調壓器的製造方法

2023-05-02 04:50:16 2

調壓器的製造方法
【專利摘要】一種調壓器包括：驅動電路、反饋電路、第一和第二控制電路以及電阻器。驅動電路連接至輸入節點和輸出節點，並且根據輸入節點處的輸入電壓在輸出節點處生成輸出電壓。反饋電路連接至輸出節點並且基於輸出電壓生成反饋電壓。第一控制電路連接至反饋電路和驅動電路，以基於反饋電壓來控制輸出電壓。電阻器具有相對的第一端和第二端。電阻器的第一端連接至輸出節點。第二控制電路連接至輸出級電阻器的第二端和反饋電路，以基於輸出級電阻器的第二端處的調節電壓來控制反饋電壓。
【專利說明】調壓器
[0001]相關申請
[0002]本申請涉及2010年3月30日提交的美國專利申請第12/750，260號，其全部內容通過引用結合於此作為參考。

【技術領域】
[0003]本發明涉及一種調壓器(voltage regulator)。

【背景技術】
[0004]調壓器被配置為自動在負載端處保持恆定的電壓電平。調壓器的特性是電源抑制比(PSRR)，其被用於描述可被調壓器抑制的來自電源的噪聲量。PSRR被定義為:電源電壓的變化量(或噪聲)(AVDD)與電源電壓節點VDD處的變化量引起的輸出電壓變化量(或噪聲)(AVOUT)的比率，SP，PSRR= Λ VDD/Λ VOUT。
[0005]較高的PSRR值代表較高水平的電源噪聲抗擾度，其在很多現代電子器件中都是考慮因素。


【發明內容】

[0006]根據本發明的一個方面，提供了一種調壓器，包括:輸入節點；輸出節點；驅動電路，連接至輸入節點和輸出節點，驅動電路被配置為根據輸入節點處的輸入電壓在輸出節點處生成輸出電壓；反饋電路，連接至輸出節點，反饋電路被配置為基於輸出電壓來生成反饋電壓；第一控制電路，連接至反饋電路和驅動電路，第一控制電路被配置為基於反饋電壓來控制輸出電壓；輸出級電阻器，具有相對的第一端和第二端，輸出級電阻器的第一端連接至輸出節點；以及第二控制電路，連接至輸出級電阻器的第二端和反饋電路，第二控制電路被配置為基於輸出級電阻器的第二端處的調節電壓來控制反饋電壓。
[0007]優選地，第一控制電路和第二控制電路被配置為響應於流過輸出級電阻器的負載電流的變化而使調節電壓保持恆定。
[0008]優選地，反饋電路包括具有限定反饋電壓的可變電壓比的分壓器；以及第二控制電路被配置為基於調節電壓改變分壓器的電壓比。
[0009]優選地，分壓器包括:第一電阻器，連接在輸出節點和中間節點之間，中間節點連接至第一控制電路；以及第二電阻器，連接在中間節點和電源端之間；並且第一電阻器和第二電阻器中的至少一個是電阻值在第二控制電路的控制下可變的可變電阻器。
[0010]優選地，可變電阻器包括多個互連電路，每一個電路都包括彼此連接的電阻器和電晶體；以及第二控制電路連接至電晶體的柵極並且被配置為向電晶體的柵極提供數字控制信號，從而基於調節電壓來選擇性地使電晶體導通或者截止。
[0011]優選地，可變電阻器包括電晶體；以及第二控制電路連接至電晶體的柵極並且被配置為向電晶體的柵極提供模擬控制信號，從而基於調節電壓來改變電晶體的電阻。
[0012]優選地，該調壓器還包括:連接為二極體形式的電晶體，與可變電阻器的電晶體並聯連接。
[0013]優選地，該調壓器還包括:電晶體，連接在輸出節點和電源端之間；以及第三控制電路，連接至反饋電路和電晶體的柵極端，第三控制電路被配置為基於反饋電壓，通過調整流過輸出節點和電源端之間的電晶體的電流來控制輸出電壓。
[0014]優選地，該調壓器還包括:偏置電壓電路，連接至電晶體的柵極端並且被配置為向電晶體的柵極端提供偏置電壓以將電晶體配置為飽和狀態。
[0015]優選地，輸出級電阻器的電阻值在2Ω至10Ω之間。
[0016]根據本發明的另一方面，提供了一種調壓器，包括:輸入節點；輸出節點；驅動電晶體，包括連接至輸入節點的第一端、連接至輸出節點的第二端和柵極端；分壓器，包括連接在輸出節點和中間節點之間的第一電阻和連接在中間節點和電源端之間的第二電阻器，其中，第一電阻器和第二電阻器中的至少一個是可變電阻器；第一運算放大器，包括:連接至參考電壓節點的第一輸入端、連接至分壓器的中間節點的第二輸入端和連接至驅動電晶體的柵極端的輸出端；輸出級電阻器，具有相對的第一端和第二端，輸出級電阻器的第一端連接至輸出節點；以及第二運算放大器，包括:連接至設置電壓節點的第一輸入端、連接至輸出級電阻器的第二端的第二輸入端和連接至分壓器的可變電阻器用於控制可變電阻器的電阻值的輸出端。
[0017]優選地，該調壓器還包括:狀態機，連接在第二運算放大器的輸出端和分壓器的可變電阻器之間，狀態機被配置為將第二運算放大器的輸出端處的電壓轉換為用於控制可變電阻器的電阻值的數字控制信號。
[0018]優選地，可變電阻器包括多個互連的電路，每一個電路都包括彼此連接的電阻器和電晶體；以及狀態機的輸出端連接至可變電阻器中的電晶體的柵極以向電晶體的柵極提供數字控制信號，從而選擇性地使電晶體導通或者截止。
[0019]優選地，可變電阻器包括電晶體；以及第二運算放大器的輸出端連接至電晶體的柵極以向電晶體的柵極提供模擬控制信號，從而改變電晶體的電阻。
[0020]優選地，該調壓器還包括:連接為二極體形式的電晶體，與可變電阻器的電晶體並聯連接。
