专利名称：具有并联耦合差分输入对的转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及将第一和第二差分输入信号转换为输出信号的电路， 也涉及包括电路的稳压器、包括稳压器的装置以及方法。
这种稳压器的实例是开关模式电源和其它类型的电源。这种装置 的实例是消费类产品和非消费类产品。
背景技术：
US2005/0258901公开了一种用于将第一差分输入信号转换为输 出信号的特定的现有技术电路。
用于将第一差分输入信号转换为输出信号的普通现有技术电路是 运算放大器。为产生用于将第一和第二差分输入信号转换为输出信号 的电路，需要三个运算放大器。第一运算放大器将第一差分输入信号 转换为第一中间信号，第二运算放大器将第二差分输入信号转换为第 二中间信号，第三运算放大器将第一和第二中间信号转换为输出信号。 通常，还需要与第一和第二运算放大器的输出耦合的共模反馈电路以 控制这些第一和第二运算放大器。
用于将第一和第二差分输入信号转换为输出信号的现有技术电路 是不利的，这特别是由于其相对复杂。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于将第一和第二差分输入信号转 换为输出信号的相对简单的电路。
特别地，本发明的其他目的是提供一种包括相对简单电路的稳压 器、 一种包括稳压器的装置以及一种方法。
根据本发明用于将第一和第二差分输入信号转换为输出信号的电
路包括第一差分输入级，包括用于接收第一差分输入信号的第一和第二 输入，并且包括第一和第二输出；
第二差分输入级，包括用于接收第二差分输入信号的第三和第四 输入，及包括第三和第四输出；以及
输出级，包括与第一输出连接的第一端子、与第二输出连接的第 二端子以及用于提供输出信号的第三端子，第一输出还与第三输出连 接，.并且第二输出还与第四输出连接。
通过提供互相并联连接的两个差分输入级的电路，其中第一输出 与第三输出连接并且第二输出与第四输出连接，这两个差分输入级一 起产生所生成的中间信号。通过进一步提供具有将所产生的中间信号 转换为输出信号的输出级的电路，已经创建简单的电路，因为例如各 个级能够仅采用几个晶体管来实现。
特别地，根据本发明的电路是有利的，因为其不需要三个复杂的 运算放大器和复杂的共模反馈电路。
根据本发明的电路的实施例由如下来限定第一差分输入级，包 括第一晶体管对，该第一晶体管对包括互相连接的第一主电极、构成 第一和第二输入的控制电极以及构成第一和第二输出的第二主电极； 以及第二差分输入级，包括第二晶体管对，该第二晶体管对包括互相 连接的第一主电极、构成第三和第四输入的控制电极以及构成第三和 第四输出的第二主电极。该实施例是极其简单的。
根据本发明的电路的实施例由如下来限定输出级，包括电流镜
级，该电流镜级包括构成第一端子的第五输入和构成第二端子的第五 输出，该电流镜级包括第三晶体管对，该第三晶体管对包括互相连接 的控制电极、互相连接的第一主电极以及构成第五输入和第五输出的 第二主电极，所述第五输入与第三晶体管对的控制电极连接；并且输 出级还包括晶体管，该晶体管包括与第五输出连接的控制电极和构成 第三端子的主电极。该实施例是极其简单的。
根据本发明的稳压器包括根据本发明的电路，还包括响应输出信 号以调制电压源信号的调制器级。例如，这种调制器级包括脉冲宽度 调制器级，在这种情况下，使用输出信号来限定脉冲宽度调制器级产生的脉冲的脉冲宽度和/或占空比。不排除其它类型的调制器级。
根据本发明的稳压器的实施例由如下来限定还包括第一电阻器， 所述第一电阻器的一端与第二输入以及第二电阻器的一端连接，第二 电阻器的另一端与第四输入和地连接，第一输入与参考端子连接，第 一电阻器的另一端可以与负载的一端连接，第三输入可以与负载的另 一端连接。稳压器能够稳定负载上的输出电压。
