CN106558987B - 低静态电流线性调节器电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及低静态电流线性调节器电路。线性调节器电路包括被耦接于输入电压节点与输出电压节点之间的功率晶体管。该线性调节器的控制电路包括反馈网络，该反馈网络具有被耦接至该输出电压节点的输入端以及被配置为用于生成反馈电压的输出端。误差放大器接收参考电压和该反馈电压以生成误差信号。驱动器电路接收该误差信号并且具有被耦接以驱动该功率晶体管的控制端子的输出端。该驱动器电路的第一电源端子被耦接至第一电源节点，并且该驱动器电路的第二电源端子被耦接至该输出电压节点。用于操作该驱动器电路的偏置电流被相应地直接拉至该输出电压节点以支持该调节器电路的低静态电流操作。

Description

低静态电流线性调节器电路

技术领域

本发明涉及线性调节器电路，并且具体地涉及带有低静态电流消耗特性的线性调节器电路。

背景技术

在本领域中需要一种可以在节约驱动器电路的电流的同时保持载荷能力的改进的线性调节器电路。将优选的是，无论需要多少输出电流，线性调节器电路都以减小的电流消耗来操作。

发明内容

在实施例中，被配置为用于控制被耦接于输入电压节点与输出电压节点之间的功率晶体管的线性调节器控制电路包括：反馈网络，该反馈网络具有被耦接至该输出电压节点的输入端以及被配置为用于生成反馈电压的输出端；误差放大器，该误差放大器具有被配置为用于接收参考电压的第一输入端以及被配置为用于接收该反馈电压的第二输入端；以及驱动器电路，该驱动器电路具有被耦接至该误差放大器的输出端的输入端以及被耦接以驱动该功率晶体管的控制端子的输出端，该驱动器电路具有被耦接至第一电源节点的第一电源端子以及被耦接至该输出电压节点的第二电源端子。

在实施例中，被配置为用于控制被耦接于输入电压节点与输出电压节点之间的功率晶体管的线性调节器控制电路包括：反馈网络，该反馈网络具有被耦接至该输出电压节点的输入端以及被配置为用于生成反馈电压的输出端；误差放大器，该误差放大器具有被配置为用于接收参考电压的第一输入端以及被配置为用于接收该反馈电压的第二输入端；以及驱动器电路，该驱动器电路具有被耦接至该误差放大器的输出端的输入端以及被耦接以驱动该功率晶体管的控制端子的输出端，该驱动器电路包括被耦接于第一电源端子与第二电源端子之间的放大器电路；其中，该驱动器电路的所述第二电源端子被直接连接至该输出电压节点。

在实施例中，被配置为用于控制被耦接于输入电压节点与输出电压节点之间的功率晶体管的线性调节器控制电路包括：反馈网络，该反馈网络被耦接于该输出电压节点与接地电源节点之间并且具有被配置为用于生成反馈电压的输出端；误差放大器，该误差放大器具有被配置为用于接收参考电压的第一输入端以及被配置为用于接收该反馈电压的第二输入端，所述误差放大器具有被直接连接至正电源节点的第一电源端子以及被直接连接至该接地电源节点的第二电源端子；以及驱动器电路，该驱动器电路具有被耦接至该误差放大器的输出端的输入端以及被耦接以驱动该功率晶体管的控制端子的输出端，该驱动器电路具有被直接连接至该正电源节点的第一电源端子以及被直接连接至该输出电压节点的第二电源端子。

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是线性调节器电路的实施例的电路图；

图2是带有减小的静态电流消耗的线性调节器电路的实施例的电路图；以及

图3是图2的线性调节器电路的晶体管级别电路图。

具体实施方式

参照图1，图1示出了线性调节器电路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输入节点(V_输入)的第一导电端子以及被耦接至电压输出节点(V_输出)的第二导电端子。功率晶体管12通常包括n沟道MOSFET器件，从而使得该第一导电端子是漏极节点并且该第二导电端子是源极节点。功率晶体管12的控制端子(例如，该n沟道MOSFET器件的栅极节点)由驱动器电路14的输出端以电压(V_栅极)驱动。驱动器电路14具有被连接至正电源节点(V_电源)的正电源端子以及被连接至接地电源节点(GND)的负电源端子。在一种实现方式中，电源电压和输入电压可以是相同的电压。驱动器电路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可包括运算跨导放大器(OTA)，该运算跨导放大器具有被耦接以接收参考电压(Vref)的非反相输入端以及被耦接以接收反馈电压(Vfb)的反相输入端。误差放大器电路16具有被连接至该正电源节点(V_电源)的正电源端子以及被连接至该接地电源节点(GND)的负电源端子。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的第二输入端之间以提供该反馈电压Vfb。例如，反馈电路网络18可包括电阻分压器电路，该电阻分压器电路由被连接于该输出节点V_输出与该接地电源节点(GND)之间的串联连接的电阻器R1和R2形成。电阻器分压器电路的抽头节点生成了该反馈信号Vfb并且被耦接至误差放大器电路16的反相输入端。补偿网络20被耦接于驱动器电路14的输入端与该接地电源节点(GND)之间以对反馈回路的稳定性进行补偿。例如，补偿网络20可以包括电阻器R3与电容器Cc的串联连接。

