帶有浮動電壓參考的低壓降穩(wěn)壓器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及帶有浮動電壓參考的低壓降穩(wěn)壓器。穩(wěn)壓器的一個實施例包括導(dǎo)通器件、反饋電路、以及運算放大器。所述運算放大器的第一電流傳導(dǎo)端子耦合于輸入電壓節(jié)點，并且所述運算放大器的第二電流傳導(dǎo)端子耦合于調(diào)節(jié)的電壓節(jié)點。所述反饋電路耦合于所述穩(wěn)壓節(jié)點和所述反饋節(jié)點之間，并且所述反饋電路是浮動的參考電壓，其被配置以產(chǎn)生反饋信號。所述運算放大器有耦合于反饋節(jié)點的輸入，和耦合于所述導(dǎo)通器件控制端子的輸出。所述運算放大器基于源自所述反饋節(jié)點的所述反饋信號給所述控制端子提供了信號。所述控制信號引起通過所述導(dǎo)通器件的電流發(fā)生變化以將穩(wěn)壓節(jié)點處的電壓保持在目標(biāo)穩(wěn)壓。
【專利說明】帶有浮動電壓參考的低壓降穩(wěn)壓器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明所描述的主題實施例通常涉及穩(wěn)壓器，更具體的說涉及低壓降(LD0)穩(wěn)壓器。
【背景技術(shù)】
[0002]穩(wěn)壓器通常被用于將未調(diào)節(jié)的(例如，潛在的可變和有噪音)輸入電壓轉(zhuǎn)換成調(diào)節(jié)的(例如，相對穩(wěn)定和無噪音)輸出電壓。低壓降(LD0)穩(wěn)壓器是一種特定類型的線性穩(wěn)壓器，當(dāng)需要最小化穩(wěn)壓器的輸入和輸出端子之間的電壓降(例如，為了低至幾百毫伏或更低)的時候被使用。例如，典型的LD0穩(wěn)壓器包括導(dǎo)通晶體管，導(dǎo)通晶體管具有分別耦合于未調(diào)節(jié)的輸入電壓端子和調(diào)節(jié)的輸出電壓端子的第一和第二載流端子。穿過穩(wěn)壓器的輸出端子(或“調(diào)節(jié)的”電壓)的電壓和參考電壓(基于輸入電壓被產(chǎn)生)之間的差異被用于控制導(dǎo)通晶體管(即，通過導(dǎo)通晶體管的控制端子)以保持所需的穩(wěn)壓。在這種反饋環(huán)路(稱為“環(huán)路增益”)中的更高增益提高了輸出穩(wěn)壓精度，但使保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性更加困難。
[0003]穿過LD0穩(wěn)壓器的輸出端子耦合的負(fù)載例如可以被表征為可變負(fù)載電阻和可變負(fù)載電容的并聯(lián)組合，其中負(fù)載電容有與其相關(guān)聯(lián)的可變有效串聯(lián)電阻(ESR)。負(fù)載的電阻、電容和ESR的變化可能起因于，例如，溫度波動、組件變化、負(fù)載配置變化等等的任意組
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[0004]LD0穩(wěn)壓器在面對重大的負(fù)載變化時能夠迅速地調(diào)整其輸出電流(通過提供給導(dǎo)通晶體管的信號調(diào)制)以保持所需的穩(wěn)壓。然而，典型的LD0穩(wěn)壓器的高開環(huán)回路輸出阻抗使得穩(wěn)壓器的頻率穩(wěn)定性特別容易受到這種負(fù)載變化的影響，并且沒有適當(dāng)補償，負(fù)載變化可能不利地影響穩(wěn)壓器的頻率穩(wěn)定性。在現(xiàn)代化電路中，典型的LD0穩(wěn)壓器可能有多個極點和零點，并且對在這樣的LD0穩(wěn)壓器中的反饋環(huán)路進行補償會是非常困難的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0005]結(jié)合下列附圖并參閱詳細(xì)說明書以及權(quán)利要求對本發(fā)明主題會有一個比較完整的理解，其中在附圖中類似的參考符號表示相同的組件。
[0006]圖1根據(jù)一個例子實施例，是穩(wěn)壓器電路的簡化方框圖；
[0007]圖2根據(jù)一個例子實施例，是穩(wěn)壓器電路的示意圖；
[0008]圖3是穩(wěn)壓器電路的一個實施例的DC響應(yīng)的圖；以及
[0009]圖4是穩(wěn)壓器電路的一個實施例的瞬態(tài)響應(yīng)的圖。
【具體實施方式】
[0010]以下詳細(xì)說明在本質(zhì)上僅僅是說明性的，并且不旨在限定本主題或應(yīng)用程序的實施例以及對這種實施例的使用。正如本發(fā)明所使用的，詞語“示例”指“充當(dāng)一個例子、實例或說明”。在本發(fā)明中被描述為示例的任何實施方式不一定被理解為優(yōu)選于或優(yōu)于其它實施方式。此外，不旨在被先前的【技術(shù)領(lǐng)域】、【背景技術(shù)】、或以下詳細(xì)說明中的任何明示或暗示的理論所限定。
[0011]低壓降(LD0)穩(wěn)壓器的實施例包括穩(wěn)壓器，其中整體環(huán)路增益被降低(當(dāng)與傳統(tǒng)的LD0穩(wěn)壓器進行比較的時候)以提高LD0穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性。實施例可以特別適合于需要相對簡單的、穩(wěn)定的不需要高度精確的LD0穩(wěn)壓器，并且因此可能有相對較低的環(huán)路增益的應(yīng)用程序。根據(jù)一個實施例，LD0穩(wěn)壓器例如可以被用作預(yù)穩(wěn)壓器(pre-regulator)，雖然也可以被用于其它目的。
