CN1667538A - 电压调节器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电压调节器，其电流消耗低且具有高速响应性，且其可以用低的输出容量稳定地运行。该电压调节器包括：参考电压电路，分压电路，差动放大器，输出晶体管，MOS晶体管，其具有连接差动放大器的输出的栅极，连接在MOS晶体管的漏极和地之间的恒流电路，以及并联连接的用于相位补偿的电阻器和电容器连接在MOS晶体管的漏极和输出晶体管的栅极之间。

Description

电压调节器

技术领域

本发明一般涉及一种电压调节器，特别涉及电压调节器的响应性改进和电压调节器的稳定运行。

背景技术

图4是传统的电压调节器的电路图。

电压调节器包括：用于产生参考电压的参考电压电路10，旁漏电阻器11和12，使用该旁漏电阻器11，12分压电压调节器的输出电压Vout，差动放大器20，用于放大参考电压与旁漏电阻器11和12之间的节点处出现的电压之间的差；以及输出晶体管14，其根据差动放大器20的输出电压被控制。

当指定参考电压电路10的输出(参考)电压为Vref，指定旁漏电阻器11和12之间的节点处的电压为Va，且指定差动放大器20的输出电压为Verr，如果建立Vref＞Va的关系，那么输出电压Verr变低，但如果建立Vref≤Va的关系时，那么输出电压Verr变高。当输出电压Verr为低时，由于输出晶体管14的栅到源电压为高，且由此输出晶体管14的导通电阻变小，输出晶体管14运行以便增加输出电压Vout。另一方面，当输出电压Verr为高时，由于输出晶体管14的导通电阻变大，则输出晶体管14运行以便减少输出电压Vout。结果，将输出电压Vout保持在恒定值。

在传统的电压调节器的情况下，由于差动放大器20是第一级放大电路，且由输出晶体管14和负载电阻器25构成的电路是第二级放大电路，因此提供了两级电压放大电路的结构。用于相位补偿的电容器22连接在差动放大器20的输出和输出晶体管14的漏极之间，且差动放大器20的频带由于镜象效应而变窄，由此防止电压调节器的振荡。结果，整个电压调节器的频带变窄，且由此电压调节器的响应性变差。

通常，当提高电压调节器的响应性时，需要加宽整个电压调节器的频带。然而，当加宽整个电压调节器的频带时，需要增加电压放大电路的消耗电流。特别是，当电压调节器用于便携式装置或类似装置的电池时，其工作时间变得更短。

还有，当使用三级电压放大时，即使消耗电流相对的小，电压调节器的频带也可以变宽。然而，因为相位容易被延迟180度或更多，因此电压调节器的运行变得不稳定，这将导致其振荡。因此，在三级电压放大的情况下，为了减小由负载和电容器的ESR(等效串联电阻)导致的零点处的相位，需要增加陶瓷电容器的电容值。

[专利文献1]JP4-195613 A(第3页，图1)

发明内容

在传统的电压调节器中，为了抵抗振荡确保稳定性，需要使频带变窄。因此，存在响应性恶化的问题。此外，当提高响应性时，消耗电流增加或稳定性恶化，使得电压调节器的输出需要大电容。

因此，为了解决上述传统问题，本发明的一个目的是获得一种电压调节器，其电流消耗小具有更好的响应性且即使用小的输出容量也能稳定地运行。

为了解决上述问题，根据本发明，提供一种电压调节器，包括：参考电压电路，连接在电源和地之间；由旁漏电阻器构成的分压电路，用于分压将提供给外部负载的输出电压；差动放大器，用于将分压电路的输出与参考电压电路的输出比较以便输出第一信号；MOS晶体管，具有连接差动放大器的输出的栅极和接地的源极；恒流电路，其连接在MOS晶体管的漏极和地之间；为了进行相位补偿彼此并联连接的电阻器和电容器，由MOS晶体管的漏极输出的第二信号被输入到并联连接的电阻器和电容器；以及输出晶体管，连接在电源和分压电路之间，并联连接的电阻器和电容器的输出被连接到输出晶体管的栅极。

