专利汇可以提供Voltage regulator专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a voltage regulator which has a high transient response characteristic and maintains stable operation.SOLUTION: A voltage regulator includes: a differential amplifier circuit for receiving a reference voltage outputted by a reference voltage circuit and a feedback voltage obtained by dividing an output voltage of the voltage regulator, and amplifying and outputting the difference thereof; a first MOS transistor in which an output terminal of the differential amplifier circuit is connected to a gate terminal; a first constant current source provided between the first MOS transistor and a ground terminal; an output MOS transistor whose gate terminal is connected to a drain terminal of the first MOS transistor through a phase compensation circuit; a second MOS transistor in which an output terminal of the differential amplifier circuit is inputted to a gate terminal and a drain terminal is connected to the gate terminal of the output MOS transistor; and a second constant current source provided between the second MOS transistor and a ground terminal.,下面是Voltage regulator专利的具体信息内容。
本発明は、入力電圧を受けて一定の出力電圧Voutを発生するボルテージレギュレータに関し、より詳しくはボルテージレギュレータの過渡応答特性と安定動作に関する。
一般的に、ボルテージレギュレータは、入力端子15に入力される入力電圧Vinを受けて、出力端子16に一定の出力電圧Voutを発生する。 ボルテージレギュレータは、負荷の変動に応じて電流を供給し、出力電圧Voutを常に一定に保つ。
図2は、従来のボルテージレギュレータの回路図である。
基準電圧回路110は、基準電圧Vrefを生成する。 ブリーダ抵抗111及び112は、出力端子16の出力電圧Voutを分圧して、帰還電圧Vfbを生成する。 基準電圧Vrefと帰還電圧Vfbは、差動増幅器120の入力端子に入力される。 差動増幅器120の出力電圧は、第1のソース接地増幅回路を構成するMOSトランジスタ123のゲート端子に入力される。 MOSトランジスタ123は、ソース端子が入力端子15に接続されドレイン端子が定電流源124と抵抗121と容量122に接続される。 MOSトランジスタ123の出力は、抵抗121を介して第2のソース接地増幅回路を構成するMOSトランジスタ114のゲート端子に入力される。 MOSトランジスタ114は、ソース端子が入力端子15に接続されドレイン端子がブリーダ抵抗111に接続される。 ボルテージレギュレータの出力端子16は、MOSトランジスタ114とブリーダ抵抗111の接点である。 ボルテージレギュレータの出力端子16には、負荷容量CLと、負荷抵抗RLを有する負荷と、が接続される。
従来のボルテージレギュレータの動作について説明する。
