本發(fā)明一般地涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域,更具體地涉及半導(dǎo)體器件。
背景技術(shù):
穩(wěn)壓器被用來提供不受負(fù)載電阻、輸入電壓變化、溫度和時間影響的穩(wěn)定的電源電壓。低壓降(LDO)穩(wěn)壓器是提供低壓降(即,小輸入輸出差分電壓)的一種穩(wěn)壓器,因此使LDO穩(wěn)壓器維持調(diào)節(jié)為具有輸入電壓和輸出電壓之間的小的差異。在多種應(yīng)用中LDO穩(wěn)壓器用于為電子器件供電。例如,通常在電池供電的消費類電子設(shè)備中使用LDO穩(wěn)壓器。因此,例如,在諸如智能手機(jī)的移動設(shè)備中使用LDO穩(wěn)壓器,以從電池電源給移動設(shè)備的多種組件提供調(diào)節(jié)電壓。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的缺陷,根據(jù)本發(fā)明的一方面,提供了一種用于生成輸出電壓的電路,所述電路包括:電流源,被配置為生成參考電流;誤差放大器,具有第一輸入、第二輸入和單端輸出,其中,所述第一輸入連接至參考電壓,并且所述第二輸入通過反饋電阻器連接至所述電路的輸出節(jié)點,所述反饋電阻器包括連接至所述輸出節(jié)點的第一端,和連接至所述第二輸入的第二端;傳輸晶體管,包括連接至所述誤差放大器的單端輸出的控制電極,連接至電源電壓的第一電極,以及連接至所述電路的輸出節(jié)點的第二電極;電流鏡的第一支路,連接至所述電流源,所述參考電流流經(jīng)所述第一支路;以及所述電流鏡的第二支路,連接至所述反饋電阻器的第二端,其中,流經(jīng)所述第二支路以及所述反饋電阻器的第一端和第二端的輸出電流基于:(i)流經(jīng)所述第一支路的所述參考電流,以及(ii)所述電流鏡的鏡像比率,其中,所述輸出節(jié)點提供所述電路的輸出電 壓。
在該電路中,所述輸出電壓為:VOUT=VREF+(RFB*IOUT),其中,VOUT是所述輸出電壓,VREF是所述參考電壓,RFB是所述反饋電阻器的電阻,以及IOUT是所述輸出電流。
在該電路中,所述輸出電壓基于所述電流鏡的鏡像比率,所述鏡像比率是流經(jīng)所述第一支路的電流和流經(jīng)所述第二支路的電流之間的比率。
在該電路中,所述電流鏡的第一支路或第二支路的一個或多個參數(shù)是可調(diào)的,并且調(diào)節(jié)所述一個或多個參數(shù)可改變所述鏡像比率和所述電路的輸出電壓。
在該電路中,所述電流鏡包括:開關(guān),被配置為調(diào)節(jié)所述電流鏡的鏡像比率,其中,斷開所述開關(guān)使所述電流鏡具有第一鏡像比率,并且閉合所述開關(guān)使所述電流鏡具有第二鏡像比率,斷開和閉合所述開關(guān)使所述電路的輸出電壓改變。
在該電路中,所述電流鏡的第一支路包括一個或多個第一晶體管;以及其中,所述電流鏡的第二支路包括一個或多個第二晶體管,所述鏡像比率基于:(i)所述第一支路和所述第二支路所包括的晶體管的結(jié)構(gòu)尺寸,以及(ii)所述第一支路和所述第二支路中的每一個所包括的所述晶體管的數(shù)量。
在該電路中,所述電流源包括:參考電阻器,具有電阻RREF,其中,所述參考電流與所述電阻RREF成反比,并且所述電阻RREF跟蹤所述反饋電阻器的電阻RFB的變化,所述電阻RREF隨著所述電阻RFB的增大而增大,并且所述電阻RREF隨著所述電阻RFB的減小而減小。
在該電路中,所述反饋電阻器和所述參考電阻器由單個襯底上的相同材料形成,使得在工藝、電壓和溫度(PVT)變化的情況下,所述反饋電阻器和所述參考電阻器具有相似的電氣特性。
在該電路中,所述參考電流跟蹤所述反饋電阻器的電阻RFB的變化,所述參考電流隨著所述電阻RFB的減小而增大,并且所述參考電流隨著所述電阻RFB的增大而減小。
在該電路中,所述電流源包括:參考電阻器,具有電阻RREF,其中, 所述參考電流與所述電阻RREF成反比,并且所述電阻RREF跟蹤所述反饋電阻器的電阻RFB的變化,所述電阻RREF隨著所述電阻RFB的增大而增大,并且所述電阻RREF隨著所述電阻RFB的減小而減小,以及其中,基于所述電阻RREF的變化,所述參考電流跟蹤所述電阻RFB的變化。
在該電路中,所述電路中的工藝、電壓或溫度的變化導(dǎo)致了所述反饋電阻器的電阻RFB的變化。
在該電路中,所述電路的輸出電壓為:VOUT=VREF+(RFB*α*IREF),其中,VOUT是所述輸出電壓,VREF是所述參考電壓,α是基于所述鏡像比率的常數(shù),以及IREF是所述參考電流,其中,所述參考電流跟蹤所述電阻RFB的變化,使得不管所述電路中的工藝、電壓或溫度如何變化,所述輸出電壓基本不變。
在該電路中,所述電流源是電流模式帶隙基準(zhǔn)電路。
在該電路中,所述電路包括:電壓模式帶隙基準(zhǔn)電路,被配置為生成所述參考電壓。
在該電路中,所述電流鏡的所述第一支路包括:第一NMOS晶體管,具有連接至所述電流源的漏極端,和連接至偏壓的柵極端;和第二NMOS晶體管,具有連接至所述第一NMOS晶體管的源極端的漏極端,和連接至接地參考電壓的源極端;其中,所述電流鏡的所述第二支路包括:第三NMOS晶體管,具有連接至所述反饋電阻器的第二端的漏極端,和連接至所述偏壓的柵極端;第四NMOS晶體管,具有連接至所述第三NMOS晶體管的源極端的漏極端,連接至所述第二NMOS晶體管的柵極端的柵極端,以及連接至所述接地參考電壓的源極端;第五NMOS晶體管,具有連接至所述反饋電阻器的第二端的漏極端,和連接至所述偏壓的柵極端;和第六NMOS晶體管,具有連接至所述第五NMOS晶體管的源極端的漏極端,連接至所述第二NMOS晶體管的柵極端的柵極端,以及通過開關(guān)連接至所述接地參考電壓的源極端。
