專利名稱：一種電壓調(diào)整裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電源管理領(lǐng)域和微電子技術(shù)領(lǐng)域，更具體的說，涉及到電壓調(diào)整器。
背景技術(shù)：
芯片設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到外部提供的電源電壓比芯片內(nèi)部電路工作電壓要高的問題，解決這一問題的方法是在芯片內(nèi)部集成電壓調(diào)整器，將芯片內(nèi)部工作電壓調(diào)整到所需要的水平。
在電源管理場合，輸入信號往往是交流信號，如220V工頻交流輸入，該輸入電壓經(jīng)整流后，輸入至電路板中，這時的電源電壓波動很大，在一些精密電路中，過大的電源電壓的波動將導(dǎo)致電路的誤操作或者出現(xiàn)其他的問題。電壓調(diào)整器在電源管理場合的主要作用是將輸入波動大的電壓調(diào)整為波動小的、穩(wěn)定的電壓源，以滿足精密電路的要求。
電壓調(diào)整器在進(jìn)行電壓調(diào)整時本身要消耗功率，調(diào)整器本身消耗功率過大將造成電源的浪費(fèi)，這對于功率要求高的應(yīng)用是難以忍受的。特別是對于芯片內(nèi)部的電壓調(diào)整器，考慮到芯片的散熱等問題，對調(diào)整器本身的功耗在很多時候是越低越好。但是，調(diào)整器本身的功耗和其動態(tài)相應(yīng)能力是一對相互制約的指標(biāo)，在解決調(diào)整器本身功耗的同時，必須保證足夠的動態(tài)響應(yīng)能力，保證所驅(qū)動電路的工作速度不受影響。
另外，電壓調(diào)整器達(dá)到了低功耗和動態(tài)特性兩方面的要求還不夠，應(yīng)用電路也會對電壓調(diào)整器的工作范圍提出相關(guān)的要求。例如某芯片要求工作電壓范圍為2.7V～5.5V，內(nèi)部工作電壓為2.7V～3.3V時，對電壓調(diào)整器必須要在外部輸入電壓大于3.3V時，輸出電壓為穩(wěn)定的3.3V，而在電源電壓小于3.3V時，內(nèi)部工作電壓將直接跟隨外部電源電壓。這樣就可以保證芯片在整個電源電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。
現(xiàn)有技術(shù)中美國專利(US6806690)對于電壓調(diào)整器的低功耗要求提供了較好的解決辦法，其電路圖如附圖1所示，但這種解決方案存在電路非常復(fù)雜，而且環(huán)路多不容易控制，各環(huán)路的相位裕度、穩(wěn)定性不好設(shè)計(jì)。
現(xiàn)有技術(shù)中另一件美國專利(US6046577)提供了另外一種解決方案，如附圖2所示，在此方案中完全依靠外接電容來滿足負(fù)反饋電路的穩(wěn)定性，其實(shí)際應(yīng)用電路則較復(fù)雜，而且由于采用固定偏置電流的方法，無法實(shí)現(xiàn)小電流輸出時的高效率，低功耗問題沒有很好解決，動態(tài)響應(yīng)速度也受到偏置電流的限制。
此外，現(xiàn)有技術(shù)美國專利6518737可以解決低功耗問題，其電路圖如附圖3所示，但仍然需要外接電容使環(huán)路穩(wěn)定，不能夠很好解決穩(wěn)定性與應(yīng)用簡單的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種電壓調(diào)整裝置，解決現(xiàn)有技術(shù)中電壓調(diào)整裝置不能同時兼顧低功耗、瞬態(tài)響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性和應(yīng)用簡單的問題。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種如下的技術(shù)方案一種電壓調(diào)整裝置，包括自動偏置電路、驅(qū)動輸出電路、帶隙基準(zhǔn)電壓源和電壓檢測與反饋單元，其中，帶隙基準(zhǔn)電壓源連接至所述的自動偏置電路，提供所述電壓調(diào)整器的偏置電壓并且為所述的電壓檢測與反饋單元提供參考電壓；電壓檢測與反饋單元檢測所述的電壓調(diào)整器的輸出電壓并將其與所述的帶隙基準(zhǔn)電壓源提供的參考電壓進(jìn)行比較并將比較結(jié)果反饋至所述的自動偏置電路控制所述電壓調(diào)整器的偏置電流和驅(qū)動輸出電路的輸出驅(qū)動能力。
