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TWI748663B - 低壓差穩壓器以及調節低壓差穩壓器的方法 - Google Patents

低壓差穩壓器以及調節低壓差穩壓器的方法 Download PDF

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TWI748663B
TWI748663B TW109133222A TW109133222A TWI748663B TW I748663 B TWI748663 B TW I748663B TW 109133222 A TW109133222 A TW 109133222A TW 109133222 A TW109133222 A TW 109133222A TW I748663 B TWI748663 B TW I748663B
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金正雄
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華邦電子股份有限公司
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Abstract

本發明提供一種調節低壓差（LDO）穩壓器的方法。方法包含：通過從低壓差穩壓器的輸出節點接收反饋來產生反饋電壓；通過接收反饋電壓和參考電壓來產生用以驅動傳輸元件的控制信號；通過檢測電路來檢測第一節點的電壓且根據檢測結果來控制第一開關的切換操作。當低壓差穩壓器在主動模式下操作時，第一開關接通以使第一節點與傳輸元件的控制端子連接，且當低壓差穩壓器在待機模式下操作時，第一開關斷開以使第一節點與傳輸元件的控制端子斷開連接。還提供一種低壓差（LDO）穩壓器。

Description

低壓差穩壓器以及調節低壓差穩壓器的方法
本發明是有關於一種電壓穩壓器，且特別是有關於一種具有喚醒時間改善的晶載主動低壓差（Low drop out；LDO）穩壓器以及調節低壓差穩壓器的方法。
當今，在傳統DRAM和NAND儲存器裝置中通常採用晶載（on-chip）LDO穩壓器。基於儲存器裝置中的負載狀態，LDO穩壓器具有主動模式和待機模式。在從待機模式到主動模式的模式轉變期間，LDO穩壓器往往會遭遇較長的喚醒時間。這是由於與LDO穩壓器中的反饋迴路中的較大補償電容相關聯的高RC時間常數導致喚醒期間的迴路響應的速度變慢。另一方面，如果在LDO穩壓器穩定到恒定值之前負載電流耗盡（draw），那麼LDO穩壓器的輸出節點處的電壓進一步下降，這導致儲存器裝置中的資料傳輸的誤差。
隨著對解決從待機模式到主動模式的模式轉變期間的較長喚醒時間的要求，研發出一種用於本領域中特定應用的具有改善的喚醒響應的LDO穩壓器可說是備受期待。
本揭露的低壓差（LDO）穩壓器包含傳輸元件、反饋電路、誤差放大器、補償電容器以及檢測電路。傳輸元件連接在電源電壓與LDO穩壓器的輸出節點之間。反饋電路配置成從輸出節點接收反饋且產生反饋電壓。誤差放大器配置成接收反饋電壓和參考電壓以產生用以驅動傳輸元件的控制信號。補償電容器包含第一端子和第二端子，其中第一端子耦接到第一節點且第二端子耦接到LDO穩壓器的輸出節點。檢測電路配置成檢測所述第一節點的電壓且根據檢測結果來控制第一開關。當LDO穩壓器在主動模式下操作時，第一開關接通以使第一節點與傳輸元件的控制端子連接，且當LDO穩壓器在待機模式下操作時，第一開關斷開以使第一節點與傳輸元件的控制端子斷開連接。