根据本发明的稳压器的实施例由如下来限定还包括电感器，电 感器的一端与调制器级连接，电感器的另一端与第一引线的一端连接， 第一引线的另一端可以与负载的一端连接，地与第二引线的一端连接， 第二引线的另一端可以与负载的另一端连接。该稳压器能够补偿引线 上的电压降。
根据本发明的装置可以包括根据本发明的稳压器，并且还可以包 括提供电压源信号的电压源。
根据本发明的装置可以包括根据本发明的稳压器，并且还可以包 括负载。
根据本发明的装置可以包括根据本发明的稳压器，并且还可以包 括引线。
根据本发明的方法的实施例与根据本发明的电路和/或根据本发 明的装置的实施例相对应。
特别地，本发明基于这样的理解用于将第一和第二差分输入信 号转换为输出信号的现有技术电路是复杂的；并且特别地基于以下基 本思想两个简单的差分输入级互相并联连接，并且与简单的输出级 相连接将能够实现这种转换。
特别地，本发明通过提供将第一和第二输入信号转换为输出信号 的相对简单的电路而解决了该问题，并且还有利的是，其不需要三个 复杂的运算放大器和复杂的共模反馈电路。
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其它方面将显而易见。
在附图中图l示意性地示出了现有技术电路； 图2示意性地示出了根据本发明的电路； 图3示意性地示出了根据本发明的装置；以及
图4示意性地示出了作为时间的函数的调制器电压和输出电压。
具体实施例方式
图1所示的现有技术电路包括三个运算放大器101-103。第一运算 放大器101包括两个输入和一个输出，所述输出与电阻器105的一端和 共模反馈单元104的第一输入连接。第二运算放大器102包括两个输入 和一个输出，所述输出与电阻器106的一端和共模反馈单元104的第二 输入连接。共模反馈单元104的第一和第二输出与运算放大器101和102 的控制输入连接。电阻器105的另一端与第三运算放大器103的输入和 电阻器107的一端连接，并且电阻器106的另一端与第三运算放大器103 的另一输入和电阻器108的一端连接。电阻器107的另一端与运算放大 器103的输出连接，并且电阻器108的另一端接地。 .
这个现有技术电路通过三个复杂的运算放大器和一个复杂的共模 反馈电路将两个差分输入信号转换为输出信号。
图2所示的根据本发明的简单电路1包括第一差分输入级10和第二 差分输入级20以及输出级30，所述第一差分输入级10包括接收第一差 分输入信号的第一和第二输入ll、 12并包括第一和第二输出13、 14， 所述第二差分输入级20包括接收第二差分输入信号的第三和第四输入 21、 22并包括第三和第四输出23、 24,所述输出级30包括与第一输出 13连接的第一端子31、与第二输出14连接的第二端子32以及提供输出 信号的第三端子33。第一和第二差分输入级并联连接，使得第一输出 13还与第三输出23连接，第二输出14还与第四输出24连接。
第一差分输入级10包括第一晶体管对15、 16，所述第一晶体管对 15、 16包括互相连接并且与晶体管17的主电极连接的第一主电极，并 且包括构成第一和第二输入ll、 12的控制电极，还包括构成第一和第 二输出13、 14的第二主电极。第二差分输入级20包括第二晶体管对25、 26，所述第二晶体管对25、 26包括互相连接并且与晶体管27的主电极
7连接的第一主电极，并且包括构成第三和第四输入21、 22的控制电极， 还包括构成第三和第四输出23、 24的第二主电极。
