調節器和調節方法
2023-07-27 04:39:41
調節器和調節方法
【專利摘要】本發明提供一種調節器以及相關的調節方法，被應用於調節輸出端的第一參考電壓，該調節器包含：檢測電路，用於檢測該輸出端上的第一參考電壓的變化以產生檢測信號；以及增益級，用於因應該檢測信號，將調整電流提供至該輸出端，以降低該第一參考電壓的該變化，且該增益級並聯耦接於由該第一參考電壓供電的負載電路。本發明可以解決餘量問題，且調節器能操作於非常高的頻率之下。
【專利說明】調節器和調節方法
【【技術領域】】
[0001]本發明關於電壓調節器及相關的調節方法，尤其關於一種高速、低成本的電壓調節器以及相關的調節方法。
【【背景技術】】
[0002]在具有多電路區塊(mult1-circuit block)的系統中，根據電源提供的輸出電壓，可使用電壓調節器來提供供應電壓至多電路區塊。因此，電壓調節器應該能夠在一個或多個多電路區塊操作期間提供電流至多電路區塊的同時保持供應電壓穩定(intact)。舉例來說，在電源的輸出電壓和供應電壓之間具有低壓差的低壓差(low dropout, LD0)調節器通常被用來為與其耦接的多電路區塊提供電源。然而，對於在現代半導體工藝下製造的電路裝置，系統的操作電壓低。於是，對於低壓差調節器和電路區塊之間的電壓差，可能沒有足夠的空間，即所謂的餘量(headroom)。此外，傳統低壓差調節器通常包含兩級，且眾所周知兩級系統在高速運行期間可能不是穩定的系統。
[0003]另一個例子，提供穩定的供應電壓至多電路區塊是利用大電容以連接至電源的輸出節點，以便在電源的輸出節點處成為充電池。然而，如果電容為片上電容，這樣則可能佔據電路系統的大片晶片面積；如果電容為片外電容，則片外電容的結合線可能在高頻下成為電感元件。因此，在電源的輸出節點處使用大電容作為充電池也不是一種提供穩定供應電壓至多電路區塊的好的解決方案。
[0004]相應地，在本領域中提供一種解決餘量問題以及傳統調節器的高頻問題的新的電壓調節器是一個迫切的問題。
【
【發明內容】
】
[0005]有鑑於此，本發明提供一種高速低成本的電壓調節器以及相關的調節方法。
[0006]依據本發明第一實施例，提供一種調節器。該調節器被應用於調節輸出端的第一參考電壓，該調節器包含:檢測電路，用於檢測該輸出端上的第一參考電壓的變化以產生檢測信號；以及增益級，用於因應該檢測信號，將調整電流提供至該輸出端，以降低該第一參考電壓的該變化，且該增益級並聯耦接於由該第一參考電壓供電的負載電路。
[0007]依據本發明第二實施例，提供一種調節方法，該調節方法被應用於調節輸出端的第一參考電壓，該調節方法包含:檢測該輸出端上的第一參考電壓的變化以產生檢測信號；以及使用增益級，用以因應該檢測信號，將調整電流提供至該輸出端，以降低該第一參考電壓的該變化，且該增益級並聯耦接於由該第一參考電壓供電的負載電路。
[0008]上述調節器以及相關的調節方法可以解決餘量問題，且調節器能操作於非常高的頻率之下。
【【專利附圖】
【附圖說明】】
[0009]圖1為依據本發明第一實施例的調節器100，被應用於調節輸出端No上的第一參考電壓Vdd。
[0010]圖2為依據本發明第二實施例的調節器200，被應用於調節輸出端No』上的第一參考電壓Vdd』。
[0011]圖3為依據本發明第三實施例的調節方法300的流程圖，被應用於調節輸出端No上的第一參考電壓Vdd。
[0012]圖4為依據本發明第四實施例的調節方法400的流程圖，被應用於調節輸出端No』上的第一參考電壓Vdd』。
【【具體實施方式】】
[0013]在說明書及權利要求當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。本領域中技術人員應可理解，電子裝置製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及權利要求並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準貝U。在通篇說明書及權利要求當中所提及的「包含」為開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。以外，「耦接」一詞在此包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述第一裝置耦接到第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或通過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。