在該電路中,所述電流源包括:互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)運算放大器,包括第一輸入、第二輸入和單端輸出;第一電阻器,具有連接至接地參考電壓的第一端,和連接至所述CMOS運算放大器的第一輸入的 第二端;第二電阻器,具有連接至所述接地參考電壓的第一端,和連接至所述CMOS運算放大器的第二輸入的第二端;第一雙極結(jié)型晶體管,具有連接至所述CMOS運算放大器的第一輸入的發(fā)射極端,連接至所述接地參考電壓的集電極端,以及連接至所述第一雙極結(jié)型晶體管的集電極端的基極端;第二雙極型晶體管,具有連接至所述接地參考電壓的集電極端,和連接至所述第二雙極型晶體管的所述集電極端的基極端;第三電阻器,具有連接至所述第二雙極型晶體管的發(fā)射極端的第一端,和連接至所述CMOS運算放大器的第二輸入的第二端;第一PMOS晶體管,包括連接至所述電源電壓的源極端,連接至所述CMOS運算放大器的第一輸入的漏極端,以及連接至所述CMOS運算放大器的單端輸出的柵極端;第二PMOS晶體管,包括連接至所述電源電壓的源極端,連接至所述CMOS運算放大器的第二輸入的漏極端,以及連接至所述CMOS運算放大器的單端輸出的柵極端;第三PMOS晶體管,包括連接至所述電源電壓的源極端,和連接至所述第二PMOS晶體管的柵極端的柵極端;參考電阻器,具有連接至所述第三PMOS晶體管的漏極端的第一端,和連接至所述接地參考電壓的第二端;以及第四PMOS晶體管,包括連接至所述電源電壓的源極端,連接至所述第三PMOS晶體管的柵極端的柵極端,以及連接至所述電流鏡的第一支路的漏極端。
在該電路中,所述電流源包括:互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)運算放大器,包括第一輸入、第二輸入和單端輸出,其中,所述CMOS運算放大器的第一輸入連接至所述參考電壓;第一PMOS晶體管,具有連接至所述電源電壓的源極端,和連接至所述CMOS運算放大器的單端輸出的柵極端;第一電阻器,具有連接至所述第一PMOS晶體管的漏極端的第一端,和連接至所述CMOS運算放大器的第二輸入的第二端;第二電阻器,具有連接至所述第一電阻器的第二端的第一端,和連接至接地參考電壓的第二端;以及第二PMOS晶體管,具有連接至所述電源電壓的源極端,連接至所述第一PMOS晶體管的柵極端的柵極端,以及連接至所述電流鏡的第一支路的漏極端。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面,提供了一種用于生成輸出電壓的電路,所述 電路包括:電流模式帶隙基準(zhǔn)電路,被配置為生成參考電流;誤差放大器,具有第一輸入、第二輸入和單端輸出,其中,所述第一輸入連接至參考電壓,并且所述第二輸入通過反饋電阻器連接至所述電路的輸出節(jié)點,所述反饋電阻器包括連接至所述輸出節(jié)點的第一端,和連接至所述第二輸入的第二端;傳輸晶體管,包括連接至所述誤差放大器的單端輸出的控制電極,連接至所述電源電壓的第一電極,以及連接至所述電路的輸出節(jié)點的第二電極;電流鏡,所述電流鏡包括:第一NMOS晶體管,包括連接至接地參考電壓的源極端,連接至所述第一NMOS晶體管的漏極端的柵極端,以及連接至所述電流模式帶隙基準(zhǔn)電路的漏極端,其中,所述參考電流流經(jīng)所述第一NMOS晶體管的漏極端和源極端;和第二NMOS晶體管,包括連接至所述接地參考電壓的源極端,連接至所述第一NMOS晶體管的柵極端的柵極端,以及連接至所述反饋電阻器的第二端的漏極端;其中,流經(jīng)所述第二NMOS晶體管的漏極端和源極端的輸出電流基于所述參考電流和所述電流鏡的鏡像比率;以及其中,所述輸出節(jié)點提供所述電路的輸出電壓。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面,提供了一種用于設(shè)置低壓降穩(wěn)壓器的輸出電壓的方法,所述方法包括:提供補(bǔ)償所述低壓降穩(wěn)壓器中的溫度變化的參考電流;在電流鏡的第一支路處接收所述參考電流,其中,所述參考電流流經(jīng)所述第一支路;將所述參考電流從所述第一支路復(fù)制到所述電流鏡的第二支路,所述參考電流的復(fù)制使輸出電流流經(jīng)所述第二支路,其中,所述輸出電流基于流經(jīng)所述第一支路的所述參考電流和所述電流鏡的鏡像比率;在輸出節(jié)點處生成所述低壓降穩(wěn)壓器的輸出電壓,所述輸出節(jié)點連接至反饋電阻器的第一端,其中,所述反饋電阻器的第二端連接至:(i)所述低壓降穩(wěn)壓器的誤差放大器的第一輸入,以及(ii)所述電流鏡的第二支路,并且所述誤差放大器的第二輸入連接至參考電壓;以及通過改變所述電流鏡的鏡像比率調(diào)節(jié)所述輸出電壓。
在該方法中,調(diào)節(jié)所述輸出電壓包括:斷開開關(guān),以將所述鏡像比率設(shè)置為第一值;以及閉合開關(guān),以將所述鏡像比率設(shè)置為第二值,所述第二值不同于所述第一值。
附圖說明
當(dāng)結(jié)合附圖進(jìn)行閱讀時,根據(jù)下面詳細(xì)的描述可以更好地理解本發(fā)明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是,根據(jù)工業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)實踐,各種部件沒有被按比例繪制并且僅僅用于說明的目的。實際上,為了清楚的討論,各種部件的尺寸可以被任意增加或減少。
圖1示出了根據(jù)一些實施例的用于生成輸出電壓的示例性電路。
圖2示出了根據(jù)一些實施例包括可調(diào)疊接結(jié)構(gòu)電流鏡(cascode current mirror)的示例性電路。
