專利名稱：帶有改進電源范圍的低功率快響應穩壓器的器件與方法
技術領域：
本發明一般地涉及集成電路。更具體地說，本發明提供了一種用于具有低待機電流的低功率快響應穩壓器的器件與方法。
背景技術：
本發明一般地涉及集成電路。更具體地說，本發明提供了一種用于具有低待機電流的低功率快響應穩壓器的器件與方法。僅僅作為示例，本發明已經應用于電池供電系統。但是應當認識到本發明具有寬得多的適用范圍。
穩壓器被廣泛使用并被集成到集成電路芯片上。集成電路芯片可能含有尺寸不斷縮小的眾多晶體管。晶體管尺寸的減小通常要求降低晶體管的工作電壓。因而，集成電路芯片的電源電壓隨著晶體管尺寸縮小而降低。集成電路芯片通常用作系統的組件。該系統還含有其它子系統，這些子系統的工作電壓可能高于晶體管的工作電壓。因而系統的電源電壓可能高于集成電路的電源電壓。例如，系統電源等于5伏，而芯片電源等于3.3伏。在另一示例中，系統電源等于3.3伏，而芯片電源等于1.8伏。
為了提供芯片電源，系統電源通常由穩壓器來轉換。例如，穩壓器接收5伏的信號，產生3.3伏的信號。在另一示例中，穩壓器接收3.3伏的信號，產生1.8伏的信號。圖1是傳統穩壓器的簡化示圖。穩壓器100包括參考電壓發生器110、運算放大器120和分壓器130。電壓發生器110產生參考電壓Vref112。Vref112被運算放大器120接收。運算放大器120還接收系統電源Vsystem124并產生輸出電壓Vout122。Vout122被分壓器130分壓，并且運算放大器接收反饋電壓Vfeedback132。Vout122用作芯片電源。例如，系統電源是5伏而期望的芯片電源是3.3伏。如果Vref112等于1.25伏，則分壓器130將反饋電壓Vfeedback132設為等于(1.25/3.3)Vout。在另一示例中，Vref112等于期望的芯片電源。之后Vout122被直接用作Vfeedback132而去除分壓器130。
當系統處于活動模式或待機模式下，穩壓器通常提供芯片電源。因為具有分壓器，穩壓器在待機模式下消耗大量能量。待機模式下的能量消耗限制了電池供電器件的工作時間。并且，某些電池供電器件需要低待機功耗，因而不能使用在待機模式下消耗大量功率的穩壓器。另一方面，如果沒有分壓器，穩壓器通常不能在系統電源的連續范圍內工作。
由上可以看到，需要一種用于穩壓器的改進技術。
發明內容
本發明一般地涉及集成電路。更具體地說，本發明提供了一種用于具有低待機電流的低功率快響應穩壓器的器件與方法。僅僅作為示例，本發明已經應用于電池供電系統。但是應當認識到本發明具有寬得多的適用范圍。
在一個具體實施例中，本發明提供了一種用于調節電壓電平的裝置。該裝置包括第一晶體管和耦合到第一晶體管的第二晶體管。第一晶體管被配置成接收參考電壓，而第二晶體管被配置成接收反饋電壓并產生第一電壓。第一電壓與參考電壓和反饋電壓之間的差相關聯。此外，該裝置包括第三晶體管，第三晶體管耦合到第二晶體管，并且被配置成從第二晶體管接收第一電壓并至少響應于該第一電壓而產生一個輸出電壓。此外，該裝置包括第四晶體管和第一電流產生系統，其中第四晶體管耦合到第三晶體管，并且被配置成從第三晶體管接收輸出電壓并產生反饋電壓，第一電流產生系統通過至少一個節點耦合到第四晶體管。所述節點與反饋電壓相關聯。反饋電壓基本等于輸出電壓和第二電壓之間的差，并且第二電壓與第四晶體管的一個或多個特性有關且基本為常數。
