专利名称：具有低压差的电压调节器的制作方法
具有低压差的电压调节器
0001本发明涉及用于降低电压调节器电路中压差(dropout)电压范
围的装置和方法。
背景技术：
0002由于移动电子设备对低电压应用需求的增长，对具有低压差 (dropout)电压的电压调节器的需求正日益增加。对于低电压电路(例 如，轨对轨(mil-to-mil)电路或线性电压调节器，其中金属氧化物半导 体(MOS)功率开关必须在一端完全"关断"，且能够在另一端提供(source) 大量电流)，高电压摆动能力对于输出场效应晶体管(FET)提供有效调 节是必要的，也就是说，输出FET必须在低于正电源电压的500毫伏范 围之内被驱动，且被降低至地电压的500毫伏范围之内。作为输出FET 的驱动器的典型N型源极跟随器乃至N型射极跟随器具有高输入-输出电 压降Vp的缺点。另一方面，P型跟随器不能将输出FET驱动到接近地电 压。单位增益的差分放大器结构可能能够驱动较宽的电压范围，但附加 的运算放大器(OP-amp)增加了电路的复杂性、必需的占用面积(footprint area)和成本。此外，如果有OP-amp，则附加的电极被引入到反馈回路 中，引发了稳定性问题、速度和带宽性能的恶化。
发明内容
0003本发明提供具有低电压压差(voltage dropout)的电压调节器， 其具有增强的性能和稳定性。旁路晶体管在输出电压误差控制回路中被 提供以用于将低电压时输出晶体管的正常工作范围扩展到以前对驱动晶 体管栅-源电压的限制之外。
0004在所描述的实施例中，具有低压差电压的电压调节器包括用于 连接电源电压的电源输入端、提供稳定的输出电压的输出端、参考电压 源和输出电压监视器。误差放大器具有连接到所述参考电压源的第一输入、连接到所述输出电压监视器的第二输入和提供误差信号的输出，以 响应电压调节器输出端的稳定输出电压相对于预期目标输出电压的偏
移。功率输出FET具有栅极端和连接在电压调节器的电源输入端和输出 端之间的漏源通道。电压调节器还包括驱动器FET,其具有与所述误差 放大器的控制输出连接的栅极端、接地的漏极端或源极端和与功率输出 FET的栅极连接的源极端或漏极端。电流源为驱动器FET提供漏-源电流。 功率输出FET的栅极端由误差放大器通过驱动器FET进行控制，采用的 方式是使得稳定输出电压相对预期目标输出电压值的任何偏移被最小 化。根据本发明的一方面，旁路FET具有与驱动器FET的栅极端连接的 源极端或漏极端、与驱动器FET的源极端或漏极端连接的漏极端或源极 端和与偏置电压源连接的栅极端。当驱动器FET的栅-源电压成为保持输 出电压调节的正常工作的限制时，偏置电压源提供一偏置电压，该偏置 电压被设置成接通旁路FET并避开驱动器FET的栅-源连接点。
0005在一个示例中，调节器包括p导电类型的驱动器FET，其具有 与误差放大器的控制输出连接的栅极端、接地的漏极端和与功率输出 FET的栅极端连接的源极端。电流源为驱动器FET提供漏源电流，且被 连接在电源输入端与驱动器FET的源极端之间。n导电类型的旁路FET 具有与驱动器FET的栅极端连接的源极端、与驱动器FET的源极端连接 的漏极端和与偏置电压源连接的栅极端。偏置电压源提供确定的偏置电 压，使得当驱动器FET的源电压由于驱动器FET固有的栅-源电压降而 不能通过向其栅极施加误差信号以进一步降低至漏极电位时，旁路FET 开始导电。导电的旁路FET避开驱动器FET的栅-源连接点，这允许误 差放大器驱动输出FET的栅极朝漏极电位进一步下降。因此，输出FET 的栅极的驱动范围不会被驱动器FET的栅-源电压縮小。
0006因此，本发明提供一种具有低压差电压和扩展的正常工作范围 的电压调节器。调节器的输出可以从接近地电压被驱动上升到接近电源 电压。本发明将p类型源极跟随器具有的高输出电压摆动和低输出阻抗 能力与源极接地的n类型FET具有的低输出电压能力相结合。提出的电 路的实现只需要非常少的元件。结果，电路具有低功率消耗和高误差效 率，同时电路可以以低成本被制造。0007在一个可替代的实施例中，低压差电压调节器包括连接电源电 压的电源输入端、提供稳定的输出电压的输出端、参考电压源和输出电 压监视器。误差放大器具有与参考电压源连接的第一输入、与输出电压 监视器连接的第二输入和提供误差信号的输出，以响应电压调节器输出 端的稳定输出电压相对于预期目标输出电压的偏移。功率输出FET具有 栅极端和连接在电压调节器的电源输入端和输出端之间的漏-源通道。调 节器还包括n导电类型的驱动器FET，其具有与误差放大器的控制输出 连接的栅极端、与电源输入端连接的漏极端和与功率输出FET的栅极连 接的源极端。