专利名称：低压差线性稳压器的制作方法
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低压差或者LDO线性电压稳压器是被设计来提供稳定的直流(DC)输出电压的电子电路，而不管输入电压的变化和负载阻抗。即使对于相对小的输入电压和输出电压之间的差异，LDO稳压器也能够保持输出调节。例如，在调节电池电压时，对于输入电压的范围从高电池电压下至略大于输出电压的电压电平，LDO稳压器能够保持稳定的输出电压。典型的LDO稳压器可以使用场效应晶体管(FET)作为电流传输元件，FET表现为电阻器，并使其端子之间的电压下降，以保持期望的输出电压。当负载电流或者输入电压变化时，FET的栅极-源极电压由控制电路调整以保持输出稳定。只要FET具有最小电阻值，FET就工作在线性区，但是，如果控制电路使FET工作在低于该最小电阻值，则FET进入饱和区，LDO发生电压下降。一般地，对于LDO稳压器而言，下降电压应该尽可能地小。
LDO稳压器的另一重要特性是其电源抑制，即阻止来自电源的噪声的能力。常规的LDO的电源抑制取决于稳压器的环增益。因为环稳定性限制了可用的环增益，所以由于受限的环增益而造成难以在高频实现高电源抑制。一种提高电源抑制的技术是包括由电阻-电容网络组成的RC滤波器来过滤稳压器输入端的电源噪声。然而，使用RC滤波器来增加电源抑制也导致了高下降电压。另一提高电源抑制的技术是使用级联的NMOS和PMOS传输元件，其中NMOS传输元件的栅电压被电荷泵拉高到高于电源电压。但是，这种技术增加了电路的复杂性，并导致高功耗。另一提高LDO稳压器中的电源抑制的技术是使用前馈路径来消除输入端的来自电源的纹波。一般地，在LDO稳压器中，直流参考电压被用来设定输出电压。在带有前馈的LDO稳压器中，联合使用前馈路径和直流参考电压来消除输入纹波。如图I中所示，传输元件10由主误差放大器路径12和前馈路径14的组合所控制。主误差放大器路径12将输出16处的电压同直流参考电压20进行比较，以产生反馈信号22。前馈路径14使用另外的放大器(例如26)和电阻器(例如，30和32)以及电容器(例如34)来产生前馈信号24。前馈信号24包含来自电源36的纹波噪声的表示，该纹波噪声同反馈信号22在放大器40中组合在一起，以实现高电源抑制。但是，由于前馈路径14中RC值变化较大，使用放大器(例如，26)和电阻器(例如，30和32)以及电容器(例如34)所产生的前馈信号24易于受工艺-电压-温度(PVT)变化的影响。另外，当主放大器40的增益被修改时，前馈路径14应当相应地被调整，这样增加了 LDO稳压器42的复杂性。
发明内容
本发明的各个实施例提供了调节输出电压的装置和方法。例如，讨论了一种包括低压差稳压器的装置，该低压差稳压器具有传输晶体管和放大器并可操作来基于反馈信号和前馈信号调节输出电压。该装置还包括具有辅助传输晶体管和辅助放大器的辅助低压差稳压器。辅助低压差稳压器可操作来使用放大器产生前馈信号，该放大器与主低压差稳压器中的放大器基本上匹配，但是在一些情形中，它们的尺寸是不同的，以减少辅助低压差稳压器中的功率使用。在各个实例中，该装置包括连接到放大器和辅助放大器的直流参考电压输入。该低压差稳压器可操作来将输出电压调节为由直流参考电压输入所确立的电平。在一些情形中，前馈信号被具有单位增益的反相器反相。在其它的示例中，该装置包括连接到反馈信号和前馈信号的加法器，该加法器输出连接到放大器。在又其它示例中，放大器为可操作来将反馈信号和前馈信号组合的多输入放大器。在一些实例中，低压差稳压器中的多输入放大器具有连接到直流参考电压的两个反相输入和连接到反馈信号和前馈信号的两个非反相输入。在一些实例中，多输入辅助放大器具有连接到直流参考电压的两个反相输入和一个非反相输入以及连接到 前馈信号的一个非反相输入。在之前提到的实施例的一些实例中，多输入放大器和辅助多输入放大器为差分单级放大器，该单级放大器具有运算放大器有源负载和多个源极跟随器输入，其可操作来将多个非反相输入和多个反相输入组合。