[0012]圖1根據(jù)例子實施例，是穩(wěn)壓器100的簡化方框圖。根據(jù)一個實施例，穩(wěn)壓器100包括輸入電壓端子110、輸出電壓端子120、偏置電流源130、運算放大器140 (“opamp”)、導(dǎo)通器件160以及反饋電路170。圖1和圖2顯示了耦合于系統(tǒng)的地面(ground)參考的各種組件和節(jié)點。然而，這并不是被限定。根據(jù)本發(fā)明的描述，本領(lǐng)域所屬技術(shù)人員將了解各種組件和節(jié)點或者可以耦合于有高于或低于系統(tǒng)的地面參考電壓的參考。因此，雖然附圖和描述指地面參考(或“地面”)，參考并不意味著被限定。
[0013]輸入電壓端子110 f禹合于電壓源112 (例如，電池)和輸入電壓節(jié)點114之間，以及輸出電壓端子120稱合于穩(wěn)壓節(jié)點122和負(fù)載124之間。導(dǎo)通器件160有分別稱合于輸入電壓節(jié)點114和穩(wěn)壓節(jié)點122的第一和第二電流傳導(dǎo)端子(例如，分別是源極和漏極)。在導(dǎo)通器件160的電流傳導(dǎo)端子之間的電流根據(jù)運算放大器140提供到導(dǎo)通器件160的控制端子(例如，柵極)的控制信號被調(diào)制。根據(jù)一個實施例，導(dǎo)通器件160包括P型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(PM0SFET)，雖然導(dǎo)通器件的其它類型(或多組分電路)替代地可以被使用。例如，導(dǎo)通器件160可以包括N型M0SFET、雙極結(jié)型晶體管(BJT )、或有可以被調(diào)制的電流的其它類型的電路或器件。理想的是，導(dǎo)通器件160在其輸入和輸出端子(即其載流端子)之間有很小的電壓降，以便在某些操作模式期間，輸出端子處的電壓可以任意地接近于輸入端子處的電壓(例如，當(dāng)導(dǎo)通器件160在其線性區(qū)域內(nèi)操作的時候，調(diào)節(jié)的節(jié)點122處的電壓可以大約等于輸入電壓節(jié)點114處的電壓)。
[0014]偏置電流源130耦合于輸入電壓節(jié)點114和運算放大器140的偏置節(jié)點之間，以及偏置電流源130被配置以給運算放大器140提供偏置電流，正如結(jié)合圖2將要更詳細(xì)進行說明的。
[0015]運算放大器140有外部輸入(例如，反相輸入)、參考節(jié)點(例如，對應(yīng)于非反相輸入)、以及輸出。該外部輸入通過反饋節(jié)點154耦合于反饋電路170。根據(jù)一個實施例，運算放大器140內(nèi)部地在參考節(jié)點處生成小偏移電壓，這是通過在運算放大器140的非反相輸入141顯示導(dǎo)電回路在圖1中被表示的。換句話說，運算放大器140內(nèi)部地在參考節(jié)點處生成參考電壓(例如，在非反相輸入141)，其中參考電壓在地面處或是高于地面的小電壓(即，非反相輸入141在地面處或是在高于地面的小電壓上被內(nèi)部偏置)。運算放大器140的輸出耦合于導(dǎo)通器件160的控制端子。根據(jù)一個實施例，運算放大器140被配置以放大外部輸入和參考節(jié)點之間的電壓差值，以給導(dǎo)通器件160提供運算放大器輸出處的控制信號。該控制信號控制了導(dǎo)通器件160的電流傳導(dǎo)端子之間的電流。更具體地說，該控制信號調(diào)制了通過導(dǎo)通器件160的電流以便穩(wěn)壓節(jié)點122處的電壓被保持在目標(biāo)穩(wěn)壓。
[0016]反饋電路170耦合于穩(wěn)壓節(jié)點122和反饋節(jié)點154之間。反饋電路170被配置以提供用于調(diào)節(jié)(通過放大器140和導(dǎo)通器件160)穩(wěn)定節(jié)點122處的輸出電壓的反饋。反饋電路170可以被表征為“浮動電壓參考，”因為反饋電路170在反饋節(jié)點154處產(chǎn)生的電壓沒有參考至地面，而是可以被表征為參考節(jié)點170處的電壓減去參考電壓值。根據(jù)一個實施例，反饋電路170包括二極管(例如，圖2的齊納二極管272)，該二極管的陽極耦合于反饋節(jié)點154并且陰極耦合于穩(wěn)壓節(jié)點122。在其它實施例中，反饋電路170可以包括多個串聯(lián)耦合的二極管(例如，多個齊納二極管)，其中“串聯(lián)耦合”指串聯(lián)的每個二極管的陽極耦合于串聯(lián)的下一個二極管的陰極。在一個包括多個串聯(lián)耦合的二極管的實施例中，串聯(lián)的“陽極”指耦合于反饋節(jié)點154的二極管的陽極(串聯(lián)的)，并且串聯(lián)的“陰極”指耦合于穩(wěn)壓節(jié)點122的二極管的陰極(串聯(lián)的)。在其它實施例中，反饋電路170可以包括能夠起到適當(dāng)浮動電壓參考作用的其它電路。
[0017]穩(wěn)壓節(jié)點122處的調(diào)節(jié)的輸出電壓由反饋電路170和運算放大器140的非反相輸入141的偏移電壓設(shè)置。換句話說，在一個實施例中，穩(wěn)壓節(jié)點122處的調(diào)節(jié)的輸出電壓由浮動電壓參考設(shè)置。雖然本發(fā)明的描述，特別是參照圖2，將反饋電路170描述為基本上是由一個齊納二極管組成的，基于本發(fā)明的描述，本領(lǐng)域所屬技術(shù)人員將了解反饋電路170可以包括多個齊納二極管(例如，串聯(lián)或其它配置)，一個或更多個其它類型的二極管(例如，發(fā)光二極管或其它二極管)，和/或提供了本發(fā)明描述的反饋電路170的功能的其它電路。
