Vorrichtung zum Bereitstellen einer geregelten Ausgangsspannung, Verwendung, Chip und Verfahren

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer geregelten Ausgangsspannung aus einer ungeregelten Spannung, umfas send eine Spannungsregelungsschaltung. Darüber hinaus betrifft die Erfin dung die Verwendung einer solchen Vorrichtung, einen Chip mit integrierten Schaltkreisen und ein Verfahren zum Bereitstellen einer geregelten Versor gungsspannung aus einer ungeregelten Spannung.

Elektrische Schaltungen benötigen für den Betrieb Versorgungsspannungen (im Englischen auch als supply voltage bzw. kurz supply bezeichnet). Die Spannungshöhe richtet sich dabei nach den Anforderungen der Schaltungen, während die zur Verfügung stehenden Spannungen jedoch teilweise variie ren. Daher kommen Vorrichtungen zur Spannungsregelung zum Einsatz, die aus einer zur Verfügung stehenden Spannung, insbesondere mittels einer Referenzspannung, die Versorgungsspannung generieren. Eine solche Vor- richtung kann beispielsweise einen Spannungsdifferenzverstärker, insbe sondere Operationsversstärker, und einen Transistor, über den die Versor gungsspannung nierderohmig generiert wird, umfassen. Teilweise kommt auch ein Spannungsteiler zum Einsatz, um die generierte Versorgungs spannung auf die Referenzspannung herunterzusetzen.

Bezüglich Chips mit integrierten Schaltungen bzw. Schaltkreisen besteht oftmals die Anforderung, dass innerhalb eines Chips unterschiedliche Span nungen benötigt werden, z.B. einerseits für Interface-Schaltungen und ande rerseits für Schaltungen mit Core Transistoren. Eine wichtige Eigenschaft von Vorrichtungen zur Spannungsregelung ist die Störungsfreiheit der geregelten Spannung. Dabei gilt es sowohl Störungen auf der Versorgungsspannung zu unterdrücken als auch Laststromänderun gen auszugleichen. Eine wesentliche Größe eines Spannungsreglers ist die sogenannte Power Supply Rejection Ratio, die kurz als PSRR bezeichnet wird. Diese Größe gibt an, wie stark Eingangsspannungsänderungen auf der Ausgangsspannung unterdrückt werden können. Im Deutschen ist für die PSRR auch die Bezeichnung Betriebs- bzw. Eingangsspannungsunterdrü ckung üblich. Es sei angemerkt, dass im Deutschen auch der Begriff Ver- sorgungsspannungsunterdrückung verwendet wird. Da vorliegend die Aus gangsspannung einer Vorrichtung zur Spannungsregelung als Versorgungs spannung bezeichnet wird, wird der Begriff Versorgungsspannungsunterdrü ckung bewusst nicht verwendet. Um die bereitzustellende Versorgungsspannung möglichst genau regeln können, benötigen Vorrichtungen für die Spannungsregelung üblicher Weise eine hohe Verstärkung. Andererseits wäre eine große Bandbreite vorteilhaft, damit eine breitbandige PSRR erzielt werden kann. Gängige Operationsver stärker haben aber eine begrenzte Bandbreite von häufig nur unter 100 MHz. Eine (ausreichende) Unterdrückung von Eingangsspannungsänderungen erfolgt mit anderen Worten nur über einen begrenzten Frequenzbereich von.

Es ist bekannt, die Bandbreite der PSRR mithilfe einer Stützkapazität zu verbessern. Außerdem kann versucht werden, die Regelung breitbandiger zu machen, indem parallele Regelpfade implementiert werden. Diese weisen dann üblicher Weise einen niederfrequenten und einen hochfrequenten Re gelpfad auf. Eine entsprechende Vorrichtung geht beispielsweise aus der US 2009/0085534 A1 hervor. Um gezielt die PSRR zu verbessern, können Stö rungen auch direkt geregelt werden, wie es beispielsweise in der US 2007/126329 A1 offenbart ist. Die US 2013/0307506 A1 und die CN 109189137 A zeigen eine Variation des aktiven Elementes, um die Band breite zu verbessern

Mit den vorbekannten Lösungen sind verschiedene Nachteile verbunden. Da das Regelglied, insbesondere ein Transistor, niederohmig am Ausgang ist, werden bei Einsatz einer nachgeschalteten Stützkapazität sehr hohe Kapa zitätswerte benötigt. Im Bereich der Spannungsregelung für Chips mit inte grierten Schaltkreisen führt dies üblicherweise dazu, dass nur externe Kapa zitäten außerhalb des Packages, also außerhalb eines den Chip umgeben- den Gehäuses, genutzt werden können. Das führt wiederum dazu, dass die Anzahl der geregelten Spannungen durch die maximale Anzahl der Packa gepins begrenzt ist, und die parasitären Induktivitäten des Package begren zen die Bandbreite der PSRR. Mit einer Regelung mit geteilten Regelpfaden sind üblicher Weise die Nachteile verbunden, das zusätzlicher Platz und Leistung verbraucht wird, und die erweiterte Bandbreite dadurch auch nur um maximal 30 bis 50% erhöht werden kann.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die sich durch eine vergleichsweise hohe PSRR mit vergleichsweise großer Bandbreite auszeichnet und dabei mit vertretbarer Leistung und vertretbarem Platzbedarf auskommt.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine zu der Spannungsregelungsschaltung parallel ge- schaltete Diode vorgesehen ist.

