电压调节器的制作方法

本申请涉及一种电压调节器，并且具体为包括用于对误差放大器的偏置电流进行升压的级的电压调节器。

背景技术：

电压调节器利用反馈回路来使用未经调节的输入电压提供经调节的输出电压。该反馈回路试图将输出电压保持在期望输出电压的电压电平处。响应于将负载连接至调节器输出端，输出电压下降并且输出电流增加。在常规调节器中，输出电压电平向期望的输出电压电平的恢复在时间上滞后并且负面地影响调节器的性能。

期望具有对输出电压的下降和变化迅速地响应的电压调节器。

技术实现要素：

本公开的实施例提供一种电压调节器，其对输出电压的下降和变化迅速地响应。

在实施例中，电压调节器包括：功率级，该功率级具有输入端、以及用于向负载提供输出电压的输出端。该电压调节器包括：差分级，该差分级具有用于接收代表该输出电压的反馈电压的第一输入端、用于接收基准电压的第二输入端、以及耦合至该功率级的该输入端的输出端。该差分级被配置成用于基于该基准电压与该反馈电压之间的差异来控制该功率级。该电压调节器包括：偏置电流升压级，该偏置电流升压级具有用于接收该反馈电压的第一输入端、用于接收该基准电压的第二输入端、以及耦合至该差分级的该偏置电流输入端的输出端。该偏置电流升压级被配置成用于提供经升压的偏置电流，该经升压偏置电流的电流电平基于该基准电压与该反馈电压之间的该差异，并且基于该经升压的偏置电流对该差分级进行偏置。该偏置电流升压级或该经升压的偏置电流可操作以加速该差分级在控制该功率级的过程中响应于该基准电压与该反馈电压之间的该差异的变化的响应。

所述功率级包括：功率晶体管，所述功率晶体管具有耦合至电压源的第一导电端子、耦合至所述功率级的所述输出端的第二导电端子、以及控制端子；以及电平移位晶体管，所述电平移位晶体管具有耦合至接地节点的第一导电端子、耦合至所述功率晶体管的所述控制端子的第二导电端子、以及耦合至所述差分级的所述输出端的控制端子。

所述电压调节器包括：补偿级，所述补偿级耦合至所述差分级的所述输出端以及所述功率级的所述输入端，并且被配置成用于进行放电以提高所述功率级的所述输入端处的电压电平，以及使用所述差分级的所述输出端进行再充电。

所述偏置电流升压级被配置成用于通过对所述反馈电压应用电压偏移来产生偏移被补偿的反馈电压、将所述基准电压与所述偏移被补偿的反馈电压进行比较、并且如果所述偏移被补偿的反馈电压低于所述基准电压则生成所述经升压的偏置电流。

所述偏置电流升压级被配置成用于同所述偏移被补偿的反馈电压与所述反馈电压之间的差异成比例地产生所述经升压的偏置电流。

所述电压调节器包括：偏置电流级，所述偏置电流级具有用于接收代表所述电压调节器的输出电流的电流的第一输入端、以及用于向所述差分级提供与所述电压调节器的所述输出电流成比例的自适应差分电流的输出端。

所述偏置电流级包括被配置成用于生成恒定电流的电流源，并且其中，所述偏置电流级被配置成用于在所述偏置电流级的所述输出端提供所述恒定电流以对所述差分级进行偏置。

在实施例中，电压调节器包括：功率级，该功率级具有输入端、以及用于提供输出电压的输出端。该电压调节器包括：差分放大器，该差分放大器具有用于接收代表该输出电压的反馈电压的第一输入端、用于接收基准电压的第二输入端、偏置电流输入端、以及耦合至该功率级的该输入端的输出端。该差分放大器被配置成用于输出误差电压以控制该功率级。该电压调节器包括电压受控型电流源，该电压受控型电流源具有用于接收代表该反馈电压的第一电压的第一输入端、用于接收该基准电压的第二输入端、以及耦合至该差分放大器的该偏置电流输入端的输出端。该电压受控型电流源被配置成用于：基于该基准电压与该第一电压之间的差异输出经升压的偏置电流，并且基于该经升压的偏置电流对该差分放大器进行偏置。