準電圧Vrefが帰還電圧Vfbよりも大きい場合は、差動増幅器120の出力は高くなり、MOSトランジスタ123のON抵抗を大きくする。 MOSトランジスタ123のON抵抗が大きくなると、抵抗121を介してMOSトランジスタ114のゲート端子の電圧は低くなる。 MOSトランジスタ114のON抵抗が小さくなるので、出力電圧Voutが高くなる。 従って、ボルテージレギュレータは、帰還電圧Vfbと基準電圧Vrefとが等しくなる様に働く。 帰還電圧Vfbが基準電圧Vrefよりも大きい場合は、上記と逆の動作をして、出力電圧Voutが低くなる。
ボルテージレギュレータは、常に、帰還電圧Vfbと基準電圧Vrefを等しく保つことで、一定の出力電圧Voutを発生している。
ボルテージレギュレータは、過渡応答特性を向上させる為に、周波数帯域を広くする必要がある。 従来のボルテージレギュレータは、電圧3段増幅回路構成とすることで、比較的少ない消費電流でも周波数帯域を広くすることで、過渡応答特性を向上させている。 しかしながら、電圧3段増幅回路構成とすると、位相が180度以上遅れることで発振等の不安定動作に陥り易くなる。 そこで、従来のボルテージレギュレータでは、抵抗121と容量122を付加している。 電圧3段増幅回路で発生する位相の遅れを、抵抗121とMOSトランジスタ114の寄生容量によってゼロ点を発生させて位相補償をおこなうことで、安定動作を保っている(例えば、特許文献1参照)。
従来のボルテージレギュレータでは、抵抗121と容量122を付加することで、位相補償をおこない安定動作を保っている。 また一方で、MOSトランジスタ114のゲート電圧を制御するために、MOSトランジスタ114の寄生容量の電荷を充放電する必要がある。
従って、従来のボルテージレギュレータでは、MOSトランジスタ114の寄生容量の電荷を充放電する際に、抵抗121の影響で電荷の充放電に遅延が発生しまう。 MOSトランジスタ114の寄生容量の充放電に遅延が発生することで、負荷過渡応答で出力電圧Voutのアンダーシュート、オーバーシュートが大きくなる課題があった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、過渡応答特性が良く、且つ、安定動作を保つボルテージレギュレータを提供する。
本発明は、上記課題を解決するため、差動増幅回路と、位相補償回路を備えた第1のソース接地増幅回路と、出力回路である第2のソース接地増幅回路で構成する電圧3段増幅回路に加えて、差動増幅回路と第2のソース接地増幅回路の間に第3のソース接地増幅回路を追加する。
即ち、基準電圧回路が出力する基準電圧と、ボルテージレギュレータの出力電圧を分圧したフィードバック電圧とを入力し、その差を増幅し出力する差動増幅回路と、差動増幅回路の出力端子がゲート端子に接続された第1のMOSトランジスタと、第1のMOSトランジスタと接地端子の間に設けられた第1の定電流源と、第1のMOSトランジスタのドレイン端子と位相補償回路を介してゲート端子が接続された出力MOSトランジスタと、差動増幅回路の出力端子がゲート端子に入力され、出力MOSトランジスタのゲート端子にドレイン端子が接続された第2のMOSトランジスタと、第2のMOSトランジスタと接地端子の間に設けられた第2の定電流源と、を備えたボルテージレギュレータとした。
第3のソース接地増幅回路を構成するMOSトランジスタの出力は、抵抗を介さずに出力MOSトランジスタのゲートに接続される。 従って、出力MOSトランジスタのゲートは遅延無く制御することが可能となる。 従って、位相補償回路を備えた電圧3段増幅回路を用いていても、位相補償回路の抵抗を介さないで出力MOSトランジスタのゲートを制御することが出来るので、過渡応答特性の改善が可能となる。
以下、本発明のボルテージレギュレータを、図面を参照して説明する。
<第1の実施形態>
図1は、第1の実施形態のボルテージレギュレータの回路図である。
第1の実施形態のボルテージレギュレータは、基準電圧回路10と、差動増幅器20と、MOSトランジスタ23及び23aと、定電流源24及び24aと、抵抗21と、容量22と、出力MOSトランジスタであるMOSトランジスタ14と、ブリーダ抵抗11及び12と、を備えている。