输出级30包括电流镜级，所述电流镜级包括构成第一端子31的第 五输入并包括构成第二端子32的第五输出。电流镜级包括第三晶体管 对34、 35，所述第三晶体管对34、 35包括互相连接的控制电极，包括 互相连接并且接地的第一主电极，并且包括构成第五输入和第五输出 的第二主电极。第五输入与第三晶体管对34、 35的控制电极连接，而 且输出级30还包括晶体管36，所述晶体管36包括与第五输出连接的控 制电极，包括构成第三端子33的主电极，并且包括接地的又一主电极。 第三端子33还与晶体管37的主电极连接，并且还通过电容器39和电阻 器38的串联结构与晶体管36的控制电极连接。晶体管17、 27、 37的又 一主电极互相连接，并且与供电端子连接；晶体管17、 27、 37的控制 电极互相连接，并且与又一供电端子连接。这些晶体管17、 27、 37具 有偏置功能。
根据本发明的装置5包括根据本发明的稳压器4。该稳压器4包括电 路1，还包括用于响应输出信号以调制电压源54产生的电压源信号的调 制器级40，另外，调制器级40包括调制器41，所述调制器41包括与第 三端子33连接的输入，包括与晶体管42的控制电极连接的第一输出， 并且包括与晶体管43的控制电极连接的第二输出。晶体管42的主电极 与电压源54连接，而其又一主电极与电感器44的一端连接。晶体管43 的主电极与电感器44的一端连接，晶体管43的又一主电极与地连接。
例如，调制器41包括脉冲宽度调制器，在这种情况下，使用来自 电路l的输出信号以限定脉冲宽度调制器产生的脉冲的脉冲宽度和/或 占空比。
稳压器4包括第一电阻器45。第一电阻器45的一端与第二输入12 及第二电阻器46的一端连接。第二电阻器46的另一端与第四输入22和 地连接。第一输入11与参考端子48连接。第一电阻器45的另一端与负 载51的一端连接。第三输入21与负载51的另一端连接。
电感器44的另一端与第一引线52的一端连接，并且通过电容器47 与地连接。第一引线52的另一端与负载51的一端相连接。地与第二引线53的一端连接。第二引线53的另一端与负载51的另一端连接。
每个晶体管可以是N-FET或P-FET或N-MOS或P-MOS等。不排除
其它类型的晶体管。例如，在不偏离本发明的范围的情况下，为了偏 置的目的，可以引入另外的元件。
高性能系统要求高性能电源。例如，为了保证正确的操作，奔腾4 (Pentium 4)微处理器的电源电压必须严格限制在1.25V-1.4V之间。 设计输出1.325V的标称电压的电源并不困难，但是确保用于微处理器 的上述特定的范围是具有挑战性的。当处理器汲取高达78A的电流并 仅表示出17mQ的负载时，甚至沿电源线路的非常小的寄生电阻就可 以产生不能接受的IR降(电压降)。由于寄生电阻难以预测和难以控制， 并且由于在大多数应用中电源电流是变化的，因此难以进行预补偿。 该问题的解决办法是向开关稳压器和线性稳压器添加IR降补偿。最简 单的方式是部分补偿。这使用额外的连接以感测处理器的电源端子处 的电压。在这种情况下，仅补偿沿电源路径的电压降，而主要由于成 本原因，不补偿沿返环路径的电压降。完全补偿将同时补偿两个电压 降。完全补偿价格较高，因为其需要多个部件，例如，如图l所示的三 个运算放大器、四个电阻器、共模反馈单元和一个额外的感测引线等。 显而易见，该价格对于许多商业产品来说太高。这种实现相当复杂。 在反馈环路中，加入的差分放大器和浮动电压增加了不可避免的复杂 性和相位延迟，因此使稳定性和环路动态性变坏。为减少这些影响， 两者的带宽必须非常宽。另一不便和麻烦之处在于输出电压的可编程 性变差。由于仅得到固定的电压，增加了产生成本，失去了应用的灵 活性，并限制了应用领域。
根据本发明，得到了突破，这使得具有可忽略的开销/成本的完全 补偿称为可能。根据本发明，可以预料，完全的和动态的补偿将很快 成为商业稳压器产品的工业标准。
本发明保持输出电压的可编程性，其实现是极其简单的，仅需加 入三个晶体管，保持了环路动态性，保持了环路的稳定性，实际上不 需要硅面积的开销，与不需要IR降补偿的产品相比较实际上不需要功 率消耗方面的开销，并且高度集成，所有这些都导致低成本。在开关稳压器的设计中，环路动态性是非常重要的方面。对于如