根據另一實施例，一種用于調節電壓電平的裝置包括第一晶體管和耦合到第一晶體管的第二晶體管。第一晶體管被配置成接收參考電壓，而第二晶體管被配置成接收反饋電壓并產生第一電壓。第一電壓與參考電壓和反饋電壓之間的差相關聯。此外，該裝置包括第三晶體管，第三晶體管耦合到第二晶體管，并且被配置成從第二晶體管接收第一電壓并至少響應于該第一電壓而產生一個輸出電壓。此外，該裝置包括第四晶體管和第一電流產生系統，其中第四晶體管耦合到第三晶體管，并且被配置成從第三晶體管接收輸出電壓并產生反饋電壓，第一電流產生系統通過至少一個節點耦合到第四晶體管。所述節點與反饋電壓相關聯。反饋電壓基本等于輸出電壓和第二電壓之間的差，并且第二電壓與第四晶體管的一個或多個特性有關且基本為常數。第一晶體管和第二晶體管每個都耦合到電流反射鏡(current mirror)，并且電流反射鏡耦合到供電電壓。第三晶體管和第四晶體管每個都耦合到供電電壓。輸出電壓等于預定電壓，并且供電電壓等于或大于預定電壓。
根據另一實施例，一種用于調節電壓電平的裝置包括第一晶體管和耦合到第一晶體管的第二晶體管。第一晶體管被配置成接收參考電壓，而第二晶體管被配置成接收反饋電壓并產生第一電壓。第一電壓與參考電壓和反饋電壓之間的差相關聯。此外，該裝置包括第三晶體管，第三晶體管耦合到第二晶體管，并且被配置成從第二晶體管接收第一電壓并至少響應于該第一電壓而產生一個輸出電壓。此外，該裝置包括第四晶體管和第一電流產生系統，其中第四晶體管耦合到第三晶體管，并且被配置成從第三晶體管接收輸出電壓并產生反饋電壓，第一電流產生系統通過至少一個節點耦合到第四晶體管。所述節點與反饋電壓相關聯。反饋電壓基本等于輸出電壓和第二電壓之間的差，并且第二電壓與第四晶體管的一個或多個特性有關且基本為常數。第一晶體管和第二晶體管每個都耦合到一個負載，并且所述負載耦合到供電電壓。
通過本發明，實現了許多優于傳統技術的優點。本發明的一些實施例顯著降低了穩壓器在待機模式下的功耗。本發明的某些實施例顯著改進了穩壓器的頻率響應。本發明的一些實施例擴展了供電電壓的范圍。例如，穩壓器可以以等于或大于期望輸出電壓的供電電壓工作。根據實施例，可以實現一個或多個這些優點。在本說明書的下文中，將詳細描述這些以及其它的優點。
參考下文詳細的描述和附圖，可以更全面地理解本發明的各種其它目的、特征和優點。
圖1是傳統穩壓器的簡化示圖；圖2是簡化的傳統穩壓器；圖3是根據本發明一個實施例的簡化穩壓器。
具體實施例方式
本發明一般地涉及集成電路。更具體地說，本發明提供了一種用于具有低待機電流的穩壓器的器件與方法。僅僅作為示例，本發明已經應用于電池供電系統。但是應當認識到本發明具有寬得多的適用范圍。
圖2是簡化的傳統穩壓器。器件200包括下述組件1.電流反射鏡210；2.晶體管220、222和224；3.補償電容器230；4.負載電容器240；5.電流源250和260；6.分壓器270。
電流反射鏡210、晶體管220和222以及電流源260形成差分放大器的第一級，而晶體管220和222形成差分對。晶體管224、補償電容器230、負載電容器240、電流源250和分壓器270形成該差分放大器的輸出級。分壓器270是可選的。如果未使用分壓器270，則Vout280用作Vfeedback282并跟隨Vref284。Vref284可以由電壓發生器提供。相反，如果使用了分壓器270，則Vdivided284用作Vfeedback282并且等于Vout除以常數K所得的值，其中K大于1。
對于穩壓器200，由于電流反射鏡210的緣故，Vref通常要求小于VDD減去Vsat所得的值。VDD是電流反射鏡210的供電電壓。該要求通常使晶體管222保持在活性區內。因此穩壓器200通常用于VDD大于Vref加上約1000mV所得的值的情況。如果沒有分壓器270，則VDD通常要求大于期望的Voutdesired加上約1000mV所得的值。相反，如果有分壓器270，則VDD通常要求大于(Voutdesired/K+1000mV)。作為示例，VDD大于或等于Voutdesired。因此對于給定的Voutdesired，分壓器270可以擴展VDD的范圍。
