壓穩壓電路，其能有效地改善習知電壓穩壓電路所產生的雜訊問題，抑制電壓穩壓電路本身元件所產生的雜訊干擾。
本發明實施例提供一種具有消除本身雜訊的電壓穩壓電路，包含：一參考電壓源電路、一雜訊消除電路、一誤差放大器、一傳輸電晶體以及一分壓電路。其中該雜訊消除電路的輸出端耦接該參考電壓源電路，該誤差放大器的第一輸入端耦接該參考電壓源電路、該誤差放大器的第二輸入端耦接該雜訊消除電路的輸入端，該傳輸電晶體的閘極端耦接該誤差放大器的輸出端，該傳輸電晶體的輸入端耦接一輸入電壓源，以及該傳輸電晶體的輸出端輸出一負載電壓，該分壓電路的輸入端耦接該傳輸電晶體的輸出端，該分壓電路的接地端接地，以及該分壓電路的分壓端耦接該雜訊消除電路的輸入端。其中，該負載電壓包含一第一雜訊；該分壓電路的分壓端產生一第一比例的該第一雜訊；該雜訊消除電路依據該第一比例的該第一雜訊輸出一回授雜訊至該誤差放大器的第一輸入端；以及該誤差放大器、該傳輸電晶體與該分壓電路構成一閉迴路放大器，該閉迴路放大器對該回授雜訊放大該第一比例的倒數倍，並輸出一調整雜訊至該傳輸電晶體的輸出端，以使該第一雜訊及該調整雜訊疊加以降低該第一雜訊。
綜合以上所述，本發明實施例所提供的具有消除電壓穩壓電路本身雜訊與電源雜訊的電壓穩壓電路，電壓穩壓電路本身產生的雜訊與電源雜訊通過雜訊消除電路後得到反相雜訊，因為雜訊以及反相雜訊的抵消而降低電壓穩壓電路本身產生的雜訊與電源雜訊。
為使能更進一步瞭解本發明為達成既定目的所採取之技術、方法及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明、圖式，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得以深入且具體之了解，然而所附圖式與附件僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制。
1‧‧‧參考電壓源電路
2‧‧‧負載
3‧‧‧雜訊消除電路
5‧‧‧誤差放大器
7‧‧‧傳輸電晶體
9、113‧‧‧分壓電路
11‧‧‧能隙參考電路
13‧‧‧低通濾波器
31‧‧‧反相放大器
35、73、91、131、1131‧‧‧輸入端
37、39、55、75、135、1115‧‧‧輸出端
51、1111‧‧‧第一輸入端
53、1113‧‧‧第二輸入端
71‧‧‧閘極端
93、133、1133‧‧‧接地端
95、1135‧‧‧分壓端
100‧‧‧電壓穩壓電路
200、300、400、500‧‧‧雜訊曲線
111‧‧‧放大器
Vin‧‧‧輸入電壓源
Vout‧‧‧負載電壓
Vref‧‧‧參考電壓
Vbg1‧‧‧能隙電壓
Vbg2‧‧‧輸出能隙電壓
R1‧‧‧第一電阻
R2‧‧‧第二電阻
R3‧‧‧電阻
C1‧‧‧第一電容
C2‧‧‧電容
CL‧‧‧負載電容
β‧‧‧第一比例
α‧‧‧第二比例
N1‧‧‧第一雜訊
N2‧‧‧第二雜訊
N3‧‧‧第三雜訊
N4‧‧‧第四雜訊
N5‧‧‧第五雜訊
N6‧‧‧第六雜訊
NA‧‧‧雜訊
圖1是本發明實施例之具有消除雜訊的電壓穩壓電路的系統方塊圖。
圖2是本發明實施例說明能隙參考電路雜訊與誤差放大器雜訊的雜訊消除示意圖。
圖3是本發明實施例之具有消除雜訊的電壓穩壓電路與習知電壓穩壓電路的雜訊消除的比較示意圖。
圖4是本發明實施例之改善電源電壓抑制比的雜訊消除示意圖。
圖5是本發實施例之具有消除雜訊的電壓穩壓電路與習知電壓穩壓電路的電源電壓抑制比的比較示意圖。
在下文將參看隨附圖式更充分地描述各種例示性實施例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本發明將為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念的範疇。在諸圖式中，可為了清楚而誇示層及區之大小及相對大小。類似數字始終指示類似元件。
