專利名稱：低壓降電壓調節器及其方法
技術領域：
本公布一般涉及電源調節器，并具體涉及低壓降(LD0)電壓調節器。
背景技術：
有各種已知類型的用于電源管理系統的電壓調節器，包括線性調節器和開關模式 調節器。一種特別有用的類型的線性電壓調節器被稱作低壓降(low dropout,即LD0)電壓 調節器。即使當輸入電壓只比已調輸出電壓大約高1V，LD0調節器也能正確工作，因此LD0 調節器對于高效電源管理系統，如電池操作的裝置特別有用。 一種典型的LDO調節器包括 參考電壓例如帶隙電壓參考電路、誤差放大器和輸出電壓分壓器。誤差放大器改變輸出電 壓，使分壓的輸出電壓等于參考電壓，并通常包括輸入電壓端子和輸出電壓端子之間的傳 輸晶體管。 帶隙電壓參考電路提供穩定的參考，但是要求相當大的集成電路面積。然而，較簡 單的電壓參考電路往往具有低的電源抑制比(PSRR)。此外，輸出電壓分壓器用來構成分壓 的輸出電壓的電阻器產生噪聲，該噪聲出現在已調輸出電壓中。那么就需要一種低成本、低 噪聲、高PSRR的LDO調節器。
通過參考附圖，可更好理解本發明并使它的眾多特征及優點對本領域技術人員來 說明顯，其中 圖1以部分結構圖和部分示意性形式示出現有技術中已知的低壓降電壓調節器 電源； 圖2以部分結構圖和部分示意性形式示出現有技術中已知的可替換的低壓降電 壓調節器電源； 圖3以結構圖形式示出根據本發明的低壓降電壓調節器電源； 圖4以部分結構圖和部分示意性形式示出圖3的低壓降電壓調節器電源；以及 圖5示出用于在圖3的低壓降電壓調節電源中提供已調輸出電壓的方法的流程圖。 在不同圖中使用的一樣的參考符號指示相似或相同的項。
具體實施例方式
圖l用部分結構圖并以部分示意性形式示出現有技術中已知的低壓降(LD0)電壓 調節器電源100。 LD0電壓調節器電源100 —般包括耗盡型金屬氧化物半導體(M0S)晶體 管102，增強型M0S晶體管104，誤差放大器106，電阻器108、110和114以及電容器112和 116。注意，正如它們通常所指的，這里使用的"MOS"晶體管包括有多晶硅柵極以及金屬柵 極的晶體管。耗盡型M0S晶體管102具有連接到標為"VV的輸入電源電壓端子的漏極、柵 極和連接到柵極的源極。增強型M0S晶體管104具有連接到耗盡型M0S晶體管102的源極的漏極、連接到耗盡型M0S晶體的源極的柵極和接地的源極。誤差放大器106具有連接到 耗盡型M0S晶體管102的源極的非反相輸入端子、反相輸入端子、連接到VIN和地的電源端 子以及輸出端子。 電阻器108具有連接到誤差放大器106的輸出端子的第一端子和連接到誤差放大 器106的反相輸入端子的第二端子。電阻器110具有連接到電阻器108的第二端子的第一 端子和接地的第二端子。電容器112具有連接到電阻器108的第一端子的第一端子和連接 到電阻器108的第二端子的第二端子。電阻器114具有連接到電容器112的第一端子的第 一端子和接地的第二端子。電容器116具有連接到電阻器114的第一端子的第一端子和接 地的第二端子。 在工作中，誤差放大器106接收參考電壓和反饋電壓，并響應于參考電壓和反饋 電壓之間的差異給電阻器114和電容器116提供已調輸出電壓。將耗盡型MOS晶體管102 的柵極和源極連接在一起的做法把耗盡型MOS晶體管102配置為恒流源。將增強型MOS晶 體管104的柵極和源極連接在一起則構成二極管接法晶體管。根據增強型MOS晶體管104 的閾值電壓設置增強型MOS晶體管104上的電壓，以及因此增強型MOS晶體管的漏極上的 電壓。耗盡型MOS晶體管102和增強型M0S晶體管104的串聯組合產生一參考電壓，其為 誤差放大器106的非反相輸入端子提供穩定的電壓。 反饋電壓應用于誤差信號放大器106的反相端子。