TWI657658B - 低通濾波器電路以及電源裝置 - Google Patents

低通濾波器電路以及電源裝置 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種雜訊去除能力高、穩定且高速地啟動輸出的低通濾波器電路以及電源裝置。低通濾波器電路包括連接於輸出端子的電容元件、及連接於輸入端子與輸出端子之間的電阻電路，電阻電路包括：第一MOS電晶體，連接於輸入端子與輸出端子之間；以及放大器，輸入端子連接於放大器的第一輸入端子，輸出端子連接於放大器的第二輸入端子，且第一MOS電晶體的閘極連接於放大器的輸出端子，對低通濾波器電路的時間常數進行控制。

Description

低通濾波器電路以及電源裝置
本發明是有關於一種低通濾波器(low pass filter)電路、以及具備低通濾波器電路的電源裝置。
對習知的低通濾波器電路進行說明。圖9是具備習知的低通濾波器電路的電源裝置的電路圖。
具備習知的低通濾波器電路的電源裝置包含：反饋電路203、誤差放大電路204、基準電壓源205、輸出電晶體(transistor)206、電阻211、電容212及N通道金屬氧化物半導體(N channel Metal Oxide Semiconductor，NMOS)電晶體213。
基準電壓源205輸出的第一基準電壓V1藉由以電阻211、電容212及NMOS電晶體213所形成的低通濾波器電路而轉換為高頻雜訊被去除的第二基準電壓V2。反饋電路203對定電壓輸出端子的電壓Vo進行分壓並輸出反饋電壓Vfb。誤差放大電路204的非反相輸入端子上輸入有第二基準電壓V2，反相輸入端子上輸入有反饋電壓Vfb，對輸出電晶體206進行控制，以使第二基準電壓V2與反饋電壓Vfb一致。藉由此種結構，對電源輸出端子輸出基於第二基準電壓V2的低雜訊的電壓。
而且，控制電壓Von被輸入至NMOS電晶體213的控制端子，當控制電壓Von高而NMOS電晶體213為接通(ON)狀態時，低通濾波器電路的時間常數變小，因此低通濾波器電路的輸出電壓即第二基準電壓V2高速啟動。另一方面，當控制電壓Von低而NMOS電晶體213關閉(OFF)狀態時，低通濾波器電路的時間常數變大，因此低通濾波器電路的雜訊去除能力變高。控制電壓Von例如是由專利文獻1的圖2中記載的控制電路所生成。
藉由如此般使用控制電壓Von來切換低通濾波器電路的時間常數，從而可實現啟動高速且輸出電壓為低雜訊的電源裝置。
現有技術文獻
專利文獻
專利文獻1：日本專利特開平8-16259號公報
然而，習知的技術存在下述課題：若構成控制電路的延遲電路的元件存在特性偏差、或存在因電源雜訊引起的控制電路的誤動作等的情況，則時間常數切換信號的邏輯會早於所需的時序(timing)而切換，由此，低通濾波器電路的時間常數變大，輸出電壓的啟動變為低速。尤其，在為了提高基準電壓的雜訊去除能力而將低通濾波器電路的截止(cut off)頻率設定得低的情況下，該課題變得顯著。而且，存在下述課題：即使在啟動後，若低通濾波器電路的輸出電壓過渡性地產生大的變動，由於時間常 數大，因而亦會造成輸出電壓的恢復變為低速。
本發明是鑒於所述課題而完成，提供一種不依存於控制電路的特性偏差或誤動作而穩定且高速地啟動輸出的低通濾波器電路、以及具備低通濾波器電路的電源裝置。
為了解決習知的課題，本發明的低通濾波器電路採用如下所述的結構。
一種低通濾波器電路，包括連接於輸出端子的電容元件、及連接於輸入端子與輸出端子之間的電阻電路，電阻電路包括：第一MOS電晶體，連接於輸入端子與輸出端子之間；以及放大器(amplifier)，第一輸入端子上連接有輸入端子，第二輸入端子上連接有輸出端子，且輸出端子上連接有第一MOS電晶體的閘極(gate)，對低通濾波器電路的時間常數進行控制。
根據本發明的電路結構，低通濾波器電路的輸出電壓的啟動不受控制電路的特性偏差或誤動作的影響，因此可獲得即使在截止頻率低的情況下亦可穩定且高速地啟動輸出的低通濾波器電路。而且，若使用本發明的電路結構，則即使在啟動後低通濾波器電路的輸出電壓發生大的變動，亦可穩定且高速地恢復輸出。
1、di‧‧‧輸入端子
2、do‧‧‧輸出端子
3、4‧‧‧端子
11a~11g‧‧‧電阻電路
12‧‧‧電容元件
13、15‧‧‧MOS電晶體
14、14b‧‧‧放大器
16‧‧‧延遲電路
17‧‧‧電壓產生電路
18、20、21‧‧‧二極體
