電源側(cè)電壓調(diào)節(jié)器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電源側(cè)電壓調(diào)節(jié)器。該電壓調(diào)節(jié)器，產(chǎn)生為低于電源電壓的設(shè)計的電壓電平的輸出電壓。參考電壓發(fā)生器產(chǎn)生介于接地和電源電壓之間的參考電壓。分壓器產(chǎn)生介于電源電壓和輸出電壓之間的反饋電壓。放大器基于參考電壓和反饋電壓之間的差值產(chǎn)生放大器輸出電壓。緩沖器緩沖放大器輸出電壓。通道晶體管在其控制節(jié)點接收緩沖電壓以便拉低出現(xiàn)在輸出節(jié)點的平均負(fù)載電流。電容連接在電源和輸出電壓之間以便提供峰值負(fù)載電流。負(fù)載電流檢測晶體管在其控制節(jié)點接收緩沖電壓以便感測負(fù)載電流。補償晶體管用于補償漏電流。內(nèi)部負(fù)載將感測的負(fù)載電流轉(zhuǎn)換為施加到補償晶體管的電壓控制信號。
【專利說明】
電源側(cè)電壓調(diào)節(jié)器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及集成電路，特別是涉及一種電壓調(diào)節(jié)器?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]P溝道裝置，比如P型金屬氧化物半導(dǎo)體(PM0S)晶體管，是低成本、低復(fù)雜度的控制器比如直流電機控制器和降壓充電級的較佳選擇。然而，這就需要穩(wěn)定而精確的電壓調(diào)節(jié)器來用作PM0S驅(qū)動電路的電源?！靖綀D說明】
[0003]通過下面【具體實施方式】、所附權(quán)利要求以及附圖的描述，本發(fā)明的其他實施例將顯而易見，在附圖中相似的附圖標(biāo)記表示相同的或類似的元件。
[0004]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電壓調(diào)節(jié)器的示意性框圖；
[0005]圖2是圖1電壓調(diào)節(jié)器的參考電壓發(fā)生器的示意性電路圖；
[0006]圖3是圖1電壓調(diào)節(jié)器的可運算跨導(dǎo)放大器的示意性電路圖；
[0007]圖4是圖1電壓調(diào)節(jié)器的緩沖器的示意性電路圖；以及
[0008]圖5是圖1電壓調(diào)節(jié)器的分壓器的示意性電路圖。【具體實施方式】
[0009]這里公開了本發(fā)明的具體闡述的實施方式。然而，這里公開的特定的結(jié)構(gòu)性和功能性的具體描述僅僅是代表性的，是為了描述本發(fā)明的示例性實施方式。本發(fā)明可以以多種可選擇的形式實現(xiàn)而不必僅僅限于這里所述的實施方式。進一步的，這里所使用的術(shù)語僅僅是為了描述特定實施例而并非為了限制本發(fā)明的示例性實施方式。
[0010]這里所使用的，單數(shù)形式的“一” “一個”以及“該”意味著也包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文中明確指出其他含義。可以進一步理解的是，術(shù)語“包括”“包含”將所呈現(xiàn)的特征、步驟或元件列出，但是并不排除其他一個或多個特征、步驟或者元件的存在或者增加。也應(yīng)該注意的是，在一些可替代的實施例中，所述的功能/動作可以不按照附圖中所表示的序列進行。例如，根據(jù)所涉及的功能/效果，所示的連續(xù)的兩幅圖實際上可以完全同時執(zhí)行或者有時候可以以相反的順序執(zhí)行。
