TWI468894B - 具有改善暫態響應之低壓降穩壓器 - Google Patents

Description

具有改善暫態響應之低壓降穩壓器

本發明係關於一種具有改善暫態響應之低壓降穩壓器。

在低壓降穩壓器(low dropout voltage regulator)的應用中，負載電流對其暫態響應具有很大的影響。當低壓降穩壓器需要提供一小負載電流時，輸出電晶體可以很容易的提供所需的電流，所以對其暫態響應不會有太大的影響。但當低壓降穩壓器需要提供一大負載電流時，輸出電晶體無法立即提供所需的電流，所以在暫態響應中，低壓降穩壓器的輸出電壓會下降，直到輸出電晶體可以提供大電流時，才會逐漸恢復到原先的電壓位準。

圖1顯示先前技術之一低壓降穩壓器10之電路圖。參考圖1，該低壓降穩壓器10包含一能隙(bandgap)電壓產生器101、一誤差放大器102、一輸出電晶體103、一第一電阻104、一第二電阻105和一輸出電容106。

該輸出電晶體103的源極和汲極分別連接至該低壓降穩壓器10的輸入端和輸出端。該第一電阻104和該第二電阻105形成一分壓電路，以提供比例於輸出電壓V_OUT 的回授電壓V_FB 至該誤差放大器102之正輸入端。該誤差放大器102用以放大由該能隙電壓產生器101所提供至該誤差放大器102之負輸入端之一參考電壓V_REF 和該回授電壓V_FB 的差值，藉以產生一輸出電壓V_C 至該輸出電晶體103的閘極。當 一負載電流I_LOAD 變化時，該誤差放大器102藉由偵測該回授電壓V_FB 與該參考電壓V_REF 的差值，會適當地調整輸出電壓V_C 以改變該輸出電晶體103的源極-閘極壓差，藉以提供足夠的輸出電流至負載以穩定輸出電壓V_OUT 。

然而，在先前技術中，當負載電流I_LOAD 由小負載電流快速的轉換為大負載電流(下稱負載電流暫態增加)時，輸出電壓V_OUT 會有明顯且快速的降低。在經過一小段時間後，輸出電晶體103才會反應輸出電壓V_OUT 的變化而提供所需的負載電流，使輸出電壓回復至設定的電壓值。換言之，先前技術中的低壓降穩壓器受限於該誤差放大器102的反應時間會有較差的暫態響應，進而影響輸出電壓V_OUT 的回復時間。

因此，有必要提出一種改良的誤差放大器以改善低壓降穩壓器的暫態響應。

本發明提供一種具有改善暫態響應之低壓降穩壓器，其包含一輸入端、一輸出端、一功率電晶體、一回授網路以及一誤差放大器。該輸入端用以接收一直流電壓源。該輸出端用以產生一直流輸出電壓。該功率電晶體之源極連接至該輸入端而其汲極連接至該輸出端。該回授網路耦接至該輸出端，並用以根據該直流輸出電壓產生一回授電壓。該誤差放大器連接至該功率電晶體之一閘極並包含一輸入差動級、一增益級、一輸出級及一暫態加速電路。該輸入 差動級用以接收該回授電壓和一參考電壓以產生一第一輸出電壓。該增益級用以接收該第一輸出電壓以產生一第二輸出電壓。該輸出級用以接收該第二輸出電壓和一第三輸出電壓以產生一第四輸出電壓。該暫態加速電路用以接收該第一輸出電壓以產生該第三輸出電壓。根據一負載電流暫態增加狀況，該暫態加速電路產生具有高邏輯電壓位準的該第三輸出電壓以降低該第四輸出電壓的電壓位準。

