低壓差穩(wěn)壓器的制造方法
【專利摘要】本文公開穩(wěn)壓器100。穩(wěn)壓器100的一個實(shí)施例包括MOS-型傳輸晶體管QPASS，其中傳輸晶體管QPASS的第一節(jié)點(diǎn)可連接至電壓源VIN，并且其中傳輸晶體管QPASS的第二節(jié)點(diǎn)連接至穩(wěn)壓器100的輸出端104。穩(wěn)壓器100還包括誤差放大器110，其具有基準(zhǔn)輸入端和輸出端，輸出端連接至傳輸晶體管QPASS的柵極，并且基準(zhǔn)輸入端連接至基準(zhǔn)電壓源VR。
【專利說明】低壓差穩(wěn)壓器

【背景技術(shù)】
[0001]低壓差穩(wěn)壓器(LDO)使用將電流從源端傳導(dǎo)到負(fù)載的傳輸晶體管。電流的數(shù)量以及，因此，輸出電壓由傳輸晶體管的柵電壓控制。穩(wěn)壓器的輸出電壓被反饋給誤差放大器，其將輸出電壓和基準(zhǔn)電壓比較。這兩個電壓之間的差用于產(chǎn)生傳輸晶體管的柵電壓。因此，如果輸出電壓過低，誤差放大器產(chǎn)生使得傳輸晶體管傳導(dǎo)更多電流的柵電壓，提高輸出電壓。類似地，如果輸出電壓過高，誤差放大器產(chǎn)生使得傳輸晶體管傳輸更少電流的柵電壓，降低輸出電壓。
[0002]低壓差穩(wěn)壓器在一些射頻電路中作為電壓源。射頻電路中的電壓源通常在10-20kHz以上的頻率要求低電壓源噪聲。較高的頻率噪聲會干擾射頻電路的性能。為了節(jié)約電力，射頻中的電路汲取非常小的電流，這增大了噪聲。為了克服噪聲，常規(guī)的用于射頻電路的穩(wěn)壓器可具有連接至LDO輸出端的大電容。然而，很多射頻電路使用多個不同的電源域，其需要使用多個大電容。這些電容器通常位于射頻電路的外部，且增加了射頻電路的成本和尺寸。
[0003]另一個降低噪聲的方法是通過誤差放大器傳遞大電流。例如，可以使用0.5到2毫安范圍的電流。在誤差放大器的輸入級，噪聲和電流的平方成反比，因此電流越高導(dǎo)致噪聲越小。然而，高電流具有許多缺點(diǎn)，尤其當(dāng)射頻電路為電池供電設(shè)備時。最顯著的缺點(diǎn)是，較高的電流降低了電池供電射頻的電池壽命。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本文公開穩(wěn)壓器。穩(wěn)壓器的一個實(shí)施例包括MOS型傳輸晶體管，其中傳輸晶體管的溝道可連接至電壓源，并且其中傳輸晶體管的第二溝道連接至穩(wěn)壓器的輸出端。該穩(wěn)壓器還包括誤差放大器，其具有基準(zhǔn)輸入端和輸出端，該輸出端連接至傳輸晶體管的柵極且該基準(zhǔn)輸入端連接至基準(zhǔn)電壓源。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0005]圖1是低壓差穩(wěn)壓器的一個實(shí)施例的示意圖。
[0006]圖2是低壓差穩(wěn)壓器的另一個實(shí)施例的示意圖。
[0007]圖3是低壓差穩(wěn)壓器的另一個實(shí)施例的示意圖。
[0008]圖4是低壓差穩(wěn)壓器的另一個實(shí)施例的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0009]本文公開低壓差穩(wěn)壓器以及調(diào)節(jié)電壓的方法。該低壓差穩(wěn)壓器有時被簡稱為LDO或穩(wěn)壓器。本文所公開的LDO使用非常慢的誤差放大器，因此閉環(huán)LDO帶寬低于預(yù)定頻率。例如，閉環(huán)LDO帶寬可低于10-20kHz，如下文所描述的，其能夠通過在輸入級使用非常小的偏置電流(10-20nA)來實(shí)現(xiàn)。閉環(huán)帶寬頻率外的輸出噪音由傳輸晶體管的噪音限定，傳輸晶體管的噪音與負(fù)載電流的平方根成反比。因此，在目標(biāo)頻率處，越大的負(fù)載電流導(dǎo)致越小的噪聲。