[0021]優選地，該調壓器還包括:另一電晶體，連接在輸出節點和電源端之間，另一電晶體被配置為以飽和模式進行工作；電容器，連接至另一電晶體的柵極端；以及第三運算放大器，包括:連接至參考電壓節點的第一輸入端、連接至分壓器的中間節點的第二輸入端和通過電容器連接至驅動電晶體的柵極端的輸出端。
[0022]優選地，驅動電晶體是P溝道金屬氧化物半導體(PMOS)電晶體；第一運算放大器的第一輸入端是反相輸入端，並且第一運算放大器的第二輸入端是非反相輸入端；第二運算放大器的第一輸入端是反相輸入端，並且第二運算放大器的第二輸入端是非反相輸入端；另一電晶體是η溝道金屬氧化物半導體(NMOS)電晶體；以及第三運算放大器的第一輸入端是反相輸入端，並且第三運算放大器的第二輸入端是非反相輸入端。
[0023]根據本發明的又一方面，提供了一種操作調壓器的方法，包括:在調壓器的輸入節點處接收輸入電壓；根據輸入電壓，在調壓器的輸出節點處生成輸出電壓，輸出節點連接至輸出級電阻器的第一端；基於輸出電壓來生成反饋電壓；基於反饋電壓來控制輸出電壓的生成；以及基於輸出級電阻器的第二端處的調節電壓來控制反饋電壓的生成。
[0024]優選地，控制反饋電壓的生成包括手動控制。
[0025]優選地，控制反饋電壓的生成包括自動控制。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]通過實例的方式闡述了一個或者多個實施例，但並不對其進行限制，在附圖的圖形中，其中具有相同參考數字名稱的元件在本說明書中代表類似的元件。除非另有說明，否則附圖不是按照比例繪製。
[0027]圖1A是根據一些實施例的調壓器的框圖；
[0028]圖1B和圖2是根據一些實施例的不同調壓器的示意性電路圖；
[0029]圖3是根據一些實施例的可變電阻器的示意性電路圖；
[0030]圖4是根據一些實施例的調壓器的示意性電路圖；
[0031]圖5是根據一些實施例的高帶寬運算放大器的示意性電路圖；
[0032]圖6和圖7是根據一些實施例的不同調壓器的示意性電路圖；
[0033]圖8是示出不同調壓器的PSRR相對於頻率特性的示圖；以及
[0034]圖9是根據一些實施例的操作調壓器的方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0035]應當理解以下公開內容提供了很多不同的實施例或者實例以實現各個實施例的不同特徵。以下描述了部件和配置的具體實例以簡化本發明。然而，本發明的發明構思可以許多不同的形式來體現但是不應解釋為受限於本發明所提出的實施例。然而，顯然，在沒有這些具體細節的情況下，可以實施一個或多個實施例。附圖中的類似的參考數字代表類似的元件。
[0036]在一些實施例中，在調壓器的輸出節點和負載之間配置電阻器。輸出節點處的輸出電壓受反饋電路控制。儘管負載電流發生變化，但是基於負載處的調節電壓來調節反饋電路從而使調節電壓保持恆定。在至少一個實施例中，在所有頻率範圍內都可以取得_40dB或者更好的PSRR。
[0037]圖1A是根據一些實施例的調壓器100A的示意性電路圖。調壓器100A包括:輸入節點110、輸出節點120、驅動電路130、反饋電路140、控制電路150(本發明中也被稱為「第一控制電路」)和輸出級電阻器161 (本發明中也被稱為「電阻器艮」)。配置調壓器100A以在輸入節點110處接收輸入電壓Vin以及通過調節電壓端170向負載提供調節電壓V.。
[0038]驅動電路130連接至輸入節點110和輸出節點120，並且被配置為根據輸入節點110處的輸入電壓Vin在輸出節點120處生成輸出電壓Vqut。反饋電路140連接至輸出節點120,並且被配置為基於輸出電壓Votjt來生成反饋電壓Vx。為了獨立於輸出電壓Votjt而使反饋電壓\改變，反饋電路140具有可被控制信號S控制的可變參量。第一控制電路150連接至反饋電路140和驅動電路130，並且被配置為基於反饋電壓Vx來控制輸出電壓VTOT。
[0039]驅動電路130、反饋電路140和第一控制電路150共同限定了用於將輸出電壓Vqut保持在預定電平的反饋迴路LI。例如，在一個或者多個實施例中，如果輸出電壓Vtot降低，則反饋電路140響應於降低的輸出電壓Vtot而降低反饋電壓Vx。響應於降低的反饋電壓Vx，第一控制電路150輸出適當的電SV1使得驅動電路130增大輸出電壓Vtot。如果輸出電壓Vott增大，則反饋電路140響應於增大的輸出電壓Vtot而增大反饋電壓Vx。響應於增大的反饋電壓Vx，第一控制電路150輸出適當的電壓V1使得驅動電路130降低輸出電壓Vqut。
[0040]電阻器Ra具有相對的第一端和第二端，其中第一端連接至輸出節點120且第二端連接至調節電壓端170。調節電壓端170處的調節電壓V.被供給負載並且使負載電流Iumd流過電阻器Ra。因此，在輸出電壓Vtot和調節電壓Vkk之間產生電壓差，即，VTOT-VKE(；=I_xRa。當負載電流Iuwd改變時，電阻器Ra兩端的壓降也發生改變，這又可能引起施加於負載的調節電壓V.的改變。為了響應於負載電流1_的改變而保持恆定的調節電壓V.，根據一些實施例提供控制迴路或者校準迴路L2。
