专利名称：具有电压转换速率有效瞬态响应升压电路的低压差电压调节器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电压调节电路。更明确地说，本发明涉及一种电压调节器，其使用半导 体装置来以输出上的最小电压差在变化的负载上提供大体上固定的输出电压。
背景技水
随着以电池供电的装备的发展，低压差(LDO)电压调节器巳经得到普及。包含蜂 窝式电话、寻呼机、膝上型计算机和多种手持型电子装置的便携式电子装备已经增加了 对有效电压调节的需要以延长电池寿命。LDO电压调节器通常被封装为用于以电池供 电的装置中的输出上的最小电压差在变化的负载上提供大体上稳定的输出电压的集成 电路(IC)。此外，通过考虑备用和休眠电流流动以及输出电压的稳定性来优化LDO电 压调节器的性能。
图1是常规LDO电压调节器100的示意图，所述LDO电压调节器100包含启动电 路105、曲线相关带隙电路110、误差放大器115、金属氧化物半导体(MOS)传递装 置120 (例如，正沟道MOS (PMOS)传递装置、负沟道MOS (NMOS)传递装置)、 电阻器125、 130以及具有电容COUT的去耦电容器135。 LDO电压调节器100输出输出 电压V ut 145。
曲率校正的带隙电路110电耦合到启动电路105和误差放大器115。当在供应增加 或启动阶段期间无电流流经LDO电压调节器100时，启动电路105向曲率校正的带隙 电路110提供电流，直到带隙电压足够高以允许曲率校正的带隙电路110自保持为止。 曲率校正的带隙电路110产生参考电压152,其输入到误差放大器115的正输入150; 以及参考电流154,其输入到误差放大器115的参考电流输入158。 一般来说，参考电 流154是由曲率校正的带隙电路110所产生的与绝对温度成比例的(PTAT)电流。
误差放大器115包含正输入150，其耦合到曲率校正的带隙电路110以用于接收 参考电压152;参考电流输入158，用于接收参考电流154;负输入155;以及放大器输 出160。
MOS传递装置120包含栅极节点165、源极节点170和漏极节点175。 MOS传递 装置120可以是PMOS或NMOS传递装置。MOS传递装置120的栅极节点165耦合到 误差放大器115的放大器输出160。 MOS传递装置120的源极节点170耦合到电源电压Vs。MOS传递装置120的漏极节点175产生LDO电压调节器100的输出电压V。ut 145。 电阻器125和130串联连接以形成电阻器桥。电阻器125的一端耦合到MOS传递装置 120的漏极节点175,且电阻器125的另一端耦合到误差放大器115的负输入155以及 电阻器130的一端。因此，形成误差校正回路180。电阻器130的另一端耦合到接地。 去耦电容器135耦合在V。ut与接地之间。
在常规LDO电压调节器100中，与MOS传递装置120的栅极节点165以及去耦 电容器135相关联的电容CMOS导致误差放大器115的转换速率和带宽受限。常规LDO 电压调节器100提供固定的输出电压，但受其它规范限制，例如电压降、增益和瞬态响 应。当电流阶跃发生(由于耦合到输出电压V。utl45的电路的负载而导致)时，输出电 压V。ut 145首先减小，且在误差校正回路延迟776发生之后，MOS传递装置120的栅 极节点165由误差放大器115调整以提供所请求的输出电流。
图2展示在耦合到电压输出V。ul 145的电路的负载所要求的最大电流阶跃期间，图 1所示的常规LDO电压调节器100的输出电压V。ut 145的图形表示。延迟776对应于最 小误差校正回路延迟以确保电压调节。此延迟与误差放大器115的带宽成比例，且可根 据以下等式(1)来计算
<formula>formula see original document page 7</formula> 等式(1)
