JP7170861B2 - Nmosトランジスタを使用するldoレギュレータ - Google Patents

Nmosトランジスタを使用するldoレギュレータ Download PDF

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Description

本発明は、低ドロップアウト(LDO)レギュレータ、より具体的には、出力トランジスタとしてNMOSトランジスタを使用するLDOレギュレータに関する。
低ドロップアウト(LDO)レギュレータは、デバイスサイズが小さく、設計がより大きく簡易化され、消費電流が少なく、パワーノイズ耐性がより優れているという利点があるため、様々なタイプの回路システムで広く使用されている。LDOは、外部電源電圧を調整された、安定した内部電源電圧に変換することができる。従来、LDOは通常、その出力段にPMOSトランジスタを使用する。従来のLDOレギュレータ10の概略図である図1を参照されたい。LDOレギュレータ10において、PMOSトランジスタ102は、外部入力電源電圧VCCを変換して、内部使用のための出力電源電圧VDDを生成する。LDOレギュレータ10は、抵抗ラダー104と、エラー増幅器106と、補償コンデンサC_COMPとをさらに含む。抵抗ラダー104およびエラー増幅器106は、フィードバックループを形成する。周波数応答を補償するために、容量の大きい補償コンデンサC_COMPが配設され、それによって安定性を高め、出力リップルを低減する。
しかし、PMOS LDOレギュレータ10にはいくつかの欠点がある。詳細には、LDOレギュレータ10の過渡応答は、フィードバックループの応答速度に依存し、それにより、出力電源電圧VDDの急激な変動は、フィードバックループの応答時間の後に調整される。したがって、フィードバックループが応答する前に出力リップルを低減するには、補償コンデンサC_COMPが必要とされる。加えて、PMOSトランジスタ102は、同じサイズのNMOSトランジスタと比較して、電流能力が少ない。また、PMOS LDOレギュレータ10では、補償コンデンサC_COMPが必要であり、外部に配置されようと内部に配置されようと、大きな面積を占める。最新の集積回路では、回路密度は増加しており、オンダイ補償コンデンサを充填する余地は小さくなっている。さらに、システムは、出力電源電圧VDDを同じレベルに保ちながら、入力電源電圧VCCの範囲に、より高い柔軟性を提供することが要求されている。例えば、出力電源電圧VDDは2.2Vに等しい一方、システムは、入力電源電圧VCCが2.35Vに低下するときに正常に動作することが必要とされる。上記のすべての要因は、従来のPMOS LDOレギュレータに大きな課題をもたらす。
したがって、本発明の目的は、上記の問題を解決するために、出力段にNMOSトランジスタを使用する低ドロップアウト(LDO)レギュレータの新しい構造を提供することである。
本発明の一実施形態は、NMOSトランジスタと、抵抗ラダーと、エラー増幅器と、ゲートブースト回路とを備えるLDOレギュレータを開示する。NMOSトランジスタは、出力電圧を生成するために入力電圧を受けるように構成される。NMOSトランジスタに結合された抵抗ラダーは、出力電圧のレベルに従ってフィードバック信号を生成するように構成される。抵抗ラダーに結合されたエラー増幅器は、制御信号を生成するために抵抗ラダーからフィードバック信号を受信するように構成される。NMOSトランジスタとエラー増幅器との間に結合されたゲートブースト回路は、NMOSトランジスタを制御して出力電圧を目標レベルに引っ張るために、制御信号をブーストするように構成される。
本発明のこれらおよび他の目的は、様々な図および図に示す好ましい実施形態の以下の詳細な説明を読んだ後、当業者には間違いなく明らかになるであろう。
従来のLDOレギュレータの概略図である。 本発明の一実施形態によるLDOレギュレータの概略図である。 ゲートブースト回路の詳細な実装を備えたLDOレギュレータの概略図である。 本発明の一実施形態による別のLDOレギュレータの概略図である。