另一方面，分壓器270可以提高靜態電流并限制穩壓器200的頻率響應。具體地說，分壓器270在Vdivided處產生一個極點(pole)，這可以降低反饋環路的頻率響應。為了不使速度降低，分壓器270的阻抗不能太大。因此，流過分壓器270的靜態電流通常不能被進一步減小。
總之，如果沒有分壓器270，則穩壓器220輸運較小的靜態電流并提供較快的頻率響應，但是通常僅工作在VDD的較窄范圍內。相反，如果具有分壓器270，則穩壓器200通常可以工作在VDD的較寬范圍內，但是輸運較大的靜態電流并提供較慢的頻率響應。
圖3是根據本發明一個實施例的簡化穩壓器。器件300包括下述組件1.電流反射鏡310；2.晶體管320、322、324和380；3.補償電容器330；4.負載電容器340；5.電流源350、360和370。
上述電子器件提供了用于根據本發明一個實施例的穩壓器的組件。在不脫離這里權利要求的范圍的條件下，可以得到其它的替代物，其中添加某些器件，去除一個或多個器件，或者以不同連接來設置一個或多個器件。例如，去除電流源360，并且晶體管320和322直接耦合到地電平。作為另一示例，添加電壓發生器以向晶體管320提供Vref。在另一實施例中，電流反射鏡310被一個負載替換。在一個實施例中，負載包括電流反射器。
電流反射鏡310將晶體管320和322與電壓源VDD相耦合。例如，電壓源VDD與穩壓器300作為其組件的系統的電源相同。電壓源VDD可以在從1.8V到5V的范圍內。作為示例，電流反射鏡310、晶體管320和322，以及電流源360形成運算放大器的第一級，且晶體管320和322用作差分對。晶體管320和322是NMOS晶體管。
晶體管320和322接收參考電壓Vref396和反饋電壓Vfeedback392。例如，Vref396在1V到3.3V的范圍內。如果Vfeedback392與Vref396不同，則運算放大器的第一級在中間電壓Vintermediate398處產生一個變化。此外，電流源360可以在從100nA到1μA的范圍內。
Vintermediate398由晶體管324接收。作為示例，晶體管324和380、補償電容器330、負載電容器340、以及電流源350和370形成了差分放大器的輸出級的多個部分。晶體管324和380耦合到電壓源。例如，電壓源與VDD相同。在另一示例中，晶體管324是NMOS晶體管，而晶體管380是PMOS晶體管。晶體管324為穩壓器300產生輸出電壓Vout390。
Vout390由晶體管380接收。在一個實施例中，晶體管380和電流源370形成源跟隨器，其輸出一個跟隨器電壓Vfollower394。Vfollower394等于(Vout-VT-Vdsat)，并且用作Vfeedback392以和Vref396相比較。VT和Vdsat分別是晶體管380的閾值電壓和飽和電壓。例如，VT在從0.3V到0.8V的范圍內，Vdsat在從50mV到500mV的范圍內。作為另一個示例，電流源370在從100nA到20μA的范圍內。
