具有高电源抑制比和短路保护的经补偿低压降的制作方法

本公开的方面涉及具有高电源抑制比(psrr)和短路保护的经补偿低压降(ldo)。

背景技术：

电源管理在电子行业起着重要作用。电池供电的手持型装置要求电源管理技术延长电池寿命并且改进装置的性能和操作。电源管理的一个方面包含控制工作电压。常规电子系统特定地片上系统(soc)通常包含各个子系统。各个子系统可在为子系统的特定需要定制的不同工作电压下操作。

电压调节器用于将指定电压递送到各个子系统。电压调节器也可用于使子系统保持与彼此隔离。低压降(ldo)电压调节器常用以产生和供应固定电压，并且达成低噪声电路。

技术实现要素：

以下呈现有关本文中所公开的一或多个方面和/或实施例的简化概述。因而，不应将以下概述视为有关所有预期方面和/或实施例的宽泛概述，也不应认为以下概述识别有关所有预期方面和/或实施例的关键或至关重要的要素，或描绘与任何特定方面和/或实施例相关联的范围。因此，以下概述具有以下唯一目的：在下文呈现的具体实施方式之前，以简化形式呈现和与本文中所公开的机构相关的一或多个方面和/或实施例相关的某些概念。

一种低压降(ldo)电压调节器包含差分放大器，其被配置成放大参考电压和经调节的输出电压之间的差；传递晶体管，其耦合到所述差分放大器并受所述差分放大器的输出驱动；补偿电容器，其耦合到所述差分放大器的输出节点；和辅助放大器，其中所述辅助放大器的输出节点耦合到所述补偿电容器，且其中所述辅助放大器的输入节点耦合到所述传递晶体管。

一种用于补偿ldo电压调节器的方法包含通过差分放大器放大参考电压和经调节的输出电压之间的差；在耦合到所述差分放大器的传递晶体管处接收所述差分放大器的输出；在补偿电容器处接收来自辅助放大器的输出信号，其中所述补偿电容器耦合到所述差分放大器的输出节点，其中所述辅助放大器的输出节点耦合到所述补偿电容器，且其中所述辅助放大器的输入节点耦合到所述传递晶体管。

一种用于补偿ldo电压调节器的设备包含差分放大器，其被配置成放大参考电压和经调节的输出电压之间的差；传递晶体管，其耦合到所述差分放大器并且受所述差分放大器的输出驱动；补偿装置，其耦合到所述差分放大器的输出节点；和辅助放大装置，其中所述辅助放大装置的输出节点耦合到所述补偿装置，且其中所述辅助放大装置的输入节点耦合到所述传递晶体管。

一种用于补偿ldo电压调节器的非暂时性计算机可读媒体包含用以通过差分放大器放大参考电压和经调节的输出电压之间的差的至少一个指令；用以在耦合到所述差分放大器的传递晶体管处接收所述差分放大器的输出的至少一个指令；用以在补偿电容器处从辅助放大器接收输出信号的至少一个指令，其中所述补偿电容器耦合到所述差分放大器的输出节点，其中所述辅助放大器的输出节点耦合到所述补偿电容器，且其中所述辅助放大器的输入节点耦合到所述传递晶体管。

与本文所公开的方面和实施例相关联的其它目标和优点基于附图和详细描述对本领域技术人员将是显而易见的。

附图说明

参考结合附图考虑的以下详细描述将更好理解本公开的实施例，且易于获得对本公开的实施例的更完整了解，所述附图仅出于说明目的呈现而非限制本公开，且在附图中：

图1说明常规低压降(ldo)电压调节器。

图2说明根据本公开的至少一个方面的包含辅助放大器的ldo电压调节器。

图3说明根据本公开的至少一个方面的包含有源箝位电路的ldo电压调节器。

图4说明根据本公开的至少一个方面的包含辅助放大器、补偿电容器和有源箝位电路的ldo电压调节器400。

图5说明根据本公开的至少一个方面的示范性差分放大器。

图6说明根据本公开的至少一个方面的示范性辅助放大器。

图7说明根据本公开的至少一个方面的有源箝位电路设计。

图8说明根据本公开的至少一个方面的用于补偿ldo电压调节器的示范性流程。

具体实施方式

公开一种低压降(ldo)电压调节器，其包含差分放大器，其被配置成放大参考电压和经调节的输出电压之间的差；传递晶体管，其耦合到所述差分放大器并受所述差分放大器的输出驱动；补偿电容器，其耦合到所述差分放大器的输出节点；和辅助放大器，其中所述辅助放大器的输出节点耦合到所述补偿电容器，且其中所述辅助放大器的输入节点耦合到所述传递晶体管。