[0041]校準迴路L2至少包括:反饋電路140、第一控制電路150、驅動電路130和電阻器R3O在校準迴路L2中,基於調節電壓Vkk自動或者手動控制施加至反饋電路140的控制信號S。在一個或者多個實施例中，控制信號S由下文詳細描述的第二控制電路來自動控制，並且校準迴路L2包括這種第二控制電路。在一個或者多個實施例中，例如通過監控調節電壓V.的操作者手動控制控制信號S，並且校準迴路L2包括控制信號S的手動控制。
[0042]在一些實施例中，控制信號S根據調節電壓V.來調節反饋電壓Vx從而使調節電壓V.保持為期望電平。例如，如果調節電壓V.降低(由於負載電流1_的增大)，則基於降低的調節電壓V.而控制控制信號S以使反饋電路140降低反饋電壓\。降低的反饋電壓\使得第一控制電路150增大輸出電壓Vott，這又增大了調節電壓V.。如果調節電壓V.增大，則基於增大的調節電壓V.而控制控制信號S以使反饋電路140增大反饋電壓Vx。增大的反饋電壓Vx使得第一控制電路150降低輸出電壓Vtot，這又降低了調節電壓V.。因此，被供給負載的調節電壓V.保持在預定電平。
[0043]圖1B是根據一些實施例的調壓器100B的示意性電路圖。調壓器100B是調壓器100A的電路實施方式，並且包括:輸入節點110、輸出節點120、驅動電路130、反饋電路140、第一控制電路150、第二控制電路160和輸出級電阻器161。配置調壓器100B以在輸入節點110處接收電源電壓VDD並通過調節電壓端170以調節電壓Vkk的形式向負載提供接收到的電源電壓VDD。
[0044]驅動電路130連接至輸入節點110和輸出節點120，並且被配置為根據輸入節點110處的輸入電壓Vin而在輸出節點120處生成輸出電壓Vqut。驅動電路130是可控制的，從而調節或調整輸出電壓VQUT。在一些實施例中，驅動電路130包括在輸入節點110和另一電源端180之間串聯連接的電阻器R和電晶體M。在一些實施例中，如圖1所示，電晶體M是P溝道金屬氧化物半導體電晶體(PM0S)，輸入電壓Vin為待調節的電源電壓VDD，並且電源端180是具有接地電壓VSS的接地電壓端。在一些實施例中，電晶體M是η溝道金屬氧化物半導體電晶體(NMOS)，待調節的電源電壓VDD被提供給變為輸入節點的電源端180，而接地電壓VSS被提供給節點110。流過電晶體M的電流Id可通過施加於電晶體M的柵極的適當電壓V1來調節。由於Vott=IdXR,所以通過改變電壓V1根據電流Id的調整來調節輸出電壓VOTT。對驅動電路進行的其他的配置和操作都在不同實施例的範圍內。
[0045]反饋電路140連接至輸出節點120並且被配置為基於輸出電壓Vott生成反饋電壓\。為了獨立於輸出電壓Vtot來使反饋電壓Vx改變，反饋電路140具有可控的可變參量。例如，在輸出電壓Votit為同一電壓電平時，反饋電路140中的可變參量為不同數值時，反饋電壓Vx具有不同的電壓電平。在一些實施例中，參考圖2、圖4、圖6和圖7所示，反饋電路140包括具有可變電壓比的分壓器。反饋電路的其他配置都在不同實施例的範圍內。
[0046]第一控制電路150連接至反饋電路140和驅動電路130，並且被配置為基於反饋電壓Vx來控制輸出電壓VOT。在一些實施例中，第一控制電路150將反饋電壓Vx和參考電壓Vkef (例如，由帶隙基準電路提供)進行比較並且基於比較來輸出電壓％。輸出電壓V1例如通過電晶體M的柵極提供給驅動電路130以控制輸出電SVTOT。在一些實施例中，當反饋電壓Vx低於Vkef (這表明輸出電壓Votjt低於預定電壓電平)時,第一控制電路150輸出適當的電壓V1以增大電晶體M的電流ID，從而增大輸出電壓VOTT。當反饋電壓Vx高於參考電壓Veef (這表明輸出電壓Votjt高於預定電壓電平)時,第一控制電路150輸出適當的電壓V1以減小電晶體M的電流ID，從而減小輸出電壓VTOT。第一控制電路的其他的配置和操作都在不同實施例的範圍內。
[0047]電阻器Ra具有相對的第一端和第二端，其中第一端連接至輸出節點120且第二端連接至調節電壓端170。調節電壓端170連接至解耦電容器Q以過濾噪聲。調節電壓端170上的調節電壓V.被提供給負載並且使負載電流1_流過電阻器Ra。從而，在輸出電壓Vot和調節電壓Vkk之間存在壓差，S卩，VTOT-VKE(；=I_xRa。當負載電流1_改變時，電阻器Ra兩端的壓降也改變，其又可能導致施加至負載的調節電壓V.發生改變。為了響應於負載電流Imad的改變而將調節電壓V.保持恆定，提供第二控制電路160。如以下所述，第二控制電路160、反饋電路140、第一控制電路150、驅動電路130和電阻器Ra共同限定了用於校準和保持調節電壓V.在預定電平的校準迴路L2。