图2所示的基于电路1提出的完全的和动态的补偿，如果四输入误差放
大器(电路l)具有和初始的两输入误差放大器相同的频率特性，则能
够维持相同的环路动态性。这使用图2所示的放大器容易实现。
图3示出了使用提出的完全补偿方法的开关稳压器。误差放大器的 两个输入差分对如所示连接。将采样的输出电压和参考电压施加到误 差放大器的一个输入差分对的输入，而将第二引线53的两端处的施加 应用到另一差分对的输入。然后，例如由图3中负载51所表示的基带IC 一直并且准确地在其位于负载51的两端处的电源端子上获得需要的电 压，而与沿完整的功率电源路径的IR降无关。
图4中示出了作为时间函数的调制器电压(上方波形)和输出电压
(下方波形)。这是仿真验证。选择实例用于该验证。在降压 (step-down)开关稳压器中应用提出的完全且动态的补偿，该降压开 关稳压器用于在1.2V的电源和汲取300mA的电流的情况下操作的数字 基带IC。已经对稳压器执行了计算机仿真，图4示出了假定引线52和53 的电阻为50mQ时的仿真结果。上方波形是脉冲宽度调制器级的输出， 而下方波形表示基带IC上的电源电压。为了对比，在下方波形中示出 了没有补偿的结果(如61所示)，常规的部分补偿的结果(如62所示)， 以及根据本发明的完全补偿的结果(如63所示)。
电路1中增加的额外输入差分对不改变频率特性。在假设理想电流 镜的情况下，两个输入级的总输出阻抗减半，这是由于输入差分对并 联连接。同时，两个输入级的总电容加倍，所以实际上两个输入差分 对的输出处的时间常数不存在净变化(net change)。对于实际的电流 镜，能够以该阻抗基本上不改变的方式来设计双差分对输入级。以这 种简单的方式，能够保持环路的稳定性和动态性，这是非常有益的。
本发明可以使用在要求较高的应用中，其中准确的和稳定的电源 电压是关键的要求，IR降补偿是最适合使用的技术，尤其是在诸如服 务器、工作站、网络系统、较大存储器阵列及高端桌上电脑等之类的 低电压高电流应用中。
应指出，上述实施例说明而非限制本发明，在不偏离所附权利要求范围的情况下，本领域技术人员能够设计多个可替代实施例。在权 利要求中，放置在括号中的任何附图标记不应构成为限制权利要求。 使用动词"包括"及其词性变化不排除除了权利要求所述之外的元件 或步骤的存在。元件前的冠词"一个"不排除多个这种元件的存在。 本发明可以借助包括几个不同的元件的硬件方式和借助适当编程的计 算机的方式应用。在装置权利要求中，列举了几个装置，这些装置中 的几个可以由同一项硬件实现。起码的事实是，互不相同的从属权利 要求中提及的特定措施不表示这些措施的组合不能产生优点。
权利要求
1、一种电路(1)，用于将第一和第二差分输入信号转换为输出信号，所述电路(1)包括第一差分输入级(10)，包括用于接收第一差分输入信号的第一和第二输入(11，12)，并且包括第一和第二输出(13，14)；第二差分输入级(20)，包括用于接收第二差分输入信号的第三和第四输入(21，22)，并且包括第三和第四输出(23，24)；以及输出级(30)，包括与第一输出(13)连接的第一端子(31)、与第二输出(14)连接的第二端子(32)、以及用于提供输出信号的第三端子(33)，第一输出(13)还与第三输出(23)连接，而且第二输出(14)还与第四输出(24)连接。
2、 根据权利要求1所述的电路(1)，第一差分输入级(10)包括 第一晶体管对(15, 16)，所述第一晶体管对(15， 16)包括互相连接 的第一主电极、构成第一和第二输入(11， 12)的控制电极、以及构 成第一和第二输出(13， 14)的第二主电极，第二差分输入级(20) 包括第二晶体管对(25， 26)，所述第二晶体管对(25， 26)包括互相 连接的第一主电极、构成第三和第四输入(21, 22)的控制电极、以 及构成第三和第四输出(23， 24)的第二主电极。