[0010]在常規(guī)應(yīng)用中，LDO中的低閉環(huán)帶寬在切換負(fù)載時造成輸出電壓的長建立時間(settling time)。本文公開的LDO通過在誤差放大器中使用AB類輸入級消除負(fù)載問題。在穩(wěn)態(tài)時，當(dāng)負(fù)載為恒量時，誤差小且流過誤差放大器的電流流量小。然而在負(fù)載瞬變過程中，電流流量會上升，其增加閉環(huán)帶寬并確保非常快速地建立輸出電壓。
[0011]已簡要描述了 LD0，現(xiàn)將更詳細(xì)的描述不同實(shí)施例。參考圖1，其為LD0100的示意圖，LDO 100有時在此被稱為穩(wěn)壓器100。穩(wěn)壓器100具有輸入端102，其接受輸入電壓VIN，諸如DC電壓。DC電壓可具有由其生成而引起的一些紋波或噪聲。穩(wěn)壓器100具有輸出端104，其輸出穩(wěn)定的輸出電壓V。。
[0012]穩(wěn)壓器100包括連接或稱合在輸入端102和輸出端104之間的傳輸晶體管Qpass,其可為場效應(yīng)晶體管(FET)。傳輸晶體管Qpass可在集電極開路或漏極開路模式中運(yùn)行，其使得傳輸晶體管能夠在飽和模式或接近飽和模式中運(yùn)行。一般地，漏極和源極可稱為溝道。在飽和模式，輸入端102和輸出端104之間的傳輸晶體管Qpass兩端的電壓降非常小，其使得穩(wěn)壓器100能夠有效運(yùn)行。在一些實(shí)施例中，傳輸晶體管Qpass為雙極結(jié)型晶體管。在其他實(shí)施例中，傳輸晶體管Qpass可為NMOS-型器件或PMOS-型器件。
[0013]分壓器108提供輸出電壓V。的反饋。在圖1的實(shí)施例中，分壓器108由兩個串聯(lián)連接的電阻器Rl和R2組成。誤差放大器110監(jiān)測分壓器108的輸出并將其與基準(zhǔn)電壓Vr比較。使用串聯(lián)電阻器的分壓器108消耗來自穩(wěn)壓器100的輸出端104的電流，其可能不益于低功率應(yīng)用。為了克服該問題，誤差放大器110的一些實(shí)施例直接監(jiān)測輸出電壓V。而不使用任何分壓器。
[0014]基準(zhǔn)電壓Vk是輸出端104所需的輸出電壓\的復(fù)制或與所需的輸出電壓\的復(fù)制成比例。當(dāng)輸出端104上的負(fù)載變化時，輸出電壓V?？梢圆坏扔诨鶞?zhǔn)電壓VK。穩(wěn)壓器100解決該問題，使得輸出端104輸出預(yù)定的、穩(wěn)定的輸出電壓％。更具體地，穩(wěn)壓器100用于使輸出電壓I與所需輸出電壓相等，其等于或成比例于基準(zhǔn)電壓VK。誤差放大器110的輸出端連接到或耦合到傳輸晶體管Qpass的柵極或基極。誤差放大器110輸出的電壓調(diào)節(jié)流過傳輸晶體管Qpass的電流流量，其用于維持輸出電壓\。