[0011]在一個實施例中，本發(fā)明是一種電壓調(diào)節(jié)器，其在輸出節(jié)點產(chǎn)生輸出電壓，該輸出電壓的設(shè)計的電壓電平低于電壓調(diào)節(jié)器的電源電壓。參考電壓發(fā)生器接收電源電壓和接地電壓并且產(chǎn)生介于接地和電源電壓之間的參考電壓。分壓器連接在電源電壓和輸出電壓之間以便產(chǎn)生介于電源和輸出電壓之間的反饋電壓。放大器被連接以便接收參考電壓和反饋電壓并且基于參考和反饋電壓的差異產(chǎn)生放大器輸出電壓。緩沖器被連接以便接收放大器輸出電壓并且產(chǎn)生緩沖的電壓。通道晶體管被連接在輸出和接地電壓之間并且被連接用于在其控制節(jié)點接收緩沖的電壓以便下拉(sink)出現(xiàn)在其輸出節(jié)點的平均負(fù)載電流。電容器被連接在電源和輸出電壓之間以便在輸出節(jié)點處提供峰值負(fù)載電流。負(fù)載電流檢測晶體管被連接在電源和接地電壓之間并且被連接以便在其控制節(jié)點處接收緩沖的電壓用于感應(yīng)出現(xiàn)在輸出節(jié)點的負(fù)載電流。補償晶體管被連接在電源和輸出電壓之間以便補償輸出和接地電壓之間形成的輸出節(jié)點下游的漏電流路徑的漏電流。內(nèi)部負(fù)載與負(fù)載電流檢測晶體管串聯(lián)連接在電源和接地節(jié)點之間以便將感應(yīng)的負(fù)載電流變換為電壓控制信號應(yīng)用于補償晶體管的控制節(jié)點。
[0012]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電壓調(diào)節(jié)器100的示意性框圖。電壓調(diào)節(jié)器100 接收電源電壓VDD以及接地電壓VSS并且產(chǎn)生電源參考輸出電壓Vo，該電源參考輸出電壓 Vo為低于電源電壓VDD的設(shè)計的電壓電平。
[0013]參考電壓發(fā)生器1110產(chǎn)生參考電壓Vref，其作為電源電壓VDD的參考。參考電壓Vref被應(yīng)用于可運算的跨導(dǎo)放大器(0TA) 120的負(fù)極輸入端，該跨導(dǎo)放大器在正極端接收反饋電壓Vfb。反饋電壓Vfb由分壓器140所產(chǎn)生，分壓器140設(shè)置電壓調(diào)節(jié)器100的增益。0TA 120提供足夠的增益來調(diào)節(jié)輸出電壓Vo到低于電源電壓VDD的設(shè)計的電壓電平。
[0014]n型主通道元件NM0S_A被用于下拉由VDD和Vo供電的下游電路(未示出)的平均負(fù)載電流。旁路電容Cbypass被用于提供峰值負(fù)載電流。n型負(fù)載電流檢測元件NM0S_ B被用于感應(yīng)負(fù)載電流。內(nèi)部負(fù)載，在該實施例中為阻性負(fù)載RL，被用于將感應(yīng)的負(fù)載電流變換為控制電壓G_C用于n型輔助上拉元件NM0S_C，其用于補償從Vo (即從輸出節(jié)點)到 VSS(接地)的潛在漏電流以便如果在任意下游電路中存在大的漏電流路徑則可以避免故障。緩沖器130被用于隔離0TA 120的增益級與匪05_六的柵極以便提高回路穩(wěn)定性。
[0015]在操作中，當(dāng)輸出電壓Vo上升時，分壓器140促使反饋電壓Vfb上升，這促使0TA 120的輸出電壓01上升，這促使緩沖器BUF的輸出電壓G_AB上升，這促使流過NM0S_B和 NM0S_A的電流上升，這促使控制信號G_C下降，這促使流過NM0S_C的電流下降，進而促使輸出電壓Vo下降。
[0016]同樣地，當(dāng)輸出電壓Vo下降時，分壓器140促使反饋電壓Vfb下降，這促使0TA 120的輸出電壓01下降，這促使緩沖器BUF的輸出電壓G_AB下降，這促使流過NM0S_B和 NM0S_A的電流下降，這促使控制信號G_C上升，這促使流過NM0S_C的電流上升，進而促使輸出電壓Vo上升。