本発明の一実施形態による低ドロップアウト(LDO)レギュレータ20の概略図である図2を参照されたい。図2に示すように、LDOレギュレータ20は、NMOSトランジスタ202と、抵抗ラダー204と、エラー増幅器206と、ゲートブースト回路208とを含む。NMOSトランジスタ202は、電圧源から入力電源電圧VCCを受け、出力電源電圧VDDを生成および出力するように構成される。NMOSトランジスタ202に結合された抵抗ラダー204は、出力電源電圧VDDのレベルに従ってフィードバック信号VFBを生成するように構成される。抵抗ラダー204に結合されたエラー増幅器206は、制御信号VCTRLを生成するために抵抗ラダー204からフィードバック信号VFBを受信するように構成される。詳細には、エラー増幅器206の負の入力端子は、フィードバック信号VFBを受信し、エラー増幅器206の正の入力端子は、バンドギャップ基準電圧VBGRまたはバンドギャップ回路から生成された任意の電圧を受ける。したがって、エラー増幅器206は、フィードバック信号VFBとバンドギャップ基準電圧VBGRとの差に従って制御信号VCTRLを出力する。NMOSトランジスタ202とエラー増幅器206との間に結合されたゲートブースト回路208は、NMOSトランジスタ202のゲート端子を制御して出力電源電圧VDDを目標レベルまで引っ張るために、制御信号VCTRLをブーストするように構成される。
LDOレギュレータ20では、NMOSトランジスタ202は、ソースフォロワとして働き、ドレイン端子を介して入力電源電圧VCCを受け、ゲート端子を介してゲートブースト回路208からブーストされた制御信号を受信し、ソース端子を介して出力電源電圧VDDを出力する。したがって、過渡的な負荷変動により出力電源電圧VDDが変化すると、NMOSトランジスタ202は、フィードバックループの応答時間の前に、出力電流を即座に増減させることができる。
詳細には、NMOSトランジスタ202の動作は、以下に示すMOSFETの式に従う。
Figure 0007170861000001
式中、ΔIはNMOSトランジスタ202のドレイン電流の変動であり、KはNMOSトランジスタ202の相互コンダクタンス係数であり、W/Lは幅と長さの比であり、VgおよびVthはNMOSトランジスタ202のゲート電圧および閾値電圧であり、ΔVDDは出力電源電圧VDDの変動である。出力電源電圧VDDが急激に低下する傾向がある場合、フィードバックループが応答する前に、NMOSトランジスタ202を流れ抜ける電流が即座に増加して出力電源電圧VDDを引き上げる。出力電源電圧VDDが急激に上昇する傾向がある場合、フィードバックループが応答する前に、NMOSトランジスタ202を流れ抜ける電流が即座に減少して出力電源電圧VDDを引き下げる。したがって、NMOSトランジスタ202によって形成されるソースフォロワは、過渡的な負荷変動によって出力電源電圧VDDが変化する傾向があるときに即座に応答する。これにより、出力電源電圧VDDのリップルが大幅に低減または排除される。小信号解析に関しては、NMOSトランジスタ202によって形成されたソースフォロワは、低い出力抵抗を提供し、この低い出力抵抗は、出力極をより高い周波数に押し上げる。したがって、補償スキームは、はるかに容易になり得る。
このような状況では、フィードバックループが応答する前に、ソースフォローが応答して出力リップルを低減することができる。したがって、出力電源電圧VDDの補償コンデンサを省略してもよく、またはサイズが小さく容量の小さい補償コンデンサのみが必要とされる。その後、フィードバックループが起こり、NMOSトランジスタ202のゲート端子を一定のレベルに操作し、出力電源電圧VDDをその目標レベルに到達するように制御する。
入力電源電圧VCCが出力電源電圧VDDに近い場合、NMOSトランジスタ202のゲート電圧が、出力電源電圧VDDを引き上げるのに十分な高さのレベルに到達しない場合があることに留意されたい。典型的な実施形態では、入力電源電圧VCCは2.35Vに等しく、出力電源電圧VDDは2.2Vに等しい。したがって、ゲートブースト回路208は、NMOSトランジスタ202を制御するために制御信号VCTRLをブーストするために実装される。好ましくは、NMOSトランジスタ202は、ゼロボルト閾値電圧(ZVT)NMOSトランジスタであり、これは、ブーストされた制御信号VTRLによって出力電源電圧VDDをより容易に引き上げるためにオンにされる。
