TW200817868A - A low dropout linear regulator having high power supply rejection and low quiescent current - Google Patents

Description

200817868 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】

本發明涉及低壓差（LDO) ^生穩壓器，特別地，涉 及具有内部基準電壓的穩壓器。 V 【先前技術】 幾乎所有電子產品都具有經調節的電源，調節的目的 是為了迎合電子設備的需求。穩壓器就是這種電源的重要 ，成部分，它的侧是使輸出電壓和/或電流鱗在期望的 範圍内。線性穩壓器是基於在“線性區，，中運行的雙極結型 電晶體或者場效應管等有源器件的穩壓器。線性穩壓器的 作用實質上如同可變電阻。 "" 低壓差或者LDO穩壓器是具有很小的輸入輸出電壓差 的直流（DC)線性穩壓器。穩壓器的電壓差決定了最低可 用工作電壓（SupplyVQltage)。由於目K崎於效率的要 求曰益提高，同時功耗的問題日益突出，低壓差穩壓器成 為線性麵器中的優_擇。另一個重要特性就^靜^ 流’或者在沒有負載時流過系統的電流。靜態電流導致輸 入電流和輪出電流之間的差異。靜態電流限制了 LD〇穩壓 器的效率，因此應該使之最小化。 電壓基準是大部分穩壓器的重要部分，其提供了與穩 壓器的輸出進行比較的基準電壓。穩壓器内的電路能夠控 制穩壓器的輸出以便在任何時候都追隨電壓基準。因此， 電壓基準的變化會直接並且不期望地影響穩壓器的電壓輸 200817868 【發明内容】 哭，=鐾於此’本發明的目的在於提供—種低壓差顧 :L括·可控觀元件，置於電源和所述穩㈣的輸出 而^間以控制從所述電源流到所述輸出端的電流；誤差放 、、匕括内^產生的基準電壓，其中所述誤差放大器與 所述輸出端通過第—電阻電連接，並檢測所述輸出端的電

[和所述鱗賴的龍差，其巾所述鮮縣是基於誤 差放大器元件的至少一個固有屬性；以及回饋連接器，在 所述，差放大器和所述可控通路元件之間，其中所述回饋 ^接為包括至少-個電流源，基於檢測到的戶斤述輸出端電 壓和所述基準電壓之間的電壓差來控制所述可控通路元 件。 根據本發明的低壓差穩壓器，其中所述可控通路元件 是電晶體。 根據本發明的低壓差穩壓器，其中所述誤差放大器包 括電流鏡，並且所述基準電壓基於電流鏡電晶體的基極一 發射極電壓。 根據本發明的低壓差穩壓器，其中所述基準電壓基於 誤差放大器電晶體的帶隙電壓。 根據本發明的低壓差穩壓器，其中至少部分所述誤差 放大器包括電晶體和電流源的組合。 根據本發明的低壓差穩壓器，其中所述誤差放大器包 括兩個級聯電路，每個級聯電路包含電晶體和電流源的組 200817868