一种用于补偿ldo电压调节器的方法包含通过差分放大器放大参考电压和经调节的输出电压之间的差；在耦合到所述差分放大器的传递晶体管处接收所述差分放大器的输出；在补偿电容器处接收来自辅助放大器的输出信号，其中所述补偿电容器耦合到所述差分放大器的输出节点，其中所述辅助放大器的输出节点耦合到所述补偿电容器，且其中所述辅助放大器的输入节点耦合到所述传递晶体管。

本公开的这些和其它方面在针对本公开的具体实施例的以下描述和相关附图中公开。可在不脱离本公开的范围的情况下设计替代性实施例。此外，将不会详细描述本公开的众所周知的元件，或将省略所述元件，以免混淆本公开的相关细节。

本文使用词语“示范性”和/或“实例”来意指“充当实例、例子或说明”。本文中描述为“示范性”和/或“实例”的任何实施例未必应解释为比其它实施例优选或有利。同样，术语“本公开的实施例”并不需要本公开的所有实施例包含所论述的特征、优点或操作模式。

另外，依据待由例如计算装置的元件执行的动作的序列来描述许多实施例。将认识到，本文中描述的各种动作可由特定电路(例如，专用集成电路(asic))，由正由一或多个处理器执行的程序指令或由所述两个的组合来执行。另外，本文中所描述的这些动作序列可被视为全部在任何形式的计算机可读存储媒体内体现，在所述计算机可读存储媒体中存储有对应的计算机指令集，所述计算机指令在执行时将致使相关联的处理器执行本文中所描述的功能性。因此，本公开的各种方面可以多种不同形式来实施，所述形式全都已经考虑在所主张的标的物的范围内。另外，对于本文中所描述的实施例中的每一个来说，任何此类实施例的对应形式可在本文中被描述为例如“被配置成(执行所描述的动作)的逻辑”。

电源管理在电子行业起着重要作用。电池供电的装置要求电源管理技术延长电池寿命并且改进装置的性能和操作。电源管理的一个方面包含控制工作电压。常规电子系统特定地片上系统(soc)通常包含各个子系统。各个子系统可在为子系统的特定需要定制的不同工作电压下操作。

运算放大器(被称为“op-amp”)是具有差分输入和通常单端输出的直流电(dc)耦合的高增益电子电压放大器。在此配置中，op-amp产生通常为其输入终端之间的电位差的数十万倍的输出电位(相对于电路地线)。更具体地，op-amp的差分输入由具有电压v+的非反相输入(+)和具有电压v-的反相输入(-)组成。理想地，op-amp仅放大这两者之间的电压差，其被称为差分输入电压。如果期望可预测的操作，那么通过将输出电压的一部分应用到反相输入，使用负反馈。此闭合环路反馈大大减少电路的增益。

电压调节器用于将指定电压递送到装置的各个子系统。电压调节器也可用于使子系统保持与彼此隔离。低压降(ldo)电压调节器常用以产生和供应固定电压，并且达成低噪声电路。

ldo是闭合环路op-amp。当ldo必须驱动大片外电容器(被称为“负载电容器”)并且供应大电流时，极难以补偿op-amp以确保稳定性。宽范围的负载电容器和负载电流使得更难以在同一时间满足电路的稳定性和电源抑制比(psrr)。psrr定义为op-amp的电源电压改变与其产生的等效输出电压的比，通常以分贝(db)表示。理想op-amp具有无限psrr。

图1说明常规ldo电压调节器100。如图1中所说明，ldo电压调节器100的差分放大器102(还被称作“误差放大器”)接受输入参考电压vref，并且产生经调节的输出电压vreg。差分放大器的输出显著地增加102，驱动大传递晶体管，即晶体管104(在一方面中，其可为p沟道金属氧化物半导体(pmos))。ldo电压调节器100另外包含负载电容器(c)106和电阻器r1108和r2110。ldo电压调节器100为soc的其它子块供应负载电流i0。应注意，负载电流i0不与负载电容器106相关联。负载电流i0供应系统的剩余部分并添加负载电容器106以使得ldo电压调节器100可提供固定的低噪声输出电压。电阻器r1108和r2110形成反馈电路。调整其中的一个足以规划ldo电压调节器100的输出电压。

ldo电压调节器例如图1的ldo电压调节器100是“两个极点”系统。“极点”和“零点”是电路的稳定性的指示。更具体地，系统(即，ldo电压调节器100)的极点和零点的频率定义对比频率绘制的环路增益和环路相位。为维持电路在这些极点处的稳定性，用充当环路增益上的阻尼因素的其它电路元件补偿极点。如果例如归因于多个电阻器-电容器组合而存在多个极点，那么焦点可置于补偿支配极点上。在此类系统中，需要非支配极点远离支配极点。应通过补偿方法实现此极点布置。