在其他的实例中，多输入放大器和辅助多输入放大器为具有运算放大器有源负载和多个并联差分输入级的差分单级放大器。之前提到的各个实施例包括在低压差稳压器和辅助低压差稳压器的输出处的分压器，以产生反馈信号和前馈信号。在一些实例中，分压器具有相同的分压比。在之前提到的实施例的一些实例中，输出电容器和输出电流源连接到低压差稳压器和辅助低压差稳压器的输出，辅助低压差稳压器中的输出电流源产生比低压差稳压器中的输出电流源低的电流水平。本发明的其它实施例提供了调节输出电压的方法。该方法包括使用低压差稳压器控制电源和电压输出之间的传输元件上的电压降；使用辅助低压差稳压器产生前馈信号；以及将低压差稳压器中的反馈信号与前馈信号进行组合。辅助低压差稳压器中的第一放大器与低压差稳压器中的第二放大器匹配。在一些实例中，将低压差稳压器中的反馈信号与前馈信号进行组合可操作来消除电压输出中的来自电源的电源噪声。该方法的一些实施例包括对前馈信号进行反相。在一些实例中，流过低压差稳压器的电流大于流过辅助低压差稳压器的第二电流。该发明内容仅提供了一些特定实施例的概要。从下面的详细说明、所附的权利要求和附图中，许多其它目标、特征、优势以及其它实施例将变得更加充分地显而易见。
参照在本说明书的余下部分描述的附图，能够进一步理解各种实施例。在这些附图中，相同的参考数字在若干附图中指示相同的部件。图I描绘了现有技术中的具有前馈路径的LDO稳压器，前馈路径包括放大器和RC网络。图2描绘了根据一些实施例的使用辅助稳压器的具有前馈路径的LDO稳压器，辅助稳压器使用与主稳压器相同的放大器，并且在前馈路径中具有反相器。图3描绘了根据一些实施例的具有源极跟随器缓冲器的单级放大器，该单级放大器可以用作LDO稳压器的辅助稳压器和主稳压器中的放大器。图4描绘了根据一些实施例的具有前馈路径的LDO稳压器，其将反馈信号和前馈信号组合而不用反相器。图5描绘了根据一些实施例的具有多输入辅助稳压器和主稳压器的另一 LDO稳压器，其将反馈信号和前馈信号组合而不用反相器。图6描绘了根据一些实施例的具有源极跟随器缓冲器的多输入放大器，其可以用作LDO稳压器的辅助稳压器和主稳压器中的放大器。图7描绘了根据一些实施例的具有并联输入级的多输入放大器，其可以用作LDO稳压器的辅助稳压器和主稳压器中的放大器。图8为根据一些实施例的抑制LDO稳压器中的电源噪声的方法的流程图。
具体实施方式
本发明的各种实施例提供了调节输出电压的装置和方法，包括具有用于高电源抑制的前馈路径的低压差(LDO)线性稳压器。LDO稳压器使用另外的辅助LDO稳压器来产生前馈信号，辅助LDO稳压器具有与主LDO稳压器中使用的相同的放大器。辅助LDO稳压器中的传输晶体管可以小于主LDO稳压器中的传输晶体管，以将功率使用最小化，同时通过在主稳压器和辅助稳压器中使用匹配的放大器来提供高电源抑制。另外，通过在主稳压器和辅助稳压器中使用相同的放大器，简化了放大器增益的调节。现在参见附图2，具有高电源抑制的LDO线性稳压器100的示例包括主LDO稳压器102，以调节输出104处的电压，同时抑制来自电源106的噪声。辅助LDO稳压器110产生前馈信号112，前馈信号在同主LDO稳压器102的反馈信号114组合之前被例如反相器116反相。由于该电路工作在模拟模式，所以反相器116改变AC信号的极性而不改变直流电压。因而，电源噪声在辅助LDO稳压器110中以与在主LDO稳压器102中相同的方式被放大，并在主LDO稳压器102中以反相的形式被组合，从而消除输出104中的来自电源106的噪声。通过在主LDO稳压器102和辅助LDO稳压器110中使用相同的放大器120和122以及关联的部件，辅助LDO稳压器110中的噪声的放大与主LDO稳压器102中的噪声的放大匹配。尽管主LDO稳压器102和辅助LDO稳压器110被匹配，但是它们并不限于本文给出的示例，并且可以选择当前已知的或者将来被开发出的任何LDO稳压器结构。