ブリーダ抵抗11及び12は、出力端子16の出力電圧Voutを分圧して帰還電圧Vfbを生成する。 差動増幅器20は、基準電圧回路10の出力する基準電圧Vrefと帰還電圧Vfbとを比較する。 差動増幅器20の出力は、第1のソース接地増幅回路を構成するMOSトランジスタ23のゲート端子と、第3のソース接地増幅回路を構成するMOSトランジスタ23aのゲート端子に入力される。 MOSトランジスタ23は、ソース端子が入力端子15に接続され、ドレイン端子が定電流源24と抵抗21と容量22に接続される。 MOSトランジスタ23aは、ソース端子が入力端子15に接続され、ドレイン端子が定電流源24aと抵抗21と容量22に接続される。 また、MOSトランジスタ23aのドレインは、第2のソース接地増幅回路を構成するMOSトランジスタ14のゲート端子に接続される。 MOSトランジスタ14は、ソース端子が入力端子15に接続され、ドレイン端子がブリーダ抵抗11に接続される。 ボルテージレギュレータの出力端子16は、MOSトランジスタ114とブリーダ抵抗111の接点である。 ボルテージレギュレータの出力端子16には、負荷容量CLと、負荷抵抗RLを有する負荷と、が接続される。
ここで、第1のソース接地増幅回路と第3のソース接地増幅回路に関する要素を、抵抗21の両端の電圧が等しくなるように設定する。 例えば、MOSトランジスタ23とMOSトランジスタ23aは、アスペクト比(W/L)が等しくなるように設定する。 更に、定電流源24と定電流源24aは、電流値が等しくなるように設定する。 また例えば、MOSトランジスタ23とMOSトランジスタ23aのアスペクト比を変えた場合は、定電流源24と定電流源24aの電流比もアスペクト比に対応するよう設定する。
次に、第1の実施形態のボルテージレギュレータの動作について説明する。
MOSトランジスタ14とブリーダ抵抗11の接点の電圧が出力電圧Voutとなり、ブリーダ抵抗11とブリーダ抵抗12で帰還電圧Vfbが生成される。
差動増幅器20は、入力端子に基準電圧Vrefと帰還電圧Vfbが入力され、出力端子の出力電圧をMOSトランジスタ23のゲート端子とMOSトランジスタ23aのゲート端子に出力する。
第1のソース接地増幅回路のMOSトランジスタ23と定電流源24は、位相補償回路である抵抗21と容量22を介してMOSトランジスタ14のゲート端子を制御する。 第3のソース接地増幅回路のMOSトランジスタ23aと定電流源24aは、MOSトランジスタ14のゲート端子を制御する。 第3のソース接地増幅回路の出力は、位相補償回路の抵抗21を介さないことで、MOSトランジスタ14のゲート端子電圧を遅延無く所望の電圧に設定することが出来る。
ここで、MOSトランジスタ23とMOSトランジスタ23aのアスペクト比は同じで、且つ、定電流源24と定電流源24aの電流値も同じに設計する。 このようにすると、第1のソース接地増幅回路と第3のソース接地増幅回路の出力電圧は、等しい電圧になる。 あるいは、MOSトランジスタ23とMOSトランジスタ23aのアスペクト比を変えても、定電流源24と定電流源24aの電流比をアスペクト比に合わせるように設計する。 このようにすることで、第1のソース接地増幅回路と第3のソース接地増幅回路の出力電圧は、等しい電圧になる。
次に、第1の実施形態のボルテージレギュレータの位相補償について説明する。
出力トランジスタであるMOSトランジスタ14は、他のトランジスタと比べてサイズが遥かに大きい。 従って、MOSトランジスタ14のゲートとドレイン間の寄生容量は、ミラー効果により他のトランジスタと比べて大きな値となっている。
ここで、MOSトランジスタ14のゲートとドレイン間の寄生容量に対して、容量22の容量を無視できるほど十分小さい値に設定する。 このようにすると、MOSトランジスタ23とMOSトランジスタ23aの出力抵抗の合成抵抗と、MOSトランジスタ14のゲートとドレイン間の寄生容量によって、この系において最も低い周波数にポールFPL2が、それより周波数の高いところにポールFPH2が発生する。
また、MOSトランジスタ14の出力抵抗と負荷抵抗RLの合成抵抗と、容量CLよって、この系において最も低い周波数にポールFPL3が、それより周波数の高いところにポールFPH3が発生する。 また、MOSトランジスタ14のゲートとドレイン間の寄生容量と抵抗21とによって決まる周波数に、ゼロ点FZ1が発生する。
このように構成された第1の実施形態のボルテージレギュレータは、以下のように位相補償が行われる。 但し、差動増幅回路20での位相の遅れについては、この系において補償されるものとして、考慮していない。
先ず、第1のソース接地増幅回路を構成するMOSトランジスタ23によるポールFPL2で90度の位相の遅れが発生する。 この位相遅れを、ゼロ点FZ1で位相を90度進めて、元に戻るようにする。 ここで、抵抗21の抵抗値を調整して、ゼロ点FZ1を次に発生するポールFPH2やポールFPL3よりも低い周波数で発生させる。 このことによって、ボルテージレギュレータは、位相余裕を確保することが可能となり、安定動作を保つことができる。