[0048]第二控制電路160連接至電阻器Ra的第二端(即，連接至調節電壓端170)和反饋電路140。第二控制電路160被配置為基於電阻器Ra的第二端處的調節電壓V.來控制反饋電壓Vx。在一些實施例中，第二控制電路160將調節電壓V.和設置電壓Vset進行比較，然後輸出控制信號S至反饋電路140以調節反饋電路140的可變參量。設置電壓Vset表示待提供給負載的調節電壓V.的預期電壓電平。在至少一個實施例中，設置電壓Vset可以通過用戶和/或外部器件來調節。在一些實施例中，當調節電壓V.低於設置電壓Vset (例如，由於負載電流1_的增大而引起電阻器Ra兩端的壓降的增大)時，如上所述，第二控制電路160輸出適當的控制信號S以使反饋電路140減小反饋電壓Vx，這又使第一控制電路150增大輸出電壓Votit。增大的輸出電壓Votit補償由於負載電流1_的增大而引起的電阻器Ra兩端的壓降的增大，從而使調節電壓V.保持恆定。當調節電壓V.高於設置電壓Vset(例如，由於負載電流Iwad的減小而引起電阻器Ra兩端的壓降減小)時，如上所述，第二控制電路160輸出適當的控制信號S以使反饋電路140增大反饋電壓Vx，這又使第一控制電路150減小輸出電壓V.。減小的輸出電SVot補償由於負載電流1_的減小而引起的電阻器Ra兩端的壓降的減小，從而使調節電壓V.保持恆定。對第二控制電路進行的其他的配置和操作都在不同實施例的範圍內。
[0049]如果反饋電路140的調節沒有受到第二控制電路160的控制，則第一控制電路150將使輸出電SVott保持恆定，並且調節電壓V.將由於負載電流Ium的變化而產生波動。因此，根據一些實施例的第二控制電路160工作來響應於負載電流Ium的變化保持調節電壓Vkk恆定。如果沒有電阻器Ra，則輸出節點120處的阻抗由電容器CJ艮定，該電容器Q提供了隨著頻率的增大而接近於零的阻抗。因此，高頻時調壓器的增益(隨著頻率的增大而減小)在特定情況下是受限的。根據一些實施例，通過加入電阻器Ra，高頻時輸出節點120處的阻抗由電阻器Ra的阻抗來限定，從而防止高頻時輸出節點120處的阻抗跌於特定水平以下。因此，在一些實施例中，電阻器Ra有利於增加調壓器在單位增益頻率(UGF)時的增益。這一效果使得根據一些實施例的調壓器在所有頻率範圍內，特別是頻率為大約數MHz至10MHz的標準晶片共振頻率左右時，實現_40dB或者更好的PSRR (BP,PSRR的絕對值至少是40dB)。在一些實施例中，電阻器Ra的電阻值在2 Ω至10Ω之間。
[0050]圖2是根據一些實施例的調壓器200的示意性電路圖。調壓器200包括:電晶體MP1 (本發明中也被稱為驅動電晶體)、電晶體MN1、分壓器240、第一運算放大器OPAMP1、第二運算放大器OPAMP2、狀態機265以及電阻器Ra。
[0051]電晶體MP1和電晶體麗i共同限定了驅動電路，其類似於參考圖1所述的驅動電路130。電晶體MP1包括:連接至輸入節點110以接收電源電壓VDD的第一端(例如，源極)、連接至輸出節點120的第二端(例如,漏極)和柵極端。統調電容器(tracking capacitor) C1連接在輸入節點110和電晶體MP1的柵極端之間以改善高頻PSRR。在一些實施例中，省略了電容器Q。電晶體包括:連接至輸出節點120的第一端(例如，漏極)、連接至電源端180以接收接地電壓VSS的第二端(例如，源極)和接收偏置電壓Vb的柵極端。偏置電壓Vb對電晶體MN1進行配置使其處於飽和狀態。處於飽和狀態的電晶體MN1配置取得了如美國專利申請第12/750，260號所述的一種或多種效果。根據一些實施例，電晶體MP1是PMOS電晶體並且電晶體MN1是NMOS電晶體。其他的配置在不同實施例的範圍內。
[0052]分壓器240包括第一電阻器R1和第二電阻器R2。第一電阻器R1連接在輸出節點120和中間節點245之間。第二電阻器R2連接在中間節點245和具有接地電壓VSS的節點之間。第一電阻器R1或第二電阻器R2中的至少一個是可變電阻器。例如，在圖2中示出的實施例中，第二電阻器R2是可變電阻器。在一個或者多個實施例中，第一電阻器R1是可變電阻器，或者第一電阻器R1和第二電阻器R2均為可變電阻器。第一電阻器R1和第二電阻器R2的電阻值限定了分壓器240的電壓比率和在中間節點245處產生的反饋電壓\。由於第二電阻器R2是可變電阻器，所以根據第二電阻器R2的電阻變化，分壓器240的電壓比率也是可變的，並且在中間節點245處產生的反饋電壓Vx也是可變的。
[0053]第一運算放大器OPAMP1限定了第一控制電路，其類似於參照圖1所述的第一控制電路150。第一運算放大器OPAMP1包括:連接至參考電壓節點255的第一輸入端(例如，反相輸入端)、連接至分壓器240的中間節點245的第二輸入端(例如，非反相輸入端)和連接至驅動電晶體MP1的柵極端的輸出端。第一運算放大器OPAMP1比較通過參考電壓節點255在反相輸入端處接收的參考電壓Vkef和來自分壓器240的在非反相輸入端處接收的反饋電壓Vx並基於比較來調節其輸出端處的電壓％。參考圖1所述，電壓V1被提供給電晶體MP1的柵極端以控制流過電晶體MP1的電流，從而調節輸出電壓VOTT。
[0054]類似於調壓器100B，調壓器200中的電阻器Ra具有連接至輸出節點120的第一端和連接至具有調節電壓V.的調節電壓端170的第二端。
[0055]第二運算放大器OPAMP2和狀態機265共同限定了第二控制電路，其類似於參照圖1所述的第二控制電路160。第二運算放大器OPAMP2包括:連接至設置電壓節點267處的第一輸入端(例如，反相輸入端)、連接至電阻器Ra的第二端的第二輸入端(例如，非反相輸入端)和連接至狀態機265的輸入端的輸出端。狀態機265還具有連接至第二電阻器R2的輸出端，用於控制第二電阻器R2的電阻值。第二運算放大器OPAMP2比較通過設置電壓節點267在反相輸入端處接收的設置電壓Vset和來自調節電壓端170的在非反相輸入端處接收的調節電壓Vkk並基於比較來調節其輸出端處的電壓V2。電壓V2被提供給狀態機265的輸入端，在一些實施例中，狀態機包括被配置為生成反映電壓V2的電壓電平的數字控制信號Sd的邏輯電路。從狀態機265向第二電阻器R2輸出數字控制信號Sd從而基於數字控制信號Sd中的一位或者多位來改變第二電阻器R2的電阻值。