圖3示出了根據(jù)一些實施例包括電流模式帶隙基準(zhǔn)電路的示例性電路。
圖4示出了根據(jù)一些實施例生成輸出電壓的示例性電路,其中,該電路不使用電流模式帶隙基準(zhǔn)電路。
圖5是示出了根據(jù)一些實施例的用于設(shè)置低壓降穩(wěn)壓器的輸出電壓的方法的示例性步驟的流程圖。
具體實施方式
以下公開內(nèi)容提供了許多不同實施例或?qū)嵗?,用于實現(xiàn)所提供主題的不同特征。以下將描述組件和布置的特定實例以簡化本發(fā)明。當(dāng)然,這些僅是實例并且不旨在限制本發(fā)明。例如,在以下描述中,在第二部件上方或上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接觸的實施例,也可以包括形成在第一部件和第二部件之間的附加部件使得第一部件和第二部件不直接接觸的實施例。另外,本發(fā)明可以在多個實例中重復(fù)參考標(biāo)號和/或字符。這種重復(fù)是為了簡化和清楚的目的,并且其本身不指示所討論的各個實施例和/或配置之間的關(guān)系。
圖1示出了根據(jù)一些實施例的生成輸出電壓140的示例性的電路100。電路100包括被配置為生成參考電流IREF 107的電流源106和低壓降(LDO)穩(wěn)壓器104。如圖1所示,LDO穩(wěn)壓器104包括誤差放大器110(即,差分放大器),該誤差放大器110具有第一輸入112、第二輸入114和單端輸出116。第一輸入112連接至參考電壓VREF 118,并且參考電壓VREF 118是不受電路100中的工藝、電壓和溫度(PVT)變化影響的固定電壓。
在實例中,通過電壓模模式帶隙基準(zhǔn)電路生成參考電壓VREF 118,該電壓模模式帶隙基準(zhǔn)電路使得參考電壓VREF 118基本不變,并且不受電路100中的PVT變化的影響。在其他實例中,通過不同的電路或組件生成參考電壓VREF 118。誤差放大器110的第二輸入114通過反饋電阻器RFB 122連接至電路100的輸出節(jié)點120。輸出節(jié)點120提供低壓降穩(wěn)壓器104的輸出電壓VOUT140。如圖1所示,反饋電阻器RFB 122包括連接至輸出節(jié)點120的第一端,和連接至誤差放大器110的第二輸入114的第二端。
誤差放大器110的單端輸出116連接至低壓降穩(wěn)壓器104的傳輸晶體管(pass transistor)MPASS。傳輸晶體管MPASS(也被稱為功率晶體管)包括連接至誤差放大器110的單端輸出116的控制電極126,連接至電源電壓130的第一電極128,以及連接至LDO穩(wěn)壓器104的輸出節(jié)點120的第二電極132。在圖1的實例中,傳輸晶體管MPASS是p型MOS晶體管,使得控制電極126是柵極端,第一電極128是源極端,以及第二電極132是漏極端。應(yīng)該理解,圖1的實例中示出的p型MOS晶體管僅是示例性的,并且在其他的實例中,可使用n型MOS晶體管或其他類型的晶體管作為傳輸晶體管。
通過調(diào)節(jié)電流鏡108的參數(shù)改變LDO穩(wěn)壓器104的輸出電壓VOUT140,其中,電流鏡108包括第一支路134和第二支路136。如圖1所示,電流鏡108的第一支路134連接至電流源106,并且該連接使參考電流IREF 107流經(jīng)第一支路134。電流鏡108的第二支路136連接至反饋電阻器RFB 122的第二端。
將參考電流IREF 107從第一支路134復(fù)制到第二支路136,通過該復(fù)制使輸出電流IOUT138流經(jīng)第二支路136。流經(jīng)第二支路136的輸出電流IOUT138基于流經(jīng)第一支路134的參考電流IREF 107和電流鏡108的鏡像比率(mirror ratio)。鏡像比率是流經(jīng)第一支路134的電流(即,圖1的實例中的參考電流IREF 107)和流經(jīng)第二支路136的電流(即,圖1的實例中的輸出電流IOUT138)的比率。鏡像比率基于第一支路134和第二支路136所包括的晶體管的結(jié)構(gòu)尺寸并且基于第一支路134和第二支路136中每一個所包括的晶體管的數(shù)量,以及其他的因素。
在圖1的實例中,電流鏡108的第一支路134包括第一NMOS晶體管MIR1,并且第二支路136包括第二NMOS晶體管MIR2。應(yīng)該理解,圖1中的電流鏡108的配置僅是示例,并且在其他的實例中,可以不同的方式實現(xiàn)電流鏡108。在圖1中,支路134、136中的每一個均包括單個晶體管,使得如果第一NMOS晶體管MIR1和第二NMOS晶體管MIR2具有相同的結(jié)構(gòu)尺寸(如,晶體管寬度、溝道長度、厚度等),那么流經(jīng)第二支路136的輸出電流IOUT138與流經(jīng)第一支路134的參考電流IREF 107相等。在第一NMOS晶體管MIR1和第二NMOS晶體管MIR2的尺寸不同的實例中,輸出電流IOUT138不同于參考電流IREF 107。例如,如果第二NMOS晶體管MIR2的寬度是第一NMOS晶體管MIR1的寬度的兩倍,那么輸出電流IOUT138是參考電流IREF 107的兩倍。
沒有電流或有非常小的電流流入誤差放大器110的第二輸入114。因此,如圖1所示,流經(jīng)電流鏡108的第二支路136的輸出電流IOUT 138也流經(jīng)傳輸晶體管MPASS的源極128和漏極132,以及流經(jīng)反饋電阻器RFB122的第一端和第二端。