[0018]圖2根據(jù)一個例子實施例,是穩(wěn)壓器電路200的一個不意圖。根據(jù)一個實施例，穩(wěn)壓器200包括輸入電壓端子210、輸出電壓端子220、偏置電流源230、運算放大器240、導(dǎo)通器件260、以及反饋電路270。在描述了實施例和穩(wěn)壓器電路200的各個組件之間的互連之后，穩(wěn)壓器電路200的操作的詳細(xì)描述將被討論。
[0019]輸入電壓端子210耦合于電壓源212 (例如，電池)和輸入電壓節(jié)點214之間，以及輸出電壓端子220耦合于穩(wěn)壓節(jié)點222和負(fù)載224之間。導(dǎo)通器件260有分別耦合于輸入電壓節(jié)點214和穩(wěn)壓節(jié)點222的第一和第二電流傳導(dǎo)端子(例如，分別是源極和漏極)。導(dǎo)通器件260的電流傳導(dǎo)端子之間的電流基于運算放大器240提供到導(dǎo)通器件260的控制端子(例如，柵極)的控制信號被調(diào)制。根據(jù)一個實施例，導(dǎo)通器件260包括PM0SFET。因此，當(dāng)柵極-源極電壓低于導(dǎo)通器件260的閾值電壓的時候(即當(dāng)導(dǎo)通器件260在其線性區(qū)域內(nèi)操作的時候)，穿過導(dǎo)通器件260的電流大小通常負(fù)相關(guān)于控制信號的電壓。在其它實施例中，其它類型的導(dǎo)通器件(或多組分電路)可以被使用。
[0020]偏置電流源230耦合于輸入電壓節(jié)點214和運算放大器240的偏置輸入238之間。根據(jù)一個實施例，偏置電流源230被配置以給運算放大器240提供偏置電流以影響運算放大器240的操作，正如后面將要更詳細(xì)描述的。更具體地說，偏置電流源230偏置了運算放大器240內(nèi)本質(zhì)上起到了運算放大器240內(nèi)的電流源作用的特定晶體管(即晶體管242、243)。在一個實施例中，偏置電流源230包括串聯(lián)耦合于輸入電壓節(jié)點214和地面之間的第一晶體管234和電阻器236。例如，第一晶體管234可以是PM0SFET，該PM0SFET有耦合于輸入電壓節(jié)點214的第一電流傳導(dǎo)端子(例如，源極)和耦合于電阻器236的第一端子和運算放大器240的偏置輸入238的第二電流傳導(dǎo)端子(例如，漏極)。第一晶體管234的控制端子耦合于其第二電流傳導(dǎo)端子、偏置輸入238以及電阻器236的第一端子。電阻器236的第二端子耦合于地面。
[0021]根據(jù)一個實施例，運算放大器240包括偏置輸入238、外部輸入256、(例如，反相輸入)、參考節(jié)點257 (例如，對應(yīng)于非反相輸入的內(nèi)部節(jié)點)、輸出258、以及多個晶體管242-247。正如先前所討論的，偏置輸入238耦合于偏置電流源230。外部輸入256通過反饋節(jié)點254耦合于反饋電路270。根據(jù)一個實施例，運算放大器240內(nèi)部地在參考節(jié)點257處生成小偏置電壓，其中參考電壓在地面處或是高于地面的小電壓。運算放大器240的輸出258耦合于導(dǎo)通器件260 (例如，晶體管262)的控制端子(例如，柵極)。正如下面將要更詳細(xì)描述的，運算放大器240基于源自反饋電路270的反饋信號被配置以給導(dǎo)通器件260提供控制信號?？刂菩盘柶鸬秸{(diào)制導(dǎo)通器件260的電流傳導(dǎo)端子之間的電流的作用，從而控制信號起到控制穩(wěn)壓節(jié)點222處存在的穩(wěn)壓的作用。
[0022]根據(jù)一個實施例，運算放大器240的多個晶體管包括第二晶體管242、第三晶體管243、第四晶體管244、第五晶體管245、第六晶體管246、以及第七晶體管247。在一個實施例中，雖然不同類型的晶體管或晶體管組合在其它實施例中可以被使用，第二和第三晶體管242、243是PM0SFET，以及第四、第五、第六、以及第七晶體管244-247是NM0SFET。第二晶體管242包括:耦合于輸入電壓節(jié)點214的第一電流傳導(dǎo)端子(例如，源極)；耦合于運算放大器240的輸出258和第四晶體管244的電流傳導(dǎo)端子的第二電流傳導(dǎo)端子(例如，漏極)；以及耦合于偏置電流源230 (通過偏置輸入238)和第三晶體管243的控制端子的控制端子(例如，柵極)。第三晶體管243包括:耦合于輸入電壓節(jié)點214的第一電流傳導(dǎo)端子(例如，源極);耦合于第五晶體管245的電流傳導(dǎo)和控制端子的第二電流傳導(dǎo)端子(例如，漏極);以及耦合于偏置電流源230 (通過偏置輸入238)和第二晶體管242的控制端子的控制端子(例如，柵極)。第四晶體管244包括:耦合于第二晶體管242的第二電流傳導(dǎo)端子的第一電流傳導(dǎo)端子(例如，漏極)；耦合于運算放大器240的外部輸入256 (從而耦合于反饋節(jié)點254)和第七晶體管247的一個電流傳導(dǎo)端子的第二電流傳導(dǎo)端子(例如，源極)；以及耦合于第五晶體管245的電流傳導(dǎo)和控制端子的控制端子(例如，柵極)。第五晶體管245包括:耦合于第三晶體管243的第二電流傳導(dǎo)端子的第一電流傳導(dǎo)端子(例如，漏極)；耦合于參考節(jié)點257、第六晶體管246的一個電流傳導(dǎo)端子以及第六和第七晶體管246、247的控制端子的電流傳導(dǎo)端子(例如，源極);以及耦合于第四晶體管244的控制端子和其自身第一電流傳導(dǎo)端子(即第五晶體管的柵極和漏極耦合在一起)的控制端子(例如，柵極)。