所述电压调节器包括：偏移电压发生器，所述偏移电压发生器具有用于接收所述反馈电压的输入端、以及耦合至所述电压受控型电流源的所述第一输入端的输出端，所述偏移电压发生器被配置成用于接收所述反馈电压、通过对所述反馈电压应用电压偏移而产生所述第一电压、并且输出所述第一电压。

所述电压调节器包括：补偿级，所述补偿级包括彼此串联耦合并且一起耦合在所述功率级的所述输入端与接地节点之间的电容和电阻，所述电容被配置成用于进行放电以补偿所述误差电压并且基于所述经升压的偏置电流进行再充电。

所述电压受控型电流源是运算跨导放大器，所述第一输入端是非反相输入端，并且所述第二输入端是反相输入端。

所述功率级包括：功率晶体管，所述功率晶体管具有耦合至电压源的第一导电端子、耦合至所述功率级的所述输出端的第二导电端子、以及控制端子；以及电平移位晶体管，所述电平移位晶体管具有耦合至接地节点耦合的第一导电端子、耦合至所述功率晶体管的所述控制端子的第二导电端子、以及耦合至所述功率级的所述输入端的控制端子。

所述电压调节器包括：二极管接法晶体管，所述二极管接法晶体管具有耦合至所述电压源的第一导电端子、耦合至所述电平移位晶体管的所述第二导电端子的第二导电端子、以及耦合至所述第二导电端子的控制端子。

所述电压调节器包括：偏置电流级，所述偏置电流级具有耦合至所述差分放大器的所述偏置电流输入端的输出端，并且被配置成用于生成恒定偏置电路和自适应偏置电流，所述恒定偏置电流具有恒定电流电平，并且所述自适应偏置电流的电流电平是所述电压调节器的输出电流的函数。

根据本公开的实施例的电压调节器对输出电压的下降和变化迅速地响应。

附图说明

图1示出了具有偏置电流升压的调节器的框图。

图2示出了根据实施例的具有偏置电流升压的调节器的示意图。

图3示出了根据实施例的运算跨导放大器的示意图。

图4示出了根据实施例的差分放大器的示意图。

图5A至图5D示出了具有偏置电流升压的调节器与常规调节器的性能之间的对比。

具体实施方式

图1示出了具有偏置电流升压的调节器100的框图。调节器100包括：基准电压级102、偏置电流升压级104、差分级106、偏置电流级108、补偿级110、功率级112、反馈级114以及输入电容116。调节器100接收输入电压(V_输入)并向负载118提供输出电压(V_输出)。输入电压可以是可变的未经调节的电压。调节器100提供相对于输入电压被调节的输出电压。

差分级106接收反馈级114所提供的反馈电压(V_反馈)以及基准电压级102所提供的基准电压(V_基准)。差分级106输出代表反馈电压与基准电压之间的差异的误差电压(V_误差)。功率级112接收误差电压和输入电压。

功率级112提供使误差电压最小化的输出电压。输出电压用来驱动负载118。

差分级106从偏置电流级108接收恒定偏置电流(I_恒定)和自适应偏置电流(I_自适应)中至少一项。恒定偏置电流在调节器100的运行过程中可以保持在恒定电平，而不管负载状况如何。自适应偏置电流可以根据负载118、提供给负载118的输出电压或由功率级112所提供的输出电流(I_输出)而改变。偏置电流级112检测调节器100的输出电流并且基于输出电流提供自适应偏置电流。

差分级106还从偏置电流升压级104接收经升压的偏置电流(I_升压)。与差分级106类似，偏置电流升压级104从反馈级114接收反馈电压并从基准电压级102接收基准电压。偏置电流升压级104基于基准电压与反馈电压之间的差异提供经升压的偏置电流。

向差分级106提供经升压的偏置电流改善了差分级106的响应。例如，在负载瞬态状况期间，负载118在短时间跨度内增加。结果是，调节器100的负载电流增加并且输出电压下降。经升压的偏置电流在这些状况下提高了差分级106的转换速率并因此加速了差分级106(以及调节器100)对在负载瞬态状况期间的反馈电压变化的响应。当输出电压恢复时，反馈电压接近或匹配基准电压。因此，偏置电流升压级104停止向差分级106提供经升压的偏置电流。