其中776是延迟，且/M是误差放大器115的统一增益频率。 此延迟期间的电压降可根据以下等式(2)近似表示
<formula>formula see original document page 7</formula>等式(2)
其中W为电压降，In^为耦合到电压输出V。ut145的电路的负载所需的最大输出电
流，c。ut为去耦电容器i35的电容，且ry&为误差校正回路延迟。
参看图1和图2,误差校正回路180在7y&延迟之后提供电压调节，且修改MOS 传递装置120的栅极节点165的电压，以便接通MOS传递装置120。调整输出电压V。ut 145，直到达到全负载调节的值为止。可根据以下等式(3)来近似表示恢复最终值T g 所需的时间<formula>formula see original document page 8</formula> 等式(3)
其中C。ut为去耦电容器135的电容，Ipass为MOS传递装置120的电流，Ima、为耦
合到电压输出V。utl4S的电路的负载所需的最大输出电流，且Va，为最大电压降。
在Treg之后，PMOS传递装置120的栅极节点165的电压Vg，M提供充足的电流穿
过PMOS传递装置120，以确保输出电压稳定性。然而，在达到最终调节的输出电压的
过程中，会出现显著的电压降和延迟。
将需要修改图1的LDO电压调节器100,使得其能够更快速地将PMOS传递装置
120的栅极节点165的电压设置为Vgsmax电压(或更低)，以便减少在达到最终调节的输
出电压V。ut 145的过程中的输出电压降和延迟。
发明内容
本发明涉及一种用于产生输出电压的LDO电压调节器。所述电压调节器包含启动 电路、曲率校正的带隙电路、误差放大器、MOS传递装置和电压转换速率有效瞬态响 应升压电路。MOS传递装置具有耦合到误差放大器的输出的栅极节点，以及用于产生 输出电压的漏极节点。电压转换速率有效瞬态响应升压电路将电压施加到MOS传递装 置的栅极节点，以在LDO电压调节器中出现输出电压降时，在允许LDO电压调节器达 到其最终调节的输出电压的过程中加速误差放大器的响应时间。
对本发明的更详细理解可从以实例方式给出的以下描述内容中获得，且应结合附图 而理解，其中
图1是常规LDO电压调节器的示意图2是对图1的常规LDO电压调节器中的最大输出电流阶跃的输出电压瞬态响应 的图形表示；
图3是具有根据本发明而配置的电压转换速率有效瞬态响应升压电路的LDO电压 调节器的示意图4是当将瞬态响应升压电压Vb设置为零伏(接地)时，图3的LDO电压调节 器的输出电压瞬态响应的图形表示；
图5是当将Vb设置为Vgsmax时，图3的LDO电压调节器的输出电压瞬态响应的 图形表示；以及图6是图3的LDO电压调节器所实施的调节输出电压的过程的流程图。
具体实施例方式
本发明并入在新颖的电压调节器中，其提供一种提高电压调节器性能同时减少输出 电压降的简单解决方案。此解决方案包含根据本发明而配置的电压转换速率有效瞬态响 应升压电路。本发明还可通过并入有提供提高电压调节器性能的简单解决方案的电压转 换速率有效瞬态响应升压电路来应用于任何已知的电压调节器结构。
在一个实施例中，将PMOS传递装置的栅极节点快速设置为Vgsmax电压(或更低)， 以便避免电压降，且减少输出电流阶跃与最终调节的输出电压之间的延迟。当输出电压 下降到预定义的阈值以下时，将MOS传递装置的栅极节点耦合到Vgsmax (或更低)。