[0014]請參考圖1，其為依據本發明第一實施例的調節器100，被應用於調節輸出端No的第一參考電壓Vdd(其為功能電路區塊的供應電壓)。調節器100包含檢測電路102以及包含增益級104的補償電路。檢測電路102用於檢測輸出端No的第一參考電壓Vdd的變化vs,以產生檢測信號Ss。增益級104用於因應檢測信號Ss，提供調整電流Iad至輸出端No以降低第一參考電壓Vdd的變化vs。第一參考電壓Vdd為電源106提供的輸出電壓。更具體地，輸出端No直接耦接於電源，用於接收由電源106輸出的第一參考電壓Vdd，以及調節器100直接連接至電源的輸出端(即No)。此外，輸出端No也是提供第一參考電壓Vdd或輸出電源至負載電路的輸出埠。相應地，為清楚起見，電源106和負載電路108也繪示於圖1。
[0015]根據本發明實施例，檢測電路102包含電流源1022、電晶體1024以及電容電路1026。電流源102具有直接耦接於輸出端No的第一端，用於產生參考電流Is。電晶體1024的漏極端耦接於電流源1022的第二端，以接收參考電流Is，以及電晶體1024的源極端耦接於第二參考電壓Vgnd(其為接地電壓)。電容電路1026的第一端直接耦接於輸出端No，第二端直接耦接於電晶體1024的柵極端Ng。應注意的是，電晶體1024的漏極端耦接於電晶體1024的柵極端Ng，且檢測信號Ss在電晶體1024的柵極端Ng產生。在本實施例中，電晶體 1024 為 N 型場效應電晶體(field-effected transistor, FET)。
[0016]此外，增益級104包含一個N型場效應電晶體，其柵極端耦接於電晶體1024的柵極端Ng以接收檢測信號Ss，漏極端直接耦接於輸出端No，以及源極端耦接於第二參考電壓Vgnd0
[0017]根據本發明實施例，檢測電路102可被視為連接在輸出端No與電晶體1024的柵極端Ng之間的高通濾波器，以及增益級104可被視為跨導電路(即gm cell)，用於將電壓形式的檢測信號Ss轉換至電流信號(即調整電流Iad)。請再次參考圖1，如果負載電路108從電源106吸取(draw)大電流,那麼在輸出端No可引入(induce)變化vs。變化vs可被視為小電壓信號，其可改變輸出端No上有效的參考電壓Vdd。如果變化vs足夠大，則接收第一參考電壓Vdd作為供應電壓的功能電路區塊(未圖示)可能被有效的參考電壓Vdd所影響。因此，具有高通濾波特性的檢測電路102用於檢測輸出端No上的變化vs以相應地產生檢測信號Ss。
[0018]更具體地，電流源1022連同電晶體1024可被視為增益級104的偏壓產生器(biasgenerator),以及電容電路1026用於將高頻變化vs通過(pass)至電晶體1024的柵極端Ng0因此，電容電路1026被設計為具有比電晶體1024的柵極端Ng的寄生電容大得多的電容量。舉例來說，電容電路1026的電容量可為柵極端Ng的寄生電容的電容量的至少10倍。換句話說，包含電容電路1026和增益級104的迴路是一個單級(one-stage)負反饋迴路。更具體地，當輸出端No的電壓減小時，柵極端Ng的電壓也減小，以及從輸出端No的吸取的電流也減小以用於增加輸出端No的電壓，反之亦然。此外，由於調節器100是單級負反饋迴路，所以調節器100能夠操作於非常高的頻率之下卻不進入不穩定狀態。調節器100也佔據小的晶片面積。
