专利名称：提高增益的电压调节器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电压调节(稳压器)电路，具体地说，公开一种提高增益的电路，其改进一采用带隙基准的电压调节器电路的电压电源抗扰动性(rejection)、电流驱动范围和反馈回路稳定性等特性。
背景技术：
一种直流(DC)电压调节器在提供大电流以驱动外部电路负荷的同时，将电源电压调节到一优选的、精确的、稳定的幅值。即使电源电压漂移和电路负荷急剧地变化，该调节的电压也应是高度稳定的和精确的。
在很多应用中电源电压是必不可少的。例如，无线射频(RF)电话通常利用电池工作，该电池取决于其放电状态能产生2.7到5.5伏的原电压。该电池向天线负荷(发射时)和各电路例如压控振荡器(VCO)两者供电。由于电池电压可能随电池放电和发射负荷动态变化，在使用电话时从电池引出的电流可能变化十分宽。该引出的电流在1到100毫安的范围内是一般的情况。
VCO响应于所施加的电压信号来产生频率。由于在VCO可以产生的频率范围内的每一频率与施加的电压成正比例，VCO对于电源电压的波动是敏感的。需要一高稳定性基准电压，以防止VCO频率受电池电压的波动影响而变化。
在很多应用中带隙基准是有用的，这是由于当经历温度和电源供电电压变化时其提供基本不变的电压。电压调节通常是通过产生带隙电压和将这一电压施加到一电阻串上实现的。在该电阻串中的各电阻元件之间的电路抽头点处，取得优选的电压幅值并将其用作基准电源。选择性地选择电阻串中的电阻以在该抽头点产生所需的电压幅值。
图1是表示现有技术的电压调节器设计的方块示意图。这一电压调节器包括带隙基准电路11、分压器以及反馈放大器。将带隙基准电压施加到差分放大器14的一个输入端，并将被调节的电压的一部分通过MOSFET15以及电阻12和13施加到另一个输入端。按这种设计提供的调节电压是按照下式VR＝(VBG*(R1+R2))/R1确定的，其中VBG是带隙电压，R1是电阻元件12的阻值和R2是电阻元件13的的阻值。
图2表示用于实现图1所示电压调节器的现有技术的电路结构。其中，在晶体管21的集电极产生带隙基准电压，其等于电阻31两端的电压降和晶体管21的基极-发射极电压Vbe之和。利用电阻23和24的电阻串结合P-MOS晶体管26产生调节电压，和将其用作带隙基准电路以及外部负荷的电源。一对发射极耦合的晶体管27和28形成差分反馈放大器，用于调制(modulate)经由MOS晶体管26的漏极-源极结传导的电流。通过响应于带隙基准电压和加在电阻24两端的电压降即输出基准电压的一部分之间的幅值差，调制晶体管26的漏极-源极电流，可以维持在调节电压端Vreg的直流电压恒定。即使电源电压漂移或响应于负荷变化出现电流变化，也可以维持调节电压恒定。
为了获得电阻24两端和在调节器输出端的高精度电压(即良好的电源抗扰动能力)，反馈放大器必须具有高的增益。按照现有技术设计，难于同时获得反馈放大器的高的增益和高稳定性。实现提高增益的改进方案可能伴随引起稳定性降低，逆之亦然。增加电阻30的阻值可以提高差分放大器的增益。然而，增加电阻30的数值会在晶体管26的栅极引起相位-增益极点(phase-gainpole)移动到较低频率。由于移动相位-增益极点到较低频率，电压调节器的稳定性急剧地恶化。当将电压调节器用于向负荷大范围变化的外部设备提供电力时，从增益级到输出晶体管26使用电流镜像电路并不能克服该问题。
发明内容
本发明提供一种电压调节器，其不再因提高增益而降低稳定性或因提高稳定性而降低增益而需要进行取舍。在带隙基准电路和电压调节器的差分放大器之间设置一附加的增益增大(gain-boosting)级。该增益增大级增加了反馈放大器总增益而没有降低在放大器输出端的相位-增益极点，以此保证高稳定性。
在下面说明书部分中进一步介绍本发明，结合附图阅读可以更好地理解本发明，其中图1是表示现有技术的电压调节器的方块示意图；图2是表示用于实现图1所示的电压调节器的现有技术的电路图；图3是表示用于实现本发明的电压调节器的电路图。
具体实施例方式