其中所述的驅(qū)動輸出電路采用MOS管直接輸出電流且該輸出電流由所述的電流自動偏置電路控制。
其中所述的電壓調(diào)整裝置還包括綜合頻率補(bǔ)償電路，該綜合頻率補(bǔ)償電路采用米勒補(bǔ)償電路確保整個環(huán)路的相位裕度、采用在自動偏置電路中設(shè)置超前相位補(bǔ)償電路提高所述電壓調(diào)整器的瞬態(tài)響應(yīng)速度以及電荷存儲補(bǔ)償電路在瞬間的大電流輸出時釋放電荷以減輕驅(qū)動輸出的響應(yīng)要求。
其中所述的電壓反饋與檢測單元檢測的輸出電壓與所述的帶隙基準(zhǔn)電壓源提供的參考電壓通過由MOS管組成的差分對管比較后放大其電壓差用來控制所述的驅(qū)動輸出電路和偏置電流。
其中所述的自動偏置電路采用MOS管，所述的經(jīng)差分對管比較后放大的電壓差控制自動偏置電路MOS管的柵極，使得調(diào)整器在大電流輸出時自身的偏置電流才增加，快速響應(yīng)大電流驅(qū)動需求，保證調(diào)整器的瞬態(tài)特性，同時保證整個電路在低電流輸出時自身功耗低。
其中所述的電壓反饋與檢測單元檢測輸出電壓是通過電阻分壓實(shí)現(xiàn)的。
其中所述的帶隙基準(zhǔn)電壓源是經(jīng)典的參考電壓產(chǎn)生電路，其輸出的電壓溫度特性好并且電源電壓波動抑制能力強(qiáng)，為所述的電壓調(diào)整裝置穩(wěn)定的參考電壓，保證調(diào)整器輸出電壓的穩(wěn)定性。
本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，采用自動偏置電路控制電壓調(diào)整器的偏置電流，使得調(diào)整器在大電流輸出時自身的偏置電流才增加，快速響應(yīng)大電流驅(qū)動需求，保證調(diào)整器的瞬態(tài)特性，同時保證整個電路在低電流輸出時自身功耗低。本發(fā)明所述的電壓調(diào)整器的自功耗極低，且工作范圍廣，能夠在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝上實(shí)現(xiàn)，有效地簡化了電壓調(diào)整器的設(shè)計(jì)，提高了調(diào)整器的性能。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)之一美國專利US6806690的原理框圖；
圖2是現(xiàn)有技術(shù)之二美國專利US6046577的原理框圖；圖3是現(xiàn)有技術(shù)之三美國專利US6518737的原理框圖；圖4本發(fā)明低功耗寬動態(tài)范圍電壓調(diào)整器原理圖；圖5本發(fā)明自動偏置與動態(tài)響應(yīng)過程示意圖；圖6本發(fā)明在輸入電壓大于預(yù)定輸出電壓時等效電路圖；圖7本發(fā)明在輸入電壓小于預(yù)定輸出電壓時等效電路圖；具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
如附圖4所，本實(shí)施例的技術(shù)方案包括帶隙基準(zhǔn)電壓源、輸出電壓檢測與反饋單元、電流自動偏置電路、綜合頻率補(bǔ)償電路、驅(qū)動輸出電路。
以下分別進(jìn)行說明其中帶隙基準(zhǔn)電壓源電路屬于經(jīng)典的帶隙電壓產(chǎn)生電路，帶隙基準(zhǔn)電壓源為整個電壓調(diào)整器提供參考電壓Vref、MP1管的偏置電壓Vbias及電路中的電流源。
如附圖4所示，輸出電壓檢測與反饋單元由電阻R2、電阻R1、MOS管MN1、MOS管MN2、電容Cc2、MOS管MP1、MOS管MN3組成，其中電阻R2與電阻R1分壓輸出電壓Vout得到電壓Vfb，電壓Vfb與參考電壓Vref通過由MOS管MN1和MOS管MN2組成的差分對管比較，將比較結(jié)果反饋控制電壓Va、Vb、Vc，而控制電壓Va控制驅(qū)動管MP0的驅(qū)動能力，電壓Vb通過MP2控制電壓Vc，而電壓Vc則控制MN3來調(diào)整MN1、MN2組成的差分對管的工作電流Ibias。