19‧‧‧電流源
22‧‧‧緩衝器
100‧‧‧基準端子
101‧‧‧電源端子
102‧‧‧定電壓輸出端子
103、203‧‧‧反饋電路
104‧‧‧誤差放大器
105、205‧‧‧基準電壓源
106、206‧‧‧輸出電晶體
110‧‧‧低通濾波器電路
204‧‧‧誤差放大電路
211‧‧‧電阻
212‧‧‧電容
213‧‧‧NMOS電晶體
V1‧‧‧電壓(第一基準電壓、輸入端子電壓)
V2‧‧‧電壓(第二基準電壓、輸出端子電壓)
Vfb‧‧‧反饋電壓
Vo‧‧‧定電壓輸出端子的電壓
Von‧‧‧控制電壓
圖1是表示第一實施形態的低通濾波器電路的電路圖。
圖2是表示第二實施形態的低通濾波器電路的電路圖。
圖3是表示第三實施形態的低通濾波器電路的電路圖。
圖4是表示第四實施形態的低通濾波器電路的電路圖。
圖5是表示第五實施形態的低通濾波器電路的電路圖。
圖6是表示第六實施形態的低通濾波器電路的電路圖。
圖7是表示第七實施形態的低通濾波器電路的電路圖。
圖8是表示具備本發明的低通濾波器電路的電源裝置的電路圖。
圖9是表示具備習知的低通濾波器電路的電源裝置的電路圖。
圖1是表示第一實施形態的低通濾波器電路的電路圖。
本實施形態的低通濾波器電路具備電阻電路11a、電容元件12、輸入端子1及輸出端子2。電阻電路11a具備MOS電晶體13、放大器14、端子3及端子4。
電阻電路11a的端子3連接於輸入端子1，端子4連接於輸出端子2。電容12的其中一個端子連接於端子4，另一個端子連接於基準端子100。MOS電晶體13的源極(source)連接於 端子3，汲極(drain)連接於端子4，閘極連接於放大器14的輸出端子。放大器14的反相輸入端子連接於端子3，非反相輸入端子連接於端子4。
接下來，對本實施形態的低通濾波器電路的動作進行說明。
在低通濾波器電路的啟動時，即，對輸入端子1輸入有規定的電壓信號時，由於輸出端子2的電壓V2低於輸入端子1的電壓V1，因此放大器14控制MOS電晶體13的閘極電壓，以使MOS電晶體13的接通電阻變小。其結果，啟動時，由MOS電晶體13與電容元件12所形成的低通濾波器電路的時間常數變小，因此輸出端子電壓V2高速啟動。
啟動後，即，當輸出端子電壓V2上升而接近輸入端子電壓V1時，放大器14控制MOS電晶體13的閘極電壓，以使MOS電晶體13的接通電阻變大。其結果，啟動後，由MOS電晶體13與電容元件12所形成的低通濾波器電路的時間常數變大，因此低通濾波器電路的雜訊去除能力變大。
本實施形態的低通濾波器電路中，低通濾波器電路的時間常數是基於輸入端子與輸出端子的電壓差而受到控制，因此不依存於其他電路的動作或偏差而穩定且高速地啟動輸出。而且，即使在啟動後輸出端子的電壓發生下降的情況下，亦可同樣地恢復輸出。
再者，為了調整電阻電路11a的電阻值，MOS電晶體 13亦可置換為將多個電晶體串聯連接而成者或者並聯連接而成者。而且，為了防止因順向電流流經存在於MOS電晶體13的汲極與背閘極(back gate)間的寄生二極體，而導致低通濾波器電路的輸出變得不穩定，亦可在源極與背閘極間設置電阻。
圖2是表示第二實施形態的低通濾波器電路的電路圖。
第二實施形態的低通濾波器電路具備電阻電路11b，所述電阻電路11b包含MOS電晶體13與放大器14b。放大器14b具備偏壓(bias)電流源，所述偏壓電流源的控制端子連接於放大器14b的輸出端子。
本實施形態的低通濾波器電路的基本動作與第一實施形態的低通濾波器電路相同。
本實施形態的低通濾波器電路為下述結構：放大器14b中，偏壓電流是基於放大器14b的輸出電壓而受到可變控制。當以MOS電晶體13的接通電阻變大的方式進行控制時，放大器14b使偏壓電流變小，放大器14b的頻帶變窄。因而，在低通濾波器電路的時間常數大時，放大器14b的輸出不會急速變動，因此容易維持低通濾波器電路的時間常數大的狀態。
因而，本實施形態的低通濾波器電路相對於第一實施形態的低通濾波器電路，可獲得低通濾波器電路的動作穩定的效果。
圖3是表示第三實施形態的低通濾波器電路的電路圖。
第三實施形態的低通濾波器電路具備電阻電路11c，所述電阻電路11c包含MOS電晶體13、MOS電晶體15及放大器14。 MOS電晶體15的閘極連接於放大器的輸出端子，源極連接於端子3，汲極與背閘極連接於MOS電晶體13的背閘極。
本實施形態的低通濾波器電路的基本動作與第一實施形態的低通濾波器電路相同。