返回到图1，在传送装置(例如，晶体管104)的栅极处和负载(例如负载电容器106)处存在两个(相对地)低频率极点。为确保稳定性，需要补偿ldo电压调节器100。

在一实例中，ldo电压调节器100可为用正电源电压vdd例如1.8v加偏压并且提供1.1v经调节电压的大功率1.1v数字基带ldo。在此实例中，电流(i0)从5ua变为50ma且负载电容器106是具有从3.3uf到大约10uf的电容的大负载片外旁路电容器。应注意，10uf是针对稳定性的极限情况。对于具有大瞬时电流的电路，大片外旁路电容器(例如，负载电容器106)用以改进负载调整并且减小电压瞬变。

当针对超低功率应用例如电池供电装置和大片外旁路电容器(例如，负载电容器106)进行设计时，补偿op-amp以在同一时间满足稳定性和psrr的挑战变得更加难以应对。常规地，米勒(miller)补偿是op-amp稳定化的稳健方法，但考虑到上述挑战，其需要无法放置在芯片上的大补偿电容器。其还不提供电源抑制(psr)。因此，需要具有可承受且也提供足够psrr的电容器的补偿op-amp。

本公开将辅助放大器引入到ldo电压调节器。更具体地，在补偿电容器之前添加辅助放大器。基于辅助放大器提供的增益，增加补偿电容器的效应。举例来说，如果辅助放大器提供20db增益，那么这使补偿电容器的效应大10倍。因此，补偿电容器可小10倍。举例来说，如果用于经典米勒补偿的补偿电容器是400皮法(pf)，那么用于具有辅助放大器的补偿器的补偿电容器仅需要为40pf(即，400pf缩减10倍，或除以10)。

图2说明根据本公开的至少一个方面的包含辅助放大器214和补偿电容器212的ldo电压调节器200。如在图1中，ldo电压调节器200的差分放大器202接受输入参考电压vref，并且产生经调节输出电压vreg。差分放大器202的输出驱动大传递晶体管，即晶体管204(在一方面中，其可为pmos)。类似于ldo电压调节器100，ldo电压调节器200另外包含负载电容器(c)206和电阻器r1208和r2210。其为系统的其它子块供应负载电流i0。然而，与ldo电压调节器100相比，ldo电压调节器200在补偿电容器212之前包含辅助放大器214，如上文所描述。

在补偿电容器212之前添加辅助放大器214的益处包含使补偿电容器212的大小减小辅助放大器214的增益的量，如上文所描述。举例来说，如果辅助放大器214提供20db增益，那么这使补偿电容器212的效应大10倍。因此，补偿电容器212可比其原本在ldo电压调节器200仅包含辅助放大器214的情况下必须具有的大小小10倍。另外，psrr改进辅助放大器214的增益的量。在无辅助放大器214的情况下，在高频率下，电源噪声将直接耦合到ldo输出且不存在任何电源抑制。

在一实施例中，ldo电压调节器(例如ldo电压调节器100)可包含短路箝位电路。此类ldo电压调节器可从电池接收正电源电压vdd(例如，2v到3.6v)并且提供经调节的输出电压vreg，例如1.8v。对于大输入电压，优选的是具有短路保护，这是因为在输出短接的情况下，pmos装置(例如，晶体管104)的栅极-源极电压可变得大到3.6v并且在ldo电压调节器中产生大电流。为串联电阻器添加pmos的输出可限制此类短路，但在具有低电压余量和此类ldo电压调节器提供的大电流的情况下，优选的是避免v＝i*r电压降。

为解决这些问题，有源箝位电路可添加到ldo电压调节器。有源箝位电路应优选地为非线性的，以确保其不参与ldo电压调节器的正常操作，但实际上，保持pmos栅极限制电流的短路浪涌。

图3说明根据本公开的至少一个方面的包含有源箝位电路316的ldo电压调节器300。类似于图1中的ldo电压调节器100，ldo电压调节器300的差分放大器302接受输入参考电压vref并且产生经调节的输出电压。差分放大器302的输出驱动大传递晶体管，即晶体管304(在一方面中，其可为pmos)。与ldo电压调节器100一样，ldo电压调节器300另外包含负载电容器(c)306和电阻器r1308和r2310。其为系统的其它子块供应负载电流i0。

