CN1661509A - 线性电压调节器的高效频率补偿 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种频率补偿方案，用于一个线性电压调节器电路，或其特殊情况，即一个低失落电压调节器(LDO)。根据一个实施例，频率补偿方案包括两个电路，一个内环补偿电路(240)，以及在输出处与输出分压器(235)的电阻之一并联的一个电路(245)。这两个补偿元件(240，245)不是互相依赖的，可以单独调节以提供更理想的频率补偿。优点包括更小的补偿电路元件、晶粒或板面积节省、在处理技术变动和各种操作情况下的更好的相位裕量，以及易于进行设计调整。

Description

线性电压调节器的高效频率补偿

技术领域

本发明描述了用于线性和低失落电压调节器的一种改进的电压补偿方案和该方案的特定实施例。

背景技术

线性电压调节器电路用于从某个较高的、有噪声的电压源产生一个干净的、调节良好的输出电压。在大多数电系统中都需要这种调节器电路，以便提供干净的电压，例如用于环境特别嘈杂的工业/汽车电路应用，或者用于无线应用，其中电池功率波动和帧同步干扰在音频频带中会变得非常明显。

高性能线性调节器电路一般具有非常高的增益，并且需要频率补偿，以便在非常广泛的操作情况范围内都能具有稳定的性能。性能越高，情况越广，则越难提供简单的补偿方案来保持调节器稳定。这些情况包括大范围的失落(dropout)电压(输入电源电压Vin与调节后的输出电压Vout之差)、大范围的负载电流以及各种各样的芯片外电容。还存在温度变化和技术过程不稳定性，尤其是对于把Vin切换到Vout的旁路晶体管。多种频率补偿方案被用于提供稳定性。例子包括Miller补偿、嵌套Miller环以及慢滚降补偿，以及可能成为补偿的一部分的额外的芯片外或晶粒外负载电容。很难找到能满足成本和紧凑原因的简单、小巧的频率补偿方案；这种对最小尺寸的偏好向补偿方案提出了进一步限制。

图1A描绘了一种现有技术的典型的线性电压调节器及其频率补偿元件140和C负载150。电路的目标是通过反馈监控输出电压Vout并且将其与某个恒定值的参考电压Vref相比较。当Vout太高或太低时，电路将会自调节以便Vout返回其标称值，以便Vout基本保持恒定。存在三级110、120、130，部分原因是为了高增益(性能)的目的。存在由来自各级和输出对象的各种高阻抗节点和前馈通路导致的几个相位和增益偏移。必须选择补偿和负载电容以避免太多的累积相位偏移，所述累积相位偏移可能产生正反馈使得电路不稳定。即补偿必须平衡和定位这些频率处的极点和零点，以便提供充足的相位裕量。高性能电压调节器常要求大型或复杂的补偿元件以保持稳定。此外，传统的补偿元件彼此交互，难以独立调整，从而难以提供最佳补偿。

发明内容

本发明提供了一种频率补偿技术，它对于固有地难以稳定化的高增益、高性能线性和/或低失落电压调节器尤其有用。根据一个实施例，该方案包括两块，一个内环补偿电路以及与输出分压器中的电阻之一并联的一个电路。其优点为与通过现有方法补偿的调节器相比，更小的总体补偿元件、晶粒面积和成本节省，以及相等或改进的相位裕量和性能。这种新的补偿技术的另一个主要优点是，就设计来说它易于应用以获得更好的结果；与诸如慢滚降和嵌套Miller补偿这样的传统方法不同的是，新的补偿元件不是互相依赖的；因为它们易于独立调整，从而提供更小更高效的补偿。通过新的用于线性调节器的补偿能够更具策略地放置极点和零点，以避免可能引起正反馈和不稳定的累积相移。

附图说明

图1A描绘了用于一个电压调节器电路的一种常规频率补偿方案；

图1B描绘了常规频率补偿方案的各种配置；以及

图2描绘了带有放置独立的极点和零点对的频率补偿方案的一种电压调节器的一个示例性电路。

具体实施方式

图2描绘了一个电压调节器200的一个示例性电路，它具有一种放置独立的极点和零点对的频率补偿方案。电压调节器200包括三个电路级，输入级201、第二级202和输出级203，以及分压器单元204。输入级201包括一个误差放大器单元210。分压器单元204包括两个电阻R_A和R_B。第二级202通常是用于驱动输出级的大输出电容的。第二级通常还包含用于调节器的增益，以便当输出级增益在弱电流负载情况下变得非常低时维持较高的整体增益。输出级203包括一个大的旁路器件晶体管230，通常是一个P-型或P-沟道MOSFET，PMOS共源级，或与其等价的用于双极型处理技术的P-型或PNP晶体管。为了进行描述，显示和说明了电压调节器200的各个元件；但是本领域技术熟练者将意识到电压调节器200可包括用于给定应用的信号调谐所需的其它接口元件。例如，第二级可以是包含一个电阻的一个跨阻抗放大器，如现有技术专利U.S.专利号5,631,598所示。此外，可以用比如电阻、电容、放大器和一个旁路器件晶体管这样的分离元件配置电压调节器200的各个元件。或者各元件可以都在IC封装内，或者甚至在IC晶片本身之上，例如电阻R_A和R_B。而且此调节器也可配置在大型系统IC上，以便调节大型IC上的电压，并且向同一IC或同一封装内的多芯片模块上的其他电路提供电流。