應理解，雖然本文中可能使用術語第一、第二、第三等來描述各種元件或信號等，但此等元件或信號不應受此等術語限制。此等術語乃用以區分一元件與另一元件，或者一信號與另一信號。另外，如本文中所使用，術語「或」視實際情況可能包括相關聯之列出項目中之任一者或者多者之所有組合。
圖1是本發明實施例之具有消除雜訊的電壓穩壓電路的系統方塊圖。本發明實施例的具有消除雜訊的電壓穩壓電路100僅為了闡述目的，而非限制本發明。假設電壓穩壓電路100接上一負載2並產生一負載電容CL，如下面進一步描述的，本發明實施例 的具有消除雜訊的電壓穩壓電路100能有效地改善習知電壓穩壓電路所產生的雜訊問題，進一步地抑制電壓穩壓電路本身元件所產生的雜訊干擾。在一實施例中，具有消除雜訊的電壓穩壓電路100可應用在任何電源供應系統中，如頻率合成器(Frequency synthesizer)，以便提供穩定的電壓。
如圖1所示，具有消除雜訊的電壓穩壓電路100包含參考電壓源電路1、雜訊消除電路3、誤差放大器5、傳輸電晶體7以及分壓電路9。根據本文所教示的，本領域的技術人員可以理解的是，具有消除雜訊的電壓穩壓電路100可包括比圖1中所示更多或更少的元件。
在一實施例中，參考電壓源電路1包含能隙參考電路11以及低通濾波電路13，參考電壓源電路1用以提供參考電壓Vref給具有消除雜訊的電壓穩壓電路100。能隙參考電路11包含放大器111以及分壓電路113，放大器111的第一輸入端1111接收一能隙電壓(Bandgap voltage)Vbg1，放大器111的輸出端1115輸出一輸出能隙電壓Vbg2，而分壓電路113的輸入端1131耦接放大器111的輸出端1115，分壓電路113的接地端1133接地，分壓電路113的分壓端1135耦接放大器的第二輸入端1113。低通濾波電路13的輸入端131即電阻R3的第一端耦接能隙參考電路11的輸出端1115以接收輸出能隙電壓Vbg2，低通濾波電路13的接地端133即電容C2的第二端接地，低通濾波電路13的輸出端135即電阻R3的第二端與電容C2的第一端輸出參考電壓Vref。根據本文所教示的，本領域的技術人員可以依據實際應用情形設計參考電壓源電路1中的元件及裝置，例如等效放大器111功能的元件及裝置、等效分壓電路113功能的元件及裝置或分壓電路13可包含多個阻值元件及裝置進行分壓、等效低通濾波電路13功能的元件及裝置、及等效參考電壓源電路1功能的元件及裝置。
在一實施例中，雜訊消除電路3包含反相放大器31以及第一 電容C1。雜訊消除電路3的輸入端35即反相放大器31的輸入端，反相放大器31的輸出端39即第一電容C1的第一端，第一電容C1的第二端即雜訊消除電路3的輸出端37。
根據本文所教示的，本領域的技術人員可以依據實際應用情形增加、減少或設計雜訊消除電路3中的元件及裝置，例如反相放大器31可以是場效電晶體放大器、雙載子接面電晶體放大器、運算放大器、或等效反相放大器31功能的元件及裝置，或是雜訊消除電路3僅包含反相放大器31。
在一實施例中，雜訊消除電路3的輸出端37耦接參考電壓源電路1的輸出端135，誤差放大器5的第一輸入端51耦接參考電壓源電路1的輸出端135，誤差放大器5的第二輸入端53耦接雜訊消除電路3的輸入端35，傳輸電晶體7的閘極端71耦接誤差放大器5的輸出端55，傳輸電晶體7的輸入端73耦接輸入電壓源Vin，傳輸電晶體7的輸出端75輸出負載電壓Vout，分壓電路9的輸入端91耦接傳輸電晶體7的輸出端75，分壓電路9的接地端93接地，以及分壓電路9的分壓端95耦接雜訊消除電路3的輸入端35。根據本文所教示的，本領域的技術人員可以依據實際應用情形設計有消除雜訊的電壓穩壓電路100中的元件及裝置，例如等效分壓電路9功能的元件及裝置或分壓電路9可包含多個阻值元件及裝置進行分壓，以及當誤差放大器5為非反相放大器時，傳輸電晶體7為N型場效電晶體，或是當誤差放大器5係為反相放大器時，傳輸電晶體7為P型場效電晶體。