第六晶體管246包括:稱合于參考節(jié)點257和第五晶體管245的第二電流傳導(dǎo)端子的第一電流傳導(dǎo)端子(例如，漏極);耦合于地面的第二電流傳導(dǎo)端子(例如，源極)；以及耦合于第七晶體管247的控制端子和其自身的第一電流傳導(dǎo)端子(即，第六晶體管246的柵極和漏極耦合在一起)的控制端子(例如，柵極)。第七晶體管247包括:耦合于第四晶體管244的第二電流傳導(dǎo)端子和運算放大器240的外部輸入256 (因而到反饋節(jié)點254)的第一電流傳導(dǎo)端子(例如，漏極)；耦合于地面的第二電流傳導(dǎo)端子(例如，源極)；以及耦合于第六晶體管246的電流傳導(dǎo)和控制端子的控制端子(例如，柵極)。
[0023]在一個實施例中，當(dāng)被適當(dāng)偏置的時候，第二和第三晶體管242、243相匹配以生成一個相同的電流。此外，第四和第五晶體管244、245可以相匹配以不生成不需要的偏移。同樣地，第六和第七晶體管246、247可以相匹配以不生成不需要的偏移。在替代實施例中，上述晶體管對可能無法匹配。例如，在一個特定替代實施例中，第六和第七晶體管246、247可以故意地不匹配以產(chǎn)生穿過它們的偏移電壓(例如，第六晶體管246可以略小于第七晶體管247)。不匹配可以被執(zhí)行以在外部輸入256和參考節(jié)點257之間產(chǎn)生輕微偏移電壓，同時還確保運算放大器240平衡。[0024]反饋電路270耦合于穩(wěn)壓節(jié)點222和反饋節(jié)點254 (以及從而耦合到運算放大器240的外部輸入256)。根據(jù)一個實施例，反饋電路270包括至少一個二極管272 (例如，齊納二極管)，該二極管有耦合于反饋節(jié)點254的第一端子(例如，陽極)和耦合于穩(wěn)壓節(jié)點222的第二端子(例如，陰極)。正如上面提到的，反饋電路270給運算放大器240提供了反饋，使得運算放大器240能夠(通過控制到導(dǎo)通器件260的輸入)調(diào)節(jié)節(jié)點222處的輸出電壓。正如從下面的描述中可以明顯看到的，反饋節(jié)點254在操作期間表示了一個低電壓、低阻抗節(jié)點。
[0025]根據(jù)一個實施例，穩(wěn)壓節(jié)點222和輸出電壓端子220處存在的調(diào)節(jié)的輸出電壓由反饋電路270 (例如，被齊納二極管272)設(shè)置。根據(jù)這樣一個實施例，當(dāng)穿過第一和第二端子的電壓達(dá)到或超過齊納二極管272的反向擊穿電壓的時候(在起到平衡運算放大器240的作用的非反相輸入257處加上小偏移電壓)，反饋電路270通常將在穩(wěn)壓節(jié)點222和反饋節(jié)點254之間傳導(dǎo)電流。在反向擊穿電壓處和高于反向擊穿電壓處，穩(wěn)壓器電路200可以被認(rèn)為是“處于調(diào)節(jié)中，”在穩(wěn)壓節(jié)點222處的電壓將被限定在大約近似于齊納二極管272的反向擊穿電壓。換句話說，穩(wěn)壓節(jié)點222處的目標(biāo)穩(wěn)壓由反饋電路270 (即，由齊納二極管272)設(shè)置。
[0026]根據(jù)一個實施例，反饋電路270包括單一齊納二極管272，以及穩(wěn)壓節(jié)點222處的目標(biāo)調(diào)節(jié)的輸出電壓大約等于齊納二極管272的反向擊穿電壓加上外部輸入256處的電壓，其可以相對小(例如，達(dá)約300毫伏上下)。在齊納二極管272有一個5.0伏的反向擊穿電壓的一個實施例中，例如，穩(wěn)壓節(jié)點222處的目標(biāo)穩(wěn)壓稍微高于5.0伏。在一個替代實施例中，反饋電路270可以包括有較低或較高反相擊穿電壓的單一二極管，和/或反饋電路270可以包括多個串聯(lián)耦合的二極管以提供一個穩(wěn)壓節(jié)點222處的大約等于串聯(lián)耦合的二極管的反向擊穿電壓的總和的目標(biāo)穩(wěn)壓。例如，在反饋電路270包括兩個串聯(lián)耦合的齊納二極管的一個替代實施例中，每一個有約5.0伏的反向擊穿電壓，節(jié)點222處的目標(biāo)穩(wěn)壓將大約等于10伏。
[0027]穩(wěn)壓電路200的操作現(xiàn)在將參考圖2和圖3被描述，這是穩(wěn)壓器(例如，圖1、2的穩(wěn)壓器100、200的一個實施例)的一個實施例的直流(DC)響應(yīng)的圖300。在圖3中，垂直軸表示到穩(wěn)壓電路200的輸入電壓(對于輸入電壓跡線302)或輸出電壓(對于穩(wěn)壓跡線304)，以及水平軸表示應(yīng)用于穩(wěn)壓器輸入210的輸入DC電壓。跡線302繪制了到穩(wěn)壓器(例如，圖2的輸入電壓端子210處)的輸入電壓，跡線304繪制了穩(wěn)壓器(例如，圖2的輸出電壓端子220處)的輸出電壓的DC值。參照圖2和圖3，穩(wěn)壓電路200有至少三個不同的操作區(qū)域，并且穩(wěn)壓電路200所在的區(qū)域主要取決于(例如，輸入電壓端子210處的)輸入電壓302的大小進行操作。例如，當(dāng)輸入電壓302低于第一輸入電壓閾值(例如，在圖3中大約小于