如圖1所示,用箭頭示出第二支路136的第二NMOS晶體管MIR2。該箭頭表示第二支路136的一個或多個參數(shù)是可調(diào)節(jié)的(即,可調(diào)的),并且調(diào)節(jié)一個或多個參數(shù)可用于改變電流鏡108的鏡像比率。在實例中,改變第二支路136的一個或多個參數(shù),并且一個或多個參數(shù)的變化改變了電流鏡108的鏡像比率。例如,使用開關(guān)調(diào)節(jié)電流鏡108的鏡像比率,其中,閉合開關(guān)使附加的晶體管連接至第二支路136(即,由此使輸出電流IOUT 138增大),以及斷開開關(guān)使附加的晶體管與第二支路136斷開(即,由此使輸出電流IOUT138減小)。下文將參考圖2描述示出使用這種開關(guān)的實例。
盡管圖1的實例示出了可調(diào)的第二支路136,但是通常應(yīng)該理解,電流鏡108是包括一個或多個參數(shù)的可調(diào)電流鏡,調(diào)節(jié)一個或多個參數(shù)來改變鏡像比率。因此,在實例中,第一支路134的參數(shù)是可調(diào)的,以改變電流鏡108的鏡像比率。在另一個實例中,第一支路134和第二支路136的參數(shù)都是可調(diào)的,以改變電流鏡108的鏡像比率。
通過調(diào)節(jié)電流鏡108的鏡像比率,來改變LDO穩(wěn)壓器104的輸出電壓VOUT 140。通過等式1給出輸出電壓VOUT 140:
VOUT=VREF+(RFB*IOUT) (等式1)
其中,如圖1所示,VOUT是輸出電壓140,VREF是參考電壓118,RFB是反饋電阻器122的電阻,以及IOUT是輸出電流138。如上所述,流經(jīng)第二支路136以及反饋電阻器122的第一端和第二端的輸出電流IOUT 138基于電流鏡108的鏡像比率。因此,如上所述,通過調(diào)節(jié)可調(diào)電流鏡108的一個或多個參數(shù),來改變輸出電流IOUT 138,并且因此,也可改變LDO穩(wěn)壓器104的輸出電壓VOUT 140。可通過改變電流鏡108的鏡像比率精確地改變LDO穩(wěn)壓器104的輸出電壓VOUT140。下文將參考圖2和圖5更加詳細(xì)地描述以這種方式改變輸出電壓VOUT 140。
如上所述,生成輸出電壓VOUT 140的電路100包括被配置為生成參考電流IREF 107的電流源106。電流源106連接至電源電壓130,并且給電流鏡108的第一支路134提供參考電流IREF 107。通過電流源106生成的參考電流IREF 107不受電路100中的電源電壓變化的影響,并且在實例中,電流源106是電流模式帶隙基準(zhǔn)電路。在其他實例中,電流源106不是電流模式帶隙基準(zhǔn)電路。
盡管通過電流源106生成的參考電流IREF 107通常是恒定電流(例如,如上所述,改變電路100中的電源電壓時,參考電流IREF 107是不變的),但是參考電流IREF 107根據(jù)反饋電阻器RFB 122的電阻的變化而改變。因此,電流源106和參考電流IREF 107被視為具有“電阻器跟蹤能力”,使得當(dāng)反饋電阻器RFB 122的電阻發(fā)生變化時,參考電流IREF 107也會改變。具體地,參考電流IREF 107隨著反饋電阻器RFB 122的電阻的減小而增大,并且參考電流IREF 107隨著反饋電阻器RFB 122的電阻的增大而減小。因此,參考電流IREF 107和反饋電阻器RFB 122的電阻具有負(fù)相關(guān)的關(guān)系(或者成反比)。
不管電路100中的工藝、電壓和/或溫度如何變化,電流源106和參考電流IREF 107的電阻器跟蹤能力確保LDO穩(wěn)壓器104的輸出電壓VOUT 140基本保持不變。為了說明的目的,根據(jù)參考電流IREF 107改寫等式1:
VOUT=VREF+(RFB*α1*IREF) (等式2)
其中,VOUT是輸出電壓140,VREF是參考電壓118,RFB是反饋電阻器122的電阻,IREF是參考電流107,以及α1是電流鏡108的鏡像比率,使α1等于(IOUT/IREF)。如上所述,當(dāng)反饋電阻器RFB 122的電阻發(fā)生變化時,參考電流IREF 107也會改變,其中,參考電流IREF 107隨著反饋電阻器RFB 122的電阻的減小而增大,并且參考電流IREF 107隨著反饋電阻器RFB 122的電阻的增大而減小。反饋電阻器RFB 122由工藝依賴性和溫度依賴性的材料制成,并且因此,反饋電阻器RFB 122的電阻的改變是由于電路100中的工藝和溫度的變化。不管電路100中的工藝、電壓和/或溫度如何變化,參考電流IREF 107被配置為跟蹤反饋電阻器RFB 122的變化,使得輸出電壓VOUT 140基本不變。因此,參考等式2,例如,隨著反饋電阻器RFB 122的電阻的增大,參考電流IREF 107相應(yīng)地減小,使得輸出電壓VOUT 140基本不變。
在不使用可調(diào)電流鏡108的傳統(tǒng)的LDO穩(wěn)壓器中,可使用一個或多個傳輸門,以調(diào)節(jié)LDO穩(wěn)壓器的輸出電壓。在LDO穩(wěn)壓器中使用這種傳輸門涉及多個問題(如,阻斷某些輸出電壓等),并且因此,不包括傳輸門的電路100解決了在傳統(tǒng)的LDO穩(wěn)壓器中固有的一個或多個問題。附加地,圖1的電路100示出了最小PVT角變化,并且如上所述,參考等式2,至少部分地通過以下應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)該最小PVT角變化:(i)使用恒定的參考電壓VREF 118(不受電路100中的工藝、電壓和溫度變化的影響),以及(ii)使用電流源106的電阻器跟蹤,從而緩和反饋電阻器RFB 122的電阻的改變對輸出電壓VOUT 140的影響。
如下詳細(xì)地描述的圖2至圖4包括的組件與圖1的電路100中所的組件相同或基本相似。在圖2至圖4中,這樣的組件用與圖1中所使用的相同的參考標(biāo)號標(biāo)注。為了簡潔,在下面將不再重復(fù)這些組件的描述。