根骒本發明的健差漏器，其中所述可控通路元件 是PNP電晶體，並且所述誤差放大器包括包含兩個刪 晶體的電流鏡，其中一個NPN電晶體的發射極連接 源電壓低啸低賴，另-個NPN f晶體的發射極通過第 -電阻連接到所述較低縣，兩個猶電晶體的集電 別通過貫質上她的第三電阻和第四電阻連細所述第一 電阻’其中輸出電壓是所述NPN電晶體中至少一個卿 電晶體的基極一發射極電壓的函數。 β根據本發明的低壓差懸器，其中所述可控通路元件 疋電晶體’所述電晶體的栅極連接到電流源，並且還連接 到栅極受所述誤差放大器的輸出控制的第二通路電晶體。 、本發明的另-目的在於提供一種低麗差電壓調節的方 法’包括：利用置於電源和輪出端之間的可控通路元件控 制從所述電源流到所述輸出端的電流；_與所述輸出^ 電連接的誤差放大器檢測所述輸出端的電壓和内部產生的 基準電壓之間的電壓差’其中所述基準電壓是基於誤差放 大器元件的至少-侧有屬性；以及基於檢剩的電壓 差’通過從所職差放大器_信制·可控通路元件 來調節所述可控通路元件。 根據本發_方法，財崎可控稱元件是電晶體。 根據本發明的方法，其巾所述縣放大器包括電流 鏡，所述基準電壓部分基於電流鏡電晶體的帶隙電壓。 根據本發_方法，其中在所述第—電阻和地 第二串連電阻。 8 200817868 根據本發日方法，其巾至少部分所賴差放大器包 括電晶體和電流源的組合。 根據本發明的方法，其中所述誤差放大器包括兩個或 兩個以上級聯電路’每個_電路包含電晶體和電流源的 組合。 根據本發_方法，其巾所述可控通路元件是腳電 晶體’並且所述誤差放大器包括包含兩個NpN電晶體的電 流鏡，其中-個NPN電晶體的發射極連接到比電源電壓低 的較低電壓，另—個醒電晶體的發射極通過第二電阻連 接到所述較低電壓，兩個顧電晶體的缝極分別通過實 質上相似的第三電阻和第四電阻連制第—電阻，其中輸 出電壓是所述NPN電晶體的基極—發射極電壓的函數。别 根據本發明的方法，其中所述可控通路元件是電晶 體’所述電晶體的栅極連接到電流源，並且還連接到拇: 受所述誤差放大器控制的第二通路電晶體。 本發明的另—目的在於提供—種低壓差電壓調節裝 置’包括.用於控制從電源流到輸出端的電流的裝置；用 於檢測所述輸出端的電屋和内部產生的基準電壓^間的電 壓差的裝置，射所絲準賴部分基於半物器件的至 少一個固有屬性；用於放大檢測到的電壓差的襞置；以及 基於經放大的檢測到的電壓差調節所述控制裝置的裝^。 根據本發明的裝置，其中胁檢測所述 和内部產生的基準電壓之間的電壓差的所述裝置包 鏡’並且所述基準縣基於所述電流鏡電晶_帶隙電^ 9 200817868 、根據本發明的裝置，其中用於放大的所述裝置包括兩 個或兩個以上級聯電路，每個級聯電路包含電晶 源的組合。 根據本發明的裝置，其中用於控制從電源流到輪出端 的電流的所述裝置是PNP電晶體，其中麟放大的所述】 置包括包含兩個NPN電晶體的電流鏡，其中一個NPN電 晶體的發射極連接到比電源電壓低的較低電壓，另一個 NPN電晶體的發射極通過電阻連接韻述較低電壓。根據 本發明的方法，其中所述可控通路元件是電晶體。 本發明運用可靠的半導體固有特性來產生電壓基準， 比如▼隙電壓基準’從而能夠在低壓差穩壓器内提供穩定 的電壓基準。 ~ 【實施方式】 以下公開的實施例描述了工作穩定且具有低壓差的穩 壓器，該穩壓器還能夠產生其自身的電壓基準。一些實施 例利用半導體的固有特性來產生電壓基準。 在以下說明中，提供了許多具體的細節用於對發明的 只％例提供透徹的理解，比如各種系統組成部分的標識。 但本領域的普通技術人員應該認識到，本發明在沒有一個 或多個特定細節的情況下同樣可以實現，或者使用其他方 法、器件、材料等實現。在一些情況下，公知的結構、材 料或操作並未在此詳細描述以避免造成本發明不同實施例 之間的特徵不明顯。 在說明書中提及“一個實施例，，時，意指關於該實施例 200817868 的特定特徵、結構鱗性包含在本發明的至少_ 施例中 個實 目此，在綱書㈣財提到“在—個實施例中,， 槿^指的是同—個實施例。而且，這些特定特徵、姓 =或特性可以以任何合適的方式結合在—個或多個實施。 例