为了说明的目的，在图2的示例实施例中，主LDO稳压器102使用P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(P沟道M0SFET)或者PMOS晶体管124作为传输元件，其源极126连接到电源106，漏极130连接到输出104，栅极132连接到放大器120的输出。反馈信号114是由分压器产生的输出104的分压形式，分压器由串联连接在输出104和地140之间的电阻器134和电阻器136组成，反馈信号114取自于电阻器134和136之间的节点142。反馈信号114连接到非反相输入144,反相的前馈信号112连接到放大器120的反相输入146。输出电容器150和输出电流源152以及任何负载(未示出)并联连接在输出104和地140之间。当孤立地考虑时，主LDO稳压器102的行为由下面的公式I和2描述
(Rf' +Rfi)丨丨^~ 1(1 ^ )Voul(S)= -^r-⑷公式 I
Vs^out J
其中
其中Rfi :反馈电阻器134的电阻值Rf2 :反馈电阻器136的电阻值Cwt :输出电容器150gm 晶体管124的跨导
Rout 晶体管124的电阻值A(S):放大器120的传递函数Vdd(S):电源 106 的电压当反馈信号114的电压上升到高于反相的前馈信号112的电压时，放大器120的输出上升，并且晶体管124上的压降增加，导致输出104处的电压下降。当反馈信号114的电压下降到低于反相的前馈信号112的电压时，放大器120的输出下降，晶体管124上的压降降低，从而使输出104处的电压升高。同样，可以选择任何类型的LDO稳压器和匹配的辅助LDO稳压器110，以提供高电源抑制。例如，在各种类型的LDO稳压器中，传输元件可以包括共源PMOS晶体管、级联NMOS和PM0S、NM0S跟随器、NPN达林顿管、NPN跟随器、共发射极横向PNP等。虽然辅助LDO稳压器110基本上同主LDO稳压器102匹配,但是输出电流可以被限制以降低功率使用。因此，辅助LDO稳压器110包括PM0S154作为电源106和辅助输出160之间的传输元件，其源极156连接到电源106，漏极158连接到辅助输出160，栅极162连接到放大器122的输出。前馈信号112还被用作辅助LDO稳压器110中的反馈信号，并且为辅助输出160的分压形式。前馈信号112由分压器从辅助输出160中产生，该分压器由串联连接在辅助输出160和地140之间的电阻器166和电阻器170组成，其中前馈信号112取自于电阻器166和170之间的节点172。前馈信号112连接到非反相输入174。参考电压VMf180连接到放大器122的反相输入182并被用来设定辅助输出160处的直流电压电平(并且因此设定主LDO稳压器102的输出104处的直流电压电平)。辅助输出电容器184和辅助输出电流源186连接在辅助输出160和地140之间。虽然辅助输出160将基本上跟随输出104的期望电压，但是其不具有输出104的由反相的前馈信号112提供的高电源抑制。现在参照图3，示出了具有源极跟随器缓冲器192的单级放大器190，其可以适于用作具有高电源抑制的LDO稳压器的一些实施例的放大器120和放大器122。然而，放大器120和放大器122并不限于图3中所示的示例放大器结构。非反相输入194控制第一输入NMOS晶体管196。反相输入200控制与第一晶体管196并联的第二 NMOS晶体管202。电流源204连接在晶体管196的源极206和晶体管202的源极210以及地212之间，并提供恒定的尾电流，该尾电流在晶体管196和202之间划分。电流镜214连接到晶体管196的漏极216和晶体管202的漏极220，并为放大器190提供有源负载。电流镜214包括二极管形式连接的PMOS晶体管222，其漏极224和栅极226连接到晶体管196的漏极216，其源极230连接到电源232。电流镜214还包括从动PMOS晶体管234，其漏极236连接到晶体管202的漏极220，源极240连接到电源232，栅极242连接到晶体管222的漏极224和栅极 226。