圖2示出了根據(jù)一些實施例的包括可調(diào)疊接結(jié)構(gòu)的示例性電路200。如上文中參考圖1所述的,本文所描述的生成輸出電壓的電路包括可調(diào)電流鏡。通過調(diào)節(jié)可調(diào)電流鏡的一個或多個參數(shù),改變電流鏡的鏡像比率,并且因此,改變LDO穩(wěn)壓器的輸出電壓。圖2示出了包括開關(guān)250的可調(diào)電流鏡的實例。使用開關(guān)250調(diào)節(jié)電流鏡的鏡像比率,其中,斷開開關(guān)250 使電流鏡具有第一鏡像比率,閉合開關(guān)250使電流鏡具有第二鏡像比率。當(dāng)通過斷開和閉合開關(guān)250在第一鏡像比率和第二鏡像比率之間改變鏡像比率時,相應(yīng)地改變了LDO穩(wěn)壓器204的輸出電壓VOUT 140。
圖2的可調(diào)電流鏡包括第一支路234和第二支路236。電流鏡的第一支路234包括第一NMOS晶體管N1,該第一NMOS晶體管N1具有連接至電流源106的漏極端,以及連接至偏壓(即,在圖2中標(biāo)注為“VB”)的柵極端。第一支路234還包括第二NMOS晶體管N2,該第二NMOS晶體管N2的漏極端連接至第一NMOS晶體管N1的源極端,并且該第二NMOS晶體管N2的源極端連接至接地參考電壓。
電流鏡的第二支路236包括第三NMOS晶體管N3,該第三NMOS晶體管N3的漏極端連接至反饋電阻器RFB 122的第二端,并且該第三NMOS晶體管N3的柵極端連接至偏壓。第二支路236的第四NMOS晶體管N4的漏極端連接至第三NMOS晶體管N3的源極端,該第四NMOS晶體管N4的柵極端連接至第二NMOS晶體管N2的柵極端,以及該第四NMOS晶體管N4的源極端連接至接地參考電壓。第二支路236還包括第五NMOS晶體管N5,該第五NMOS晶體管N5的漏極端連接至反饋電阻器RFB 122的第二端,并且該第五NMOS晶體管N5的柵極端連接至偏壓。第二支路236的第六NMOS晶體管N6的漏極端連接至第五NMOS晶體管N5的源極端,該第六NMOS晶體管N6的柵極端連接至第二NMOS晶體管N2的柵極端,以及該第六NMOS晶體管N6的源極端通過開關(guān)250連接至接地參考電壓。
如圖2所示,通過使用開關(guān)250調(diào)節(jié)電流鏡,從而使第六NMOS晶體管N6的源極端連接至接地參考電壓或與接地參考電壓斷開。當(dāng)開關(guān)250斷開時,沒有電流流經(jīng)第五晶體管N5和第六晶體管N6。如果第三NMOS晶體管N3和第四NMOS晶體管N4的結(jié)構(gòu)尺寸分別與第一NMOS晶體管N1和第二NMOS晶體管N2的結(jié)構(gòu)尺寸相同,那么輸出電流IOUT 138與通過電流源106生成的參考電流IREF 107相等。因此,在這種情況下,LDO穩(wěn)壓器204的輸出電壓140等于:
VOUT=VREF+(RFB*IREF) (等式3)
其中,VOUT是輸出電壓140,VREF是參考電壓118,RFB是反饋電阻器122的電阻,以及IREF是參考電流107。
相反地,當(dāng)開關(guān)250閉合時,電流流經(jīng)第五NMOS晶體管N5和第六NMOS晶體管N6。如果第三NMOS晶體管N3和第四NMOS晶體管N4的結(jié)構(gòu)尺寸分別與第一NMOS晶體管N1和第二NMOS晶體管N2的結(jié)構(gòu)尺寸相同,并且如果第五NMOS晶體管N5和第六NMOS晶體管N6的結(jié)構(gòu)尺寸分別與第一NMOS晶體管N1和第二NMOS晶體管N2的結(jié)構(gòu)尺寸相同,那么輸出電流IOUT138是參考電流IREF 107的兩倍。因此,在這種情況下,LDO穩(wěn)壓器204的輸出電壓140等于:
VOUT=VREF+(RFB*2*IREF) (等式4)
在這些情況下,當(dāng)開關(guān)斷開時,電流鏡的鏡像比率等于“1”,并且當(dāng)開關(guān)閉合時,電流鏡的鏡像比率等于“2”。因此,圖2的實例示出了調(diào)節(jié)電流鏡的一個或多個參數(shù),其中,調(diào)節(jié)一個或多個參數(shù)改變了電流鏡的鏡像比率和LDO穩(wěn)壓器204的輸出電壓。應(yīng)該理解,圖2的電流鏡和調(diào)節(jié)鏡像比率的裝置(即,開關(guān)250)僅是示例。在其他實例中,可使用不同類型的晶體管和/或其他的組件實現(xiàn)電流鏡,并且調(diào)節(jié)鏡像比率的裝置可不使用開關(guān)。通常,相對于流經(jīng)其他支路的電流量,用于調(diào)節(jié)流經(jīng)電流鏡的第一支路或第二支路的電流量的任何裝置是調(diào)節(jié)鏡像比率的適當(dāng)?shù)难b置。在某些實例中,通過改變第一支路或第二支路所包括的晶體管的結(jié)構(gòu)尺寸和/或改變第一支路或第二支路中傳送電流的晶體管的數(shù)量,來調(diào)節(jié)鏡像比率。
圖3示出了根據(jù)一些實施例包括電流模式帶隙基準(zhǔn)電路302的示例性電路300。如上文中參考圖1所述,在某些實例中,本文所描述的生成輸出電壓的電路使用電流模式帶隙基準(zhǔn)電路實現(xiàn)電流源106。因此,在這些實例中,通過電流模式帶隙基準(zhǔn)電路生成參考電流IREF 107,并且不管電路中的電源電壓如何變化,參考電流IREF 107基本不變。圖3示出了本發(fā)明的電路中使用的示例性的電流模式帶隙基準(zhǔn)電路302,以生成參考電流IREF107。
