專利名稱：提高增益的電壓調(diào)節(jié)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電壓調(diào)節(jié)(穩(wěn)壓器)電路，具體地說，公開一種提高增益的電路，其改進(jìn)一采用帶隙基準(zhǔn)的電壓調(diào)節(jié)器電路的電壓電源抗擾動(dòng)性(rejection)、電流驅(qū)動(dòng)范圍和反饋回路穩(wěn)定性等特性。
背景技術(shù)：
一種直流(DC)電壓調(diào)節(jié)器在提供大電流以驅(qū)動(dòng)外部電路負(fù)荷的同時(shí)，將電源電壓調(diào)節(jié)到一優(yōu)選的、精確的、穩(wěn)定的幅值。即使電源電壓漂移和電路負(fù)荷急劇地變化，該調(diào)節(jié)的電壓也應(yīng)是高度穩(wěn)定的和精確的。
在很多應(yīng)用中電源電壓是必不可少的。例如，無線射頻(RF)電話通常利用電池工作，該電池取決于其放電狀態(tài)能產(chǎn)生2.7到5.5伏的原電壓。該電池向天線負(fù)荷(發(fā)射時(shí))和各電路例如壓控振蕩器(VCO)兩者供電。由于電池電壓可能隨電池放電和發(fā)射負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化，在使用電話時(shí)從電池引出的電流可能變化十分寬。該引出的電流在1到100毫安的范圍內(nèi)是一般的情況。
VCO響應(yīng)于所施加的電壓信號(hào)來產(chǎn)生頻率。由于在VCO可以產(chǎn)生的頻率范圍內(nèi)的每一頻率與施加的電壓成正比例，VCO對(duì)于電源電壓的波動(dòng)是敏感的。需要一高穩(wěn)定性基準(zhǔn)電壓，以防止VCO頻率受電池電壓的波動(dòng)影響而變化。
在很多應(yīng)用中帶隙基準(zhǔn)是有用的，這是由于當(dāng)經(jīng)歷溫度和電源供電電壓變化時(shí)其提供基本不變的電壓。電壓調(diào)節(jié)通常是通過產(chǎn)生帶隙電壓和將這一電壓施加到一電阻串上實(shí)現(xiàn)的。在該電阻串中的各電阻元件之間的電路抽頭點(diǎn)處，取得優(yōu)選的電壓幅值并將其用作基準(zhǔn)電源。選擇性地選擇電阻串中的電阻以在該抽頭點(diǎn)產(chǎn)生所需的電壓幅值。
圖1是表示現(xiàn)有技術(shù)的電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)的方塊示意圖。這一電壓調(diào)節(jié)器包括帶隙基準(zhǔn)電路11、分壓器以及反饋放大器。將帶隙基準(zhǔn)電壓施加到差分放大器14的一個(gè)輸入端，并將被調(diào)節(jié)的電壓的一部分通過MOSFET15以及電阻12和13施加到另一個(gè)輸入端。按這種設(shè)計(jì)提供的調(diào)節(jié)電壓是按照下式VR＝(VBG*(R1+R2))/R1確定的，其中VBG是帶隙電壓，R1是電阻元件12的阻值和R2是電阻元件13的的阻值。
圖2表示用于實(shí)現(xiàn)圖1所示電壓調(diào)節(jié)器的現(xiàn)有技術(shù)的電路結(jié)構(gòu)。其中，在晶體管21的集電極產(chǎn)生帶隙基準(zhǔn)電壓，其等于電阻31兩端的電壓降和晶體管21的基極-發(fā)射極電壓Vbe之和。利用電阻23和24的電阻串結(jié)合P-MOS晶體管26產(chǎn)生調(diào)節(jié)電壓，和將其用作帶隙基準(zhǔn)電路以及外部負(fù)荷的電源。一對(duì)發(fā)射極耦合的晶體管27和28形成差分反饋放大器，用于調(diào)制(modulate)經(jīng)由MOS晶體管26的漏極-源極結(jié)傳導(dǎo)的電流。通過響應(yīng)于帶隙基準(zhǔn)電壓和加在電阻24兩端的電壓降即輸出基準(zhǔn)電壓的一部分之間的幅值差，調(diào)制晶體管26的漏極-源極電流，可以維持在調(diào)節(jié)電壓端Vreg的直流電壓恒定。即使電源電壓漂移或響應(yīng)于負(fù)荷變化出現(xiàn)電流變化，也可以維持調(diào)節(jié)電壓恒定。