自動偏置電路由MOS管MN1，MOS管MN2，MOS管MP1，電容Cf及MOS管MN3構(gòu)成，一旦檢測電壓Vfb與參考電壓Vref有差別，即可通過MOS管MN1、MOS管MN2放大，放大的電壓經(jīng)MOS管MP1控制電壓Vc，電壓Vc則控制MOS管MN3的柵電壓，即控制偏置電流Ibias的大小，因此，偏置電流Ibias隨電壓Vfb與參考電壓Vref的差別而自動變化。這樣就可以保證電壓調(diào)整器在大電流輸出時，自身的偏置電流隨輸出電流的增大而增加，以增加驅(qū)動能力，使得調(diào)整器能夠很快響應(yīng)大電流驅(qū)動，保證調(diào)整器的瞬態(tài)特性，同時保證整個電路在低電流輸出時自身功耗低。自動偏置與動態(tài)響應(yīng)過程如附圖5所示，一旦輸出電壓Vout變小時，說明負(fù)載有加大，必須加大驅(qū)動輸出能力，通過上述的反饋網(wǎng)絡(luò)，偏置電流的控制電壓Vc會增加，Vc增加則整個偏置電流加大，同時驅(qū)動MOS管MP0的控制電壓Va會降低，驅(qū)動MOS管MP0的輸出驅(qū)動能力加強(qiáng)，迫使輸出電壓升高。這種反饋過程保證了負(fù)載消耗電流加大時，調(diào)整器能夠輸出需要的電流。相反，如果負(fù)載變輕時，自動偏置電路控制偏置電流減少，驅(qū)動MOS管MP0的驅(qū)動電流減少。
綜合頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)使用包括米勒補(bǔ)償、相位超前補(bǔ)償、電荷儲存補(bǔ)償三種方式綜合的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，如附圖4所示，由Rc1、Cc1組成的米勒補(bǔ)償電路是確保整個環(huán)路的相位裕度，使得調(diào)整器閉環(huán)穩(wěn)定工作。在自動偏置電路環(huán)路中，利用Cc2、MP1及Cf組成前向反饋電路，保證有大電流驅(qū)動輸出時，輸出電壓Vout的變化能夠通過Cc2迅速反饋至電壓檢測單元檢測到的輸出電壓Vfb，Vfb通過差分對管MOS管MN1和MOS管MN2組成的比較電路比較并放大后控制電壓Va、Vb，電壓Vb的變化通過Cf前饋控制MOS管MN3的柵極電壓Vc，快速改變電壓Vc，可以迅速提高偏置電流Ibias，Ibias電流增加，則可以保證驅(qū)動輸出電壓Va下降加速，Va下降則MOS驅(qū)動管MP0迅速增大驅(qū)動能力，輸出大電流來驅(qū)動大負(fù)載，從而保證調(diào)整器的瞬態(tài)響應(yīng)速度。
另外，在輸出管腳Vout上通過阻值很小的電阻再接電容Cc3，可以在小電流時儲存電荷，在瞬間的大電流輸出時，釋放電荷，減輕驅(qū)動MOS管MP0的驅(qū)動響應(yīng)要求。
輸出驅(qū)動電路采用MOS管MP0，MOS管MP0的驅(qū)動能力由電壓Va控制。Va越低，MP0的驅(qū)動輸出電流能力就越大。反之，如果Va高，則輸出電流就小。這樣可以通過控制Va電壓來控制MP0的輸出電流。
一般情況下，額定輸出電壓小于供電電壓，其等效電路如附圖6所示，此時輸出電壓的值由輸入的參考電壓與反饋電路控制，即Vout=Vref×(1+R2R1)]]>而在電源電壓小于額定輸出電壓時，例如要求Vout為3.3V，而VCC小于3.3V時，此時Vfb必然小于Vref，因此Va電壓低至0V，其等效電路如附圖7所示，驅(qū)動MOS管直接導(dǎo)通，此時Vout為Vout＝Vcc此時Vout由電源直接驅(qū)動輸出，保證Vout跟隨VCC，確保輸出電壓的動態(tài)范圍加大。
如上所述，在額定輸出電壓小于供電電壓時，輸出電壓的值由輸入的參考電壓與反饋電路控制，而在電源電壓小于額定輸出電壓時，MOS管直接導(dǎo)通，由電源直接驅(qū)動輸出。
權(quán)利要求