[0019]另外，由於調節器100和負載電路108是並聯耦接(例如，輸出端No和接地端Vgnd之間)，所以負載電路108直接接收由電源106提供的第一參考電壓Vdd，對於調節器100來說沒有餘量問題。因此，調節器100在現代半導體工藝下製造的電路裝置中使用時更加合適，其具有低的操作電壓。此外，在本實施例中，負載電路108和連接至輸出端No的功能電路區塊(未圖示)是電路系統中的核心裝置，這意味著由調節器100調節的第一參考電壓Vdd是電路系統的核心電壓,其中該核心電壓通常小於1/0(輸入/輸出)電壓,I/O電壓為不同晶片之間傳輸的電壓，以及該核心電壓為單晶片中不同電路區塊之間傳輸的電壓。此夕卜，與實作為I/O裝置的場效應電晶體相比較，實作為核心裝置的場效應電晶體的擊穿電壓(breakdown voltage)小於實作為I/O裝置的場效應電晶體的擊穿電壓。因此，在本實施例中，因為第一參考電壓Vdd為電路系統中的核心電壓，所以增益級104和檢測電路102中的N型場效應電晶體實作為電路系統的核心裝置。
[0020]此外，當輸出端No沒有高頻變化vs發生時，以及當高通濾波器(即檢測電路102)使高頻變化VS通過至柵極端Ng時，高通濾波器(即檢測電路102)實際上充當阻抗電路。在本實施例中，阻抗電路被設計為具有低阻抗，以便當高頻變化vs發生時，降低輸出端No和第二參考電壓Vgnd之間的電壓變化。
[0021]請參考圖2，其為依據本發明第二實施例的調節器200，被應用於調節輸出端No』上的第一參考電壓Vdd』(其為功能電路區塊的供應電壓)。調節器200包含檢測電路202和增益級203。檢測電路202用於檢測輸出端No』的第一參考電壓Vdd』的變化vs』，以產生檢測信號Ss』。增益級203包含跨導電路204和保護電路206。跨導電路204用於因應檢測信號Ss』，提供調整電流lad』至輸出端No』以降低第一參考電壓Vdd』的變化vs』。保護電路206耦接於跨導電路204和輸出端No』之間，用於在輸出端No』和跨導電路204之間引入壓降。第一參考電壓Vdd』為電源提供的輸出電壓。更具體地，調節器200直接連接至電源的輸出端(即No』)。此外，輸出端No』也是提供第一參考電壓Vdd』或輸出電源至負載電路的輸出埠。相應地，為清楚起見，電源208和負載電路210也繪示於圖2。
[0022]根據本發明實施例，檢測電路202包含電流源2022、電晶體2024以及電容電路2026。電流源202具有直接耦接於輸出端No』的第一端，用於產生參考電流Is』。電晶體2024的漏極端耦接於電流源2022的第二端，以接收參考電流Is』，以及電晶體2024的源極端耦接於第二參考電壓Vgnd』 (其為接地電壓)。電容電路2026的第一端直接耦接於輸出端No』，第二端直接耦接於電晶體2024的柵極端Ng』。應注意的是，電晶體2024的漏極端耦接於電晶體2024的柵極端Ng』，且檢測信號Ss』在電晶體2024的柵極端Ng』產生。在本實施例中，電晶體2024為N型場效應電晶體。
[0023]此外，跨導電路204包含一個N型場效應電晶體，其柵極端耦接於電晶體2024的柵極端Ng』以接收檢測信號Ss』，漏極端耦接於輸出端No』，以及源極端耦接於第二參考電壓 Vgnd?ο
[0024]此外，保護電路206包含一個N型場效應電晶體，其柵極端直接耦接於輸出端No 』，漏極端直接耦接於輸出端No』，以及源極端耦接於跨導電路204。更具體地，保護電路206的N型場效應電晶體的源極端連接至跨導電路204的N型場效應電晶體的漏極端。
[0025]在第二實施例中，檢測電路202和跨導電路204的操作類似於檢測電路102和跨導電路204的操作，因此檢測電路202和跨導電路204的詳細說明在此省略以求簡潔。調節器200和調節器100之間的差異在於附加的保護電路206。在第二實施例中，保護電路206實作為I/O裝置，以及檢測電路202和跨導電路204實作為核心裝置。此外，調節器200和負載電路210實作為兩個不同的晶片，因此由調節器200調節的第一參考電壓Vdd』為電路系統的I/O電壓。由於I/O電壓可能高於核心電壓，因此實作為I/O裝置的保護電路206的N型場效應電晶體能在輸出端No』和跨導電路204的N型場效應電晶體的漏極端之間提供壓降，其中跨導電路204和電晶體2024的N型場效應電晶體以核心裝置實現。因此，通過在輸出端No』和跨導電路204的N型場效應電晶體的漏極端之間引入壓降，跨導電路204的N型場效應電晶體漏極端上的電壓相應地減小。因此，由於該壓降以及輸出端No』上的高I/O電壓，跨導電路204的N型場效應電晶體可避免擊穿。換句話說，為了保護跨導電路204的N型場效應電晶體，跨導電路204的N型場效應電晶體被設置為不直接耦接於I/O端，即No，。
