專利名稱：具有壓控環(huán)路和流控環(huán)路的供電電路的制作方法
具有壓控環(huán)路和流控環(huán)路的供電電路 背景領(lǐng)域所公開的實(shí)施例一般涉及供電電路。背景

圖1 (現(xiàn)有技術(shù))是向外部負(fù)載2供電的常規(guī)供電電路1的電路圖。供電電路 1經(jīng)由VBAT電壓饋送端子2和接地端子3從電池(未示出)接收供電。供電電路 1將所需的輸出電壓VOUT輸出到輸出端子4上。帶隙電壓基準(zhǔn)5輸出諸如1.2伏 的基準(zhǔn)電壓VREF。由電阻器6和電阻器7組成的電阻分壓器將輸出節(jié)點(diǎn)4上的電 壓VOUT分壓以使得當(dāng)輸出節(jié)點(diǎn)4上呈現(xiàn)期望電壓(例如，4.0伏)時(shí)節(jié)點(diǎn)8上將 會(huì)呈現(xiàn)電壓VREF。差分放大器9將基準(zhǔn)電壓VREF與節(jié)點(diǎn)8上的電壓相比較，并 相應(yīng)地激勵(lì)晶體管10的柵極上的電壓。晶體管10內(nèi)從漏極流到源極的電流被晶體 管11和大傳輸晶體管12所鏡像，以使得一成比例電流從VBAT端子2通過傳輸 晶體管12流到輸出端子4。如果通過傳輸晶體管12流到輸出端子4的電流太小致 使節(jié)點(diǎn)8上的電壓小于基準(zhǔn)電壓VREF，則差分放大器9升高晶體管10的柵極上 的電壓以使得流過傳輸晶體管12的電流增大直至節(jié)點(diǎn)8上的電壓匹配基準(zhǔn)電壓 VREF。另一方面，如果通過傳輸晶體管12流到輸出端子4的電流太大致使節(jié)點(diǎn)8 上的電壓高于VREF，則差分放大器9降低晶體管10的柵極上的電壓以使得流過 傳輸晶體管12的電流減小直至節(jié)點(diǎn)8上的電壓匹配VREF。由此通過壓控環(huán)路來 穩(wěn)定輸出端F4上的電壓。在一些應(yīng)用中，由于除供電電路1以外的多個(gè)電路被耦合到同一電池，致使 電池電壓VBAT上可能會(huì)呈現(xiàn)噪聲。例如，如果電池電壓VBAT從所需的4.0伏 電源電壓瞬時(shí)降落到3.0伏，然后回到所需的4.0伏，則VBAT的這一瞬時(shí)降落不 應(yīng)被轉(zhuǎn)化為提供到輸出端子4上的供電電壓VOUT相應(yīng)的瞬變。具有例如用于蜂 窩電話的敏感射頻電路系統(tǒng)的射頻(RF)管芯從輸出端子4接收供電。不管電池 電源電壓VBAT有怎樣的瞬時(shí)波動(dòng)，從輸出端子4提供的4.0伏都要保持'g定。
供電電路的不管其輸入電壓VBAT有何變化都輸出恒定輸出電壓VOUT的能 力是由稱為電源抑制比或者說PSRR的量來衡量的。以dB為單位的供電電路的 PSRR是通過將輸出電壓VOUT中所見的變動(dòng)除以輸入電壓VBAT的變動(dòng)，然后 取此商的對(duì)數(shù)，然后將結(jié)果所得的值乘以20來確定的。 一般而言，壓控環(huán)路的增 益越高，PSRR就越好(較好的PSRR意味著PSRR數(shù)是較大的負(fù)數(shù))。然而，供 電電路的PSRR是頻率相關(guān)的。此壓控環(huán)路對(duì)輸入電壓VBAT中的低頻變化響應(yīng) 靈敏。然而，對(duì)于輸入電壓VBAT中較快的變化，該控制環(huán)路可能不合需要地慢， 致使VBAT變動(dòng)通過供電電路被傳送，并被引入到輸出電壓VOUT中。在以上所 描述的由該供電電路對(duì)敏感的RF管芯供電的蜂窩電話應(yīng)用中，在從零Hz直至100 kHz的輸入電壓頻率變動(dòng)上希望有"40 dB或更好的PSRR抑制。對(duì)該壓控環(huán)路的速度的一個(gè)限制是傳輸晶體管12的大小。 一般將傳輸晶體管 12做得很大以使得供電電路1可向負(fù)載2提供所需量的電源電流。在圖1的電路 的一個(gè)示例中，將傳輸晶體管12做成約48毫米寬乘0.4微米長(寬/長=120,000) 以使得該供電電路能夠供給蜂窩電話應(yīng)用中所需的300mA電源電流。因此，傳輸 品體管12占據(jù)數(shù)平方毫米的管芯空間。除了不合需要地占據(jù)大量管芯空間以外， 壓控環(huán)路中的傳輸晶體管12的大尺寸還導(dǎo)致減慢了壓控環(huán)路的響應(yīng)，以使得供電 電路在100 kHz下的PSRR高于其原本的值。需要一種改進(jìn)的供電電路。概要信息一種集成供電電路包括將電流從電壓饋送端子VBAT引導(dǎo)至輸出端子的兩個(gè) 傳輸晶體管。其中一個(gè)晶體管較小而另一個(gè)較大。通過該較小傳輸晶體管M1的電 流由壓控環(huán)路控制以使得輸出端子上的輸出電壓VOUT被穩(wěn)定到預(yù)定電壓。通過 該較大傳輸晶體管M2的電流由流控環(huán)路控制以使得流過較大傳輸晶體管M2的電 流的量是流過較小傳輸晶體管M1的電流的數(shù)倍。流過較大傳輸晶體管M2的電流 與流過較小傳輸晶體管M1的電流的變化大致成比例地改變。對(duì)于流過晶體管M1 和M2的組合電流超過約一毫安的供電電路工作體制，流過較大傳輸晶體管M2的 電流與流過較小傳輸晶體管Ml的電流的比例關(guān)系得以維持。通過減小較小傳輸晶 體管M1中的電流，該供電電路的電源抑制比(PSRR)得以改善。在一個(gè)示例中， 對(duì)于最高達(dá)100 kHz的頻率，該P(yáng)SRR好于-65 dB (較好的PSRR意味著PSRR數(shù) 是較大的負(fù)數(shù))。這兩個(gè)傳輸晶體管M1和M2所占據(jù)的管芯空間與相似性能或甚 至較差性能的常規(guī)供電電路中傳輸晶體管管芯空間的量相比有所減少。