為了獲得電阻24兩端和在調(diào)節(jié)器輸出端的高精度電壓(即良好的電源抗擾動(dòng)能力)，反饋放大器必須具有高的增益。按照現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)，難于同時(shí)獲得反饋放大器的高的增益和高穩(wěn)定性。實(shí)現(xiàn)提高增益的改進(jìn)方案可能伴隨引起穩(wěn)定性降低，逆之亦然。增加電阻30的阻值可以提高差分放大器的增益。然而，增加電阻30的數(shù)值會(huì)在晶體管26的柵極引起相位-增益極點(diǎn)(phase-gainpole)移動(dòng)到較低頻率。由于移動(dòng)相位-增益極點(diǎn)到較低頻率，電壓調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定性急劇地惡化。當(dāng)將電壓調(diào)節(jié)器用于向負(fù)荷大范圍變化的外部設(shè)備提供電力時(shí)，從增益級(jí)到輸出晶體管26使用電流鏡像電路并不能克服該問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種電壓調(diào)節(jié)器，其不再因提高增益而降低穩(wěn)定性或因提高穩(wěn)定性而降低增益而需要進(jìn)行取舍。在帶隙基準(zhǔn)電路和電壓調(diào)節(jié)器的差分放大器之間設(shè)置一附加的增益增大(gain-boosting)級(jí)。該增益增大級(jí)增加了反饋放大器總增益而沒有降低在放大器輸出端的相位-增益極點(diǎn)，以此保證高穩(wěn)定性。


在下面說明書部分中進(jìn)一步介紹本發(fā)明，結(jié)合附圖閱讀可以更好地理解本發(fā)明，其中圖1是表示現(xiàn)有技術(shù)的電壓調(diào)節(jié)器的方塊示意圖；圖2是表示用于實(shí)現(xiàn)圖1所示的電壓調(diào)節(jié)器的現(xiàn)有技術(shù)的電路圖；圖3是表示用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的電壓調(diào)節(jié)器的電路圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例提供一種電壓調(diào)節(jié)器，其設(shè)計(jì)用于在向所連接的負(fù)荷提供高輸出電流時(shí)，精確穩(wěn)定地調(diào)節(jié)直流電源電壓。即使電源電壓漂移和負(fù)荷急劇地變化，該調(diào)節(jié)的電壓也是穩(wěn)定不變的。這種設(shè)計(jì)的電壓調(diào)節(jié)器運(yùn)行的益處包括1.高穩(wěn)定的調(diào)節(jié)電壓；2.向可變負(fù)荷提供大電流的能力；3.良好的輸出紋波衰減；4.良好的電源抗擾動(dòng)能力。
圖3表示包括在圖2中所示的電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中加入第二增益增大級(jí)。該第二增益增大級(jí)包括發(fā)射極耦合雙極型晶體管對(duì)35和36以及電阻38和39。
由晶體管20和21、電阻22和31以及由P-MOS(P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體)晶體管18和19構(gòu)成的電流鏡像電路產(chǎn)生帶隙基準(zhǔn)電壓。與絕對(duì)溫度成比例(PTAT)的帶隙基準(zhǔn)電流通過P-MOS晶體管17和N-MOS晶體管16、25和37鏡像映射到反饋增益級(jí)。利用該來自帶隙基準(zhǔn)電路的鏡像電流來調(diào)制差分放大器27和28的增益，使反饋放大器的增益與溫度無關(guān)地進(jìn)行調(diào)節(jié)。
通過將晶體管26的漏極連接到晶體管17、18和19的源極以及晶體管35和36的集電極電阻形成第一反饋回路。這一反饋回路將在晶體管26的漏極的被調(diào)節(jié)的電壓Vreg作為電壓源提供到帶隙基準(zhǔn)塊。利用被調(diào)節(jié)的電壓源向帶隙基準(zhǔn)塊供電，提高了電源抗擾動(dòng)能力和帶隙電壓精度。在一對(duì)差分放大器的輸出端和輸入端之間的第二反饋回路控制被調(diào)節(jié)的電壓Vreg。通過從第二差分放大器將晶體管27的集電極連接到晶體管26的柵極形成第二反饋回路。晶體管26上的柵極的信號(hào)調(diào)節(jié)流過晶體管26的漏極的電流，并利用串聯(lián)的電阻23和24將這一電流轉(zhuǎn)換為電壓。將電阻24上的電壓提供到第一差分放大器中的晶體管36的基極以構(gòu)成反饋回路。
每一差分放大器35、36和27、28具有由上拉電阻30、38或39的阻值與差分放大器的增益gm的乘積確定的相關(guān)增益，其中電阻30、38或39分別連接到其中一個(gè)發(fā)射極耦合的晶體管的集電極。兩個(gè)差分放大器35、36和27、28其電路構(gòu)成為產(chǎn)生與它們的各自放大增益的乘積成比例的放大增益。因此，由該對(duì)差分放大器構(gòu)成的反饋放大器的總增益由如下式確定Vgrain，total＝Vgrain，39*Vgrain，30＝(gm1*R10)*(gm.2*R0)＝gm.1*gm2*R0*R10，其中g(shù)m.1和gm.2分別是第一差分放大器和第二差分放大器的增益，R0是電阻30的阻值，R10是電阻39的阻值。在放大器的輸出端采用一電阻負(fù)荷以避免使放大器飽和，并支持寬范圍的電流驅(qū)動(dòng)。