[0026]應注意的是，在第二實施例中，包含電容電路2026、跨導電路204以及保護電路206的迴路也是單級負反饋迴路。因此，調節器200能夠操作於非常高的頻率之下卻不進入不穩定狀態，且調節器200佔據的晶片面積也小。此外，由於調節器200和負載電路210直接連接至相同端(即輸出端No』)，用於接收第一參考電壓Vdd』，對於調節器200來說沒有餘量問題。此外，當輸出端No』發生高頻變化vs』時，高通濾波器(即檢測電路202)也充當低阻抗電路，因此當輸出端No』發生高頻變化vs』時，可降低輸出端No』和第二參考電壓Vgnd之間的電壓變化。
[0027]請注意，雖然上述實施例基於N型場效應電晶體來實現，但這並不作為本發明的限制。基於P型場效應電晶體實現的其他實施例也屬於本發明的範圍。
[0028]第一實施例調節器100的操作可以圖3的步驟簡單說明，圖3為依據本發明第三實施例的調節方法300的流程圖，被應用於調節輸出端No上的第一參考電壓Vdd。假設大致達到相同結果，圖3所示流程圖的步驟不必嚴格按照所示準確順序且不必連續，也就是說，可插入其他步驟在中間。該調節方法包含:
[0029]步驟302:檢測輸出端No上的第一參考電壓Vdd的變化vs ；
[0030]步驟304:對第一參考電壓Vdd的變化vs執行高通濾波操作以產生檢測信號Ss ；以及
[0031]步驟306:因應檢測信號Ss，使用增益級104以提供調整電流Iad至輸出端No，降低第一參考電壓Vdd的變化vs，且該增益級104與由第一參考電壓Vdd供電的負載電路108並聯f禹接。
[0032]此外，第二實施例調節器200的操作可以圖4的步驟簡單說明，圖4為依據本發明第四實施例的調節方法400的流程圖，被應用於調節輸出端No』上的第一參考電壓Vdd』。假設大致達到相同結果，圖4所示流程圖的步驟不必嚴格按照所示準確順序且不必連續，也就是說，可插入其他步驟在中間。該調節方法包含:
[0033]步驟402:檢測輸出端No』上的第一參考電壓Vdd』的變化vs』 ；
[0034]步驟404:對第一參考電壓Vdd』的變化vs』執行高通濾波操作以產生檢測信號Ss，;以及
[0035]步驟406:因應檢測信號Ss』，由跨導電路204提供調整電流lad』至輸出端No』，以用於降低第一參考電壓Vdd』的變化vs』 ；以及
[0036]步驟408:提供保護電路206以在輸出端No』與跨導電路204之間引入壓降，以降低跨導電路204的N型場效應電晶體漏極端的電壓。
[0037]簡單地說，上述實施例為低成本高速度的電壓調節器。依據本發明，通過將電壓調節器設計成單級負反饋迴路，調節器能操作於非常高的頻率之下。此外，通過將調節器直接連接至電源的輸出端，可以解決餘量問題。另外，通過使用低阻抗電路以檢測輸出端的高頻變化，輸出端和接地電壓之間的電壓變化得以降低。
[0038]本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視權利要求所界定者為準。
【權利要求】
1.一種調節器，被應用於調節輸出端的第一參考電壓，其特徵在於，該調節器包含: 檢測電路，用於檢測該輸出端上的該第一參考電壓的變化以產生檢測信號；以及 增益級，用於因應該檢測信號，將調整電流提供至該輸出端，以降低該第一參考電壓的該變化，且該增益級並聯耦接於由該第一參考電壓供電的負載電路。
2.如權利要求1所述調節器，其特徵在於，該檢測電路的一端直接耦接於該輸出端，以檢測該第一參考電壓的該變化。
3.如權利要求1所述調節器，其特徵在於，該增益級的一端直接耦接於該輸出端，以提供該調整電流至該輸出端。
4.如權利要求1所述調節器，其特徵在於，該輸出端直接耦接於電源，以接收由該電源輸出的該第一參考電壓。
5.如權利要求1所述調節器，其特徵在於，該檢測電路為高通濾波器，用於對該第一參考電壓的該變化執行高通濾波操作以產生該檢測信號。
6.如權利要求1所述調節器，其特徵在於，該增益級包含: 場效應電晶體，具有漏極端、源極端以及柵極端，該柵極端接收該檢測信號，該漏極端耦接於該輸出端，以及該源極端耦接於第二參考電壓。