Durch die erfindungsgemäße Parallelschaltung einer insbesondere her kömmlichen bzw. konventionellen Regelschaltung mit einer Diode können auf überraschend einfache Weise die Vorteile einer genauen Regelung mit einer breitbandigen PSRR kombiniert werden. Die Erfindung basiert dabei auf der Erkenntnis, dass mittels einer parallel geschalteten Diode die PSRR gerade in demjenigen Frequenzbereich verbessert werden kann, in dem die PSRR der Spannungsregelung schlecht ausfällt bzw. abfällt. Die erfindungs gemäße Vorrichtung zeichnet sich dabei durch einen vertretbaren Platz- und Leistungsbedarf aus. Aufgrund des vertretbaren Platz- und Leistungsbedarf können auch mehrere Schaltungen durch separate Regler in dem Sinne voneinander getrennt werden, dass Übersprechen vermieden wird.

Mittels der Spannungsregungsschaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann dann insbesondere eine Regelung in einem ersten Frequenzbereich erfolgen. Mittels der Diode kann insbesondere in einem zweiten Frequenz bereich, in dem die PSRR der Spannungsregelungsschaltung nicht (ausrei chend) gut ist bzw. nicht greift, die Spannung gesetzt werden. Dabei nutzt die Erfindung, dass eine Diode sich durch eine frequenzabhängige PSRR aus- zeichnet, die in der Regel einen Peak bzw. ein Maximum in einem Fre quenzbereich hat, in dem die PSRR konventioneller Spannungsregelungs schaltungen niedrig ausfällt bzw. auf ein Minimum abgefallen ist.

Die Spannungsregelungsschaltung, zu der erfindungsgemäß eine Diode pa- rallel geschaltet ist, kann prinzipiell auf beliebige, insbesondere aus dem Stand der Technik vorbekannte Weise ausgebildet sein. Sie ist zweckmäßi ger Weise ausgestaltet, um Spannungsänderungen der ungeregelten Span nung zu reduzieren. Dann kann sie mit anderen Worten Spannungsschwan kungen auszugleichen bzw. glätten. Bevorzugt ist sie ausgebildet, um eine aktive Spannungsregelung zu realisieren. Es sei angemerkt, dass die Span nungsregelungsschaltung auch als Spannungsregelungseinrichtung be zeichnet werden kann. Die Spannungsregelungsschaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung stellt insbesondere eine aktive Regelung dar bzw. realisiert eine solche und die Diode eine passive Schaltung. Die Spannungsregelungsschaltung umfasst in vorteilhafter Ausgestaltung einen Verstärker. Unter einem Verstärker ist dabei jede Einrichtung zu ver stehen, mittels derer eine Verstärkung einer Spannung erzielt werden kann. Unter einer Verstärkung ist dabei sowohl eine positive als auch eine negative Verstärkung, bei der die verstärkte Ausgangsspannung geringer ausfällt als die Eingangsspannung, zu verstehen.

Bei dem Verstärker der Spannungsregelungsschaltung handelt es sich be vorzugt um einen Spannungsdifferenzverstärker, besonders bevorzugt um einen Operationsverstärker. Bei Operationsverstärkern, die aus dem Stand der Technik in hinlänglicher Weise vorbekannt sind, handelt es sich üblicher Weise um Spannungsverstärker, mit denen eine differenzielle Eingangs spannung auf einen bevorzugten massenbezogenen Spannungs-Ausgang verstärkt wird. Ein Operationsverstärker kann sich durch zwei Eingänge auszeichnen, die in der Regel hochohmige Spannungseingänge sind. Der Ausgang kann sich wie eine möglichst niederohmige Spannungsquelle ver halten.

Es sei angemerkt, dass, auch wenn in der Regel ein Verstärker ausreichen wird, dies nicht einschränkend zu verstehen ist, sondern es ist vielmehr auch möglich ist, dass die Spannungsregelungsschaltung zwei oder mehr Ver stärker umfasst, bei denen es sich dann jeweils um einen Spannungsdiffe renzverstärker, bevorzugt Operationsverstärker handeln kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist zweckmäßiger Weise einen Ein gang für die ungeregelte Spannung und/oder einen Ausgang für die geregel te Versorgungsspannung auf. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Spannungsregelungsschal tung ein Regelglied umfasst. Es kann ein Transistor vorgesehen sein, insbe sondere ein als Regelglied dienender Transistor. Umfasst die Spannungsre gelungsschaltung einen Transistor, weist dieser zweckmäßiger Weise in hin länglich vorbekannter Weise einen Drain-, einen Gate- und einen Source-Anschluss auf.

Auch im Zusammenhang mit dem Regelglied, insbesondere Transistor gilt, dass es ausreichen kann, wenn die Spannungsregelungsschaltung einen solchen umfasst, dies jedoch nicht einschränkend zu verstehen ist, sondern diese auch mehrere, ggf. parallel geschaltete Regelglieder bzw. Transistoren umfassen kann.