圖2顯示本發明一實施例之具有改善暫態響應之低壓降穩壓器20之方塊示意圖。參考圖2，該低壓降穩壓器20包含一輸入端以接收一直流電壓源V_IN 和一輸出端以產生一直流輸出電壓V_OUT 。該低壓降穩壓器20包含串聯連接於該輸入端和該輸出端之一功率電晶體205，其源極耦接至該輸入端、其閘極耦接至一誤差放大器21且其汲極耦接至該輸出端。該低壓降穩壓器20另包含耦接至該輸出端之一輸出電容208和一回授網路206。在本實施例中，該回授網路206由串聯的電阻R₁ 和電阻R₂ 所組成。該回授網路206用以根據該直流輸出電壓V_OUT 比例產生一回授電壓V_FB 。

參考圖2，該誤差放大器21包含一輸入差動級212、一增益級214、一輸出級216和一暫態加速電路218。該輸入差動級212用以接收該回授電壓V_FB 和一參考電壓V_REF 以產生一輸出電壓V₁ 。該增益級214用以接收該輸出電壓V₁ 以產生一輸出電壓V₂ 。該輸出級216用以接收該輸出電壓V₂ 和一輸出 電壓V₃ 以產生一輸出電壓V_G 。該暫態加速電路218用以接收該輸出電壓V₁ 以產生該輸出電壓V₃ 。

圖3顯示本發明一實施例之該誤差放大器21之細部電路圖。參照圖3，該誤差放大器21中的該輸入差動級212包含差動對電晶體M₁ 和M₂ 、以二極體方式連接的負載電晶體M₃ 和M₄ 以及一偏壓電流源I_B1 。該偏壓電流源I_B1 提供流至該差動對電晶體M₁ 和M₂ 的偏壓電流。該負載電晶體M₃ 的汲極和閘極短路連接至該電晶體M₁ ，而該負載電晶體M₄ 的汲極和閘極短路連接至該電晶體M₂ 。該輸入差動級212在接收該回授電壓V_FB 和該參考電壓V_REF 後，根據該回授電壓V_FB 和該參考電壓V_REF 兩者的差值在該負載電晶體M₄ 的閘極產生該輸出電壓V₁ 。

參照圖3，在本實施例中，該增益級214包含電晶體M₅ 、M₆ 、M₇ 和M₈ 。該增益級214在接收該輸入差動級212產生的該輸出電壓V₁ 後產生該輸出電壓V₂ 。該輸出級216包含串聯連接的電晶體M₉ 和M₁₀ ，其中該電晶體M₉ 用以接收該增益級214產生的該輸出電壓V₂ ，且該電晶體M₁₀ 用以接收該暫態加速電路218產生的該輸出電壓V₃ 。該輸出級216根據電壓V₂ 和V₃ 產生該輸出電壓V_G ，其用來推動該功率電晶體205的閘極，如圖2所示。根據該功率電晶體205的閘極之電壓位準，該功率電晶體205會輸出適當的電流以供應負載電流I_LOAD 。

參照圖3，該暫態加速電路218包含一電壓轉電流電路32、一偏壓電流源I_B2 和一電流鏡電路34。該電壓轉電流電 路32用以接收該輸入差動級212產生的該輸出電壓V₁ 以產生一輸出電流I₁ 。該電流鏡電路34用以接收該輸出電流I₁ 和該偏壓電流源I_B2 以產生該輸出電壓V₃ 。在本實施例中，該電壓轉電流電路32包含電晶體M₁₂ 、M₁₄ 和M₁₆ ，其中該電晶體M₁₂ 用以接收該輸出電壓V₁ ，且該些電晶體M₁₄ 和M₁₆ 形成一電流鏡組態，其接收來自該電晶體M₁₂ 的電流後放大以形成該輸出電流I₁ 。

該電流鏡電路34包含電晶體M₁₈ 、M₁₉ 和M₂₀ 。該電晶體M₁₈ 的汲極和閘極短路連接至該電晶體M₁₆ 的汲極。該電晶體M₁₈ 用以接收該輸出電流I₁ 以提供一偏壓電壓V_B 。該些電晶體M₁₉ 和M₂₀ 形成一疊接組態，其中該電晶體M₁₉ 的閘極接收該偏壓電壓V_B ，汲極接收該偏壓電流源I_B2 的電流。該電晶體M₁₉ 的汲極產生該輸出電壓V₃ 。該輸出電壓V₃ 會提供至該輸出級216中的該電晶體M₁₀ ，以偏壓該電晶體M₁₀ 產生適當的電流，藉以控制該功率電晶體。

