CN103309384A - 具可调适米勒补偿的电压调节器 - Google Patents

Abstract

一种可调适米勒补偿的电压调节器，包含第一放大器及第二放大器。可调适补偿电路包含串接的补偿电容器及补偿晶体管，耦接至第二放大器。偏压电路产生适当的偏压控制电压，以动态控制可调适补偿电路，使得补偿晶体管操作于信道弱反转或信道强反转的深三极管区。输出电路产生输出电压，据以产生回馈电压。补偿晶体管受控于偏压控制电压，使其电阻随电压调节器的负载而改变。偏压电路复制输出电路的电流的至少一部分以产生镜射电流，且根据镜射电流以产生偏压控制电压。

Description

具可调适米勒补偿的电压调节器

技术领域

本发明涉及一种电压调节器，特别是涉及一种具可调适米勒补偿（adaptive Miller compensation）的电压调节器。

背景技术

电压调节器是一种可自动维持固定电压位准的电路，普遍使用于各种电子装置及系统。为了让传统电压调节器能够适用于低负载及高负载，通常会使用补偿电路以进行补偿，例如由电阻器及电容器所组成的补偿电路。

对于固定电阻器及固定电容器所组成的补偿电路，无法动态调整电压调节器的闭回路相位边限（phase margin），因此当适用于低负载时，电压调节器的输出电压会有抖动的现象。

因此亟需提出一种新颖的电压调节器，其具有动态补偿以适用于低负载及高负载。

发明内容

鉴于上述，本发明实施例的目的之一在于提出一种具可调适米勒补偿的电压调节器，使其于低负载及高负载均具有足够的相位边限（例如45°或以上），以降低电压抖动现象。

根据本发明实施例，可调适米勒补偿的电压调节器包含第一放大器、第二放大器、可调适补偿电路、偏压电路及输出电路。第一放大器耦接参考电压及回馈电压。第二放大器耦接第一放大器的输出。可调适补偿电路具有二端，分别耦接至第二放大器的输入端及输出端；且可调适补偿电路包含串接的补偿电容器及补偿晶体管。偏压电路用来产生适当的偏压控制电压，以动态控制可调适补偿电路，使得补偿晶体管操作于信道弱反转或信道强反转的深三极管区。输出电路耦接放大器的输出，该输出电路产生电压调节器的输出电压，据以产生回馈电压。补偿晶体管受控于偏压控制电压，使其电阻随电压调节器的负载而改变。偏压电路复制输出电路的电流的至少一部分以产生镜射电流，且根据镜射电流以产生偏压控制电压。

附图说明

图1示出了本发明实施例的具可调适米勒补偿的电压调节器的方框图。

图2例示了图1的电压调节器的细部电路图。

图3例示了图1的电压调节器的另一细部电路图。

图4例示了图2或图3的电压调节器的频率响应。

附图标记说明

11      第一放大器

12      第二放大器

13      可调适补偿电路

14      偏压电路

15      输出电路

Av1~Av2 直流增益

CEXT    电容

Cc      补偿电容器

Mc      补偿晶体管

M1~M11  晶体管

MP      功率晶体管

P 1~P2  极点

Rc      补偿电阻器

R1      电阻器

R2      电阻器

RL      负载

Rout1   第一（级）输出阻抗

Rout2   第二（级）输出阻抗

Rout    第三（级）输出阻抗

RESR    电阻

VREF    参考电压

VFB     回馈电压

VOUT    输出电压

VBIAS   偏压电压

Vdd     第一电源

Vss     第二电源

Vc0     内部偏压

Vc1     偏压控制电压

Z1~Z2   零点

具体实施方式

图1显示本发明实施例的具可调适米勒补偿（adaptive Millercompensation）的电压调节器的方框图。在本实施例中，电压调节器包含第一放大器11、第二放大器12、可调适补偿电路13、偏压电路14及输出电路15。

第一（级）放大器11可为差动放大器或折叠式串接（folded-cascode）放大器。第一放大器11具有非反相输入端及反相输入端，其中非反相输入端可用来接收参考电压VREF，其反相输入端可接收（来自输出电路15的）回馈电压VFB。第一放大器11的直流增益Av1可表示为Av1=gm1Rout1，其中gm1为第一（级）转导（transductance），且Rout1为自第一放大器11的输出端看进去的第一（级）输出阻抗。

