TWI635378B - 利用時脈頻率前饋控制的改良無電容電壓調節器 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種根據實施例用於控制一輸出裝置之電壓調節器，其包含一誤差放大器、一受控傳導輸出裝置及一負荷預測電路，其中該誤差放大器之一輸出及該負荷預測電路之一輸出經加總以控制該輸出裝置。

Description

利用時脈頻率前饋控制的改良無電容電壓調節器 [相關申請案交叉參考]
本申請案係2013年3月14日申請之美國臨時申請案第61/784,737號之一轉換且主張2013年3月14日申請之美國臨時申請案第61/784,737號之一優先權，為如同本文全面陳述之全部目的，該案之全文以引用方式併入本文中。
本發明係關於電壓調節器，且特定言之，本發明係關於一改良無電容電壓調節器。
無論輸入或負荷情況如何，電壓調節器係經設計以維持一恆定電壓輸出之電路。
圖1係繪示一習知調節器之一圖式。調節器100在一跨導放大器104中比較一參考電壓102與來自輸出108之一反饋電壓以產生一電流，其接著藉由一電流鏡106加倍以產生驅動輸出108之一電流。
時脈切換將較大負荷瞬變放置在此等調節器上，太快而使得其等無法回應。舉例而言，在一時脈開關上，電流需求可在4ns內自75μA達到75mA。在15nF負荷之情況下，此產生5mV/ns之一供應改變。然而，一典型調節器最佳將僅具有約100mV邊限。
儘管外部電容器可用以提供充分電荷以提供調節器時間，但歸 因於寄生，其僅用於相對較小瞬變。進一步而言，在一積體電路環境中，一外部電容在招致具有調節結果之總成問題同時，花費一珍貴接腳。
可藉由根據本發明之實施例之一系統及方法較大程度上克服先前技術中之此等及其他缺點。
如描述之實施例係關於一晶片上無電容電壓調節器，其係穩定且快速回應於負荷瞬變。實施例利用瞬時數位時脈頻率的瞭解以預測負荷改變。實施例藉由將負荷之時脈頻率及(可選擇地)功率消耗電容提供給一無電容電壓調節器而減少其回應時間。
一種根據實施例用於控制一輸出裝置之電壓調節器，其包含一誤差放大器；一受控傳導輸出裝置；及一負荷預測電路；其中誤差放大器之一輸出及負荷預測電路之一輸出經加總以控制輸出裝置。在一些實施例中，負荷預測電路係一頻率轉電流轉換器。在一些實施例中，頻率轉電流轉換器以下列等式實施一活動因子K ACT ：I LOAD =I LEAK +I dyn
其中I LOAD 係負荷所需之電流；I LEAK 係負荷所需之洩漏電流(獨立於其他已知因子)；及I dyn 係動態電流且藉由I dyn =(K ACT *V DD *C PD *F CLK )給出，其中K ACT 係負荷之活動因子(隨操作條件(諸如，睡眠模式)變動)；V DD 係施加至負荷之電壓；C PD 係負荷之稱為「功率消耗電容」特性(多數為不變動)；F CLK 係驅動負荷之時脈頻率。
在一些實施例中，誤差放大器包括具有一低增益高速度路徑及一高增益低速度路徑之一跨導放大器。在一些實施例中，負荷預測電 路包括藉由一遮罩電路縮放之複數個頻率轉電流轉換器。在一些實施例中，負荷預測電路包含一跨阻抗裝置以產生一輸出電壓。
一些實施例可包含一積體電路，其包含此一電壓調節器。其他實施例可包含一種用於產生此一電壓調節器之方法。若干其他實施例亦係可行。
當連同下文描述及附圖考慮時，將更佳瞭解及理解本發明之此等及其他態樣。然而，應理解，儘管指示本發明之各種實施例及其之若干特定細節，然下文描述係藉由繪示給出且並非限制。在不背離本發明之精神之情況下，可在本發明之範疇內作出許多取代、修改、添加及/或再配置且本發明包含全部此等取代、修改、添加及/或再配置。
100‧‧‧調節器
102‧‧‧參考電壓
104‧‧‧跨導放大器
106‧‧‧電流鏡