在一個(gè)實(shí)施例中，該流控環(huán)路具有高增益，并且包括一運(yùn)算電流放大器(OCA)。在高負(fù)載電流狀態(tài)下，該OCA和流控環(huán)路工作，并且較大傳輸晶體管 M2如前所述地承擔(dān)了較小傳輸晶體管M1的電流負(fù)載。在低電流狀態(tài)下，該OCA 和流控環(huán)路被禁用，由此降低該供電電路的電流消耗。該供電電路是在其流控環(huán)路 被禁用還是啟用的狀態(tài)下工作是由數(shù)字ENABLE (啟用)信號(hào)控制的。ENABLE 信號(hào)的數(shù)字值是通過將合適的值寫到寄存器里的相應(yīng)位中來控制的。該寄存器可從 諸如蜂窩電話內(nèi)的SBI總線等總線存取。該供電電路可用來向電路供電或在再充電期間向可再充電電池供電。在以下 的具體說明中描述了其它實(shí)施例。此概要并不旨在定義本發(fā)明。本發(fā)明由所附權(quán)利 要求定義。附圖簡(jiǎn)要說明圖l (現(xiàn)有技術(shù))是常規(guī)供電電路的示圖。圖2是根據(jù)一個(gè)新穎方面的供電電路100的簡(jiǎn)化示圖。圖3是圖2的供電電路100的運(yùn)算電流放大器(OCA)的簡(jiǎn)化示圖。圖4是可用來表征圖2的供電電路100的工作的小信號(hào)模型。圖5是示出圖2的供電電路100的壓控環(huán)路的穩(wěn)定性的曲線圖。圖6是示出圖2的供電電路100的流控環(huán)路的穩(wěn)定性的曲線圖。圖7是可用來確定晶體管Ml和M2的尺寸定徑的示圖。圖8是圖2的供電電路100的電源抑制比(PSRR)隨頻率變化的曲線圖。圖9是闡明圖2的供電電路100的性能參數(shù)的表。具體說明圖2是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的供電電路100的電路圖。供電電路100經(jīng)由電源饋 送端子VBAT 101和接地端子102從諸如電池(未示出)等能量源接收能量。供電 電路100將經(jīng)穩(wěn)定的預(yù)定輸出電壓VOUT提供到輸出節(jié)點(diǎn)103和輸出端子104上。 在一個(gè)實(shí)施例中，供電電路IOO被集成到一半導(dǎo)體集成電路管芯上。供電電路IOO 和一外部電容器105 —起工作。圖1示圖中的電阻器106代表外部電容器105的串 聯(lián)電阻?？?07代表由供電電路100供電的外部負(fù)載。在一個(gè)實(shí)施例中，外部負(fù)載 107是一集成電路，諸如其上設(shè)置了射頻(RF)電路系統(tǒng)的集成電路。該供電集成 電路和RF集成電路兩者都可在蜂窩電話中實(shí)施。
供電電路100包括第一傳輸晶體管M1和較大的第二傳輸晶體管M2。將第一 傳輸晶體管M1做得相對(duì)較小(寬/長=20)以提升控制第一傳輸晶體管M1的壓 控環(huán)路的響應(yīng)速度。將第二傳輸晶體管M2做得相對(duì)較大(寬/長=20,000)，從 而它能提供需要從電源饋送端子VBAT 101向輸出節(jié)點(diǎn)103提供的電流的主要部 分，以將輸出節(jié)點(diǎn)103和輸出端子104上的電壓保持穩(wěn)定在所需的預(yù)定輸出電壓 VOUT。 一流控環(huán)路控制第二傳輸晶體管M2以使由第二傳輸晶體管M2向輸出節(jié) 點(diǎn)103提供的電流ILe與壓控環(huán)路內(nèi)的控制電流成比例。較大第二傳輸晶體管M2 和流控環(huán)路的設(shè)置還有其它優(yōu)點(diǎn)，這將在以下進(jìn)一步具體闡明。該壓控環(huán)路的操作如下。帶隙電壓基準(zhǔn)108輸出諸如1.2伏的基準(zhǔn)電壓VREF。 由電阻器110和電阻器111組成的電阻分壓器109將輸出節(jié)點(diǎn)103上的電壓VOUT 分壓，以使得當(dāng)輸出節(jié)點(diǎn)103上呈現(xiàn)期望電壓(例如，2.6伏)時(shí)感測(cè)節(jié)點(diǎn)112上 將會(huì)呈現(xiàn)電壓VREF (例如，1.2伏)。差分放大器113將基準(zhǔn)電壓VREF與感測(cè) 節(jié)點(diǎn)112上的電壓相比較，并相應(yīng)地設(shè)置晶體管M5的柵極上的電壓。晶體管M5 內(nèi)從漏極向源極流動(dòng)的控制電流ILv'被晶體管M4和第一傳輸晶體管Ml所鏡像， 從而一成比例的第一電流IU自VBAT端子101流出，從源極到漏極流過第一傳輸 晶體管Ml，并流到輸出節(jié)點(diǎn)103。如果從VBAT端子101通過第一傳輸晶體管 Ml和第一.傳輸晶體管M2流到輸出節(jié)點(diǎn)103的總電流太小致使感測(cè)節(jié)點(diǎn)112上的 電壓低r-基準(zhǔn)電壓VREF，則差分放大器113升高晶體管M5的柵極上的電壓，由 此增大控制電流IU'以使得流過第一傳輸晶體管M1的第一電流ILv增大，直至感 測(cè)節(jié)點(diǎn)112上的電壓匹配基準(zhǔn)電壓VREF。