^圖為線性DC/DC麵器的典型現有技術，其應用 、、/、、閉％負反饋控制系統將輸出電壓ν(^保持在期望電 平j其中乂⑽受基準輕Vref的控制。料i圖電路的回 鎮#刀中’輸出電壓的一部分’即Vfb被回饋到誤差放大器 105 °電阻R1和R2產生回饋增益，並且決定ν〇ω中多少量 被回饋作為Vf其中Vfb = V〇utxRl/(Rl+R2) 〇 在第1圖的前饋部分，誤差放大器105將Vfb和基準 電壓Vref相比較，並且放大比較得到的偏差/誤差以產生誤 差電壓Verr。在第1圖所示電路的前饋部分，激勵信號 用來驅動作為該控制系統的激勵器的電晶體103。電晶體 ⑽調節流經ri和R2的電流量，從而產生輸出電壓。 在這種典型的閉環控制系統中，Vout的任何改變都會產 生誤差信號verr，迫使回到指定電平。v〇ut下降導致Veir 上升，從而導致流經R1和R2的電流上升。乂⑽上升導致 Verr下降，從而導致流經R1和R2的電流下降。因為該電 路始終要保持Vfb等於Vref，並且Vfb=VQUtxRl/(Rl+R2)， 所以 Vcn^VJl+f^/RO。 從上式可以看到，第1圖中穩壓器的性能的瓶頸在於 基準電壓\^£的穩定性。這種電路在追隨基準電壓上表現很 200817868 好’然而’提供-個可靠穩定的基準電麼是另 給穩壓器的用戶造成了負擔。比如，如 、’ 的任何改_會通過基準電壓產n， 會變為 vrewVdd/(PSRRxVref)，其中 psRR 是 ^ 生器電路的電源抑佩。可以發現，J ^產 PSRR必須非常大。 μ疋的Vref， 以下公開的實施例能夠在穩壓器電路 電壓基準。—些實施例利用可靠的半導體固有 電壓基準，例如帶隙電壓基準。 ，孖性來產生 雷路根據本發明實施_LD0穩壓器的簡化高層 但並^雷2圖Γ，儘管單獨表示基準電壓Vc〇mp209 ’ ;TV ^路外部提供該鮮賴，^由經調節的輸出電 [〇ut&供’從而顯著增強了 PSRR。在第3圖中表示得更 清楚，v_p同樣在電路内部產生，由誤差放大器2〇3調節。 在一些實施例中，V_P是誤差放大器2G3的-部分。 第2圖還示出了控制環路，其中Vft是將關於輸出電壓 Venn的祕傳送到誤差放大器2〇3的回饋信號。電阻幻和 汜決定士回饋增益，並且用來僅回饋一部分vout。如果在回 饋Vwrt時V⑽沒有明顯減小，那麼電阻R2是可選的。 $在第2圖的電路中，回饋信號Vft與内部產生的基準電 e〇mp進行比較，並且被放大以產生誤差信號。誤差 ，號Ve"在電流源205的協助下產生激勵信號Vact來控制電 晶體207 ’其中電流源2〇5可以是多简流源的級聯。在第 2圖的控制環路中’電晶體2〇7作為激勵器用於調節流經 12 200817868 R1和流向輸出端的電流。請注意，誤差信號VeiT和/或Vact 可以是電壓信號也可以是電流信號。 第3圖是第2圖描述的LDO線性穩壓器201的更詳細 電路圖。通路電晶體207標注為QP16。電晶體QP13和QP17 用來輔助驅動通路電晶體QP16，而且作用於誤差放大過 程。電晶體QP13和QN17在回饋路徑中用來控制電晶體 QP16。電晶體qpi8*qp21形成電流源。電晶體qP21* QP19還形成另一個電流源。 經過電阻R47的電流是由流經R51的電流和流經R52 的電流之和來決定的，這兩條電流路徑是由qN15和qN16 部分形成的電流鏡的兩條支路。由於在此電流鏡中流經R51 和R52的電流是相等的並且同樣的電流流經R51和R46， 因此流經電阻R47的電流是流經電阻R46的電流的兩倍。 R46兩端的電壓等於qN15* QN16的基極—發發射極電壓 差。因此，流經R46的電流可以表示為： VR46 = VBE(QN16) - VBE(QN15) = AVbb = Vr &10, 该電壓在室溫下約為6〇mv。因此IR46可以表示為：

Ir46 = VR46/R46 = AVbe/R46 = VT £n10/R46 = l〇 或 Ir46 = lR51 ：= 34 丨R47 結果是：丨fw = 2AVbe/R46. 另外，vref可以表示為：

Vref = VBE(QN16) + |0 x R52 = VBE(QN16) + (VT fn10) X R52/R46, A =Vbe(qni6)+IR46xR5-| 因此，輸出電壓可以表示為： 13 200817868