提供一種調節低壓差（LDO）穩壓器的方法。方法包含：通過從LDO穩壓器的輸出節點接收反饋來產生反饋電壓；通過接收反饋電壓和參考電壓來產生用以驅動傳輸元件的控制信號；通過檢測電路來檢測第一節點的電壓且根據檢測結果來控制第一開關的切換操作。當LDO穩壓器在主動模式下操作時，第一開關接通以使第一節點與傳輸元件的控制端子連接，且當LDO穩壓器在待機模式下操作時，第一開關斷開以使第一節點與傳輸元件的控制端子斷開連接。
基於上文，在本揭露的實施例中，當所述LDO穩壓器在主動模式下操作時，第一開關接通以使第一節點與傳輸元件連接，且當LDO穩壓器在待機模式下操作時，第一開關斷開以使第一節點與傳輸元件斷開連接。因此，誤差放大器的輸出的放電時間因電荷共享而改善，進而改善LDO穩壓器的喚醒響應且減小LDO穩壓器的電壓降/下衝電壓。
為了使前述內容更容易理解，以下詳細地描述伴有附圖的若干實施例。
應理解，在不脫離本發明的範圍的情況下，可利用其它實施例，且可作出結構性改變。同樣，應理解，本文中所使用的措詞和術語是出於描述的目的且不應視為是限制性的。“包含”、“包括”或“具有”及其在本文中的變體的使用意在涵蓋其後列出的項目和其等效物以及額外項目。除非另有限制，否則術語“連接（connected）”、“耦接（coupled）”以及“安裝（mounted）”及其在本文中的變體是廣義上使用的並且涵蓋直接和間接連接、耦合以及安裝。
圖1示出根據本揭露的示範性實施例的LDO穩壓器的電路圖。參看圖1，LDO穩壓器100包含傳輸元件110、反饋電路120、誤差放大器130、補償電容器Cc 140、輸出電容器CL 150、負載電阻器RL 160、寄生電容器Cpar 170、檢測電路180、驅動器電路190、第一開關191以及第二開關192。
傳輸元件110為包含源極端子、汲極端子以及控制端子的PMOS電晶體。源極端子耦接到電源電壓VEXT。汲極端子耦接到LDO穩壓器100的輸出節點VINT。傳輸元件110的控制端子耦接到誤差放大器130的輸出節點。傳輸元件110也定義為傳輸電晶體Pass Tr。
反饋電路120配置成從LDO穩壓器100的輸出節點VINT接收反饋。反饋電路120包含第一反饋電阻器RFB1 和第二反饋電阻器RFB2 。第一反饋電阻器RFB1 耦接於LDO穩壓器100的輸出節點VINT與第二反饋電阻器RFB2 之間。類似地，第二反饋電阻器RFB2 耦接於第一反饋電阻器RFB1 與接地電位VSS之間。反饋電路120基於在LDO穩壓器100的輸出節點VINT處的電壓來產生送到誤差放大器130的反饋電壓VFB。
誤差放大器130配置成接收反饋電壓VFB和參考電壓VREF以產生用以驅動傳輸元件110的控制信號。誤差放大器130為具有兩個輸入端子和一個輸出端子的運算放大器。換句話說，具有反相端子和非反相端子以及輸出端子。誤差放大器130接收非反相端子處的反饋電壓VFB和反相端子處的參考電壓VREF。參考電壓VREF為預定電壓且由用戶定義。
補償電容器Cc 140包含第一端子和第二端子。第一端子耦接到第一節點VCC且第二端子耦接到LDO穩壓器100的輸出節點VINT。補償電容器Cc 140也定義為用於電壓穩壓器中的頻率補償的米勒（Miller）電容。補償電容器/米勒電容Cc 140在本領域中是眾所周知的，因此省略描述。
輸出電容器CL 150耦接於LDO穩壓器的輸出節點VINT與接地電位VSS之間。輸出電容器150也定義為負載電容器CL 。
