Die Erfindung betrifft eine Spannungsregleranordnung mit
einem Spannungsregler, der mit einer Schaltungsanordnung verbindbar ist und zur
Versorgung derselben vorgesehen ist.
Bei integrierten Schaltungen wird zwischen der internen
Versorgungsspannung und der externen Versorgungsspannung unterschieden. Der Eingangsanschluß
des Spannungsreglers ist mit der externen Versorgungsspannung beaufschlagt. Der
Ausgangsanschluß des Spannungsreglers, der mit der Schaltungsanordnung verbindbar
ist, beaufschlagt diese mit der internen Versorgungsspannung. Die Höhe der
internen Versorgungsspannung bemißt sich dabei nach den Anforderungen der Schaltungsanordnung.
Üblicherweise liegt die interne Versorgungsspannung niedriger als die externe
Versorgungsspannung. Der Spannungsregler übernimmt folglich die Aufgabe, die
externe Versorgungsspannung auf die interne Versorgungsspannung zu "transformieren".
Die interne Versorgungsspannung muß dabei, unabhängig von Spannungsschwankungen
der externen Versorgungsspannung möglichst konstant gehalten werden, um die
Funktion der zu versorgenden Schaltungsanordnung gewährleisten zu können.
Mit zunehmender Technologieintegration der Bauelemente
der zu versorgenden Schaltungsanordnung nimmt die interne Versorgungsspannung ab.
Da gleichzeitig der zulässige externe Spannungsbereich aufgrund vorgegebener
Normen (z. B. Global System for Mobile Communication GSM oder International Standard
Organization ISO) erweitert wird, werden die Anforderungen an den Spannungsregler
verschärft, eine gleichbleibende interne Versorgungsspannung bereit zu stellen.
Problematisch ist insbesondere der Ausgleich von Spannungsspitzen,
sogenannte Spikes, der externen Versorgungsspannung.
Zum einen können die Spannungsspitzen bei einem vergrößerten
externen Spannungsbereich zunehmen. Andererseits muß eine verringerte interne
Versorgungsspannung aufgrund der oben angesprochenen Technologieintegration der
Bauelemente der Schaltungsanordnung bereitgestellt werden. Dabei wirken sich gleiche
Spannungsschwankungen, d.h. deren Absolutwert, bei verringerter interner Versorgungsspannung
stärker aus, da die relative Änderung dann größer ist. Herkömmliche
Spannungsregler sind deshalb häufig nicht mehr in der Lage, bei großen
externen Spannungsschwankungen und geringen geforderten internen Versorgungsspannungen
eine ausreichend gleichbleibende interne Versorgungsspannung zu generieren.
Prinzipiell sind aus dem Stand der Technik zwei unterschiedliche
Typen von Spannungsreglern bekannt.
Zum einen gibt es integrierte Spannungsregler mit p-Kanal-Längsregeltransistoren,
die eine geringe Stromaufnahme, aber eine hohe Spannungsempfindlichkeit aufweisen.
Die hohe Spannungsempfindlichkeit ist dadurch verursacht, daß die externe Versorgungsspannung
mit dem Source-Anschluß des p-Kanal-Längsregeltransistors verbunden ist.
P-Kanal-Längskanaltransistoren werden derzeit in Spannungsreglern für
integrierte Schaltungen für den Einsatz in Chipkarten eingesetzt.
Weiterhin sind Spannungsregler mit n-Kanal-Längsregeltransistoren
bekannt. Diese weisen eine geringe Spannungsempfindlichkeit auf, da die externe
Versorgungsspannung mit dem Drain-Anschluß des n-Kanal-Längsregeltransistors
verbunden ist. Nachteilig bei diesem Typ ist jedoch die erhöhte Stromaufnahme,
die durch einen zusätzlichen Oszillator und eine zusätzliche Spannungspumpe
für die Ansteuerung des Gates des n-Kanal-Transistors notwendig sind. Hierdurch
bedingt benötigen Spannungsregler mit einem n-Kanal-Längsregeltransistor
eine erhöhte Stromaufnahme, vor allem in einem Ruhezustand. Dadurch bedingt
resultiert eine Verletzung der oben genannten GSM bzw. ISO-Normen.
Beispiele von diesen bekannten Spannungsreglern sind den
Druckschriften US 6 351 179, US 6 275 096, US 5 072 134 und US 5 929 694 zu entnehmen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine
Spannungsregleranordnung anzugeben, die gegenüber Spannungsspitzen der externen
Versorgungsspannung weniger anfällig ist.