[0017]這樣，電壓調(diào)節(jié)器100根據(jù)以下公式調(diào)整輸出電壓Vo以便跟蹤電源電壓:VDD-Vo = K*(VDD-Vref),其中K為電壓調(diào)節(jié)器100的增益，其由分壓器140確定。
[0018]圖2是圖1的參考電壓發(fā)生器110的示意性電路圖。參考電壓發(fā)生器110(i)接收電源電壓VDD、接地電壓VSS以及接地參考的參考電壓Vbg，比如通常在集成電路中可用的帶隙參考電壓，其對工藝、電壓以及溫度(PVT)變化不敏感，并且(ii)產(chǎn)生電源參考的參考電壓Vref。
[0019]在操作中，放大器AMP，其可以是普通的可運算跨導(dǎo)放大器，調(diào)節(jié)用于n型晶體管 MN0的控制電壓Vgate以便迫使反饋電壓Vmir等于參考電壓Vbg以使得流過電壓R1的電流是Vbg/Rl。該同樣的電流Vbg/Rl流過晶體管MN0和電阻R2,其連接在節(jié)點VDD和Vref 之間，這樣，電源電壓VDD和電源參考電壓Vref之間電壓差是Vbg*R2/Rl。在一個可能的實現(xiàn)方式中，Vbg= 1.2V，R1 = 12kohm，并且R2 = 30kohm，R2上的電壓降是3V，因此，在該實施例中，電源參考的參考電壓Vref?將低于電源電壓VDD 3V。
[0020]圖3是圖1的可運算跨導(dǎo)放大器120的示意性電路圖。OTA 120 (i)接收電源電壓 VDD、接地電壓VSS、來自參考電壓發(fā)生器110在負(fù)輸入節(jié)點I匪的參考電壓Vref，以及來自分壓器140在正輸入節(jié)點INP的反饋電壓Vfb，并且(ii)在輸出節(jié)點OUT產(chǎn)生0TA輸出電壓01。
[0021]在操作中，當(dāng)反饋電壓Vfb變得大于參考電壓Vref時，那么(i)流過n型晶體管麗2的電流將增加，并且(ii)流過n型晶體管麗1的電流將減少。結(jié)果，⑴流過MP3的電流將增加并且(ii)流過MP1的電流將減少。這樣，接下來，將促使(i)流過p型鏡像晶體管MP4的鏡像電流將增加以及(ii)流過p型鏡像晶體管MP2的鏡像電流減少。這樣，接下來，將促使流過n型晶體管麗3的電流減少，其將促使流過n型鏡像晶體管MN4的鏡像電流減少，其將促使0TA輸出電壓01上升。
[0022]同樣地，當(dāng)反饋電壓Vfb變得小于參考電壓Vref時，那么(i)流過n型晶體管麗2 的電流將減少并且(ii)流過n型晶體管MN1的電流將增加。結(jié)果，(i)流過MP3的電流將減少并且(ii)流過MP1的電流將增加。這樣，接下來，將促使(i)流過p型鏡像晶體管MP4 的鏡像電流減少以及(ii)流過P型鏡像晶體管MP2的鏡像電流增加。這樣，接下來，將促使流過n型晶體管MN3的電流增加，這將促使流過n型鏡像晶體管MN4的鏡像電流增加，其將促使0TA輸出電壓01下降。
[0023]從而，當(dāng)反饋電壓Vfb變得大于參考電壓Vref時，0TA輸出電壓01增加，反之亦然。因為0TA 120以閉合回路的形式配置在電壓調(diào)節(jié)器100中，分別在節(jié)點INP和I匪的電壓Vfb和Vref，將被驅(qū)動為相同的，這樣流過MP4的電流將匹配流過MN4的電流。
[0024]圖4是圖1的緩沖器130的示意性電路圖。緩沖器130(i)接收緩沖器電源電壓 VDD_BUF (其可以是電源電壓VDD或者其他可用的電源電壓)，接地電壓VSS，以及來自0TA 120在其輸入節(jié)點IN的0TA輸出電壓01并且(ii)在輸出節(jié)點OUT產(chǎn)生緩沖器輸出電壓 G_AB。在某些實現(xiàn)方式中，緩沖器130是傳統(tǒng)的單位增益緩沖器，其表示在輸入節(jié)點IN接收的電壓水平01與在輸出節(jié)點OUT的其輸出電壓G_AB相同。