在工作期间，电流镜214迫使流过晶体管222和234的电流相等。当非反相输入194处的电压超过反相输入200处的电压时，与晶体管202相比，来自电流源204的更多电流被转移通过晶体管196，并且电流镜214迫使放大器190的输出244吸收(sink)额外电流，从而增加了输出244处的电压。相反地，当反相输入200处的电压超过非反相输入194处的电压时，流过晶体管202的电流增加，流过晶体管196的电流降低。电流镜214驱动流过晶体管234的电流类似降低，从而迫使输出244给出(source)额外的电流,从而降低输出244处的电压。源极跟随器缓冲器192包括NMOS晶体管250，其漏极252连接到电源232，源极254连接到输出256。晶体管250的栅极260连接到单级放大器190的输出244。电流源262连接在输出256和地212之间。放大器器190和源极跟随器缓冲器192将差分输入转换为单端输出256,其电压与非反相输入194和反相输入200之间的差成比例。尽管在辅助LDO稳压器110中使用与主LDO稳压器102的放大器120相同的放大 器122，但是流过PM0S154的电流可以被最小化以降低功率使用。这可以通过如下方式来实现，例如，选择面积比主LDO稳压器102中的晶体管124的面积小的PM0S154，将辅助输出电流源186调节到其电流水平低于主LDO稳压器102中的输出电流源152的电流水平。因此，辅助输出160可以被设定在期望的电压电平，同时使用更低的电流，因为辅助输出160不驱动外部负载。在图2的实施例中，辅助LDO稳压器110中的分压器电阻器166和170适于按与主LDO稳压器102中的分压器电阻器134和136对输出104进行分压的比率相同的比率对辅助输出160进行分压。假定反相器116具有单位增益，那么这使反相的前馈信号112中的反相纹波在输出104处消除了来自电源106的纹波。在其它的实施例中，前馈信号112可以以不同的比率被划分，相应地调整反相器116的增益，并且根据需要调整参考电压VrefISO以及向前馈信号112施加直流偏置。一般地，参考电压Vref为LDO稳压器的直流参考值。然而，如下面的公式3、4和5
所示，当使用前馈信号而不是Vref时，在公式I的末尾增加了额外的项，得到了下面的公式
3，当VMf(s)被设定为-1/A(s) xVdd(s)时，消除了电源噪声。公式3、4和5描述了主LDO稳
压器102的行为,其中Vref(S)为放大器120的反相输入146处的信号。
权利要求
1.一种调节输出电压的装置，所述装置包括 低压差稳压器，其包括传输元件和放大器，其中所述低压差稳压器可被操作来基于反馈信号和前馈信号调节所述输出电压；和 辅助低压差稳压器，其包括辅助传输元件和辅助放大器，其中所述辅助低压差稳压器可被操作来产生所述前馈信号，并且其中所述辅助放大器基本上与所述放大器匹配。
2.如权利要求I所述的装置，还包括连接到所述前馈信号的反相器。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述反相器包括用于交替电流的单位增益。
4.如权利要求I所述的装置，还包括连接到所述放大器和所述辅助放大器的直流参考电压输入，其中所述低压差稳压器还可被操作来将所述输出电压调节为由所述直流参考电压输入所确定的电平。
5.如权利要求4所述的装置，还包括连接到所述反馈信号和所述前馈信号的加法器，其中所述加法器的输出连接到所述放大器。
6.如权利要求I所述的装置，其中所述放大器包括多输入放大器，其中该多输入放大器可被操作来将所述反馈信号和所述前馈信号进行组合。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述反馈信号连接到所述多输入放大器的第一非反相输入，其中所述前馈信号连接到所述多输入放大器的第二非反相输入，并且其中直流参考电压输入连接到所述多输入放大器的反相输入。
