CN106557106A - 用于调节器电路的补偿网络 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于调节器电路的补偿网络。线性调节器包括具有输入端和输出端的驱动电路，其中，该输出端被配置为用于驱动功率晶体管的控制端子以便传送负载电流。误差放大器起到对在参考信号与反馈信号之间的差进行放大以在该驱动电路的该输入端处生成误差信号的作用。补偿电路包括由补偿电容器与可变电阻电路形成的串联电路，其中，该串联电路被耦接至该驱动电路的该输入端。电流感测电路操作以感测该负载电流。该可变电阻电路的电阻响应于所感测到的负载电流而改变。

Description

用于调节器电路的补偿网络
技术领域
本发明涉及调节器电路，并且具体地涉及包括用于在大负载电流范围上提供恒定带宽的补偿网络的调节器电路。
背景技术
参照图1，图1示出了常规的调节器电路10。电路10包括功率晶体管12，该功率晶体管具有被耦接至电压源节点(V输入)的第一导电端子以及被耦接至输出节点(V输出)的第二导电端子。功率晶体管12可以包括或者n沟道MOSFET器件(其中，第一导电端子是漏极节点并且第二导电端子是源极节点)或者p沟道MOSFET器件(其中，第一导电端子是源极节点并且第二导电端子是漏极节点)。功率晶体管的控制端子(例如，MOSFET器件的栅极节点)由单位增益电压缓冲器电路14的输出端以栅极电压V栅极驱动。缓冲器电路14的输入端被耦接至误差放大器电路16的输出端，该误差放大器电路生成误差信号Vc。例如，误差放大器电路16可包括差分放大器(如OP-AMP)，该差分放大器具有被耦接以接收参考电压(Vref)的第一输入端以及被耦接以接收反馈电压(Vfb)的第二输入端。在使用n沟道功率晶体管12的实现方式中，第一输入端是放大器电路16的非反相输入端并且第二输入端是反相输入端。反之，在使用p沟道功率晶体管12的实现方式中，第一输入端是放大器电路16的反相输入端并且第二输入端是非反相输入端。反馈电路网络18被耦接于该输出节点V输出与放大器电路16的第二输入端之间。例如，反馈电路网络18可以包括由串联连接的电阻器R1和R2形成的电阻分压器电路。
电路10利用负反馈以获得在某个输出电流范围上针对负载(LOAD)的稳定的电压输出(V输出)。在输出节点V输出处提供负载电容器20以降低输出噪声并且提高瞬态响应。在小负载电流范围上针对所选择的输出电容器补偿负反馈稳定性并不困难。然而，如果负载电流在大范围上变化则难以获得补偿。在应用中，负载电流可以显著地在不同的操作情景上。在正常操作期间，负载电流可以从几十毫安培变化至若干安培，而在低功率待机模式期间，负载电流可以低至若干微安培。图1的电路10无法在这样的负载电流范围上操作。
为在应用中提供更大的灵活性，现有技术需要一种能够处理大负载电流范围的改进的调节器电路。
发明内容
在实施例中，一种电路包括：用于线性调节器的控制电路，该控制电路包括具有输入端和输出端的驱动电路，该输出端被配置为用于驱动功率晶体管的控制端子以便传送负载电流，该控制电路进一步包括被配置为用于对参考信号与反馈信号之间的差进行放大以在该驱动电路的该输入端处生成误差信号的误差放大器；以及补偿电路，该补偿电路包括：由补偿电容器与可变电阻电路形成的串联电路，该串联电路被耦接至该驱动电路的该输入端；以及电流感测电路，该电流感测电路被配置为用于感测该负载电流并且响应于所感测到的负载电流而改变该可变电阻电路的电阻。
在实施例中，一种电路包括：驱动电路，该驱动电路具有输入端和输出端，该输出端被配置为用于驱动功率晶体管的控制端子以便传送负载电流；以及补偿电路，该补偿电路包括：补偿电容器；可变电阻电路，该可变电阻电路与该补偿电容器串联耦接以形成被耦接至该驱动电路的该输入端的串联电路；以及电流感测电路，该电流感测电路被配置为用于感测该负载电流并且响应于所感测到的负载电流而改变该可变电阻电路的电阻。
在实施例中，一种方法包括：响应于控制信号而驱动功率晶体管以传送负载电流；感测该负载电流；以及通过根据所感测到的负载电流来改变补偿电阻器的电阻以补偿该控制信号。
附图说明
为了更好地理解实施例，现在将仅以示例方式参考附图，在附图中：
图1是常规的调节器电路的电路图；
图2是包括补偿网络的调节器电路的实施例的电路图；
图3是用于图2的电路中的补偿网络的电路图；以及
图4A-4C是图2和图3的调节器电路的稳定性分析的波特图。