现在参看图3，展示根据本发明而配置的LDO电压调节器300的示意图。LDO电 压调节器300包含启动电路305、曲率校正的带隙电路310、误差放大器315、 MOS传 递装置320、包含电阻器325A、 325B、 325C的电阻器桥325、具有电容C一的去耦电 容器330、比较器335以及MOS切换装置340。 LDO电压调节器300产生输出电压V。ut 345。电阻器桥325、比较器335以及MOS切换装置340形成转换速率有效瞬态响应升 压电路。MOS传递装置320可以是PMOS或NMOS传递装置。MOS切换装置340可 以是PMOS或NMOS切换装置。
曲率校正的带隙电路310电耦合到启动电路305和误差放大器315。当在供应增加 或启动阶段期间无电流流经LDO电压调节器300时，启动电路305向曲率校正的带隙 电路310提供电流，直到带隙电压足够高以允许曲率校正的带隙电路310自保持为止。 曲率校正的带隙电路310产生带隙参考电压352，其输入到误差放大器315的正输入350 以及比较器335的负输入35S。曲率校正的带隙电路310还产生参考电流354，其输入 到误差放大器315的参考电流输入358。 一般来说，参考电流354是曲率校正的带隙电 路310所产生的PTAT电流。
误差放大器315包含正输入350，其耦合到曲率校正的带隙电路310以用于接收 带隙参考电压352;参考电流输入358，用于接收带隙参考电流354;负输入360，用于 接收来自电阻器桥325的误差校正电压359;以及放大器输出365。
MOS传递装置320包含栅极节点370、源极节点372和漏极节点374。 MOS传递 装置320的栅极节点370耦合到放大器输出365，其输出传递装置控制信号。MOS传递 装置320的源极节点372耦合到电源电压Vs。 MOS传递装置320的漏极节点374产生 LDO电压调节器300的输出电压V。ut345。电阻器325A、 325B、 325C串联连接以形成电阻器桥325。电阻器325A的一端耦合到MOS传递装置320的漏极节点374，且电阻 器325A的另一端耦合到比较器335的正输入376以及电阻器325B的一端两者。电阻 器325B的另一端耦合到误差放大器315的负输入360，且耦合到电阻器325C的一端。 电阻器325C的另一端耦合到接地。去耦电容器330耦合在V。ut 345与接地之间。
仍参看图3， MOS切换装置340包含栅极节点380、源极节点382和漏极节点384。 比较器335的输出378耦合到MOS切换装置340的栅极节点380。输出378产生切换 装置控制信号。漏极节点384耦合到误差放大器315的输出365以及MOS传递装置320 的栅极节点。MOS切换装置340的源极节点382耦合到瞬态响应升压电压Vb，其可(例 如)由耦合到电压输出V。w345的输出电流监视单元产生。
比较器335的正输入376接收来自电阻器325A与325B之间的接合的阈值电压Vt 326。可根据以下等式(4)来计算Vt的值
W = V ..,—
dropC。
等式(4)
其中Vt为比较器335的阈值电压，V。ut为经调节的输出电压，V"p为允许的最大
电压降，I皿x为最大输出电流，C。ut为去耦电容器330的值，且^为比较器335的内部 延迟。
MOS切换装置340是具有漏极节点384的较小且较快的装置，漏极节点384耦合 到MOS传递装置320的栅极节点370，且耦合到瞬态响应升压电压Vb,其被设置为零 伏(即，接地值)与最大电压V,ax之间的"最终值"。MOS切换装置340的用途是快 速设置MOS传递装置320的栅极节点370上的最终值，以便允许MOS传递装置320 向V。ut 145递送最大输出电流。
如图4中所示，本发明的输出电压瞬态响应具有与图1所示的常规LDO电压调节
器ioo的瞬态响应中的误差校正回路延迟ryi相同的误差校正回路延迟ry&。通过接通