Diese Aufgabe wird mit einer Spannungsregleranordnung mit
den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Spannungsregleranordnung
ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße Spannungsregleranordnung
weist einen ersten Spannungsregler auf, dessen Eingangsanschluß mit einem Versorgungspotentialanschluß
verbunden ist und dessen Ausgangsanschluß mit einem ersten Versorgungspotentialanschluß
einer Schaltungsanordnung verbindbar ist. Dabei versorgt der erste Spannungsregler
die Schaltungsanordnung in ihrem Ruhezustand mit einer Versorgungsspannung. Weiterhin
ist ein zweiter Spannungsregler vorgesehen, dessen Eingangsanschluß mit dem
Versorgungspotentialanschluß verbunden ist. Der Ausgangsanschluß des zweiten
Spannungsreglers ist mit einem zweiten Versorgungspotentialanschluß der Schaltungsanordnung
verbindbar, wobei der zweite Spannungsregler die Schaltungsanordnung in ihrem normalem
Betrieb mit einer Versorgungsspannung versorgt.
Bei der erfindungsgemäßen Spannungsregleranordnung
sind zwei Spannungsregler vorgesehen. Dabei versorgt der eine Spannungsregler die
Schaltungsanordnung in einem Ruhezustand, während der andere Spannungsregler
die Schaltungsanordnung in ihrem normalem Betrieb mit der Versorgungsspannung beaufschlagt.
Hierdurch ist es möglich, optimierte Spannungsregler
für den jeweiligen Zustand der Schaltungsanordnung (Ruhezustand oder Normalbetrieb)
einzusetzen, so daß einerseits eine drastische Reduzierung der Empfindlichkeit
gegenüber Spannungsspitzen der externen Versorgungsspannung und andererseits
eine niedrige Stromaufnahme in dem Ruhezustand möglich ist. Insbesondere bei
der Verwendung der Spannungsregleranordnung in batteriebetriebenen Applikationen
ergibt sich hierdurch eine gegenüber konventionellen Anordnungen sehr stark
erhöhte Standby-Zeit.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der erste Spannungsregler
einen Längsregeltransistor des ersten Leitfähigkeitstyps auf. Der zweite
Spannungsregler weist hingegen vorzugsweise einen Längsregeltransistor des
zweiten Leitfähigkeitstyps auf. Hierdurch bedingt kann ein Spannungsregler
auf eine geringe Stromaufnahme hin optimiert werden, während der andere eine
geringe Spannungsempfindlichkeit gegenüber Spannungsspitzen der externen Versorgungsspannung
aufweist.
Zweckmäßigerweise weist der erste Spannungsregler
einen p-Kanal-Längsregeltransistor auf, der eine nur geringe Stromaufnahme
verursacht und somit im Ruhezustand vorteilhaft verwendet wird.
Erfindungsgemäß verfügt der zweite Spannungsregler
über Mittel zum Erzeugen einer Hochspannung. Der zweite Spannungsregler, der
bevorzugt einen n-Kanal-Längsregeltransistor aufweist, wodurch eine geringe
Spannungsempfindlichkeit im Normalbetrieb sichergestellt ist, kann dann mit seinem
Drain-Anschluß mit der externen Versorgungsspannung verbunden werden. Um diesen
n-Kanal-Längsregeltransistor leitend schalten zu können, ist jedoch an
seinem Gate-Anschluß eine gegenüber der Source-Spannung erhöhte Spannung
notwendig. Diese wird durch das Mittel zum Erzeugen einer Hochspannung bereitgestellt.
Das Mittel zum Erzeugen der Hochspannung umfaßt eine
Ladungspumpe und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines oszillierenden Signals. Derartige
Anordnungen sind unter dem Begriff "Ladungspumpe" bekannt. Diese bestehen aus einer
kaskadenförmig aufgebauten Anordnung aus Kondensatoren und Dioden. Durch das
oszillierende Signal werden die Kondensatoren der Ladungspumpe mit jedem Takt weiter
aufgeladen, so daß dem Gate-Anschluß des n-Kanal-Längsregeltransistors
die notwendige Hochspannung zur Verfügung gestellt werden kann.
Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung zum Erzeugen
eines oszillierenden Signals einen zwischen dem Ausgangsanschluß des zweiten
Spannungsreglers und der Ladungspumpe verschalteten Oszillator auf, der mit der
an dem Ausgangsanschluß anliegenden Spannung betrieben wird und während
des normalen Betriebes der Schaltungsanordnung die Ladungspumpe mit einem Signal
beaufschlagt.