电流源为驱动器FET提供漏-源电流，且被连接在驱动器 FET的源极端和地之间。功率输出FET的栅极由误差放大器通过驱动器 FET进行控制，采用的方式是使稳定输出电压相对预期目标输出电压值 的任何偏移被最小化。p导电类型的旁路FET具有与驱动器FET的栅极 端连接的源极端、与驱动器FET的源极端连接的漏极端和与偏置电压源 连接的栅极端。偏置电压源提供确定的偏置电压，使得当驱动器FET的 源电压由于驱动器FET固有的栅-源电压降而不能通过向其栅极施加误差 信号进一步升高至漏极电位时，旁路FET开始导电。导电的旁路FET避 开驱动器FET的栅-源连接点，这允许误差放大器驱动输出FET的栅极 朝漏极电位进一步上升。因此，输出FET的栅极的驱动范围不会被驱动 器FET的栅-源电压縮小。因此，根据本发明的低压差电压调节器提供了 扩展的工作范围。
0008通过以下具体描述并参看附图，本发明的更多优点和特征将是 显而易见的。在附图中
0009图l示出了根据本发明的第一实施例的示意电路；0010图2示出了根据本发明的第二实施例的示意电路；0011图3示出了根据本发明的第三实施例的示意电路；0012图4示出了根据本发明的第四实施例的示意电路。
具体实施方式
0013在图1中图解说明的低压差(dropout)电压调节器100具有将 电路连接到电源电压VDD的输入端102和提供输出电压V。ut的输出端 104。 P型金属氧化物半导体(PMOS)输出FET110具有源极端112、漏 极端114和栅极端U6。源极端112被连接到电源电压端102，漏极端114 被连接到输出端104，而栅极端116被连接到节点118。
0014包括串联连接在输出端104和地之间的电阻器122和124的分 压器组成了电压监视器120，其在分接端(tap terminal) 126提供与输出 电压V。ut成比例的监视器电压Vist。
0015参考电压源130提供参考电压Vref。误差放大器132具有连接到 参考电压130的第一输入134、连接到电压监视器120的分接端126的第 二输入136和输出138。误差放大器132将实际电压Vist和参考电压Vref 对比，且在输出138处提供控制电压V^以用于控制输出FET110。
0016PMOS驱动器FET 140具有与误差放大器132的输出138连接 的栅极端142、与节点118连接的源极端144和接地的漏极端146。连接 在输入端102和驱动器FET 140的源极端144之间的电流源148为驱动 器FET 140提供漏-源电流IDS。
0017旁路FET 150为N型金属氧化物半导体(NMOS) FET，其具 有栅极端152、源极端154和漏极端156。漏极端152被连接到节点118， 而源极端154被连接到驱动器FET 140的栅极端142。电压源158为旁路 FET 150的栅极端152提供偏置电压Vbias。
0018电压调节电路100工作如下
0019输出FET 110可以通过其栅极端116被控制以在输出端104提 供稳定的预期输出电压Vo。由于连接到输出端104的负载造成的负载电 流摆动或由于电源电压Vdd的交化，实际输出电压V。ut相对于预期输出 电压VQ的偏移被输出电压监视器120监视。输出电压监视器120提供与 实际输出电压V。ut成比例的监视电压Vist。
0020输出电压V。ut中的偏移导致误差放大器132修改控制电压Verr，
以通过驱动器FET 140控制输出FET 110，采用的方式是使稳定输出电压 V。ut相对预期目标输出电压Vo的任何偏移被最小化。如果实际输出电压
V。ut由于输出104处增加的负载而下降，则控制电压Verr将被降低，且驱动器FET 140将驱动输出FET 110的栅极116向漏极电位降低。因此， 输出FET 110将向输出104增加电流供应，而实际输出电压V。ut将上升 直至达到预期的输出电压V。。对电源电流需求的增长当然导致电源电压 Vdd的下降。
0021只要输出FET IIO可以被驱动器FET 140驱动以提供足够电流 给输出来保持输出电压.V。ut处于预期的输出电压电平VQ，调节器100在 调节的负载电流范围内工作。在这种正常工作范围内，调节器在其输出 处提供不受输入电压约束的稳定的输出电压。
0022但是，对于驱动输出FET 110的栅极116有一个限制。由于驱 动器FET 140固有的栅-源电压Vgs2，其不能将输出FET 110的栅极116 驱动到进一步接近漏极电位Vgs2。此时，调节器已经达到调节的负载电流 范围的末端，而电源电压和输出电压之间的电位差已经达到了其最小值， 该值被定义为"压差(dropout)"电压。如果负载电流进一步增长或如果 电源电压进一步下降，调节器不能再保持预期的输出电压电平VQ。之后， 调节器进入压差范围。在该压差范围内，电源电压的任何进一步下降会 导致输出电压的下降。