第二（级）放大器12可为共源极放大器，其耦接第一放大器11的输出。第二放大器12的直流增益Av2可表示为Av2=gm2Rout2，其中gm2为第二（级）转导，且Rout2为自第二放大器12的输出端看进去的第二（级）输出阻抗。

可调适补偿电路13具有二端，分别耦接至第二放大器12的输入端及输出端。偏压电路14提供适当的偏压控制电压，以动态控制可调适补偿电路13。

输出电路15耦接第二放大器12的输出，并产生电压调节器的输出电压VOUT。输出电路15的直流增益Av3可表示为Av3=gmpRout，其中gmp为第三（级）转导，且Rout为自输出电路15的输出端看进去的第三（级）输出阻抗。

图2例示图1的电压调节器的细部电路图。在本实施例中，第一放大器11包含差动放大器，其由p型金属氧化半导体（PMOS）晶体管M1、M2、M5及n型金属氧化半导体（NMOS）晶体管M3、M4所组成。晶体管M1~M5电性连接于第一电源（例如Vdd）与第二电源（例如接地）之间。非反相输入端（亦即，PMOS晶体管M2的栅极）耦接参考电压VREF，而反相输入端（亦即，PMOS晶体管M1的栅极）耦接（来自输出电路15的）回馈电压VFB。第一放大器11的输出端（亦即，NMOS晶体管M4与PMOS晶体管M1的连接节点）所提供的输出馈至第二放大器12。

本实施例的第二放大器12包含共源极放大器，其由串接的PMOS晶体管M7与NMOS晶体管M6所组成，并电性连接于第一电源（例如Vdd）与第二电源（例如接地）之间。输入端（亦即，NMOS晶体管M6的栅极）耦接第一放大器11的输出，且输出端（亦即，PMOS晶体管M7与NMOS晶体管M6的连接节点）所提供的输出馈至输出电路15。

在本实施例中，可调适补偿电路13包含串接的补偿电容器C-c、补偿电阻器Rc及可变电阻器，该可变电阻器是由（NMOS）补偿晶体管Mc所实施。上述三者串接并耦接于第二放大器12的输入端与输出端之间。特别的是，本实施例串接的补偿电容器C-c、补偿电阻器Rc及补偿晶体管Mc是直接连接于第二放大器12的输入端与输出端之间。补偿晶体管（或可变电阻器）Mc的电阻RZ会根据负载而改变。其中，补偿晶体管Mc的栅极是由偏压电路14所输出的偏压控制电压Vc1所控制。

本实施例的偏压电路14包含（PMOS）镜射晶体管M11及二极管连接型式的NMOS晶体管M9、M10。亦即，NMOS晶体管M9的栅极与漏极连接在一起，NMOS晶体管M10的栅极与漏极连接在一起，且M9的漏极与M10的源极连接在一起。镜射晶体管M11与二极管连接型式的NMOS晶体管M9、M10互相串接并耦接于第一电源（例如Vdd）与第二电源（例如接地）之间。镜射晶体管M11与二极管连接型式的NMOS晶体管M9、M10之间的连接节点提供偏压控制电压给可调适补偿电路13（的补偿晶体管Mc的栅极）。

上述镜射晶体管M11镜射（或复制）输出电路15的功率（PMOS）晶体管MP的电流的至少一部分。换句话说，镜射晶体管M11与功率晶体管MP形成一电流镜。在一例子中，当M11与MP的尺寸大小比例为M11:MP=1:K（K>1），镜射晶体管M11所产生的镜射电流为功率晶体管MP的电流的1/K倍。

除了功率晶体管MP之外，输出电路15还包含分压器，其由串接的电阻器R1、R2所组成。功率晶体管MP与分压器R1/R2互相串接并耦接于第一电源（例如Vdd）与第二电源（例如接地）之间。分压器提供一分压（亦即，回馈电压）VFB以回馈至第一放大器11。