用于误差放大器电路16的OTA提供了调节器的第一级，该第一级起到放大Vref与Vfb之间的误差电压差的作用。经放大的误差信号Vc被输入到驱动器电路14。驱动器电路14响应于该误差信号Vc而以电压V_栅极驱动功率晶体管12的控制端子。在线性调节器电路10的正常操作期间，从电源(V_电源和V_输入)传送的总电流由电流I1+I2+I3给出(其中，电流I1是误差放大器电路16的偏置电流，电路I2是驱动器电路14的偏置电流，并且电路I3是流过功率晶体管12的电流)。灌到地(GND)的总电流由电流I1+I2+I5给出(其中，电流I5是流过反馈网络18到地的电流)。传送至负载的电流是电流I4，其中，I3＝I4+I5。电流I1是由OTA的操作消耗的相对小电流。然而，电流I2比电流I1要相对大得多，因为驱动器电路14需要驱动功率晶体管12的控制端子(栅电容)。线性调节器10的静态电流由电流I1+I2+I5给出。当没有对负载的要求时，电流I4为零。从而，线性调节器电路的维持电流也由电流I1+I2+I5给出。

线性调节器电路10是被广泛地用于需要良好的瞬态响应和低噪声的应用中的电源***。线性调节器电路10的一个缺点是功率效率。在功率晶体管器件上有显著的功率损耗。为了最小化这种浪费，驱动器电路14必须是强大的以便使用输入电压V_输入与输出电压V_输出之间的低压差来操作功率晶体管。另外，强大的驱动器电路14的使用支持对带有良好载荷能力(如，例如，高输出电流、良好的瞬态响应、良好的电源抑制比(PSRR))的线性调节器进行操作。然而，强大驱动器电路的提供以大电流消耗(更具体地，操作驱动器电路14所需的来自偏置电流I2的电流消耗)为代价。

虽然图1中示出了n沟道功率MOSFET器件，将理解的是，线性调节器电路10可以而是使用p沟道功率MOSFET器件。当输出电流需求较大时选择n沟道器件，因为n沟道器件在以较小的器件大小处理较大的电流上比p沟道器件更有效。此外，n沟道功率MOSFET器件将通常提供较好的瞬态响应。然而，通过使用n沟道功率MOSFET器件，需要强大的驱动器电路14以便实现令人满意的瞬态响应和操作稳定性。对这种驱动器电路14的操作令人不快地需要大静态工作电流。如果线性调节器电路架构可以而是支持高度减小的静态工作电流，则将是有利的。如果当负载要求低时线性调节器电路架构提供低功率维持行为，则将是额外有利的。

现在参照图2，图2示出了带有减小的静态电流消耗的线性调节器电路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输入节点(V_输入)的第一导电端子以及被耦接至输出电压节点(V_输出)的第二导电端子。功率晶体管112通常包括n沟道MOSFET器件，从而使得该第一导电端子是漏极节点并且该第二导电端子是源极节点。功率晶体管112的控制端子(例如，该n沟道MOSFET器件的栅极节点)由驱动器电路114的输出(V_栅极)驱动。驱动器电路114具有被连接至正电源节点(V_电源)的正电源端子以及被连接至输出节点(V_输出)的负电源端子。在一种实现方式中，电源电压和输入电压可以是相同的电压。驱动器电路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可包括运算跨导放大器(OTA)，该运算跨导放大器具有被耦接以接收参考电压(Vref)的非反相输入端以及被耦接以接收反馈电压(Vfb)的反相输入端。误差放大器电路116具有被连接至该正电源节点(V_电源)的正电源端子以及被连接至接地电源节点(GND)的负电源端子。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可包括电阻分压器电路，该电阻分压器电路由被连接于该输出节点V_输出与该接地电源节点(GND)之间的串联连接的电阻器R1和R2形成。电阻器分压器电路的抽头节点生成该反馈信号Vfb并且被耦接至误差放大器电路116的反相输入端。补偿网络120被耦接于驱动器电路114的输入端与该接地电源节点(GND)之间以对反馈回路的稳定性进行补偿。例如，补偿网络120可以包括电阻器R3与电容器Cc的串联连接。