類似地，負載電阻器RL 160耦接於LDO穩壓器的輸出節點VINT與接地電位VSS之間。
寄生電容器Cpar 170耦接於傳輸元件110的控制端子與接地電位VSS之間。
檢測電路180配置成檢測第一節點VCC處的電壓和驅動器電路190處的電壓且根據檢測結果來控制第一開關191。
檢測電路180包含電晶體M51、電晶體M52、電晶體M53、檢測電阻器RDETECT 以及反相器INV1。電晶體M51和電晶體M52為PMOS電晶體。電晶體M53為NMOS電晶體。
電晶體M51、電晶體M52以及電晶體M53包含源極端子、汲極端子以及控制端子。電晶體M51的源極端子和電晶體M52的源極端子耦接到電源電壓VEXT，且電晶體M51的汲極端子與電晶體M52的汲極端子彼此連接。電晶體M51的控制端子和電晶體M53的控制端子耦接到使能信號Enb_TD。
檢測電阻器RDETECT 耦接於反相器INV1的輸入端子與電晶體M53的汲極端子之間。電晶體M53的源極端子耦接到接地電位VSS。反相器INV1的輸出端子耦接到驅動器電路190。
在一些實施例中，使用N型電晶體來代替檢測電阻器RDETECT 。
驅動器電路190配置成對第一節點VCC進行充電和放電。驅動器電路190包含電晶體M61、電晶體M62、電晶體M63以及電阻器RBLEED 。電晶體M61、電晶體M62以及電晶體M63包含源極端子、汲極端子以及控制端子。電晶體M61和電晶體M62為PMOS電晶體。電晶體M63為NMOS電晶體。
電晶體M61為二極體連接式PMOS。詳細地說，電晶體M61的控制端子耦接到電晶體M61的汲極端子。電晶體M61的源極端子耦接到電源電壓VEXT。
電晶體M62的源極端子耦接到電晶體M61的汲極端子，且電晶體M62的汲極端子耦接到電阻器RBLEED 的一端。電晶體M62的控制端子受使能信號EN控制。電阻器RBLEED 的另一端耦接到電晶體M63的汲極端子，且電晶體M63的源極端子耦接到接地電位VSS。電晶體M63的控制端子耦接到檢測電路180的反相器INV1的輸出端子。
在一些實施例中，使用N型電晶體來代替電阻器RBLEED 。
第二開關192耦接到第一節點VCC和電晶體M62的汲極端子。第二開關192配置成在對第一節點VCC進行充電和放電期間連接第一節點VCC與驅動器電路190。
第一開關191耦接於第一節點VCC與誤差放大器130的輸出端子之間。換句話說，第一開關191耦接於傳輸元件110的控制端子與第一節點VCC之間。
檢測電路180配置成檢測補償電容器Cc 140的第一端子的電壓和驅動器電路190，且控制第一開關191和第二開關192以在主動模式下使補償電容器Cc 140連接到傳輸元件110的控制端子且在待機模式下使補償電容器Cc 140與傳輸元件110的控制端子斷開連接，以在不增大誤差放大器130的尾電流IBIAS 的情況下改善傳輸元件110的放電時間。
詳細地說，當EN=0時，第一節點VCC連接到驅動器電路190且在預定電壓VEXT-∣Vthp∣下通過二極體連接式PMOS電晶體M61對第一節點VCC進行預充電。應指出，預定電壓VEXT-∣Vthp∣與傳輸元件110處的電壓相同。當EN=1時，LDO穩壓器100接通，隨後第一節點VCC連接到傳輸元件110的控制端子。在這一狀況期間，發生電荷共享過程且傳輸元件110的控制端子處的電壓由於補償電容器Cc 140大於寄生電容器Cpar 170而在短時間內降到預定電壓VEXT-∣Vthp∣。通常，在LDO穩壓器100中補償電容器Cc 140大於寄生電容器Cpar 170。這使得傳輸元件110的放電時間減少
Figure 02_image001