利用帶隙基準(zhǔn)電路可以產(chǎn)生一初始的調(diào)節(jié)電壓。在晶體管21的集電極產(chǎn)生的初始電壓等于電阻31兩端的電壓和晶體管21的基極-發(fā)射極結(jié)電壓Vbe，21之和。將這一電壓施加到晶體管35的基極-發(fā)射極結(jié)，其是由發(fā)射極耦合的晶體管對(duì)35和36構(gòu)成的差分放大器的輸入端。在這一信號(hào)和施加到差分放大器的另一輸入端(即晶體管36的基極-發(fā)射極結(jié))的反饋信號(hào)之間的幅值差，由發(fā)射極耦合的晶體管對(duì)放大，以在電阻38和39兩端產(chǎn)生更高的電壓。電阻39兩端形成的電壓是由晶體管36的Vbe，36和晶體管35的Vbe，35正電位差(由式Vbe，36-Vbe，35確定)經(jīng)放大的電壓。電阻38和電阻39兩端形成的電壓分別由如下式確定Vgain，39＝gm.1*R10以及Vgain，38＝gm.1*R11，其中，gm.1是差分放大器的增益，R10是電阻39的阻值，R11是電阻38的阻值。
電壓Vgain，39以及Vgain，38施加到由發(fā)射極耦合的雙極型晶體管對(duì)27和28構(gòu)成的差分放大器的不同輸入端。這一第二差分放大器以與所述第一差分放大器相同的方式工作。對(duì)于本發(fā)明的這一實(shí)施例所關(guān)注的是在電阻30兩端上形成的放大電壓。這一電壓由下式確定Vgain，30＝gm.2*R0，其中，gm.2是第二差分放大器的增益，R0是電阻30的阻值。
Vgain，30施加到晶體管26的柵極，以便將該晶體管置于線性工作的工作模式。晶體管26將在其柵極-源極結(jié)兩端形成的電壓放大，利用電流源29產(chǎn)生的電流和晶體管26的漏極-源極結(jié)電阻在其漏極-源極結(jié)兩端產(chǎn)生放大的電壓VDS.26。施加到輸出端的經(jīng)調(diào)節(jié)的電壓的幅值Vreg由下式Vreg＝VDD-VDS，26確定，其中VDD是電源電壓，VDS，26是晶體管26兩端的漏極-源極電壓。電流源29是一本技術(shù)領(lǐng)域公知類型的電流調(diào)節(jié)器件，用于將來自晶體管26漏極的電流送至地電位。
從調(diào)節(jié)輸出端Vreg產(chǎn)生兩個(gè)反饋信號(hào)。首先，Vreg用作帶隙基準(zhǔn)電路的電源。其次，將Vreg電壓幅值的一部分施加到晶體管36的基極-發(fā)射極結(jié)。將經(jīng)調(diào)節(jié)的輸出電壓施加到一由串聯(lián)的電阻23和24形成的電阻串，以便得到形成穩(wěn)定反饋電路所需的特定電壓幅值。這一特定電壓幅值與電阻24兩端的電壓成比例。
上述的本發(fā)明提供一種電壓調(diào)節(jié)電路，其產(chǎn)生高精度直流電壓、具有良好的電源抗擾動(dòng)特性、良好的穩(wěn)定性，以及一大電流源容量，可供采用可變負(fù)荷和電壓源的設(shè)備使用。
以上對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了介紹。另外，所作公開僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但是，如上所述，應(yīng)理解，本發(fā)明能夠應(yīng)用在各種其它情況，可以組合和改進(jìn)，在其中所表述的本發(fā)明的構(gòu)思范圍內(nèi)可以對(duì)與上述技術(shù)的等同物和/或相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)和知識(shí)進(jìn)行各種變化和改進(jìn)。上述實(shí)施例還意在解釋實(shí)施本發(fā)明時(shí)已知的最佳方式以及能夠使本技術(shù)領(lǐng)域的其他技術(shù)人員按照這些或其它實(shí)施例以及對(duì)于特定應(yīng)用所需的各種改進(jìn)利用本發(fā)明，或者直接利用本發(fā)明。因此，所作介紹并不意在將本發(fā)明限制為其中所公開的結(jié)構(gòu)形式。此外，所提出的權(quán)利要求構(gòu)成包括了各種實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種具有高電源抗擾動(dòng)特性的電壓調(diào)節(jié)器，包括電壓調(diào)節(jié)器電路，提供第一調(diào)節(jié)電壓；增益級(jí)，由兩個(gè)級(jí)聯(lián)的放大器級(jí)組成，其具有的增益與每一放大器級(jí)的增益成比例，所述放大器中的第一級(jí)的第一輸入端連接為接收第一調(diào)節(jié)電壓；以及電壓調(diào)制裝置，連接到所述放大器中的第二級(jí)的輸出端和一用于提供第二調(diào)節(jié)電壓的輸出端；所述輸出端連接到所述第一放大器級(jí)的第二輸入端，由此產(chǎn)生反饋電壓，以便相對(duì)于所述第一調(diào)