[0056]調壓器200以類似於調壓器1 00B的方式工作，並且實現了參照調壓器100B所述的一種或者多種效果。在一個具體實例中，配置調壓器200以具有以下額定條件:1薩=20mA，Ra=5 Ω，Vset=L 5V, Vout=L 6V, Veeg=L 5V, Veef=Vx=0.8V, R1=2K Ω，R2=2K Ω。
[0057]當負載電流1_增大時(例如，從20mA到30mA)，電阻器1^兩端的壓降變成I_XRa=30mAX5Q=150mV=0.15V。在額定輸出電壓為1.6V時，調節電壓Vkeg從1.5V降低至1.6V - 0.15V=1.45V。第二運算放大器OPAMP2檢測到降低的調節電壓V.(即，1.45V)低於設置電壓Vset(即，1.5V)，並且適當地調節電壓V2，這又使得狀態機265輸出使第二電阻器R2的電阻值降低的相應數字控制信號SD。因此，降低了分壓器240的電壓比率R2ARJR2)，其又降低了反饋電壓Vx=VottXR2ARJR2X第一運算放大器OPAMP1檢測到降低的反饋電壓Vx低於參考電壓Vkef，並且適當地調節電壓V1以增大輸出電壓Vtot (即，增大反饋電壓^)。第二運算放大器OPAMP2和第一運算放大器OPAMP1分別自動地調節分壓器240的電壓比率和輸出電壓VTOT，直至Vx=Vset=0.8V，此時，輸出電壓Votit變為1.65V並且調節電壓Vkk返回至額定水平1.5V (由設置電壓Vset設置)。
[0058]當負載電流Ium減小時(例如，從20mA到10mA)，電阻器^兩端的壓降變成0.05V,並且調節電壓V.增加至1.55V。第二運算放大器OPAMP2檢測到增加的調節電壓V.高於設置電壓VSET，並且適當地調整電壓V2，這又使得狀態機265輸出使第二電阻器R2的電阻值增大的相應數字控制信號SD。因此，增大了分壓器240的電壓比率R2/(RJR2)，其增大了反饋電壓\。第一運算放大器OPAMP1檢測到增大的反饋電壓Vx高於參考電壓VKEF，並且適當地調整電壓V1以降低輸出電壓VOT(g卩，降低反饋電壓Vx)。第二運算放大器OPAMP2和第一運算放大器OPAMP1分別自動地調節分壓器240的電壓比率和輸出電壓VQUT，直至Vx=Vset=0.8V,此時，輸出電SVott變為1.55V並且調節電壓V.返回至額定水平1.5V。因此，儘管增大或者減小負載電流Ium,但是提供給負載的調節電壓V.保持恆定。如上所述，在調壓器200中，第二運算放大器OPAMP2、狀態機265、反饋電路240、第一運算放大器OPAMP1、包括電晶體MP1和MN1的驅動電路以及電阻器Ra限定了用於校準或保持調節電壓V.在預定電平的校準迴路(圖2中沒有示出)。
[0059]圖3是根據一些實施例的可變電阻器300的示意性電路圖。在至少一個實施例中，可變電阻器300被用作調壓器200中的第二電阻器R2。可變電阻器300包括多個互連的電路320、321、…32m，其中m是正整數。每一電路均包括與相應電晶體N2(l、N21、…或N2m連接的電阻器R2Q、R21、…或R2m。連接電晶體N2Q、N21、…N2m的柵極以接收相應的柵極控制信號S2(1、S21、一S2m，這些信號共同限定由狀態機265提供的數字控制信號SD。通過向每一電晶體N2(1、N21,…N2m的柵極都施加恰當的邏輯值「O」或「1」，狀態機265禁止或啟動相應的電阻器R2(1、R21、…R2m從而改變可變電阻300的電阻值。在圖3中可變電阻器300的具體配置中，電路320、321、…32m並聯連接在中間節點245和接地電壓VSS之間，並且在每一電路320、321、"42111中，電阻器R2Q、R21、…或R2m都與相應的電晶體N2(1、N21、…N2m串聯連接。然而，電路320、321、一32111和/或一個或多個電路中的電阻器與相應電晶體之間的其他串聯和/或並聯互連的配置在不同實施例的範圍內。在一個或多個實施例中，電阻器R2Q、R21 >…R2m由多晶矽製成(多晶矽電阻器)並且電晶體N2Q、N21、…N2m是NMOS電晶體。電阻器和/或電晶體的其他配置在不同實施例的範圍內。
[0060]圖4是根據一些實施例的調壓器400的示意性電路圖。與調壓器200相比，調壓器400另外包括第三運算放大器OPAMP3、交流(AC)耦合電容器C2、電阻器R3和偏置電壓電路491。第三運算放大器OPAMP3包括:連接至參考電壓節點255的第一輸入端(例如，反相輸入端)、連接至分壓器240的中間節點245的第二輸入端(例如，非反相輸入端)以及通過電容器C2連接至電晶體MN1的柵極端的輸出端。偏置電壓電路491包括電流源Ibi和NMOS電晶體MN2。偏置電壓電路491通過電阻器R3連接至電晶體的柵極端。如美國專利申請第12/750，260號所述，偏置電壓電路491提供了用於配置電晶體MN1使其處於飽和狀態的偏置電壓Vb。
