用於集成電壓調節器的電容耦合電流提升電路的製作方法
2023-05-29 14:57:36 2
專利名稱：用於集成電壓調節器的電容耦合電流提升電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及電壓調節器，具體涉及集成電路電壓調節器，尤其涉及它們對快速變化的負載阻抗的響應，這些負載阻抗需要大的瞬時附加負載電流。
背景技術：
電壓調節器用於提供恆定的直流輸出電壓，Vref，並廣泛應用於集成電路中。當一種特殊的邏輯信號或一個邏輯狀態要求異常多的邏輯電路或邏輯門在幾乎理想的協調中進行轉換時，在使用電壓調節器的許多應用中出現了一個操作上的問題。這種問題經常發生在時鐘同步系統中——這種系統在邏輯電路設計中佔有主導地位。通常在這種設計中，所有的邏輯電路將對一個時鐘跳變沿作出反應轉移到另一個狀態或停留在原狀態。如果所有的或許多的邏輯門，例如，從低邏輯狀態轉移到高邏輯狀態，連接+Vref到門輸出的驅動電晶體共同接通並驅動輸出負載，特別是負載電容達到高電平。該負載電容可能很大，並且迅速將電容充電到邏輯高電平所需要的瞬變電流將要求Vref電壓調節器提供很高的瞬變電流。在邏輯電路中，電壓調節器輸出和+Vref電壓線之間存在物理分布阻抗和連接阻抗，但此處的討論將不予考慮，因為它們通常都很小，並且不是+Vref下降的主要因素。無論如何，負載在很短時間內要求的高電流將在電壓調節器的輸出電壓上顯示為下降或波動。
人們發明了許多方法來限制這種壓降。最簡單的方法可能就是用電壓調節器上的一個大電容(一個濾波電容器)來提供一部分瞬變電流。人們還進行了一些更有效的嘗試。其中之一包含在Edwards的美國專利no.5945818中。這個專利描述了一種可變極點/零點的配置，它提供穩定性，同時允許快速的瞬態響應復原和減小了的壓降。另一種方法包含在Motorola公司擁有的美國專利no.6,320,363中。這種方法中，雙重運算放大器用於不同的瞬態響應，以減少瞬時壓降。還有一種方法包含在Intel公司擁有的美國專利no.313,615中，直流輸出中的交流幹擾被濾出並送到一個PLL(鎖相環)。
在任何一個此類設計中，必須提到的一個問題是該設計的相位裕度。相位裕度指的是電壓調節器受預先設計的可變負載阻抗影響而失去穩定的敏感性或不敏感性。顯然該電壓調節器必須是穩定的，同時必須對變化的負載作出快速的反應。
還需要一種穩定的電壓調節器，其可以迅速地以很小的壓降和充分的相位裕度提供快速的瞬變電流。此外，當空間很緊湊時，比方說在集成電路晶片上，晶片的實際大小也成為設計需要考慮的問題。
發明內容
鑑於前面的背景討論，本發明提供耦合到電壓調節器輸出端的輸出負載電流提升器。一個大的固態開關，最好是一個MOSFET電晶體，在其閾值附近被偏置並由一個增益級驅動。當電壓調節器輸出電壓下降時，壓降被檢測並通過增益級放大，反過來又驅動開關的門進入接通狀態，其將一個電流源連接到負載上並提供瞬時輸出電流從而減小了壓降。
在一種優選的實施例中，電壓調節器輸出電壓的下降被容性耦合到一個增益級，該增益級又被容性耦合到一個MOSFET開關的柵極。該MOSFET開關將經調節的輸出電壓連接到一個提供負載需要的附加電流的電源。在這個實施例中，該MOSFET開關被偏置到它的導通閾值附近，因此調節後的電壓的略微下降將被放大並驅動MOSFET開關進入導通狀態。
由於幾乎所有的與計算機相關的電子系統都需要電源供給，本發明將在顯示器，存儲器，通信系統，用戶/服務系統以及任何其他計算或電子系統中發揮有利的作用。
技術領域中有經驗的人們將意識到，儘管以下的詳細說明是關於解說性實施例、附圖以及使用方法的，但本發明並不局限於這些實施例和使用方法。相反本發明涵蓋很寬的範圍，其範圍正如附權利要求書中所述。