从功耗的角度来看，当调节器100可以利用偏置电流时，偏置电流升压级104在瞬态状况期间高效地升高偏置电流。当瞬态状况结束并且达到稳态状况时，偏置电流升压级104移除并且停止证明经升压的偏置电流。

图2示出了根据实施例的具有偏置电流升压的调节器100的示意图。调节器100的与参照图1所描述的调节器100的那些要素类似的要素具有相同的参考号。调节器100耦合在输入电压节点202、输出电压节点204和接地节点206之间。

基准电压级102包括基准电压源208。偏置电流升压级104包括偏移电压源210和运算跨导放大器212。差分级106包括差分放大器214。偏置电流级108包括电流源216和电流镜晶体管218。补偿级110包括补偿电阻220和补偿电容222。功率级112包括功率晶体管224、二极管接法晶体管226和电平移位晶体管228。反馈级114包括第一反馈电阻230和第二反馈电阻232。

第一反馈电阻230耦合在输出电压节点204与分压器节点234之间。第二反馈电阻232耦合在分压器节点234与接地节点206之间。基准电压源208具有耦合至接地节点206的阳极以及阴极。

差分放大器214具有耦合至分压器节点234的反相输入端以及耦合至基准电压源208的阴极的非反相输入端。差分放大器214还具有偏置电流输入端以及输出端。

偏移电压源210具有耦合至分压器节点234耦合的阳极以及阴极。运算跨导放大器212具有耦合至偏移电压源210的阴极的反相输入端以及耦合至基准电压源208的阴极的非反相输入端。运算跨导放大器212具有耦合至差分放大器214的偏置电流输入端的输出端。

补偿电阻220和补偿电容222彼此串联地耦合并且耦合在差分放大器214的输出端与接地节点206之间。

电平移位晶体管228具有耦合至差分放大器214的输出端的栅极、耦合至接地节点206的源极以及漏极。功率晶体管224具有耦合至输入电压节点202的源极、耦合至输出电压节点204的漏极以及耦合至电平移位晶体管228的漏极的栅极。二极管接法晶体管226具有耦合至输入电压节点202的源极以及彼此耦合并且与功率晶体管224的栅极耦合的漏极和栅极。

电流镜晶体管218具有耦合至输入电压节点202的源极、耦合至差分放大器214的偏置电流输入端的漏极、以及耦合至二极管接法晶体管226的漏极的栅极。电流源216具有耦合至输入电压节点202的阳极以及耦合至差分放大器214的偏置电流输入端的阴极。

差分放大器214在其非反相输入端从基准电压源208接收基准电压并在其反相输入端接收反馈电压。反馈电压与是被第一和第二反馈端子230、232所形成的分压器分压的输出电压的一部分。差分放大器214输出代表基准电压与反馈电压之间的差异的误差电压。

在一些替代性实施例中，不使用反馈级114。在这些实施例中，基准电压源208生成与调节器100的期望输出电压相同的基准电压，并且在没有反馈级114的情况下反馈电压与输出电压相同。要注意的是，反馈级114的使用有利之处在于：由于缩放输出电压，由调节器生成的基准电压的电压电平减小，因而导致减小调节器100的功耗。

误差电压用来驱动电平移位晶体管228。误差电压控制电平移位晶体管228的栅极的电压。另外，补偿级110补偿调节环路的频率特性以便维持其稳定性。补偿电容222引入电极并且补偿电阻器220在传递函数中引入零。当负载电流变化时，电平移位晶体管228的栅极处的电压相应地变化，引起控制功率晶体管224的VGs的漏极电流(I_第二)变化。补偿电容器222储存电荷，该电荷随着负载变化而被传递或移除。差分级106的偏置电流(I_偏置)是能够向补偿电容器222传递电荷的电源。因而，为了提高I输出电平，偏置电流(I_偏置)的电平被升压，这引起补偿电容222两端的电压升高。