Weist die Spannungsregelungsschaltung eines bzw. mehrere Regelglieder auf, gilt weiter bevorzugt, dass die Diode zu dem Regelglied bzw. den Re- gelgliedern parallel geschaltet ist.

Ferner kann, wenn die die Spannungsregelungsschaltung einen oder meh rere Verstärker und einen oder mehrere insbesondere als Regelglied die nende Transistoren aufweist, weiterhin bevorzugt vorgesehen sein, dass der Ausgang des bzw. wenigstens eines bzw. jedes Verstärkers mit dem Ga te-Anschluss des oder zumindest eines oder jedes der Transistoren verbun den ist.

Auch kann vorgesehen sein, dass der Drain-Anschluss des oder im Falle mehrerer zumindest eines oder jedes Transistors der Spannungsregelungs- Schaltung mit dem Eingang der Vorrichtung verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Source-Anschluss des oder im Falle mehrerer zumindest eines oder jedes Transistors der Spannungsregelungsschaltung mit dem Ausgang der Vorrichtung verbunden sein, ggf. über einen oder mehrere Wi- derstände.

Als Diode, die erfindungsgemäß parallel zu der Spannungsregelungsschal tung geschaltet ist, kann insbesondere jede Komponente bzw. Einrichtung bzw. jedes elektronische Bauteil dienen, die bzw. das dazu geeignet bzw. ausgebildet und/oder eingerichtet ist, dass die Spannungspotentiale an zwei Kontakten der Komponente für einen Arbeitspunkt einen festen Potentialun terschied haben.

Die erfindungsgemäß vorgesehene, parallel zu der Spannungsregelungs- Schaltung geschaltete Diode ist in besonders bevorzugter Ausgestaltung durch einen als Diode verschalteten Transistor gegeben oder aber umfasst einen solchen. Die Diode kann also mit anderen Worten auch durch einen als Diode verschalteten Transistor gegeben bzw. gebildet sein. Ein als Diode verschalteter Transistor weist durch seinen Arbeitspunkt und durch seine Verschaltung einen festen Potentialunterschied zwischen zwei seiner Kon takte auf. Der Transistor weist zweckmäßiger Weise in hinlänglich vorbe kannter Weise einen Drain-, einen Gate- und einen Source-Anschluss auf.

Dann ist vorteilhafter Weise der Drain-Anschluss des als Diode verschalteten Transistors mit dem Eingang der Vorrichtung verbunden. Alternativ oder zu sätzlich kann der Source-Anschluss des als Diode verschalteten Transistors mit dem Ausgang der Vorrichtung verbunden sein. Es sei angemerkt, dass die Diode auch anders ausgestaltet sein kann. So kann es sich bei dieser beispielsweise auch um eine Schottky-Diode oder eine PN-Diode handeln. In ganz besonders bevorzugter Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemä ße Vorrichtung einen R-C-Kreis. Es sei angemerkt, dass ein R-C-Kreis auch als R-C-Glied bezeichnet werden kann. Ein R-C-Kreis bzw. R-C-Glied ist in an sich bekannter Weise durch eine Schaltung mit wenigstens einem Wider stand und wenigstens einem Kondensator gegeben. Der wenigstens eine Widerstand und der wenigstens eine Kondensator können dabei in Reihe geschaltet sein.

Ist ein R-C-Kreis vorgesehen, ist dieser bevorzugt parallel zu der Diode ge schaltet.

Es kann sein, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung neben der zu der Spannungsregelungsschaltung parallel geschalteten Diode und einem ggf. vorhandenen weiteren parallel geschalteten Pfad, der beispielweise einen R-C-Kreis bzw. einen oder mehrere einstellbare Widerstände bzw. eine Fil- terschaltung umfasst oder durch einen solchen gebildet wird, keine weiteren parallelen Pfade aufweist. Mit anderen Worten kann es sein, dass die erfin dungsgemäße Vorrichtung nur genau einen oder nur genau zwei zu der Spannungsregelungsschaltung parallele Pfade aufweist, wobei dies optional und nicht zwingend zu verstehen ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung be- steht dann insbesondere aus einer Spannungsregelungsschaltung und ei nem dazu parallelen Pfad bzw. aus einer Spannungsregelungsschaltung und zwei dazu parallelen Pfaden. In ersterem Fall umfasst der eine parallele Pfad die Diode und im zweiten Fall der eine Pfad die Diode und der zweite paral lele Pfad beispielsweise einen R-C-Kreis bzw. einen oder mehrere einstell- bare Widerstände bzw. eine Filterschaltung. Es sei angemerkt, dass auch in diesem Falle innerhalb eines parallelen Pfades zu Komponenten auf diesem nochmals parallel geschaltete Komponenten vorhanden sein können. Bei spielsweise kann eine zusätzlich zu einer parallel geschalteten Diode vor handenen zweiter paralleler Pfad einen Widerstand umfassen, zu dem sei- nerseits beispielsweise eine Kapazität parallel geschaltet ist.

Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der R-C-Kreis we nigstens einen einstellbaren Widerstand umfasst. Ist die Diode durch einen als Diode verschalteten Transistor gegeben bzw. umfasst sie einen solchen, gilt besonders bevorzugt, dass der R-C-Kreis pa rallel zu dem Gate-Anschluss des als Diode verschalteten Transistors ge schaltet ist. Es hat sich gezeigt, dass mittels eines R-C-Kreises der Frequenzbereich, in dem von der Diode Störungen unterdrückt werden, noch vergrößert werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich im Ergebnis durch eine besonders gute und breitbandige PSRR aus. Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsge mäßen Vorrichtung ist eine insbesondere der Diode zugeordnete Filterschal tung vorgesehen.

Durch eine Filterschaltung kann insbesondere der passive Teil der Regelung für einen höheren Frequenzbereich - die Diode bzw. der als solche verschal- tete Transistor - von der ungeregelten Eingangsspannung getrennt werden, bzw. diese kann für die Bereitstellung einer Referenzspannung, die von Stö rungen auf der Eingangsspannung getrennt ist, genutzt werden. Dann erfolgt insbesondere eine Filterung einer passiven Diodenschaltung zur Störunterdrückung.

Ist die Diode durch einen als Diode verschalteten Transistor gegeben oder umfasst einen solchen, ist die Filterschaltung bevorzugt mit dessen Ga te-Anschluss verbunden. Die Filterschaltung dient dann insbesondere der Filterung des Gate-Anschlusses.

Die Filterschaltung umfasst weiterhin bevorzugt wenigstens einen Konden- sator und/oder einen Widerstand. Der Widerstand und/oder der Kondensator kann dann einseitig mit dem Gate-Anschluss des als Diode verschalteten Transistor verbunden sein. Eine Filterschaltung kann in einer einfachen Aus führung beispielsweise aus einem Tiefpass aus einem Widerstand in Serie und einem Kondensator, mit anderen Worten einer Kapazität, parallel und nach Masse bestehen. Dadurch werden Störungen besonders gut gefiltert.

Es sei angemerkt, dass, auch wenn in der Regel eine Diode ausreichen wird, dies nicht einschränkend zu verstehen ist, sondern es auch möglich ist, dass die Vorrichtung zwei oder mehr Dioden umfasst. Ist mehr als eine Diode vorgesehen, sind diese bevorzugt alle parallel zu der Spannungsregelungs schaltung geschaltet. Diese können sich dann ferner jeweils durch eines oder mehrere der Merkmale auszeichnen, die vorstehend als vorteilhaft im Zu sammenhang mit der Diode beschrieben wurden. Die Erfindung betrifft auch einen Chip, insbesondere Halbleiter-Chip, der eine oder mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen zum Bereitstellen einer ge regelten Versorgungsspannung aus einer ungeregelten Spannung umfasst.

Es kann ein den Chip umgebendes Gehäuse vorgesehen sein. Dann gilt be- vorzugt, dass die bzw. im Falle mehrerer wenigstens eine oder auch jede der erfindungsgemäßen Vorrichtungen innerhalb des Gehäuses des Chips an geordnet ist. Bei einem Chip-Gehäuse spricht man auch von einem Package.

Der erfindungsgemäße Chip umfasst bevorzugt in an sich bekannter Weise ein Halbleiterplättchen mit integrierten Schaltkreisen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. die erfindungsgemäßen Vorrichtungen werden dann be sonders bevorzugt durch integrierte Schaltkreise des Chips gebildet bzw. umfassen solche. Es kann ferner sein, dass integrierte Schaltkreise des Chips bzw. Komponenten dieser über eine oder mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen mit Spannung versorgt werden.

Sind zwei oder mehr erfindungsgemäße Vorrichtungen vorgesehen, dient bevorzugt jede Vorrichtung der Bereitstellung einer anderen Spannung. Weiter bevorzugt kommen verschiedene der Vorrichtungen für verschiedene Komponenten bzw. integrierte Schaltungen des Chips zum Einsatz, bei spielsweise wenigstens eine erfindungsgemäße Vorrichtung für eine oder mehrere Interface-Schaltungen des Chips und wenigstens eine erfindungs gemäße Vorrichtung für Schaltungen des Chips mit Core Transistoren. Wenn eine oder mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen auf einem Chip zum Einsatz kommen, besteht der große Vorteil erzielt, dass keine externen, außerhalb des Packages angeordnete Stützkapazitäten erforderlich sind. Das Problem der Begrenzung der Anzahl geregelter Spannungen durch die maximale Anzahl der Packagepins wird somit vollständig vermieden. Darüber hinaus wird auch die Problematik umgegangen, dass parasitäre Induktivitä ten des Package die Bandbreite der PSRR begrenzen.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Bereitstellen einer geregelten Versorgungsspannung aus einer ungeregelten Spannung, bei dem eine erfindungsgemäße Vorrichtung bereitgestellt wird, deren Spannungsregelungsschaltung ein Regelglied umfasst, und deren Diode durch einen als Diode verschalteten Transistor mit einem Drain-, einem Ga te- und einem Source-Anschluss gegeben ist oder einen solchen umfasst, wobei der als Diode verschaltete Transistor parallel zu dem Regelglied ge- schaltet ist, und wobei die Vorrichtung einen einstellbaren Widerstand um fasst, der parallel zu dem Gate-Anschluss des als Diode verschalteten Tran sistors geschaltet ist, und bei dem ein ungeregelte Spannung an die Vorrich tung angelegt und der einstellbare Widerstand derart eingestellt wird, dass sowohl durch das Regelglied als auch durch den als Diode verschalteten Transistor ein Strom fließt.