0023在设计的电路中，旁路FET 150被提供用于在调节器即将进入 压差范围时避开驱动器FET140的栅-源连接点。为了这个目的，偏置电 压Vbia3被确定以定义阈值电压Vtr=Vbias-Vgs3，其中Vgs3是旁路FET 150 的栅-源电压。该偏置电压VbiM被确定，使得当驱动器FET140的源极电 压由于驱动器FET 140固有的栅-源电压降Vg^而不能通过施加误差信号 V^以被进一步降低至漏极电位时，旁路FET150开始导电。因此，当控 制电压V^降低到该阈值电压V"以下时，旁路FET 150开始传导电流， 且旁路FET 150逐渐避开驱动器FET的栅-源连接点。
0024这样，与输出PMOS FET 110的栅极连接的节点118可以被进 一步拉向地。结果，调节器的压差电压被减少而调节的负载电流范围被 扩展。
0025图2根据本发明的一个可替代实施例示出了低压差电压调节器 电路200。电路200的布置类似上述图1中电路100的布置。因此，对应 元件被赋予增大了 100的对应参考数字。0026与之前描述的调节器电路100的主要不同是驱动器FET 240和 旁路FET 250与图1中对应元件140和150是相反导电类型的。在图2 的布置中，驱动器FET 240是NMOSFET，其具有与输入电压端202连 接的漏极端246、与节点218连接的源极端244和与误差放大器232的输 出238连接的栅极端242。驱动器FET 240的漏源电流IDS由连接在节点 218和地之间的电流源248提供。旁路FET250是PMOSFET，其具有与 驱动器FET 240的栅极端242连接的源极端254、与节点218连接的漏极 端256和与偏置电压源258连接的栅极端252。
0027调节器电路200的功能与上述电路100的功能类似。在调节的 负载电流范围内，输出电压V。ut相对于预期输出电压Vo的偏移被输出电 压监视器220监视，且促使误差放大器232提供控制电压Verr以通过驱动 器FET240控制输出FET210。当实际输出电压V。ut下降时，误差放大器 将提高控制电压VOT以通过驱动器NMOS FET 240驱动输出FET 210的 栅极216到地电位。
0028驱动器FET 240可以驱动输出FET 210的栅极到地电位，但不 比VDD-V^更接近电源电压。偏置电压源提供确定的偏置电压Vbias，使 得当驱动器FET240的源极电压由于驱动器FET240固有的栅-源电压降 Vgs2而不能通过向其栅极施加误差信号V^以被进一步升高至漏极电位 时，旁路FET 250开始导电。因此，旁路FET 250可以避开驱动器FET 240 的栅-源电压V^，这允许误差放大器232驱动节点218，并且因而驱动 输出PMOSFET210的栅极216更接近输入电源电压VDD。因此，本发明 扩展了调节的负载电流范围的范围。
0029图3根据本发明的另一个可替代实施例示出了低压差电压调节 器电路300。电路300也与上述图1中的电路类似。因此，增大200后的
类似的参考数字用于表示与那些已描述的元件对应的元件。0030在该实施例中，输出FET310是NMOS FET。 PMOS驱动器FET
340被连接在节点318和地之间。连接在输入端302和驱动器FET 340的
源极端346之间的电流源348为驱动器FET 340提供漏-源电流IDS。0031输出电压V。ut相对于预期输出电压Vo的偏移被输出电压监视器
320监视，且导致误差放大器332提供控制电压Verr以通过驱动器FET 340控制输出FET310。当实际输出电压V。ut升高时，误差放大器将降低控制 电压VerT以通过驱动器NMOS FET 340驱动输出FET 310的栅极316到 地电位。
0032当驱动器FET 340的源极电压由于驱动器FET 340固有的栅-源 电压降Vgs2而不能通过向其栅极施加误差信号Verr以被进一步降低至漏 极电位时，旁路NMOS FET 350开始导电。因此，当控制电压V^降低 到该阈值电压以下时，旁路FET 350开始传导电流且旁路FET 350逐 渐避开驱动器FET的栅-源连接点。
0033图4示出根据本发明的又一个可替代实施例的低压差电压调节 器电路400。电路400与上述图2中的电路类似。因此，增大200后的类 似的参考数字用于表示与那些己描述的元件对应的元件。
