專利名稱：穩(wěn)壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種穩(wěn)壓器，尤其涉及一種低壓降(Low Drop-out)穩(wěn)壓器。
背景技術(shù)：
幾乎所有的電子電路都需要一個維持在特定容差范圍內(nèi)的穩(wěn)定的電壓源，向特定部 件供電以確保其正常運行。該穩(wěn)定電壓由穩(wěn)壓器提供。
常見的穩(wěn)壓器主要包括差分放大級，驅(qū)動級(例如以P—FET、 PNP作為驅(qū)動管) 和用于將輸出電壓以一定比例反饋給差分放大級的反饋電路。在現(xiàn)有穩(wěn)壓器技術(shù)中，為 了保持輸出電壓的穩(wěn)定性，通常在差分放大級和驅(qū)動級之間加入跟隨級，使得差分放大 級引入的極點向高頻方向移動從而改善相位裕度。但是加入跟隨級后會引入新的極點， 其對相位裕度改善產(chǎn)生負面影響。于是，可在上述結(jié)構(gòu)中加入密勒RC補償裝置進行相 位裕度改善，但是這樣做，往往由于電容的影響而導致穩(wěn)壓器具有瞬態(tài)響應較差的缺點。
因此，希望尋求一種相位裕度改善效果好，同時具有較為出色的瞬態(tài)響應的穩(wěn)壓器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一方面提供一種穩(wěn)壓器，其用于將輸入電壓調(diào)整為穩(wěn)定的輸出電壓，包括 跟隨級；和接受來自所述跟隨級輸出并對負載輸出穩(wěn)定電壓的驅(qū)動級；在所述跟隨級和 所述驅(qū)動級之間連接有隨所述負載的負載電流增大而增大相位裕度的相位裕度動態(tài)補 償裝置。
本發(fā)明的另一方面提供一種雙模式工作設備，其包括低功耗穩(wěn)壓器和高功耗穩(wěn)壓器， 所述雙模式工作設備可在低功耗穩(wěn)壓器工作的低功耗模式和高功耗穩(wěn)壓器工作的高功 耗模式之間切換，其特征在于，所述低功耗穩(wěn)壓器上述本發(fā)明一方面提供的穩(wěn)壓器。
本發(fā)明在使用增加跟隨級進行相位補償?shù)姆椒ǖ幕A(chǔ)上，加入一相位裕度動態(tài)補償 裝置作為跟隨級的負載，該相位裕度動態(tài)補償裝置隨著負載的負載電流增大而改善相位 裕度。從而可在獲得出色的相位改善效果的同時，消除使用密勒RC補償方法中的密勒 電容所帶來的降低瞬態(tài)響應的負面效果。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中采用跟隨級進行相位補償?shù)姆€(wěn)壓器的框圖；圖2是實施本發(fā)明的穩(wěn)壓器的框圖3是顯示如圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)穩(wěn)壓器的系統(tǒng)整體的增益-頻率曲線的示意圖； 圖4是實現(xiàn)本發(fā)明穩(wěn)壓器的一實施例的具體電路圖； 圖5是表示穩(wěn)壓器系統(tǒng)整體的增益-頻率曲線的示意圖； 圖6是表示跟隨級的相位-頻率曲線的示意圖7是表示在負載電流為5mA的條件下，未加入相位裕度動態(tài)補償裝置的穩(wěn)壓器
和加入相位裕度動態(tài)補償裝置的穩(wěn)壓器的系統(tǒng)整體的增益-相位-頻率曲線的示意圖8是對比使用密勒RC相位補償方法和使用本發(fā)明的相位補償方法的系統(tǒng)對負載
電流瞬態(tài)響應的示意圖9是本發(fā)明穩(wěn)壓器的一個應用實例。
具體實施例方式
通常，利用增加跟隨級的方法進行相位補償?shù)姆€(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括