[0025]在操作中，當(dāng)輸入節(jié)點IN的電壓01上升時，流過p型晶體管MP1的電流減少，其使得流過n型晶體管麗1和n型鏡像晶體管麗2的電流減少。同時，由于恒流源ITAIL，流過P型晶體管MP2的電流增加，其促使輸出節(jié)點OUT的電壓G_AB上升。結(jié)果，流過MP2的電流將開始減少直到流過MP2的電流匹配流過麗2的電流。從而，當(dāng)輸入電壓01上升時， 輸出電SG_AB也增加。
[0026]同樣地，當(dāng)輸入節(jié)點IN的電壓01下降時，流過p型晶體管MP1的電流增加，其促使流過n型晶體管麗1和n型鏡像晶體管麗2的電流增加。同時，由于恒流源ITAIL，流過 p型晶體管MP2的電流減少，其促使輸出節(jié)點OUT的電壓G_AB的電壓下降。結(jié)果，流過MP2 的電流將開始增加直到流過MP2的電流匹配流過MN2的電流。從而，當(dāng)輸入電壓01下降時， 輸出電壓G_AB也下降。
[0027]圖5是圖1的分壓器140的示意性電路圖。分壓器140(i)接收電源電壓VDD以及輸出電壓Vo并且(ii)產(chǎn)生反饋電壓Vfb，其電壓電平與電阻RA和RB的阻抗成函數(shù)關(guān)系，其中電壓調(diào)節(jié)器1〇〇的增益由K = (RA+RB)/RA給定。
[0028]盡管本發(fā)明已經(jīng)在圖1-5的電壓調(diào)節(jié)器100的情境中被描述，那些本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解本發(fā)明不必局限于該特定的實施方式。例如，雙極性晶體管可以被用于代替M0S晶體管。而且，圖2-5示出了圖1中相應(yīng)元件的特定實施方式。那些本領(lǐng)域的技術(shù)人員將要理解的是可替代的實施方式對于那些元件中的每一個來說是可能的。
[0029]在特定實施方式中，參考電壓發(fā)生器110和分壓器140中的至少一個是可編程的， 從而使得低于電源電壓VDD的輸出電壓Vo的設(shè)計的電壓電平是可調(diào)節(jié)的。例如，參考電壓發(fā)生器110可以是可編程的，其由圖2的電阻R1和/或電阻R2使用可編程電阻來實現(xiàn)。同樣地，分壓器140可以是可編程的，通過圖5的電阻RA和/或電阻RB使用可編程電阻來實現(xiàn)。
[0030]也是為了描述的目的，術(shù)語“耦接”“耦接到”“被耦接” “連接”“連接到” “被連接”指的是本領(lǐng)域內(nèi)已知的任意方式或者以后技術(shù)發(fā)展的可以允許在兩個或多個元件之間傳輸能量的任意方式，并且一個或多個附加元件的插入也是可預(yù)期的，雖然不是必須的。相對的，術(shù)語“直接耦接”“直接連接”等意指不存在這種附加元件。
[0031]此外，為了本發(fā)明的目的，可以理解的是所有的棚極都是由固定電壓功率范圍 (或者多個范圍)和接地供電，除非具有其他圖示。接地可以被認(rèn)為是具有大約零伏電壓的電源，并且具有任意所需電壓的電源可以被替代為接地。
[0032]為了本發(fā)明的目的，信號和相應(yīng)的節(jié)點、端口或路徑可用相同名稱表示并可相互交換。
[0033]為了闡述的目的，晶體管通常被示為單個裝置。然而，那些本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是晶體管將具有多個尺寸(例如，棚極寬度和長度)和特性(例如，閾值電壓，增益等)并且可以包括多個并聯(lián)連接的晶體管以便從該組合中獲得所需的電氣特性。進一步的，所示的晶體管可以是復(fù)合晶體管。[〇〇34] 正如在該說明書和權(quán)利要求書中所使用的，術(shù)語“溝道節(jié)點”一般指的是金屬氧化物半導(dǎo)體(M0S)晶體管裝置(也稱為M0SFET)的源極或漏極，術(shù)語“溝道”指的是通過在源極和漏極之間的裝置的路徑，術(shù)語“控制節(jié)點”一般指的是M0SFET的柵極。同樣地，正如權(quán)利要求中所使用的，術(shù)語“源極” “漏極”和“棚極”應(yīng)該被理解為M0SFET的源極、漏極和棚極，或者當(dāng)本發(fā)明實施例利用雙極性晶體管技術(shù)實現(xiàn)時的雙極性裝置的發(fā)射極、集電極和基極。