MOS切换装置340，将Vb设置为接地值，这导致较高的输出电流和较快的输出电压上 升沿。比较器335接着断开NMOS切换装置340,直到下一个电压降为止。比较器335 的输出378为零伏(即，接地值)，其断开MOS切换装置340;或Vs,其接通MOS 切换装置340。在此时间期间，由于多比较器切换而出现一些振荡，但最大电压降减小。 在误差校正回路延迟7y&之后，误差校正电压359由电阻器桥325提供到误差放大器315 的负输入360，所述误差放大器315提供输出电压调节，并将MOS传递装置320的栅极节点370上的输出电压调整成最终值。
在另一实施例中，将瞬态响应升压电压Vb恰好设置为Vgsmax。比较器335接通MOS 切换装置340，从而使MOS传递装置320的栅极节点370耦合到Vgsmax,借此输出电流 与负载电流完全相同。因此，如图5中所示，立即调节输出电压V。ut345。当电压降超 过Vt时，PMOS传递装置320的栅极节点370立即耦合到其最终值，且接着将LDO电 压调节器300设置为全负载调节的电压模式。通过使用MOS切换装置340设置MOS 传递装置的栅极节点370的电压，而不是等待误差放大器325来进行此项工作，误差放 大器响应时间增加，且电压输出345被调节，且大大减少了 V。ut345的电压降。
根据本发明，使用LDO电压调节器300来实施调节输出电压V。ut345的过程600。 参看图3和图6，在误差放大器315的正输入350处接收带隙参考电压352，在误差放 大器315的参考电流输入358处接收带隙参考电流354，且在误差放大器315的负输入 360处接收从输出电压V。ut 345导出的误差校正电压359 (步骤605)。误差放大器315 产生传递装置控制信号，其基于带隙参考电压352、带隙参考电流354和误差校正电压 359而闭合传递装置320，以将输出电压V训t 345调整到全负载调节的值(步骤610)。 在步骤615中，产生瞬态响应升压电压Vb。在步骤620中，比较器335将带隙参考电 压352与从输出电压V。ut 345导出的阈值电压Vt 326进行比较。比较器335产生切换装 置控制信号，其基于步骤620的比较而闭合切换装置340，以选择性地将瞬态响应升压 电压Vb施加到传递装置控制信号，以加速将输出电压V。ut 345调整到全负载调节的值 的速率(步骤625)。当输出电压V。ut345出现下降时，将瞬态响应升压电压Vb施加到 传递装置控制信号。
尽管以特定组合描述了本发明的特征和元件，但每一特征或元件均可在没有实施例 的其它特征和元件的情况下单独使用，或在有或没有本发明的其它特征和元件的情况下 以各种组合使用。
权利要求
1. 一种用于产生输出电压的低压差(LDO)电压调节器，其包括(a)误差放大器，其具有正输入、负输入、参考电流输入和放大器输出；(b)传递装置，其具有耦合到所述放大器输出的第一节点，所述传递装置经由所述传递装置的第二节点产生所述输出电压；以及(c)电压转换速率有效瞬态响应升压电路，其将电压施加到所述传递装置的所述第一节点，以在允许所述LDO电压调节器达到其最终调节的输出电压的过程中加速所述误差放大器的响应时间。
2. 根据权利要求1所述的LDO电压调节器，其中所述传递装置是正沟道金属氧化物 半导体(PMOS)传递装置，所述第一节点是栅极节点，且所述第二节点是漏极节 点。
3. 根据权利要求1所述的LDO电压调节器，其中所述传递装置是负沟道金属氧化物 半导体(NMOS)传递装置，所述第一节点是栅极节点，且所述第二节点是漏极节 点。
4. 根据权利要求2所述的LDO电压调节器，其中所述电压转换速率有效瞬态响应升 压电路包括(cl)电阻器桥，其包含串联连接的第一电阻器、第二电阻器和第三电阻器，所 述第一电阻器具有耦合到所述PMOS传递装置的所述漏极节点的第一端；(c2)比较器，其具有正输入、负输入和输出，其中所述比较器的所述负输入耦 合到所述误差放大器的所述正输入，且所述比较器的所述正输入连接到所述第一电 阻器的第二端以及所述第二电阻器的第一端；以及(c3)MOS切换装置，其具有耦合到所述比较器的所述输出的栅极节点、耦合到 参考电压的源极节点以及耦合到所述误差放大器的所述放大器输出和所述PMOS 传递装置的所述栅极节点的漏极节点。