Weiterhin ist vorgesehen, daß die Vorrichtung zum
Erzeugen eines oszillierenden Signals einen zwischen dem Ausgangsanschluß des
ersten Spannungsreglers und der Ladungspumpe verschalteten Level-Shifter aufweist,
der von einem externen Taktsignal betrieben wird und die Ladungspumpe mit einem
Signal beaufschlagt, so lange der Oszillator noch nicht durch den zweiten Spannungsregler
gespeist werden kann. Der Level-Shifter dient dazu, die Amplitude des Taktsignales
auf einen vorgegebenen Wert zu bringen.
Die Ladungspumpe, die zum Erzeugen der Hochspannung ein
oszillierendes Steuersignal benötigt, wird also von zwei unterschiedlichen
Vorrichtungen mit dem oszillierenden Steuersignal beaufschlagt. So lange der zweite
Spannungsregler noch keine stabile Ausgangsspannung erzeugt, wird das oszillierende
Signal durch den levelgeshifteten externen Takt bereitgestellt. Sobald der zweite
Spannungsregler seine vorgesehene Ausgangsspannung stabil erreicht hat, wird ein
anderer Oszillator mit dieser Ausgangsspannung betrieben, dessen oszillierendes
Signal sodann der Ladungspumpe zugeführt wird. Der levelgeshiftete externe
Takt wird ab diesem Zeitpunkt nicht mehr benötigt. Um diese Umschaltung zu
ermöglichen, ist deshalb ein Schaltelement vorgesehen, dessen Ausgang an der
Ladungspumpe und dessen Eingänge mit dem levelgeshifteten externen Takt bzw.
dem von der Ausgangsspannung des zweiten Spannungsreglers betriebenen Oszillator
verbunden sind. Die Umschaltung durch das Schaltelement erfolgt abhängig von
der an dem Ausgangsanschluß des zweiten Spannungsreglers anliegenden Spannung.
Erfindungsgemäß ist zumindest ein weiterer zweiter
Spannungsregler vorgesehen, der zur Versorgung weiterer Schaltungsanordnungen dient.
Bei diesen Schaltungsanordnungen kann es sich um beliebige, von der eingangs genannten
Schaltungsanordnung unterschiedliche Funktionselemente handeln.
Vorzugsweise werden die zweiten Spannungsregler von einer
Spannungsreferenzschaltung mit einer Referenzspannung beaufschlagt. Die Spannungsreferenzschaltung
verfügt vorzugsweise über einen Spannungsregler mit einem Längsregeltransistor
vom zweiten Leitfähigkeitstyp und wird im normalen Betrieb von dem Mittel zum
Erzeugen einer Hochspannung gespeist. Als Spannungsreferenzschaltung kann eine Bandabstandsreferenz,
eine sogenannte Bandgapschaltung verwendet werden.
Bevorzugt sind im Ruhezustand der Schaltungsanordnung bzw.
weiteren Schaltungsanordnungen alle Spannungsregler mit Längsregeltransistoren
vom zweiten Leitfähigkeitstyp abgeschaltet. Im Ruhezustand ist folglich nur
noch der erste Spannungsregler aktiv, der die Schaltungsanordnung und ggf. auch
die weiteren Schaltungsanordnungen mit einer Versorgungsspannung beaufschlagt. Da
gemäß dem Gedanken der Erfindung der erste Spannungsregler eine geringe
Stromaufnahme aufweist, benötigt die integrierte Gesamtschaltung, bestehend
aus der Spannungsregleranordnung und der Schaltungsanordnung bzw. Schaltungsanordnungen
eine äußerst geringe Stromaufnahme.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figur näher
erläutert.
Die Figur stellt eine integrierte Schaltung mit einem erfindungsgemäßen
Spannungsregler und einer Schaltungsanordnung dar.
Ein erster Spannungsregler SRp ist mit einem Eingangsanschluß
SRpE mit einem Versorgungspotentialanschluß VP verbunden, an dem ein Versorgungspotential
VDD anliegt. Ein Ausgangsanschluß SRpA ist mit einem ersten Versorgungspotentialanschluß
SAVP1 einer Schaltungsanordnung SA verbunden. Der erste Spannungsregler SRp verfügt
über einen p-Kanal-Längsregeltransistor und versorgt die Schaltungsanordnung
SA in ihrem Ruhezustand mit einer Versorgungsspannung.
Die Schaltungsanordnung SA verfügt darüber hinaus
über einen zweiten Versorgungspotentialanschluß SAVP2, der mit einem Ausgangsanschluß
SRnA eines zweiten Spannungsreglers SRn verbunden ist. Eingangsseitig ist der zweite
Spannungsregler SRn an seinem Eingangsanschluß SRnVP ebenfalls mit dem Versorgungspotential
VDD beaufschlagt. Der zweite Spannungsregler SRn verfügt über einen n-Kanal-Längsregeltransistor.