Vout = Vref + lR47 X R47t 或=VBe(QN16) + lR46 X R51 + |R47 X R47 =VBE(QN16)+ AVbe x R51/R46+ 2AVBE x R47/R46 =vbe(qni6)+ AVbe (R51+ 2 R47)/R46 =vbe(qni6) + (VT to10)(R51+ 2 R47)/R46. 從上面的等式可以看出，通過選擇不同的電阻值可以 獲得低v_。 在第3圖的示例電路中，vout=VBE(QN16)+20』VBE。 另外，在這個實施例中，νοιιί的任何改變都會轉變為兄^ 的改變，而Vref的改變影響電晶體QN17的基極信號。從而， 電晶體QN17的基極將相似的信號發送給電晶體QPU的基 極，QP13控制電晶體QP16，而QP16調節V。^ 這些信號通過QN17和QP13後，還放大了源於電晶體 QN16的誤差信號。因此，第3圖所示的穩壓器的控制環路 利用電流鏡電晶體的基極一發發射極電壓和』Vbe作 為穩定的基準電壓的基礎，而不需要借助任何外界電壓基 準。 " 以上對於本發明實施例的具體描述並不意圖將本發明 限於以上公開的形式。在用於說明性目的的上述本發明具 體實施例和實例中，本領域普通技術人員應認識到，在本 發明範圍内可以有不同的等價修改。例如，雖然步驟和元 件都以給定的順序呈現，其他實施例可以不同的順序來執 行具有多種步驟或元件的例行程式。在此提出的本發明的 教導也可以運用於其他系統，並不只限於在此描述的網路 14 200817868 模型。上❹種實補巾的铸軸作可歧合以產生盆 他實施例，同時實施例中的1步驟或元件也可以省略、、 移動、添加、細分、組合和/或修改。每個步驟都可以以不 同方法實施。另外，當這些步驟被顯示為串列執行時，也 可以並行執行或者在不同時間實施。 除‘非上下文明確地要求，否則在說明書和申請專利範 圍中―組成”之類的詞不應以限制和窮盡的方式理解，而 應理解為“包括，但不局限於”。文中的單數也可以理解為 複數’同樣的複數也可以理解為單數。另外，文中的“在 此、以上’、“以下”等詞，在本申請中使用時，指的是全 文而非文中的—料。當中請專利範圍中用“或，，來連接一 序列-個或兩個以上的項目時，包括了以下所有的含義： 序列中的任何-項，相巾的所有項或者是相中專案的 任惫組各。 此處提供的本發日_教導可以獅於其他系統，並不 局限於此處描述㈣統。可以根據細節描述對發明進行這 -矛其他的魏。以上描述的元件和動作可以組合以提供 其他的實施例。 /' 所有以上專利和申請和其他參考檔，包括任何列在相 關申請資射的檔’作為參考在此合併。如果有必要，可 以修改本發明的—些方面，以·上述參考資料中的系 統，功能和概念來提供新的實施例。 e根據以上細節的描述，本發明可以進行這些和其他的 變換。雖然以上的描述將本發日具體實施例細節化並且 15 200817868 描述岐最好賴式，但無論以上文字 發明可以以不同方式實施。各種網路模型和實施=可ί 在細即上錢，但仍獨本伽的公職圍。正如: 文所述，在描述本發__和具财面時朗任 並不意味著重較義這麵語顧其關在本發明特: 性能’特點或具體方面上。朗來說，下对請專利範圍 用到的語句並不是將本發·制在制書巾的具體實施 例’除非上文的細節描述中具體的定義了這些語句。相應 的’本發明的實際範圍不僅包括公開的實施例，還包括在 在申明專利範圍範圍内的一切本發明的等同物。 雖然本發明的-些方面以某種申請專利範圍的形式呈 ^在下文’但發明人以其他中請專利範圍的形式概括了本 發明的各種方面。因此，發明人保紐交申請後增加申請 專利範圍權項來保護本發明其他方面的權利。 16 200817868 【圖式簡單說明】 第1圖為現有技術的線性穩壓器的電路圖。 第2圖為本發明一個實施例的LDO穩壓器的高層電路 圖。 第3圖為第2圖的LDO穩壓器的詳細電路圖。 【主要元件符號說明】

10 卜 103、207、QP13、QP16、QN17、QP18、 QP19、QP21、QN15、QN16 電晶體 Rl、R2、R46、R47、R50、R5 卜 R52、R56 電阻 V〇ut % Vref Vact Vc〇MP VeRR Vfb 105 201 203 205 電壓 激勵信號 基準電壓 誤差信號 回饋信號 誤差放大器 LDO線性穩壓器 誤差放大器 電流源 17

Claims (1)