如图3中所示出，有源箝位电路316放置在差分放大器302与晶体管304之间。ldo电压调节器300中的有源箝位电路316(在图7中示出)的设计加强其相较于典型cmos非线性的非线性。其还提供不扰乱op-amp增益的高输出电阻并且提供设计输出电阻的自由度。从电池为ldo电压调节器300供应例如2v到3.6v的正电源电压vdd，并且为片外负载电容器供应例如1.8v的经调节的输出电压vreg。在无有源箝位电路316的情况下，ldo电压调节器300将不具有短路保护。

图4说明根据本公开的至少一个方面的包含辅助放大器414、补偿电容器412和有源箝位电路416的ldo电压调节器400。如在图2中，ldo电压调节器400的差分放大器402接受输入参考电压vref，并且产生经调节的输出电压。差分放大器402的输出驱动大传递晶体管，即晶体管404(在一方面中，其可为pmos装置)。ldo电压调节器400另外包含负载电容器(c)406、电阻器r1408和r2410，以及在补偿电容器412之前的辅助放大器414，如上文所描述。

在图4的实例中，ldo电压调节器400还包含放置在差分放大器402和晶体管404之间的有源箝位电路416，如上文参考图3所描述。类似于ldo电压调节器300，从电池为ldo电压调节器400供应例如2v到3.6v的正电源电压vdd，并且为片外负载电容器供应例如1.8v的经调节的输出电压。

图5是根据本公开的至少一个方面的差分放大器502例如图2中的差分放大器202、图3中的差分放大器302或图4中的差分放大器402的图式。差分放大器502使用低偏压电流ibias，例如1.2微安(ua)，这是因为如上所述，其用于低功率电池供电装置中(例如，差分放大器502的正电源电压vdd可为1.3v)。用例如800mvdc电压和例如带隙电流ibandgap提供的25纳安(na)电流为差分放大器502加偏压。

图6是根据本公开的至少一个方面的辅助放大器614例如图2中的辅助放大器214、图3中的辅助放大器314和图4中的辅助放大器414的图式。辅助放大器614是具有电阻负载rload例如5mω的低功率开放环路差分放大器，以限制增益。在一实例中，正电源电压vdd可为1.3v，带隙电流ibandgap可为25na，第一偏压电流ibias1可为650na，且第二偏压电流ibias2可为1.4ua。

图7是根据本公开的至少一个方面的有源箝位电路716例如图3中的有源箝位电路316和/或图4中的有源箝位电路416的图式。当ldo电压调节器(例如，图3中的ldo电压调节器300或图4中的ldo电压调节器400)的输出短接时，在不存在有源箝位电路716的情况下，传送装置(例如，图3中的晶体管304或图4中的晶体管404)的栅极电压(还称为控制电压vc)将过多降低(例如，低于100mv)且显著电流浪涌(例如，大到2amp)将穿过传送装置。然而，在存在有源箝位电路716的情况下，vc中的电压降致使装置702中的电流流动。此电流通过电阻器704并且接着被另一装置706放大以加强其相对于vc的非线性。vc中的小压降(例如，0.5v)致使电流注入到节点vc中。在无有源箝位电路716的情况下，vc可一直降低到0v。注入的电流被差分放大器(例如，图3中的差分放大器302或图4中的差分放大器402)吸收(sink)且差分放大器的有限偏压电流限制有源箝位电路716中的电流。因此，vc无法过多降低。举例来说，对于ldo电压调节器中的3.6v电池电压，vc的2v压降将为过多的，而vc的0.5v压降可为容许的。对于电流的浪涌，2a的电流将为过多的，而200ma的电流将为可容许的。

图8说明根据本公开的至少一个方面的用于补偿ldo电压调节器的示范性流程800。ldo电压调节器可为闭合环路运算放大器。在一方面中，ldo电压调节器可使用米勒补偿。

在802处，流程800包含通过差分放大器(例如，图2中的差分放大器202、图3中的差分放大器302或图4中的差分放大器402)放大参考电压和经调节的输出电压之间的差。

在804处，流程800包含在耦合到差分放大器的传递晶体管(例如，图2中的晶体管204、图3中的晶体管304或图4中的晶体管404)处接收差分放大器的输出。

在806处，流程800包含在补偿电容器(例如，图2中的补偿电容器212或图4中的补偿电容器412)处从辅助放大器(例如，图2中的辅助放大器214或图4中的辅助放大器414)接收输出信号。如图2和4中所说明，补偿电容器可耦合到差分放大器的输出节点，辅助放大器的输出节点可耦合到补偿电容器，且辅助放大器的所述可耦合到传递晶体管。辅助放大器可为低电流开放环路差分放大器。举例来说，低电流可为25纳安的电流。