7.如權利要求1所述調節器，其特徵在於，該檢測電路包含: 電流源，具有第一端和第二端，該第一端耦接於該輸出端，用於產生參考電流； 電晶體，具有漏極端、源極端以及柵極端，該漏極端耦接於該電流源的第二端以接收該參考電流，以及該源極端耦接於第二參考電壓；以及 電容電路，具有第一端和第二端，該電容電路的第一端I禹接於該輸出端，以及該電容電路的第二端耦接於該柵極端； 其中該電晶體的該漏極端耦接於該電晶體的該柵極端，以及該檢測信號在該電晶體的該柵極端產生。
8.如權利要求1所述調節器，其特徵在於，該增益級包含跨導電路，用於將電壓形式的該檢測信號轉換為該調整電流。
9.如權利要求8所述調節器，其特徵在於，該增益級還包含: 保護電路，耦接於該跨導電路和該輸出端之間，以在該輸出端和該跨導電路之間引入壓降。
10.如權利要求9所述調節器，其特徵在於，該保護電路包含: 第一場效應電晶體，具有漏極端、源極端以及柵極端，該柵極端與該漏極端耦接於該輸出端，以及該源極端耦接於該跨導電路。
11.如權利要求10所述調節器，其特徵在於，該跨導電路包含: 第二場效應電晶體，具有漏極端、源極端以及柵極端，該第二場效應晶體的柵極端接收該檢測信號，該第二場效應晶體的漏極端耦接於該第一場效應電晶體的源極端，以及該第二場效應晶體的源極端耦接於第二參考電壓。
12.如權利要求11所述調節器，其特徵在於，該第一場效應電晶體為輸入/輸出裝置，該第二場效應電晶體為核心裝置。
13.如權利要求11所述調節器，其特徵在於，該第二場效應電晶體的擊穿電壓小於該第一場效應電晶體的擊穿電壓。
14.如權利要求1所述調節器，其特徵在於，該輸出端為用於提供該第一參考電壓至該負載電路的輸出端。
15.一種調節方法，被應用於調節輸出端的第一參考電壓，其特徵在於，該調節方法包含: 檢測該輸出端上的該第一參考電壓的變化以產生檢測信號；以及 使用增益級，用以因應該檢測信號，將調整電流提供至該輸出端，以降低該第一參考電壓的該變化，且該增益級並聯耦接於由該第一參考電壓供電的負載電路。
16.如權利要求15所述調節方法，其特徵在於，該輸出端直接耦接於電源，以接收由該電源輸出的該第一參考電壓。
17.如權利要求15所述調節方法，其特徵在於，檢測該輸出端上的該第一參考電壓的該變化以產生該檢測信號的步驟包含: 對該第一參考電壓的該變化執行高通濾波操作以產生該檢測信號。
18.如權利要求15所述調節方法，其特徵在於，檢測該輸出端上的該第一參考電壓的該變化以產生該檢測信號的步驟包含: 提供電流源以廣生參考電流； 提供電晶體，該電晶體的漏極端接收該參考電流，以及該電晶體的源極端耦接於第二參考電壓；以及 提供電容電路，該電容電路的第一端耦接於該輸出端，以及該電容電路的第二端耦接於該電晶體的柵極端； 其中該電晶體的該漏極端耦接於該電晶體的該柵極端。
19.如權利要求15所述調節方法，其特徵在於，使用該增益級用以因應該檢測信號，將調整電流提供至該輸出端以降低該第一參考電壓的該變化的步驟包含: 提供場效應電晶體，該場效應電晶體的柵極端接收該檢測信號，該場效應電晶體的漏極端耦接於該輸出端，以及該場效應電晶體的源極端耦接於第二參考電壓。
20.如權利要求15所述調節方法，其特徵在於，使用該增益級用以因應該檢測信號，將調整電流提供至該輸出端以降低該第一參考電壓的該變化的步驟包含: 提供第一場效應電晶體，該第一場效應電晶體的柵極端接收該檢測信號，該第一場效應電晶體的漏極端耦接於該輸出端，以及該第一場效應電晶體的源極端耦接於第二參考電壓。
21.如權利要求20所述調節方法，其特徵在於，還包含: 提供第二場效應電晶體，設置於該輸出端與該第一場效應電晶體之間，其中該第二場效應電晶體的柵極端耦與該第二場效應電晶體的漏極端耦接於該輸出端，以及該第二場效應電晶體的源極端耦接於該第一場效應電晶體的漏極端。
22.如權利要求21所述調節方法，其特徵在於，該第一場效應電晶體為核心裝置，該第二場效應電晶體為輸入/輸出裝置。
23.如權利要求21所述調節方法，其特徵在於，該第一場效應電晶體的擊穿電壓小於該第二場效應電晶體的擊穿電壓。
【文檔編號】G05F1/56GK104516383SQ201410239048
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年5月30日 優先權日:2013年10月2日
【發明者】駱彥彬, 洪志謙 申請人:聯發科技股份有限公司