本发明提供一种调节器以及相关的调节方法，被应用于调节输出端的第一参考电压，该调节器包含：检测电路，用于检测该输出端上的第一参考电压的变化以产生检测信号；以及增益级，用于因应该检测信号，将调整电流提供至该输出端，以降低该第一参考电压的该变化，且该增益级并联耦接于由该第一参考电压供电的负载电路。本发明可以解决余量问题，且调节器能操作于非常高的频率之下。
1.一种调节器，被应用于调节输出端的第一参考电压，其特征在于，该调节器包含：检测电路，用于检测该输出端上的该第一参考电压的变化以产生检测信号；以及增益级，用于因应该检测信号，将调整电流提供至该输出端，以降低该第一参考电压的该变化，且该增益级并联耦接于由该第一参考电压供电的负载电路。
2.如权利要求1所述调节器，其特征在于，该检测电路的一端直接耦接于该输出端，以检测该第一参考电压的该变化。
3.如权利要求1所述调节器，其特征在于，该增益级的一端直接耦接于该输出端，以提供该调整电流至该输出端。
4.如权利要求1所述调节器，其特征在于，该输出端直接耦接于电源，以接收由该电源输出的该第一参考电压。
5.如权利要求1所述调节器，其特征在于，该检测电路为高通滤波器，用于对该第一参考电压的该变化执行高通滤波操作以产生该检测信号。
6.如权利要求1所述调节器，其特征在于，该增益级包含：场效应晶体管，具有漏极端、源极端以及栅极端，该栅极端接收该检测信号，该漏极端耦接于该输出端，以及该源极端耦接于第二参考电压。
7.如权利要求1所述调节器，其特征在于，该检测电路包含：电流源，具有第一端和第二端，该第一端耦接于该输出端，用于产生参考电流；
晶体管，具有漏极端、源极端以及栅极端，该漏极端耦接于该电流源的第二端以接收该参考电流，以及该源极端耦接于第二参考电压；以及电容电路，具有第一端和第二端，该电容电路的第一端耦接于该输出端，以及该电容电路的第二端耦接于该栅极端；
其中该晶体管的该漏极端耦接于该晶体管的该栅极端，以及该检测信号在该晶体管的该栅极端产生。
8.如权利要求1所述调节器，其特征在于，该增益级包含跨导电路，用于将电压形式的该检测信号转换为该调整电流。
9.如权利要求8所述调节器，其特征在于，该增益级还包含：保护电路，耦接于该跨导电路和该输出端之间，以在该输出端和该跨导电路之间引入压降。
10.如权利要求9所述调节器，其特征在于，该保护电路包含：第一场效应晶体管，具有漏极端、源极端以及栅极端，该栅极端与该漏极端耦接于该输出端，以及该源极端耦接于该跨导电路。
11.如权利要求10所述调节器，其特征在于，该跨导电路包含：第二场效应晶体管，具有漏极端、源极端以及栅极端，该第二场效应晶体管的栅极端接收该检测信号，该第二场效应晶体管的漏极端耦接于该第一场效应晶体管的源极端，以及该第二场效应晶体管的源极端耦接于第二参考电压。
12.如权利要求11所述调节器，其特征在于，该第一场效应晶体管为输入/输出装置，该第二场效应晶体管为核心装置。
13.如权利要求11所述调节器，其特征在于，该第二场效应晶体管的击穿电压小于该第一场效应晶体管的击穿电压。
14.如权利要求1所述调节器，其特征在于，该输出端为用于提供该第一参考电压至该负载电路的输出端。
15.一种调节方法，被应用于调节输出端的第一参考电压，其特征在于，该调节方法包含：检测该输出端上的该第一参考电压的变化以产生检测信号；以及使用增益级，用以因应该检测信号，将调整电流提供至该输出端，以降低该第一参考电压的该变化，且该增益级并联耦接于由该第一参考电压供电的负载电路。
16.如权利要求15所述调节方法，其特征在于，该输出端直接耦接于电源，以接收由该电源输出的该第一参考电压。
17.如权利要求15所述调节方法，其特征在于，检测该输出端上的该第一参考电压的该变化以产生该检测信号的步骤包含：对该第一参考电压的该变化执行高通滤波操作以产生该检测信号。
18.如权利要求15所述调节方法，其特征在于，检测该输出端上的该第一参考电压的该变化以产生该检测信号的步骤包含：提供电流源以产生参考电流；