在一個實施例中，對于穩壓器300，為了使晶體管322處于活性區中，Vref應當小于VDD減去電流反射鏡310的飽和電壓Vsatmirror所得的值。換句話說，VDD＞Vref+Vsatmirror(式1)其中Vref等于期望的Vfeedback，其與期望的Vfollower相同。例如，Vfollower等于期望的輸出電壓Voutdesired減去(VT+Vsat)所得的值。因此，VDD＞Voutdesired-(VT+Vdsat-Vsatmirror) (式2)
在一個實施例中，VT+Vdsat-Vsatmirror大于或等于零。穩壓器300可以以工作于大于或等于Voutdesired的VDD。
如圖3所示，傳統的分壓器已被源跟隨器替換，這可以顯著地降低靜態電流。對于傳統的分壓器，分壓器電阻通常被設得較低，以增高分壓器的小信號極點。小的分壓器電阻會引起大的DC電流。相反，對于源跟隨器，通過使晶體管380變大，可以增高小信號極點。因為晶體管380的源節點處的小阻抗，所以電流源370保持很小。增高小信號極點顯著改進了反饋環路的頻率響應。
本發明具有多種優點。本發明的一些實施例顯著降低了穩壓器在待機模式下的功耗。本發明的某些實施例顯著改進了穩壓器的頻率響應。本發明的一些實施例擴展了供電電壓的范圍。例如，穩壓器可以在等于或大于期望輸出電壓的供電電壓下工作。
還應當理解，這里所描述的示例和實施例只是為了說明的目的，本領域的普通技術人員可以根據上述實施例對本發明作出各種修改和變化。這些修改和變化都在本申請的精神和范圍內，并且也在權利要求的范圍內。
權利要求
1.一種用于調節電壓電平的裝置，所述裝置包括一個第一晶體管和一個耦合到所述第一晶體管的第二晶體管，所述第一晶體管被配置成接收一個參考電壓，所述第二晶體管被配置成接收一個反饋電壓并產生一個第一電壓，所述第一電壓與所述參考電壓和所述反饋電壓之間的差相關聯；一個第三晶體管，耦合到所述第二晶體管，并且被配置成從所述第二晶體管接收所述第一電壓并至少響應于所述第一電壓而產生一個輸出電壓；一個第四晶體管，耦合到所述第三晶體管，并且被配置成從所述第三晶體管接收所述輸出電壓并產生所述反饋電壓；一個第一電流產生系統，通過至少一個節點耦合到所述第四晶體管，所述節點與所述反饋電壓相關聯；其中，所述反饋電壓基本等于所述輸出電壓和一個第二電壓之間的差，所述第二電壓與所述第四晶體管的一個或多個特性有關且基本為常數。
2.如權利要求1所述的裝置，其中，所述第二電壓基本等于一個閾值電壓與一個飽和電壓的和，所述閾值電壓與所述飽和電壓的每個都與所述第四晶體管相關聯。
3.如權利要求2所述的裝置，其中，所述閾值電壓在從0.3V到0.8V的范圍內。
4.如權利要求3所述的裝置，其中，所述飽和電壓在從50mV到500mV的范圍內。
5.如權利要求1所述的裝置，其中，所述第一電流產生系統輸出一個電流，所述電流基本為常數并且在從100nA到20μA的范圍內。
6.如權利要求1所述的裝置，其中，所述第一晶體管和所述第二晶體管的每個都耦合到一個電流反射鏡，所述電流反射鏡耦合到一個供電電壓。
7.如權利要求6所述的裝置，其中，所述第三晶體管和所述第四晶體管每個都耦合到所述供電電壓。
8.如權利要求6所述的裝置，其中，所述參考電壓基本等于一個預定電壓和所述第二電壓之間的差。
9.如權利要求8所述的裝置，其中，所述輸出電壓等于所述預定電壓，并且所述供電電壓等于或大于所述預定電壓。
10.如權利要求9所述的裝置，其中，所述供電電壓等于所述預定電壓。
11.如權利要求1所述的裝置，還包括一個補償電容器，耦合到所述第三晶體管的柵極和所述第三晶體管的源極或漏極上。
12.如權利要求11所述的裝置，還包括一個負載電容器，至少耦合到所述第三晶體管的所述源極或所述漏極。
13.如權利要求12所述的裝置，還包括一個第二電流產生系統，至少耦合到所述第三晶體管的所述源極或所述漏極。