用于误差放大器电路116的OTA提供了调节器的第一级，该第一级起到放大Vref与Vfb之间的误差电压差的作用。放大的误差信号Vc被输入到驱动器电路114。驱动器电路114响应于该误差信号而以电压V_栅极驱动功率晶体管112的控制端子。在线性调节器电路100的正常操作期间，从电源(V_电源和V_输入)传送的总电流由电流I1+I2+I3给出(其中，电流I1是误差放大器电路116的偏置电流，电路I2是驱动器电路114的偏置电流，并且电路I3是流过功率晶体管112的电流)。灌到图2的电路100中的地(GND)的总电流由电流I1+I5给出(其中，电流I5是流过反馈网络18到地的电流)。在这种电路配置中，用于驱动器电路114的偏置电流I2是负载电流的一部分，从而使得I2+I3＝I4+I5，其中，电流I4是传送至负载的电流。从而，用于线性调节器电路100的静态电流由电流I1+I5给出。电流I1是由OTA的操作消耗的相对小电流。电流I2比电流I1要相对大得多，因为驱动器电路114需要驱动功率晶体管12的控制端子。假设负载所需要的电流I4减小，这将引起电流I2的相应减小。当没有对负载的要求时，即，电流I4为零，该线性调节器电路的维持电流也由电流I1+I5给出。

现在参照图3，图3示出了基于图2中所示出的架构的线性调节器电路100的晶体管级别实现方式。V_电源是用于调节器的控制电路的正电源电压。V_输入是有待被调节器所调节的输入电压。如果期望的话，V_电源和V_输入可以是相同的电压。

误差放大器电路116是使用由晶体管M0、M1、M12、M13、M14、M15、M16和M17形成的一级折叠共源共栅放大器设计所实现的OTA。晶体管M12和M13形成用于OTA的差分输入晶体管对。电流I1是差分输入晶体管对的流过尾电流源CS1的尾电流。晶体管M16和M17被配置为电流源晶体管，这些电流源晶体管由偏置电压V_{偏置_a}所偏置。由偏置电压V_{偏置_b}所偏置的晶体管M14和M15是提供用于晶体管M12、M13、M16和M17的漏极端子的电压偏置的共源共栅器件。晶体管M0和M1是形成电流镜电路的负载晶体管。在晶体管M1和M15的漏极端子处取误差放大器电路116的输出以提供误差信号Vc。

补偿网络120是由在误差放大器电路116的输出端与接地电源节点(GND)之间的电容器Cc和电阻器R3的串联连接形成的。

箝位电路130由串联连接于误差放大器电路116的输出端与调节器输出节点V_输出之间的二极管D1和D2形成。二极管D1和D2的阴极被连接在一起。二极管D2的阳极被连接至误差放大器电路116的输出端，并且二极管D1(例如，其是齐纳二极管)的阳极被连接至调节器输出节点V_输出。箝位电路130起到将电压箝位在Vc与V_输出之间以便保护功率晶体管112的栅极的作用，但是关于此电路应该指出的是，V_输出与Vc之间的电压未被箝位。本领域技术人员将认识到，电路130的二极管D1和D2可以由与功率晶体管112的栅极电压额定值相匹配的任何种类的嵌位电路来替代。

驱动器电路114由电流源CS2、二极管D0以及晶体管M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9和M10形成。Vc是驱动器电路的输入，并且V_栅极是驱动器电路的输出。二极管D0是晶体管M7的寄生二极管。当误差信号Vc的电压低于输出电压V_输出时，晶体管M7关断并且二极管D0和晶体管M7保护输入晶体管M4的栅极免于反向击穿。晶体管M2、M3、M4、M5和M9形成单位增益缓冲器电路。该缓冲器电路的输入在晶体管M4的栅极处。该缓冲器电路的输出在晶体管M5的漏极处。通过将晶体管M5的漏极和栅极连接在一起来提供负反馈。晶体管M4和M5形成差分输入晶体管对。晶体管M2和M3是被连接以形成电流镜电路的负载晶体管。晶体管M9是用于该输入差分对的尾电流源晶体管。晶体管M6作为源极跟随器晶体管而被连接，其偏置电流由晶体管M10提供。电流源CS2被连接至晶体管M8以形成偏置生成器电路，该偏置生成器电路以一种电流镜的关系与晶体管M9和M10连接来为由晶体管M6和M10形成的驱动器输出级提供偏置电流。