[0061]還如美國專利申請第12/750，260號所述，第三運算放大器OPAMP3的工作方式在各個方面類似於第一運算放大器OPAMP1，但區別在於:第一運算放大器OPAMP1響應於輸出電壓Vtot和/或調節電壓V.的低頻(B卩，慢)變化來調節輸出電壓VOTT，而第三運算放大器OPAMP3響應於輸出電壓Votit和/或調節電壓Vkk的高頻(即，快)變化來調節輸出電壓VTOT。特別地，在低頻時，電容器C2的阻抗很高並且有效地使第三運算放大器OPAMP3的輸出端與電晶體MNl斷開。因此，低頻時第三運算放大器OPAMP3對輸出電壓Vott的調節沒有顯著的作用。高頻時，電容器C2的阻抗降低並且第三運算放大器OPAMP3輸出端處的電壓V3被施加至電晶體麗i的柵極以調節流過電晶體麗i的電流。因此，高頻時第三運算放大器OPAMP3和第一運算放大器OPAMP1共同調節輸出電壓VTOT。美國專利申請第12/750，260號中所述的一種或多種效果在該調壓器400中是可以實現的。
[0062]儘管以上對圖4的描述中將第三運算放大器OPAMP3和第一運算放大器OPAMP1描述為兩個獨立的運算放大器，但是這種描述是出於說明的目的和/或簡化。在一個或多個實施例中，如美國專利申請第12/750，260號所述，第一運算放大器OPAMP1和第三運算放大器OPAMP3的配置包括第一運算放大器OPAMP1和第三運算放大器OPAMP3被集成在一個具有分別用於電壓Vl和電壓V3的兩個輸出端的運算放大器內的結構。
[0063]參照圖2如上所述，在調壓器400中，第二運算放大器OPAMP2、狀態機265、反饋電路240、包括第一運算放大器OPAMP1和第三運算放大器OPAMP3的第一控制電路、包括電晶體MP1和MN1的驅動電路以及電阻器Ra限定了用於校準和保持調節電壓V.在預定電平的校準迴路(圖4中沒有示出)。
[0064]圖5是根據一些實施例的高帶寬運算放大器500的示意性電路圖。在至少一個實施例中，運算放大器500用作第一運算放大器OPAMP1、第二運算放大器OPAMP2或第三運算放大器OPAMP3中的任意一個。運算放大器500包括多個PMOS電晶體P1至P4、多個NMOS電晶體N1至N6以及多個電流源I1至13，它們按照本領域已知的配置方式連接在一起，並且按照本領域已知的方式工作。第一運算放大器OPAMP1、第二運算放大器OPAMP2和/或第三運算放大器OPAMP3的其它配置在不同實施例的範圍內。
[0065] 圖6是根據一些實施例的調壓器600的示意性電路圖。與調壓器400相比，調壓器600包括作為可變電阻器的匪OS電晶體MN3,其與第一電阻器R1共同限定分壓器640。電晶體MN3包括連接至中間節點245的第一端(例如，漏極)、連接至接地電壓VSS的第二端(例如，源極)以及連接至第二運算放大器OPAMP2輸出端的柵極端。在一個或者多個實施例中，電晶體MN3是PMOS電晶體。從第二運算放大器OPAMP2輸出的電壓V2是取決於調節電壓V.和設置電壓Vset之間的比較而具有可變電壓電平的模擬控制信號。根據模擬控制信號(即，電壓V2),可以調節電晶體MN3的電阻。因此，通過模擬控制信號，根據調節電壓V.可以調節分壓器的電壓比率和中間節點245處的反饋電壓Vx。在其它不同方面，調壓器600的工作方式類似於調壓器400。在調壓器600中，第二運算放大器OPAMP2、反饋電路640、包括第一運算放大器OPAMP1和第三運算放大器OPAMP3的第一控制電路、包括電晶體MP1和MN1的驅動電路以及電阻器Ra限定了用於校準和保持調節電壓V.的校準迴路(圖6中沒有示出)。
[0066]圖7是根據一些實施例的調壓器700的示意性電路圖。與調壓器600中的分壓器640相比，調壓器700中的分壓器740另外還包括與MN3並聯連接的NMOS電晶體MN4。特別地，電晶體MN4包括連接至中間節點245的第一端(例如，漏極)、連接至接地電壓VSS的第二端(例如，源極)以及連接至電晶體MN4的漏極的柵極端。在一個或者多個實施例中，電晶體MN4是PMOS電晶體。由於電晶體MN4的漏極和柵極相互連接，所以電晶體MN4是用作二極體的連接為二極體形式的電晶體。相比於沒有提供與電晶體MN3並聯的電晶體MN4時，連接為二極體形式的電晶體MN4與電晶體MN3 —起使電晶體MN3的電阻變化更加具有線性特性。在一個或者多個實施例中，電晶體MN3的電阻變化的更加線性的特性(behavior)使得設計、控制或者校準調壓器700更加容易。在其它不同方面中，調壓器700的工作方式類似於調壓器600。在調壓器700中，第二運算放大器OPAMP2、反饋電路740、包括第一運算放大器OPAMP1和第三運算放大器OPAMP3的第一控制電路、包括電晶體MP1和MN1的驅動電路以及電阻器Ra限定了用於校準和保持調節電壓V.的校準迴路(圖7中沒有示出)。