[0015]電容器C?？蛇B接至輸出端104。電容器C。衰減輸出端104上的噪聲和/或紋波。在一些實(shí)施例中，穩(wěn)壓器100能夠通過電壓調(diào)節(jié)的方式減少輸出端上的噪聲和紋波，因此不需要電容器Q。電阻&表示連接到穩(wěn)壓器100的負(fù)載。隨著對象連接到穩(wěn)壓器100或從穩(wěn)壓器100斷開，負(fù)載&的值相應(yīng)變化。如上所述，隨著輸出端104上的負(fù)載&變化，穩(wěn)壓器100足夠快以保持恒定的輸出電壓\。
[0016]已經(jīng)描述了穩(wěn)壓器100的組件，現(xiàn)將描述其運(yùn)行。輸入電壓Vin位于輸入端102處，輸出端102連接至傳輸晶體管Qpass。傳輸晶體管Qpass使得電流能夠基于柵電壓或基電壓流至輸出端104，所述柵電壓或基電壓是誤差放大器110輸出的電壓或是與誤差放大器110輸出的電壓成比例的電壓。輸出電壓％經(jīng)由分壓器108測量并被輸入到誤差放大器110。相應(yīng)地，輸出電壓\或與輸出電壓Vtj成比例的電壓與基準(zhǔn)電壓Vk比較。如果輸出電壓\過低，誤差放大器I1使傳輸晶體管Qpass輸出更多電流,其增加輸出電壓Vo。類似地,如果輸出電壓Vo過高,誤差放大器110使傳輸晶體管Qpass降低電流流量，其降低輸出電壓V。。
[0017]圖2不出穩(wěn)壓器200的一個實(shí)施例。穩(wěn)壓器200具有輸入端202和輸出端204,所述輸入端202具有電壓VIN，所述輸出端204具有電壓V。。穩(wěn)壓器200包括誤差放大器210，其包括多個晶體管，該晶體管可為金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)或本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的其他器件。誤差放大器210以AB類運(yùn)行。誤差放大器210包括第一晶體管Q1，其連接至基準(zhǔn)電壓VKEF。第二晶體管Q2的柵極連接至輸出端204以將反饋提供至誤差放大器210。晶體管Ql和Q2的源極連接至電流源II。誤差放大器210包括電流鏡晶體管Q3和Q4。穩(wěn)壓器200的特性中的一個是汲取非常小電流的能力，所述電流可約為ΙΟηΑ。電流源Il提供的偏置電流非常低，以保持穩(wěn)壓器100的環(huán)路帶寬低于預(yù)定頻率。例如，當(dāng)誤差放大器210在穩(wěn)態(tài)模式運(yùn)行時，低電流可保持穩(wěn)壓器100的環(huán)路帶寬低于1kHz或20kHz。
[0018]誤差放大器210的輸出端是晶體管Q2的漏極，其連接至傳輸晶體管Qpass的柵極。與圖1的穩(wěn)壓器100 —樣，傳輸晶體管Qpass控制輸入端202和輸出端204之間的電流流量，控制輸出電壓。傳輸晶體管Qpass可為NMOS器件，其提供非常低的噪聲特性。在其他實(shí)施例中，傳輸晶體管Qpass可為PMOS器件。電容器Cl連接在晶體管Q2的漏極和地之間。電容器Cl提供頻率補(bǔ)償，以及降低噪聲和可能以其他方式出現(xiàn)在輸出端204的電源紋波。相應(yīng)地，會不利影響連接到穩(wěn)壓器200的裝置的高頻噪聲被削弱或沒有被放大。電容器Cl影響穩(wěn)壓器的環(huán)路帶寬，其中環(huán)路帶寬等于gm/Cl，其中g(shù)m是Q1/Q2級的跨導(dǎo)，其與電流11成比例。