另一方面，如果從VBAT端子101通過 第一傳輸晶體管M1和第二傳輸晶體管M2流到輸出節(jié)點(diǎn)103的總電流太大致使感 測(cè)節(jié)點(diǎn)112上的電壓高于VREF，則差分放大器113降低晶體管M5的柵極上的電 壓，由此減小控制電流IIV以使得流過第一傳輸晶體管M1的第一電流ILv減小， 直至感測(cè)節(jié)點(diǎn)112上的電壓匹配VREF。由此通過壓控環(huán)路來穩(wěn)定輸出節(jié)點(diǎn)103上 的電壓以維持預(yù)定的輸出電壓VOUT。流控環(huán)路的操作如下。從漏極到源極流過晶體管M5的控制電流ILv'被第一電 流鏡像晶體管M6所鏡像。第一電流鏡像晶體管M6的柵極被耦合到晶體管M5的 柵極。第一電流鏡像晶體管M6的源極被耦合到晶體管M5的源極。因而流過第一 電流鏡像晶體管M6的漏極至源極電流IIV與流過晶體管M5的控制電流IU'成比 例。在本例中，晶體管M5和M6尺寸相同。因而通過這兩個(gè)晶體管的漏極至源極 電流被標(biāo)以相同符號(hào)ILV'。
設(shè)置第二電流鏡像晶體管M3以鏡像第二電流IU。第二電流IL。從第二傳輸晶體管M2的源極至第二傳輸晶體管M2的漏極流過第二傳輸晶體管M2。流過第 二鏡像晶體管M3的鏡像電流被標(biāo)為IIV。第二電流鏡像晶體管M3的柵極被耦合 到第二傳輸晶體管M2的柵極。第二電流鏡像晶體管M3的源極被耦合到第二傳輸 晶體管M2的源極。因此第二鏡像電流IL。'的幅值與第二電流IU的幅值成比例。 在本例中，晶體管M3比晶體管M2小得多。第二鏡像電流IIV約為第二電流ILc 的1/100。該流控環(huán)路包括控制電路114。控制電路114控制第二電流鏡像晶體管M3的 柵極上的電壓Ve以使得流過第二電流鏡像晶體管M3的第二鏡像電流ILe'基本等 于流過第一電流鏡像晶體管M6的第一鏡像電流ILV，。此控制電路系統(tǒng)114包括一 運(yùn)算電流放大器(OCA) 115以及兩個(gè)晶體管M7和M8。運(yùn)算電流放大器115有 正(非反相)輸入引線INP、負(fù)(反相)輸入引線INN、啟用輸入引線ENABLE、 以及輸入引線OCAOUT。輸出引線OCAOUT被耦合到晶體管M7的柵極。如果流 過第二電流鏡像晶體管M3的第二鏡像電流ILe'的幅值大于流過第一鏡像晶體管 M6的第一鏡像電流ILv，的幅值，則電流從節(jié)點(diǎn)116流進(jìn)運(yùn)算電流放大器115的負(fù) 輸入引線INN。晶體管M7的柵極上的電壓降低，由此減小了流過晶體管M7的漏 極至源極電流。流過晶體管M7的漏極至源極電流是流過晶體管M8的源極至漏極 電流。流過晶體管M8的源極至漏極電流進(jìn)而被第二電流鏡像晶體管M3鏡像以使 得電流IU，與流過晶體管M8的源極至漏極電流成比例。因而第二鏡像電流IIV減 小直至其等f第一鏡像電流ILV'。涉及運(yùn)算電流放大器115、晶體管M7、晶體管 M8、以及第二電流鏡像晶體管M3的該流控環(huán)路工作以保持第二鏡像電流IIV的 幅值等于第一鏡像電流ILV的幅值。因?yàn)榈诙鬏斁w管M2的柵極被耦合到第二鏡像晶體管M3的柵極，并且因 為第二傳輸晶體管M2的源極被耦合到第二鏡像晶體管M3的源極，所以第二電流 ILe與第二鏡像電流IL。，成比例。在此例中，第二鏡像電流ILV約為第二電流ILC 的1/100。因此第二電流IU的幅值被該流控環(huán)路控制成與壓控環(huán)路中流過晶體管 M5的控制電流IU'的幅值成比例。在流過傳輸晶體管Ml和M2的總負(fù)載電流超 過約一毫安的場(chǎng)合此比例性得以維持。壓控環(huán)路中的控制電流ILv'越大，第二電流 ILe就越大。因而此流控環(huán)路起到減小為使供電電路100從輸出端子104提供給定 量的電流而需要流過第一傳輸晶體管M1的電流量的作用。通過減小需要引導(dǎo)通過 第一傳輸晶體管M1的電流量，就可將第一傳輸晶體管M1做得較小。通過將第一傳輸晶體管做得較小，就還可使壓控環(huán)路中第一傳輸晶體管M1的柵電容較小，由 此與圖1的現(xiàn)有技術(shù)電路相比提升壓控環(huán)路的速度。圖3是圖2的運(yùn)算電流放大器115的一個(gè)示例的電路圖。運(yùn)算電流放大器115 包括第一級(jí)120和第二級(jí)121。電容器122 - 124被實(shí)現(xiàn)為多板襯底電容器。圖2 的供電電路100具有高功率模式和低功率模式。在高功率模式下，運(yùn)算電流放大器 115被供電從而流控環(huán)路使第二傳輸晶體管M2將電流提供到輸出節(jié)點(diǎn)103上。在 此模式下，供電電路100可在2.6伏的VOUT下從輸出端子104向外部負(fù)載107 供給300毫安的電流。在高功率模式下，該供電電路本身的電路系統(tǒng)消耗約40微 安的電流。運(yùn)算電流放大器115消耗約10微安的電流。為將供電電路100置為高 功率模式，出現(xiàn)在圖3電路的左下方的信號(hào)ENABLE被設(shè)在數(shù)字高。在一個(gè)實(shí)施 例中，ENABLE信號(hào)是由寄存器的一位輸出的數(shù)字值。