ゲートブースト回路208の詳細な実装を備えたLDOレギュレータ20の概略図である図3を参照されたい。図3に示すように、ゲートブースト回路208は、ポンピング回路302と、絶縁回路304とを含む。ポンピング回路302は、制御信号VCTRLをブーストするように構成される。絶縁回路304は、エラー増幅器206(制御信号VCTRLが生成される場所)の出力端子を寄生容量から絶縁するように構成される。ポンピング回路302は、ユニティゲインバッファUGB1と、コンデンサユニットC1と、スイッチS1_1、S1_2、およびS2とを含む。絶縁回路304は、ユニティゲインバッファUGB2と、コンデンサユニットC2と、スイッチS3_1およびS3_2とを含む。コンデンサユニットC1およびC2のそれぞれが図3では単一のコンデンサとして示されているが、1つのコンデンサユニットが単一のコンデンサまたは複数のコンデンサの組み合わせまたは互いに結合された等価静電容量であり得ることを当業者が理解すべきであることに留意されたい。詳細には、スイッチS1_1は、ユニティゲインバッファUGB1とコンデンサユニットC1の第1の端子との間に結合される。スイッチS1_2は、コンデンサユニットC1の第2の端子と接地端子との間に結合される。スイッチS2は、ユニティゲインバッファUGB2とコンデンサユニットC1の第2の端子との間に結合される。スイッチS3_1は、コンデンサユニットC1の第1の端子とコンデンサユニットC2の第1の端子との間に結合される。スイッチS3_2は、コンデンサユニットC1の第2の端子とコンデンサユニットC2の第2の端子との間に結合される。ユニティゲインバッファUGB2の正の入力端子およびコンデンサユニットC2の第2の端子は、エラー増幅器206の出力端子にさらに結合される。ユニティゲインバッファUGB2の負の入力端子は、その出力端子に結合される。さらに、ユニティゲインバッファUGB1の正の入力端子は基準電圧VREFを受け、ユニティゲインバッファUGB1の負の入力端子はその出力端子に結合される。
図3に示すゲートブースト回路208の構造は、エラー増幅器206からの制御信号VCTRLをシフトアップして、スイッチングコンデンサブースト方式を使用することによってゲート制御信号VGATEを生成することができる。次に、ゲートブースト回路208は、ゲート制御信号VGATEをNMOSトランジスタ202のゲート端子に出力する。スイッチングクロックの制御により、スイッチS1_1、S1_2、S2、S3_1、およびS3_2が協調して制御信号VCTRLを調整電圧VREGによってブーストして、ゲート制御信号VGATEを生成する。
詳細には、第1のフェーズでは、スイッチS1_1およびS1_2はオンにされ、スイッチS2、S3_1およびS3_2はオフにされる。したがって、コンデンサユニットC1の底部電極(すなわち、第2の端子)は接地され、コンデンサユニットC1の上部電極(すなわち、第1の端子)は、基準電圧VREFからユニティゲインバッファUGB1を介して生成される調整電圧VREGに充電される。第2のフェーズでは、スイッチS2はオンにされ、スイッチS1_1、S1_2、S3_1、およびS3_2はオフにされる。したがって、コンデンサユニットC1の底部電極は、ユニティゲインバッファUGB2を介して制御信号VCTRLの電圧に充電される。したがって、コンデンサユニットC1の上部電極は、次の式で与えられる電圧VCHGにシフトされる。
Figure 0007170861000002
第3のフェーズでは、スイッチS3_1およびS3_2はオンにされ、スイッチS1_1、S1_2、およびS2はオフにされる。したがって、コンデンサユニットC1およびC2の底部電極は、制御信号VCTRLを受信するためにエラー増幅器206に結合される。コンデンサユニットC1とC2の上部電極は、電荷共有を行うために互いに接続されている。第1のフェーズ、第2のフェーズ、および第3のフェーズの間を数サイクル切り替えた後、コンデンサユニットC2の両端電圧はVREGに等しくなる。したがって、ゲート制御信号VGATEの電圧は、次の式によって導出することができる。
Figure 0007170861000003