反饋電壓是來自誤差放大器 106的輸出電壓的降低的電壓，且反饋電壓是基于電阻器108和110生成的分壓器。電容器 112用來減少誤差放大器116、電阻器108和110以及MOS晶體管102和104在電阻器108 和電容器112構成的電阻器/電容器(RC)網絡的截止頻率之上的噪聲影響。誤差放大器 106使用提供給非反相端子的電壓和提供給反相端子的反饋電壓，向電阻器114和電容器 116提供已調輸出電壓。然而，來自耗盡型MOS晶體管102、增強型M0S晶體管104、誤差放 大器106以及電阻器108和110的噪聲影響結合生成大量的噪聲。此外，由于電壓參考的簡 易，耗盡型MOS晶體管102和增強型MOS晶體管104生成的電壓參考的電源抑制比(PSRR) 為低，以及因此，LDO電壓調節器電源100的電源抑制比(PSRR)為低。
圖2用部分結構圖和部分示意性形式示出現有技術中已知的可替換的LD0電壓調 節器電源200。 LDO電壓調節器電源200 —般包括耗盡型MOS晶體管202、204和206，增強 型MOS晶體管208和210，誤差放大器212，電阻器214、216和220以及電容器218和222。 耗盡型MOS晶體管202具有連接到VIN的漏極、柵極和連接到該柵極的源極。增強型MOS晶 體管208具有連接到耗盡型MOS晶體管202的源極的漏極、連接到耗盡型MOS晶體管202 的源極的柵極和接地的源極。耗盡型MOS晶體管204具有連接到輸入電壓VIN的漏極、連接 到耗盡型MOS晶體管202的源極的柵極和源極。耗盡型MOS晶體管206具有連接到耗盡型 MOS晶體管204的源極的漏極、柵極和連接到該柵極的源極。增強型MOS晶體管210具有連 接到耗盡型MOS晶體管206的源極的漏極、連接到耗盡型MOS晶體管206的源極的柵極和 接地的源極。 誤差放大器212具有連接到耗盡型MOS晶體管206的源極的非反相輸入端子、反 相輸入端子、連接到V^和地的電源端子以及輸出端子。電阻器214具有連接到誤差放大器 212的輸出端子的第一端子和連接到誤差放大器212的反相輸入端子的第二端子。電阻器 216具有連接到電阻器214的第二端子的第一端子和接地的第二端子。電容器218具有連
5接到電阻器214的第一端子的第一端子和連接到電阻器214的第二端子的第二端子。電阻 器220具有連接到電容器218的第一端子的第一端子和接地的第二端子。電容器222具有 連接到電阻器220的第一端子的第一端子和接地的第二端子。 在工作中，LD0電壓調節器電源200基于提供到誤差放大器212的非反相端子的穩 定的參考電壓和提供給其反相端子的反饋電壓來提供已調電壓參考。將耗盡型M0S晶體管 202的柵極端子和源極端子連接在一起的做法把耗盡型M0S晶體管202配置為恒流源。將 增強型M0S晶體管208的柵極端子和漏極連接在一起以構成二極管接法晶體管。根據增強 型M0S晶體管208的閾值電壓，設置增強型MOS晶體管208的柵極端子上存在的電壓，以及 因此也設置在增強型M0S晶體管208的漏極端子上存在的電壓。在增強型M0S晶體管208 的漏極產生的電壓依賴于增強型MOS晶體管208的閾值電壓，并因此實質上不依賴輸入電 壓VIN。耗盡型M0S晶體管202和增強型M0S晶體管208的串聯組合給耗盡型M0S晶體管 204的柵極提供穩定的電壓。 耗盡型M0S晶體管204作用為高輸入阻抗緩沖器，接收來自耗盡型M0S晶體管202 和增強型M0S晶體管208的預穩定的電壓輸出，并向耗盡型M0S晶體管206的漏極供應緩 沖的穩定的電壓。配置耗盡型M0S晶體管204作為源極跟隨器，由此耗盡型M0S晶體管204 的源極端子上的電壓追蹤耗盡型MOS晶體管204的柵極端子上出現的電壓。由于耗盡型 M0S晶體管204的源極跟隨器特性，耗盡型M0S晶體管204很大程度上不受輸入電壓VIN的 變化的影響，并因此實質上增加LD0電壓調節器電源200的PSRR性能而超過LD0電壓調節 器電源100。 耗盡型MOS晶體管204的源極端子上的電壓向耗盡型MOS晶體管206的漏極端子 供應電勢。耗盡型MOS晶體管206向增強型MOS晶體管210提供恒流源。增強型MOS晶體 管210是二極管接法的，以提供等于增強型MOS晶體管210的閾值電壓的恒定電壓。耗盡 型MOS晶體管206的源極的電壓提供給誤差放大器212的非反相輸入端子。