[0019]穩(wěn)壓器200以與圖1的穩(wěn)壓器100類似的方式運(yùn)行。如圖2所示，基準(zhǔn)電壓Vkef與輸出電壓I比較。晶體管Q2的漏極產(chǎn)生的誤差信號調(diào)節(jié)流過傳輸晶體管Qpass的電流。NMOS傳輸晶體管Qpass中的噪聲與電流的平方的倒數(shù)成比例。在高電流應(yīng)用(諸如射頻)中，噪聲將很小。誤差放大器210在非常低的閉環(huán)帶寬頻率上運(yùn)行，從而其噪聲將低于可能影響連接至穩(wěn)壓器200的裝置的頻率。結(jié)果是，誤差放大器210以非常低的電流和低帶寬運(yùn)行，因此，誤差放大器210汲取非常小的功率并且由于低的閉環(huán)帶寬，并且在5-lOkHz以上的頻率處，噪聲可以是無關(guān)緊要的。更具體地，噪聲將不在閉環(huán)帶寬內(nèi)。傳輸晶體管Qpass在等于負(fù)載電流的高電流上運(yùn)行，降低了噪聲。因此，穩(wěn)壓器200在高頻以非常小的電流和非常小的噪聲運(yùn)行。
[0020]圖3示出了誤差放大器300的另一個實(shí)施例。誤差放大器300利用反饋保持最小電流汲取。誤差放大器300為具有第一側(cè)302和第二側(cè)304的差分放大器。第一側(cè)302具有四個晶體管M1-M4并且第二側(cè)304具有四個晶體管M5-M8?；鶞?zhǔn)電壓Vkef輸入到晶體管Ml的柵極，晶體管Ml的柵極連接到晶體管M2的柵極。晶體管Ml和M6的漏極連接至圖2的電流鏡Q3。晶體管Ml的源極連接至晶體管M3的源極。電流源11連接在晶體管M3的漏極和地之間。
[0021]第二側(cè)304與第一側(cè)302相同或基本相同。輸出電壓V。連接至晶體管M6的柵極。電壓源12連接在晶體管M8的漏極和地之間。兩側(cè)302和304在晶體管M2和M5的源極處連接。晶體管M5和M6的漏極連接至晶體管M4的漏極和傳輸晶體管Qpass的柵極。
[0022]晶體管M5-M8形成負(fù)反饋環(huán)路，其控制流過晶體管M5的最小電流。當(dāng)負(fù)載增加時，其能夠在電阻RJ拳低時，輸出電壓Vtj降低。該電壓降造成晶體管M8的源電壓和柵電壓相應(yīng)下降。由于晶體管M8的柵電壓連接到晶體管M7的柵電壓，晶體管M7的棚-源電壓增加，增加了流過晶體管M7的電流。隨后流過晶體管M2和M5的尾電流增加。由此可知，晶體管M5和M7的柵-源電壓的和等于晶體管M6和M8的柵-源電壓的和。該相關(guān)性還能夠通過電流示出，其中流過晶體管Ml和M5的電流的乘積等于電流1。2/4，其中I。是流過電流源12的電流。相同的操作應(yīng)用到誤差放大器300的第一側(cè)302。誤差放大器300中增加的電流增加閉環(huán)帶寬，從而誤差放大器300能夠快速校正輸出電壓\。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間，電流低，因此帶寬低，這衰減了輸出電壓％中不期望的噪聲。
[0023]圖4示出誤差放大器400的另一個可替換實(shí)施例。誤差放大器400執(zhí)行最小電流調(diào)節(jié)，其與圖3的誤差放大器300的最小電流調(diào)節(jié)非常類似。誤差放大器400具有第一側(cè)402和第二側(cè)404，其與誤差放大器300的第一和第二側(cè)302，304相似。誤差放大器400使用晶體管M10，Mll和M13作為用于第一側(cè)402上的最小電流調(diào)節(jié)的負(fù)反饋環(huán)路。晶體管M13，M14和M16形成用于第二側(cè)404的最小電流調(diào)節(jié)的負(fù)反饋環(huán)路。電流源13連接在晶體管M9的漏極和地之間。電流源14連接在晶體管MlO的漏極和地之間。