提供晶体管，该晶体管的漏极端接收该参考电流，以及该晶体管的源极端耦接于第二参考电压；以及提供电容电路，该电容电路的第一端耦接于该输出端，以及该电容电路的第二端耦接于该晶体管的栅极端；
19.如权利要求15所述调节方法，其特征在于，使用该增益级用以因应该检测信号，将调整电流提供至该输出端以降低该第一参考电压的该变化的步骤包含：提供第一场效应晶体管，该第一场效应晶体管的栅极端接收该检测信号，该第一场效应晶体管的漏极端耦接于该输出端，以及该第一场效应晶体管的源极端耦接于第二参考电压。
20.如权利要求19所述调节方法，其特征在于，还包含：提供第二场效应晶体管，设置于该输出端与该第一场效应晶体管之间，其中该第二场效应晶体管的栅极端与该第二场效应晶体管的漏极端耦接于该输出端，以及该第二场效应晶体管的源极端耦接于该第一场效应晶体管的漏极端。
21.如权利要求20所述调节方法，其特征在于，该第一场效应晶体管为核心装置，该第二场效应晶体管为输入/输出装置。
22.如权利要求20所述调节方法，其特征在于，该第一场效应晶体管的击穿电压小于该第二场效应晶体管的击穿电压。
调节器和调节方法
【技术领域】
[0001] 本发明关于电压调节器及相关的调节方法，尤其关于一种高速、低成本的电压调节器以及相关的调节方法。【背景技术】
[0002] 在具有多电路区块(multi-circuit block)的系统中，根据电源提供的输出电压，可使用电压调节器来提供供应电压至多电路区块。因此，电压调节器应该能够在一个或多个多电路区块操作期间提供电流至多电路区块的同时保持供应电压稳定(intact)。举例来说，在电源的输出电压和供应电压之间具有低压差的低压差(low dropout，LDO)调节器通常被用来为与其耦接的多电路区块提供电源。然而，对于在现代半导体工艺下制造的电路装置，系统的操作电压低。于是，对于低压差调节器和电路区块之间的电压差，可能没有足够的空间，即所谓的余量(headroom)。此外，传统低压差调节器通常包含两级，且众所周知两级系统在高速运行期间可能不是稳定的系统。
[0003] 另一个例子，提供稳定的供应电压至多电路区块是利用大电容以连接至电源的输出节点，以便在电源的输出节点处成为充电池。然而，如果电容为片上电容，这样则可能占据电路系统的大片芯片面积；如果电容为片外电容，则片外电容的结合线可能在高频下成为电感元件。因此，在电源的输出节点处使用大电容作为充电池也不是一种提供稳定供应电压至多电路区块的好的解决方案。
[0004] 相应地，在本领域中提供一种解决余量问题以及传统调节器的高频问题的新的电压调节器是一个迫切的问题。【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明提供一种高速低成本的电压调节器以及相关的调节方法。
[0006] 依据本发明第一实施例，提供一种调节器。该调节器被应用于调节输出端的第一参考电压，该调节器包含：检测电路，用于检测该输出端上的第一参考电压的变化以产生检测信号；以及增益级，用于因应该检测信号，将调整电流提供至该输出端，以降低该第一参考电压的该变化，且该增益级并联耦接于由该第一参考电压供电的负载电路。
[0007] 依据本发明第二实施例，提供一种调节方法，该调节方法被应用于调节输出端的第一参考电压，该调节方法包含：检测该输出端上的第一参考电压的变化以产生检测信号；以及使用增益级，用以因应该检测信号，将调整电流提供至该输出端，以降低该第一参考电压的该变化，且该增益级并联耦接于由该第一参考电压供电的负载电路。
[0008] 上述调节器以及相关的调节方法可以解决余量问题，且调节器能操作于非常高的频率之下。【附图说明】
[0009] 图1为依据本发明第一实施例的调节器100，被应用于调节输出端No上的第一参考电压Vdd。
[0010] 图2为依据本发明第二实施例的调节器200，被应用于调节输出端No’上的第一参考电压Vdd’。