对于并联连接的电阻器和电容器，电阻器的阻值等于或大于1kΩ，以及电容器的电容值等于或大于1pF。

上述的本发明的电压调节器具有三级放大电路结构，用于差动放大器的相位补偿是由并联连接的电阻器和电容器执行，由此可以以低功耗实现电压调节器的高速响应性，且即使用低输出容量该电压调节器也可以稳定地运行。

附图说明

在附图中：

图1是本发明第一实施例的电压调节器的电路图；

图2是根据本发明第一实施例的、由电压调节器的MOS晶体管构成的共源电路的电压增益的频率特性的示例图表；

图3是本发明第二实施例的电压调节器的电路图；以及

图4是传统的电压调节器的电路图。

具体实施方式

电压调节器的差动放大器20采用电压二级放大，且差动放大器20的输出通过并联连接的电阻器和电容器连接到输出晶体管，由此由电阻器和输出晶体管的寄生电容形成的零点产生在中间频带。由此，电压调节器在响应性方面是极好的，且即使使用小的输出容量也能稳定地运行。

第一实施例

图1是根据本发明第一实施例的电压调节器的电路图。第一实施例的电压调节器包括参考电压电路10，旁漏电阻器11和12，差动放大器20，MOS晶体管23，并联连接的电阻器21和电容器22，输出晶体管14，以及负载电阻器25。

由于差动放大器20是电压一级放大电路，且其输出由构成共源放大电路的MOS晶体管23和包括输出晶体管14以及负载晶体管25的共源电路放大，因此就电压调节器而言提供了三级放大电路。用三级放大，即使用低的消耗电流也可以使GB乘积很大，由此可以提高电压调节器的响应性。然而，在三相电压放大电路中，电压容易延迟180°或更多，由此电压调节器变得容易振荡。

为了防止振荡，相位在由并联连接的电阻器21和电容器22形成的零点处返回到原始相位。图2示出了本发明的电压调节器中，由MOS晶体管23组成的共源电路的电压增益的频率特性的例子。横坐标轴表示使用对数表示的频率，且纵轴表示电压增益的分贝。第一极点存在于最低的频率。这里，该极点表示为第一极，且指定对应的频率为Fp1。在频率Fp1处或频率Fp1后，电压增益以-6dB/oct的速率衰减且电压增益开始延迟90°相位。在从频率Fp1增加的一个频率处，存在第一零点。此后，第一零点表示为1st零点，且指定对应频率为Fz1。在频率Fz1处或之后，由于通过1st零点的操作，电压增益对于该频率超前90°相位，相位延迟再次变为零。而且，在频率Fp2处和之后，电压增益对于频率以-6dB/oct的速率衰减，且电压增益开始延迟90°。

在图2中，建立那些频率中的关系等式(1)：

Fp1＞Fz1＞Fp2                  .....(1)

即，电压增益在相位中延迟处的频率是在频率Fp2处和在频率Fp2之后。因此，由于发生相位延迟的频率可以偏移到高频带，因此可以实现相位补偿。由于该原因，可以提高整个电压调节器的稳定性。

由示于图1中的差动放大器20的输出电容和输出电阻决定的频率处存在极点。该频率被指定为Fp1st。此外，在包括示于图1中的输出晶体管14和负载25的共源电路中，极点存在于由负载25的电阻和电容决定的频率处。该频率被指定为Fp3rd。在每个频率Fp1st和Fp3rd上，电压增益对于频率开始以-6dB/oct的速率衰减，且开始延迟90°相位。由于在该频率存在两个极点，电压增益总共延迟180°。然而，当频率Fp1st高于频率Fp2时，如果该频率达到Fp2，两个极点存在于该频带中，且一个零点存在于该频带中。还有，如果整个电压调节器的增益在Fp2的附近变为零，则需要产生相位边缘，且因此该电压调节器可以在没有振荡的情况下稳定地运行。