0034在该实施例中，与图2的PMOS输出FET210不同，输出FET410 是NMOS FET。NMOS驱动器FET 440被连接在电源电压VDD和节点418 之间。连接在驱动器FET 440的源极端446和地之间的电流源448为驱 动器FET 440提供漏-源电流IDS。
0035输出电压V。ut相对于预期输出电压Vo的偏移被输出电压监视器 420监视,且导致误差放大器432提供控制电压Verr以通过驱动器FET 440 控制输出FET410。当实际输出电压V。ut下降时，误差放大器将提高控制 电压Verr以通过驱动器NMOS FET 440驱动输出FET 410的栅极416接 近VDD。
0036当驱动器FET440的源电压由于驱动器FET 440固有的栅-源电
压降Vgs2而不能通过向其栅极施加误差信号VOT以被进一步升高至漏极
电位VoD时，旁路NMOS FET 450开始在压差范围内导电。因此，当控 制电压Verr降低到该阈值电压Vfr以下时，旁路FET 450开始传导电流且 旁路FET450逐渐避开驱动器FET的栅-源连接点。通过这种方式，调节 的负载电流范围被扩展。
0037提出的电路以低成本提供提高的面积和功率效率，其可以在大 多数制造技术中实现，例如互补型金属氧化物半导体(CMOS)、双极性 互补型金属氧化物半导体(BiCMOS)和更多的现代技术。
0038本发明涉及领域的技术人员将理解之前所描述的实施例只是代表性的示例，且其它实施例可以在本发明所要求的权利范围内被达成。
权利要求
1.一种低压差电压调节器(100；300)包括连接电源电压(VDD)的一个电源输入端(102；302)和提供稳定的输出电压(Vout)的一个输出端(104；304)；一个参考电压源(130；330)；一个输出电压监视器(120；320)；一个误差放大器(132；332)，其具有与所述参考电压源(130；330)连接的第一输入(134；334)、与所述输出电压监视器(120；320)连接的第二输入(136；336)和提供误差信号(Verr)的输出(138；338)，该输出响应在所述输出端(104；304)的稳定输出电压Vout)相对于预期目标输出电压值(V0)的偏移；一个功率输出场效应管FET(110；310)，其具有一个栅极端(116；316)和连接在所述电源输入端(102；302)和所述电压调节器的所述输出端(104；304)之间的漏-源通道；一个p导电类型的驱动器FET(140；340)，其具有与所述误差放大器(132；332)的控制输出(138，338)连接的一个栅极端(142；342)、一个接地的漏极端(146；346)和与所述功率输出FET(110；310)的所述栅极(116；316)连接的一个源极端(144；344)；和一个电流源(148；348)，其为所述驱动器FET(140；340)提供漏源电流(IDS)，并被连接在所述电源输入端(102；302)和所述驱动器FET(140；340)的所述源极端(144；344)之间；所述功率输出FET(110；310)的所述栅极端(116；316)由所述误差放大器(132；332)通过所述驱动器FET(140；340)控制，采用的方式是使所述稳定输出电压(Vout)相对预期目标输出电压值(V0)的任何偏移被最小化；所述调节器还包括一个n导电类型的旁路FET(150；350)，其具有一个与所述驱动器FET(140；340)的所述栅极端(142；342)连接的源极端(154；354)，一个与所述驱动器FET(140；340)的所述源极端(112；312)连接的漏极端(156；356)和一个与偏置电压源(158；358)连接的栅极端(152；352)，所述偏置电压源提供确定的电压(Vbias)，使得当所述驱动器FET(140；340)的源极电压由于所述驱动器FET(140；340)固有的栅-源电压降(Vgs2)而不能通过向其栅极(142；342)施加所述误差信号(Verr)以被进一步降低至所述漏极电位时，所述旁路FET(150；350)开始导电。
2. 根据权利要求1所述的电压调节器，其中所述功率FET (110)是 P型金属氧化物半导体PMOSFET，其具有与所述电源输入端(102)连 接的源极端(112)和与所述电压调节器的所述输出端(104)连接的漏 极端(114)。