5. 根据权利要求4所述的LDO电压调节器，其中所述第二电阻器的第二端和所述第 三电阻器的第一端耦合到所述误差放大器的所述负输入，且所述第三电阻器的第二 端耦合到接地。
6. 根据权利要求4所述的LDO电压调节器，其中所述MOS切换装置比所述误差放 大器更快速地对与所述PMOS传递装置的所述栅极节点相关联的电容进行放电。
7. 根据权利要求4所述的LDO电压调节器，其中所述MOS切换装置是正沟道金属氧化物半导体(PMOS)切换装置。
8. 根据权利要求4所述的LDO电压调节器，其中所述MOS切换装置是负沟道金属 氧化物半导体(NMOS)切换装置。
9. 根据权利要求4所述的LDO电压调节器，其进一步包括(d) 启动电路；以及(e) 曲率校正的带隙电路，其耦合到所述启动电路，所述曲率校正的带隙电路将 参考电压输入到所述误差放大器的所述正输入以及所述比较器的所述负输入，且将 参考电流输入到所述误差放大器的所述参考电流输入。
10. 根据权利要求9所述的LDO电压调节器，其中所述比较器的所述输出基于施加到 所述比较器的所述负和正输入的参考电压而接通和断开所述MOS切换装置。
11. 根据权利要求10所述的LDO电压调节器，其中所述参考电压由所述曲率校正的 带隙电路和所述电阻器桥提供。
12. —种用于产生输出电压的低压差(LDO)电压调节器，其包括(a) 传递装置，其具有用于产生所述LDO电压调节器的所述输出电压的输出节 点；(b) 误差放大器，其具有耦合到所述传递装置的输入节点的放大器输出；以及(c) 电压转换速率有效瞬态响应升压电路，其耦合到所述误差放大器的所述放大 器输出以及所述传递装置的所述输入节点，其中所述电压转换速率有效瞬态响应升 压电路经配置以将电压施加到所述传递装置的所述输入节点，以在允许所述LDO 电压调节器达到其最终调节的输出电压的过程中加速所述误差放大器的响应时间。
13. 根据权利要求12所述的LDO电压调节器，其中所述传递装置是正沟道金属氧化 物半导体(PMOS)传递装置，所述输入节点是栅极节点且所述输出节点是漏极节 点。
14. 根据权利要求12所述的LDO电压调节器，其中所述传递装置是负沟道金属氧化 物半导体(NMOS)传递装置，所述输入节点是栅极节点且所述输出节点是漏极节 点。
15. 根据权利要求13所述的LDO电压调节器，其中所述电压转换速率有效瞬态响应 升压电路包括(cl)电阻器桥，其包含串联连接的第一电阻器、第二电阻器和第三电阻器，所 述第一电阻器具有耦合到所述PMOS传递装置的所述漏极节点的第一端；(c2)比较器，其具有正输入、负输入和输出，其中所述比较器的所述负输入耦合到所述误差放大器的正输入，且所述比较器的所述正输入连接到所述第一电阻器 的第二端以及所述第二电阻器的第一端；以及(c3)MOS切换装置，其具有耦合到所述比较器的所述输出的栅极节点、耦合到 参考电压的源极节点以及耦合到所述误差放大器的所述放大器输出和所述PMOS 传递装置的所述栅极节点的漏极节点。
16. 根据权利要求15所述的LDO电压调节器，其中所述第二电阻器的第二端和所述 第三电阻器的第一端耦合到所述误差放大器的负输入，且所述第三电阻器的第二端 耦合到接地。
17. 根据权利要求15所述的LDO电压调节器，其中所述MOS切换装置比所述误差放 大器更快速地对与所述PMOS传递装置的所述栅极节点相关联的电容进行放电。
18. 根据权利要求15所述的LDO电压调节器，其中所述MOS切换装置是正沟道金属 氧化物半导体(PMOS)切换装置。
19. 根据权利要求15所述的LDO电压调节器，其中所述MOS切换装置是负沟道金属 氧化物半导体(NMOS)切换装置。