ENABLE信號(hào)是通過將數(shù) 字一寫到該寄存器位來設(shè)為高的。在低功率模式下，供電電路100的流控環(huán)路部分被禁用。運(yùn)算電流放大器115 被禁用，并且第二傳輸晶體管M2被控制成不向輸出節(jié)點(diǎn)103提供電流。在此模式 下，供電電路100可在2.6伏的VOUT下從輸出端子104向外部負(fù)載107供給最多 約2毫安的電流。在低功率模式下，該供電電路本身的電路系統(tǒng)消耗約ll微安的 電流。運(yùn)算電流放大器115幾乎不消耗電流。為了將供電電路IOO置為低功率模式， 出現(xiàn)在圖3電路的左下方的信號(hào)ENABLE被設(shè)在數(shù)字低。在可寫寄存器中有 ENABLE位的實(shí)施例中，此ENABLE位是通過將數(shù)字零寫到該寄存器位來設(shè)為低 的。此實(shí)施例中的寄存器是可從蜂窩電話內(nèi)的SBI (串行總線接口)或SSBI (單 線串行總線接口)總線寫入的寄存器。傳輸晶體管尺寸定徑第二傳輸晶體管M2的尺寸相對(duì)第一傳輸晶體管Ml的尺寸可使用第一比值Nv = IL乂ILv'和第二比值Ne = IIVILe'來確定。這些比值確定流過第一傳輸晶體管Ml的第一電流ILv的量相對(duì)流過第二傳輸晶體管M2的第二電流IU的量。第一電 流IU與第二電流IU之間的關(guān)系由以下式(1)定義。比值N在式(2)中被定義為第二傳輸晶體管M2的尺寸除以第一傳輸晶體管 Ml的尺寸。<formula>formula see original document page 12</formula> (2) 在式(2)中，Lv是第一傳輸晶體管Ml的長度，Wv是第一傳輸晶體管的寬度， Lc是第二傳輸晶體管M2的長度，We是第二傳輸晶體管M2的寬度，IV是第二電 流鏡像晶體管M3的長度，We'是第二電流鏡像晶體管M3的寬度，IV是第一電流 鏡像晶體管M6的長度，并且Wv'是第一電流鏡像晶體管M6的寬度。在圖2的供 電電路100的示例中，比值N約為1000。晶體管M1的寬/長為20。晶體管M2的 寬/長為20,000。環(huán)路穩(wěn)定性圖4是用來分析圖2的供電電路100的穩(wěn)定性的小信號(hào)模型的示圖。有兩個(gè) 要被穩(wěn)定的控制環(huán)路壓控環(huán)路和流控環(huán)路。每個(gè)環(huán)路的穩(wěn)定性可通過將要研究的 環(huán)路開路并將另一環(huán)路閉路來研究。使第一電流ILV是第二電流ILe的一個(gè)小零頭將便于針對(duì)自輸出端子104流出 的負(fù)載電流來穩(wěn)定壓控環(huán)路。該壓控環(huán)路可以是任何種類的電壓環(huán)路，諸如嵌套密 勒電容環(huán)路、極點(diǎn)跟蹤環(huán)路、或零點(diǎn)跟蹤環(huán)路。圖2的供電電路100的示例采用極 點(diǎn)跟蹤電壓環(huán)路以獲得較好的PSRR (較大的負(fù)PSRR數(shù))。圖2的供電電路100中的電容117和晶體管118 —起形成補(bǔ)償電路119。補(bǔ)償 電路119向該壓控環(huán)路添加了一極點(diǎn)和一零點(diǎn)，由此改善了該壓控環(huán)路的相位裕 量。該壓控環(huán)路有三個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)。頻率從零Hz開始并上升，這些極點(diǎn)和零 點(diǎn)按以下次序發(fā)生第一極點(diǎn)、第二極點(diǎn)、零點(diǎn)、以及第三極點(diǎn)。第一極點(diǎn)主要是歸因于負(fù)載107的阻抗以及外部電容器105的電容。在圖4 中，該阻抗被標(biāo)為R^而該電容被標(biāo)為C^。第二極點(diǎn)主要是歸因于差分放大器113 的輸出阻抗以及該節(jié)點(diǎn)上的電容。在圖4中，該阻抗被標(biāo)為rol并且該電容被標(biāo)為 Cl。該零點(diǎn)主要是歸因于晶體管119的阻抗以及補(bǔ)償電路119的電容器117的電 容。在圖4中，該阻抗被標(biāo)為Rl并且該電容被標(biāo)為Cl。第三極點(diǎn)主要是歸因于 在晶體管M4和M1的柵極處的節(jié)點(diǎn)上的總電容以及自此節(jié)點(diǎn)至AC接地的阻抗。 在圖4中，該阻抗被標(biāo)為ro2并且該電容被標(biāo)為C2。由補(bǔ)償電路119提供的零點(diǎn)受到在差分放大器108的輸出處的節(jié)點(diǎn)上的晶體 管118的影響。晶體管118在線性區(qū)域中工作，并起到可變電阻的作用。當(dāng)供電電 路100上的電流負(fù)載增大時(shí)，第一電流ILv增大，并且通過晶體管M5的電流IU'