本實施形態的低通濾波器電路中，當放大器14控制MOS電晶體13的閘極以使低通濾波器電路的時間常數變大時，MOS電晶體15的接通電阻亦同樣地變大，MOS電晶體13使順向電流難以流經存在於汲極與背閘極間的寄生二極體。
因而，本實施形態的低通濾波器電路與第二實施形態的低通濾波器電路同樣地可獲得動作穩定的效果。
再者，MOS電晶體13的背閘極的阻抗(impedance)變高，因此為了更穩定地進行動作，低通濾波器電路亦可以下述方式構成。例如，在MOS電晶體13的背閘極與端子3之間連接電阻。而且，例如在MOS電晶體13的背閘極與基準端子100之間連接電容元件。
圖4是表示第四實施形態的低通濾波器電路的電路圖。
第四實施形態的低通濾波器電路的電阻電路11d在放大器14的非反相輸入端子與端子4之間具備延遲電路16。
延遲電路16的輸出端子do連接於放大器14的非反相輸入端子，輸入端子di連接於端子4。
本實施形態的低通濾波器電路的基本動作與第一實施形態的低通濾波器電路相同。
本實施形態的低通濾波器電路中，放大器14的非反相輸入端子電壓相對於輸出端子2的電壓V2的變化而延遲由延遲電路16所決定的延遲時間量地變動，藉此，對MOS電晶體13的閘極進行控制的時間亦產生延遲。
因而，藉由對延遲電路16的延遲時間進行調整，從而可有意識地調整對低通濾波器電路的時間常數進行切換的時序，設計的任意性提高。
而且，藉由存在延遲電路16，從而可防止低通濾波器電路的時間常數相對於輸出端子電壓V2的變動而頻繁地切換，從而更穩定地使電路進行動作。
再者，延遲電路16連接於放大器14的非反相輸入端子側，但亦可根據設計意圖來連接於反相輸入端子側或輸出端子側，或者連接於它們多個，以分別調整多個延遲電路的延遲時間。
圖5是表示第五實施形態的低通濾波器電路的電路圖。
第五實施形態的低通濾波器電路的電阻電路11e更具備電壓產生電路17。電壓產生電路17例如具備二極體18與電流源19。
二極體18與電流源19串聯連接於端子3與基準端子100之間，它們的連接點連接於放大器14的反相輸入端子。
本實施形態的低通濾波器電路的基本動作與第一實施形態的低通濾波器電路相同。
本實施形態的低通濾波器電路中，放大器14的反相輸入端子的電壓成為相對於輸入端子1的電壓V1而下降了在二極體 18的兩端產生的電壓量後的電壓V1’，因此當低通濾波器電路的輸出端子2的電壓V2達到電壓V1’時，放大器14進行控制，以使低通濾波器電路的時間常數變大。
因而，即使在低通濾波器電路的輸出端子4因半導體裝置中的漏(leak)電流產生負載電流而輸入端子電壓V1與輸出端子電壓V2不一致的情況等下，亦可發揮與第一實施形態的低通濾波器電路同等的效果。
再者，電壓產生電路17只要產生比電壓V1低的電壓V1’即可，並不限定於該電路。例如，亦可取代二極體18而使用多晶矽(polysilicon)電阻等電阻性元件。
圖6是表示第六實施形態的低通濾波器電路的電路圖。
第六實施形態的低通濾波器電路的電阻電路11f在放大器14的正極電源端子設置有二極體20。
本實施形態的低通濾波器電路的基本動作與第一實施形態的低通濾波器電路相同。
本實施形態的低通濾波器電路中，放大器14的正極電源電壓成為比電壓V1低二極體20的兩端產生的規定電壓量的電壓，因此放大器14的輸出電壓振幅的上限變低，因此具有下述效果：MOS電晶體13的接通電阻不會大至規定值以上，即，低通濾波器電路的時間常數不會極端變大。
因而，本實施形態的低通濾波器電路中，藉由縮窄低通濾波器電路的時間常數的變化範圍，從而低通濾波器電路的動作控制 變得容易。
再者，雖然將二極體20連接於放大器14的正極電源端子側，但亦可採用連接於負極電源端子側以防止低通濾波器電路的時間常數極端變小的結構。而且，亦可取代二極體20而使用產生電壓的電阻性元件。
圖7是表示第七實施形態的低通濾波器電路的電路圖。
第七實施形態的低通濾波器電路的電阻電路11g在MOS電晶體13的閘極與放大器14的輸出端子之間具備緩衝器(buffer)22。緩衝器22使二極體21連接於端子3與正極電源端子之間。而且，放大器14的正極電源端子連接於電源端子101。
本實施形態的低通濾波器電路的基本動作與第一實施形態的低通濾波器電路相同。
本實施形態的低通濾波器電路中，放大器14的輸出信號經由緩衝器而輸入至MOS電晶體13的閘極。因而，即使放大器的輸出為不定狀態的低電壓V1，放大器14的輸出電壓亦不會變得不定，而可使低通濾波器電路穩定地動作。