本发明的优选实施例提供一种电压调节器，其设计用于在向所连接的负荷提供高输出电流时，精确稳定地调节直流电源电压。即使电源电压漂移和负荷急剧地变化，该调节的电压也是稳定不变的。这种设计的电压调节器运行的益处包括1.高稳定的调节电压；2.向可变负荷提供大电流的能力；3.良好的输出纹波衰减；4.良好的电源抗扰动能力。
图3表示包括在图2中所示的电压调节器设计结构中加入第二增益增大级。该第二增益增大级包括发射极耦合双极型晶体管对35和36以及电阻38和39。
由晶体管20和21、电阻22和31以及由P-MOS(P沟道金属氧化物半导体)晶体管18和19构成的电流镜像电路产生带隙基准电压。与绝对温度成比例(PTAT)的带隙基准电流通过P-MOS晶体管17和N-MOS晶体管16、25和37镜像映射到反馈增益级。利用该来自带隙基准电路的镜像电流来调制差分放大器27和28的增益，使反馈放大器的增益与温度无关地进行调节。
通过将晶体管26的漏极连接到晶体管17、18和19的源极以及晶体管35和36的集电极电阻形成第一反馈回路。这一反馈回路将在晶体管26的漏极的被调节的电压Vreg作为电压源提供到带隙基准块。利用被调节的电压源向带隙基准块供电，提高了电源抗扰动能力和带隙电压精度。在一对差分放大器的输出端和输入端之间的第二反馈回路控制被调节的电压Vreg。通过从第二差分放大器将晶体管27的集电极连接到晶体管26的栅极形成第二反馈回路。晶体管26上的栅极的信号调节流过晶体管26的漏极的电流，并利用串联的电阻23和24将这一电流转换为电压。将电阻24上的电压提供到第一差分放大器中的晶体管36的基极以构成反馈回路。
每一差分放大器35、36和27、28具有由上拉电阻30、38或39的阻值与差分放大器的增益gm的乘积确定的相关增益，其中电阻30、38或39分别连接到其中一个发射极耦合的晶体管的集电极。两个差分放大器35、36和27、28其电路构成为产生与它们的各自放大增益的乘积成比例的放大增益。因此，由该对差分放大器构成的反馈放大器的总增益由如下式确定Vgrain，total＝Vgrain，39*Vgrain，30＝(gm1*R10)*(gm.2*R0)＝gm.1*gm2*R0*R10，其中gm.1和gm.2分别是第一差分放大器和第二差分放大器的增益，R0是电阻30的阻值，R10是电阻39的阻值。在放大器的输出端采用一电阻负荷以避免使放大器饱和，并支持宽范围的电流驱动。
利用带隙基准电路可以产生一初始的调节电压。在晶体管21的集电极产生的初始电压等于电阻31两端的电压和晶体管21的基极-发射极结电压Vbe，21之和。将这一电压施加到晶体管35的基极-发射极结，其是由发射极耦合的晶体管对35和36构成的差分放大器的输入端。在这一信号和施加到差分放大器的另一输入端(即晶体管36的基极-发射极结)的反馈信号之间的幅值差，由发射极耦合的晶体管对放大，以在电阻38和39两端产生更高的电压。电阻39两端形成的电压是由晶体管36的Vbe，36和晶体管35的Vbe，35正电位差(由式Vbe，36-Vbe，35确定)经放大的电压。电阻38和电阻39两端形成的电压分别由如下式确定Vgain，39＝gm.1*R10以及Vgain，38＝gm.1*R11，其中，gm.1是差分放大器的增益，R10是电阻39的阻值，R11是电阻38的阻值。
电压Vgain，39以及Vgain，38施加到由发射极耦合的双极型晶体管对27和28构成的差分放大器的不同输入端。这一第二差分放大器以与所述第一差分放大器相同的方式工作。对于本发明的这一实施例所关注的是在电阻30两端上形成的放大电压。这一电压由下式确定Vgain，30＝gm.2*R0，其中，gm.2是第二差分放大器的增益，R0是电阻30的阻值。
Vgain，30施加到晶体管26的栅极，以便将该晶体管置于线性工作的工作模式。晶体管26将在其栅极-源极结两端形成的电压放大，利用电流源29产生的电流和晶体管26的漏极-源极结电阻在其漏极-源极结两端产生放大的电压VDS.26。施加到输出端的经调节的电压的幅值Vreg由下式Vreg＝VDD-VDS，26确定，其中VDD是电源电压，VDS，26是晶体管26两端的漏极-源极电压。电流源29是一本技术领域公知类型的电流调节器件，用于将来自晶体管26漏极的电流送至地电位。