Auch das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es insbesondere, Ver sorgungsspannungen so einzustellen, dass die benötigten Komponenten auf einer Halbleiter-, insbesondere Siliziumschaltung mit vertretbarem Platzbe- darf und vertretbarer Leistungsaufnahme implementiert werden können, bei gleichzeitig breitbandiger Unterdrückung von Störungen.

Schließlich betrifft die Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bereitstellen einer geregelten Versorgungsspannung aus einer ungeregelten Spannung.

Es sei angemerkt, dass nicht ausgeschlossen ist, dass eine zu der erfin dungsgemäßen Regelung zusätzliche Regelung bzw. Störungsunterdrü ckung erfolgt bzw. erfolgt ist, beispielsweise eine vorherige insbesondere grobe Regelung, etwa mit einem DC-DC-Wandler. Mit der erfindungsgemä ßen Vorrichtung kann entsprechend auch eine (noch) genauere Regelung bzw. Störungsunterdrückung einer Spannung erfolgen. Eine ungeregelte Spannung im vorliegenden Sinne kann auch eine für einen Anwendungsfall (noch) nicht ausreichend geregelte bzw. störungsunterdrückte Spannung sein, die dann einer (weiteren) Regelung bzw. Störungsunterdrückung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung unterzogen wird.

Hinsichtlich der Ausgestaltungen der Erfindung wird auch auf die Unteran- Sprüche sowie auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungs beispiele unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung verwiesen.

In der Zeichnung zeigt: Figur 1 eine vorbekannte Spannungsregelungsschaltung mit einem PMOS als Regelglied in rein schematischer Darstellung;

Figur 2 eine vorbekannte Spannungsregelungsschaltung mit einem NMOS als Regelglied in rein schematischer Darstellung;

Figur 3 einen beispielhaften Aufbau eines Operationsverstärkers in rein schematischer Darstellung;

Figur 4 einen schematischen, unskalierten Graphen mit der über der Frequenz aufgetragenen PSRR der Spannungsregelungsschaltungen aus den Figuren 1 und 2;

Figur 5 eine Diode und eine Last in rein schematischer Darstellung; Figur 6 einen als Diode verschalteten Transistor und eine Last in rein schematischer Darstellung;

Figur 7 einen schematischen, unskalierten Graphen mit der über der Frequenz aufgetragenen PSRR der Diode aus Figur 5 und der als Diode verschalteten Transistors aus Figur 6; Figur 8 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vor richtung in rein schematischer Darstellung; Figur 9 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vor richtung in rein schematischer Darstellung;

Figur 10 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vor richtung in rein schematischer Darstellung;

Figur 11 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vor richtung in rein schematischer Darstellung;

Figur 12 einen schematischen, unskalierten Graphen mit der über der Frequenz aufgetragenen PSRR der Vorrichtungen gemäß den Figuren 8 bis 11; und

Figur 13 eine rein schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Chips.

Die Figur 1 zeigt in rein schematischer Darstellung eine aus dem Stand der Technik vorbekannte Spannungsregelungseinrichtung bzw. Spannungsrege lungsschaltung 1 , die für eine Last 2 eine geregelte Versorgungsspannung VREG aus einer ungeregelten Spannung VE bereitstellt. Die konventionelle Spannungsregelungsschaltung 1 umfasst einen Operationsverstärker 3, an dessen einem, invertierten Eingang 4 eine Referenzspannung VREF anliegt. Die Spannungsregelungseinrichtung 1 umfasst ferner einen insbesondere als Regelglied dienenden Transistor 5, mit einem Drain-Anschluss 6, einem Ga te-Anschluss 7 und einem Source-Anschluss 8. Bei dem Transistor 5 handelt es sich vorliegend um einen PMOS. Der Gate-Anschluss 8 des Transistors 5 ist mit dem Ausgang 9 des Operationsverstärkers 3 verbunden. Der Drain-Anschluss 6 ist mit dem Eingang 10 der Spannungsregelungsschal tung 1, an welchem die ungeregelte Spannung VE anliegt, und der Source-Anschluss 8 mit dem Ausgang 11 der Spannungsregelungsschaltung 1 verbunden. Ebenfalls mit dem Ausgang 11 des Spannungsregelungs schaltung 1 verbunden ist der zweite, nicht invertierte Eingang 12 des Opera tionsverstärkers 3. Die Anordnung kann insbesondere der Verstärkung des Fehlers der Regelung dienen. Die Last 2, welche mit der mittels der Spannungsregelungsschaltung 1 ge regelten Spannung VREG versorgt wird, umfasst einen einstellbaren Wider stand 13 und eine parallel zu diesem geschaltete Kapazität in Form eines Kondensators 14. Der einstellbare Widerstand 13 und der Kondensator 14 liegen beide an der Erde 15 an. Der Last 2 nachgeschaltet ist ein weitere Kondensator 14, der ebenfalls mit der Erde 15 verbunden ist.