反馈网络118由串联连接于输出节点与接地电源节点之间的电阻器R1和R2形成。电阻器R1与R2之间的抽头节点生成反馈电压Vfb以便施加于误差放大器电路116中的晶体管M13的栅极。参考电压Vref被施加到晶体管M12的栅极。

线性调节器电路100以如下方式操作：

通过反馈网络118来感测输出电压V_输出以生成反馈电压Vfb。通过误差放大器电路116来放大Vref与Vfb之间的误差电压以生成误差信号Vc。输出自驱动器电路114的电压V_栅极跟随误差信号Vc的电压以便控制功率晶体管112的栅极电压。通过负反馈回路，反馈电压Vfb将跟随参考电压Vref，并且输出节点处的输出电压V_输出被调节为：

V_输出＝Vref*(Vfb1+Vfb2)/Vfb2，其中，Vfb1和Vfb2分别是跨电阻器R1和R2的电压。

将由反馈回路针对不同的负载电流来控制误差信号Vc、驱动器电路114的输出(V_栅极)以及在驱动器电路114中的输入晶体管M4与M5的公共连接上的节点Vs的电压。电流I2_1是驱动器电路电流I2的不受反馈回路控制的固定分量。电流I2_2和I2_3是驱动器电路电流I2的受反馈回路控制的可变分量。电流I3也是受反馈回路控制的可变电流。这种控制是通过控制电压Vs和V_栅极来执行的。

当负载电流I4较大时，那么：I4＝I2_1+I2_2+I2_3+I3-I5。

驱动器电路114的输出端处的电压V_栅极被控制以满足此等式。然而，随着负载电流I4减小，电压V_栅极和电流I3均随着电流I4的减小而减小，直至功率晶体管112的栅源电压(Vgs)低于其阈值并且电流I3为零。那么：I4＝I2_1+I2_2+I2_3-I5。

随着电流I4仍然进一步减小，反馈回路将减小电压Vs和V_栅极。电流I2_2和I2_3也将减小，因为晶体管M9和M10的漏源电压降低。

当I4被减小至0，那么：I4＝I2_1+I2_2+I2_3-I5＝0并且I2_1+I2_2+I2_3＝I5。

当晶体管M9和M10的漏源电压为零时，电流I2_2和I2_3的最小值为零。然而，如上文所提到的，电流I2_1具有不受反馈回路控制的固定值。因此，因为I2_1<＝I5，存在约束。如果I2_1>I5，那么电流I4不能为零。

那么，重要的是要注意，线性调节器电路100中的驱动器电路114是浮动驱动器，该浮动驱动器的负电源端子被直接连接至V_输出。所以，驱动器电路114的偏置电流I2也是输出电流的一部分。这不同于图1的线性调节器电路10，在该线性调节器电路中，偏置电流I2而是流向接地电源节点。从而，在误差放大器电路116的输出端以及驱动器电路114的输入端处的误差信号Vc的电压不仅控制功率晶体管112的栅极电压，而且还将驱动器电路的偏置电流控制在电流I2_1与电流I2_1+I2_2+I2_3之间的范围内以提供I2_1的最小电流。从而，线性调节器电路100的静态电流由误差放大器电路116的偏置电流和反馈网络的电流定义。

相比较于图1的电路，所披露的用于线性调节器电路100的电路实施例以提高的功率效率操作。无论需要多少输出电流，对电路的操作提供了较低的电流消耗同时维持载荷能力。用于电路的静态电流被降低至低于具有相同的带宽的正常两级运算放大器的静态电流的水平。

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 (14)

1.一种被配置为用于控制被耦接于输入电压节点与输出电压节点之间的功率晶体管的线性调节器控制电路，所述线性调节器控制电路包括：

反馈网络，所述反馈网络具有被耦接至所述输出电压节点的输入端以及被配置为用于生成反馈电压的输出端；

误差放大器，所述误差放大器具有被配置为用于接收参考电压的第一输入端以及被配置为用于接收所述反馈电压的第二输入端；以及

驱动器电路，所述驱动器电路具有被耦接至所述误差放大器的输出端的输入端以及被耦接以驱动所述功率晶体管的控制端子的输出端，所述驱动器电路具有被耦接至第一电源节点的第一电源端子以及被耦接至所述输出电压节点的第二电源端子，