108‧‧‧輸出
200‧‧‧調節器
202‧‧‧參考電壓
204‧‧‧跨導放大器
206‧‧‧電流鏡
208‧‧‧驅動輸出/負荷
210‧‧‧頻率轉電流轉換器
212‧‧‧負荷
214‧‧‧電流
302‧‧‧高增益低頻寬放大器
304‧‧‧低增益高頻寬放大器
350‧‧‧電晶體
352‧‧‧電晶體
360‧‧‧NAND閘極
362‧‧‧負荷電容器
364‧‧‧反相器
368‧‧‧反相器
400‧‧‧電路
402‧‧‧電晶體
406‧‧‧跨阻抗裝置
407‧‧‧放大器
410‧‧‧低速度路徑
412‧‧‧高速度路徑
藉由參考附圖，將更佳理解本發明且熟習此項技術者顯然將明白本發明之若干目的、特徵及優勢。在不同圖式中使用之相同參考符號指示相似或相同物項。
圖1繪示一例示性電壓調節器。
圖2繪示根據實施例之一電壓調節器。
圖3A至圖3C繪示根據實施例之一電壓調節器之組件。
圖4繪示根據實施例之一電壓調節器。
藉由參考附圖中繪示及下文描述中詳細描述之例示性及因此非限制性實施例更全面解釋本發明及其之各種特徵及優勢細節。可省略已知程式化技術、電腦軟體、硬體、操作平台及協定之描述以避免不必要模糊本發明之細節。然而，應理解，詳細描述及特定實施例儘管指示較佳實施例，但僅藉由繪示給出且非限制性。熟習此項技術者自本發明顯然將明白在本發明概念下之精神及/或範疇之內之各種取 代、修改、添加及/或再配置。
如本文中使用，用語「包括(comprises/comprising)」、「包含(includes/including)」、「具有(has/having)」或其等之任何變動意欲覆蓋一非排他性包含。舉例而言，包括元件之一列表之一程序、產品、物品或設備並非必須僅限於該等元件，而可包含未表達列出或此程序、產品、物品或設備固有之其他元件。進一步而言，除非相反陳述表達，否則，「或」指一包含性「或」且不指一排他性「或」。舉例而言，藉由以下任何一者滿足一條件A或B：A係真(或存在)且B係假(或不存在)，A係假(或不存在)且B係真(或存在)，及A及B均係真(或存在)。
另外，本文已知之任何實例或繪示並非視為以任何方式限制、限於或表達定義所採用之任一或任何用語。相反地，此等實例或繪示係視為僅相對於一特定實施例描述及僅具繪示性。一般技術者將明白此等實例或繪示所採用之任一或任何用語包含其他實施例以及其等之實施方案及調適，其等可在或不在本說明書之此處或其他處給出且全部此等實施例意欲包含在該(等)用語之範疇內。指定此等非限制實例及繪示之語言包含(但不限於)：「舉例而言」、「在一實施例中」及其類似物。
現參考圖式且特定言之參考圖2，展示根據實施例之一例示性晶片上無電容電壓調節器之一圖式且該調節器通常藉由參考數字200識別。圖2之調節器200在一跨導放大器204中比較一參考電壓202與來自輸出208之一反饋電壓以產生一電流，其接著藉由一電流鏡206加倍以產生驅動輸出208之一電流。
另外，根據實施例之一調節器200包含該(等)負荷212之該(等)時脈，其(等)驅動(一)頻率轉電流轉換器210。所得電流214係添加至跨導放大器204之輸出以驅動電流鏡206及因此驅動輸出208。由消除一 負荷處之時脈頻率中之一改變與在系統電壓中因此導致之一改變之間之延遲產生所得效能改良。
頻率轉電流轉換器210模仿一負荷函數，即，調節器將需要提供之大約負荷。例如，一傳統CMOS負荷將需要以下電流：I LOAD =I LEAK +I dyn 其中I LOAD 係負荷所需之電流；I LEAK 係負荷所需之洩漏電流(獨立於其他已知因子)；及I dyn 係動態電流且藉由I dyn =(K ACT *V DD *C PD *F CLK )給出，其中K ACT 係負荷之活動因子(隨操作條件(諸如，睡眠模式)變動)；V DD 係施加至負荷之電壓；C PD 係負荷之稱為「功率消耗電容」特性(多數為不變動)；F CLK 係驅動負荷之時脈頻率。