20. 根据权利要求15所述的LDO电压调节器，其进一步包括(d) 启动电路；以及(e) 曲率校正的带隙电路，其耦合到所述启动电路，所述曲率校正的带隙电路将 参考电压输入到所述误差放大器的所述正输入以及所述比较器的所述负输入，且将 参考电流输入到所述误差放大器的参考电流输入。
21. 根据权利要求20所述的LDO电压调节器，其中所述比较器的所述输出基于施加 到所述比较器的所述负和正输入的参考电压而接通和断开所述MOS切换装置。
22. 根据权利要求21所述的LDO电压调节器，其中所述参考电压由所述曲率校正的 带隙电路和所述电阻器桥提供。
23. —种调节输出电压的方法，其包括(a) 接收带隙参考电压、带隙参考电流和从所述输出电压导出的误差校正电压；(b) 基于所述带隙参考电压、所述带隙参考电流和所述误差校正电压而产生第一 控制信号，以将所述输出电压调整成全负载调节的值；(C)产生瞬态响应升压电压；以及(d)选择性地将所述瞬态响应升压电压施加到所述第一控制信号，以加速将所述输出电压调整成所述全负载调节的值的速率。
24. 根据权利要求23所述的方法，其中当所述输出电压中出现下降时，将所述瞬态响应升压电压施加到所述第一控制信号。
25. 根据权利要求23所述的方法，其中步骤(d)进一步包括(dl)将所述参考电压与从所述输出电压导出的阈值电压进行比较；以及(d2)基于步骤(dl)的比较结果而产生第二控制信号。
26. 根据权利要求25所述的方法，其中使用比较器来执行步骤(dl)和(d2)。
27. 根据权利要求25所述的方法，其中所述第二控制信号控制切换装置以执行步骤 (d)。
28. 根据权利要求27所述的方法，其中所述切换装置是正沟道金属氧化物半导体 (PMOS)切换装置。
29. 根据权利要求27所述的方法，其中所述切换装置是负沟道金属氧化物半导体 (NMOS)切换装置。
30. 根据权利要求23所述的方法，其中所述第一控制信号控制传递装置以递送与所述 输出电压相关联的最大输出电流。
31. 根据权利要求30所述的方法，其中将所述瞬态响应升压电压的值设置为在零伏与电压Vg，ax之间，所述电压Vgsmax提供充足的电流穿过所述传递装置，以确保所述输出电压稳定。
32. 根据权利要求30所述的方法，其中由耦合到所述传递装置的电阻器桥产生所述误 差校正电压和所述闳值电压。
33. 根据权利要求30所述的方法，其中所述传递装置是正沟道金属氧化物半导体 (PMOS)传递装置。
34. 根据权利要求30所述的方法，其中所述传递装置是负沟道金属氧化物半导体 (NMOS)传递装置。
35. 根据权利要求23所述的方法，其中使用误差放大器来执行步骤(a)和(b)。
36. 根据权利要求23所述的方法，其中由曲率校正带隙电路产生所述参考电压和所述 参考电流。
全文摘要
本发明揭示一种用于产生输出电压(Vout)的低压差(LDO)电压调节器。所述电压调节器包含启动电路(305)、曲率校正的带隙电路(310)、误差放大器(31S)1、金属氧化物半导体(MOS)传递装置(320)和电压转换速率有效瞬态响应升压电路。所述MOS传递装置(320)具有耦合到所述误差放大器(315)的输出的栅极节点，以及用于产生所述输出电压(Vout)的漏极节点。所述电压转换速率有效瞬态响应升压电路将电压施加到所述MOS传递装置(320)的所述栅极节点，以在所述LDO电压调节器中发生输出电压降时，在允许所述LDO电压调节器达到其最终调节的输出电压(Vout)过程中加速所述误差放大器(315)的响应时间。
文档编号G05F1/10GK101421683SQ200780013722
公开日2009年4月29日 申请日期2007年4月17日 优先权日2006年4月18日
发明者弗雷德里克·德莫利 申请人:爱特梅尔公司