具体实施方式
现在参照图2，图2示出了调节器电路100的实施例。电路100包括功率晶体管112，该功率晶体管具有被耦接至电压源节点(V输入)的第一导电端子以及被耦接至输出节点(V输出)的第二导电端子。功率晶体管112可以包括或者n沟道MOSFET器件(其中，第一导电端子是漏极节点并且第二导电端子是源极节点)或者p沟道MOSFET器件(其中，第一导电端子是源极节点并且第二导电端子是漏极节点)。功率晶体管的控制端子(例如，MOSFET器件的栅极节点)由单位增益电压缓冲器电路114的输出端以电压V栅极驱动。缓冲器电路114的输入端被耦接至误差放大器电路116的输出端，该误差放大器电路生成误差信号Vc。例如，误差放大器电路116可包括差分放大器(如OP-AMP)，该差分放大器具有被耦接以接收参考电压(Vref)的第一输入端以及被耦接以接收反馈电压(Vfb)的第二输入端。在使用n沟道功率晶体管112的实现方式中，第一输入端是放大器电路116的非反相输入端并且第二输入端是反相输入端。反之，在使用p沟道功率晶体管112的实现方式中，第一输入端是放大器电路116的反相输入端并且第二输入端是非反相输入端。反馈电路网络118被耦接于该输出节点V输出与放大器电路116的第二输入端之间。例如，反馈电路网络118可以包括电阻分压器电路。
电路100进一步包括补偿网络150。网络150包括电流感测电路152，该电流感测电路被耦接以感测流过功率晶体管112至连接在输出V输出处的负载的负载电流(I负载)。网络150进一步包括补偿电容器Cc，该补偿电容器与单位增益电压缓冲器电路114的非反相输入端与接地参考电源节点(GND)之间的可变补偿电阻器R3串联耦接。响应于由电流感测电路152感测到的负载电流I负载来进行对电阻器R3的可变电阻的控制。
现在参照图3，图3示出了用于补偿网络150的电路实现方式的实施例的细节。电流感测电路152被耦接以感测流过功率晶体管112至连接在输出V输出处的负载的负载电流并且输出感测电流(I感测)，该感测电流是负载电流I负载的大小的一部分(1/y)。电流感测电路152包括感测晶体管154，该感测晶体管具有被耦接至电压源节点(V输入)的第一导电端子以及第二导电端子。如果功率晶体管112是n沟道器件，则感测晶体管154是n沟道MOSFET器件(其中，第一导电端子是漏极节点并且第二导电端子是源极节点)；或者，如果功率晶体管112是p沟道器件，则感测晶体管是p沟道MOSFET器件(其中，第一导电端子是源极节点并且第二导电端子是漏极节点)。感测晶体管154的控制端子(例如，MOSFET器件的栅极节点)被连接至功率晶体管112的控制端子。感测晶体管154是功率晶体管112的1:y比例副本。
电流感测电路152进一步包括由差分放大器156和晶体管158形成的调节电路。放大器156的非反相输入端被连接以接收输出节点(V输出)处的电压。放大器156的反相输入端被连接至感测晶体管154的第二导电端子以接收电压V电流镜。晶体管158使其源漏路径与感测晶体管154的源漏路径串联连接。晶体管的栅极158被连接至放大器156的输出端。调节电路操作以强制电压V电流镜等于电压V输出。当这种情况发生时，功率晶体管112和感测晶体管154具有相同的源极电压、栅极电压和漏极电压。从而，流过晶体管154和158的电流I感测是流过功率晶体管112的负载电流的一部分，该部分由感测晶体管与功率晶体管的1:y比率(即，I感测＝I负载/y)来设置。
感测电流I感测被施加到由晶体管166和晶体管168形成的电流镜电路164的输入端。晶体管166和168是n沟道MOSFET器件，其中，晶体管168比晶体管166小x倍(即，这些晶体管是具有1:x缩放比率的副本)。晶体管168的电流传导路径与补偿电容器160串联连接。电流镜电路164相应地输出补偿电流(I补偿)，该补偿电流是感测电流I感测的一部分(1/x)，并且更具体地，是负载电流I负载的一部分(1/(yx))。晶体管166和168的源极端子被耦接至接地节点，并且晶体管166和168的栅极端子被耦接在一起并且在电流镜电路164的输入端处被耦接到晶体管166的漏极端子。晶体管168的漏极端子在电流镜电路164的输出端处以提供补偿电流I补偿。具有电容Cc的补偿电容器160被连接于电流镜电路164的输出端与单位增益电压缓冲器电路114的非反相输入端之间。