1. 200817868 十、申請專利範圍： 種低壓差穩壓器，包括： 可控通路元件，置於電源和所述穩壓輸 以控制從所述電源流到所述輸出端的電流，·出而之間

   决差放大器，包括内部產生的基準電壓，其中所述誤 私放大㈣所述輸出端通過第—電阻f連接，並檢測所述 輸f端的電壓和所述基準電壓的電壓差，其中所述基準電 [疋基於誤差放大器元件的至少一個固有屬性；以及 回饋連接器，在所述誤差放大器和所述可控通路元件 之間，其中所述回饋連接器包括至少一個電流源，基於檢 成I到的所述輸出端電壓和所述基準電壓之間的電壓差來控 制所述可控通路元件。 2·如申請專利範圍第1項所述的低壓差穩壓器，其中所 述可控通路元件是電晶體。 3·如申請專利範圍第1項所述的低壓差穩壓器，其中所 述误差放大器包括電流鏡，並且所述基準電壓基於電流鏡 電晶體的基極一發射極電壓。 4·如申請專利範圍第1項所述的低壓差穩壓器，其中 所述基準電壓基於誤差放大器電晶體的帶隙電壓。 5·如申請專利範圍第1項所述的低壓差穩壓器，其中 至少部分所述誤差放大器包括電晶體和電流源的組合。 6·如申請專利範圍第1項所述的低壓差穩壓器，其中 所述誤差放大器包括兩個級聯電路，每個級聯電路包含電 晶體和電流源的組合。 18 200817868 7·如申請專利範圍第1項所述的低壓差穩壓器，其中 所述可控通路元件是ΡΝΡ電晶體，並且所述誤差放大器包 括包含兩個ΝΡΝ電晶體的電流鏡，其中一個νρΝ電晶體 的發射極連接到比電源電壓低的較低電壓，另一個ΝΡΝ電 晶體的發射極通過第二電阻連接到所述較低電壓，兩個 ΝΡΝ電晶體的集電極分別通過實質上相似的第三電阻和第 四電阻連接到所述第一電阻，其中輸出電壓是所述ΝΡΝ電 曰曰體中至少一個ΝΡΝ電晶體的基極一發射極電壓的函數。 8·如申請專利範圍第丨項所述的低壓差穩壓器’其中 所述可控通路元件是電晶體，所述電晶體的柵極連接到電 流源，並且還連接到柵極受所述誤差放大器的輸出控制的 第二通路電晶體。 9·一種低壓差電壓調節的方法，包括： 利用置於電源和輸出端之間的可控通路元件控制從所 述電源流到所述輸出端的電流； 利用與所述輸出端電連接的誤差放大器檢測所述輸出 端的電壓和内部產生的基準電壓之間的電壓差，盆中所述 基準電壓是基於誤差放大H元件的至少—個財屬性；以 及 基於檢測到的電壓差，通過從所述誤差放大器回饋化 號到所述可控通路元件來調節所述可控通路元件。 ΰ 10. 如申請專種圍第9項所述的綠，射所述可控 通路元件是電晶體。 I 11. 如申請專利範圍第9項所述的方法，其中所述誤差 19 200817868 放大器包括電流鏡，所述基準電壓部分基於電流鏡電晶體 的帶隙電壓。 12·如申請專利範圍第9項所述的方法，其中在所述第 一電阻和地之間有第二串連電阻。 13·如申請專利範圍第9項所述的方法，其中至少部分 所述誤差放大器包括電晶體和電流源的組合。 14·如申請專利範圍第9項所述的方法，其中所述誤差 放大包括兩個或兩個以上級聯電路，每個級聯電路包含 電晶體和電流源的組合。 15·如申睛專利範圍第9項所述的方法，其中所述可控 通路元件PNP電晶體，並且所述誤差放大器包括包含兩 個NPN電晶體的電流鏡，其中一個NpN電晶體的發射極 連接到比電源電壓低的較低電壓，另一個NPN電晶體的發 射極通過第二電阻連接到所述較低電壓，兩個NPN電晶體 的集電極分別it過實質上相似的第三電阻和第四電阻連接 到第一電阻，其中輸出電壓是所述NPN電晶體的基極一發 射極電壓的函數。 16·如申請專利範圍第9項所述的方法，其中所述可控 通路元件是電晶體，所述電晶體的栅極連接到電流源，並 且還連接到栅極受所述誤差放大器控制的第二通路 體。 17·—種低壓差電壓調節裝置，包括： 用於控制從電源流到輸出端的電流的裝置； 用於檢測所迷輸出端的電壓和内部產生的基準電壓之 20 200817868 間的電壓差的裝置，其中所述基準電壓部分基於半導體v 件的至少一個固有屬性； 為 用於放大檢測到的電壓差的裝置；以及 基於經放大的檢測到的電壓差調節所述控制裝置的裝 置。 18·如申請專利範圍第Π項所述的裝置，其中用於产 測所述輸出端的電壓和内部產生的基準電壓之_電壓= 的所述裝置包括電錄’並且職基準電縣於所述電 鏡電晶體的帶隙電壓。 19·如申請專利範圍帛17項所述的裝置，其中用於放 =的所述裝置包括兩個或兩個以上級聯電路，每個級聯電 路包含電晶體和電流源的組合。 心i0·、如中請專利範圍第17項所述的裝置，其中用於控 4 “源机到輸出端的電流的所述裝置是電晶體，其 用大的所置包括包含兩個電晶體的電流 個咖電晶體的發射極連接到比電源電壓低的 二,、L另一個ΝΡΝ電晶體的發射極通過電阻連接到所 迷較低電壓。 21