[0024]為了優(yōu)化誤差放大器400的性能，晶體管M9，MlO和M14可以匹配。此外，電阻器Rl可具有與電阻器R2的值相等的值。電阻器Rl和R2可具有電阻器RO的電阻值的一半。在這種實(shí)施例中，通過晶體管Ml I和M16的電流等于流過電流源13的電流值的一半。當(dāng)輸出電壓I降低時，通過晶體管M16的電流由于柵-源電壓降低而減小。這造成通過晶體管M14的電流增加。結(jié)果是，流過晶體管M13的電流增加，從而將其保持為電流源14的電流值的一半。與誤差放大器300相比，誤差放大器400具有更高增益和更好的最小電流調(diào)節(jié)能力。然而，其需要包含電阻和相匹配的晶體管。
[0025]上述穩(wěn)壓器被描述具有多種晶體管，如N-型和P-型晶體管。本領(lǐng)域技術(shù)人員可轉(zhuǎn)換該晶體管以實(shí)現(xiàn)相同的效果。此外，可增加其他組件到本文所描述的穩(wěn)壓器中。其他組件可包括本領(lǐng)域公知的多種穩(wěn)壓器和偏置電路。
[0026]雖然本文已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明的示例性和目前優(yōu)選的實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明理念可以以其他方式不同地體現(xiàn)和采用，并且所附權(quán)利要求旨在解釋為包括這些變化，除了現(xiàn)有技術(shù)限制的范圍之外。
【權(quán)利要求】
1.一種穩(wěn)壓器,包括: MOS-型傳輸晶體管，其中所述傳輸晶體管的第一溝道可連接至電壓源，并且其中所述傳輸晶體管的第二溝道連接至所述穩(wěn)壓器的輸出端；以及 誤差放大器，其具有基準(zhǔn)輸入端和輸出端，所述輸出端連接至所述傳輸晶體管的柵極，所述基準(zhǔn)輸入端連接至基準(zhǔn)電壓源。
2.如權(quán)利要求1所述的穩(wěn)壓器，進(jìn)一步包括連接在所述傳輸晶體管的柵極和地之間的電容器。
3.如權(quán)利要求1所述的穩(wěn)壓器，其中所述誤差放大器的閉環(huán)帶寬低于20kHz。
4.如權(quán)利要求1所述的穩(wěn)壓器，其中所述誤差放大器的閉環(huán)帶寬低于10kHz。
5.如權(quán)利要求1所述的穩(wěn)壓器，其中所述傳輸晶體管為NMOS-型晶體管，并且其中所述傳輸晶體管的漏極可連接至所述電壓源，并且其中所述傳輸晶體管的源極連接至所述穩(wěn)壓器的所述輸出端。
6.如權(quán)利要求1所述的穩(wěn)壓器，其中所述傳輸晶體管為PMOS-型晶體管，并且其中所述傳輸晶體管的源極可連接至所述電壓源，并且其中所述傳輸晶體管的漏極連接至所述穩(wěn)壓器的所述輸出端。
7.如權(quán)利要求1所述的穩(wěn)壓器，其中所述誤差放大器包括輸入級，并且其中所述輸入級包括AB類放大器。
8.如權(quán)利要求1所述的穩(wěn)壓器，其中由所述誤差放大器汲取的電流與所述基準(zhǔn)電壓源的值和所述穩(wěn)壓器的所述輸出端的電壓的值之間的差成比例。
9.一種穩(wěn)壓器,包括 傳輸晶體管，其中所述傳輸晶體管的第一溝道可連接至電壓源，并且其中所述傳輸晶體管的第二溝道連接至所述穩(wěn)壓器的輸出端；以及 誤差放大器，其具有基準(zhǔn)輸入端和輸出端，所述輸出端連接至所述傳輸晶體管的柵極，所述基準(zhǔn)輸入端連接至基準(zhǔn)電壓源，以及所述誤差放大器具有AB類輸入級。