以下參考圖2至圖3說明本發明之該低壓降穩壓器20之運作原理。當負載電流I_LOAD 的電流值為額定負載電流最小值時，根據該直流輸出電壓V_OUT 比例產生的該回授電壓V_FB 之電壓位準會接近該參考電壓V_REF 的電壓位準。因此，流過該誤差放大器21中的該些差動對電晶體M₁ 和M₂ 的電流會相等。根據流過該電晶體M₂ 的電流，該負載電晶體M₄ 會產生一適當偏壓值V₁ (=V_GS,M4 )以偏壓該增益級214中的電晶體M₈ 和該暫態加速電路218中的電晶體M₁₂ 。藉由上述偏壓方式，會產生較小的該功率電晶體205的源極-閘極壓 差，以供應該額定負載電流最小值。

當負載電流暫態增加時，由於該功率電晶體205的源極-閘極壓差無法立即改變，該直流輸出電壓V_OUT 的電壓位準會由於負載電流的暫態增加而先下降，使得比例產生的該回授電壓V_FB 的電壓位準會小於該參考電壓V_REF 的電壓位準。在此狀況下，該輸入差動級212中的該偏壓電流源I_B1 之偏壓電流會全部流過該電晶體M₁ ，使得流過該電晶體M₂ 的電流接近0。因此，該輸入差動級212會產生接近0的該輸出電壓V₁ 。該接近0的該輸出電壓V₁ 經由該增益級214運作後，會輸出接近該直流電壓源V_IN 的高邏輯電壓位準V₂ ，使得該輸出級216中的電晶體M₉ 截止。

同時，接近0的該輸出電壓V₁ 在經過該暫態加速電路218中的該電壓轉電流電路32運作後，會產生接近0的輸出電流I₁ 。根據該輸出電流I₁ ，該電流鏡電路34中的該電晶體M₁₈ 會產生接近0的偏壓電壓V_B ，使該電晶體M₁₉ 截止。當該電晶體M₁₉ 截止時，該暫態加速電路218會快速輸出接近供應電壓源V_IN 的高邏輯電壓位準V₃ 。由於該輸出級216中的電晶體M₉ 此時為截止狀態，而電晶體M₁₀ 完全開啟(V_GS,M10 =V₃ =V_IN )，因此該功率電晶體205會產生較大的源極-閘極壓差(V_GS,205 =V_IN )，以供應該額定負載電流最大值。

根據本發明所揭示之該誤差放大器21之結構，透過該暫態加速電路218和該輸出級216之運作，可以改善該低壓降穩壓器20之暫態響應。當輸出電壓V_OUT 隨著負載電流I_LOAD 之突然上升而下降時，因為該輸出級216中的電晶體M₉ 會截 止，此時該暫態加速電路218會快速產生一推動電壓V₃ 以加快開啟該輸出級216中的電晶體M₁₀ 。據此，該功率電晶體205會快速反應，以供應更多的電流至輸出端，藉此提高輸出電壓V_OUT 而回復到原先的電壓。