在本實施例中，負載電壓Vout包含第一雜訊N1，而第一雜訊N1的來源來自輸入電壓源Vin及/或參考電壓源電路1及/或誤差放大器5。分壓電路9的分壓端95依據負載電壓Vout上的第一雜訊N1產生一第一比例β的第一雜訊N1，即βN1。雜訊消除電路3的輸入端35接收雜訊βN1，並透過反相放大器31將雜訊βN1放大一反向第二比例-α倍，由於雜訊消除電路3本身也會產生雜 訊NA，故反相放大器31的輸出端39產生的第二雜訊N2為-αβN1+NA。雜訊消除電路3的輸出端37輸出一回授雜訊N2/α，其中，該第二比例α可透過設計電容C1與C2的值獲得，後續將做詳細的說明。
接著，誤差放大器5的第一輸入端51接收回授雜訊N2/α，誤差放大器5、傳輸電晶體7與分壓電路9構成一閉迴路放大器，且放大倍數被設計為第一比例β的倒數倍1/β。故傳輸電晶體7的輸出端75將輸出一調整雜訊N2/αβ。
最後，第一雜訊N1以及調整雜訊N2/αβ於傳輸電晶體7的輸出端75進行疊加以降低第一雜訊N1。
上述第一比例β為分壓電路9中第一電阻R1與第二電阻R2的比例，如β=R2/(R1+R2)，第一比例β可為小於或等於1(即R1=0歐姆)。誤差放大器5、傳輸電晶體7與分壓電路9構成之閉迴路放大器的放大倍數可被設計為第一比例β的倒數倍1/β。當第一比例β被設計等於1時，傳輸電晶體7的輸出端75直接連接雜訊消除電路3的輸入端35。
根據本文所教示，本領域的技術人員可以依據實際應用情形設計分壓電路9中第一電阻R1與第二電阻R2的比例以計算出第一比例β進而得到誤差放大器5的放大倍數；或誤差放大器5的放大倍數可與第一比例β有倍數關係；或誤差放大器5的放大倍數可與第一比例β無關係。
上述第二比例α是由雜訊消除電路3中的第一電容C1與參考電壓源電路1中低通濾波電路13的電容C2所組成，如α=(C1+C2)/C1。第二比例α可被設計為大於1、等於1(即C2=0法拉)或小於1(即不存在C1)。而反相放大器31的放大倍率則設計為第二比例α的反相放大倍數-α。
根據本文所教示，本領域的技術人員可以依據實際應用情形增加、減少或設計雜訊消除電路3中的元件及裝置，例如雜訊消 除電路3僅包含反相放大器31；或依據雜訊消除電路3中的第一電容C1與參考電壓源電路1中低通濾波電路13的電容C2的比例以計算出第二比例α進而得到反相放大器31的反相放大倍數-α；或反相放大器31的反相放大倍數可與第二比例α有倍數關係；或反相放大器31的反相放大倍數可與第二比例α無關係。
圖2是本發明實施例說明能隙參考電路雜訊與誤差放大器雜訊的雜訊消除示意圖。
在一實施例中，傳輸電晶體7的輸出端75輸出負載電壓Vout，負載電壓Vout包含第三雜訊N3，而第三雜訊N3來自參考電壓源電路1及誤差放大器5，其中分壓電路9的分壓端95依據負載電壓Vout上的第三雜訊N3產生第一比例β的第三雜訊N3，即βN3。
雜訊消除電路3的輸入端35接收雜訊βN3，由於雜訊消除電路3自身也會產生雜訊NA，因此反相放大器31的輸出端39輸出第四雜訊N4為-αβN3+NA。接著，第四雜訊N4透過第一電容C1與第二電容C2的組合，被放大第二比例α的倒數倍1/α，即雜訊消除電路3的輸出端輸出回授雜訊N4/α，其中，第二比例α的設計可參考前一實施例，在此不重複贅述。
誤差放大器5的第一輸入端51接收回授雜訊N4/α，誤差放大器5、傳輸電晶體7與分壓電路9構成閉迴路放大器，且放大倍數設計為第一比例β的倒數倍1/β。故傳輸電晶體7的輸出端75將輸出調整雜訊N4/αβ。