此外，频率Fz1取决于电阻器21的电阻值和输出晶体管14的寄生电容。这里，假设通过在输出晶体管14的栅极和漏极之间连接用于相位补偿的电阻器和电容器从而实现相位补偿。在电压调节器的情况下，输出晶体管14在尺寸上大于普通的晶体管，且由此其寄生电容也相应地变大。由于这个原因，即使努力通过在输出晶体管14的栅极和漏极之间插入电容器来实现相位补偿，但由于电容值必须大于寄生电容的值，所以需要具有几十pF电容值的电容器。

然而，在本发明中，由于与输出晶体管14的栅极串联地插入电阻器21，因此可以通过利用输出晶体管14的寄生电容来实现相位补偿。由于这个原因，根据本发明，当与传统的相位补偿相比，可以不增加具有大电容值的电容器而实现相位补偿。因此，整个电压调节器可以构造成小尺寸，这将导致成本的降低。此外，由于寄生电容的电容值是几十pF，如果用于相位补偿的电阻器的电阻值仅等于或大于1kΩ，则可以在等于或低于几MHz的频率处得到零点。

图3是根据本发明第二实施例的电压调节器的电路图。参考电压电路10，旁漏电阻器11和12，输出晶体管14，以及负载电阻器25与示于图4中的传统的电压调节器的相同。与第一实施例的不同点在于第二级中没有电压放大电路。甚至在如图3中示出的电压调节器的情况下，插入用于相位补偿的电阻器有可能获得与第一实施例的相同的效果。在具有两级电压放大的传统的相位补偿的情况下，需要在输出晶体管的栅极和源极之间新插入电阻器和电容器。然而，在如图3中示出的第二实施例中，插入的电阻器与输出晶体管的栅极串联，由此可以不用增加用于相位补偿的具有大电容值的电容器而实现相位补偿。

虽然已经在图1和图3的第一和第二实施例中描述了插入用于相位补偿的电阻器，但电容器是与电阻器并联方式插入的。然后，该电容器对于相位补偿是需要的。该电容器的使用是为了减小电阻器在更高的频率对于相位补偿的作用。本发明的目的不在于为了相位补偿插入电容器，而在于插入与输出晶体管的栅极串联的电阻器。由此，本发明不是指这种电阻器和电容器需要彼此并联连接的结构。

Claims (2)

1.一种电压调节器，包括：

参考电压电路，其连接在电源和地之间；

分压电路，由旁漏电阻器组成，用于分压将被提供到外部负载的输出电压；

差动放大器，用于将分压电路的输出与参考电压电路的输出相比较以便输出第一信号；

MOS晶体管，具有连接差动放大器的输出的栅极，以及连接电源的源极；

恒流电路，其连接在MOS晶体管的漏极和地之间；

为了执行相位补偿而连接的电阻器，由该MOS晶体管的漏极输出的第二信号被输入到该电阻器；以及

输出晶体管，其连接在电源和分压电路之间，该电阻器的输出连接到输出晶体管的栅极。

2.一种电压调节器，包括：

参考电压电路，其连接在电源和地之间；

分压电路，由旁漏电阻器组成，用于分压将被提供到外部负载的输出电压；

差动放大器，用于将分压电路的输出与参考电压电路的输出相比较以便输出第一信号；

MOS晶体管，具有连接差动放大器的输出的栅极，以及连接电源的源极；

恒流电路，其连接在MOS晶体管的漏极和地之间；

为了执行相位补偿而彼此并联连接的电阻器和电容器，由该MOS晶体管的漏极输出的第二信号被输入到并联连接的电阻器和电容器；以及

输出晶体管，其连接在电源和分压电路之间，该并联连接的电阻器和电容器的输出连接到输出晶体管的栅极。

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