以上説明したように、第1の実施形態のボルテージレギュレータによれば、負荷過渡応答時の過渡応答特性が良く、且つ、安定動作を保つことが可能なボルテージレギュレータを提供することが出来る。
<第2の実施形態>
図3は、第2の実施形態のボルテージレギュレータの回路図である。 第2の実施形態のボルテージレギュレータは、出力負荷電流をセンスする出力負荷電流検出回路30を備えている。 また、定電流源24aは、直列に接続されたスイッチ回路と定電流源が追加されている。 出力負荷電流検出回路30と定電流源24a以外の回路構成は、第1の実施形態と同じである。
出力負荷電流検出回路30は、検出信号を出力する端子が、定電流源24aのスイッチ回路に接続されている。 そして、出力負荷電流検出回路30は、検出信号によって定電流源24aの電流値の切り替えをおこなっている。
例えば、出力負荷電流が増加した場合、出力負荷電流検出回路30は、定電流源24aの電流値を増加させる。 このようにすると、MOSトランジスタ14は、ゲート端子の寄生容量の電荷が早く放電される。 従って、MOSトランジスタ14のゲート端子の電圧を所望の電圧に早く設定することが出来るので、さらに過渡応答特性が改善される。
なお、本実施形態では定電流源24aの電流値を増加させる構成としたが、定電流源24の電流値を増加させてもよい。
<第3の実施形態>
図4は、第3の実施形態のボルテージレギュレータの回路図である。
第3の実施形態のボルテージレギュレータは、出力負荷電流をセンスする出力負荷電流検出回路30を備えている。 また、抵抗21は、並列に接続されたスイッチ回路と定電流源が追加されている。 出力負荷電流検出回路30と抵抗21以外の回路構成は、第1の実施形態と同じである。
出力負荷電流検出回路30は、検出信号を出力する端子が、抵抗21のスイッチ回路に接続されている。 そして、出力負荷電流検出回路30は、検出信号によって抵抗21の抵抗値の切り替えをおこなっている。
例えば、出力負荷電流が増加した場合、出力負荷電流検出回路30は、抵抗21の抵抗値を減少させる。 このようにすると、出力負荷電流に応じて決まる周波数ポールに対して、抵抗値を切り替えゼロ点の周波数を任意に変えることが出来る。 従って、さらに動作の安定性が改善される。
<第4の実施形態>
図5は、第4の実施形態のボルテージレギュレータの回路図である。
第4の実施形態のボルテージレギュレータは、第1の実施形態のボルテージレギュレータに、更に、出力負荷電流検出回路30と、直列に接続されたスイッチ回路を有する定電流源25と、を備えている。 出力負荷電流検出回路30と定電流源25以外の回路構成は、第1の実施形態と同じである。
出力負荷電流検出回路30は、検出信号を出力する端子が、スイッチ回路に接続されている。 そして、出力負荷電流検出回路30は、検出信号によって定電流源25の切り替えをおこなっている。
例えば、出力負荷電流が増加した場合、出力負荷電流検出回路30は、定電流源25のスイッチ回路をオンして、定電流源25からMOSトランジスタ23とOSトランジスタ23aのゲート端子に電流を供給させる。 従って、MOSトランジスタ23とMOSトランジスタ23aのドレイン電流が減少するので、定電流源24および定電流源24aによって、MOSトランジスタ14のゲート端子の電圧を所望の電圧に早く設定することが出来る。 すなわち、ボルテージレギュレータの過渡応答特性が改善される。
<第5の実施形態>
図6は、第5の実施形態のボルテージレギュレータの回路図である。
本発明の第4の実施形態の回路構成に、更に、定電流源24aに直列に接続されたスイッチ回路と定電流源が追加されている。
例えば、出力負荷電流が増加した場合、出力負荷電流検出回路30は、定電流源25から電流を供給してMOSトランジスタ14のゲート端子に流れ込む電流が減少する。 合わせて、出力負荷電流検出回路30は、定電流源24aの電流値を増加させることでMOSトランジスタ14のゲート端子の電圧を所望の電圧に早く設定することが出来るので、ボルテージレギュレータの過渡応答特性が改善される。
なお、本実施形態では定電流源24aの電流値を増加させる構成としたが、定電流源24の電流値を増加させてもよい。
20、120 差動増幅回路24、24a、25、124 定電流源30 出力負荷電流検出回路10、110 基準電圧回路
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