[0011] 图3为依据本发明第三实施例的调节方法300的流程图，被应用于调节输出端No上的第一参考电压Vdd。
[0012] 图4为依据本发明第四实施例的调节方法400的流程图，被应用于调节输出端No’上的第一参考电压Vdd’。【具体实施方式】
[0013] 在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的元件。本领域中技术人员应可理解，电子装置制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。以外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接到第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。
[0014] 请参考图1，其为依据本发明第一实施例的调节器100，被应用于调节输出端No的第一参考电压Vdd(其为功能电路区块的供应电压)。调节器100包含检测电路102以及包含增益级104的补偿电路。检测电路102用于检测输出端No的第一参考电压Vdd的变化vs，以产生检测信号Ss。增益级104用于因应检测信号Ss，提供调整电流Iad至输出端No以降低第一参考电压Vdd的变化vs。第一参考电压Vdd为电源106提供的输出电压。更具体地，输出端No直接耦接于电源，用于接收由电源106输出的第一参考电压Vdd，以及调节器100直接连接至电源的输出端(即No)。此外，输出端No也是提供第一参考电压Vdd或输出电源至负载电路的输出端口。相应地，为清楚起见，电源106和负载电路108也绘示于图1。
[0015] 根据本发明实施例，检测电路102包含电流源1022、晶体管1024以及电容电路1026。电流源102具有直接耦接于输出端No的第一端，用于产生参考电流Is。晶体管1024的漏极端耦接于电流源1022的第二端，以接收参考电流Is，以及晶体管1024的源极端耦接于第二参考电压Vgnd(其为接地电压)。电容电路1026的第一端直接耦接于输出端No，第二端直接耦接于晶体管1024的栅极端Ng。应注意的是，晶体管1024的漏极端耦接于晶体管1024的栅极端Ng，且检测信号Ss在晶体管1024的栅极端Ng产生。在本实施例中，晶体管1024为N型场效应晶体管(field-effected transistor，FET)。
[0016] 此外，增益级104包含一个N型场效应晶体管，其栅极端耦接于晶体管1024的栅极端Ng以接收检测信号Ss，漏极端直接耦接于输出端No，以及源极端耦接于第二参考电压Vgnd。
[0017] 根据本发明实施例，检测电路102可被视为连接在输出端No与晶体管1024的栅极端Ng之间的高通滤波器，以及增益级104可被视为跨导电路(即gm cell)，用于将电压形式的检测信号Ss转换至电流信号(即调整电流Iad)。请再次参考图1，如果负载电路108从电源106吸取(draw)大电流，那么在输出端No可引入(induce)变化vs。变化vs可被视为小电压信号，其可改变输出端No上有效的参考电压Vdd。如果变化vs足够大，则接收第一参考电压Vdd作为供应电压的功能电路区块(未图示)可能被有效的参考电压Vdd所影响。因此，具有高通滤波特性的检测电路102用于检测输出端No上的变化vs以相应地产生检测信号Ss。
[0018] 更具体地，电流源1022连同晶体管1024可被视为增益级104的偏压产生器(bias generator)，以及电容电路1026用于将高频变化vs通过(pass)至晶体管1024的栅极端Ng。因此，电容电路1026被设计为具有比晶体管1024的栅极端Ng的寄生电容大得多的电容量。举例来说，电容电路1026的电容量可为栅极端Ng的寄生电容的电容量的至少10倍。换句话说，包含电容电路1026和增益级104的回路是一个单级(one-stage)负反馈回路。