[0035] 除非給出其他明確的指示，每一數(shù)值和范圍應(yīng)該被理解為大約，正如在該數(shù)值或范圍之前的詞語“大約”“近似”。
[0036]將進一步理解的是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可對為了解釋本發(fā)明實施例而被描述和被闡述的部分中的細(xì)節(jié)、材料和布置作出多種改變，其不脫離下面權(quán)利要求書所覆蓋的本發(fā)明實施例的范圍。
[0037]在包含任意權(quán)利要求的本說明書中，術(shù)語“每一個”可以被用于指代多個前述元件或步驟中的一個或多個特定特征。當(dāng)使用開放式術(shù)語“包括”，術(shù)語“每一個”的引用不排除附加的、未描述的元件或步驟，因此，可以理解的是，一個裝置可以具有附加的、未描述的元件，一種方法可以具有附加的、未描述的步驟，這里附加的、未描述的元件或步驟不具有所述的一個或多個特定的特征。
[0038]這里參考“一個實施例”或“一實施例”意味著與實施例共同描述的特定的特征、 結(jié)構(gòu)或特性被包含在本發(fā)明的至少一個實施例中。詞語“在一個實施例中”在說明書的多個位置出現(xiàn)不需要都理解為相同的實施例、也不是必須相互的排除其他實施例的單獨的或者可選擇的實施例。術(shù)語“實施方式”也同樣如此。
[0039] 本申請權(quán)利要求所覆蓋的實施例被限于(1)本說明書所能夠?qū)崿F(xiàn)的以及(2)符合法律規(guī)定主題的實施例。不能實現(xiàn)的實施例和對應(yīng)于非法定主題的實施例即使其落入保護范圍之內(nèi)也被明確排除。
【主權(quán)項】
1.一種電壓調(diào)節(jié)器，在輸出節(jié)點產(chǎn)生輸出電壓，該輸出電壓為低于用于電壓調(diào)節(jié)器的 電源電壓的設(shè)計的電壓電平，該電壓調(diào)節(jié)器包括:參考電壓發(fā)生器，接收電源電壓和接地電壓，并產(chǎn)生介于接地電壓和電源電壓之間的 參考電壓；分壓器，被連接在電源電壓和輸出電壓之間以產(chǎn)生介于電源電壓和輸出電壓之間的反 饋電壓；放大器，被連接以接收參考電壓和反饋電壓并基于參考電壓和反饋電壓之間的差值產(chǎn) 生放大器輸出電壓；緩沖器，被連接以接收放大器輸出電壓并產(chǎn)生緩沖的電壓；通道晶體管，被連接在輸出電壓和接地電壓之間，并且被連接以在其控制節(jié)點接收緩 沖的電壓以便拉低出現(xiàn)在輸出節(jié)點的平均負(fù)載電流；電容器，被連接在電源電壓和輸出電壓之間以在輸出節(jié)點提供峰值負(fù)載電流；負(fù)載電流檢測晶體管，被連接在電源電壓和接地電壓之間并被連接以在其控制節(jié)點接 收緩沖的電壓來感測出現(xiàn)在輸出節(jié)點的負(fù)載電流；補償晶體管，被連接在電源電壓和輸出電壓之間以便補償在輸出電壓和接地電壓之間 來自于輸出節(jié)點下游的漏電流路徑的漏電流；以及內(nèi)部負(fù)載，與負(fù)載電流檢測晶體管串聯(lián)連接在電源電壓和接地電壓之間以便將感測的 負(fù)載電流轉(zhuǎn)換為施加到補償晶體管的控制節(jié)點的電壓控制信號。