本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。

10‧‧‧低壓降穩壓器

101‧‧‧能隙電壓產生器

102‧‧‧誤差放大器

103‧‧‧輸出電晶體

104,105‧‧‧電阻

106‧‧‧輸出電容

20‧‧‧低壓降穩壓器

205‧‧‧功率電晶體

206‧‧‧回授網路

208‧‧‧輸出電容

21‧‧‧誤差放大器

212‧‧‧輸入差動級

214‧‧‧增益級

216‧‧‧輸出級

218‧‧‧暫態加速電路

32‧‧‧電壓轉電流電路

34‧‧‧電流鏡電路

I_LOAD ‧‧‧負載電流

I_B1 ,I_B2 ‧‧‧偏壓電流源

R₁ ,R₂ ‧‧‧電阻

M₁ ~M₁₀ ,M₁₂ ,M₁₄ ,M₁₆ ,M₁₈ ,M₁₉ ,M₂₀ ‧‧‧電晶體

藉由參照前述說明及下列圖式，本發明之技術特徵及優點得以獲得完全瞭解。

圖1顯示先前技術之一低壓降穩壓器之電路圖；圖2顯示本發明一實施例之具有改善暫態響應之低壓降穩壓器之方塊示意圖；以及圖3顯示本發明一實施例之該誤差放大器之細部電路圖。

20‧‧‧低壓降穩壓器

205‧‧‧功率電晶體

206‧‧‧回授網路

208‧‧‧輸出電容

21‧‧‧誤差放大器

212‧‧‧輸入差動級

214‧‧‧增益級

216‧‧‧輸出級

218‧‧‧暫態加速電路

I_LOAD ‧‧‧負載電流

R₁ ,R₂ ‧‧‧電阻

Claims (6)

1. 一種具有改善暫態響應之低壓降穩壓器，包含：一輸入端，用以接收一直流電壓源；一輸出端，用以產生一直流輸出電壓；一功率電晶體，其源極連接至該輸入端而其汲極連接至該輸出端；一回授網路，耦接至該輸出端，用以根據該直流輸出電壓產生一回授電壓；以及一誤差放大器，連接至該功率電晶體之一閘極，其包含：一輸入差動級，用以接收該回授電壓和一參考電壓以產生一第一輸出電壓；一增益級，用以接收該第一輸出電壓以產生一第二輸出電壓；一輸出級，用以接收該第二輸出電壓和一第三輸出電壓以產生一第四輸出電壓；及一暫態加速電路，用以接收該第一輸出電壓以產生該第三輸出電壓；其中，根據一負載電流暫態增加狀況，該暫態加速電路產生具有高邏輯電壓位準的該第三輸出電壓以降低該第四輸出電壓的電壓位準。
2. 根據請求項1所述之低壓降穩壓器，其中該輸出級包含：一第一電晶體，用以接收該第二輸出電壓以產生該第四輸出電壓；以及 一第二電晶體，用以接收該第三輸出電壓以產生該第四輸出電壓；其中，當該回授電壓暫態減少時，該增益級產生具有高邏輯電壓位準的該第二輸出電壓以關閉該第一電晶體，且該暫態加速電路產生具有高邏輯電壓位準的該第三輸出電壓以導通該第二電晶體。
3. 根據請求項1所述之低壓降穩壓器，其中該暫態加速電路包含：一電壓轉電流電路，用以接收該第一輸出電壓以產生一輸出電流；一偏壓電流源；以及一第一電流鏡電路，用以接收該輸出電流和該偏壓電流源的電流以產生該第三輸出電壓。
4. 根據請求項1所述之低壓降穩壓器，其中該輸入差動級包含：一第一電晶體，用以接收該回授電壓；一第二電晶體，用以接收該參考電壓；一第三電晶體，其汲極和閘極短路連接至該第一電晶體；一第四電晶體，其汲極和閘極短路連接至該第二電晶體，且其閘極產生該第一輸出電壓；以及一偏壓電流源，用以提供流至該第一電晶體和該第二電晶體的電流。
5. 根據請求項3所述之低壓降穩壓器，其中該電壓轉電流電路包含：一第一電晶體，用以接收該第一輸出電壓；以及一第二電流鏡電路，連接至該第一電晶體，用以產生該輸出電流。
6. 根據請求項3所述之低壓降穩壓器，其中該第一電流鏡電路包含：一第一電晶體，其汲極和閘極短路連接至該電壓轉電流電路，用以產生一偏壓電壓；以及一第二電晶體，其閘極用以接收該偏壓電壓，其汲極連接至該偏壓電流源，藉以產生該第三輸出電壓。