3. —种低压差电压调节器(200; 400)，其包括 连接到电源电压(VDD)的一个电源输入端(202; 402)和提供稳定的输出电压(V。ut)的一个输出端(204; 404)， 一个参考电压源(230; 430); 一个输出电压监视器(220; 420);一个误差放大器(232; 432)，其具有与所述参考电压源(230; 430) 连接的第一输入(234; 434)、与所述输出电压监视器(220; 420)连接 的第二输入(236; 436)和提供误差信号(Vref)的输出(238; 438)， 该输出响应在所述输出端(204; 404)的稳定输出电压(V。ut)相对于预 期目标输出电压值(Vo)的偏移；一个功率输出FET (210; 410)，其具有栅极端(216; 416)和连接 在所述电源输入端(202; 402)和所述电压调节器的所述输出端(204; 404)之间的漏-源通道；一个n导电类型的驱动器FET (240; 440)，其具有与所述误差放大 器(232; 432)的控制输出(238， 438)连接的栅极端(242; 442)、与 所述电源输入端(202; 402)连接的漏极端(246; 446)和与所述功率 输出FET (210; 410)的所述栅极端(216; 416)连接的源极端(244; 444);禾口—个电流源(248; 448)，其为所述驱动器FET (240; 440)提供漏 -源电流(IDS)，并连接在所述驱动器(240; 440)的所述源极端(244; 444)和地之间；所述功率输出FET(210;410)的所述栅极端由所述误差放大器(232; 432)通过所述驱动器FET (240; 440)控制，采用的方式是使所述稳定 输出电压(V。ut)相对预期目标输出电压值(Vo)的任何偏移被最小化；所述调节器还包括一个p导电类型的旁路FET (250; 450)，其具有与所述驱动器FET (240; 440)的所述栅极端(242; 442)连接的源极端(254; 454)、与 所述驱动器FET (240; 440)的所述源极端(212; 412)连接的漏极端(256; 456)和与偏置电压源(258; 458)连接的栅极端(252; 452)， 所述偏置电压源提供确定的电压(Vbias)，使得当所述驱动器FET (240; 440)的源极电压由于所述驱动器FET(240;440)固有的栅-源电压降(Vgs2) 而不能通过向其栅极(252; 452)施加所述误差信号(Verr)以被进一步 提高至所述漏极电位时，所述旁路FET (250; 450)开始导电。
4.根据权利要求3所述的电压调节器，其中所述功率FET(210)是 PMOSFET，其具有与所述电源输入端(202)连接的源极端(212)和与 所述电压调节器的所述输出端(204)连接的漏极端(214)。
全文摘要
一种低压差(dropout)电压调节器(100；300)，其包括连接电源电压(V<sub>DD</sub>)的电源输入端(102；302)和提供稳定的输出电压(V<sub>0</sub>)的输出端(104；304)、参考电压源(130；330)和输出电压监视器(120；320)。误差放大器(132；332)具有提供误差信号(V<sub>err</sub>)的输出(138；338)以响应在所述输出端(104；304)的稳定输出电压(V<sub>out</sub>)相对于预期目标输出电压值(V<sub>0</sub>)的偏移。功率输出FET(110；310)具有连接在电源输入端(102；302)和所述电压调节器的输出端(104；304)之间的漏-源通道和栅极端(116；316)。所述功率输出FET(110；310)的所述栅极端由所述误差放大器(132；332)通过驱动器FET(140；340)控制，采用的方式是使所述稳定输出电压(V<sub>out</sub>)相对预期目标输出电压值(V<sub>0</sub>)的任何偏移被最小化。所述调节器还包括n导电类型的旁路FET(150；350)，其具有与所述驱动器FET(140；340)的栅极端(142；342)连接的源极端(154；354)、与所述驱动器FET(140；340)的源极端(112；312)连接的漏极端(156；356)和与偏置电压源(158；358)连接的栅极(152；352)。所述偏置电压被确定使得当所述驱动器FET(140；340)的源电压由于所述驱动器FET(140；340)固有的栅-源电压降(V<sub>gs</sub>)不能通过向其栅极施加误差信号(V<sub>err</sub>)以被进一步降低至所述漏极电位时，所述旁路FET(150；350)开始导电。
文档编号G05F1/575GK101292205SQ200680038452
公开日2008年10月22日 申请日期2006年8月18日 优先权日2005年8月18日
发明者G·A·兰松-莫拉, M·阿诺德 申请人:德克萨斯仪器德国股份有限公司