相互級聯(lián)的差分放大級10、跟隨級20、驅(qū)動級30，以及從驅(qū)動級30的輸出反饋到差 分放大級輸入端的反饋電路40。穩(wěn)壓器通過調(diào)節(jié)輸入電壓，最后由驅(qū)動級30輸出穩(wěn)定 的輸出電壓。跟隨級與差分放大級10級聯(lián)，其用于對整個穩(wěn)壓器的系統(tǒng)相位裕度進行 改善。其中，如果驅(qū)動級30的輸出電壓可以略過反饋電路40直接反饋給差分放大級 10。
本發(fā)明的改進在于，在跟隨級20之后加入相位裕度動態(tài)補償裝置50作為跟隨級 20的負載，如圖2所示。該相位裕度動態(tài)補償裝置50—實施例的具體結(jié)構(gòu)和具體如何 對系統(tǒng)的相位裕度改善將在下面結(jié)合圖4和圖5進行詳細說明。
圖3顯示如圖1所示現(xiàn)有技術(shù)穩(wěn)壓器的系統(tǒng)整體的增益-頻率曲線。其中曲線R,S,T 分別表示負載電流為10yA， 1mA， 5mA時系統(tǒng)的各個增益-頻率曲線.極點Pole1為 驅(qū)動級30引入的極點，從上述曲線可見，隨著負載電流增大，Pole1逐漸向頻率增大 的方向移動至Pole1'和Pole1"。 Pole2為差分放大級10引入的極點，Pole3為跟隨級 20引入的極點，從上述曲線可見，Pole2的頻率fp。^和Pole3的頻率fp^3都不會隨著 負載電流的變化而變化。由于Pole3的頻率靠近單位增益頻率處，因此穩(wěn)壓器系統(tǒng)相位 裕度受到跟隨級20引入的Pole3的頻率影響。綜合上述分析，在現(xiàn)有技術(shù)穩(wěn)壓器系統(tǒng) 中，隨著負載電流增大，驅(qū)動級極點向頻率增大方向移動，差分放大級極點頻率和跟隨 級極點頻率并不受負載電流增大的影響即保持大小不變，而單位增益頻率向頻率增大方 向移動，這樣導致系統(tǒng)相位裕度減小，進而導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。本發(fā)明的改進思路在于在跟隨級20與驅(qū)動級30之間接有相位裕度動態(tài)補償裝置 50，該相位裕度動態(tài)補償裝置50能使得跟隨級極點Pole3的極點頻率fPcle3隨著驅(qū)動級 30的負載電流的增大而向高頻方向移動(增大)，也就是說使跟隨級極點Pole3的頻率 fpde3與單位增益頻率UGF的變化趨勢一致，g卩，單位增益頻率UGF發(fā)生后移時跟隨 級極點頻率也隨之后移，這樣抑制了在不加相位裕度動態(tài)補償裝置50的情況下系統(tǒng)相 位裕度隨著負載電流增大而減小的趨勢，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
其中跟隨級極點P0le3的極點頻率fp。ie3隨負載電流的增大而增大是基于跟隨級極
點頻率計算公式fP。le3=~^~ (Ro表示跟隨級與驅(qū)動級間的等效并聯(lián)電阻，Co表示
2 rf oCo
跟隨級與驅(qū)動級間的并聯(lián)電容)得到的，只要使該公式中的參數(shù)Ro， Co至少之一能隨
負載電流的增大而減小，就可使fp。te3隨負載電流的增大而增大。在下面的一實施例中，
本發(fā)明從實現(xiàn)的方便性考慮，采用了使Ro隨著負載電流增大而減小的方式。
圖4是實現(xiàn)本發(fā)明穩(wěn)壓器的作為一實施例的低壓降穩(wěn)壓器的具體電路圖，下面對其 進行具體描述。圖1中的差分放大級10通過兩個PMOS場效應管P1和P2以及三個 NMOS場效應管N1、 N2、 N3實現(xiàn)；跟隨級20可由作為恒流源的PMOS場效應管P3 和作為跟隨管的PMOS場效應管P4所組成的源跟隨級來實現(xiàn)；驅(qū)動級30由一 PMOS 場效應管P6實現(xiàn)，這樣的穩(wěn)壓管也稱為低壓降穩(wěn)壓管；圖2中的相位裕度動態(tài)補償裝 置50由PMOS場效應管P5實現(xiàn)，在本實施例中，其作為跟隨級20的負載，即，PMOS 場效應管P5的源極連接驅(qū)動管P6的源極(也就是圖4中的正向電壓VDD)，起到二 極管正向端的作用，PMOS場效應管P5的的柵極和漏極連接在驅(qū)動管P6的柵極與跟 隨級20的輸出端的連線上，起到相當于二極管的負向端的作用。