電流模式帶隙基準(zhǔn)電路302包括互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)運算放大器340,該CMOS運算放大器340包括第一輸入、第二輸入和單端 輸出。第一電阻器R1具有連接至接地參考電壓的第一端,和連接至CMOS運算放大器340的第一輸入的第二端。電流模式帶隙基準(zhǔn)電路302所包括的第二電阻器R2的第一端連接至接地參考電壓,第二電阻器R2的第二端連接至CMOS運算放大器340的第二輸入。
電流模式帶隙基準(zhǔn)電路302所包括的第一雙極結(jié)型晶體管Q1的發(fā)射極端連接至CMOS運算放大器340的第一輸入,第一雙極結(jié)型晶體管Q1的集電極端連接至接地參考電壓,以及第一雙極結(jié)型晶體管Q1的基極端連接至第一雙極結(jié)型晶體管Q1的集電極端。第二雙極型晶體管Q2的集電極端連接至接地參考電壓,并且第二雙極型晶體管Q2的基極端連接至第二雙極型晶體管Q2的集電極端。電流模式帶隙基準(zhǔn)電路302所包括的第三電阻器R3的第一端連接至第二雙極型晶體管Q2的發(fā)射極端,并且第三電阻器R3的第二端連接至CMOS運算放大器340的第二輸入。
電流模式帶隙基準(zhǔn)電路302還包括第一PMOS晶體管M1,該第一PMOS晶體管M1的源極端連接至電源電壓,該第一PMOS晶體管M1的漏極端連接至CMOS運算放大器340的第一輸入,以及該第一PMOS晶體管M1的柵極端連接至CMOS運算放大器340的單端輸出。第二PMOS晶體管M2的源極端連接至電源電壓,該第二PMOS晶體管M2的漏極端連接至CMOS運算放大器340的第二輸入,以及該第二PMOS晶體管M2的柵極端連接至CMOS運算放大器340的單端輸出。電流模式帶隙基準(zhǔn)電路302包括第三PMOS晶體管M3,其源極端連接至電源電壓,并且其柵極端連接至第二PMOS晶體管M2的柵極端。
電流模式帶隙基準(zhǔn)電路302還包括參考電阻器RREF,該參考電阻器RREF的第一端連接至第三PMOS晶體管M3的漏極端,并且該參考電阻器RREF的第二端連接至接地參考電壓。通過電流模式帶隙基準(zhǔn)電路302生成的帶隙電流IBG 342流經(jīng)第三PMOS晶體管M3的源極端和漏極端并流經(jīng)參考電阻器RREF。帶隙電流IBG 342不會隨著電路300中的電源電壓的變化而改變。
為了生成帶隙電流IBG 342,假設(shè)運算放大器340是理想的,即具有無窮大的DC增益和零偏移電壓。第一PMOS晶體管M1、第二PMOS晶體管M2和第三PMOS晶體管M3相匹配,并且R1等于R2。因此,節(jié)點電 壓V1和節(jié)點電壓V2相等,電流I1和電流I2相等,以及I1a=I2a,I1b=I2b。在電路302中生成兩種類型的電流,即I1a(I2a)和I2b(I1b)。首先,I1a(I2a)是與第一雙極結(jié)型晶體管Q1的VBE成正比的電流,并且具有負(fù)溫度系數(shù)。其次,I2b(I1b)是與基于第三電阻器R3以及第一雙極結(jié)型晶體管Q1和第二雙極型晶體管Q2的ΔVBE所生成的絕對溫度(PTAT)成正比的電流。PTAT電流具有正溫度系數(shù),并且因此,隨著溫度的升高而增大。使用適當(dāng)?shù)膮?shù)值,實現(xiàn)電流I1(I2)的溫度依賴性的補(bǔ)償,同時補(bǔ)償溫度輸出電流為帶隙電流IBG 342。如圖3的實例所示,通過帶隙電流IBG 342流經(jīng)參考電阻器RREF形成參考電壓VREF 118,使得帶隙電流IBG 342等于(VREF/RREF)。
盡管由于上述原因,帶隙電流IBG 342的生成消除了一些帶隙電流IBG342的溫度依賴性,但是應(yīng)該理解,由于電流342與參考電阻器RREF的關(guān)系,所以該電流342仍然具有溫度依賴性。如上所述,帶隙電流IBG 342等于(VREF/RREF)。盡管參考電壓VREF 118是不受PVT變化影響的恒定電壓,但是電阻器RREF由工藝依賴性和溫度依賴性的材料制成。因為帶隙電流IBG342是工藝依賴性和溫度依賴性的電阻器RREF的函數(shù),所以帶隙電流IBG 342顯示出工藝和溫度依賴性。如上所述,帶隙電流IBG 342不受電路300中的電源電壓變化的影響。
第四PMOS晶體管M4的源極端連接至電源電壓,該第四PMOS晶體管M4的柵極端連接至第三PMOS晶體管M3的柵極端,以及該第四PMOS晶體管M4的漏極端連接至電流鏡的第一支路134。第三晶體管M3和第四晶體管M4實現(xiàn)了第二電流鏡,使得提供給第一支路134的參考電流IREF107等于帶隙電流IBG 342乘以第二電流鏡的鏡像比率,即,IREF=α2*IBG,其中,α2是通過晶體管M3和晶體管M4實現(xiàn)的第二電流鏡的鏡像比率。
如上所述,帶隙電流IBG 342不受電源電壓變化的影響,但是由于電流342與工藝依賴性和溫度依賴性的電阻器RREF的關(guān)系,所以帶隙電流IBG 342顯示出了工藝和溫度依賴性。因為參考電流IREF 107基于帶隙電流IBG 342(即,IREF=α2*IBG),所以參考電流IREF 107根據(jù)電路300中的工藝和溫度的變化而變化。而且,由于電流107和電流342之間的關(guān)系,所以參考電流IREF 107顯示出帶隙電流IBG 342的電阻器跟蹤能力。帶隙電流IBG 342 的電阻器跟蹤能力基于電路302中所包括的參考電阻器RREF。帶隙電流IBG342與參考電阻器RREF的電阻成反比,即,IBG=(VREF/RREF)。電流模式帶隙基準(zhǔn)電路302的參考電阻器RREF和LDO穩(wěn)壓器304的反饋電阻器RFB 122由一個襯底上的相同的材料形成,使得在工藝、電壓和溫度(PVT)變化的情況下,反饋電阻器RFB 122和參考電阻器RREF具有相似的電氣特性。因此,參考電阻器RREF的電阻跟蹤反饋電阻器RFB 122的電阻的變化,即,電阻器RREF的電阻隨著反饋電阻器RFB 122的電阻的增大而增大,并且電阻器RREF的電阻隨著反饋電阻器RFB 122的電阻的減小而減小。