その結果、エラー増幅器206は、フィードバック信号VFBを受信することによって常に出力電源電圧VDDを感知し、それに応じて制御信号VCTRLを生成する。次に、制御信号VCTRLは、ブーストされてゲート制御信号VGATEを生成してNMOSトランジスタ202のドレイン電流を制御し、それによってさらに、出力電源電圧VDDがその目標レベルに引き上げられる。したがって、エラー増幅器206は、制御信号VCTRLおよびゲート制御信号VGATEを操作することによって、出力電源電圧VDDを調整および安定化することができる。
ゲートブースト回路208のスイッチング動作は、ゲート制御信号VGATEにリップルを生成する場合があり、したがって、出力電源電圧VDDにリップルを生成する場合があることに留意されたい。この問題を解決するために、ユニティゲインバッファUGB2を実装して、出力電源電圧VDDのリップルを低下させる。より具体的には、コンデンサユニットC1およびC2は、電圧信号をブーストするように働き、これらのコンデンサは、例えば、MOSデバイスによって形成されたチップ内に配設され得る。したがって、これらのコンデンサユニットC1およびC2には寄生容量が伴う。ゲートブースト回路208が第1のフェーズから第2のフェーズに切り替えられると、コンデンサユニットC1の底部電極上の寄生容量は、0からVCTRLに充電される。この寄生容量により、ユニティゲインバッファUGB2がない場合、制御信号VCTRLに突然のリップルが発生する場合がある。突然のリップルは、ゲート制御信号VGATEに結合され、出力電源電圧VDDにも結合される。したがって、ユニティゲインバッファUGB2は、コンデンサユニットC1の寄生容量をエラー増幅器206の出力端子から絶縁して、この切り替えによるリップルを低減または防止する。
好ましくは、エラー増幅器206は、制御信号VCTRLが接地電圧と入力電源電圧VCCとの間の範囲であるレールツーレール出力を有する。電圧VCHGおよびゲート制御信号VGATEは、ゲートブースト回路208内の回路要素の安全動作領域の上限の下で、より高いレベルにブーストされ得る。加えて、ゲート制御信号VGATEの下限は電圧レベルであってもよく、エラー増幅器206は、制御信号VCTRLとして0Vを出力する。この時点で、ゲート制御信号VGATEの電圧は、調整電圧VREGに等しく、基準電圧VREFにも等しい。ゲート制御信号VGATEの下限は、NMOSトランジスタ202を遮断するのに十分低くなければならず、基準電圧VREFのレベルを設定することによって良好に制御され得る。
LDOレギュレータ20の回路構造は、NMOSトランジスタ202のゲート端子において高インピーダンスを有することにも留意されたい。したがって、NMOSトランジスタ202のゲート端子は、電圧結合、特に、NMOSトランジスタ202のゲート-ソース間の寄生容量Cgsを介して出力電源電圧VDDの影響を受ける。この問題を防止または低減するために、図3に示すように、デカップリングコンデンサC_DCAPが配設され、NMOSトランジスタ202のゲート端子に結合される。デカップリングコンデンサC_DCAPは、負荷変動またはノイズ干渉によってLDOレギュレータ20の出力端子から結合されたリップルを低減することができる。しかし、デカップリングコンデンサC_DCAPの配備には、エラー増幅器206の制御能力の脆弱化を伴う。この場合、制御信号VCTRLからゲート制御信号VGATEへの伝達関数は、次の式で与えられる。
Figure 0007170861000004
式中、ΔVGATEおよびΔVCTRLはそれぞれ、ゲート制御信号VGATEおよび制御信号VCTRLの変動を指し、Cgは、NMOSトランジスタ202のゲート端子における寄生容量である。
本発明は、ゲートブースト回路を有するフィードバックループを介してブーストされた制御信号によって制御される出力トランジスタとしてNMOSトランジスタを使用する、LDOレギュレータを提供することを目的としていることに留意されたい。当業者は、それに応じて改変および変更を行うことができる。例えば、本発明のLDOレギュレータは、広範囲の入力電圧を受けて実行可能な出力電圧を生成することができ、この場合、電圧値は、本開示に記載された例に限定されない。加えて、ゲートブースト回路208は、エラー増幅器206から受信した制御信号VCTRLをブーストしてゲート制御信号VGATEを生成することを目的とし、ブースト方式および関連する回路構造は、本明細書に限定されるべきではない他の方法で実施され得る。例えば、LDOレギュレータ20では、ゲート制御信号VGATEは、電源投入時またはLDOレギュレータ20がアクティブ化されたときに、その目標レベルに整定するために数回の切り替えサイクルを必要とし、整定速度は、コンデンサユニットC2とC1の比およびスイッチを制御するクロック周波数によって決定される。別の実施形態では、プリチャージ回路を配設して、ゲート制御信号VGATEおよびLDOレギュレータ20の整定速度を大幅に増大させることができる。