增大。因而差分放大器113所輸出的電壓也必然上升。然而，晶體管118上的V棚極源極的上升致使晶體管118的源極至漏極電阻減小。在差分放大器113的輸出處的節(jié)點(diǎn)上阻抗的減小使得零點(diǎn)向頻率高端移動(dòng)。不僅該零點(diǎn)隨著供電電路負(fù)載的增大而向頻率高端移動(dòng)，第一極點(diǎn)和第三極 點(diǎn)在供電電路上的電流負(fù)載增大時(shí)也向頻率高端移動(dòng)。如果負(fù)載電流量增大，則第一電流ILv增大。要使更多輸出電流從該供電電路輸出，供電電路所見的阻抗必須被減小。令第一極點(diǎn)出現(xiàn)的阻抗的這種減小使得第一極點(diǎn)向頻率高端移動(dòng)。第三極點(diǎn)歸因于在晶體管M1和M4的柵極處的節(jié)點(diǎn)上的阻抗。此節(jié)點(diǎn)處的阻 抗主要是由晶體管M4的輸入阻抗確定的。此節(jié)點(diǎn)上的總電容主要?dú)w因于晶體管 Ml和M4組合的柵極電容。隨著該供電電路上的負(fù)載電流增大，第一電流ILy也 增大。流過晶體管M4的電流ILv'也是如此。因此晶體管M4的輸入阻抗必然有響 應(yīng)的減小。在晶體管Ml和M4的柵極處的節(jié)點(diǎn)上的阻抗的這種減小起到使得第三 極點(diǎn)向頻率高端移動(dòng)的作用。由此，可以看到隨著負(fù)載電流增大，第三極點(diǎn)在頻率上跟蹤第一極點(diǎn)。因此 說該壓控環(huán)路具有極點(diǎn)跟蹤特性。類似地，可以看到隨著負(fù)載電流增大，零點(diǎn)在頻 率上跟蹤第一極點(diǎn)。因此說該壓控環(huán)路具有零點(diǎn)跟蹤特性。通過提供隨著供電負(fù)載 增大向頻率高端移動(dòng)的零點(diǎn)，就將第三極點(diǎn)推至較高頻率。這防止供電電路100 的相位裕量在高電流負(fù)載的情況下減小。如果供電電路ioo具有較小的噪聲容限， 則自輸出端子104汲取的電流的脈沖將導(dǎo)致輸出到輸出端子104上的輸出電壓 VOUT的阻尼振蕩。通過將供電電路100的相位裕量保持得高，就減少或消除了該 阻尼振蕩。圖5是示出當(dāng)電流環(huán)路閉路時(shí)電壓環(huán)路的模擬的示圖。流控環(huán)路的穩(wěn)定性還可參考圖4的模型來研究。該流控環(huán)路應(yīng)具有高增益帶 寬(GBW)值以使該環(huán)路可對(duì)刺激反應(yīng)靈敏。因此圖2的供電電路100的示例在 流控環(huán)路內(nèi)部采用運(yùn)算電流放大器(OCA)。該流控環(huán)路包括三個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)零 點(diǎn)。頻率從零Hz開始并上升，這些極點(diǎn)和零點(diǎn)按以下次序發(fā)生第一極點(diǎn)、第二 極點(diǎn)、零點(diǎn)、以及第三極點(diǎn)。第一極點(diǎn)與壓控環(huán)路中的第一極點(diǎn)相同。它是由負(fù)載 107的阻抗以及外部電容器105的電容確定的。此阻抗和電容在圖4中由Cl和Rl 表示。第二極點(diǎn)由OCA 115的第一級(jí)120的輸出上的阻抗以及OCA 115的第一級(jí) 120的輸出上的電容確定。在圖4中，此阻抗被標(biāo)為Ri，而此電容被標(biāo)為Ci。零 點(diǎn)由圖2的OCA 115內(nèi)設(shè)置的其它組件提供。在圖4中，這些其它組件被標(biāo)為Rcc
和CCC。與壓控環(huán)路中的零點(diǎn)不同，添加到流控環(huán)路的此零點(diǎn)并不隨著供電電路上電流負(fù)載的增大而向頻率高端移動(dòng)。該流控環(huán)路的第三極點(diǎn)由OCA 115的第二級(jí) 121的輸出阻抗以及OCA 115的第二級(jí)121的輸出上的電容確定。在圖4中，此 阻抗被標(biāo)為Ra，并且此電容被標(biāo)為Ca。圖6是示出當(dāng)電壓環(huán)路被閉路時(shí)電流環(huán)路的模擬的示圖。參數(shù)優(yōu)化以下式(3)是供電電路100的DC傳遞函數(shù)的公式。在此式中，gmpv是第一傳 輸晶體管M1的跨導(dǎo)。Abv是由N溝道下拉晶體管M5和P溝道上拉晶體管M4構(gòu) 成的緩沖器的增益。ZL是負(fù)載107的阻抗。gmd是差分放大器113的跨導(dǎo)。"是電 阻分壓器109的電阻器110和111的比值。Ze是在差分放大器113的輸出處的節(jié) 點(diǎn)上的阻抗。gme是第二傳輸晶體管M2的跨導(dǎo)。Abe是由N溝道下拉晶體管M7 和P溝道上拉晶體管M8構(gòu)成的緩沖器的增益。B是運(yùn)算電流放大器115的增益。 r&是運(yùn)算電流放大器115的輸出阻抗。<formula>formula see original document page 14</formula>(gmpe)(Abe)(Brds/Ne)值是流控環(huán)路的增益。如果流控環(huán)路的增益(gmpe)(Abc) (B^/Ne)遠(yuǎn)大于一，則=-^^,尸 (4)式(4)中的系數(shù)(1+N。/Nv)具有增大壓控環(huán)路的閉環(huán)增益的作用。閉環(huán)增益是出 現(xiàn)在等號(hào)右邊VREF左邊的量。系數(shù)(1+Ne/N》起到倍乘第一傳輸晶體管Ml的跨 導(dǎo)gmpv的乘數(shù)的作用。該系數(shù)使得將第一傳輸晶體管Ml定徑到提供期望總負(fù)載 電流ILv所需的最小尺寸成為可能。 一旦第一傳輸晶體管M1被定徑，則選擇系數(shù) (l+Ne/Nv)來增大依賴于第一傳輸晶體管Ml的跨導(dǎo)的電壓環(huán)路增益以使以下參數(shù) 被最優(yōu)化l)高頻下的PSRR， 2)負(fù)載調(diào)整率，3)線路調(diào)整率，4)過沖和下沖。 