通過這樣的連接，P5 實際起到二極管正向運用的作用。反饋電路40由Rt叩和Rbot串聯(lián)組成，用以將輸出 電壓成比例縮小后取出反饋給差分放大級10。當然在變化例中，可以不通過Rtop和 Rbot串聯(lián)電路取出反饋電壓，而可以直接將輸出電壓反饋給差分放大級10。關(guān)于差分 放大級10、跟隨級20，驅(qū)動級30和反饋電路40實現(xiàn)的具體構(gòu)造，本領(lǐng)域技術(shù)人員可 對各級的實現(xiàn)做出合理的變化。例如差分放大級10可由雙極型晶體管實現(xiàn)，并且跟隨 級20也可用射極跟隨級替換；除了本實施例所列舉的源跟隨級的形式之外，可采用其 他形式的跟隨級，例如由電阻代替本實施例中的恒流源和跟隨管一起組成的源跟隨級； 另驅(qū)動級30可由PNP晶體管來實現(xiàn)，以替代本實施例中的PMOS場效應管；圖4中 的PMOS管也可用NMOS替代，NMOS管也可用PMOS替代，例如，輸出負電壓時 就是如此。所有這些本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)技術(shù)常識能夠作出的替換和改動皆不脫離本發(fā)明的保護范圍。
下面結(jié)合圖5對作為相位裕度動態(tài)補償裝置50的PMOS場效應管P5如何改善相 位裕度進行說明。圖5是本發(fā)明系統(tǒng)的增益-頻率曲線圖，圖5列舉負載電流為10yA， 1mA， 5mA逐漸增大的三種情況，在這三種情況下，系統(tǒng)的增益-頻率曲線分別由曲線A， 曲線B和曲線C表示。如圖4所示，隨著負載電流增大加在PMOS驅(qū)動管P6源極和 柵極之間的電壓增大，從而施加在PMOS型場效應管P5上的電壓也增大。根據(jù)二極管 正向運用的等效輸出電阻隨著電壓增大而減小的特性，作為二極管連接的PMOS型場 效應管P5的正向電阻R隨其兩端施加電壓的增大而變小。另外，由于驅(qū)動級的輸入電 阻和跟隨級的輸出電阻相對于PMOS型場效應管P5的電阻R來說很大，尤其在大負 載電流的情況下，它們對計算極點Pole3的頻率的影響可以忽略，因而將Ro近似為電 阻R，也就是說跟隨級的負載電阻由作為正向運用的二極管使用的PMOS場效應管的 電阻值R決定。
如圖4所示，當穩(wěn)壓器負載電流逐漸從10uA增大到1mA再增大到5mA時，加在 PMOS驅(qū)動管P6的源極和柵極間的電壓逐漸增大，因此，加在PMOS場效應管P5的 電壓也變大。根據(jù)二極管的正向電阻隨著電壓增大而減小的特性，代入極點Pole3頻率
計算公式fP。le3=:ri_計算跟隨級引入的極點Pole3的頻率，可見極點Pole3的頻率
fp。ie3將隨著PMOS型場效應管P5的電阻R的變小而增大，也就是說，隨著穩(wěn)壓器的
負載電流從10uA增大到1mA在增大到5mA，極點Pole3向高頻方向移動，參見圖5，
極點P0le3的頻率從fP。le3增大到fp。M再增大至fp。!e3..。
圖6是表示以相位裕度動態(tài)補償裝置50作為負載的跟隨級的相位-頻率曲線的示意 圖。隨著極點頻率從fP。le3增大到fP。le3.再增大至fP。le3..，極點Pole3引入的相位變化 如圖6中曲線D到曲線E再到曲線F的變化所示，呈現(xiàn)上抬的趨勢。
圖7是在負載電流為5mA的條件下，未加入相位裕度動態(tài)補償裝置50的穩(wěn)壓器(如 圖1所示的穩(wěn)壓器)和加入相位裕度動態(tài)補償裝置50的穩(wěn)壓器(如圖2所示的穩(wěn)壓器) 的增益-相位-頻率曲線的示意圖。在負載電流不變，為5mA的前提下，相位裕度動態(tài)補 償裝置50對驅(qū)動級極點和差分放大級極點頻率都不產(chǎn)生影響，因此未加入相位裕度動 態(tài)補償裝置50的穩(wěn)壓器和加入相位裕度動態(tài)補償裝置50的穩(wěn)壓器的系統(tǒng)整體的增益-頻率曲線如圖7中的曲線H,G所示，曲線H,G在遇到跟隨級極點之前相互重合。在未 加入相位裕度動態(tài)補償裝置50的穩(wěn)壓器中，跟隨級極點的頻率不會隨著負載電流的增