本発明の一実施形態による別のLDOレギュレータ40の概略図である図4を参照されたい。図4に示すように、LDOレギュレータ40の構造は、図3に示すLDOレギュレータ20の構造と同様である。したがって、同様の機能を有する回路要素およびモジュールは、同じ記号で示される。LDOレギュレータ40とLDOレギュレータ20との違いは、LDOレギュレータ40は、充電トランジスタ404ならびに2つの制御トランジスタ406および408から構成されるプリチャージ回路402をさらに含むことである。詳細には、プリチャージ回路402は、LDOレギュレータ40がアクティブ化されるか、または有効にされるときに、ゲート制御信号VGATEをより高い整定速度でその目標電圧レベルに整定するために、NMOSトランジスタ202のゲート端子に結合される。制御トランジスタ406および408は、制御経路がオンにされたときに基準電圧VREF2を受けるための制御経路を形成する。それにより、充電トランジスタ404は、基準電圧VREF2に基づいて、ゲート制御信号VGATEをその目標電圧レベルにプリチャージする。
この実施形態では、制御トランジスタ406および408は、イネーブル信号ENおよびENBそれぞれによって制御される。イネーブル信号ENは、LDOレギュレータ40が有効にされるか、またはアクティブ化されているかどうかを示し、イネーブル信号ENBは、イネーブル信号ENと逆の信号である。詳細には、LDOレギュレータ40がアクティブ化される前に、制御トランジスタ406は、イネーブル信号ENによってオフにされ、制御トランジスタ408は、イネーブル信号ENBによってオンにされる。このような状況では、制御経路はオンにされ、入力電源電圧VCCと基準電圧VREF2の両方の準備ができたときに、充電トランジスタ404は、NMOSトランジスタ202のゲート端子の充電を開始することができる。したがって、ゲート制御信号VGATEの電圧レベルは、ゲートブースト回路208のスイッチング動作を待たずに、その目標レベルまで急速に上昇することができる。これにより、ゲート制御信号VGATEの整定速度が大幅に増大する。好ましくは、充電トランジスタ404は、プリチャージの実行中にゲート制御信号VGATEを基準電圧VREF2に実質的に等しいレベルまで引き上げることを可能にする、ZVT NMOSトランジスタであり得る。その結果、ゲート制御信号VGATEの目標電圧レベルは、基準電圧VREF2を設定することによって良好に制御され得る。基準電圧VREF2は、ゲートブースト回路208に提供される基準電圧VREFに等しくなるように、または他の任意の適切な電圧レベルに等しくなるように構成され得る。
要約すると、本発明は、出力トランジスタとしてNMOSトランジスタを使用するLDOレギュレータを提供する。スイッチングコンデンサブースト方式を使用したゲートブースト回路が、LDOレギュレータ内に含まれ、それによってNMOS出力トランジスタを制御するためのゲート制御信号の電圧レベルを、LDOレギュレータの入力電圧がLDOレギュレータの出力電圧に近い場合の状況に適応させるように増大させる。NMOSトランジスタは、好ましくは、ブーストされた制御信号で出力電圧をより容易に調整するためにオンにされ得るZVTトランジスタである。加えて、負荷変動またはノイズ干渉によってLDOレギュレータの出力端子から結合されたリップルを低減するために、デカップリングコンデンサをNMOSトランジスタのゲート端子に配設することができる。また、NMOSトランジスタのゲート制御信号の整定速度を増大させるためのプリチャージ回路を含むこともできる。NMOS出力トランジスタを備えたLDOレギュレータを実装することで、大きな補償コンデンサを使用せずに出力リップルを低減することができ、これにより、LDOレギュレータのサイズが小さくなり、調整性能も向上する。