Die Figur 2 zeigt ein weiteres Beispiel einer konventionellen Spannungsre gelungsschaltung 1, die mit derjenigen aus Figur 1 in weiten Teilen überein stimmt und der ebenfalls eine Last 2 und ein mit der Erde 15 verbundener Kondensator 14 nachgeschaltet ist. Gleiche Komponenten sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der einzige Unterschied der Schaltung 1 gemäß Figur 1 und der Schaltung 1 gemäß Figur 2 besteht darin, dass der bei letzterer als Regelglied dienende Transistor 5 nicht durch einen PMOS sondern einen NMOS gegeben ist.

Die Figur 3 zeigt in rein schematischer Darstellung den Aufbau der Operati onsverstärker 3 der Schaltungen aus den Figuren 1 und 2. Wie man erkennt, umfasst dieser eine Differenzstufe 16 und mehrere Stromspiegel 17. Es sei angemerkt, dass der Verstärkeraufbau gemäß Figur 3 rein beispielhaft zu verstehen ist. Die Figur 4 zeigt einen Graphen, in welchem - rein schematisch und ohne Skalierung - das frequenzabhängige Verhalten der Power Supply Rejection Ratio (im Folgenden kurz PSRR) der Spannungsregelungseinrichtungen 1 aus den Figuren 1 und 2 dargestellt ist. Es gilt PSRR (f) = D VE (f) / D VREG (f). Die linke mit dem Bezugszeichen 18 versehene gestrichelte Linie markiert die Bandbreite des Operationsverstärkers 3 und die rechte, mit dem Be zugszeichen 19 versehene gestrichelte Linie die Bandbreite des Transistors 5.

Wie man erkennt, ist die PSRR der Einrichtung 1 in einem ersten Frequenz bereich Fi, der sich bis zu der Linie 18 erstreckt, gut (deutlich von Null dB verschieden) und fällt dann bis fast auf Null dB ab, um anschließend wieder anzusteigen. Es gibt somit einen zweiten Frequenzbereich F2, in dem die PSRR deutlich schlechter ist. Die PSRR ist mit anderen Worten nicht über den gesamten Frequenzbereich (ausreichend) gut sondern hat eine be grenzte Bandbreite.

Die Figur 5 zeigt in rein schematischer Darstellung eine Diode 20, an welcher eine ungeregelte Spannung VE anliegt und der- in Analogie zu den Figuren 1 und 2 - ein Last 2 nachgeschaltet ist. Bei der Diode 20 kann es sich bei spielsweise um eine Schottky- oder PN-Diode handeln. In Figur 6 ist ein analoger Aufbau gezeigt, wobei die Diode hier durch einen als Diode ver- schalteten Transistor 21 mit einem Drain-Anschluss 6, einem Ga- te-Anschluss 7 und einem Source-Anschluss 8 gegeben ist und an dem Ga te-Anschluss 7 eine Referenzspannung VREF anliegt.

In der Figur 7 ist das Verhalten der PSRR der Diode 20 und des als Diode verschalteten Transistors 21 gezeigt, dies in völliger Analogie zu Figur 4 in einem rein schematischen, unskalierten Grafen, in dem die PSRR über der Frequenz f aufgetragen ist. Wie man erkennt, liegt die PSRR in einem ersten Frequenzbereich Fi bei Null dB und in einem zweiten Frequenzbereich F2 deutlich von Null dB verschieden. Die vorliegende Erfindung macht sich dies zunutze, um in Kombination mit einer Spannungsregelungsschaltung eine breitbandige PSRR zu erhalten.

Die Figuren 8 bis 11 zeigen vier Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Vorrichtungen zum Bereitstellen einer geregelten Versorgungsspannung aus einer ungeregelten Spannung.

Das erste Ausführungsbeispiel gemäß Figur 8 umfasst eine Spannungsre gelungsschaltung 1 , die vorliegend mit der Spannungsregelungsschaltung 1 aus Figur 1 übereinstimmt. Es sei betont, dass dies rein beispielhaft zu ver- stehen ist und die Spannungsregelungsschaltung 1 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 22 prinzipiell auch auf andere Weise ausgestaltet sein kann, et wa wie diejenige aus Figur 2 mit einem NMOS anstatt eines PMOs, oder auch auf andere insbesondere aus dem Stand der Technik vorbekannte Weise.