误差放大器210接收一个输入终端205上的一个参考电压Vref，以及一个输入终端206上的经过一个分压器235的来自晶体管230的输出的一个反馈电压。误差放大器210生成一个表示输入电压之差的误差信号。误差放大器210的输出耦合到第二级220。第二级输出一个信号，用于控制旁路器件晶体管230提供一个调节后的输出电压Vout。第二级也常被设计为具有某个不为一的增益幅值，以便增大调节器的增益，但是通常它被设计为具有高带宽，因此其频率响应对于调节器的整体频率响应的影响很小。

生成调节后的输出电压Vout以偏置并供电给另一个电路负载，该负载被表示为电流负载Iload。输出还包含一个负载电容250及其相关的ESR(电串联阻抗)。此电容用于帮助电压调节器200的频率补偿，还用于衰减调节后的电压Vout上的任何高频噪声，以便所述噪声不会干扰任何敏感的电路负载。但是此电容不应过大以致延迟所需要的负载瞬时响应、启动和关闭条件，或者过大以致占取了很大面积。因此，由于此负载电容的大小范围有限，其他电路元件有必要提供频率响应稳定性。一个第一补偿240可用于频率补偿目的；它连接在调节器输出和第二级220的输入之间。一个第二补偿单元245跨连在分压器235的电阻R_A上，也可用于频率补偿。第二补偿单元245允许独立放置一个可以消除一个不需要的极点的零点。该零点也可位于调节器的单位增益频率附近，以减少负相移，从而改进相位裕量。在一个首选实施例中第二补偿单元245是一个电容。补偿单元240可包括图1B所显示和描述的各种配置，虽然采用一个电容或一个带有串联电阻的电容对于最小化元件尺寸来说是令人满意的。在许多设计中电路单元240和245一起足以为调节器200提供良好的相位裕量。

在现有技术的图1A中显示了一种典型的内环频率补偿技术，它采用了第一电路单元240，其具有174的配置，即一个电容和电阻串联，被称为Miller正超前补偿。在此典型的现有技术的情况下，调节器的极点和零点如下。主极点P_dom是由负载电容150C_load和输出晶体管130的输出电阻产生的。

$P_{\mathrm{dom}}\≈\frac{1}{2\mathrm{\π}\left({\mathrm{Rds}}_{130}\right)*C_{\mathrm{load}}}$ 方程(1)

与第一级单元110和第二级单元120相关的极点如下。G′_m为各级的输入晶体管的跨导。C₁和Z_lead(R1)显示在174中。C_2nd级是第2级的输入电容。C_₁₃₀是旁路器件130的输入电容。

$P_{\mathrm{InputStage}}\≈\frac{G_{m1}}{2\mathrm{\π}\left({C1+C}_{2\mathrm{ndStage}}\right)}$ 方程(2)

$P_{\mathrm{InverterStage}}\≈\frac{G_{m2}}{2\mathrm{\π}{C}_{130}}$ 方程(3)

通常为了抵消极点的影响，所述超前Z_lead补偿方案在恰在单位增益频率之上的一个频率处引入了一个极点，以便改进电压调节器100的相位裕量。Miller-正-Z_lead补偿引入的零点由方程(4)给出：

$Z_{\mathrm{LEAD}}\≈\frac{1}{((1/G_{m3})-R1)*C1}$ 方程(4)

$Z_{\mathrm{ESR}}\≈\frac{1}{2\mathrm{\π}{R}_{\mathrm{ESR}}*C_{\mathrm{LOAD}}}$ 方程(5)

与负载电容的ESR电阻相关的零点由方程(5)给出，其中Z_ESR是负载电容150的串联电阻的阻抗，C_LOAD是负载电容150，G_m130是旁路器件晶体管130的跨导。

本申请的图由图2给出。先前提到的调节器100被列为调节器200；第一电路单元140现在是240，以及标注的其他等等。当像图1B那样将第二补偿单元245配置为一个电容C_ZERO时，则为调节器200产生了一个输出零-极点对。输出零点Z₂₄₅和极点P₂₄₅的值由方程6和7给出，其中R_A和R_B项为分压器235的电阻。

$Z_{245}\≈\frac{1}{2\mathrm{\π}\left(R_A{C}_{\mathrm{ZERO}}\right)}$ 方程(6)

$P_{245}\≈\frac{1}{2\mathrm{\π}\left(R_B{C}_{\mathrm{ZERO}}\right)}$ 方程(7)