电平移位晶体管228的栅极的电压控制穿过电平移位晶体管228的漏极的电流(ID)。因为电平移位晶体管228的漏极与功率晶体管224的栅极电气地耦合，所以控制电平移位晶体管228的栅极同样是控制功率晶体管224。功率晶体管224提供调节器100的取决于漏极电流的输出电流。因为功率晶体管228和二极管接法晶体管226呈电流镜配置，所以漏极电流与输出电流具有线性关系。该线性关系是基于二极管接法晶体管226与功率晶体管228的相对尺寸确定的。例如，如果功率晶体管228的尺寸是二极管接法晶体管226尺寸的1000倍，则栅极电流将相对于输出电流相对较小。这个幅值或类似幅值的尺寸不匹配确保了调节器100的相对较低的静态电流。

由于电流镜晶体管218和二极管接法晶体管226呈电流镜配置，所以提供给差分放大器214的自适应偏置电流是漏极电流以及电流镜晶体管218与二极管接法晶体管226的相对尺寸的函数。当调节器100未与负载118连接时，自适应偏置电流将是零安培(A)，因为输出电流是0A。当输出电流增加时，自适应偏置电流也增加。

电流源216提供给差分放大器214的恒定偏置电流在调节器100的各种运行状况下可以维持恒定或基本上恒定。恒定偏置电流可以具有相对较低的电流电平，比如100毫微安培(nA)。恒定偏置电流的相对较低电流电平允许高效地操作调节器100并且确保调节器100的相对低功耗。

除了自适应偏置电流和恒定偏置电流之外，差分放大器214由运算跨导放大器212所提供的经升压的偏置电流进行偏置。要注意的是，虽然在此描述了运算跨导放大器212，可以利用不同的电压受控型电流源。

运算跨导放大器212接收基准电压源208所提供的基准电压并且接收被偏移电压偏移的反馈电压。该偏移电压是由偏移电压源210提供的并且可以具有中等电压电平，比如10毫伏(mV)。提供偏移电压是为了确保如果反馈电压下降至基准电压以下多于偏移电压的量则仅触发电流升压。

运算跨导放大器212将反馈电压与偏移电压之和同基准电压进行比较。将反馈电压与偏移电压之和同基准电压进行比较等同于将误差电压与偏移电压进行比较。当误差电压大于偏移电压时候，运算跨导放大器212输出经升压的偏置电流，该经升压的偏置电流是误差电压与偏移电压之间的差异的函数。经升压的偏置电流被提供给差分放大器214。经升压的偏置电流在负载瞬态状况期间改善差分放大器214的运行。

在稳态状况下，误差电压(基准电压与反馈电压之间的差异)小于偏移电压，并且因此不提供经升压的偏置电流。在负载瞬态状况期间，负载118可以与调节器100连接。在相对短的时间跨度内，调节器的输出电压可以降至期望的输出电压以下。进一步，反馈电压下降比偏移电压更大的量。运算跨导放大器212检测反馈电压的下降并将经升压的偏置电流提供给运算放大器214。

经升压的偏置电流在负载瞬态状况期间改善运算放大器214的反应时间。经升压的偏置电流向差分放大器214提供额外电流。因此，差分放大器214更迅速地驱动电平移位晶体管228从而提高输出电压。而且，经升压的偏置电流对补偿电容222进行充电。经升压的偏置电流改进调节器100的响应时间。结果是，输出电压更快速地恢复。

图3示出了根据实施例的运算跨导放大器212的示意图。运算跨导放大器212包括差分输入级252、第一电流镜级256和第二电流镜级258。差分输入级252包括差分输入对282和有源负载244。差分输入对282具有用于接收反馈电压的第一输入端(具有应用于其的偏移电压)以及用于接收基准电压的第二输入端。差分输入对282具有用于接收运算跨导放大器212的偏置电流的偏置电流输入端。差分输入对282具有与有源负载244的输入端耦合的输出端。有源负载244的输出端与第一电流镜级256的输入端耦合。第一电流镜级256的输出端与第二电流镜级258的输入端耦合。第二电流镜级提供运算跨导放大器212的经升压的偏置电流。