Neben der Spannungsregelungsschaltung 1 umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 22 aus Figur 8 eine Diode 20, die zu der Spannungsregelungs schaltung 1 parallel geschaltet ist. Bei der Diode 20 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 22 kann es sich beispielsweise um eine Schottky-Diode oder auch eine PN-Diode 18 handeln.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 22 kann als Diode ein als Diode verschalteter Transistor 21 zum Einsatz kommen, wie es in Figur 9 (und auch den Figuren 10 und 11) rein schema- tisch dargestellt ist. Der Transistor 21 weist in an sich bekannter Weise einen Drain-Anschluss 6, einen Gate-Anschluss 7 und einen Source-Anschluss 8 auf. An dem Gate-Anschluss 7 kann in einer Ausführungsform, wie sie in Fi gur 9 gezeigt ist, eine Referenzspannung VREF anliegen. Die parallel geschaltete Diode 20 bzw. der als solche verschaltete Transistor 21 ist einerseits mit dem Eingang 10 der Spannungsregelungsschaltung 1 verbunden. Der Eingang 10 der Spannungsregelungsschaltung 1 ist wiede rum mit dem nicht weiter dargestellten Eingang der Vorrichtung verbunden. Er kann diesen auch bilden. Die Diode 20 bzw. der als solche verschaltete Transistor 21 ist andererseits mit dem Ausgang 23 der Vorrichtung verbun den, mit dem auch der Ausgang 11 der Spannungsregelungsschaltung 1 verbunden ist. Die Diode 20 bzw. der als Diode verschaltete Transistor 21 ist parallel zu dem Transistor 5 der Spannungsregelungsschaltung 1 geschaltet. Dies gilt für alle vier Ausführungsbeispiele.

Durch die Parallelschaltung einer Spannungsregelungsschaltung 1 und einer Diode 20, die auch durch einen solche verschalteten Transistor 21 gegeben sein kann, können auf überraschend einfache Weise die Vorteile einer ge nauen Regelung mit einer breitbandigen PSRR kombiniert werden.

Die Figur 12 veranschaulicht das Verhalten der PSRR einer erfindungsge mäßen Vorrichtung im Vergleich mit der PSRR der Spannungsregelungs schaltungen 1 aus den Figuren 1 und 2 (vgl. den Grafen gemäß Figur 4) und der PSRR der in den Figuren 5 und 6 dargestellten Diode 20 bzw. des als Diode verschalteten Transistors 21 (vgl. den Grafen gemäß Figur 7). Dabei ist in Figur 12 die PSRR der Spannungsregelungsschaltungen 1 mit strich punktierter Linie, die PSRR der Diode 20 und des als Diode verschalteten Transistors 21 mit gestrichelter Linie und die PSRR der Vorrichtung 22 ge mäß der Figur 10 mit durchgezogener Linie dargestellt. Es sei angemerkt, dass die PSRR von den Vorrichtungen 22 aus den Figuren 8, 10 und 11 ähn- lieh ist, so dass die Kurve der Vorrichtung 22 aus Figur 9 zur Veranschauli chung aller Vorrichtungen 22 dienen kann. Auf den einzigen Unterschied wird weiter unten noch eingegangen. Wie man sieht, kann mittels einer parallel geschalteten Diode 20, die auch durch einen als Diode verschalteten Transistor 21 gegeben sein kann, die PSRR gerade in demjenigen Frequenzbereich verbessert werden, in dem die PSRR der Spannungsregelung 1 schlecht ausfällt bzw. abfällt (vgl. die strichpunktierte Linie). Es wird in beiden Frequenzbereichen, also über alle Frequenzen eine gute PSRR erzielt.

Das in Figur 10 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel einer erfindungsge mäßen Vorrichtung unterscheidet sich von dem zweiten Beispiel gemäß Fi gur 9 nur dadurch, dass ein R-C-Kreis 24 vorgesehen ist. Dieser ist sich zwischen dem Transistor 5 der Spannungsregelungsschaltung 1 und dem dazu parallel geschalteten als Diode verschalteten Transistor 21 angerord net. Er ist ebenfalls parallel geschaltet, konkret zu dem Gate-Anschluss 7 des als Diode verschalteten Transistors 21. Der R-C-Kreis 24 umfasst in vorbekannter Weise einen Widerstand 25 und einen Kondensator 14. Der Widerstand 25 ist einerseits mit dem Eingang 10 der Spannungsregelungs schaltung 1 und andererseits mit dem Gate-Anschluss 7 des Transistors 21 verbunden. Der Kondensator 14 ist einerseits mit dem Gate-Anschluss 7 des Transistors 21 und andererseits der Erde 15 verbunden. Mittels des R-C-Kreises 24 kann der Frequenzbereich, in dem von der Diode Störungen unterdrückt werden, noch vergrößert werden. Mit anderen Worten kann die Flanke 26 (siehe Figur 12) der PSRR einer Diode 20 bzw. eines als solche verschalteten Transistors 21 in Figur 12 weiter nach links gebracht werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 22 zeichnet sich im Ergebnis durch eine besonders gute und breitbandige PSRR aus. Es sei angemerkt, dass auch wenn mit einem R-C-Kreis 25 ein besonders vorteilhaftes Ergeb nis erzielt werden kann, sich die PSRR aber auch ohne einen solchen noch nur ein gutes Verhalten über den gesamten Frequenzbereich auszeichnet. Würde die Flanke 26 in Figur 12 etwas weiter rechts liegen, würde dies ledig- lieh zu einem etwas niedrigeren Wert der PSRR der Vorrichtung 22 (durch gezogene Linie) in einem vergleichsweise kleinen Frequenzbereich führen.