14.如權利要求13所述的裝置，還包括一個第三電流產生系統，至少耦合到所述第一晶體管和所述第二晶體管。
15.一種用于調節電壓電平的裝置，所述裝置包括一個第一晶體管和一個耦合到所述第一晶體管的第二晶體管，所述第一晶體管被配置成接收一個參考電壓，所述第二晶體管被配置成接收一個反饋電壓并產生一個第一電壓，所述第一電壓與所述參考電壓和所述反饋電壓之間的差相關聯；一個第三晶體管，耦合到所述第二晶體管，并且被配置成從所述第二晶體管接收所述第一電壓并至少響應于所述第一電壓而產生一個輸出電壓；一個第四晶體管，耦合到所述第三晶體管，并且被配置成從所述第三晶體管接收所述輸出電壓并產生所述反饋電壓；一個第一電流產生系統，通過至少一個節點耦合到所述第四晶體管，所述節點與所述反饋電壓相關聯；其中所述反饋電壓基本等于所述輸出電壓和一個第二電壓之間的差，所述第二電壓與所述第四晶體管的一個或多個特性有關且基本為常數；所述第一晶體管和所述第二晶體管的每個都耦合到一個電流反射鏡，所述電流反射鏡耦合到一個供電電壓；所述第三晶體管和所述第四晶體管的每個都耦合到所述供電電壓；所述輸出電壓等于所述預定電壓，并且所述供電電壓等于或大于所述預定電壓。
16.如權利要求15所述的裝置，其中，所述供電電壓等于所述預定電壓。
17.如權利要求15所述的裝置，其中，所述第二電壓基本等于一個閾值電壓與一個飽和電壓的和，所述閾值電壓與所述飽和電壓的每個都與所述第四晶體管相關聯。
18.一種用于調節電壓電平的裝置，所述裝置包括一個第一晶體管和一個耦合到所述第一晶體管的第二晶體管，所述第一晶體管被配置成接收一個參考電壓，所述第二晶體管被配置成接收一個反饋電壓并產生一個第一電壓，所述第一電壓與所述參考電壓和所述反饋電壓之間的差相關聯；一個第三晶體管，耦合到所述第二晶體管，并且被配置成從所述第二晶體管接收所述第一電壓并至少響應于所述第一電壓而產生一個輸出電壓；一個第四晶體管，耦合到所述第三晶體管，并且被配置成從所述第三晶體管接收所述輸出電壓并產生所述反饋電壓；一個第一電流產生系統，通過至少一個節點耦合到所述第四晶體管，所述節點與所述反饋電壓相關聯；其中所述反饋電壓基本等于所述輸出電壓和一個第二電壓之間的差，所述第二電壓與所述第四晶體管的一個或多個特性有關且基本為常數；所述第一晶體管和所述第二晶體管的每個都耦合到一個負載，所述負載耦合到一個供電電壓。
19.如權利要求18所述的裝置，其中，所述第二電壓在從0.35V到1.3V的范圍內。
20.如權利要求19所述的裝置，其中，所述第一電流產生系統輸出一個電流，所述電流基本為常數并且在從1μA到20μA的范圍內。
全文摘要
本發明提供了一種用于調節電壓電平的裝置和方法。該裝置包括第一晶體管和耦合到第一晶體管的第二晶體管。第一晶體管被配置成接收參考電壓，而第二晶體管被配置成接收反饋電壓并產生第一電壓。第一電壓與參考電壓和反饋電壓之間的差相關聯。此外，該裝置包括第三晶體管，第三晶體管耦合到第二晶體管，并且被配置成從第二晶體管接收第一電壓并至少響應于該第一電壓而產生一個輸出電壓。此外，該裝置包括第四晶體管和第一電流產生系統，其中第四晶體管耦合到第三晶體管，并且被配置成從第三晶體管接收輸出電壓并產生反饋電壓，第一電流產生系統通過至少一個節點耦合到第四晶體管。
文檔編號H02M3/10GK1797261SQ20041009939
公開日2006年7月5日 申請日期2004年12月28日 優先權日2004年12月28日
發明者羅文哲, 歐陽雄 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司