差分输入对282包括第一差分输入晶体管260和第二差分输入晶体管262。有源负载244包括第一输出晶体管264和第二输出晶体管266。第一电流镜级256包括第一电流镜晶体管268和第二电流镜晶体管270。第二电流镜级258包括第三电流镜晶体管272和第二电流镜晶体管274。运算跨导放大器212耦合在电压源节点276、偏置电流输入节点278、接地节点206和经升压偏置电流输出节点280之间。

第一差分输入晶体管260具有与偏置电流输入节点278耦合的源极以及用于接收反馈电压的栅极。第一差分输入晶体管260还具有漏极。第二差分输入晶体管262具有与偏置电流输入节点278耦合的源极以及用于接收基准电压的栅极。第二差分输入晶体管262还具有漏极。通过将第一和第二差分输入晶体管260、262的尺寸配置为不相等，可以将电压偏移嵌入差分输入对282中。具体地，接收基准电压的第二差分输入晶体管262的沟道宽度可以大于第一差分输入晶体管260的沟道宽度。然而，差分输入晶体管260、262的长度可以相等。

第一输出晶体管264具有与第一差分输入晶体管260的漏极耦合的漏极、与接地节点206耦合的源极以及与第二差分输入晶体管262的漏极耦合的栅极。第二输出晶体管266具有与第二差分输入晶体管262的漏极耦合的漏极、与接地节点206耦合的源极以及与第一输出晶体管264的栅极和第二差分输入晶体管262的漏极两者耦合的栅极。

第一电流镜晶体管268具有均与第一输出晶体管264的漏极耦合的漏极和栅极。第一电流镜晶体管268具有与接地节点206耦合的源极。第二电流镜晶体管270具有与第一电流镜晶体管268的漏极和栅极两者耦合的栅极。第二电流镜晶体管270具有与接地节点206耦合的源极以及漏极。

第三电流镜晶体管272具有与电压源节点276耦合的源极，以及彼此耦合并且与第二电流镜晶体管270的漏极耦合的漏极和栅极第四电流镜晶体管274具有与电压源节点276耦合的源极，与第三电流镜晶体管272的栅极耦合的栅极以及与经升压的偏置电流输出节点280耦合的漏极。

反馈电压和基准电压分别控制第一和第二差分输入晶体管260、262。由于第一差分输入晶体管260的漏极与第一输出晶体管264的漏极耦合，所以可以在差分输入晶体管260的漏极获得其输出。第一差分输入晶体管260的输出端负载着第一电流镜晶体管268。误差电流(I_误差)被提供给第一电流镜晶体管268。误差电流的电流电平基于误差电压。

第一和第二电流镜晶体管268、270呈电流镜配置。穿过第二电流镜晶体管270的漏极的电流是误差电流和第二电流镜晶体管270对于第一电流镜晶体管268的相对尺寸的函数。穿过第二电流镜晶体管270的漏极的电流可以被表示为I_误差N1，其中，N1是第二电流镜晶体管270的尺寸与第一电流镜晶体管268的尺寸之比。

在稳态状况下，当V_反馈与V_基准相同时，I_误差是0A。然而，在实施方式中，差分输入级252中可能存在天然的不匹配。由于不匹配，在稳态状况下I_误差可能是非零的。这会导致跨导放大器212的输出端处的大量电流(I_升压)。

为了防止电流生成(例如，在存在高度不匹配的情形下)，在差分输入对282中定义了偏移。通过将差分输入对282中的器件定尺寸为不均匀的，可以引入偏移。第二差分输入晶体管262的沟道宽度可以定尺寸为大于第一差分输入晶体管260的沟道宽度。该定尺寸定义了电压偏移。例如，第一和第二差分输入晶体管260、262可以被定尺寸为使得引入10mV的电压偏移。偏移电压在稳态状况下可以引起电流(I_升压)为0A并导致在差分输入级252的器件的实施方式的制造中的随机的或不想要的不匹配。