在实施例中，误差放大器电路116是具有跨导为gm1的运算跨导放大器(OTA)。此电路116是用于调节器100的反馈回路的第一级。在输出端处的是参考电压Vref与反馈电压Vfb之间的电压差。
单位增益电压缓冲器电路114由具有跨导为gm2的放大器电路形成。
功率晶体管112具有跨导gm3和栅极电容C栅极。晶体管112的大小由其宽度与长度的比率(Wp/Lp)来定义。
晶体管166具有跨导gm4。晶体管166的大小由其宽度与长度的比率(Wn/Ln)来定义。
晶体管168的大小由其宽度与长度的比率(Wm/Lm)来定义。
晶体管168用作与补偿电容器160串联连接的可变电阻器(图2，R3)。晶体管168的漏源电阻(Rc)由晶体管168的栅源电压(Vgs)设置。晶体管168的Vgs等于晶体管166的Vgs。晶体管166的Vgs由晶体管166的大小和从晶体管166的漏源流出的电流I感测设置。从而，晶体管168的电阻Rc的值根据负载电流I负载的变化而改变，因为I感测＝I负载/y。
一旦设计被闭合，该设计中的gm1、gm2、gm3和Cc的值是固定值。
然而，Rc的值随着gm4的值而变化，并且gm4随着I感测而变化，I感测随着I负载而变化。所以，Rc的值随着I负载而变化。
Rc是晶体管158的漏极与源极之间的电阻。晶体管158在三极管区域内工作。从而，
其中，M166和M168分别是指晶体管166和168。
由于，且则
从而，跨导gm3随着I负载而变化。
假设反馈是单位反馈，这对于稳定性补偿而言是最坏的情况。在反馈回路中存在三个极点和一个零点。在Vc节点处存在第一极点P1。在V栅极节点处存在第二极点P2。在V输出节点处存在第三极点P3。在Vc节点处存在零点Z1。
图4A-4C示出了用于稳定性分析的三个波特图。图4A是从节点Vfb至节点Vc的波特图。图4B是从节点Vc至节点V输出的波特图。图4C是负反馈回路的波特图。
在图4C波特图中，存在一个极点和一个零点。没有该零点的单位增益带宽是零点位于一旦该设计被闭合，的值是固定的。的值随着负载电流而变化。
在图4B的波特图中，单位增益带宽位于第二极点位于gm3和gm2的值都随着I负载而变化。
如果我们而是使V输出/Vc波特图的单位增益带宽位于Vc/Vfb波特图的零点的频率处，反馈回路的波特图将如图4C中所示出的那样。存在三个极点和一个零点。零点的频率是或相同的频率。单位增益带宽位于还需要保证的是，位于比更高的频率上。那么，通过所选择的负载电容，调节回路的单位增益带宽是不依赖于负载电流的恒定值。
为简化计算，假设x＝1。那么，简化：
所以，如果电流感测电路的感测比率1:y满足以上等式，并且位于比更高的频率上，调节器的单位增益带宽总是并且从而不依赖于负载电流。在带宽内，存在两个极点和一个零点。反馈回路的相位裕度应当是可以接受的。***稳定性不依赖于负载电流。
前述分析假设P沟道MOSFET用于功率晶体管112。如所讨论的，功率晶体管112可以替代性地包括n沟道器件。在这种情况下，对于误差放大器电路116，输入极性在gm1上变化。这些计算将几乎与上文所提供的那些计算相同，除了如下面所示的：
由于晶体管112、166和168都是N型的，我们使：
K′n＝K′p
所以，
再次，如果电流感测电路的感测比率1:y满足以上等式，并且位于比更高的频率上，调节器的单位增益带宽总是并且从而不依赖于负载电流。在带宽内，存在两个极点和一个零点。反馈回路的相位裕度应当是可以接受的。***稳定性不依赖于负载电流。
已经通过对本发明的示例性实施例的完整且信息性的描述的示例性且非限制性示例提供了之前的描述。然而，对于相关领域的技术人员而言，鉴于前面的描述，当结合附图和所附权利要求书来阅读本说明书时，各种修改和适配会变得明显。然而，对本发明教导的所有这样和类似的修改将仍然落入如所附权利要求书所确定的本发明的范围之内。

Claims (23)

1.一种电路，包括：
用于线性调节器的控制电路，所述控制电路包括具有输入端和输出端的驱动电路，所述输出端被配置为用于驱动功率晶体管的控制端子以便传送负载电流，所述控制电路进一步包括被配置为用于对参考信号与反馈信号之间的差进行放大以在所述驱动电路的所述输入端处生成误差信号的误差放大器；以及
补偿电路，所述补偿电路包括：
由补偿电容器与可变电阻电路形成的串联电路，所述串联电路被耦接至所述驱动电路的所述输入端；以及
电流感测电路，所述电流感测电路被配置为用于感测所述负载电流并且响应于所感测到的负载电流而改变所述可变电阻电路的电阻。