Das vierte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Figur 11 unterscheidet sich von derjenigen gemäß Figur 10 nur dadurch, dass anstelle des R-C-Kreises 24 zwei einstellbare Widerstände 27 und ein Kondensator 14 vorgesehen sind. Die beiden einstellbaren Widerstände 27 die in Reihe geschaltet sind, sind dabei parallel zu dem als Diode verschal- teten Transistor 21 geschaltet. Der obere einstellbare Widerstand 27 ist da bei einerseits mit dem Eingang 10 und andererseits mit dem unteren ein- stellbaren Widerstand 27 verschaltet. Der untere Widerstand 27 ist einerseits mit dem oberen Widerstand 27 und andererseits mit der Erde 15 verbunden. Der Kondensator 14 ist parallel zu dem unteren der beiden Widerstände 27 geschaltet. Hier gilt für die geregelte Spannung VREG = V1 - VTH, wobei VTH die Threshold-Spannung des Transistors 21 ist und V 1 diejenige Spannung, die zwischen den beiden einstellbaren Widerständen anliegt und variiert werden kann. Diese Ausgestaltung bietet somit den Vorteil, dass die geregelte Spannung nicht auf VREG = VE - VTH festgelegt ist, wie bei den Ausge- staltungen gemäß den Figuren 8 und 9.

Hier ist es ferner möglich, einen der beiden bzw. beide einstellbaren Wider stände derart einzustellen, dass durch beide Äste, konkret sowohl durch den Transistor 5 der Spannungsregelungsschaltung 1 als auch durch den als Di- ode verschalteten Transistor 21 ein Strom fließt. Es sei angemerkt, dass dies ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemä ßen Verfahrens zum Bereitstellen einer geregelten Versorgungsspannung aus einer ungeregelten Spannung darstellt.

Diese Vorgehensweise bietet den Vorteil, dass die gegebene Spannung frei gewählt werden kann und nicht eine Diodenschwelle über der geregelten Spannung liegen muss. Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit dem Vorteil der frei wählbaren Spannung ist durch eine Anordnung gemäß Figur 11 ohne den zweiten, unteren einstellbaren Widerstand 27 und ohne die parallel dazu geschaltete Kapazität 14 gegeben. Der zweite einstellbare Widerstand 27 und die Kapazität 14 parallel und nach Masse 15 bilden insbesondere ein Beispiel einer Filterschaltung, durch wel che Störungen besonders gut gefiltert werden können.

Es sei angemerkt, dass bezüglich aller in den Figuren gezeigten Ausfüh- rungsbeispiele erfindungsgemäßer Vorrichtungen 22 gelten kann, dass diese neben den dargestellten Komponenten keine weiteren Komponenten auf weisen, diese mit anderen Worten aus den in den Figuren dargestellten Komponenten bestehen können. Die Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Vorrichtungen 22 sind beson ders bevorzugt - zumindest teilweise, insbesondere vollständig - jeweils Bestandteil eines Halbleiterchips.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterchips 28 ist rein schematisch in der Figur 13 dargestellt. Dieser umfasst zwei Vorrichtungen 22, die vorliegend wie in Figur 10 gezeigt ausgestaltet sind. Die beiden Vor richtungen 22 sind dabei als integrierte Schaltkreise des Chips 28 realisiert. Jede der beiden Vorrichtungen 22 versorgt bei dem dargestellten Beispiel einen weiteren Schaltkreis 29, 30 oder Komponente des Chips 28 mit Span- nung. Vorliegend versorgt eine der Vorrichtungen eine Interface-Schaltung 29 des Chips 28 und die andere Vorrichtung 22 eine Schaltung 20 mit Core-Transistoren. Die beiden Schaltungen 29, 30 sind - genau wie der Chip selber und die Vorrichtungen 22 - in der rein schematischen Figur nur stark vereinfacht durch Blockbildelemente angedeutet. Jede Vorrichtung 22 dient dabei der Bereitstellung einer anderen Spannung.

Es sein angemerkt, dass die Figur 13 rein beispielhaft zu verstehen ist und natürlich auch nur eine oder auch mehr als zwei erfindungsgemäße Vorrich tungen als Bestandteil eines Chips 28 realisiert sein können. Selbstverständ- lieh kann auch eine andere Anzahl von weiteren Schaltkreisen bzw. Kompo nenten eines Chips 28 versorgt werden und die Vorrichtungen 22 können anders ausgebildet sein als die in Figur 10 gezeigte.

Der Chip 28 ist von einem in den Figuren nicht weiter dargestellten Gehäuse (auch als Package bezeichnet) umgeben und die beiden erfindungsgemäßen Vorrichtungen 22 erstrecken sich bei dem dargestellten Beispiel vollständig innerhalb des Gehäuses.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen 22 bieten den großen Vorteil, dass sie ohne externe, außerhalb des Packages angeordnete Stützkapazitäten auskommen. Das Problem der Begrenzung der Anzahl geregelter Spannun gen durch die maximale Anzahl der Packagepins wird somit vollständig ver mieden. Darüber hinaus wird auch die Problematik umgegangen, dass para sitäre Induktivitäten des Package die Bandbreite der PSRR begrenzen.