等效傳輸晶體管圖7是可用來確定在圖1的現(xiàn)有技術(shù)電路中傳輸晶體管12要多大才能具有圖1的供電電路100的性能特性的示圖。圖2的供電電路100中組合的傳輸晶體管 Ml和M2的等效跨導(dǎo)gm是通過檢查傳輸晶體管Ml的柵電壓相對(duì)于傳輸晶體管 M2的柵電壓的關(guān)系來確定的。第一傳輸晶體管M1的柵電壓被標(biāo)為Vv。第二傳輸 晶體管M2的柵電壓被標(biāo)為Ve。以下式(5)比較圖7電路中的傳輸晶體管Ml與M2 的柵電壓。k 1 - 4a，: g化可以看出量D是晶體管M4與晶體管M3的尺寸之間的比值。因此在晶體管 M5和M6是相同尺寸的前提下，量D由以下式(6)給出。Z) = ^i (6)重排并利用以上在式(2)中確定的比值N，得到以下式(7)。L" (7)DZt『v組合的傳輸晶休管(M1和M2)的跨導(dǎo)gm由以下式(8)給出。gm = gmv + gmcD (8)因此供電電路100的負(fù)載調(diào)整率由以下式(9)表達(dá)?！鱮at/r i m、由以下式(10)表達(dá)。(10)因此供電電路100的線路調(diào)整率由以下式(10)表達(dá)。A/(96T(g氣+ gmcD)4^g ^ZcC!r 在式(9)和(10)中，注意量D起到跨導(dǎo)放大因子的作用。為增大圖1的現(xiàn)有技 術(shù)電路中傳輸晶體管12的跨導(dǎo)，增大了傳輸晶體管12的尺寸。在第一種近似中， 跨導(dǎo)與晶體管尺寸之間的關(guān)系在現(xiàn)有技術(shù)電路中是線性的。另一方面，在圖2的供電電路100中，量D起到放大第二傳輸晶體管M2的 跨導(dǎo)gm。的作用。供電電路100與圖1的現(xiàn)有技術(shù)電路相比具有優(yōu)越的負(fù)載調(diào)整率 和線路調(diào)整率特性，同時(shí)與圖1的現(xiàn)有技術(shù)供電電路的傳輸晶體管12所消耗的管 芯空間量相比還減小了傳輸晶體管M1和M2所消耗的管芯空間量。圖1的現(xiàn)有技 術(shù)電路中的晶體管12的寬/長為120,000，而供電電路100中的晶體管Ml和M2 的寬/長分別為20和20,000。對(duì)于低值的負(fù)載電流lL，跨導(dǎo)gmv'可以遠(yuǎn)高于跨導(dǎo)gnV，因?yàn)榫w管M3中 的電流很低。開環(huán)增益可能很高并且難以穩(wěn)定。由此，在供電電路100在向輸出端 子104供給少量負(fù)載電流的情況下，在某些實(shí)施例中，電流環(huán)路可被禁用。增大D 的另一種方法是與晶體管M3并行地添加一漏泄電流。此漏泄電流允許在低負(fù)載電 流情況下電流能在電流環(huán)路中流動(dòng)。過沖/下沖改進(jìn)過沖△ VOUT可由以下式(l l)表達(dá)。A歸7^，并+ ^A (11)Cp是第二傳輸晶體管M2的電容。I。p是運(yùn)算電流放大器115的偏置電流。gmp化 是第二傳輸晶體管M2在最大負(fù)載電流^下的跨導(dǎo)。CL是外部負(fù)載電容器105的 電容。R^是外部負(fù)載電容器105的寄生串聯(lián)電阻106。為了減小過沖，希望Cp很小并且R^很小。利用陶瓷電容器Cl的可重夏且 己知的R^r，就可能使用固有零點(diǎn)(l/2JiR^CL)來穩(wěn)定壓控環(huán)路。但是，過沖將會(huì)比利用具有接近于零的ReSr的鈦電容器來穩(wěn)定供電電路的情況更高。模擬結(jié)果顯示，壓控環(huán)路與流控環(huán)路的組合使得利用陶瓷和鈦兩種電容器成為可能。電源抑制比圖8是圖2的供電電路100的電源抑制比(PSRR)與頻率的關(guān)系的曲線圖。 曲線125和126界定在一定溫度范圍和加工變動(dòng)范圍內(nèi)的工作條件下供電電路100 的工作。曲線125和125指示在100 kHz上PSRR有約5 dB的變動(dòng)。在低于100 kHz 的頻率上，PSRR好于-65dB (PSRR是較大的負(fù)數(shù))。性能參數(shù)圖9是闡明圖2的供電電路100的數(shù)個(gè)性能參數(shù)的表。在第一行中，值IDDQ 是與由供電電路向負(fù)載供給的任何電流不相關(guān)的、供電電路100自身所消耗的電流 量。LPM值是在低功率模式下消耗的電流。HPM值是在高功率模式下消耗的電流。 LOAD值是向負(fù)載提供的全負(fù)載電流(在此情形中為例如300毫安)中被供電電路 自身消耗的百分比。在第二行中，LOAD REG值是負(fù)載調(diào)整率。此量是在由供電電路供給的電流 從其最小值(在此情形中為零毫安)增大到其最大額定值(在此情形中為300毫安) 時(shí)輸出電壓下降了多少的指示。該百分比值是輸出電壓降落的幅值相對(duì)于4.0伏的 全輸出電壓值的度量。在第三行中，LINE REG值是線路調(diào)整率。此量是如果使電池電壓VBAT自 4.0伏下降輸出電壓如何下降的指示。在第四行中，闡明了零Hz的輸入變動(dòng)下的電源抑制比(PSRR)。在第六行中，闡明了在lOOkHz的輸入變動(dòng)下的PSRR。在第七行中，DC誤差值是在溫度和加工變動(dòng)上，不同供電電路100單元的輸 出電壓與所需的2.6伏輸出有多近的指示。