。在EN=0期間將第一節點VCC初始化到第一預定電壓VEXT-∣Vthp∣以防止喚醒過程期間LDO穩壓器100輸出處的過衝。
圖2A示出根據本揭露的示範性實施例的使能脈衝產生器的電路圖。使能脈衝產生器200包含反相器210、脈衝產生器tD 220、反相器230、邏輯閘240。
反相器210配置成接收使能信號EN且產生使能信號ENb。使能信號ENb的延遲由反相器的數目確定。在這一實施例中，使用反相器210來產生使能信號ENb。
脈衝產生器tD 220接收使能信號ENb且產生送到反相器230的輸出。反相器230接收脈衝產生器tD 220的輸出且產生送到邏輯閘240的延遲信號。
邏輯閘240為2輸入及閘（AND gate）。及閘的一個輸入為使能信號ENb且另一輸入為來自反相器230的延遲信號且產生使能信號ENb_TD。
在一些實施例中，邏輯閘240可為及閘、或閘（OR）、反閘（NOT）、互斥或閘（EXOR）、反互斥或閘（EXNOR）、正反器等。因此本揭露中的邏輯閘240不限於此。
圖2B示出根據本揭露的示範性實施例的使能脈衝產生器的操作波形。參看圖2A，當使能信號EN轉到邏輯高“1”時，使能信號EN_b在時間t0處轉到邏輯低“0”。應指出，使能信號EN與使能信號EN_b為反相信號。
當使能信號EN_b在時間t1處達到邏輯低“0”到邏輯高“1”時，使能信號ENb_TD從邏輯低“0”轉到邏輯高“1”持續短時間tD。時間tD也定義為轉變檢測脈衝。應指出，使能信號EN、使能信號EN_b以及使能信號ENb_TD用於參看圖1的檢測電路180。
圖3示出根據本揭露的示範性實施例的LDO穩壓器的操作波形。圖3中的相同元件具有與圖1中的LDO穩壓器100相同的附圖標號。
參看圖1和圖2B，在從待機模式到主動模式的模式轉變期間，使能信號EN從高轉到低。在那之後，產生具有脈衝寬度tD的電晶體檢測脈衝。轉變檢測脈衝tD為短脈衝，所述短脈衝用於用預定電壓VEXT-∣Vthp∣初始化第一節點VCC。換句話說，使能信號ENb_TD在轉變檢測脈衝tD期間為高，檢測電路180檢測第一節點VCC處的電壓。檢測電路180將VCC的電壓與預定電壓VEXT-∣Vthp∣進行比較。如果第一節點VCC處的電壓高於預定電壓VEXT-∣Vthp∣，那麼驅動器電路190驅動第一節點VCC以對第一節點VCC處的電壓進行放電。相反，如果第一節點VCC處的電壓低於預定電壓VEXT-∣Vthp∣，那麼驅動器電路190中的二極體連接式PMOS M61對第一節點VCC進行充電。
詳細地說，在從待機模式到主動模式的模式轉變期間，傳輸元件110處的電壓在時間t0處開始從電源電壓VEXT放電到預定電壓VEXT-∣Vthp∣。在那之後，在時間t1中，傳輸元件110在時間△t處開始從第一預定電壓VEXT-∣Vthp∣放電到Vb，其中△t為傳輸元件110的放電時間。應指出，在常規LDO中傳輸元件110從VEXT放電到Vb 所用的時間411a比傳輸元件110從VEXT放電到Vb 所用的時間411b高得多。因此LDO穩壓器100的輸出節點VINT處的下衝電壓421b比常規LDO穩壓器的下衝電壓421a小得多。
通常，補償電容器Cc 140大於寄生電容器170。傳輸元件110的轉換速率（slew rate；SR）和放電時間（△t）計算為：
Figure 02_image003
Figure 02_image005
Figure 02_image007