由方程6和7描述的由电路单元240和245引入的极-零点对的项与由方程2-5描述的常规补偿方案的极点和零点的项不一样。此外，由电路单元245引入的极点和零点不取决于调节器200的内部元件的内在属性，例如某些晶体管元件的跨导。从而可以完全独立于调节器200和电路240(也用于补偿用途)地调整由245引入的零点的频率位置。这一点为设计灵活性和简易性提供了可能。在许多场合下来自电路245的零点最好放在调节器的单位增益频率附近，以便减少导致不稳定的相移量。同样也产生了一个相应的极点；其频率的位置跟随零点。因此如果零点位于单位增益频率附近则它会超出单位增益频率；从而极点不会影响稳定性。通常，通过同时应用频率补偿电路240和245获得的相位裕量与只用第一补偿单元240本身相比提高了约10度。

为了进行说明，将电压调节器200配置为使用了三级；但是，也可根据所需要的增益-带宽要求和操作情况将调节器200配置为使用任何多级。此外，可将电路单元240和245均配置为采用无源元件的各种组合，如可用于一个特定的调节器200的那样。此外，可将无源元件配置为使用不同的元件。此外，无源元件可由有源元件组成；例如可用偏置的晶体管来配置电阻。

这里已经详细说明了几个首选实施例。要理解本发明的范围也包含不同于已描述的但仍处于权利要求书的范围内的实施例。包含的言语将在考虑到本发明的范围的情况下被解释为非穷举性的。虽然已经参考说明性的实施例说明了本发明，但是不应从限制意义上来解释本说明书。本领域技术熟练者在参考说明书的情况下，不难看出对说明性实施例的各种修改和组合，以及本发明的其他实施例。因此附录的权利要求书意图包含任何这样的修改或实施例。

已经在特定实施例的情况下说明了根据本发明的实现。所说明的实施例提供了一种电压调节器，它具有一个带一个输入和一个输出的输出级，其中输出可操作提供一个调节后的输出信号；一个带一个第一输入、一个第二输入和一个输出的第一级，第一输入可接收一个信号参考电压，第二输入可操作接收一个从调节后的输出信号得到的补偿后的信号，而所述输出能够至少部分地根据第一和第二输入生成一个第一级输出信号；一个带一个输入和一个输出的第二级，所述输入可接收第一级输出信号，所述输出可生成一个第二级输出信号，该输出信号在输出级的输入处被接收；一个耦合到输出级输出的分压器，分压器具有至少两个串联耦合的电路元件，并且在所述至少两个电路元件之间的电路节点处形成一个补偿后的输出，从而在电路节点处生成从输出信号得到的补偿后的信号；一个耦合在第一级输出和输出级输出之间的第一补偿单元；以及一个与分压器的电路元件之一并联耦合的第二补偿单元。

可将电压调节器配置为，第一和第二补偿单元之一或两者都可操作以提供频率补偿。一个负载电容可耦合到输出级的输出。一个电阻可串联耦合到负载电容。一个负载可耦合到输出级的输出以便负载接收流经输出级的电流。第一和第二补偿单元之一或两者都可包括至少一个电容，并且至少一个电阻可以与所述至少一个电容串联耦合。输出级可包括至少一个金属氧化物半导体晶体管，它可以是一个P-型晶体管。输出级可包括至少一个双极型半导体晶体管，它可以是一个PNP晶体管。

电压调节器的第一级可以是一个跨导级。第一和第二补偿单元之一或两者都可包括一个可变电路元件，该元件可包括一个可变电容或一个可变电阻一个低失落电压调节器。该电压调节器可具有与第一和第二级串联的其它级。

这些实施例意在说明而不是限制。许多变体、修改、添加和改进都是可能的。

Claims (7)

1.一种电压调节器包括：

一个带一个输入和一个输出的输出级，所述输出可操作以提供一个调节后的输出信号；

一个带一个第一输入、一个第二输入和一个输出的第一级，第一输入可操作以接收一个信号参考电压，第二输入可操作以接收一个从所述调节后的输出信号得到的补偿后的信号，所述输出可操作以至少部分地根据第一和第二输入生成一个第一级输出信号；

一个带一个输入和一个输出的第二级，所述输入可操作以接收第一级输出信号，所述输出可操作以生成一个第二级输出信号，该信号在所述输出级的输入处被接收；

一个耦合到所述输出级的输出的分压器，分压器具有至少两个串联的电路元件，并且在所述至少两个电路元件之间的电路节点处形成一个补偿后的输出，从而在所述电路节点处生成从所述输出信号得到的补偿后的信号；

一个耦合在第一级输出和输出级输出之间的第一补偿单元；以及

一个与分压器的所述电路元件之一并联耦合的第二补偿单元。

2.根据权利要求1的电压调节器，其中第一和第二补偿单元中至少一个可操作以提供频率补偿。

3.根据权利要求1的电压调节器，进一步包括耦合到输出级的输出的一个负载电容以及与所述负载电容串联耦合的一个电阻。

4.根据权利要求1的任何一条的电压调节器，其中第一和第二补偿单元中至少一个包括至少一个电容，以及与所述至少一个电容串联的至少一个电阻。

5.根据权利要求1的任何一条的电压调节器，其中输出级包括至少一个P-型金属氧化物半导体晶体管或PNP双极型晶体管。

6.根据权利要求1的任何一条的电压调节器，其中第一级是一个跨导级。

7.根据权利要求1的任何一条的电压调节器，其中第一和第二补偿单元中的至少一个包括一个可变电路元件。

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