3、 根据权利要求1所述的电路(1)，输出级(30)包括电流镜级， 所述电流镜级包括构成第一端子(31)的第五输入、和构成第二端子(32)的第五输出，所述电流镜级包括第三晶体管对(34， 35)，所述 第三晶体管对(34， 35)包括互相连接的控制电极、互相连接的第一 主电极、以及构成第五输入和第五输出的第二主电极，所述第五输入 与第三晶体管对(34， 35)的控制电极连接，而且输出级(30)还包 括晶体管(36)，所述晶体管(36)包括与第五输出连接的控制电极和 构成第三端子(33)的主电极。
4、 一种稳压器(4)，包括根据权利要求1所述的电路(1)，并且 还包括响应输出信号以调制电压源信号的调制器级(40)。
5、 根据权利要求4所述的稳压器，还包括第一电阻器(45)，第一电阻器(45)的一端与第二输入(12)以及第二电阻器(46)的一 端连接，第二电阻器(46)的另一端与第四输入(22)以及地连接， 第一输入(11)与参考端子(48)连接，第一电阻器(45)的另一端 可以与负载(51)的一端连接，第三输入(21)可以与负载(51)的另一端连接。
6、 根据权利要求5所述的稳压器(4)，还包括电感器(44)，电 感器(44)的一端与调制器级(40)连接，而电感器(44)的另一端 与第一引线(52)的一端连接，第一引线(52)的另一端可以与负载(51)的一端连接，地与第二引线(53)的一端连接，第二引线(53) 的另一端可以与负载(51)的另一端连接。
7、 一种装置(5)，包括根据权利要求4所述的稳压器(4)，并且 还包括用于提供电压源信号的电压源(54)。
8、 一种装置(5)，包括根据权利要求5所述的稳压器(4)，并且 还包括负载(51)。
9、 一种装置(5)，包括根据权利要求6所述的稳压器(4)，并且 还包括引线(52， 53)。
10、 一种用于将第一和第二差分输入信号转换为输出信号的方法， 所述方法包括通过第一差分输入级(10)接收第一差分输入信号，所述第一差 分输入级(lO)包括用于接收第一差分输入信号的第一和第二输入(ll， 12)，并且包括第一和第二输出(13， 14);通过第二差分输入级(20)接收第二差分输入信号，所述第二差 分输入级(20)包括用于接收第二差分输入信号的第三和第四输入(21， 22)，并且包括第三和第四输出(23， 24);以及通过输出级(30)提供输出信号，所述输出级(30)包括与第一 输出(13)连接的第一端子(31)、与第二输出(14)连接的第二端子 (32)、以及提供输出信号的第三端子(33)，第一输出(13)还与第 三输出(23)连接，而且第二输出(14)还与第四输出(24)连接。
全文摘要
一种将第一和第二差分输入信号转换为输出信号的电路(1)，所述电路(1)具有第一差分输入级(10)、第二差分输入级(20)和输出级(30)以避免复杂的运算放大器，所述第一差分输入级(10)包括用于接收第一差分输入信号的第一和第二输入(11，12)，并且包括第一和第二输出(13，14)；所述第二差分输入级(20)包括用于接收第二差分输入信号的第三和第四输入(21，22)，并且包括第三和第四输出(23，24)；所述输出级(30)包括与第一输出(11)(其还与第三输出(21)连接)连接的第一端子(31)，包括与第二输出(12)(其还与第四输出(22)连接)连接的第二端子(32)，并且包括提供输出信号的第三端子(33)。差分输入级(10，20)包括两个晶体管对(15，16，25，26)，而且输出级(30)包括具有第三晶体管对(34，35)的电流镜。稳压器(4)包括电路(1)和响应输出信号以调制电压源信号的调制器级(40)。
文档编号H03F3/45GK101411059SQ200780010417
公开日2009年4月15日 申请日期2007年3月21日 优先权日2006年3月23日
发明者王振华 申请人:Nxp股份有限公司