Bei diesen Spannungsreglern ist regelmäßig der Drain-Anschluß des
n-Kanal-Regeltransistors mit der externen Versorgungsspannung VDD verbunden. Hierdurch
bedingt benötigt der Spannungsregler SRn ein Mittel zum Erzeugen einer Hochspannung,
welches den Gate-Anschluß des Längsregeltransistors auf ein höheres
Potential bezüglich des zu erzeugenden internen Versorgungspotentials SRnA
bringt.
Zu diesem Zweck ist ein Steuersignalanschluß SRnS
des zweiten Spannungsreglers SRn mit dem Ausgangsanschluß CPA einer Ladungspumpe
CP verbunden. Bei dieser Ladungspumpe CP handelt es sich um eine kaskadenförmig
aufgebaute Anordnung aus Kondensatoren und Dioden. Ihre Versorgungsspannung erhält
die Ladungspumpe CP über einen ersten Versorgungspotentialanschluß CPVP1,
der mit dem Ausgang des ersten Spannungsreglers SRp verbunden ist, oder alternativ
über einen zweiten Versorgungspotentialanschluß CPVP2, der mit dem Ausgang
SRnA des zweiten Spannungsreglers SRn verbunden ist. Die genaue Funktionsweise,
zu welchem Zeitpunkt die Ladungspumpe CP über welchen Versorgungspotentialanschluß
CPVP1 oder CPVP2 versorgt wird, ergibt sich aus der weiter unten folgenden Beschreibung
der Funktionsweise der Spannungsregleranordnung.
Zur Erzeugung einer Hochspannung benötigt die Ladungspumpe
CP darüber hinaus ein oszillierendes Signal. Dieses wird ihr über einen
Eingangsanschluß CPE entweder von einem Oszillator OSZ oder als levelgeshifteter
externer Takt zugeführt.
Der Oszillator OSZ ist eingangsseitig mit dem Ausgangsanschluß
SRnA des zweiten Spannungsreglers SRn verbunden. Der Ausgangsanschluß OSZA
des Oszillators OSZ ist mit einem zweiten Eingangsanschluß SEE2 eines Schaltelementes
SE verbunden, welches ausgangsseitig eine Verbindung zu dem Eingangsanschluß
CPE der Ladungspumpe CP aufweist. Der Oszillator OSZ wird somit mit der an dem Ausgangsanschluß
SRnA anliegenden Spannung des zweiten Spannungsreglers betrieben.
Dem gegenüber wird der Level-Shifter LS über
einen Eingangsanschluß LSE von einem an einem Taktsignalanschluß T der
integrierten Schaltung anliegenden Taktsignal CLK betrieben. Der Level-Shifter LS
ist weiterhin mit dem Ausgang SRpA und dem Eingang SRpE des ersten Spannungsreglers
SRp verbunden. Ausgangsseitig ist der Level-Shifter mit einem ersten Eingangsanschluß
SEE1 des Schaltelementes SE verbunden. Alternativ könnte anstelle des levelgeshifteten
externen Taktes ein Oszillator, der von der Ausgangsspannung SRpA des ersten Spannungsreglers
SRp versorgt wird, diesen Takt generieren und ausgangsseitig mit dem ersten Eingangsanschluß
SEE1 verbunden werden.
Bei dem Schaltelement SE handelt es sich um einen Multiplexer,
der abhängig von der an dem Ausgangsanschluß SRnA des zweiten Spannungsreglers
SRn anliegenden Spannung gesteuert wird.
Der zweite Spannungsregler SRn verfügt weiterhin über
einen Referenzspannungsanschluß SRnR, der mit einem Ausgangsanschluß BGA
einer Spannungsreferenzschaltung BG verbunden ist. Bei der Spannungsreferenzschaltung
kann es sich beispielsweise um eine Bandabstandsreferenz oder Bandgap handeln. Ihre
Versorgungsspannungen erhält die Spannungsreferenzschaltung BG über einen
Versorgungspotentialanschluß BGV, der mit dem Versorgungspotential VDD an dem
Versorgungspotentialanschluß VP beaufschlagt ist und über einen Eingangsanschluß
BGE, der mit dem Ausgangsanschluß CPA der Ladungspumpe CP verbunden ist.
Nachfolgend wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen
Spannungsregleranordnung näher erläutert.