以下對本發明的說明涉及到一些附圖，其中圖1是本發明一個實施例的電路方框簡圖；圖2是圖1中增益級的電路圖；圖3是電流和電壓波形的比較圖；圖4是包含了本發明的一個典型計算機系統。
具體實施例方式
圖1以方框簡圖的形式介紹了體現本發明的一個基本電路。圖中，一個數字邏輯電路負載由Vref驅動，Vref可能是+3.3伏或+2.5伏，或者幾乎任何其他用以驅動邏輯電路的電壓值。
圖中表明調節器2一般含有某個基準值，Vref輸出電壓從此基準值增而來。技術人員非常熟悉調節器的設計。顯然Vcc驅動了調節器，而Vref的輸出驅動了數字邏輯電路。不過Vref也適於驅動其他電路，並不局限於數字邏輯電路。圖1表明，Vref驅動許多通用的邏輯門5，其中每一個邏輯門含有一個負載電容，Ca，Cb，一直到Cn。如上所述，當所有這些通用邏輯門的輸出都被驅動為高電平時，為這些邏輯門負載電容充電的電流從Vref引出。這個瞬變負載電流將造成該處Vref下降，從而從電容Cload引出電流。所以，是Cload提供了初始的瞬變電流。
Vref的下降經由C1耦合到一個增益級並得到放大。放大後的輸出通過C2接通P1和P2。當PMOS電晶體接通時，附加的負載瞬變電流由Vcc提供。
P1和P2以及一個偏壓電阻R1接地的布局維持P1和P2的柵極接近每一個PMOS管的導通閾值。當C1上出現負跳變沿時，該負跳變沿通過增益級和C2送到PMOS管的柵極。PMOS管立刻接通，向Vref電壓線提供電流。
圖2是一種可行的增益電路的基本電路圖。該增益電路是一個非倒相的雙級推/拉或者「圖騰柱」電路布局。其中有第一級PMOS/NMOS電晶體對6，該電晶體對倒相併放大了Vref電壓線上的交流信號。第二級PMOS/NMOS電晶體對倒相和放大該信號。放大所得的信號經由C2送到P1和P2的柵極。圖示電流源在NMOS電晶體的源中，圖示電位器是圖示電晶體的柵極到漏極。這些元件體現了該增益放大器的偏壓電路圖——其他類似的偏壓電路圖在技術上為人們所熟知。
雖然前述優先選用的實施例使用的是經一個增益級容性耦合的MOSFET管，許多其他的電路技術和其他的固態電路元件也可以用於改進本發明。例如，可以用結型固態元件取代MOSFET開關，以及如果偏置可控，電路就可以直接耦合。一個比較器將被施以直流偏置在略低於Vref電壓值的一個閾值，於是當Vref電壓值下降到該閾值時，比較器放大輸入信號，並激活電流提升器。例如，該比較器可以驅動一個將提供瞬變電流的電源連接到Vref電壓線的電晶體開關。在直接耦合電路中可能會用到更多的元件，但可以去掉兩個耦合電容中的一個。另外，在使用或不使用某一個或著兩個耦合電容的情況下，雙極型元件可以取代一個或多個MOSFET。不僅如此，在這些功能相當的任一個或所有電路中，可以使用不同極性的電路元件。例如，NMOS取代PMOS，PNP取代NPN，等等。此外，圖1和圖2所示電路中Vcc和Vref是正的，而本發明也可以用負電壓或正負電壓結合使用，例如+5V和-5V。實施上述改變在技術上為人們所熟知。
圖3是一個普通電壓調節器和一個結合了本發明的調節器的典型的性能比較圖。上面一幅圖顯示了一個持續大約1毫微秒的約100毫安的電流脈衝12，假設它由負載電流的快速變化而產生。調節器提供20毫安的基本電流14，該100毫安的脈衝由調節器電容產生。受到這一脈衝作用，該調節器對該電容重新充電，普通調節器的電流響應用曲線16表示，而採用了本發明電流提升器的調節器的相應電流響應用曲線18表示。很明顯，用本發明對該電容充電只需大約3毫微秒，而用普通電壓調節器需要大約8毫微秒。