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓調(diào)節(jié)器，其中:分壓器的增益基于分壓器的電阻比率；設(shè)計的電壓電平基于參考電壓和分壓器的增益；以及參考電壓發(fā)生器和分壓器中的至少一個是可編程的，以使得設(shè)計的電壓電平是可調(diào)節(jié) 的。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓調(diào)節(jié)器，其中內(nèi)部負(fù)載包括連接在電源電壓和補償晶體 管的控制節(jié)點之間的電阻。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓調(diào)節(jié)器，其中參考電壓發(fā)生器基于接收的帶隙參考電壓 產(chǎn)生參考電壓。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電壓調(diào)節(jié)器，其中參考電壓發(fā)生器包括:第二放大器，被連接以接收帶隙參考電壓和第二反饋電壓并基于帶隙參考電壓和第二 反饋電壓之間的差產(chǎn)生第二放大器輸出電壓；晶體管，被連接以在其控制節(jié)點接收第二放大器輸出電壓；第一電阻，被連接在晶體管和接地電壓之間，其中第二反饋電壓是在晶體管和第一電 阻之間的交點處的電壓電平；以及第二電阻，被連接在電源電壓和晶體管之間，其中參考電壓是在第二電阻和晶體管之 間的充點處的電壓電平。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓調(diào)節(jié)器，其中放大器是可運算的跨導(dǎo)放大器(OTA)。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓調(diào)節(jié)器，其中緩沖器是單位增益的緩沖器。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓調(diào)節(jié)器，其中緩沖器從通道晶體管和負(fù)載電流控測晶體 管隔離放大器以便提高電壓調(diào)節(jié)器內(nèi)的回路穩(wěn)定性。9.根據(jù)權(quán)利要求1的電壓調(diào)節(jié)器，其中:分壓器的增益基于分壓器的阻抗比率；所述設(shè)計的電壓電平是基于參考電壓和分壓器的增益的；參考電壓發(fā)生器基于所接收的帶隙參考電壓產(chǎn)生所述參考電壓；參考電壓發(fā)生器包括:第二放大器，被連接以接收所述帶隙參考電壓和第二反饋電壓，并基于帶隙參考電壓 和第二反饋電壓之間的差產(chǎn)生第二放大器輸出電壓；晶體管，被連接以在其控制節(jié)點接收第二放大器輸出電壓；第一電阻，被連接在晶體管和接地電壓之間，其中第二反饋電壓為在晶體管和第一電 阻器之間的交點處的電壓電平；以及第二電阻，被連接在電源電壓和晶體管之間，其中參考電壓為在第二電阻和晶體管之 間的交點處的電壓電平；放大器是可運算的跨導(dǎo)放大器(OTA);以及緩沖器是單位增益的緩沖器，將放大器與通道晶體管和負(fù)載電流檢測晶體管隔離以便 提高電壓調(diào)節(jié)器內(nèi)的回路穩(wěn)定性。10.根據(jù)權(quán)利要求9的電壓調(diào)節(jié)器，其中參考電壓發(fā)生器和分壓器中的至少一個是可 編程的，以使得設(shè)計的電壓電平是可調(diào)節(jié)的。
【文檔編號】G05F1/56GK105988499SQ201510143903
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月16日
【發(fā)明人】王正香, 金杰
【申請人】飛思卡爾半導(dǎo)體公司