1.9伏)的時候，穩(wěn)壓電路200可以位于低輸出操作區(qū)域310，當(dāng)輸入電壓302位于第一輸入電壓閾值和較高的、調(diào)節(jié)觸發(fā)電壓閾值(例如，對包括反向擊穿電壓為5.0伏的齊納二極管272的反饋電路270，是5.0伏)之間的時候，可以位于一個線性操作區(qū)域312，以及當(dāng)輸入電壓302高于調(diào)節(jié)觸發(fā)電壓閾值(例如，對給定例子是大約高于5.0伏)的時候，可以位于一個調(diào)節(jié)的操作區(qū)域314。當(dāng)輸入電壓302低于調(diào)節(jié)觸發(fā)電壓閾值的時候，輸出電壓不被認(rèn)為是“處于調(diào)節(jié)中”，并且當(dāng)輸入電壓302高于調(diào)節(jié)觸發(fā)電壓閾值的時候，輸出電壓被認(rèn)為是“處于調(diào)節(jié)中”。[0028]低輸出、線性以及調(diào)節(jié)的操作區(qū)域310、312、314內(nèi)的穩(wěn)壓器電路200的操作現(xiàn)在將被描述。在低輸出操作區(qū)域310 (例如，當(dāng)圖3中的輸入電壓節(jié)點214處的電壓低于大約1.9伏的時候)中，運算放大器240不能控制導(dǎo)通晶體管262為“開啟”，因此在其電流傳導(dǎo)端子之間有很少電流經(jīng)過或沒有電流經(jīng)過(例如，沒有足夠的電壓施加于輸入210以使得使運算放大器240能夠開啟導(dǎo)通晶體管262，導(dǎo)致了導(dǎo)通晶體管262不能傳導(dǎo)有效電流(significant current))。
[0029]在線性操作區(qū)域312(例如，當(dāng)圖3中的輸入電壓節(jié)點214處的電壓位于約1.9伏和5.0伏之間的時候)中，運算放大器240控制導(dǎo)通晶體管262為完全“開啟”，并且導(dǎo)通晶體管262導(dǎo)通足夠的電流以保持節(jié)點222處的輸出電壓接近于節(jié)點210上的輸入電壓。穩(wěn)壓節(jié)點222處產(chǎn)生的電壓不足以導(dǎo)致齊納二極管272傳導(dǎo)有效電流(S卩，齊納二極管272為“關(guān)閉”)。
[0030]在調(diào)節(jié)的操作區(qū)域314 (例如，當(dāng)圖3中的輸入電壓節(jié)點214處的電壓高于約5.0伏的時候)中，運算放大器240繼續(xù)控制導(dǎo)通晶體管262為“開啟”。然而，基于源自反饋電路270的反饋，運算放大器調(diào)制了節(jié)點258處到控制導(dǎo)通器件262的輸出電壓值以確保穩(wěn)壓節(jié)點222處的電壓被保持在目標(biāo)穩(wěn)壓(例如，大約是齊納二極管272的反向擊穿電壓加上外部輸入256處的相對小的電壓)。更具體地說，當(dāng)輸入電壓節(jié)點214處的電壓轉(zhuǎn)換到高于調(diào)節(jié)觸發(fā)閾值電壓時，穩(wěn)壓節(jié)點222處的電壓上升至高于齊納二極管272的反向擊穿電壓，導(dǎo)致了齊納二極管272傳導(dǎo)電流(S卩，齊納二極管272為“開啟”)。因此，反饋節(jié)點254和外部輸入256處的電壓增加，以及第四晶體管244開始傳導(dǎo)較小的電流。這反過來導(dǎo)致輸出節(jié)點258處的電壓增加，并且因此導(dǎo)通晶體管262被控制以傳導(dǎo)較小的電流。穩(wěn)壓節(jié)點222處的電壓因此被保持在目標(biāo)穩(wěn)壓。如果輸入電壓節(jié)點214處的輸入電壓繼續(xù)上升，導(dǎo)通晶體管262被控制以傳導(dǎo)更小的電流以避免調(diào)節(jié)的輸出電壓進行上升。當(dāng)穩(wěn)壓節(jié)點222處的電壓圍繞目標(biāo)穩(wěn)壓發(fā)生變化時，運算放大器240調(diào)制其對導(dǎo)通器件262的控制以便在穩(wěn)壓節(jié)點222和輸出電壓節(jié)點220處保持目標(biāo)穩(wěn)壓。
[0031]圖4是穩(wěn)壓器電路的一個實施例(例如，圖1、圖2的穩(wěn)壓器100、200的一個實施例)的瞬態(tài)(時間)響應(yīng)的圖400。在圖4中，垂直軸表示到穩(wěn)壓電路200的輸入電壓(對于輸入電壓跡線402)或輸出電壓(對于穩(wěn)壓跡線404)，以及水平軸表示時間。跡線402繪制了到穩(wěn)壓器(例如，圖2的輸入電壓端子210處)的輸入電壓，以及跡線404繪制了穩(wěn)壓器(例如，圖2的輸出電壓端子220處)的調(diào)節(jié)的輸出電壓。在圖4中表示的時間周期期間，輸出電壓處于調(diào)節(jié)中。正如可以看到的，當(dāng)輸入電壓402突然從約7.0伏增加到約15.0伏的時候，調(diào)節(jié)的輸出電壓404只稍微提高并且穩(wěn)定。同樣地，當(dāng)輸入電壓突然從約15.0伏降低到約7.0伏的時候，調(diào)節(jié)的輸出電壓404只稍微下降并且再次穩(wěn)定。
[0032]返回參考圖2，正如先前提到的，目標(biāo)調(diào)節(jié)的輸出電壓(例如，在穩(wěn)壓節(jié)點222處)大約等于齊納二極管(例如，齊納二極管272)的反向擊穿電壓加上相對小的與運算放大器相關(guān)聯(lián)的電壓(例如，在外部輸入256到運算放大器240的電壓)。隨著輸入電壓的增加，與運算放大器相關(guān)聯(lián)的相對小的電壓可能稍微增加，正如調(diào)節(jié)的輸出電壓的跡線404表示的。更具體地說，調(diào)節(jié)的輸出電壓是由齊納二極管272的反向擊穿電壓加上外部輸入256平衡參考節(jié)點257所需的電壓而給定的。這個值是由參考節(jié)點257處的電壓設(shè)置的，該值等于晶體管246的柵極-源極電壓(Vgs)加上晶體管245和244之間的柵極-源極電壓差值。因此，在一個實施例中，調(diào)節(jié)的輸出電壓大約等于齊納二極管的反向擊穿電壓加上晶體管246的Vgs加上晶體管245的Vgs減去晶體管244的Vgs。由于參考電流或其漏極-源極電壓的變化，晶體管244的Vgs隨著輸入電壓的變化可能會稍微改變(例如，在100毫伏左右的范圍內(nèi))。因此，調(diào)節(jié)的輸出電壓也可能會稍微改變。然而，對于很多應(yīng)用程序，調(diào)節(jié)的輸出電壓中的相對微小的變化不是關(guān)心的問題。