反饋電壓應用于誤差放大器212的反相端子。反饋電壓是來自誤差放大器212的 輸出電壓的降低的電壓，且反饋電壓是基于電阻器214和216生成的分壓器。電容器218用 于減少誤差放大器212、電阻器214和216以及MOS晶體管210和206在電阻器214和電容 器218構成的電阻器/電容器(RC)網絡的截止頻率之上的噪聲影響。誤差放大器212使 用提供給非反相端子的電壓和提供給反相端子的反饋電壓，向電阻器220和電容器222輸 出已調輸出電壓。然而，來自耗盡型MOS晶體管202、204和206，增強型MOS晶體管208和 210，誤差放大器212以及電阻器214和216的噪聲影響結合生成大量的噪聲。
圖3以結構圖形式示出根據本發明的LDO電壓調節器電源300。 LDO電壓調節器 電源300 —般包括電壓參考電路302、電壓參考/放大器電路304、誤差放大器306、分壓器 308和負載310。電壓參考電路302具有連接在V^和地之間的電源端子和用于提供參考電 壓的輸出端子。電壓參考/放大器電路304具有連接到電壓參考電路302的輸出端子的第 一輸入端子、第二輸入端子、接地的電源端子以及第一輸出端子和第二輸出端子。
誤差放大器306具有連接到電壓參考/放大器電路304的第一輸出端子的第一輸 入端子、連接到電壓參考/放大器電路304的第二輸出端子的第二輸入端子、用于接收輸入 電壓VIN的電源端子和輸出端子。LDO電壓調節器電源300能設計為與MOS技術一起使用， 因此誤差放大器306的特征為是有MOS輸入差動級的誤差放大器。在另一實施方式中，誤差放大器306能使用雙極晶體管實現，因此誤差放大器306的特征為是有雙極輸入差動級 的誤差放大器。分壓器308具有連接到誤差放大器306的輸出端子的輸入端子和連接到電 壓參考/放大器電路304的第二輸入端子的輸出端子。負載310連接在誤差放大器306的 輸出端子和地之間。 在工作中，誤差放大器306基于來自電壓參考/放大器304的電壓和來自分壓器 308的反饋電壓向負載310提供已調輸出電壓。誤差放大器306包括內部傳輸器件，以提 供低壓降操作，內部傳輸器件未在圖3顯示。電壓參考電路302向電壓參考/放大器電路 304提供參考電壓。分壓器308向電壓參考/放大器電路304提供作為已調輸出電壓的預 定部分的反饋電壓。電壓參考/放大器電路304向誤差放大器306的第一輸入端子提供第 一輸入電壓，其與反饋電壓的變化成相反變化。此外，電壓參考/放大器電路304向誤差放 大器306的第二輸入端子提供第二電壓，且第二電壓對溫度的變化量與第一電壓的對溫度 的變化量實質上相同。在另一實施方式中，電壓參考/放大器電路304可將第二電壓作為 電壓參考向誤差放大器306的第二輸入端子提供。 電壓參考電路302通過提供基本上不受輸入電壓VIN的變化影響的穩定的電壓參 考，生成LDO電壓調節器電源300的高PSRR。此外，電壓參考/放大器電路304的增益抑制 誤差放大器306生成的噪聲。因此，LDO電壓調節器電源300里生成的唯一噪聲由電壓參 考/放大器電路304和分壓器308產生。因此，LDO電壓調節器電源300在提供已調輸出 電壓的同時具有高PSRR和少量的噪聲。 圖4以部分結構圖和部分示意性形式示出圖3的LDO電壓調節器電源300的電路 實現400。 