8.如权利要求7所述的装置，其中所述直流参考电压输入还连接到所述多输入放大器的第二反相输入。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述辅助放大器包括辅助多输入放大器，其中所述直流参考电压输入连接到所述辅助多输入放大器的反相输入并且连接到所述辅助多输入放大器的非反相输入，其中所述前馈信号连接到所述辅助多输入放大器的第二非反相输入。
10.如权利要求9所述的装置，其中所述直流参考电压还连接到所述辅助多输入放大器的第二反相输入。
11.如权利要求9所述的装置，其中所述多输入放大器和所述辅助多输入放大器包括差分单级放大器，所述差分单级放大器具有运算放大器有源负载和多个源极跟随器输入，其可操作来组合多个非反相输入和多个反相输入。
12.如权利要求9所述的装置，其中所述多输入放大器和所述辅助多输入放大器包括差分单级放大器，所述差分单级放大器具有运算放大器有源负载和多个并联的差分输入级。
13.如权利要求I所述的装置，其中所述辅助放大器小于所述放大器。
14.如权利要求I所述的装置，还包括 连接到所述低压差稳压器的输出的分压器；和 连接到所述辅助低压差稳压器的辅助输出的辅助分压器，其中所述分压器和所述辅助分压器具有相同的分压比，其中所述分压器产生所述反馈信号，并且所述辅助分压器产生所述前馈信号。
15.如权利要求I所述的装置，还包括连接到所述低压差稳压器的输出的输出电容器和输出电流源，和连接到所述辅助低压差稳压器的辅助输出的辅助输出电容器和辅助输出电流源，其中所述辅助输出电流源产生比所述输出电流源低的电流水平。
16.—种调节输出电压的方法,所述方法包括 使用低压差稳压器控制电源和电压输出之间的传输元件上的压降； 使用辅助低压差稳压器产生前馈信号，其中所述辅助低压差稳压器中的第一放大器与所述低压差稳压器中的第二放大器匹配；和 将所述低压差稳压器中的反馈信号与所述前馈信号进行组合。
17.如权利要求16所述的方法，其中将所述低压差稳压器中的反馈信号与所述前馈信号进行组合可被操作来消除电压输出中的来自电源的电源噪声。
18.如权利要求16所述的方法，还包括对所述前馈信号进行反相。
19.如权利要求16所述的方法，其中流过所述低压差稳压器的电流大于流过所述辅助低压差稳压器的第二电流。
20.一种调节输出电压的装置，所述装置包括 电源； 参考电压输入； 连接到所述电源的低压差稳压器；和 连接到所述电源的辅助低压差稳压器； 其中所述低压差稳压器包括 连接在所述电源和输出之间的传输元件； 连接到所述传输元件的放大器，所述放大器包括各自连接到所述参考电压输入的第一反相输入和第二反相输入； 连接到所述输出的分压器； 连接到所述放大器上的第一非反相输入的、来自所述分压器的反馈信号； 其中所述辅助低压差稳压器包括 连接在所述电源和辅助输出之间的辅助传输元件； 连接到所述辅助传输元件的辅助放大器，所述辅助放大器包括各自连接到所述参考电压输入的第一反相输入、第二反相输入和第一非反相输入； 连接到所述辅助输出的辅助分压器； 来自所述辅助分压器的前馈信号，其中所述前馈信号连接到所述辅助放大器上的第二非反相输入，并且其中所述前馈信号连接到所述放大器上的第二非反相输入；和 其中所述放大器和所述辅助放大器是匹配的，并且其中所述低压差稳压器和所述辅助低压差稳压器可操作来消除所述输出中的来自所述电源的电源噪声。
全文摘要
本发明的各个实施例提供了调节输出电压的装置和方法。例如，讨论了一种包括低压差稳压器的装置，该低压差稳压器具有传输晶体管和放大器并可操作来基于反馈信号和前馈信号调节输出电压。该装置还包括具有辅助传输晶体管和辅助放大器的辅助低压差稳压器。该辅助压降稳压器可操作来产生前馈信号并且基本上与该放大器匹配。
文档编号G05F1/46GK102915060SQ20121035197
公开日2013年2月6日 申请日期2012年8月3日 优先权日2011年8月3日
发明者S·奥科 申请人:德克萨斯仪器股份有限公司