即，在一些實施例中，頻率轉電流轉換器210模型化因子I dyn 。應瞭解，可相似地模仿(或模型化)其他負荷函數。預測器及誤差放大器之輸出經加總且控制輸出裝置。
在一些實施例中，藉由兩個路徑實施跨導誤差放大器：包括差分N通道電晶體之一低增益、高速度路徑；及包括差分P通道之一低速度、高增益路徑。在圖3A中展示此一電路。特定言之，在302處展示一簡化高增益、低頻寬路徑之一實例，且在304處展示一簡化低增益、高頻寬路徑之一實例。應瞭解，其他實施方案係可行。
在所繪示之實例中，高增益低頻寬放大器302係驅動一N通道控制電流源輸出之四個電晶體差分P通道電壓放大器(在全部四個電晶體上使用疊接)。其具有至N通道輸入裝置之閘極中之高電壓增益，但歸因於極低電流(至差動對之100nA尾電流)及高輸出電容(輸出裝置之100微米寬及相對長之通道)，其具有與極慢回應。取決於應用，使得其更慢可係必須。
低增益高頻寬放大器304係一電流操縱跨導體。差分n通道裝置比較反饋與參考且P通道鏡將此轉換為至擴散器對之正極與負極尾電流之間之一輸出電流。第二輸入電流添加至輸出以將範圍自(-尾至+尾)移動至(-2*尾至0)使得輸出無法在調節器之輸出處關閉電流鏡。在圖3B中展示通過電晶體/電流鏡之一例示性P通道。在所繪示之實例中，電流鏡206包含具有共同閘極之電晶體350及電晶體352。電晶體350係作為用於電流驅動裝置之一負荷而二極體連接。電晶體352之汲極係連接至負荷208。在一些實施例中，電晶體352係比電晶體350大。在一些實施例中，此可乘以一因子(例如，50比1)。在電流鏡中之倍增之範圍係所要速度對在調節器中使用之可接受功率之一函數。通常，儘管此等限制僅係經驗概估法，但大於10且小於100之一倍數係實用。兩個電極350、352之共同來源係耦合至輸入電力源。
在一些實施例中，頻率轉電流轉換器210包括複數個階段。圖3C中展示一階段之一實例。在所繪示之實例中，階段包含NAND閘極360、負荷電容器368及反相器362、364。各階段接收作為至NAND閘極360之一輸入之反相器362之輸出(第一階段藉由系統時脈(未展示)驅動)。另外，NAND閘極360接收一遮罩(MASK)輸入以縮放K ACT 因子。將遮罩應用至任何階段阻止以後階段切換。應瞭解，一頻率轉電流轉換器之其他實施方案係可行。
在圖4中展示另一實施例。特定言之，電路400包含具有提供至跨阻抗裝置406之一輸出之頻率轉電流轉換器210以提供一輸出電壓而非一輸出電流。在所繪示之實施例中，跨導放大器204經實施具有一高速度路徑412及一低速度路徑410。低速度路徑包含一受控電荷泵，其輸出跨一浮動電容器將高速度路徑412及預測器裝置(頻率轉電流轉換器210)輸出耦合至電晶體402之輸入。在共同汲極組態中，電晶體402係一單一大電晶體。其之汲極係至輸入電力源，閘極係控制節點 且電源係至負荷。另外，在一些實施例中，放大器407可用以實施高速度路徑412。
儘管前述說明書描述特定實施例，然參考此描述之一般技術者將明白且可作出本文揭示之實施例及額外實施例之細節之許多改變。在此情境中，可以一繪示性而非一限制性意義看待說明書及圖，且全部此等修改意欲包含在本發明之範疇內。因此，本發明之範疇應藉由以下申請專利範圍及其等合法等效物判定。

Claims (15)

  1. 一種用於控制一輸出裝置之電壓調節器，其包括：一誤差放大器，其接收該電壓調節器之一輸出電壓；一受控傳導(conductance)輸出裝置；及一負荷預測電路；其中，該誤差放大器之一輸出及該負荷預測電路之一輸出經加總以控制該受控傳導輸出裝置，且其中該負荷預測電路係一頻率轉電流轉換器。