在使能信號EN從邏輯高轉到邏輯低之後，產生轉變檢測脈衝tD。這時，在時間t2處將第一節點VCC充電到VEXT，隨後檢測器將第一節點VCC處的電壓與預定電壓VEXT-∣Vthp∣進行比較。如果在時間t3處檢測到第一節點VCC高於預定電壓VEXT-∣Vthp∣，那麼驅動器電路190在時間t4處將第一節點VCC放電到VEXT-∣Vthp∣。相反，如果第一節點VCC低於預定電壓VEXT-∣Vthp∣，那麼二極體連接式PMOS M61對第一節點VCC進行充電。
基於上文，在待機模式期間，將補償電容器Cc 140預充電到預定電壓VEXT-∣Vthp∣，因此補償電容器Cc 140開始從預定電壓VEXT-∣Vthp∣放電到電壓Vb（所述電壓低於VEXT），因而改善LDO穩壓器100中的喚醒時間。
圖4示出根據本揭露的示範性實施例的調節LDO穩壓器的方法。調節LDO穩壓器的方法包含：在步驟S401中通過從LDO穩壓器的輸出節點接收反饋來產生反饋電壓。在步驟S402中，通過接收反饋電壓和參考電壓來產生用以驅動傳輸元件的控制信號。在步驟S403中，通過檢測電路檢測第一節點的電壓且根據檢測結果來控制第一開關的切換操作。在步驟S404中，當LDO穩壓器在主動模式下操作時，第一開關接通以使第一節點與傳輸元件的控制端子連接。在步驟S405中，當LDO穩壓器在待機模式下操作時，第一開關斷開以使第一節點與傳輸元件的控制端子斷開連接。
總結本揭露中的實施例，在待機模式期間，將補償電容器Cc預充電到預定電壓VEXT-∣Vthp∣，因此補償電容器Cc開始從預定電壓VEXT-∣Vthp∣放電到電壓Vb（所述電壓低於電源電壓VEXT），因而改善LDO穩壓器中的喚醒時間。
將對本技術領域中具有通常知識者顯而易見的是，可在不脫離本揭露的範圍或精神的情況下對所揭露的實施例作出各種修改和變化。鑒於以上內容，希望本揭露涵蓋修改和變化，前提是所述修改和變化屬於所附發明申請專利範圍和其等效物的範圍內。
100:低壓差穩壓器 110:傳輸元件 120:反饋電路 130:誤差放大器 140、Cc:補償電容器 150、CL :輸出電容器 160、RL :負載電阻器 170、Cpar:寄生電容器 180:檢測電路 190:驅動器電路 191:第一開關 192:第二開關 200:使能脈衝產生器 210、230、INV1:反相器 220:脈衝產生器 240:邏輯閘 Vb:電壓 421a、421b:下衝電壓 411a、411b、t0、t1、t2、t3、t4:時間 tD:轉變檢測脈衝 EN、ENb、ENb_TD、EN_b:使能信號 IBIAS :尾電流 M51、M52、M53、M61、M62、M63:電晶體 Pass Tr:傳輸電晶體 RBLEED :電阻器 RDETECT :檢測電阻器 RFB1 :第一反饋電阻器 RFB2 :第二反饋電阻器 S401、S402、S403、S404、S405:步驟 VCC:第一節點 VEXT:電源電壓 VEXT-∣Vthp∣:預定電壓 VFB:反饋電壓 VINT:輸出節點 VREF:參考電壓 VSS:接地電
包含附圖以提供對本揭露的進一步理解，且附圖併入本說明書中並構成本說明書的一部分。附圖示出本揭露的示範性實施例，且與實施方式一起用來解釋本揭露的原理。 圖1示出根據本揭露的示範性實施例的LDO穩壓器的電路圖。 圖2A示出根據本揭露的示範性實施例的使能脈衝產生器的電路圖。 圖2B示出根據本揭露的示範性實施例的使能脈衝產生器的操作波形。 圖3示出根據本揭露的示範性實施例的LDO穩壓器的操作波形。 圖4示出根據本揭露的示範性實施例的調節LDO穩壓器的方法。
S401、S402、S403、S404、S405:步驟

Claims (12)