在第八行中，DROPOUT值是指示電池電壓VBAT必須比所需輸出電壓(在 此情形中為2.6伏)高多少的值。如果VBAT下降到小于所需輸出電壓加DROPOUT 值的值，則在供電電路輸出端子104上將不能維持所需的輸出電壓(例如，2.6伏)。在第九行中，闡明了組合的傳輸晶體管的寬長比。第二傳輸晶體管M2約為 第一傳輸晶體管M1的1000倍大。因此該比值是第二傳輸晶體管M2的比值。第 一傳輸晶體管Ml被忽略。第二傳輸晶體管M2約為14毫米寬乘0.7微米長，并且 寬Z長約為20,000。第一傳輸晶體管Ml的寬/長約為20。盡管以上為教導(dǎo)目的描述了某些特定實(shí)施例，但是本發(fā)明并不被限定于此。 此供電電路可用于向電路供電，或在再充電期間向可再充電電池供電。由此，可實(shí) 踐所描述的特定實(shí)施例的各種特征的不同修改、調(diào)適以及組合而不會(huì)偏離如在所附 權(quán)利要求書中參數(shù)的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1. 一種供電電路，包括 輸出節(jié)點(diǎn)； 第一傳輸晶體管；壓控環(huán)路，用于控制所述第一傳輸晶體管以使所述第一傳輸晶體管向所述輸 出節(jié)點(diǎn)提供第一電流，其中一控制電流在所述壓控環(huán)路的一部分中流動(dòng)； 第二傳輸晶體管；流控環(huán)路，用于生成第二電流，所述第二電流的幅值與在所述壓控環(huán)路中流 動(dòng)的所述控制電流的幅值成比例，所述第二電流是由所述第二傳輸晶體管向所述輸 出節(jié)點(diǎn)提供的。
2. 如權(quán)利要求l所述的供電電路，其特征在于，所述壓控環(huán)路控制所述第一 傳輸晶體管以使預(yù)定輸出電壓呈現(xiàn)在所述輸出節(jié)點(diǎn)上，其中所述第一電流和所述第——二電流--起是負(fù)載電流，并且其中當(dāng)所述負(fù)載電流低于約一毫安時(shí)所述第二電流的 幅值、所述控制電流的幅值不成比例。
3. 如權(quán)利要求1所述的供電電路，其特征在于，所述壓控環(huán)路包括 分壓器，用于從所述輸出節(jié)點(diǎn)接收所述預(yù)定輸出電壓，并將一感測(cè)電壓輸出到一分壓器節(jié)點(diǎn)上；電壓基準(zhǔn)，用于將基準(zhǔn)電壓輸出到一基準(zhǔn)電壓節(jié)點(diǎn)上；具有第一輸入引線、第二輸入引線和一輸出引線的差分放大器，所述第一輸 入引線被耦合到所述分壓器節(jié)點(diǎn)，所述第二輸入引線被耦合到所述基準(zhǔn)電壓節(jié)點(diǎn)； 以及具有控制端子的晶體管，所述控制端子被耦合到所述差分放大器的輸出引線， 其中所述控制電流是流過所述晶體管的電流。
4. 如權(quán)利要求1所述的供電電路，其特征在于，所述流控環(huán)路包括 第一電流鏡像晶體管，用于鏡像在所述壓控環(huán)路中流動(dòng)的控制電流以使得第一鏡像電流流過所述第一 電流鏡像晶體管；第二電流鏡像晶體管，用于鏡像所述第二電流以使得與所述第二電流成比例 的第二鏡像電流流過所述第二電流鏡像晶體管，所述第二電流鏡像晶體管具有一控 制端子，所述控制端子被耦合到所述第二晶體管的控制端子；以及 控制電路系統(tǒng)，用于控制所述第二電流鏡像晶體管的控制端子上和戶萬述第二 晶體管的控制端子上的電壓以使得流過所述第二電流鏡像晶體管的所述第二鏡像 電流基本等于流過所述第一電流鏡像晶體管的所述第一鏡像電流。
5，如權(quán)利要求4所述的供電電路，其特征在于，所述控制電路系統(tǒng)包括運(yùn)算電流放大器(OCA)，所述運(yùn)算電流放大器具有輸入引線，并且其中所述第一電 流鏡像晶體管具有一漏極端子，所述漏極端子被耦合到所述運(yùn)算電流放大器的輸入 引線和所述第二電流鏡像晶體管的漏極。
6. 如權(quán)利要求l所述的供電電路，其特征在于，所述第一和第二傳$俞晶體管 兩者均被設(shè)置在一集成電路上，所述第一傳輸晶體管占據(jù)第一管芯空間量，所述第 二傳輸晶體管占據(jù)第二管芯空間量，所述第二管芯空間量至少比所述第一管芯空間 量大500倍。
7. 如權(quán)利要求l所述的供電電路，其特征在于，所述供電電路可在第一模式 和第二模式下工作，其中所述流控環(huán)路在所述第一模式下被啟用以使所述第二電流 由所述第二傳輸晶體管提供給所述輸出節(jié)點(diǎn)，并且其中所述流控環(huán)路在所述第二模 式下被禁用以使所述第二傳輸晶體管基本不向所述輸出節(jié)點(diǎn)提供電流。
8. 如權(quán)利要求l所述的供電電路，其特征在于，所述壓控環(huán)路控制所述第一 傳輸晶體管以使所述供電電路從所述輸出節(jié)點(diǎn)供給至少300安培，所述供電電路從-電源接收電源電壓，所述供電電路在所述電源電壓在0 Hz到100 kHz整個(gè)范圍 上的頻率變動(dòng)下有好于-60dB的電源抑制比(PSRR)。
9. 如權(quán)利要求l所述的供電電路，其特征在于，所述供電電路從所述輸出節(jié) 點(diǎn)提供電流，所述電流流入一 電池并對(duì)所述電池進(jìn)行充電。
10. 如權(quán)利要求1所述的供電電路，其特征在于，所述供電電路被集成到第 一集成電路管芯上，其中所述供電電路從所述輸出節(jié)點(diǎn)提供電流，所述電^E流入第 二集成電路管芯中，所述第一集成電路管芯和所述第二集成電路管芯是蜂窩電話的 一部分。