  2. 如請求項1之電壓調節器，其中該頻率轉電流轉換器以下列等式實施一第一活動因子K ACT ：I LOAD =I LEAK +I dyn 其中I LOAD 係該負荷所需之一電流；I LEAK 係該負荷所需之一洩漏電流；及I dyn 係一動態電流且藉由I dyn =(K ACT *V DD *C PD *F CLK )給出，其中K ACT 係該負荷隨操作條件變動之一第二活動因子；V DD 係施加至該負荷之一電壓；C PD 係該負荷之一實質上不變動(invarient)功率消耗電容特性；F CLK 係驅動該負荷之一時脈之一頻率。
  3. 如請求項1之電壓調節器，其中該誤差放大器包括具有一低增益高速度路徑及一高增益低速度路徑之一跨導放大器。
  4. 如請求項1之電壓調節器，其中該負荷預測電路包括藉由一遮罩電路縮放(scaled)之複數個頻率轉電流轉換器。
  5. 如請求項4之電壓調節器，其中該負荷預測電路包含一跨阻抗裝置以產生一輸出電壓。
  6. 一種用於用於控制一輸出裝置之方法，其包括：提供一誤差放大器；以一電壓調節器之一輸出電壓饋送一誤差放大器；提供一受控傳導輸出裝置；提供一負荷預測電路；及其中該誤差放大器之一輸出及該負荷預測電路之一輸出經加總以控制該受控傳導輸出裝置，且其中該負荷預測電路係一頻率轉電流轉換器。
  7. 如請求項6之方法，其中該頻率轉電流轉換器以下列等式實施一第一活動因子K ACT ：I LOAD =I LEAK +I dyn 其中I LOAD 係該負荷所需之一電流；I LEAK 係該負荷所需之一洩漏電流；及I dyn 係一動態電流且藉由I dyn =(K ACT *V DD *C PD *F CLK )給出，其中K ACT 係該負荷隨操作條件變動之一第二活動因子；V DD 係施加至該負荷之一電壓；C PD 係該負荷一實質上不變動功率消耗電容；F CLK 係驅動該負荷之一時脈之一頻率。
  8. 如請求項6之方法，其中該誤差放大器包括具有一低增益高速度路徑及一高增益低速度路徑之一跨導放大器。
  9. 如請求項6之方法，其中該負荷預測電路包括藉由一遮罩電路縮放之複數個頻率轉電流轉換器。
  10. 如請求項9之方法，其中該負荷預測電路包含一跨阻抗裝置以產生一輸出電壓。
  11. 一種積體電路裝置，其包含一晶片上(on-chip)電壓調節器，該晶片上電壓調節器包括：一誤差放大器，其接收該晶片上電壓調節器之一輸出電壓；一受控傳導輸出裝置；及一負荷預測電路；其中，該誤差放大器之一輸出及該負荷預測電路之一輸出經加總以控制該受控傳導輸出裝置，且其中該負荷預測電路係一頻率轉電流轉換器。
  12. 如請求項11之積體電路裝置，其中該頻率轉電流轉換器以下列等式實施一第一活動因子K ACT ：I LOAD =I LEAK +I dyn 其中I LOAD 係該負荷所需之一電流；I LEAK 係該負荷所需之一洩漏電流；及I dyn 係一動態電流且藉由I dyn =(K ACT *V DD *C PD *F CLK )給出，其中K ACT 係該負荷隨操作條件變動之一第二活動因子；V DD 係施加至該負荷之一電壓；C PD 係該負荷之一實質上不變動功率消耗電容；F CLK 係驅動該負荷之一時脈之一頻率。
  13. 如請求項11之積體電路裝置，其中該誤差放大器包括具有一低增益高速度路徑及一高增益低速度路徑之一跨導放大器。
  14. 如請求項11之積體電路裝置，其中該負荷預測電路包括藉由一遮罩電路縮放之複數個頻率轉電流轉換器。
  15. 如請求項14之積體電路裝置，其中該負荷預測電路包含一跨阻抗裝置以產生一輸出電壓。
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