[0067]圖8是示出不同調壓器的PSRR相對於頻率的特性的示圖。圖8中的橫軸或X軸代表調壓器的電源電壓(VDD)的噪聲頻率範圍，而圖8中的縱軸或Y軸代表以-dB為單位測量得到的調壓器的PSRR。PSRR絕對值越高則代表電源噪聲抗擾度的水平越高。特性曲線802代表不包含輸出級電阻器或用於調節可變反饋電路的控制電路的調壓器的PSRR相對於頻率的特性。特性曲線804代表調壓器的PSRR相對於頻率的特性，根據一些實施例，該調壓器提供輸出級電阻器和用於調節可變反饋電路的控制電路。特性曲線802表明在相對較寬的頻率範圍內，相當好的PSRR值為-30dB或者更好(即，PSRR的絕對值至少為30dB)。然而，根據一些實施例的分壓器的特性曲線804則表明具有更好的PSRR值。具體地，根據一些實施例的分壓器在寬頻範圍內(例如，從IO3Hz到IO13Hz)的PSRR值為-40dB或者更好(BP,PSRR的絕對值至少為40dB)。因此，根據一些實施例的分壓器的PSRR在電源噪聲抗擾度是重要考慮因素的很多應用中(諸如鎖相迴路(PLL)、延遲鎖定迴路(DLL)、嵌入式動態隨機存取存儲器(eDRAM)等)有益於使用。如本發明和/或美國專利申請第12/750，260號所述，根據一些實施例的調壓器還包含一種或多種效果，諸如響應負載電流變化而自動自校驗、UGF時的增益增大、單位增益頻寬(UGBW)增大、防止過電壓和/或低負載的不穩定性坐寸ο
[0068]圖9是根據一些實施例的操作調壓器的方法900的流程圖。在一個或者多個實施例中，在方法900中被操作的調壓器包括參照圖1A至圖1B、圖2、圖4、圖6和圖7所公開的調壓器中的一個或者多個。在下面的描述中，方法900對例如參照圖1B所公開的調壓器100B進行操作。
[0069]在操作905中，在調壓器的輸入節點處接收輸入電壓，並且根據輸入電壓而在調壓器的輸出節點處生成輸出電壓。輸出節點連接至輸出級電阻器的第一端。例如，參照圖1B所述，在調壓器100B的輸入節點110處接收輸入電壓VIN。通過驅動電路130以及根據輸入電壓Vin，在調壓器100B的輸出節點120處生成輸出電壓Vqut。輸出節點120連接至輸出級電阻器161的第一端。
[0070]在操作915中，基於輸出電壓來生成反饋電壓。例如,參照圖1B所述,基於輸出電壓VQUT，通過反饋電路140生成反饋電壓\。
[0071]在操作925中，基於反饋電壓來控制輸出電壓的生成。例如，參照圖1B所述，基於反饋電壓\，通過第一控制電路150控制輸出電壓Vtot的生成。更具體地，如果輸出電壓Vout減小，則反饋電壓Vx也減小並且使第一控制電路150輸出適當的電壓V1以增大驅動電路130的電流Id，從而增大輸出電壓Vtm。如果輸出電壓Vot增大，則反饋電壓Vx也增大並且使第一控制電路150輸出適當的電壓V1以減小驅動電路130的電流ID，從而減小輸出電壓 Vout。
[0072]在操作935中，基於輸出級電阻器的第二端處的調節電壓來控制反饋電壓的生成。例如，參照圖1B所述，基於輸出級電阻器161的第二端處的調節電壓V.，通過第二控制電路160來控制反饋電壓Vx的生成。更具體地，如果調節電壓V.減小，則第二控制電路160輸出控制信號S至反饋電路140以減小反饋電壓Vx。減小的反饋電SVx使得第一控制電路150增大輸出電壓VTOT，這又增大調節電壓V.。如果調節電壓V.增大，則第二控制電路160輸出控制信號S至反饋電路140以增大反饋電壓Vx。增大的反饋電壓Vx使得第一控制電路150減小輸出電壓Vott，這又減小調節電壓V.。因此，根據一些實施例，待提供給負載的調節電壓V.被保持在預定電平。
[0073]在一些實施例中，參照圖1B、圖2、圖4、圖6和圖7所述，基於調節電壓Vkk控制反饋電壓\包括通過控制電路進行的自動控制。
[0074]在一些實施例中，基於調節電壓Vkk控制反饋電壓Vx包括手動控制。在一個或多個實施例中，測量調節電壓V.並且將其輸出(例如，通過顯示器)至調壓器的操作者。如上文剛剛所述，操作者基於測量的調節電壓V.來手動調節反饋電壓Vx以使調節電壓V.達到預定電平。例如，在反饋電路包括參照圖3或圖6所述的可變電阻器的實施例中，操作者手動地調節相應的控制信號Sd (見圖3)或電壓V2 (見圖6)，從而調節反饋電壓Vx。
[0075]以上方法實施例示出了實例操作，但是不必要求它們按照所示的順序實施。根據本發明實施例的範圍和精神，可以對操作進行適當的添加、替換、更改順序和/或消除。結合不同特徵和/或不同實施例的實施例在本發明的範圍內並且在審閱了本發明之後其對於本領域內普通技術人員將是顯而易見的。
[0076]根據一些實施例，一種調壓器包括:輸入節點、輸出節點、驅動電路、反饋電路、第一控制電路、第二控制電路以及輸出級電阻器。驅動電路連接至輸入節點和輸出節點，並且被配置為由輸入節點處的輸入電壓生成輸出節點處的輸出電壓。反饋電路連接至輸出節點並且被配置為基於輸出電壓生成反饋電壓。第一控制電路連接至反饋電路和驅動電路，並且被配置為基於反饋電壓來控制輸出電壓。輸出級電阻器具有相對的第一端和第二端。輸出級電阻器的第一端連接至輸出節點。第二控制電路連接至輸出級電阻器的第二端和反饋電路，並且被配置為基於輸出級電阻器的第二端處的調節電壓來控制反饋電壓。
[0077]根據一些實施例，一種調壓器包括:輸入節點、輸出節點、驅動電晶體、分壓器、第一運算放大器、第二運算放大器和輸出級電阻器。驅動電晶體包括連接至輸入節點的第一端、連接至輸出節點的第二端和柵極端。分壓器包括連接在輸出節點和中間節點之間的第一電阻器以及連接在中間節點和電源端之間的第二電阻器。第一電阻器或第二電阻器中的至少一個是可變電阻器。第一運算放大器包括連接至參考電壓節點的第一輸入端、連接至分壓器的中間節點的第二輸入端和連接至驅動電晶體的柵極端的輸出端。輸出級電阻器具有相對的第一端和第二端。輸出級電阻器的第一端連接至輸出節點。第二運算放大器包括連接至設置電壓節點的第一輸入端、連接至輸出級電阻器的第二端的第二輸入端以及連接至分壓器的可變電阻器的輸出端以用於調控可變電阻器的電阻值。