其中，所述驱动器电路在所述第二电源端子处的偏置电流被施加至所述输出电压节点。

2.如权利要求1所述的线性调节器控制电路，其中，所述反馈网络被耦接于所述输出电压节点与第二电源节点之间。

3.如权利要求1所述的线性调节器控制电路，其中，所述误差放大器具有被耦接至所述第一电源节点的第一电源端子以及被耦接至第二电源节点的第二电源端子。

4.如权利要求3所述的线性调节器控制电路，其中，所述第一电源节点是正电源节点并且所述第二电源节点是接地电源节点。

5.如权利要求1所述的线性调节器控制电路，其中，所述驱动器电路包括：

缓冲放大器电路，所述缓冲放大器电路具有在公共节点处被连接至尾电流源的差分输入晶体管对；

其中，所述差分输入晶体管对被耦接至所述第一电源端子；并且

其中，所述尾电流源被耦接至所述第二电源端子。

6.如权利要求1所述的线性调节器控制电路，其中，所述驱动器电路包括：

源极跟随器晶体管；以及

偏置电流晶体管；

其中，所述源极跟随器晶体管和偏置电流晶体管被串联耦接于所述第一电源端子与所述第二电源端子之间。

7.如权利要求1所述的线性调节器控制电路，其中，所述驱动器电路响应于被从所述第一电源节点拉至所述第一电源端子的偏置电流而操作，所述偏置电流在所述第二电源端子处从所述驱动器电路输出并且被施加至所述输出电压节点。

8.一种被配置为用于控制被耦接于输入电压节点与输出电压节点之间的功率晶体管的线性调节器控制电路，所述线性调节器控制电路包括：

反馈网络，所述反馈网络具有被耦接至所述输出电压节点的输入端以及被配置为用于生成反馈电压的输出端；

误差放大器，所述误差放大器具有被配置为用于接收参考电压的第一输入端以及被配置为用于接收所述反馈电压的第二输入端；以及

驱动器电路，所述驱动器电路具有被耦接至所述误差放大器的输出端的输入端以及被耦接以驱动所述功率晶体管的控制端子的输出端，所述驱动器电路包括被耦接于第一电源端子与第二电源端子之间的放大器电路；

其中，所述驱动器电路的所述第二电源端子被直接连接至所述输出电压节点，并且

其中，所述驱动器电路在所述第二电源端子处的偏置电流被直接施加至所述输出电压节点。

9.如权利要求8所述的线性调节器控制电路，其中，所述放大器电路包括：

差分输入晶体管对，所述差分输入晶体管对在公共节点处被连接至尾电流源；

其中，所述差分输入晶体管对被耦接至所述第一电源端子；并且

其中，所述尾电流源被耦接至所述第二电源端子。

10.如权利要求8所述的线性调节器控制电路，其中，所述驱动器电路包括：

源极跟随器晶体管，所述源极跟随器晶体管由所述放大器电路的输出控制；以及

偏置电流晶体管；

其中，所述源极跟随器晶体管和偏置电流晶体管被串联耦接于所述第一电源端子与所述第二电源端子之间。

11.如权利要求8所述的线性调节器控制电路，其中，所述驱动器电路响应于被拉至所述第一电源端子的偏置电流而操作，所述偏置电流在所述第二电源端子处从所述驱动器电路输出并且被施加至所述输出电压节点。

12.一种被配置为用于控制被耦接于输入电压节点与输出电压节点之间的功率晶体管的线性调节器控制电路，所述线性调节器控制电路包括：

反馈网络，所述反馈网络被耦接于所述输出电压节点与接地电源节点之间并且具有被配置为用于生成反馈电压的输出端；

误差放大器，所述误差放大器具有被配置为用于接收参考电压的第一输入端以及被配置为用于接收所述反馈电压的第二输入端，所述误差放大器具有被直接连接至正电源节点的第一电源端子以及被直接连接至所述接地电源节点的第二电源端子；以及

驱动器电路，所述驱动器电路具有被耦接至所述误差放大器的输出端的输入端以及被耦接以驱动所述功率晶体管的控制端子的输出端，所述驱动器电路具有被直接连接至所述正电源节点的第一电源端子以及被直接连接至所述输出电压节点的第二电源端子，

其中，所述驱动器电路在所述第二电源端子处的偏置电流被施加至所述输出电压节点。

13.如权利要求12所述的线性调节器控制电路，其中，所述驱动器电路包括：

差分输入晶体管对，所述差分输入晶体管对在公共节点处被连接至尾电流源；

其中，所述差分输入晶体管对被耦接至所述正电源节点；并且

其中，所述尾电流源被直接连接至所述输出电压节点。

14.如权利要求12所述的线性调节器控制电路，其中，所述驱动器电路包括：

源极跟随器晶体管；以及

偏置电流晶体管；

其中，所述源极跟随器晶体管和偏置电流晶体管被串联耦接，并且所述源极跟随器晶体管被直接连接至所述正电源节点并且所述偏置电流晶体管被直接耦接至所述输出电压节点。