更具体地，当输出端No的电压减小时，栅极端Ng的电压也减小，以及从输出端No的吸取的电流也减小以用于增加输出端No的电压，反之亦然。此外，由于调节器100是单级负反馈回路，所以调节器100能够操作于非常高的频率之下却不进入不稳定状态。调节器100也占据小的芯片面积。
[0019] 另外，由于调节器100和负载电路108是并联耦接(例如，输出端No和接地端Vgnd之间)，所以负载电路108直接接收由电源106提供的第一参考电压Vdd，对于调节器100来说没有余量问题。因此，调节器100在现代半导体工艺下制造的电路装置中使用时更加合适，其具有低的操作电压。此外，在本实施例中，负载电路108和连接至输出端No的功能电路区块(未图示)是电路系统中的核心装置，这意味着由调节器100调节的第一参考电压Vdd是电路系统的核心电压，其中该核心电压通常小于I/O(输入/输出)电压，I/O电压为不同芯片之间传输的电压，以及该核心电压为单芯片中不同电路区块之间传输的电压。此外，与实作为I/O装置的场效应晶体管相比较，实作为核心装置的场效应晶体管的击穿电压(breakdown voltage)小于实作为I/O装置的场效应晶体管的击穿电压。因此，在本实施例中，因为第一参考电压Vdd为电路系统中的核心电压，所以增益级104和检测电路102中的N型场效应晶体管实作为电路系统的核心装置。
[0020] 此外，当输出端No没有高频变化vs发生时，以及当高通滤波器(即检测电路102)使高频变化vs通过至栅极端Ng时，高通滤波器(即检测电路102)实际上充当阻抗电路。在本实施例中，阻抗电路被设计为具有低阻抗，以便当高频变化vs发生时，降低输出端No和第二参考电压Vgnd之间的电压变化。
[0021] 请参考图2，其为依据本发明第二实施例的调节器200，被应用于调节输出端No’上的第一参考电压Vdd’(其为功能电路区块的供应电压)。调节器200包含检测电路202和增益级203。检测电路202用于检测输出端No’的第一参考电压Vdd’的变化vs’，以产生检测信号Ss’。增益级203包含跨导电路204和保护电路206。跨导电路204用于因应检测信号Ss’，提供调整电流Iad’至输出端No’以降低第一参考电压Vdd’的变化vs’。保护电路206耦接于跨导电路204和输出端No’之间，用于在输出端No’和跨导电路204之间引入压降。第一参考电压Vdd’为电源提供的输出电压。更具体地，调节器200直接连接至电源的输出端(即No’)。此外，输出端No’也是提供第一参考电压Vdd’或输出电源至负载电路的输出端口。相应地，为清楚起见，电源208和负载电路210也绘示于图2。
[0022] 根据本发明实施例，检测电路202包含电流源2022、晶体管2024以及电容电路2026。电流源202具有直接耦接于输出端No’的第一端，用于产生参考电流Is’。晶体管
2024的漏极端耦接于电流源2022的第二端，以接收参考电流Is’，以及晶体管2024的源极端耦接于第二参考电压Vgnd’(其为接地电压)。电容电路2026的第一端直接耦接于输出端No’，第二端直接耦接于晶体管2024的栅极端Ng’。应注意的是，晶体管2024的漏极端耦接于晶体管2024的栅极端Ng’，且检测信号Ss’在晶体管2024的栅极端Ng’产生。在本实施例中，晶体管2024为N型场效应晶体管。
[0023] 此外，跨导电路204包含一个N型场效应晶体管，其栅极端耦接于晶体管2024的栅极端Ng’以接收检测信号Ss’，漏极端耦接于输出端No’，以及源极端耦接于第二参考电压Vgnd’。
[0024] 此外，保护电路206包含一个N型场效应晶体管，其栅极端直接耦接于输出端No’，漏极端直接耦接于输出端No’，以及源极端耦接于跨导电路204。更具体地，保护电路206的N型场效应晶体管的源极端连接至跨导电路204的N型场效应晶体管的漏极端。