LDO電壓調節器電源400 —般包括在圖4更詳細顯示的電壓參考電路302、電壓 參考/放大器電路304、誤差放大器306、分壓器308和負載310。電壓參考電路302包括耗 盡型MOS晶體管402和404以及增強型MOS晶體管406。耗盡型MOS晶體管402具有連接 到VIN的漏極、柵極和連接到該柵極的源極。增強型MOS晶體管406具有連接到耗盡型MOS 晶體管402的源極的漏極、連接到耗盡型MOS晶體管402的源極的柵極和接地的源極。耗 盡型MOS晶體管404具有連接到VIN的漏極、連接到耗盡型MOS晶體管402的源極的柵極和 源極。 電壓參考/放大器電路304包括電阻器408和410、耗盡型M0S晶體管412以及增 強型MOS晶體管414。電阻器408具有連接到耗盡型MOS晶體管404的源極的第一端子和 第二端子。電阻器410具有連接到電阻器408的第一端子的第一端子和第二端子。耗盡型 MOS晶體管412具有連接到電阻器408的第二端子的漏極、接地的柵極和接地的源極。增強 MOS晶體管414具有連接到電阻器410的第二端子的漏極、柵極和接地的源極。
誤差放大器306包括誤差放大器416，誤差放大器416具有連接到電阻器410的第 二端子的非反相輸入端子、連接到電阻器408的第二端子的反相輸入端子、連接到VIN的輸 入電壓端子和輸出端子。 分壓器308包括電阻器418和420以及電容器422。電阻器418具有連接到誤差 放大器416的輸出端子的第一端子和連接到增強型MOS晶體管414的柵極的第二端子。電 阻器420具有連接到電阻器418的第二端子的第一端子和接地的第二端子。電容器422具 有連接到電阻器418的第一端子的第一端子和連接到電阻器418的第二端子的第二端子。
負載310包括電阻器424和電容器426。電阻器424具有連接到電容器422的第一端子的第一端子和接地的第二端子。電容器426具有連接到電阻器424的第一端子的第 一端子和接地的第二端子。 在工作中，誤差放大器416基于來自電壓參考/放大器電路304的兩個電壓向負 載310的電阻器424和電容器426提供已調輸出電壓。誤差放大器306包括內部傳輸器件， 以提供低壓降操作，內部傳輸器件未在圖4顯示。誤差放大器416使用M0S晶體管實現，但 是在可替換的實施方式中可用雙極晶體管來構成。將耗盡型M0S晶體管402的柵極端子和 源極端子連接在一起這個做法把耗盡型M0S晶體管402配置為恒流源。增強型M0S晶體管 406的柵極端子和漏極端子連接在一起，構成二極管接法晶體管。根據增強型M0S晶體管 406的閾值電壓，設置增強型MOS晶體管406的柵極端子上存在的電壓，以及因此也設置在 增強型M0S晶體管406的漏極端子上存在的電壓。因此耗盡型M0S晶體管402的柵極端子 的電壓按照增強型MOS晶體管406的閾值電壓設置。增強型MOS晶體管406的漏極處產生 的電壓依賴于增強型MOS晶體管406的閾值電壓，并從而實質上不依賴輸入電壓V『耗盡 型MOS晶體管402和增強型MOS晶體管406的串聯組合給耗盡型MOS晶體管404的柵極提 供穩定的電壓。 耗盡型MOS晶體管404是高輸入阻抗緩沖器，接收來自耗盡型M0S晶體管402和 增強型MOS晶體管406的預先穩定的電壓輸出，并向電阻器408和410供應緩沖的穩定的 電壓。耗盡型MOS晶體管404被配置為源極跟隨器，由此耗盡型MOS晶體管404的源極端 子上的電壓追蹤耗盡型MOS晶體管404的柵極端子上出現的電壓。由于耗盡型MOS晶體管 404的源極跟隨器特性，耗盡型MOS晶體管404很大程度上不受VIN的變化的影響，并因此 充分增加LDO電壓調節器電源400的PSRR性能。 