[0033]本發(fā)明所討論的LD0穩(wěn)壓器的實施例(例如，圖1、2的LD0穩(wěn)壓器100、200)可以形成為單一集成電路的一部分(即，LD0穩(wěn)壓器是單片電路)。或者，一些組件可以是分立的(例如，導(dǎo)通器件262和/或齊納二極管272)。此外，本發(fā)明所討論的LD0穩(wěn)壓器的實施例可以被合并到更高級的系統(tǒng)以提供某些功能。例如，但不是作為限定的方式，LD0穩(wěn)壓器的一個實施例可以被用于偏置一個集成電路中的其它模擬電路(例如，由5.0伏電源運行的電路)。或者，LD0穩(wěn)壓器的一個實施例可以被用作到其它穩(wěn)壓器的前置電源(pre-supply)。LD0穩(wěn)壓器的實施例也可以被用于其它任何用途。
[0034]本發(fā)明所討論的LD0穩(wěn)壓器的實施例可以具有優(yōu)于傳統(tǒng)的LD0穩(wěn)壓器的若干優(yōu)點。例如，LD0穩(wěn)壓器實施例有相對低的環(huán)路增益，并且可能僅僅包括一個主導(dǎo)極(dominantpole)。更具體地說，例如，在一個實施例中(例如，輸出258是反饋環(huán)路中的唯一高阻抗點)，單一主導(dǎo)極(或運算放大器240的單一高阻抗節(jié)點)對應(yīng)于輸出258。因此，當(dāng)與傳統(tǒng)的LD0穩(wěn)壓器進行比較的時候，LD0穩(wěn)壓器實施例的穩(wěn)定可以相對容易被實現(xiàn)，并且負(fù)載響應(yīng)可以被改進。
[0035]穩(wěn)壓器的一個實施例包括被配置以接收輸入電壓的輸入電壓節(jié)點、被配置以傳送輸出電壓的穩(wěn)壓節(jié)點、被配置以傳送反饋信號的反饋節(jié)點、導(dǎo)通器件、反饋電路、以及運算放大器。所述導(dǎo)通器件有第一電流傳導(dǎo)端子、第二電流傳導(dǎo)端子、以及控制端子。所述第一電流傳導(dǎo)端子耦合于所述輸入電壓節(jié)點，以及所述第二電流傳導(dǎo)端子耦合于所述穩(wěn)壓節(jié)點。所述反饋電路耦合于所述穩(wěn)壓節(jié)點和所述反饋節(jié)點之間，并且所述反饋電路是被配置以產(chǎn)生所述反饋信號的浮動電壓參考。所述運算放大器有耦合于所述反饋節(jié)點的輸入，以及耦合于所述導(dǎo)通器件的所述控制端子的輸出。所述運算放大器被配置以基于源自所述反饋節(jié)點的反饋信號給所述控制端子提供信號。所述控制信號引起通過所述導(dǎo)通器件的電流發(fā)生變化以將穩(wěn)壓節(jié)點處的電壓保持在目標(biāo)穩(wěn)壓。
[0036]穩(wěn)壓器的另一個實施例包括被配置以接收輸入電壓的輸入電壓節(jié)點、被配置以傳送輸出電壓的穩(wěn)壓節(jié)點、被配置以傳送反饋信號的反饋節(jié)點、導(dǎo)通器件、反饋電路、以及運算放大器。所述導(dǎo)通器件有第一電流傳導(dǎo)端子、第二電流傳導(dǎo)端子、以及控制端子。所述第一電流傳導(dǎo)端子耦合于所述輸入電壓節(jié)點，以及所述第二電流傳導(dǎo)端子耦合于所述穩(wěn)壓節(jié)點。所述反饋電路耦合于所述穩(wěn)壓節(jié)點和所述反饋節(jié)點之間。所述反饋電路包括設(shè)置目標(biāo)穩(wěn)壓的二極管參考，并且所述反饋電路產(chǎn)生所述反饋信號。所述運算放大器有耦合于所述反饋節(jié)點的輸入，以及耦合于所述導(dǎo)通器件的所述控制端子的輸出。所述運算放大器被配置以基于源自所述反饋節(jié)點的反饋信號給所述控制端子提供信號。所述控制信號弓I起通過所述導(dǎo)通器件的電流發(fā)生變化以將穩(wěn)壓節(jié)點處的電壓保持在目標(biāo)穩(wěn)壓。
[0037]穩(wěn)壓器的另一個實施例包括作為導(dǎo)通器件(例如，PM0SFET262)的單通PM0SFET，其中齊納二極管參考(例如，齊納二極管272)到反饋環(huán)路的低電壓、低阻抗點(例如，齊納輸入206)以調(diào)節(jié)輸出電壓(例如，在調(diào)節(jié)的輸出電壓節(jié)點222處)。換句話說，調(diào)節(jié)的輸出電壓本質(zhì)上由齊納二極管參考設(shè)置。
[0038]在包含在本發(fā)明的各個附圖中所顯示的連接線旨在表示各種元件之間的示例功能關(guān)系和/或物理耦合。應(yīng)注意，很多替代或附加功能關(guān)系或物理連接可以在主題的一個實施例中被提出。此外，某些術(shù)語可以同樣在本發(fā)明中被使用，這只是為了參考的目的，從而不旨在限定，并且除非語境清楚地指示，術(shù)語“第一”、“第二”、以及關(guān)于結(jié)構(gòu)的其它數(shù)字不暗示一個序列或順序。