大而增大，相當于其始終位于大致如圖5所示的當負載電流為10pA時的頻率fp。!e3;而對于加入了相位裕度動態(tài)補償裝置50的穩(wěn)壓器系統(tǒng)來說，如前文所述，跟隨級的極點
頻率會隨著負載電流的增大而增大，也即跟隨級的極點頻率與系統(tǒng)零增益頻率UGF的 差大于未加相位裕度動態(tài)補償裝置50的兩頻率的差，其對應的相位-頻率曲線也隨著負 載電流的增大而相對于負載電流較小時的相位-頻率曲線抬高，因此未使用相位裕度動 態(tài)補償裝置50的穩(wěn)壓器和使用了相位裕度動態(tài)補償裝置50的穩(wěn)壓器的源跟隨級的相位 -頻率曲線如圖7中的曲線1，」所示，曲線J相對于曲線I抬高了。圖7中曲線M，N分別 表示未加入相位裕度動態(tài)補償裝置50的穩(wěn)壓器和加入相位裕度動態(tài)補償裝置50的穩(wěn)壓 器整體系統(tǒng)的相位-頻率曲線。由于跟隨級的相位曲線的疊加效果，使得在曲線N與曲 線M相比在單位增益頻率UGF處的相位得到上抬(見圖7中PM1和PM2所示)，即 系統(tǒng)相位裕度得到改善(增大)。
另，本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易想到作為相位裕度動態(tài)補償裝置50的可變電阻器件， 除了 PMOS場效應管還可以使用NMOS型場效應管或簡單的二極管來實現(xiàn)。除了可變 電阻器件，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明思想的前提下，也可以考慮利用可變電容 器件等來實現(xiàn)該相位裕度動態(tài)補償裝置50。
本發(fā)明相比常用的相位裕度改善方法密勒RC相位補償來說，由于不需要用到電容， 可有效提高穩(wěn)壓器負載電流的瞬態(tài)響應。負載電流的瞬態(tài)響應可以用負載電流瞬態(tài)變 化導致系統(tǒng)輸出電壓的電壓差AVtr的大小來衡量。
aW = loutmax* At/Cout + AVesr 其中，At = 1/Bwcl + AVpgate*Cpgate/lss， loutmax:最大輸出電流
C0Ut:外置輸出電容
△ Vesr:輸出電容的等效串聯(lián)電阻ESR上的電壓差
bwci:閉環(huán)帶寬
△ Vpgate:驅(qū)動管柵極電壓差 Cpgate:驅(qū)動管柵極對地等效電容
iss:驅(qū)動管柵極對地放電電流。
在其他各參數(shù)相等的情況下，如果省去密勒RC相位補償方法中的密勒電容C， Cpgate值將會大大減小，At減小，從而AVtr也相應減小。圖8示出了使用密勒RC相 位補償方法和使用本發(fā)明的相位補償方法的系統(tǒng)對負載電流瞬態(tài)響應的對比圖。通過仿 真軟件的模擬，得到對比結(jié)果如圖8所示，圖中曲線X表示使用密勒RC相位補償方案 的瞬態(tài)響應曲線，Y表示使用本發(fā)明的相位裕度動態(tài)補償方案獲得的瞬態(tài)響應曲線。由圖8可知，在采用密勒RC相位補償?shù)姆桨钢?，當負載電流在最小電流和最大電流之間 切換時，瞬態(tài)波動幅度在0.02倍輸出電壓理想值的范圍內(nèi)。在采用本發(fā)明的相位裕度 動態(tài)補償?shù)姆桨钢校撦d電流發(fā)生變化時，輸出電壓曲線Y的瞬態(tài)波動幅度不到曲線X 的一半，最大為輸出電壓理想值的0.01倍。從中可看出使用本發(fā)明的相位裕度動態(tài)補 償方法比使用密勒RC相位補償方法的負載電流瞬態(tài)響應要好。
另，本發(fā)明也可以結(jié)合密勒RC相位補償方法一起實施，從而可在更寬的范圍內(nèi)調(diào) 節(jié)系統(tǒng)的相位裕度和瞬態(tài)響應。此時，通過減小密勒電容C，可獲得相位裕度的補償更 好，但是瞬態(tài)響應稍差的系統(tǒng)。