1.一種電壓調(diào)整裝置，包括自動偏置電路、驅(qū)動輸出電路、帶隙基準(zhǔn)電壓源和電壓檢測與反饋單元，其中，帶隙基準(zhǔn)電壓源連接至所述的自動偏置電路，提供所述電壓調(diào)整器的偏置電壓并且為所述的電壓檢測與反饋單元提供參考電壓；電壓檢測與反饋單元檢測所述的電壓調(diào)整器的輸出電壓并將其與所述的帶隙基準(zhǔn)電壓源提供的參考電壓進(jìn)行比較并將比較結(jié)果反饋至所述的自動偏置電路控制所述電壓調(diào)整器的偏置電流和驅(qū)動輸出電路的輸出驅(qū)動能力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓調(diào)整裝置，其特征在于，所述的驅(qū)動輸出電路采用MOS管直接輸出電流且該輸出電流由所述的電流自動偏置電路控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓調(diào)整裝置，其特征在于，所述的電壓調(diào)整裝置還包括綜合頻率補(bǔ)償電路，該綜合頻率補(bǔ)償電路采用米勒補(bǔ)償電路確保整個環(huán)路的相位裕度、采用在自動偏置電路中設(shè)置超前相位補(bǔ)償電路提高所述電壓調(diào)整器的瞬態(tài)響應(yīng)速度以及電荷存儲補(bǔ)償電路在瞬間的大電流輸出時釋放電荷以減輕驅(qū)動輸出的響應(yīng)要求。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓調(diào)整裝置，其特征在于，所述的電壓反饋與檢測單元檢測的輸出電壓與所述的帶隙基準(zhǔn)電壓源提供的參考電壓通過由MOS管組成的差分對管比較后放大其電壓差用來控制所述的驅(qū)動輸出電路和偏置電流。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓調(diào)整裝置，其特征在于，所述的電壓反饋與檢測單元檢測輸出電壓是通過電阻分壓實(shí)現(xiàn)的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓調(diào)整裝置，其特征在于，所述的帶隙基準(zhǔn)電壓源是經(jīng)典的參考電壓產(chǎn)生電路，其輸出的電壓溫度特性好并且電源電壓波動抑制能力強(qiáng)，為所述的電壓調(diào)整裝置穩(wěn)定的參考電壓，保證調(diào)整器輸出電壓的穩(wěn)定性。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓調(diào)整裝置，其特征在于，所述的自動偏置電路采用MOS管，所述的經(jīng)差分對管比較后放大的電壓差控制自動偏置電路MOS管的柵極，使得調(diào)整器在大電流輸出時自身的偏置電流才增加，快速響應(yīng)大電流驅(qū)動需求，保證調(diào)整器的瞬態(tài)特性，同時保證整個電路在低電流輸出時自身功耗低。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低功耗、寬工作電壓范圍的電壓調(diào)整器，屬于電源管理領(lǐng)域和微電子技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明所述低功耗的電壓調(diào)整器包括帶隙基準(zhǔn)參考電壓源、電壓檢測與反饋單元、自動偏置電路、頻率補(bǔ)償電路、驅(qū)動輸出電路。基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生參考電壓及偏置電流、電壓，輸出電壓檢測與反饋單元檢測調(diào)整器輸出電壓并反饋至自動偏置電路與驅(qū)動管的控制電路，自動控制電路的偏置電流及驅(qū)動能力。頻率補(bǔ)償電路確保整個環(huán)路的相位裕度與電壓調(diào)整器的瞬態(tài)響應(yīng)速度，使得調(diào)整器閉環(huán)穩(wěn)定工作，瞬態(tài)響應(yīng)快。該調(diào)整器的自功耗極低，且工作范圍廣，能夠在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝上實(shí)現(xiàn)，有效地簡化了電壓調(diào)整器的設(shè)計(jì)，提高了調(diào)整器的性能。
文檔編號G05F1/565GK1987710SQ20051012084
公開日2007年6月27日 申請日期2005年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月23日
發(fā)明者周命福, 萬巍, 陳征宇, 王金瑣 申請人:深圳市芯?？萍加邢薰?