,帶隙電流IBG 342基于電阻RREF的變化而跟蹤反饋電阻器RFB 122的電阻的變化(即,由于IBG=VREF/RREF),使得帶隙電流IBG 342:(i)隨著反饋電阻器RFB 122的電阻的減小而增大,以及(ii)隨著反饋電阻器RFB 122的電阻的增大而減小。因為參考電流IREF 107基于帶隙電流IBG 342(即,IREF=α2*IBG),所以參考電流IREF 107:(i)也隨著反饋電阻器RFB 122的電阻的減小而增大,以及(ii)隨著反饋電阻器RFB 122的電阻的增大而減小。因此,參考電流IREF 107具有電阻器跟蹤能力。
參考電流IREF 107的電阻器跟蹤能力使得不管電路300中的工藝、電壓和/或溫度如何變化,LDO穩(wěn)壓器304的輸出電壓VOUT 140基本保持不變。為了說明的目的,根據(jù)參考電阻器RREF改寫等式1:
IOUT=α1*IREF (等式5)
IREF=α2*IBG (等式6)
其中,VOUT是輸出電壓140,VREF是參考電壓118,RFB是反饋電阻器122的電阻,IREF是參考電流107,α1是支路134和支路136之間形成的電流鏡的鏡像比率,以及α2是通過晶體管M3和晶體管M4實現(xiàn)的第二電流鏡的鏡像比率。
如上所述,當(dāng)反饋電阻器RFB 122的電阻發(fā)生變化時,參考電阻器RREF的電阻也隨之改變,即,參考電阻器RREF的電阻和反饋電阻器RFB 122的電阻具有正相關(guān)性。由于參考電阻器RREF以這種方式跟蹤反饋電阻器RFB 122,以及由于參考電壓VREF 118不受PVT變化的影響,所以不管電路300中的工藝、電壓或溫度如何變化,輸出電壓VOUT 140基本不變。參考等式8,例如,隨著反饋電阻器RFB 122的電阻的增大,參考電阻器RREF的電阻也相應(yīng)的增大,使得輸出電壓VOUT 140基本不變。
圖4示出了根據(jù)一些實施例的生成輸出電壓的示例性電路400,其中,電路400不使用電流模式帶隙基準(zhǔn)電路。如上文中參考圖1所述,在某些實例中,本文所描述的生成輸出電壓的電路不使用電流模式帶隙基準(zhǔn)電路實現(xiàn)電流源106。因此,在這些實例中,基于不受PVT變化影響的為恒定電壓的參考電壓VREF 118生成參考電流IREF 107。在實例中,使用電壓模式帶隙基準(zhǔn)電路生成參考電壓VREF 118。在其他實例中,使用不同的電路或組件生成參考電壓VREF 118。圖4示出了示例性電流源402,該示例性電流源402為非電流模式帶隙基準(zhǔn)電路,并且使用參考電壓VREF 118生成參考電流IREF 107。
電流源402包括互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)運算放大器440,該CMOS運算放大器440包括第一輸入、第二輸入和單端輸出。CMOS運算放大器440的第一輸入連接至參考電壓VREF 118。第一PMOS晶體管M1的源極端連接至電源電壓,并且該第一PMOS晶體管M1的柵極端連接至CMOS運算放大器440的單端輸出。第一電阻器R1的第一端連接至第一PMOS晶體管M1的漏極端,并且該第一電阻器R1的第二端連接至CMOS運算放大器440的第二輸入。
電流源402所包括的參考電阻器RREF的第一端連接至第一電阻器R1的第二端,并且參考電阻器RREF的第二端連接至接地參考電壓。第二PMOS晶體管M2的源極端連接至電源電壓,該第二PMOS晶體管M2的柵極端連接至第一PMOS晶體管M1的柵極端,以及該第二PMOS晶體管M2的漏極端連接至電流鏡的第一支路134。
如上所述,可用多種不同的方法來實現(xiàn)第一支路134和第二支路136之間所形成的電流鏡。在圖4的實例中,電流鏡的第一支路134包括第一NMOS晶體管MIR1。第一NMOS晶體管MIR1的漏極端連接至第二PMOS晶體管M2的漏極端,第一NMOS晶體管MIR1的源極端連接至接地參考 電壓,以及第一NMOS晶體管MIR1的柵極端連接至該第一NMOS晶體管MIR1的漏極端。電流鏡的第二支路136包括第二NMOS晶體管MIR2。第二NMOS晶體管MIR2的源極端連接至接地參考電壓,第二NMOS晶體管MIR2的柵極端連接至第一NMOS晶體管MIR1的柵極端,以及第二NMOS晶體管MIR2的漏極端連接至反饋電阻器RFB 122的第二端。
流經(jīng)第一PMOS晶體管M1的源極端和漏極端以及電阻器R1和RREF的電流IM1409等于(VREF/RREF)。盡管參考電壓VREF 118是不受PVT變化影響的恒定電壓,但是電阻器RREF由工藝依賴性和溫度依賴性的材料制成。因為電流IM1409是工藝依賴性和溫度依賴性的電阻器RREF的函數(shù),所以電流IM1409顯示出工藝和溫度依賴性。
第一PMOS晶體管M1和第二PMOS晶體管M2實現(xiàn)了第二電流鏡,使得提供給第一支路134的參考電流IREF 107等于電流IM1409乘以第二電流鏡的鏡像比率,即,IREF=α3*IM1,其中,α3是通過晶體管M1和晶體管M2實現(xiàn)的第二電流鏡的鏡像比率。如上所述,由于電流IM1409與工藝依賴性和溫度依賴性的電阻器RREF的關(guān)系(即,IM1=VREF/RREF),所以電流IM1409顯示出工藝和溫度依賴性。因為參考電流IREF 107基于電流IM1409,所以參考電流IREF 107也顯示出工藝和溫度依賴性。具體地,在圖4的實例中,參考電流IREF 107等于:
根據(jù)等式9,應(yīng)該理解,參考電流IREF 107顯示出了電阻器跟蹤能力,并且該電阻器跟蹤能力使得不管電路400中的工藝、電壓和/或溫度如何,輸出電壓VOUT140基本不變。參考電阻器RREF的電阻跟蹤反饋電阻器RFB122的電阻的變化,并且這使得參考電流IREF 107關(guān)于反饋電阻器RFB 122的電阻具有負(fù)相關(guān)的關(guān)系。由于與以上參考圖3所述原因相似的理由,不管電路400中的工藝、電壓和/或溫度如何變化,參考電流IREF 107的電阻器跟蹤能力使LDO穩(wěn)壓器404的輸出電壓VOUT 140基本保持不變。
圖5是示出根據(jù)一些實施例的設(shè)置低壓降穩(wěn)壓器的輸出電壓的方法的示例性的步驟的流程圖500。在步驟502中,提供參考電流。在步驟504中,在電流鏡的第一支路處接收參考電流,其中,參考電流流經(jīng)第一支路。 在步驟506中,將參考電流從第一支路復(fù)制到電流鏡的第二支路。參考電流的復(fù)制使輸出電流流經(jīng)第二支路,其中,輸出電流基于流經(jīng)第一支路的參考電流和電流鏡的鏡像比率。在步驟508中,在輸出節(jié)點處生成低壓降穩(wěn)壓器的輸出電壓,輸出節(jié)點連接至反饋電阻器的第一端。反饋電阻器的第二端連接至:(i)低壓降穩(wěn)壓器的誤差放大器的第二輸入,以及(ii)電流鏡的第二支路。誤差放大器的第二輸入連接至參考電壓。在步驟510中,通過改變電流鏡的鏡像比率調(diào)節(jié)輸出電壓。
本發(fā)明涉及生成輸出電壓的電路以及設(shè)置LDO穩(wěn)壓器的輸出電壓的方法。如上所述,生成輸出電壓的電路使用可調(diào)電流鏡,以改變LDO穩(wěn)壓器的輸出電壓。通過改變電流鏡的鏡像比率,精確地改變LDO穩(wěn)壓器的輸出電壓。生成輸出電壓的電路不使用傳輸門改變輸出電壓,因此,避免了傳統(tǒng)的LDO穩(wěn)壓器所涉及的問題。生成輸出電壓的電路還使用了具有電阻器跟蹤能力的電流源。具體地,通過電流源生成的參考電流跟蹤電路中所包括的一個或多個電阻器的電阻值的變化,以及該電阻器跟蹤能力使得不管電路中的工藝、電壓和/或溫度如何變化,LDO穩(wěn)壓器的輸出電壓基本不變。
在生成輸出電壓的電路的實施例中,電路包括被配置為生成參考電流的電流源以及具有第一輸入、第二輸入和單端輸出的誤差放大器。第一輸入連接至參考電壓,第二輸入通過反饋電阻器連接至電路的輸出節(jié)點。反饋電阻器的第一端連接至輸出節(jié)點,反饋電阻器的第二端連接至第二輸入。電路還包括傳輸晶體管,該傳輸晶體管的控制電極連接至誤差放大器的單端輸出,該傳輸晶體管的第一電極連接至電源電壓,以及該傳輸晶體管的第二電極連接至電路的輸出節(jié)點。電流鏡的第一支路連接至電流源,并且參考電流流經(jīng)第一支路。電流鏡的第二支路連接至反饋電阻器的第二端。流經(jīng)第二支路以及流經(jīng)反饋電阻器的第一端和第二端的輸出電流基于:(i)流經(jīng)第一支路的參考電流,以及(ii)電流鏡的鏡像比率。輸出節(jié)點提供電路的輸出電壓。
生成輸出電壓的電路的另一個實施例包括被配置為生成參考電流的電流模式帶隙基準(zhǔn)電路。電路還包括具有第一輸入、第二輸入和單端輸出的 誤差放大器。第一輸入連接至參考電壓,第二輸入通過反饋電阻器連接至電路的輸出節(jié)點,反饋電阻器的第一端連接至輸出節(jié)點,并且反饋電阻器的第二端連接至第二輸入。電路還包括傳輸晶體管,該傳輸晶體管的控制電極連接至誤差放大器的單端輸出,該傳輸晶體管的第一電極連接至電源電壓,以及該傳輸晶體管的第二電極連接至電路的輸出節(jié)點。電路還包括電流鏡。電流鏡包括第一NMOS晶體管,該第一NMOS晶體管的源極端連接至接地參考電壓,該第一NMOS晶體管的柵極端連接至該第一NMOS晶體管的漏極端,以及該第一NMOS晶體管的漏極端連接至電流模式帶隙基準(zhǔn)電路。參考電流流經(jīng)第一NMOS晶體管的漏極端和源極端。電流鏡還包括第二NMOS晶體管,該第二NMOS晶體管的源極端連接至接地參考電壓,該第二NMOS晶體管的柵極端連接至第一NMOS晶體管的柵極端,以及該第二NMOS晶體管的漏極端連接至反饋電阻器的第二端。流經(jīng)第二NMOS晶體管的漏極端和源極端的輸出電流基于參考電流和電流鏡的鏡像比率。輸出節(jié)點提供電路的輸出電壓。
在設(shè)置低壓降穩(wěn)壓器的輸出電壓的方法的實施例中,提供參考電流。在電流鏡的第一支路處接收參考電流,其中,參考電流流經(jīng)第一支路。將參考電流從第一支路復(fù)制到電流鏡的第二支路。參考電流的復(fù)制使輸出電流流經(jīng)第二支路,其中,輸出電流基于流經(jīng)第一支路的參考電流和電流鏡的鏡像比率。在輸出節(jié)點處生成低壓降穩(wěn)壓器的輸出電壓,輸出節(jié)點連接至反饋電阻器的第一端。反饋電阻器的第二端連接至:(i)低壓降穩(wěn)壓器的誤差放大器的第一輸入,以及(ii)電流鏡的第二支路。誤差放大器的第二輸入連接至參考電壓。通過改變電流鏡的鏡像比率調(diào)節(jié)輸出電壓。
上面論述了若干實施例的部件,使得本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以更好地理解本發(fā)明的各個方面。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解,可以很容易地使用本發(fā)明作為基礎(chǔ)來設(shè)計或更改其他用于達(dá)到與這里所介紹實施例相同的目的和/或?qū)崿F(xiàn)相同優(yōu)點的處理和結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員也應(yīng)該意識到,這種等效構(gòu)造并不背離本發(fā)明的精神和范圍,并且在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下,可以進(jìn)行多種變化、替換以及改變。