基于耗盡型MOS晶體管412的柵極和源極接地，MOS晶體管412在電壓參考/放 大器電路304里生成參考電流。參考電壓基于參考電流傳導通過電阻器408而生成，且參 考電壓提供給誤差放大器416的反相輸入端子。反饋電壓應用于增強型MOS晶體管414的 柵極。反饋電壓是來自誤差放大器416的輸出電壓的降低的電壓，且反饋電壓是基于電阻 器418和420生成的分壓器。電容器422用于減少電阻器418和420以及MOS晶體管412 和414在電阻器422和電容器418構成的電阻器/電容器(RC)網絡的截止頻率之上的噪 聲影響。 基于提供給增強型晶體管414的柵極的反饋，可變電流傳導通過增強型MOS晶體 管414。隨著反饋電壓的增加，增強型M0S晶體管414變得傳導性更強，結果，更多電流傳導 通過增強型MOS晶體管414。傳導通過增強型MOS晶體管414的可變電流也傳導通過電阻 器410，在電阻器410的第二端子生成電壓。在電阻器410的第二端子的電壓提供給誤差放 大器416的非反相輸入端子，該電壓的變化與反饋電壓的變化相反。例如，反饋電壓越高， 越多的電流傳導通過電阻器410，而越多的電流傳導通過電阻器410，就造成電阻器410上 更大的壓降，這樣應用到誤差放大器416的非反相輸入端子的電壓就減少了。
可將耗盡型MOS晶體管412和增強型MOS晶體管414的物理特性設計為，使得提 供給誤差放大器416的電壓在LDO電壓參考電源400的期望的工作溫度范圍上的變化量實 質上相同，同時增強型MOS晶體管414的柵極電壓在期望的工作溫度范圍上幾乎保持恒定。 誤差放大器416調節提供給負載310的電阻器424和電容器426的輸出電壓，使得應用于 非反相輸入端子和反相輸入端子的電壓實質上相等。因此，隨著已調輸出電壓的改變，反饋電壓和應用于誤差放大器416的非反相輸入端子的電壓也改變。可將耗盡型M0S晶體管 412、增強型M0S晶體管414以及電阻器408和410的增益構造設計成，使得誤差放大器的 輸出造成的噪聲被抑制。因此，LDO電壓調節器電源400的噪聲實質上限于來自耗盡型MOS 晶體管412、增強型MOS晶體管414的噪聲和分壓器308的噪聲。因此，LDO電壓調節器電 源400具有高PSRR和少量的噪聲。 圖5示出用于提供圖3的LDO電壓調節器電源300里的已調輸出電壓的方法500 的流程圖。在塊502，對已調輸出電壓進行分壓，以提供反饋電壓。在塊504，參考電流通過 第一電路元件傳導。在塊506，基于參考電流并使用第一電阻器形成第一電壓。在塊508， 響應于反饋電壓，可變電流傳導通過第二電路元件。在塊510，基于可變電流并使用第二電 阻器形成第二電壓。響應于輸入電壓以及第一電壓和第二電壓之間的差異來提供已調輸出 電壓。 以上公開的主題應認為是示例性的，而不是限制性的，并希望隨附的權利要求覆 蓋所有這樣的更改、增加和落在權利要求的真實范圍內的其他實施方式。因此，對法律所允 許的最大程度，本發明的范圍由以下權利要求及其等價形式允許的最寬泛的解釋確定，且 不應被前述詳細描述限制或限定。
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權利要求
一種低壓降電壓調節器(300)，包括誤差放大器(306)，其具有第一輸入端子和第二輸入端子、用于接收輸入電壓的電源端子以及用于提供已調輸出電壓的輸出端子；分壓器(308)，其用于提供作為所述已調輸出電壓的預定部分的反饋電壓；以及放大器電路(304)，其用于向所述誤差放大器(306)的所述第一輸入端子提供與所述反饋電壓的變化成相反變化的第一電壓，以及向所述誤差放大器(306)的所述第二輸入端子提供第二電壓，所述第二電壓與所述第一電壓對溫度變化的量基本上相同。
2. 如權利要求l所述的低壓降電壓調節器(300)，其中所述誤差放大器(306)的特征 在于是具有MOS輸入差動級的誤差放大器。