圖8是表示具備本發明的低通濾波器電路的電源裝置的電路圖。
圖8的電源裝置具備基準端子100、電源端子101、定電壓輸出端子102、反饋電路103、誤差放大器104、基準電壓源105、輸出電晶體106及低通濾波器電路110。低通濾波器電路110連接於基準電壓源105的輸出端子與誤差放大器104的反相輸入端子 之間。
低通濾波器電路110將基準電壓源105的電壓V1轉換為已穩定化的電壓V2。放大器104基於電壓V2來控制定電壓輸出端子102的電壓，因此可輸出低雜訊的電壓。
而且，電源裝置藉由使用本發明的低通濾波器電路，從而不受構成控制電路的元件的特性偏差或誤動作的影響，而穩定且高速地啟動輸出。
再者，低通濾波器電路110亦可兼具多個第一實施形態至第七實施形態的低通濾波器電路的特徵。而且，既可將多個濾波器串聯連接，亦可並聯連接。
如以上所說明般，本發明的低通濾波器電路以及具備本發明的低通濾波器電路的電源裝置即使在低通濾波器電路的時間常數小的情況下，亦可快速實現輸出電壓的啟動或恢復。因而，可提供雜訊去除能力高、穩定且高速地啟動輸出的低通濾波器電路以及電源裝置。

Claims (7)

  1. 一種低通濾波器電路，以規定的截止頻率來對輸入端子的電壓進行截止並輸出至輸出端子，所述低通濾波器電路的特徵在於包括：電容元件，連接於所述輸出端子；以及電阻電路，連接於所述輸入端子與所述輸出端子之間，所述電阻電路包括：第一金屬氧化物半導體電晶體，連接於所述輸入端子與所述輸出端子之間；以及放大器，所述放大器的第一輸入端子上連接有所述輸入端子，所述放大器的第二輸入端子上連接有所述輸出端子，所述放大器的輸出端子上連接有所述第一金屬氧化物半導體電晶體的閘極，其中所述低通濾波器電路的時間常數是由所述電容元件以及所述第一金屬氧化物半導體電晶體進行控制，所述放大器包括偏壓電流源，所述偏壓電流源的控制端子上連接有所述放大器的輸出端子，所述偏壓電流源在所述第一金屬氧化物半導體電晶體的接通電阻大時，電流變小。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的低通濾波器電路，其中所述電阻電路在所述輸出端子與所述放大器的第二輸入端子之間具備延遲電路。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的低通濾波器電路，其中 所述電阻電路在所述放大器的第一輸入端子具備電壓產生電路。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的低通濾波器電路，其中在所述放大器的正極電源端子具備二極體。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的低通濾波器電路，其中所述電阻電路在所述放大器的輸出端子與所述第一金屬氧化物半導體電晶體的閘極之間具備緩衝器，在所述緩衝器的正極電源端子具備二極體。
  6. 一種低通濾波器電路，以規定的截止頻率來對輸入端子的電壓進行截止並輸出至輸出端子，所述低通濾波器電路的特徵在於包括：電容元件，連接於所述輸出端子；以及電阻電路，連接於所述輸入端子與所述輸出端子之間，所述電阻電路包括：第一金屬氧化物半導體電晶體，連接於所述輸入端子與所述輸出端子之間；以及放大器，所述放大器的第一輸入端子上連接有所述輸入端子，所述放大器的第二輸入端子上連接有所述輸出端子，所述放大器的輸出端子上連接有所述第一金屬氧化物半導體電晶體的閘極，其中所述低通濾波器電路的時間常數是由所述電容元件以及所述第一金屬氧化物半導體電晶體進行控制，所述電阻電路包括： 第二金屬氧化物半導體電晶體，所述第二金屬氧化物半導體電晶體的汲極與源極連接於所述輸入端子與所述第一金屬氧化物半導體電晶體的背閘極，所述第二金屬氧化物半導體電晶體的閘極連接於所述放大器的輸出端子。
  7. 一種電源裝置，其特徵在於包括：誤差放大器，輸入和輸出端子連接的反饋電路的電壓與基準電壓源的基準電壓，對輸出電晶體進行控制，在所述基準電壓源與所述誤差放大器的輸入端子之間設置有如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述的低通濾波器電路。
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