最後，第三雜訊N3及調整雜訊N4/αβ於傳輸電晶體7的輸出端75進行疊加以降低第三雜訊N3。
圖3是本發明實施例之具有消除雜訊的電壓穩壓電路與習知電壓穩壓電路的雜訊消除的比較示意圖。如圖3所示，本發明實施例之具有消除雜訊的電壓穩壓電路100產生的雜訊曲線200，在大部分的工作頻率下，是優於習知電壓穩壓電路輸出產生的雜訊 曲線300。雜訊消除電路3的反相放大器31雖然也會產生雜訊，但是會比參考電壓源電路1及誤差放大器5所產生的雜訊低很多。因此本發明實施例之具有消除雜訊的電壓穩壓電路的優點至少有1.處理低頻雜訊時第一電容C1不需要大的電容值，因為頻率相關的訊號(雜訊)會與雜訊消除電路3中的第一電容C1與參考電壓源電路1中低通濾波電路13的電容C2組成的電容分壓電路構成分壓，2.雜訊消除電路3的反相放大器31的反相放大倍數-α為第一電容C1與電容C2所組成的電容分壓的倒數，以及3.可以不需要增加額外的雜訊濾除器、加/減法電路以及比較電路，進而大幅降低電路的複雜度。
圖4是本發明實施例之改善電源電壓抑制比(power supply rejection ratio,PSRR)的雜訊消除的示意圖。此時來自輸入電壓源Vin的雜訊可由誤差放大器5、傳輸電晶體7與分壓電路9構成閉迴路放大器進行抑制(即所謂的電源電壓抑制比)，而當輸入電壓源Vin的雜訊被電源電壓抑制比抑制後則會變成電壓穩壓電路100的輸出雜訊為第五雜訊N5。
而雜訊消除電路3就可對第五雜訊N5進行進一步的雜訊消除。在一實施例中，傳輸電晶體7的輸出端75輸出負載電壓Vout，負載電壓Vout包含第五雜訊N5，其中分壓電路9的分壓端95依據負載電壓Vout包含的第五雜訊N5產生第一比例β的第五雜訊N5，即βN5。
雜訊消除電路3的輸入端35接收雜訊βN5，由於雜訊消除電路3也會產生雜訊NA，因此反相放大器31的輸出端39輸出第六雜訊N6為-αβN5+NA。接著，第六雜訊N6透過第一電容C1與第二電容C2的組合，被放大第二比例α的倒數倍1/α，即雜訊消除電路3的輸出端輸出回授雜訊N6/α，其中，第二比例α的設計可參考前一實施例，在此不重複贅述。
誤差放大器5的第一輸入端51接收回授雜訊N6/α，誤差放大 器5、傳輸電晶體7與分壓電路9構成閉迴路放大器，且放大倍數設計為第一比例β的倒數倍1/β。故傳輸電晶體7的輸出端75將輸出調整雜訊N6/αβ。
最後，第五雜訊N5及調整雜訊N6/αβ於傳輸電晶體7的輸出端75進行疊加以降低第五雜訊N5。
圖5是本發明實施例之具有消除雜訊的電壓穩壓電路與習知電壓穩壓電路的電源電壓抑制比的比較示意圖。如圖5所示，本發明實施例之具有消除雜訊的電壓穩壓電路100產生的雜訊曲線400，在大部份的工作頻率下，是優於習知電壓穩壓電路輸出產生的雜訊曲線500。除了誤差放大器5、傳輸電晶體7與分壓電路9所構成的的負回授路徑之外，分壓電路9的分壓端95至雜訊消除電路3的輸出端37亦形成另一路徑，形成雙路徑同時改善電源電壓抑制比。因此本發明實施例之具有消除雜訊的電壓穩壓電路的優點更可包含改善電壓穩壓電路的電源電壓抑制比。
綜上所述，本發明的具有消除雜訊的電壓穩壓電路，是除了當輸入電壓源有雜訊時用電源電壓抑制比進行雜訊抑制之外，更可透過電壓穩壓電路中雜訊消除電路進一步對電壓穩壓電路本身或電壓穩壓電路中的元件或裝置進行雜訊抑制，並且有效改善電壓電源抑制比。
以上所述僅為本發明之較佳可行實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍，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。