[0039]正如本發(fā)明所使用的，“節(jié)點”指任何內(nèi)部或外部參考點、連接點、結(jié)、信號線、導(dǎo)電元件、等等，其中給定信號、邏輯電平、電壓、數(shù)據(jù)模式、電流、或數(shù)量在所述參考點、連接點、結(jié)、信號線、導(dǎo)電元件上處存在。此外，兩個或更多個節(jié)點可以通過一個物理元件(并且雖然在一個共同節(jié)點上被接收或輸出，兩個或更多個信號可以被多路復(fù)用、調(diào)制、或以其它方式被區(qū)分)被實現(xiàn)。
[0040]上述描述指被“連接”或“耦合”在一起的元件或節(jié)點或特征。正如本發(fā)明所使用的，除非另有明確說明，“連接”指一個元件被直接接到(或直接互通)其它元件，并且不一定是機械地連接。同樣，除非另有明確說明，“耦合”指一個元件被直接或非直接連接到(直接或非直接互通)其它元件，并且不一定是機械地耦合。因此，雖然附圖中所顯示的示意圖描述了一個示例元件排列，附加中間元件、器件、特征、或組件可以在描述的主題的一個實施例中存在。
[0041]雖然至少一個示例實施例在上述詳細(xì)說明中已經(jīng)被提出了，應(yīng)認(rèn)識到還存在大量的變化。還應(yīng)認(rèn)識到示例實施例或本發(fā)明的實施例不旨在以任何方式限定范圍、適用性、或權(quán)利要求所述之發(fā)明主題的配置。當(dāng)然，上述詳細(xì)描述將給本領(lǐng)域所屬技術(shù)人員提供一條便捷的路線圖以用于實施本發(fā)明所描述的實施例。應(yīng)了解在不脫離權(quán)利要求所定義的范圍情況下，元件的功能和安排可以做各種變化，其中包括在提交本專利申請時侯的已知等同物以及可預(yù)見等同物。
【權(quán)利要求】
1.一種穩(wěn)壓器，包括:被配置以接收輸入電壓的輸入電壓節(jié)點；被配置以傳送輸出電壓的穩(wěn)壓節(jié)點；被配置以傳送反饋信號的反饋節(jié)點；導(dǎo)通器件，有第一電流傳導(dǎo)端子、第二電流傳導(dǎo)端子、以及控制端子，其中所述第一電流傳導(dǎo)端子耦合于所述輸入電壓節(jié)點，以及所述第二電流傳導(dǎo)端子耦合于所述穩(wěn)壓節(jié)點；反饋電路，耦合于所述穩(wěn)壓節(jié)點和所述反饋節(jié)點之間，其中所述反饋電路是被配置以產(chǎn)生所述反饋信號的浮動電壓參考；以及運算放大器，有耦合于所述反饋節(jié)點的輸入、以及耦合于所述導(dǎo)通器件的所述控制端子的輸出，其中所述運算放大器被配置以基于源自所述反饋節(jié)點的反饋信號給所述控制端子提供信號，并且其中所述控制信號引起通過所述導(dǎo)通器件的電流發(fā)生變化以將穩(wěn)壓節(jié)點處的電壓保持在目標(biāo)穩(wěn)壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的穩(wěn)壓器，其中所述導(dǎo)通器件包括P型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的穩(wěn)壓器，其中所述反饋電路包括一個或更多個齊納二極管，當(dāng)所述一個或更多個齊納二極管包括多個齊納二極管的時候所述齊納二極管串聯(lián)耦合，并且有耦合于所述穩(wěn)壓節(jié)點的陰極，以及耦合于所述反饋節(jié)點的陽極，并且其中所述目標(biāo)穩(wěn)壓大約等于所述一個或更多個齊納二極管的反向擊穿電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的穩(wěn)壓器，其中所述運算放大器有對應(yīng)于所述運算放大器的所述輸出的單一高阻抗節(jié)點。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的穩(wěn)壓器，其中所述運算放大器內(nèi)部地在對應(yīng)于所述運算放大器的非反相輸入的參考節(jié)點處生成參考電壓，其中所述參考電壓在地面處或是高于地面的小電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的穩(wěn)壓器，其中所述反饋電路包括多個串聯(lián)耦合的二極管，并且其中所述目標(biāo)穩(wěn)壓大約等于所述多個二極管的反向擊穿電壓的總和。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的穩(wěn)壓器，其中所述運算放大器包括:第一晶體管，有耦合于所述輸入電壓節(jié)點的源極、耦合于所述運算放大器的所述輸出的漏極、以及耦合于偏置電流源的柵極；第二晶體管，有耦合于所述輸入電壓節(jié)點的源極、漏極、以及耦合于所述偏置電流源和所述第一晶體管的所述柵極的柵極；第三晶體管，有耦合于所述第一晶體管的所述漏極的漏極、耦合于所述運算放大器的所述輸入的源極、以及柵極；第四晶體管，有耦合于所述第二晶體管的所述漏極的漏極、耦合于參考節(jié)點的源極、以及耦合于所述第三晶體管的所述柵極和所述第四晶體管的所述漏極的柵極；第五晶體管，有耦合于所述參考節(jié)點的漏極、耦合于地面的源極、以及耦合于所述參考節(jié)點的柵極；以及第六晶體管，有耦合于所述第三晶體管的所述漏極和所述運算放大器的所述輸入的漏極、耦合于地面的源極、以及耦合于所述第五晶體管的所述柵極的柵極。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的穩(wěn)壓器，其中所述第一和第二晶體管是P型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，第三、第四、第五、和第六晶體管是N型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的穩(wěn)壓器，還包括:偏置電流源，被配置以給所述運算放大器的偏置輸入提供偏置信號，其中當(dāng)所述輸入電壓超過第一閾值時，所述偏置信號引起所述運算放大器將所述導(dǎo)通器件置于導(dǎo)電狀態(tài)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的穩(wěn)壓器，其中所述偏置電流源包括:有耦合于所述輸入電壓節(jié)點的源極、耦合于所述偏置輸入的漏極以及柵極的晶體管；以及耦合于所述偏置輸入和地面之間的電阻器。