[0078]根據一些實施例，一種操作調壓器的方法包括:在調壓器的輸入節點處接收輸入電壓以及根據輸入電壓在調壓器的輸出節點處生成輸出電壓。輸出節點連接至輸出級電阻器的第一端。該方法還包括基於輸出電壓生成反饋電壓、基於反饋電壓來控制輸出電壓的生成以及基於輸出級電阻器的第二端處的調節電壓來控制反饋電壓的生成。
[0079]本領域普通技術人員應容易知曉一個或者多個公開的實施例實現了上文所闡述的一個或多個優點。在閱讀完上述說明書之後，本領域的普通技術人員能夠做各種改變、同等替換和其他不同的實施例以作為本發明的廣泛公開。因此，能夠預期，在此所授予的保護範圍僅受所附權利要求及其同等物的限定的限制。
【權利要求】
1.一種調壓器,包括: 輸入節點； 輸出節點； 驅動電路，連接至所述輸入節點和所述輸出節點，所述驅動電路被配置為根據所述輸入節點處的輸入電壓在所述輸出節點處生成輸出電壓； 反饋電路，連接至所述輸出節點，所述反饋電路被配置為基於所述輸出電壓來生成反饋電壓； 第一控制電路，連接至所述反饋電路和所述驅動電路，所述第一控制電路被配置為基於所述反饋電壓來控制所述輸出電壓； 輸出級電阻器，具有相對的第一端和第二端，所述輸出級電阻器的第一端連接至所述輸出節點；以及 第二控制電路，連接至所述輸出級電阻器的第二端和所述反饋電路，所述第二控制電路被配置為基於所述輸出級電阻器的第二端處的調節電壓來控制所述反饋電壓。
2.根據權利要求1所述的調壓器，其中，所述第一控制電路和所述第二控制電路被配置為響應於流過所述輸出級電阻器的負載電流的變化而使所述調節電壓保持恆定。
3.根據權利要求1 所述的調壓器，其中， 所述反饋電路包括具有限定所述反饋電壓的可變電壓比的分壓器；以及 所述第二控制電路被配置為基於所述調節電壓改變所述分壓器的電壓比。
4.根據權利要求3所述的調壓器，其中， 所述分壓器包括: 第一電阻器，連接在所述輸出節點和中間節點之間，所述中間節點連接至所述第一控制電路；以及 第二電阻器，連接在所述中間節點和電源端之間；並且 所述第一電阻器和所述第二電阻器中的至少一個是電阻值在所述第二控制電路的控制下可變的可變電阻器。
5.根據權利要求4所述的調壓器，其中， 所述可變電阻器包括多個互連電路，每一個電路都包括彼此連接的電阻器和電晶體；以及 所述第二控制電路連接至所述電晶體的柵極並且被配置為向所述電晶體的柵極提供數字控制信號，從而基於所述調節電壓來選擇性地使所述電晶體導通或者截止。
6.根據權利要求4所述的調壓器，其中， 所述可變電阻器包括電晶體；以及 所述第二控制電路連接至所述電晶體的柵極並且被配置為向所述電晶體的柵極提供模擬控制信號，從而基於所述調節電壓來改變所述電晶體的電阻。
7.—種調壓器,包括: 輸入節點； 輸出節點； 驅動電晶體，包括: 第一端，連接至所述輸入節點；第二端，連接至所述輸出節點；和 柵極端； 分壓器，包括: 第一電阻器，連接在所述輸出節點和中間節點之間；和 第二電阻器，連接在所述中間節點和電源端之間，其中，所述第一電阻器和所述第二電阻器中的至少一個是可變電阻器； 第一運算放大器，包括: 第一輸入端，連接至參考電壓節點； 第二輸入端，連接至所述分壓器的中間節點；和 輸出端，連接至所述驅動電晶體的柵極端； 輸出級電阻器，具有相對的第一端和第二端，所述輸出級電阻器的第一端連接至所述輸出節點；以及 第二運算放大器，包括: 第一輸入端，連接至設置電壓節點； 第二輸入端，連接至所述輸出級電阻器的第二端；和 輸出端，連接至所述分壓器的可變電阻器，用於控制所述可變電阻器的電阻值。
8.根據權利要求7所述的調壓器，還包括: 狀態機，連接在所述第二運算放大器的輸出端和所述分壓器的可變電阻器之間，所述狀態機被配置為將所述第二運算放大器的輸出端處的電壓轉換為用於控制所述可變電阻器的電阻值的數字控制信號。
9.根據權利要求7所述的調壓器，還包括: 另一電晶體，連接在所述輸出節點和電源端之間，所述另一電晶體被配置為以飽和模式進行工作； 電容器，連接至所述另一電晶體的柵極端；以及 第三運算放大器，包括: 第一輸入端，連接至所述參考電壓節點； 第二輸入端，連接至所述分壓器的中間節點；和 輸出端，通過所述電容器連接至所述驅動電晶體的柵極端。
10.一種操作調壓器的方法，所述方法包括: 在所述調壓器的輸入節點處接收輸入電壓； 根據所述輸入電壓，在所述調壓器的輸出節點處生成輸出電壓，所述輸出節點連接至輸出級電阻器的第一端； 基於所述輸出電壓來生成反饋電壓； 基於所述反饋電壓來控制所述輸出電壓的生成；以及 基於所述輸出級電阻器的第二端處的調節電壓來控制所述反饋電壓的生成。
【文檔編號】G05F1/56GK104049662SQ201310583338
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2013年11月19日 優先權日:2013年3月15日
【發明者】陳建宏, 鍾道文, 黃明傑, 林志昌, 黃琮靖 申請人:臺灣積體電路製造股份有限公司