当负载RL变大（亦即，RL的电阻值变小），镜射电流会增加，偏压控制电压Vc1也跟着增加而成为Vc1=VGS9+VGS10=(VOV9+VTH9)+(VOV10+VTH10)，其中VGS9、VOV9及VTH9分别表示晶体管M9的闸至源极（gate-to-source）电压、过驱动（overdrive）电压及临界电压；VGS10、VOV10及VTH10分别表示晶体管M10的闸至源极电压、过驱动电压及临界电压。由于VOV10的值大于零，补偿晶体管Mc操作于通道强反转（strongly-invertedchannel）的深三极管区（deep triode region）。在本说明书中，通道强反转的深三极管区是指补偿晶体管Mc符合以下条件：VOV,MC=VGS,MC-VTH,MC>0,VDS,MC≈0。藉此，补偿晶体管Mc的电阻RZ会降低，且零点频率增加。零点的频率为以下转换函数的z2（忽略高频的极点和零点）：

$H\left(s\right)=\frac{A_0(1+s/\mathrm{zl})(1+s/z2)}{(1+s/\mathrm{pl})(1+s/p2)}$

其开回路的直流增益为Ao=gm1Rout1gm2Rout2gmpRout，输出极点为p1=1/RoutCext，第一（级）输出极点为p2≈1/Rout1gm2Rout2Cc，输出零点为z1=1/RESRCEXT（RESR为与CEXT串接的电阻），且零点z2随着负载而改变z2≈1/(Rz+Rc)Cc（假设Rz+Rc>>1/gm2）。

当负载RL变小（亦即，RL的电阻值变大），镜射电流会降低，偏压控制电压Vc1也跟着降低。由此，补偿晶体管Mc的电阻RZ会增加，且零点的频率降低。为了避免因太小的Vc1及太大的Rz所造成的过补偿，因此本实施例使用不受负载RL影响的偏压次电路（例如由PMOS晶体管M8所组成），以提供内部偏压Vc0给二极管连接型式的NMOS晶体管M9、M10（的晶体管M9）。其中，晶体管M8的栅极为固定偏压，其漏极电性连接至晶体管M9的栅极。当零负载时，内部偏压为Vc0=VGS9=(VOV9+VTH9)≈VO1，其中VO1为第一放大器11的输出，晶体管M9的过驱动电压VOV9=VGS9-VTH9。偏压控制电压Vc1成为Vc1=VGS9+VGS10=(VOV9+VTH9)+(VOV10+VTH10)，其中VOV10的值小于零，因此补偿晶体管Mc操作于通道弱反转（weakly-inverted channel）的深三极管区。在本说明书中，通道弱反转的深三极管区是指补偿晶体管Mc符合以下条件：VOV,MC=VGS,MC-VTH,MC<0,VDS,MC≈0。值得注意的是，无论于低负载或者是高负载，补偿晶体管Mc内没有电流（或者可忽略的极小电流）通过，因此第二放大器12的输入端（亦即，晶体管M6的栅极）维持于固定电压位准。

图3例示图1的电压调节器的另一细部电路图。图3的电路架构类似于图2，不同的地方在于PMOS晶体管被取代为NMOS晶体管，反之也是。在本实施例中，镜射晶体管M12根据通过晶体管M11、M13的电流以产生镜射电流。换句话说，本实施例的镜射晶体管M12是间接复制功率晶体管MP的电流。本实施例的第一电源为接地，而第二电源为Vss。

图4例示图2或图3的电压调节器的频率响应。当负载RL较小时，极点p1成为主极点，且极点p2为次极点。偏压控制电压Vc1降低，使得补偿晶体管Mc操作于通道弱反转的深三极管区，且补偿晶体管Mc的电阻RZ可增加至一百万欧姆（Ω）或更高。零点z2偏移至极点p2，因而可得到足够的相位边限。当负载RL较大时，第三（级）输出阻抗Rout降低且偏压控制电压Vc1增加，使得补偿晶体管Mc操作于通道强反转的深三极管区，且补偿晶体管Mc的电阻RZ可降低至数十个千欧姆（Ω）或更低。极点p1及零点z2偏移至高频，且极点p2成为主极点，且极点p1为次极点。于低负载或者高负载，z2会比p1、p2更靠近单位增益（unit-gain）频率，因而可得到足够的相位边限。根据图4所示的响应，于低负载时的相位边限为60°，而高负载时的相位边限为70°，两者都大于45°。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并非用来限定本发明的权利要求；凡其它未脱离发明所公开的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在权利要求范围内。