当業者は、本発明の教示を保持しながら、装置および方法の多数の改変および変更を行うことができることを容易に気づくであろう。したがって、上記の開示は、添付の請求項の範囲の境界範囲によってのみ制限されると解釈されるべきである。

Claims (7)

  1. 低ドロップアウト(LDO)レギュレータであって、
    入力電圧を受けて出力電圧を生成するためのNMOSトランジスタと、
    前記出力電圧のレベルに従ってフィードバック信号を生成するための、前記NMOSトランジスタに結合された抵抗ラダーと、
    前記フィードバック信号を前記抵抗ラダーから受信して制御信号を生成するための、前記抵抗ラダーに結合されたエラー増幅器と、
    前記制御信号をブーストして前記NMOSトランジスタを制御して前記出力電圧を目標レベルに引っ張るための、前記NMOSトランジスタと前記エラー増幅器との間に結合されたゲートブースト回路と、を備え
    前記ゲートブースト回路が、
    前記制御信号を調整信号によってブーストして前記NMOSトランジスタを制御するためのポンピング回路と、
    寄生容量を前記エラー増幅器の出力端子から絶縁するための、前記ポンピング回路に結合された絶縁回路と、を備える、低ドロップアウト(LDO)レギュレータ。
  2. 前記NMOSトランジスタが、ゼロボルト閾値電圧トランジスタである、請求項1に記載のLDOレギュレータ。
  3. 前記NMOSトランジスタが、
    電圧源から前記入力電圧を受けるための第1の端子と、
    前記出力電圧を出力するための第2の端子と、
    前記ブーストされた制御信号を前記ゲートブースト回路から受信するための制御端子と、を備える、請求項1に記載のLDOレギュレータ。
  4. 前記ポンピング回路が、
    第1のユニティゲインバッファと、
    第1のコンデンサユニットと、
    前記第1のユニティゲインバッファと前記第1のコンデンサユニットの第1の端子との間に結合された第1のスイッチと、
    前記第1のコンデンサユニットの第2の端子と接地端子との間に結合された第2のスイッチと、
    第2のユニティゲインバッファと前記第1のコンデンサユニットの前記第2の端子との間に結合された第3のスイッチと、を備え、
    前記絶縁回路が、
    前記第2のユニティゲインバッファと、
    第2のコンデンサユニットと、
    前記第1のコンデンサユニットの前記第1の端子と前記第2のコンデンサユニットの第1の端子との間に結合された第4のスイッチと、
    前記第1のコンデンサユニットの前記第2の端子と前記第2のコンデンサユニットの第2の端子との間に結合された第5のスイッチと、を備える、請求項に記載のLDOレギュレータ。
  5. 前記第1のユニティゲインバッファが、前記調整信号を生成するように構成され、前記スイッチのすべてが、前記NMOSトランジスタを制御するために前記調整信号によって前記制御信号をブーストするように構成される、請求項に記載のLDOレギュレータ。
  6. 前記NMOSトランジスタの制御端子に結合されたデカップリングコンデンサをさらに備える、請求項1に記載のLDOレギュレータ。
  7. 低ドロップアウト(LDO)レギュレータであって、
    入力電圧を受けて出力電圧を生成するためのNMOSトランジスタと、
    前記出力電圧のレベルに従ってフィードバック信号を生成するための、前記NMOSトランジスタに結合された抵抗ラダーと、
    前記フィードバック信号を前記抵抗ラダーから受信して制御信号を生成するための、前記抵抗ラダーに結合されたエラー増幅器と、
    前記制御信号をブーストして前記NMOSトランジスタを制御して前記出力電圧を目標レベルに引っ張るための、前記NMOSトランジスタと前記エラー増幅器との間に結合されたゲートブースト回路と、を備え、
    前記NMOSトランジスタの制御端子に結合されたプリチャージ回路をさらに備え
    前記プリチャージ回路が、
    制御経路であって、前記制御経路がオンにされたときに基準電圧を受けるための制御経路と、
    前記基準電圧にほぼ等しい電圧レベルまで前記NMOSトランジスタの前記制御端子をプリチャージするための、前記制御経路に結合された充電トランジスタと、を備える、LDOレギュレータ
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