1‧‧‧參考電壓源電路
2‧‧‧負載
3‧‧‧雜訊消除電路
5‧‧‧誤差放大器
7‧‧‧傳輸電晶體
9、113‧‧‧分壓電路
11‧‧‧能隙參考電路
13‧‧‧低通濾波器
31‧‧‧反相放大器
35、73、91、131、1131‧‧‧輸入端
37、39、55、75、135、1115‧‧‧輸出端
51、1111‧‧‧第一輸入端
53、1113‧‧‧第二輸入端
71‧‧‧閘極端
93、133、1133‧‧‧接地端
95、1135‧‧‧分壓端
100‧‧‧電壓穩壓電路
111‧‧‧放大器
Vin‧‧‧輸入電壓源
Vout‧‧‧負載電壓
Vref‧‧‧參考電壓
Vbg1‧‧‧能隙電壓
Vbg2‧‧‧輸出能隙電壓
R1‧‧‧第一電阻
R2‧‧‧第二電阻
R3‧‧‧電阻
C1‧‧‧第一電容
C2‧‧‧電容
CL‧‧‧負載電容
β‧‧‧第一比例
α‧‧‧第二比例
N1‧‧‧第一雜訊
N2‧‧‧第二雜訊
NA‧‧‧雜訊

Claims (10)

  1. 一種具有消除雜訊的電壓穩壓電路，包含：一參考電壓源電路；一雜訊消除電路，該雜訊消除電路的輸出端耦接該參考電壓源電路；一誤差放大器，該誤差放大器的第一輸入端耦接該參考電壓源電路、該誤差放大器的第二輸入端耦接該雜訊消除電路的輸入端；一傳輸電晶體，該傳輸電晶體的閘極端耦接該誤差放大器的輸出端，該傳輸電晶體的輸入端耦接一輸入電壓源，以及該傳輸電晶體的輸出端輸出一負載電壓；以及一分壓電路，該分壓電路的輸入端耦接該傳輸電晶體的輸出端，該分壓電路的接地端接地，以及該分壓電路的分壓端耦接該雜訊消除電路的輸入端；其中，該負載電壓包含一第一雜訊；該分壓電路的分壓端產生一第一比例的該第一雜訊；該雜訊消除電路依據該第一比例的該第一雜訊輸出一回授雜訊至該誤差放大器的第一輸入端；以及該誤差放大器、該傳輸電晶體與該分壓電路構成一閉迴路放大器，該閉迴路放大器對該回授雜訊放大該第一比例的倒數倍，並輸出一調整雜訊至該傳輸電晶體的輸出端，以使該第一雜訊及該調整雜訊疊加以降低該第一雜訊。
  2. 如請求項第1項之電壓穩壓電路，其中該雜訊消除電路包含：一反相放大器，具有一第二比例的反相放大倍數，該反相放大器依據該第二比例的反相放大倍數放大該第一比例的該第一雜訊，以輸出一第二雜訊。
  3. 如請求項第2項之電壓穩壓電路，其中該雜訊消除電路包含： 一第一電容，耦接該反相放大器的輸出端與該誤差放大器的第一輸入端之間，用以依據該第二雜訊以輸出該回授雜訊。
  4. 如請求項第3項之電壓穩壓電路，包含：一第二電容，耦接該誤差放大器的第一輸入端與一地電位之間；其中，該第二比例係由該第一電容與該第二電容組成，該第二比例係大於1、等於1或小於1。
  5. 如請求項第4項之電壓穩壓電路，包含：一電阻，耦接該第二電容與該參考電壓源電路的一能隙參考電路之間；其中，該電阻與該第二電容形成一低通濾波器。
  6. 如請求項第2項之電壓穩壓電路，其中該反相放大器藉由一場效電晶體放大器、一雙載子接面電晶體放大器或一運算放大器所實現。
  7. 如請求項第1項之電壓穩壓電路，其中該第一比例小於1或等於1。
  8. 如請求項第7項之電壓穩壓電路，其中當該第一比例等於1時，該傳輸電晶體的輸出端直接連接該雜訊消除電路的輸入端。
  9. 如請求項第1項之電壓穩壓電路，其中當該誤差放大器為一非反相放大器時，該傳輸電晶體係由一N型場效電晶體所實現，其中當該誤差放大器為一反相放大器時，該傳輸電晶體係由一P型場效電晶體所實現。
  10. 如請求項第1項之電壓穩壓電路，其中該第一雜訊的來源係來自該於該輸入電壓源及/或該參考電壓源電路及/或該誤差放大器。
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