类似地，第四电流镜晶体管274的漏极处提供的经升压的偏置电流是穿过第三电流镜晶体管272的漏极的电流以及第三和第四电流镜晶体管272、274的相对尺寸的函数。具体地，经升压的偏置电流可以表示为：

I_升压＝I_误差N₁N₂ 等式(1)

其中，N2是第四电流镜晶体管274与第三电流镜晶体管272的尺寸之比。

误差电流取决于误差电压、偏移电压以及第一和第二差分输入晶体管260、262的跨导。误差电流可以表示为：

I_误差＝(V_误差-V_偏移)(g₁+g₂) 等式(2)

其中，g1是第一差分输入晶体管260的跨导，并且g2是第二差分输入晶体管262的跨导。基于等式(1)和等式(2)，经升压的偏置电流可以表示为：

I_升压＝(V_{误差-V偏移)}(g₁+g₂)N₁N₂ 等式(3)。

图4示出了根据实施例的差分放大器214的示意图。差分放大器214包括差分输入对282和有源负载284。差分输入对282具有用于接收反馈电压的第一输入端以及用于接收基准电压的第二输入端。差分输入对282具有用于接收差分放大器214的偏置电流的偏置输入端。差分输入对282在输出端与有源负载284的输入端耦合。有源负载284的输出端提供误差电压。

差分输入对282包括第一差分输入晶体管286和第二差分输入晶体管288。有源负载284包括第一输出晶体管290和第二输出晶体管292。第一差分输入晶体管286具有用于接收偏置电流的源极、用于接收反馈电压的栅极以及漏极。第二差分输入晶体管288具有用于接收偏置电流的源极、用于接收基准电压的栅极以及漏极。

第一输出晶体管290具有栅极、与第一差分输入晶体管286的漏极耦合的漏极、以及与接地节点206耦合的源极。第二输出晶体管292具有与第二差分输入晶体管288的漏极耦合的漏极、以及与接地节点206耦合的源极。第二输出晶体管292具有与其漏极以及第一输出晶体管290的栅极两者耦合的栅极。

反馈电压控制第一差分输入晶体管286，并且基准电压控制第二差分输入晶体管288。可以在第一差分输入晶体管286的漏极获得差分放大器的输出电压(误差电压)。

图5A至图5D示出了调节器100与常规调节器的性能之间的对比。常规调节器不包括偏置电流升压级。如图5A中所示，最初两个调节器的输出电流(线502)增加。该增加发生在第一时刻504与第二时刻506之间。输出电流被示为在1微秒(μs)时间段内从0A增加至160毫安(mA)。输出电流的增加可以是负载与调节器连接的事实而引起的。

作为响应，调节器的偏置电流增加。如图5B中所示，调节器100的偏置电流(线508)比常规调节器的偏置电流(线510)增加得快约1μs。进一步，由于增加了经升压的偏置电流(线512)，因此调节器100的偏置电流(线508)比常规调节器的偏置电流(线510)达到更大的最大电流电平。经升压的偏置电流加速了调节器100对输出电流升高或负载增加的响应并促进了输出电压的恢复。

在瞬态状况结束之后(例如，在第三时刻之514后)，调节器100和常规调节器的偏置电流是可比较的。在瞬态状况结束之后移除经升压的偏置电流有助于改善调节器100的功率效率。

如图5D中所示，由于提供给调节器的经升压的电流，调节器100的输出电压(线516)不下降到常规调节器的输出电压(线518)下降的程度。而且，调节器100的输出电压(线516)比常规调节器(线518)更快地恢复至期望的输出电压电平。另外，如图5C中所示，调节器100的功率晶体管224的栅极-源极电压比常规调节器的功率晶体管的栅极-源极电压更迅速地增加。

可以组合以上所描述的各实施例以提供进一步实施例。鉴于以上的详细描述，可以对实施例做出这些和其他改变。总之，在以下权利要求书中，所使用的术语不应当被解释为将权利要求书局限于本说明书和权利要求书中所公开的特定实施例，而是应当被解释为包括所有可能的实施例、连同这些权利要求有权获得的等效物的整个范围。相应地，权利要求书并不受本公开的限制。