从调节输出端Vreg产生两个反馈信号。首先，Vreg用作带隙基准电路的电源。其次，将Vreg电压幅值的一部分施加到晶体管36的基极-发射极结。将经调节的输出电压施加到一由串联的电阻23和24形成的电阻串，以便得到形成稳定反馈电路所需的特定电压幅值。这一特定电压幅值与电阻24两端的电压成比例。
上述的本发明提供一种电压调节电路，其产生高精度直流电压、具有良好的电源抗扰动特性、良好的稳定性，以及一大电流源容量，可供采用可变负荷和电压源的设备使用。
以上对本发明进行了介绍。另外，所作公开仅是本发明的优选实施例，但是，如上所述，应理解，本发明能够应用在各种其它情况，可以组合和改进，在其中所表述的本发明的构思范围内可以对与上述技术的等同物和/或相关技术领域的技术和知识进行各种变化和改进。上述实施例还意在解释实施本发明时已知的最佳方式以及能够使本技术领域的其他技术人员按照这些或其它实施例以及对于特定应用所需的各种改进利用本发明，或者直接利用本发明。因此，所作介绍并不意在将本发明限制为其中所公开的结构形式。此外，所提出的权利要求构成包括了各种实施例。
权利要求
1.一种具有高电源抗扰动特性的电压调节器，包括电压调节器电路，提供第一调节电压；增益级，由两个级联的放大器级组成，其具有的增益与每一放大器级的增益成比例，所述放大器中的第一级的第一输入端连接为接收第一调节电压；以及电压调制装置，连接到所述放大器中的第二级的输出端和一用于提供第二调节电压的输出端；所述输出端连接到所述第一放大器级的第二输入端，由此产生反馈电压，以便相对于所述第一调节电压将在所述输出端上的所述第二调节电压维持固定。
2.根据权利要求1所述的电压调节器，其中所述输出端为所述电压调节器电路提供工作电压。
3.根据权利要求2所述的电压调节器，其中所述电压调节器电路是一带隙基准电路。
4.根据权利要求2所述的电压调节器，其中所述增益级的输出信号按照所述第一调节电压和所述第二调节电压的一特定部分之间的电压差而线性变化。
5.根据权利要求1所述的电压调节器，其中所述增益级由两个发射极耦合的差分放大器组成，其构成产生的放大增益与每个发射极耦合的晶体管差分放大器的各自放大增益的乘积成比例。
6.根据权利要求5所述的电压调节器，其中每个所述差分放大器由双极型晶体管组成，其发射极连接第二晶体管，该第二晶体管由所述电压调节器电路控制。
7.根据权利要求6所述的电压调节器，其中在所述电压调节器电路中的所述第二晶体管形成具有电流源的电流镜像电路。
8.一种电压调节器电路，包括带隙基准电路，用于提供一随温度变化的基准电流以及一相对于温度基本上恒定的基准电压；第一差分放大器级，包括第一和第二晶体管，其发射极耦合到一晶体管，该晶体管提供一与带隙电路基准电流成比例的镜像电流到所述第一和第二晶体管；第二差分放大器级，包括第一和第二晶体管，其发射极耦合到一晶体管，该晶体管提供一与所述基准电流成比例的镜像电流到第二差分放大器级中的所述第一和第二晶体管；所述第二晶体管的基极连接为接收所述基准电压，所述第二差分放大器级的第一和第二输出连接端连接到所述第一差分放大器级的第一和第二输入连接端；以及一输出晶体管，连接到所述第一差分放大器级中的所述第一晶体管的集电极以及负荷阻抗端；所述第二差分放大器级中的所述第一晶体管在其基极接收来自所述负荷阻抗的反馈电压，因此在所述负荷阻抗的两端上产生经调节的电压。
9.根据权利要求8所述的一种电压调节器电路，其中所述带隙基准电路从所述输出晶体管接收一工作电压。
10.根据权利要求9所述的一种电压调节器电路，其中所述所述负荷阻抗端端接于一电流源和调节电容。
全文摘要
本发明涉及一种电压调节器,其对电源的直流电压变化具有高的抗扰动性。该电压调节器包括:电压调节器电路、一连接到电压调节器电路输出端的增益级以及一电压调制器,其形成在增益级的输出端和输入端之间的信号反馈回路。由电压调节器电路产生一起始基准电压并提供到增益级的输入端。由增益级放大来自电压调制器的这一起始基准电压和反馈信号的一部分之间的差。增益级放大的信号用于调制提供到外部负荷的基准电压。通过利用两级放大器增加电压调节器的回路增益得到更好的精确度和稳定性。
文档编号G05F3/08GK1373564SQ0114095
公开日2002年10月9日 申请日期2001年9月27日 优先权日2000年9月29日
发明者阿米特·伯斯坦, 丹尼尔·施卡普 申请人:国际商业机器公司