節(jié)電壓將在所述輸出端上的所述第二調(diào)節(jié)電壓維持固定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓調(diào)節(jié)器，其中所述輸出端為所述電壓調(diào)節(jié)器電路提供工作電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電壓調(diào)節(jié)器，其中所述電壓調(diào)節(jié)器電路是一帶隙基準(zhǔn)電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電壓調(diào)節(jié)器，其中所述增益級(jí)的輸出信號(hào)按照所述第一調(diào)節(jié)電壓和所述第二調(diào)節(jié)電壓的一特定部分之間的電壓差而線性變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓調(diào)節(jié)器，其中所述增益級(jí)由兩個(gè)發(fā)射極耦合的差分放大器組成，其構(gòu)成產(chǎn)生的放大增益與每個(gè)發(fā)射極耦合的晶體管差分放大器的各自放大增益的乘積成比例。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電壓調(diào)節(jié)器，其中每個(gè)所述差分放大器由雙極型晶體管組成，其發(fā)射極連接第二晶體管，該第二晶體管由所述電壓調(diào)節(jié)器電路控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電壓調(diào)節(jié)器，其中在所述電壓調(diào)節(jié)器電路中的所述第二晶體管形成具有電流源的電流鏡像電路。
8.一種電壓調(diào)節(jié)器電路，包括帶隙基準(zhǔn)電路，用于提供一隨溫度變化的基準(zhǔn)電流以及一相對(duì)于溫度基本上恒定的基準(zhǔn)電壓；第一差分放大器級(jí)，包括第一和第二晶體管，其發(fā)射極耦合到一晶體管，該晶體管提供一與帶隙電路基準(zhǔn)電流成比例的鏡像電流到所述第一和第二晶體管；第二差分放大器級(jí)，包括第一和第二晶體管，其發(fā)射極耦合到一晶體管，該晶體管提供一與所述基準(zhǔn)電流成比例的鏡像電流到第二差分放大器級(jí)中的所述第一和第二晶體管；所述第二晶體管的基極連接為接收所述基準(zhǔn)電壓，所述第二差分放大器級(jí)的第一和第二輸出連接端連接到所述第一差分放大器級(jí)的第一和第二輸入連接端；以及一輸出晶體管，連接到所述第一差分放大器級(jí)中的所述第一晶體管的集電極以及負(fù)荷阻抗端；所述第二差分放大器級(jí)中的所述第一晶體管在其基極接收來自所述負(fù)荷阻抗的反饋電壓，因此在所述負(fù)荷阻抗的兩端上產(chǎn)生經(jīng)調(diào)節(jié)的電壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種電壓調(diào)節(jié)器電路，其中所述帶隙基準(zhǔn)電路從所述輸出晶體管接收一工作電壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種電壓調(diào)節(jié)器電路，其中所述所述負(fù)荷阻抗端端接于一電流源和調(diào)節(jié)電容。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電壓調(diào)節(jié)器,其對(duì)電源的直流電壓變化具有高的抗擾動(dòng)性。該電壓調(diào)節(jié)器包括:電壓調(diào)節(jié)器電路、一連接到電壓調(diào)節(jié)器電路輸出端的增益級(jí)以及一電壓調(diào)制器,其形成在增益級(jí)的輸出端和輸入端之間的信號(hào)反饋回路。由電壓調(diào)節(jié)器電路產(chǎn)生一起始基準(zhǔn)電壓并提供到增益級(jí)的輸入端。由增益級(jí)放大來自電壓調(diào)制器的這一起始基準(zhǔn)電壓和反饋信號(hào)的一部分之間的差。增益級(jí)放大的信號(hào)用于調(diào)制提供到外部負(fù)荷的基準(zhǔn)電壓。通過利用兩級(jí)放大器增加電壓調(diào)節(jié)器的回路增益得到更好的精確度和穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)G05F3/08GK1373564SQ0114095
公開日2002年10月9日 申請(qǐng)日期2001年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月29日
發(fā)明者阿米特·伯斯坦, 丹尼爾·施卡普 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司