Claims (11)

1.一种可调适米勒补偿的电压调节器，包含：

一第一放大器，耦接一参考电压及一回馈电压；

一第二放大器，耦接该第一放大器的输出；

一可调适补偿电路，具有二端，分别耦接至该第二放大器的输入端及输出端，该可调适补偿电路包含串接的补偿电容器及补偿晶体管；

一偏压电路，用来产生一适当的偏压控制电压，以动态控制可调适补偿电路，使得该补偿晶体管操作于信道弱反转或信道强反转的深三极管区；和

一输出电路，耦接该放大器的输出，该输出电路产生该电压调节器的输出电压，据以产生该回馈电压；

其中该补偿晶体管受控于该偏压控制电压，使其电阻随电压调节器的负载而改变；及

其中该偏压电路复制该输出电路的电流的至少一部分以产生一镜射电流，且根据该镜射电流以产生该偏压控制电压。

2.如权利要求1所述的可调适米勒补偿的电压调节器，其中该第一放大器包含差动放大器或折叠式串接（folded-cascode）放大器，该第一放大器具有非反相输入端及反相输入端，用来分别耦接该参考电压及该回馈电压。

3.如权利要求1所述的可调适米勒补偿的电压调节器，其中该第二放大器包含共源极放大器。

4.如权利要求3所述的可调适米勒补偿的电压调节器，其中该第二放大器是由串接的PMOS晶体管与NMOS晶体管所组成，该PMOS晶体管的漏极电性连接至该NMOS晶体管的漏极，其中该NMOS晶体管或该PMOS晶体管的栅极作为该第二放大器的输入端，且该PMOS晶体管与该NMOS晶体管的连接节点作为该第二放大器的输出端。

5.如权利要求1所述的可调适米勒补偿的电压调节器，其中该可调适补偿电路还包含一补偿电阻器，串接于该补偿电容器及该补偿晶体管。

6.如权利要求1所述的可调适米勒补偿的电压调节器，其中该补偿晶体管包含一MOS晶体管，其栅极耦接该偏压控制电压。

7.如权利要求1所述的可调适米勒补偿的电压调节器，其中该偏压电路包含：

一镜射晶体管，用来产生该镜射电流；和

至少一个二极管连接型式的晶体管，串接于该镜射晶体管；

其中该镜射晶体管与该二极管连接型式的晶体管之间的连接节点提供该偏压控制电压。

8.如权利要求7所述的可调适米勒补偿的电压调节器，其中该输出电路包含：

一分压器，用来产生该回馈电压；及

一功率晶体管，串接于该分压器，其中该功率晶体管的电流根据该负载而改变，且该功率晶体管的电流的至少一部分被复制到该偏压电路的镜射晶体管。

9.如权利要求7所述的可调适米勒补偿的电压调节器，其中当该负载增加，则该偏压控制电压也跟着增加，且该二极管连接型式的晶体管的过驱动电压大于零，使得该补偿晶体管操作于通道强反转的深三极管区；且当该负载降低，则该偏压控制电压也跟着降低，且该二极管连接型式的晶体管的过驱动电压小于零，使得该补偿晶体管操作于通道弱反转的深三极管区。

10.如权利要求9所述的可调适米勒补偿的电压调节器，其中该偏压电路还包含一偏压次电路，其不受该负载的影响，用来提供一内部偏压给该二极管连接型式的晶体管的其中之一，由此，当零负载时，该补偿晶体管操作于通道弱反转的深三极管区。

11.如权利要求10所述的可调适米勒补偿的电压调节器，其中该偏压次电路包含一MOS晶体管，其栅极为固定偏压，其漏极电性连接至该二极管连接型式的晶体管其中之一的栅极。

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