在808处，流程800任选地包含将有源箝位电路耦合到差分放大器的输出节点和传递晶体管。有源箝位电路限制来自传递晶体管的短路电流浪涌。传递晶体管从电池接收2v到3.6v的电压，且ldo电压调节器为片外负载电容器供应1.8v的电压。

在一方面中，来自辅助放大器的输出信号可致使补偿电容器的补偿基于来自辅助放大器的输入信号提供的增益的量增加。在所述情况下，补偿电容器的补偿使含有ldo电压调节器的电路稳定。

在另一方面中，可基于辅助放大器提供的增益的量改进含有ldo电压调节器的电路的psrr。

在又一方面中，辅助放大器可包含限制辅助放大器的增益的量的电阻负载。

所属领域的技术人员应了解，可使用多种不同技术和技艺中的任一个来表示信息和信号。举例来说，可由电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光粒子或其任何组合来表示在整个上文描述中可能参考的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号和码片。

另外，所属领域的技术人员将了解，结合本文中所公开实施例描述的各种说明性逻辑块、模块、电路和算法步骤可实施为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为清晰地说明硬件与软件的此可互换性，上文已大体就各种说明性组件、块、模块、电路和步骤的功能性加以描述。此类功能性是实施为硬件还是软件取决于特定应用和强加于整个系统的设计约束。所属领域的技术人员可针对每一具体应用以不同方式来实施所描述的功能性，但这样的实施决策不应被解释为会引起脱离本公开的范围。

可使用通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或经设计以执行本文所描述的功能的其它可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或其任何组合来实施或执行结合本文中所公开的实施例而描述的各种说明性逻辑块、模块和电路。通用处理器可为微处理器，但在替代方案中，处理器可为任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可实施为计算装置的组合，例如dsp和微处理器的组合、多个微处理器、与dsp核心结合的一或多个微处理器，或任何其它此类配置。

结合本文中所公开的实施例而描述的方法、序列和/或算法可直接以硬件、以由处理器执行的软件模块或以两者的组合来体现。软件模块可驻留在ram存储器、快闪存储器、rom存储器、eprom存储器、eeprom存储器、寄存器、硬盘、可拆除式磁盘、cd-rom，或此项技术中已知的任何其它形式的存储媒体中。示范性存储媒体被耦合到处理器，使得处理器可以从存储媒体读取信息且将信息写入所述存储媒体。在替代性方案中，存储媒体可与处理器成一体式。处理器和存储媒体可驻留在asic中。asic可驻留于用户终端(例如，ue)中。在替代性方案中，处理器和存储媒体可作为离散组件驻留于用户终端中。

在一或多个示范性实施例中，所描述的功能可实施在硬件、软件、固件或其任何组合中。如果实施于软件中，那么可将功能作为一或多个指令或代码存储在计算机可读媒体上或经由计算机可读媒体发射。计算机可读媒体包含计算机存储媒体和通信媒体两者，通信媒体包含促进将计算机程序从一处传送到另一处的任何媒体。存储媒体可以是可以由计算机存取的任何可供使用的媒体。借助于实例而非限制，此类计算机可读媒体可包括ram、rom、eeprom、cd-rom或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁性存储装置，或可用于携带或存储呈指令或数据结构的形式的所需程序代码且可由计算机存取的任何其它媒体。此外，适当地将任何连接称作计算机可读媒体。举例来说，如果使用同轴缆线、光纤缆线、双绞线、数字订户线(dsl)或例如红外线、无线电和微波等无线技术从网站、服务器或其它远程源发射软件，那么所述同轴缆线、光纤缆线、双绞线、dsl或例如红外线、无线电和微波等无线技术包含在媒体的定义中。如本文中所使用，磁盘和光盘包含压缩光盘(cd)、激光光盘、光学光盘、数字多功能光盘(dvd)、软性磁盘和蓝光光盘，其中磁盘通常以磁性方式再现数据，而光盘用激光以光学方式再现数据。以上的组合也应包含于计算机可读媒体的范围内。

虽然前述公开内容示出本公开的说明性实施例，但应注意，在不脱离如所附权利要求书界定的本公开的范围的情况下，可以在本文中做出各种改变和修改。无需以任何特定次序来执行根据本文中所述的本公开的实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作。此外，尽管可能以单数形式描述或主张本公开的元素，但除非明确陈述限于单数形式，否则也涵盖复数形式。