2.如权利要求1所述的电路，其中，所述可变电阻电路包括晶体管，所述晶体管具有与所述补偿电容器串联耦接的电流传导路径以及被耦接至所述电流感测电路的输出端的控制端子。
3.如权利要求2所述的电路，其中，所述晶体管是电流镜电路的电路部件。
4.如权利要求3所述的电路，其中，所述电流感测电路被配置为用于生成感测电流，并且其中，所述电流镜电路具有被配置为用于接收所述感测电流的输入端。
5.如权利要求1所述的电路，其中，所述电流感测电路被配置为用于生成感测电流，所述感测电流是所述负载电流的一部分。
6.如权利要求5所述的电路，其中，所述电流感测电路包括感测晶体管，所述感测晶体管具有被耦接至所述驱动电路的所述输出端的控制端子，所述感测晶体管具有被配置为用于输出所述感测电流的导电端子。
7.如权利要求6所述的电路，其中，所述电流感测电路包括调节器电路，所述调节器电路被配置为用于强制在所述感测晶体管的所述导电端子处的电压等于在所述功率晶体管的相应的导电端子处的电压。
8.如权利要求7所述的电路，其中，所述调节器电路包括：
差分放大器，所述差分放大器具有被耦接至所述感测晶体管的所述导电端子的第一输入端以及被耦接至所述功率晶体管的所述相应的导电端子的第二输入端；以及
调节器晶体管，所述调节器晶体管具有与所述感测晶体管的传导路径串联耦接的传导路径并且具有被耦接至所述差分放大器的输出端的控制端子。
9.如权利要求5所述的电路，进一步包括被耦接至所述功率晶体管的输出端的负载电容器，其中，所述部分具有根据所述负载电容器的电容而设置的值。
10.如权利要求5所述的电路，进一步包括被耦接至所述功率晶体管的输出端的负载电容器，其中，所述部分具有根据所述负载电容器的电容与所述补偿电容器的电容的比率而设置的值。
11.如权利要求1所述的电路，进一步包括被耦接至所述功率晶体管的输出端的反馈电路，所述反馈电路被配置为用于生成所述反馈信号。
12.一种电路，包括：
驱动电路，所述驱动电路具有输入端和输出端，所述输出端被配置为用于驱动功率晶体管的控制端子以便传送负载电流；以及
补偿电路，所述补偿电路包括：
补偿电容器；
可变电阻电路，所述可变电阻电路与所述补偿电容器串联耦接以形成被耦接至所述驱动电路的所述输入端的串联电路；以及
电流感测电路，所述电流感测电路被配置为用于感测所述负载电流并且响应于所感测到的负载电流而改变所述可变电阻电路的电阻。
13.如权利要求12所述的电路，其中，所述可变电阻电路包括晶体管，所述晶体管具有与所述补偿电容器串联耦接的电流传导路径以及被耦接至所述电流感测电路的输出端的控制端子。
14.如权利要求13所述的电路，其中，所述电流感测电路被配置为用于生成感测电流，并且其中，所述晶体管的所述控制端子被耦接以接收所述感测电流。
15.如权利要求14所述的电路，其中，所述感测电流是所述负载电流的一部分。
16.如权利要求15所述的电路，进一步包括被耦接至所述功率晶体管的输出端的负载电容器，其中，所述部分具有根据所述负载电容器的电容而设置的值。
17.如权利要求16所述的电路，进一步包括被耦接至所述功率晶体管的输出端的负载电容器，其中，所述部分具有根据所述负载电容器的电容与所述补偿电容器的电容的比率而设置的值。
18.一种方法，包括：
响应于控制信号而驱动功率晶体管以传送负载电流；
感测所述负载电流；以及
通过根据所感测到的负载电流来改变补偿电阻器的电阻以补偿所述控制信号。
19.如权利要求18所述的方法，进一步包括根据反馈信号生成所述控制信号，其中，补偿包括补偿所述反馈信号。
20.如权利要求18所述的方法，其中，改变电阻值包括改变形成所述补偿电阻器的晶体管器件的传导。
21.如权利要求20所述的方法，进一步包括生成是所述负载电流的一部分的感测电流并且使用所述感测电流来控制所述晶体管器件的传导。
22.如权利要求21所述的方法，其中，负载电容器被耦接至所述功率晶体管的输出端，并且其中，所述部分具有根据所述负载电容器的电容而设置的值。
23.如权利要求21所述的方法，其中，负载电容器被耦接至所述功率晶体管的输出端，并且其中，所述部分具有根据所述负载电容器的电容与补偿电容器的电容的比率而设置的值，所述补偿电容器与形成所述补偿电阻器的所述晶体管器件串联耦接。
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