10.如權(quán)利要求9所述的穩(wěn)壓器，其中由所述誤差放大器汲取的電流與所述基準(zhǔn)電壓源的值和所述輸出端的電壓之間的差成比例。
11.如權(quán)利要求9所述的穩(wěn)壓器，其中所述輸入級包括差分放大器，所述差分放大器包括: 第一晶體管，其中所述基準(zhǔn)輸入端連接至所述第一晶體管的柵極； 第二晶體管，其中所述誤差放大器的輸出端連接至所述第二晶體管的柵極；和 偏置晶體管，其操作以偏置流過所述第一晶體管的電流。
12.如權(quán)利要求9所述的穩(wěn)壓器，其中所述輸入級包括差分放大器，所述差分放大器包括: 第一反饋回路，其中所述基準(zhǔn)輸入端連接至所述第一反饋回路； 第二反饋回路，其中所述誤差放大器的輸出端連接至所述第二反饋回路； 其中當(dāng)所述穩(wěn)壓器的輸出負(fù)載增加時，所述誤差放大器的輸出電壓降低，且所述第一反饋回路中的偏置電流增加。
13.如權(quán)利要求12所述的穩(wěn)壓器，其中所述第二反饋回路中的偏置電流和所述第一反饋回路的所述偏置電流成比例。
14.如權(quán)利要求12所述的穩(wěn)壓器，其中所述第二反饋回路包括: 第一晶體管和第二晶體管，其中所述第一晶體管和所述第二晶體管的柵極連接至所述誤差放大器的所述輸出端； 第三晶體管，其偏置所述第一晶體管中的電流；以及 第四晶體管，其偏置所述第二晶體管中的電流； 其中所述第一晶體管的源極連接至所述第二反饋回路；以及 其中所述第三晶體管的柵極連接至所述第四晶體管的柵極。
15.如權(quán)利要求12所述的穩(wěn)壓器，其中所述第一反饋回路被配置為基本類似于所述第二反饋回路。
16.如權(quán)利要求9所述的穩(wěn)壓器，其中所述輸入級包括差分放大器，所述差分放大器包括: 第一反饋回路，其中所述基準(zhǔn)輸入端連接至所述第一反饋回路； 第二反饋回路，其中所述誤差放大器的輸出端連接至所述第二反饋回路；和 電流偏置晶體管，其偏置流過所述第一反饋回路和所述第二反饋回路的電流； 其中當(dāng)所述穩(wěn)壓器的輸出負(fù)載增加時，所述誤差放大器的輸出電壓降低，且所述第一反饋回路中的偏置電流增加。
17.如權(quán)利要求17所述的穩(wěn)壓器，進(jìn)一步包括連接至所述差分放大器的電流選擇器。
18.如權(quán)利要求9所述的穩(wěn)壓器，進(jìn)一步包括連接在所述傳輸晶體管的柵極和地之間的電容器。
19.如權(quán)利要求9所述的穩(wěn)壓器，其中所述誤差放大器的閉環(huán)帶寬低于20kHz。
20.—種穩(wěn)壓器,包括: 傳輸晶體管，其中所述傳輸晶體管的漏極可連接至電壓源，并且其中所述傳輸晶體管的源極連接至所述穩(wěn)壓器的輸出端；以及誤差放大器，包括: 基準(zhǔn)輸入端，其連接至基準(zhǔn)電壓源； 輸出端，其連接至所述傳輸晶體管的柵極； 差分放大器，其具有第一晶體管和第二晶體管，所述第一晶體管的柵極連接至所述基準(zhǔn)輸入端，所述第二晶體管的柵極連接至所述傳輸晶體管的源極，以及所述第二晶體管的漏極連接至所述誤差放大器的輸出端；以及 電流鏡，其連接至所述第一晶體管和所述第二晶體管。
【文檔編號】G05F1/56GK104298291SQ201410404572
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月9日
【發(fā)明者】V·V·伊萬諾夫, S·查克拉博蒂, J·格羅爾 申請人:德克薩斯儀器股份有限公司, 德克薩斯儀器德國股份有限公司