  1. 一種低壓差穩壓器，包括：傳輸元件，連接在電源電壓與所述低壓差穩壓器的輸出節點之間；反饋電路，配置成從所述輸出節點接收反饋且產生反饋電壓；誤差放大器，配置成接收所述反饋電壓和參考電壓以產生用以驅動所述傳輸元件的控制信號；補償電容器，包括第一端子和第二端子，其中所述第一端子耦接到第一節點且所述第二端子耦接到所述低壓差穩壓器的所述輸出節點；以及檢測電路，配置成檢測所述第一節點的電壓且根據檢測結果來控制第一開關，其中當所述低壓差穩壓器在主動模式下操作時，所述第一開關接通以使所述第一節點與所述傳輸元件的控制端子連接，且當所述低壓差穩壓器在待機模式下操作時，所述第一開關斷開以使所述第一節點與所述傳輸元件的所述控制端子斷開連接，其中所述第一開關耦接於所述第一節點與所述傳輸元件的所述控制端子之間，當所述第一開關從接通變為斷開時，產生轉變檢測脈衝以由所述驅動器電路用第一預定電壓初始化所述第一節點。
  2. 如請求項1所述的低壓差穩壓器，還包括：驅動器電路，配置成對所述第一節點進行充電和放電；以及 第二開關，配置成連接所述驅動器電路與所述第一節點。
  3. 如請求項1所述的低壓差穩壓器，其中當產生所述轉變檢測脈衝時，所述檢測電路將所述第一節點的電壓與所述第一預定電壓進行比較。
  4. 如請求項3所述的低壓差穩壓器，其中當所述第一節點的所述電壓高於所述第一預定電壓時，所述驅動器電路對所述第一節點進行放電，當所述第一節點的所述電壓低於所述第一預定電壓時，所述驅動器電路對所述第一節點進行充電。
  5. 如請求項4所述的低壓差穩壓器，其中所述驅動器電路包括配置成在充電期間將所述第一節點充電到所述第一預定電壓的二極體連接式PMOS。
  6. 如請求項5所述的低壓差穩壓器，其中將所述檢測電路耦接到所述驅動器電路以檢測所述二極體連接式PMOS的電壓。
  7. 一種調節低壓差穩壓器的方法，包括：通過從所述低壓差穩壓器的輸出節點接收反饋來產生反饋電壓；通過接收所述反饋電壓和參考電壓來產生用以驅動傳輸元件的控制信號；以及通過檢測電路來檢測第一節點的電壓且根據檢測結果來控制第一開關的切換操作，其中當所述低壓差穩壓器在主動模式下操作時，所述第一開 關接通以使所述第一節點與所述傳輸元件的控制端子連接，且當所述低壓差穩壓器在待機模式下操作時，所述第一開關斷開以使所述第一節點與所述傳輸元件的所述控制端子斷開連接，其中所述第一開關耦接於所述第一節點與所述傳輸元件的所述控制端子之間，當所述第一開關從接通變為斷開時，產生轉變檢測脈衝以由所述驅動器電路用第一預定電壓初始化所述第一節點。
  8. 如請求項7所述的調節低壓差穩壓器的方法，還包括：對所述第一節點執行充電操作和放電操作。
  9. 如請求項7所述的調節低壓差穩壓器的方法，其中當產生所述轉變檢測脈衝時，所述檢測電路將所述第一節點的電壓與所述第一預定電壓進行比較。
  10. 如請求項9所述的調節低壓差穩壓器的方法，其中當所述第一節點的所述電壓高於所述第一預定電壓時，所述驅動器電路對所述第一節點進行放電，當所述第一節點的所述電壓低於所述第一預定電壓時，所述驅動器電路對所述第一節點進行充電。
  11. 如請求項10所述的調節低壓差穩壓器的方法，其中所述驅動器電路包括配置成在充電期間將所述第一節點充電到所述第一預定電壓的二極體連接式PMOS。
  12. 如請求項11所述的調節低壓差穩壓器的方法，其中將所述檢測電路耦接到所述驅動器電路以檢測所述二極體連接式PMOS的電壓。
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