[0025] 在第二实施例中，检测电路202和跨导电路204的操作类似于检测电路102和跨导电路204的操作，因此检测电路202和跨导电路204的详细说明在此省略以求简洁。调节器200和调节器100之间的差异在于附加的保护电路206。在第二实施例中，保护电路206实作为I/O装置，以及检测电路202和跨导电路204实作为核心装置。此外，调节器200和负载电路210实作为两个不同的芯片，因此由调节器200调节的第一参考电压Vdd’为电路系统的I/O电压。由于I/O电压可能高于核心电压，因此实作为I/O装置的保护电路206的N型场效应晶体管能在输出端No’和跨导电路204的N型场效应晶体管的漏极端之间提供压降，其中跨导电路204和晶体管2024的N型场效应晶体管以核心装置实现。因此，通过在输出端No’和跨导电路204的N型场效应晶体管的漏极端之间引入压降，跨导电路204的N型场效应晶体管漏极端上的电压相应地减小。因此，由于该压降以及输出端No’上的高I/O电压，跨导电路204的N型场效应晶体管可避免击穿。换句话说，为了保护跨导电路204的N型场效应晶体管，跨导电路204的N型场效应晶体管被设置为不直接耦接于I/O端，即No’。
[0026] 应注意的是，在第二实施例中，包含电容电路2026、跨导电路204以及保护电路206的回路也是单级负反馈回路。因此，调节器200能够操作于非常高的频率之下却不进入不稳定状态，且调节器200占据的芯片面积也小。此外，由于调节器200和负载电路210直接连接至相同端(即输出端No’)，用于接收第一参考电压Vdd’，对于调节器200来说没有余量问题。此外，当输出端No’发生高频变化vs’时，高通滤波器(即检测电路202)也充当低阻抗电路，因此当输出端No’发生高频变化vs’时，可降低输出端No’和第二参考电压Vgnd之间的电压变化。
[0027] 请注意，虽然上述实施例基于N型场效应晶体管来实现，但这并不作为本发明的限制。基于P型场效应晶体管实现的其他实施例也属于本发明的范围。
[0028] 第一实施例调节器100的操作可以图3的步骤简单说明，图3为依据本发明第三实施例的调节方法300的流程图，被应用于调节输出端No上的第一参考电压Vdd。假设大致达到相同结果，图3所示流程图的步骤不必严格按照所示准确顺序且不必连续，也就是说，可插入其他步骤在中间。该调节方法包含：
[0029] 步骤302：检测输出端No上的第一参考电压Vdd的变化vs；
[0030] 步骤304：对第一参考电压Vdd的变化vs执行高通滤波操作以产生检测信号Ss；以及
[0031] 步骤306：因应检测信号Ss，使用增益级104以提供调整电流Iad至输出端No，降低第一参考电压Vdd的变化vs，且该增益级104与由第一参考电压Vdd供电的负载电路108并联耦接。
[0032] 此外，第二实施例调节器200的操作可以图4的步骤简单说明，图4为依据本发明第四实施例的调节方法400的流程图，被应用于调节输出端No’上的第一参考电压Vdd’。假设大致达到相同结果，图4所示流程图的步骤不必严格按照所示准确顺序且不必连续，也就是说，可插入其他步骤在中间。该调节方法包含：
[0033] 步骤402：检测输出端No’上的第一参考电压Vdd’的变化vs’；
[0034] 步骤404：对第一参考电压Vdd’的变化vs’执行高通滤波操作以产生检测信号Ss’；以及
[0035] 步骤406：因应检测信号Ss’，由跨导电路204提供调整电流Iad’至输出端No’，以用于降低第一参考电压Vdd’的变化vs’；以及
[0036] 步骤408：提供保护电路206以在输出端No’与跨导电路204之间引入压降，以降低跨导电路204的N型场效应晶体管漏极端的电压。
[0037] 简单地说，上述实施例为低成本高速度的电压调节器。依据本发明，通过将电压调节器设计成单级负反馈回路，调节器能操作于非常高的频率之下。此外，通过将调节器直接连接至电源的输出端，可以解决余量问题。另外，通过使用低阻抗电路以检测输出端的高频变化，输出端和接地电压之间的电压变化得以降低。
[0038] 本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。