圖例20展示了電壓波形比較。當調節後的輸出為3.3V時，本發明將輸出電壓的100毫伏壓降22減小為大約15毫伏，而與不採用本發明時大約5毫微秒的恢復時間相比較，採用本發明的恢復時間大約為1毫微秒。輸出為2.5V時，普通調節器有240毫伏的壓降24，採用本發明後會減小為140毫伏的壓降26。普通調節器的恢復時間大約為8到12毫秒28，而採用本發明的恢復時間大約是3毫秒30。
圖4指出本發明電路應用於任何計算系統的電子裝置和電路系統的電源中。事實上，本發明提供的電流提升器可以在幾乎任何電子計算和處理儀器的電源以及與每一個裝置的輸入/輸出有關的電子設備中得到應用。例如，通信系統，網絡系統，路由器，存儲系統，用戶/服務系統，顯示器，鍵盤，印表機，等等。所有這些都將從這一創造性的電流提升器發明中受益。
應該明確的是，前面所描述的實施例在這裡只是作為例子提出，對其可以做出許多改變和替換。所以，本發明的應用範圍應如後面所附的權利要求書中所述。
權利要求如下
權利要求
1.一個用於調節後的電壓的電流提升器，包括一個用於檢測調節後的電壓中的壓降的傳感器，一個用於放大此壓降的放大器，一個響應所述放大器壓降的固態開關，將放大後的壓降連接到所述固態開關的裝置，其中放大後的壓降控制固態開關的狀態，以及在調節後的電壓和一個電流源之間連接所述固態開關的裝置。
2.如權利要求1所述的電流提升器，進一步包括將壓降傳送到放大器的第一電容，以及將放大後的壓降連接到固態開關的第二電容。
3.如權利要求1所述的電流提升器，其中固態開關是一個MOSFET。
4.如權利要求1所述的電流提升器，進一步包括偏壓電路，該偏壓電路與固態開關相連接，其中固態開關處於接通的閾值。
5.從具有計算機處理電子設備、鍵盤和顯示器或者其他類似的用戶接口、存儲器以及輸入/輸出控制器和裝置的通信、網絡、路由、顯示、存儲、或者伺服器/用戶系統組成的群組中，選出的一種電子計算機控制系統，進一步包括一個有調節後的輸出的電源，一個用於檢測調節後的電壓中的壓降的傳感器，一個用於放大此壓降的放大器，一個響應所述放大器壓降的固態開關，將放大後的壓降連接到固態開關的裝置，其中放大後的壓降控制固態開關的狀態，以及在調節後的電壓和一個電流源之間連接固態開關的裝置。
6.一種為調節後的電壓提供電流提升的方法，包括步驟檢測調節後的電壓中的壓降，放大該壓降，將放大後的壓降連接到固態開關，其中放大後的壓降控制固態開關的狀態，以及在調節後的電壓和一個電流源之間連接所述固態開關。
7.如權利要求6所述的方法，進一步包括以下步驟通過第一電容，將該壓降傳送到放大器，以及通過第二電容，將放大後的壓降連接到固態開關。
8.如權利要求6所述的方法，其中固態開關是一個MOSFET。
9.如權利要求1所述的方法，進一步包括偏置固態開關處於接通的閾值的步驟。
全文摘要
一種向電壓參考電源線(Vref)提供附加電流的電流提升電路。當負載(Ca，Cb)要求的電流過多從而導致電壓參考電源線(Vref)有壓降時，該壓降被檢測，於是開關(P1，P2)起作用，向電壓參考線(Vref)提供附加電流。一個增益級(GAIN)容性耦合到參考電壓(Vref)，任何壓降將通過該電容(C1，C2)傳送到增益級(GAIN)上，並通過增益級放大。放大後的壓降由電容耦合到固態開關(P1，P2)，此開關接通，將附加電流源(VCC)接到參考電壓線(Vref)。固態開關(P1，P2)所加偏壓略低於其接通閾值。
文檔編號G05F1/56GK1678966SQ03820097
公開日2005年10月5日 申請日期2003年6月30日 優先權日2002年7月31日
發明者羅納德·B·胡法切爾, 詹姆斯·J·麥克唐納二世 申請人:快捷半導體有限公司