11.一種穩(wěn)壓器，包括: 被配置以接收輸入電壓的輸入電壓節(jié)點；被配置以傳送輸出電壓的穩(wěn)壓節(jié)點；被配置以傳送反饋信號的反饋節(jié)點；導(dǎo)通器件，有第一電流傳導(dǎo)端子、第二電流傳導(dǎo)端子、以及控制端子，其中所述第一電流傳導(dǎo)端子耦合于所述輸入電壓節(jié)點，以及所述第二電流傳導(dǎo)端子耦合于所述穩(wěn)壓節(jié)點；反饋電路，耦合于所述穩(wěn)壓節(jié)點和所述反饋節(jié)點之間，其中所述反饋電路包括設(shè)置目標(biāo)穩(wěn)壓的二極管參考，并且所述反饋電路產(chǎn)生所述反饋信號；以及運算放大器，有耦合于所述反饋節(jié)點的輸入，以及耦合于所述導(dǎo)通器件的所述控制端子的輸出，其中所述運算放大器被配置以基于源自所述反饋節(jié)點的反饋信號給所述控制端子提供信號，并且其中所述控制信號引起通過所述導(dǎo)通器件的電流發(fā)生變化以將穩(wěn)壓節(jié)點處的電壓保持在目標(biāo)穩(wěn)壓。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的穩(wěn)壓器，其中所述導(dǎo)通器件包括P型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的穩(wěn)壓器，其中所述反饋電路包括:有耦合于所述穩(wěn)壓節(jié)點的陰極以及耦合于所述反饋節(jié)點的陽極的二極管，并且其中所述目標(biāo)穩(wěn)壓大約等于所述二極管的反向擊穿電壓。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的穩(wěn)壓器，其中所述二極管包括齊納二極管。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的穩(wěn)壓器，其中所述反饋電路包括多個串聯(lián)耦合的二極管，并且其中所述目標(biāo)穩(wěn)壓大約等于所述多個二極管的反向擊穿電壓的總和。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的穩(wěn)壓器，其中所述運算放大器內(nèi)部地在對應(yīng)于所述運算放大器的非反相輸入的參考節(jié)點處生成參考電壓，其中所述參考電壓在地面處或是高于地面的小電壓。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的穩(wěn)壓器，其中所述運算放大器包括:第一晶體管，有耦合于所述輸入電壓節(jié)點的源極、耦合于所述運算放大器的所述輸出的漏極、以及耦合于偏置電流源的柵極；第二晶體管，有耦合于所述輸入電壓節(jié)點的源極、漏極、以及耦合于所述偏置電流源和所述第一晶體管的所述柵極的柵極；第三晶體管，有耦合于所述第一晶體管的所述漏極的漏極、耦合于所述運算放大器的所述輸入的源極、以及柵極；第四晶體管，有耦合于所述第二晶體管的所述漏極的漏極、耦合于參考節(jié)點的源極、以及耦合于所述第三晶體管的所述柵極和所述第四晶體管的所述漏極的柵極；第五晶體管，有耦合于所述參考節(jié)點的漏極、耦合于地面的源極、以及耦合于所述參考節(jié)點的柵極；以及第六晶體管，有耦合于所述第三晶體管的所述漏極和所述運算放大器的所述輸入的漏極、耦合于地面的源極、以及耦合于所述第五晶體管的所述柵極的柵極。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的穩(wěn)壓器，其中所述第一和第二晶體管是P型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，第三、第四、第五、和第六晶體管是N型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的穩(wěn)壓器，還包括:偏置電流源，被配置以給所述運算放大器的偏置輸入提供偏置信號，其中當(dāng)所述輸入電壓超過第一閾值時，所述偏置信號引起所述運算放大器將所述導(dǎo)通器件置于導(dǎo)電狀態(tài)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的穩(wěn)壓器，其中所述偏置電流源包括:有耦合于所述輸入電壓節(jié)點的源極、耦合于所述偏置輸入的漏極以及柵極的晶體管；以及耦合于所述偏置輸入和地面之間的`電阻器。
【文檔編號】G05F1/56GK103631301SQ201310350039
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年8月13日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月24日
【發(fā)明者】J·M·皮古特 申請人:飛思卡爾半導(dǎo)體公司