3. 如權利要求l所述的低壓降電壓調節器(300)，其中所述放大器電路(304)的特征 在于是參考電壓/放大器電路，其中所述第二電壓的特征在于是參考電壓。
4. 如權利要求3所述的低壓降電壓調節器(300)，其中所述放大器電路(304)包括 第一電阻器(408)，其具有用于接收參考電壓的第一端子和耦合到所述誤差放大器(306)的所述第一輸入端子的第二端子；第二電阻器(410)，其具有用于接收所述參考電壓的第一端子和耦合到所述誤差放大 器(306)的所述第二輸入端子的第二端子；耗盡型MOS晶體管(412)，其具有耦合到所述第一電阻器(408)的所述第二端子的第一 電流電極、耦合到電源電壓端子的柵極和耦合到所述電源電壓端子的第二電流電極；以及增強型MOS晶體管(414)，其具有耦合到所述第二電阻器(410)的所述第二端子的第一 電流電極、用于接收所述反饋電壓的柵極和耦合到所述電源電壓端子的第二電流電極。
5. 如權利要求1所述的低壓降電壓調節器(300)，其進一步包括 電壓參考電路(302)，其具有用于提供參考電壓的輸出； 所述電壓參考電路(302)包括第一耗盡型MOS晶體管(402)，其具有用于接收所述輸入電壓的第一電流電極、柵極和 耦合到所述柵極的第二電流電極；增強型MOS晶體管(404)，其具有耦合到所述第一耗盡型M0S晶體管(402)的所述第二 電流電極的第一電流電極、耦合到所述第一耗盡型MOS晶體管(402)的所述第二電流電極 的柵極和耦合到電源電壓端子的第二電流電極；以及第二耗盡型MOS晶體管(406)，其具有用于接收所述輸入電壓的第一電流電極、耦合到 所述第一耗盡型MOS晶體管(402)的所述第二電流電極的柵極和用于提供所述參考電壓的 第二電流電極；負載(310)，其具有用于接收所述已調輸出電壓的輸入端子。
6. —種用于在提供已調輸出電壓的低壓降電壓調節器(300)中使用的方法，所述方法 包括如下步驟對所述已調輸出電壓進行分壓以提供反饋電壓； 傳導參考電流通過第一電路元件(412); 基于所述參考電流使用第一電阻器(408)形成第一電壓； 響應于所述反饋電壓而傳導可變電流通過第二電路元件(414);基于所述可變電流使用第二電阻器(410)形成第二電壓；以及響應于輸入電壓和所述第一電壓與所述第二電壓之間的差值來提供所述已調輸出電壓。
7. 如權利要求6所述的方法，其中傳導所述參考電流的所述步驟包括傳導所述參考電 流通過耗盡型MOS晶體管(412)。
8. 如權利要求6所述的方法，其中傳導所述可變電流的所述步驟包括傳導所述可變電 流通過增強型MOS晶體管(414)。
9. 如權利要求6所述的方法，其中提供所述已調輸出電壓的所述步驟包括從具有MOS 輸入差動級的誤差放大器(306)提供所述已調輸出電壓。
10. 如權利要求6所述的方法，其中提供所述已調輸出電壓的所述步驟包括從具有雙 極型輸入差動級的誤差放大器(306)提供所述已調輸出電壓。
全文摘要
一種低壓降電壓調節器及其方法，該低壓降電壓調節器包括誤差放大器、分壓器和電壓參考/放大器電路。誤差放大器具有第一輸入端子和第二輸入端子、用于接收輸入電壓的電源端子以及用于提供已調輸出電壓的輸出端子。分壓器提供作為所述已調輸出電壓的預定部分的反饋電壓。電壓參考/放大器電路向所述誤差放大器的所述第一輸入端子提供與所述反饋電壓的變化成相反變化的第一電壓，并向所述誤差放大器的所述第二輸入端子提供第二電壓，第二電壓與所述第一電壓對溫度的變化量實質上相同。
文檔編號G05F1/46GK101739050SQ20091020680
公開日2010年6月16日 申請日期2009年10月21日 優先權日2008年11月11日
發明者R·科倫諾 申請人:半導體元件工業有限責任公司