本發(fā)明的應用
由于本發(fā)明的穩(wěn)壓器對負載電流瞬態(tài)響應較好，將本發(fā)明的采用相位裕度動態(tài)補償 裝置50對相位裕度進行補償?shù)姆€(wěn)壓器作為低功耗穩(wěn)壓器，運用在能夠在低功耗模式和 高功耗模式之間切換的雙模式穩(wěn)壓器中，可以提高雙模式穩(wěn)壓器在兩種模式之間切換的 切換噪聲，尤其是改善從高功耗模式到低功耗模式的切換噪聲。
圖9給出了將本發(fā)明的穩(wěn)壓器運用于雙模式工作設備中的一個實例的連接框圖。如 圖9所示，低功耗差分放大級10，跟隨級20，相位裕度動態(tài)補償裝置50，驅(qū)動級30 和反饋電路40，構(gòu)成了本說明書前述的穩(wěn)壓器。其作為低功耗穩(wěn)壓器與與另一個高功 耗穩(wěn)壓器各自通過使能端EN1和EN2進行控制，從而可以選擇雙模式工作設備的輸出 電壓由低功耗穩(wěn)壓器輸出還是高能耗穩(wěn)壓器輸出。由于本發(fā)明的穩(wěn)壓器具有瞬態(tài)響應好 的特點，因此可以很好地改善從高能耗模式切換到低能耗模式的切換噪聲。其中，使能 端EN1和EN2可以通過硬件或是軟件方法實現(xiàn)。另外，高能耗穩(wěn)壓器同樣可以運用本 發(fā)明所揭示的穩(wěn)壓器來實現(xiàn)，以進一步改善切換噪聲。
權(quán)利要求
1.一種穩(wěn)壓器，用于將輸入電壓調(diào)整為穩(wěn)定的輸出電壓，包括跟隨級；和接受來自所述跟隨級輸出并對負載輸出穩(wěn)定電壓的驅(qū)動級；其特征在于，在所述跟隨級和所述驅(qū)動級之間連接有隨所述負載的負載電流增大而改善相位裕度的相位裕度動態(tài)補償裝置。
2. 如權(quán)利要求1所述的穩(wěn)壓器，其特征在于，所述相位裕度動態(tài)補償裝置由可變電阻器 件構(gòu)成，該可變電阻器件的電阻隨著加在其上的電壓的增大而減小。
3. 如權(quán)利要求2所述的穩(wěn)壓器，其特征在于，所述可變電阻器件由二極管構(gòu)成，該二極 管正向運用連接在所述跟隨級的輸出端。
4. 如權(quán)利要求3所述的穩(wěn)壓器，其特征在于，所述二極管由二極管連接方法的MOS場 效應管構(gòu)成。
5. 如權(quán)利要求4所述的穩(wěn)壓器，其特征在于，所述驅(qū)動級由MOS場效應管構(gòu)成，所述 二極管連接方法的MOS場效應管正向運用連接在構(gòu)成驅(qū)動級的MOS場效應管的源極 和柵極之間。
6 . 如權(quán)利要求l-5任一項所述的穩(wěn)壓器，其特征在于，所述跟隨級為源跟隨級。
7. 如權(quán)利要求6所述的穩(wěn)壓器，其特征在于，所述源跟隨級由作為恒流源和PMOS跟 隨管構(gòu)成。
8. —種雙模式工作設備，其包括低功耗穩(wěn)壓器和高功耗穩(wěn)壓器，所述雙模式工作設備可 在低功耗穩(wěn)壓器工作的低功耗模式和高功耗穩(wěn)壓器工作的高功耗模式之間切換，其特征 在于，所述低功耗穩(wěn)壓器為如權(quán)利要求1所述的穩(wěn)壓器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種穩(wěn)壓器，其用于將輸入電壓調(diào)整為穩(wěn)定的輸出電壓，包括跟隨級；和接受來自所述跟隨級輸出并對負載輸出穩(wěn)定電壓的驅(qū)動級；在所述跟隨級和所述驅(qū)動級之間連接有隨所述負載的負載電流增大而改善相位裕度的相位裕度動態(tài)補償裝置。
文檔編號G05F1/56GK101581947SQ200810099458
公開日2009年11月18日 申請日期2008年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月16日
發(fā)明者伊藤弘造, 凱 盧 申請人:株式會社理光