11. 一種方法，包括將第一電流從電壓饋送端子通過第一晶體管引導(dǎo)到一輸出端子； 使用第一控制環(huán)路來控制所述第一晶體管以使所述輸出端子上的電壓被穩(wěn)定 到預(yù)定輸出電壓；將第二電流從所述電壓饋送端子通過第二晶體管引導(dǎo)到所述輸出端子；以及 使用第二控制環(huán)路來控制所述第二晶體管以使所述第二電流是所述第一電流的高倍。
12. 如權(quán)利要求ll所述的方法，其特征在于，所述高倍是至少500倍，其中 一電源電壓呈現(xiàn)在所述電壓饋送端子上，并且其中所述高倍在所述電源電壓在OHz 到100 kHz整個(gè)頻率范圍上的變動(dòng)下保持基本恒定。
13. 如權(quán)利要求ll所述的方法，其特征在于，所述電壓饋送端子被耦合到電池。
14. 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述輸出端子被耦合到可再充 電電池。
15. 如權(quán)利要求ll所述的方法，其特征在于，所述第一晶體管、第一控制環(huán) 路、第二晶體管、第二控制環(huán)路、電壓饋送端子以及輸出端子是一供電電路的一部 分，并且其中所述供電電路通過所述電壓饋送端子向一集成電路提供電流。
16. 如權(quán)利要求ll所述的方法，其特征在于，所述第一晶體管、第一控制環(huán) 路、第二晶體管、第二控制環(huán)路、電壓饋送端子以及輸出端子是一供電電路的一部 分，所述供電電路被集成到第一集成電路上，并且其中所述供電電路從其輸出端子 向第二集成電路提供電流，所述第一和第二集成電路是蜂窩電話的一部分。
17. 如權(quán)利要求ll所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括 禁用所述第二控制環(huán)路以使所述第二電流基本為零，并使所述第一控制環(huán)路繼續(xù)將所述輸出端子上的電壓穩(wěn)定到所述預(yù)定輸出電壓。
18. 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一晶體管、第一控制環(huán) 路、第二晶體管、第二控制環(huán)路、電壓饋送端子以及輸出端子是一供電電路的一部 分，所述供電電路由呈現(xiàn)在所述電壓饋送端子上的電源電壓供電，所述供電電路在 所述電源電壓在從0 Hz到100 kHz的整個(gè)頻率范圍上的變動(dòng)下有好于-60犯的電 源抑制比(PSRR)。
19. 如權(quán)利要求ll所述的方法，其特征在于，所述第二晶體管是所述第一晶 體管的至少500倍大。
20. —種供電電路，包括電壓饋送端子，電源電壓呈現(xiàn)在所述電壓饋送端子上；輸出節(jié)點(diǎn)；晶體管；壓控環(huán)路，用于控制所述晶體管以使所述晶體管將第一電流從所述電壓饋送 端子引導(dǎo)到所述輸出節(jié)點(diǎn)，其中一控制電流在所述壓控環(huán)路的一部分中流動(dòng)；以及 用于將第二電流從所述電壓饋送端子引導(dǎo)到所述輸出端子的裝置，所述第二電流的幅值在所述第一電流增大的情況下增大，并且在所述第一電流增大的情況下 減小，所述裝置控制所述第二電流以使所述供電電路在所述電源電壓在從O Hz到 100 kHz的整個(gè)范圍上的變動(dòng)下有好于-60 dB的電源抑制比(PSRR)，其中至少 所述晶體管和所述裝置被集成到一集成電路上。
21. 如權(quán)利要求20所述的供電電路，其特征在于，所述裝置包括一運(yùn)算電流 放大器(OCA)。
22. 如權(quán)利要求20所述的供電電路，其特征在于，所述第二電流對(duì)應(yīng)于所述 第一電流成比例地變化，并且其中所述第二電流是所述第一電流的至少500倍大。
23. 如權(quán)利要求20所述的供電電路，其特征在于，所述供電電路可在第一模 式和第二模式下工作，并且其中在所述第二模式下所述裝置被禁用以使所述第二電 流基本為零，在所述第二模式下由所述壓控環(huán)路穩(wěn)定所述第一電流以使預(yù)定輸出電 壓呈現(xiàn)在所述輸出節(jié)點(diǎn)上。
全文摘要
一種供電電路，包括將電流從電壓饋送端子引導(dǎo)到輸出端子的兩個(gè)傳輸晶體管。其中一個(gè)晶體管較小而另一個(gè)較大。通過該較小晶體管的電流由壓控環(huán)路控制以使得輸出端子上的電壓被穩(wěn)定到預(yù)定電壓。通過該較大晶體管的電流由高增益流控環(huán)路控制以使得流過該較大晶體管的電流是流過該較小傳輸晶體管的電流的數(shù)倍。通過減小該較小晶體管中的電流，該供電電路在最高達(dá)100kHz頻率上的電源抑制比(PSRR)得以改善。這兩個(gè)傳輸晶體管所占據(jù)的管芯空間與相似性能的常規(guī)供電電路中傳輸晶體管管芯空間的量相比有所減小。
文檔編號(hào)G05F1/10GK101147111SQ200680009055
公開日2008年3月19日 申請(qǐng)日期2006年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月17日
發(fā)明者J·班布瑞克 申請(qǐng)人:高通股份有限公司