Beim Anlegen der externen Versorgungsspannung VDD wird
über den ersten Spannungsregler SRp an seinem Ausgang SRpA eine Spannung generiert,
die in etwa der Versorgungsspannung der Schaltungsanordnung SA entspricht. Soll
die integrierte Schaltung aus ihrem Ruhezustand in ihren Normalbetrieb übergeführt
werden, so wird die an dem Ausgang SRpA anliegende Spannung über den Versorgungspotentialanschluß
CPVP1 der Ladungspumpe CP zugeführt.
Vorher wird an den Taktsignalanschluß T ein Taktsignal
CLK angelegt, so daß der Level-Shifter LS über das Schaltelement SE der
Ladungspumpe CP ein oszillierendes Signal zur Verfügung stellen kann. Die Ladungspumpe
CP kann hierdurch an ihrem Ausgangsanschluß CPA eine Hochspannung bereitstellen,
die dem zweiten Spannungsregler SRn an ihrem Steuersignalanschluß SRnS bereitgestellt
wird. Die an dem Ausgangsanschluß CPA anliegende Hochspannung wird ferner über
den Eingangsanschluß BGE der Spannungsreferenzschaltung BG zur Verfügung
gestellt. Dadurch ist der zweite Spannungsregler SRn in der Lage, eine Ausgangsspannung
aufzubauen, die er über seinen Ausgangsanschluß SRnA zur Verfügung
stellt.
Die von dem zweiten Spannungsregler SRn erzeugte Ausgangsspannung
wird über den zweiten Versorgungspotentialanschluß SAVP2 der Schaltungsanordnung
SA zur Verfügung gestellt. Ab diesem Zeitpunkt wird der erste Spannungsregler
SRp, der aufgrund seiner p-Kanal-Transistoren eine hohe Spannungsempfindlichkeit
aufweist, nicht mehr benötigt.
Die von dem zweiten Spannungsregler SRn erzeugte Ausgangsspannung
wird weiterhin dem Oszillator OSZ zur Verfügung gestellt. Das Schaltelement
SE erkennt die nunmehr stabile Ausgangsspannung an dem Ausgangsanschluß SRnA
und übernimmt eine Umschaltung auf den Oszillator OSZ, so daß das oszillierende
Signal nun nicht mehr über den Level-Shifter LS, sondern über den Oszillator
OSZ der Ladungspumpe CP bereitgestellt wird.
Im Ruhezustand werden der Oszillator OSZ, die Ladungspumpe
CP und alle einen n-Kanal-Regeltransistor aufweisenden Spannungsregler, also alle
zweiten Spannungsregler, und die Spannungsreferenzschaltung, abgeschaltet. Die Spannungsversorgung
der Schaltungsanordnung SA erfolgt in diesem Ruhezustand mittels des ersten Spannungsreglers
SRp, der somit nur noch einen relativ kleinen Strom aufbringen muß und dessen
Eigenstrombedarf andererseits sehr gering ist.
Die erfindungsgemäße Spannungsregleranordnung
ermöglicht eine drastische Reduzierung der Anfälligkeit gegenüber
Spannungsspitzen im Normalbetrieb, wobei eine äußerst niedrige Stromaufnahme
im Ruhezustand sichergestellt ist. Im Normalbetrieb werden die Spannungsschwankungen
aufgrund der ausschließlichen Verwendung von Spannungsreglern mit n-Kanal-Längsregeltransistoren
drastisch reduziert. Im Ruhezustand wird der Strom lediglich von einem p-Kanal-Längsregeltransistor
verbraucht. Oszillatoren, Ladungspumpen und n-Kanal-Längsregeltransistoren
sind hingegen abgeschaltet. Durch das Umschalten auf den internen Oszillator OSZ
versorgt sich die integrierte Schaltung zudem selbst. Es gibt somit neben den Drain-Anschlüssen
der n-Kanal-Längsregeltransistoren keine weitere Verbindung zu externen Anschlüssen.
Hieraus ergibt sich eine von Haus aus sehr gute Störspannungsunterdrückung.
Die Spannungsregleranordnung kann darüber hinaus neben
dem zweiten Spannungsregler SRn über weitere zweite Spannungsregler SRn verfügen.
Ein Steuersignalanschluß SRnS ist dann ebenfalls mit dem Ausganganschluß
CPA der Ladungspumpe CP verbunden. Ein Versorgungspotentialanschluß SRnVP ist
mit dem Ausgangsanschluß BGA der Spannungsreferenzschaltung BG verbunden. Ein
Ausgangsanschluß SRnA ist mit einer weiteren (aus der Figur nicht ersichtlichen)
Schaltungsanordnung verbindbar. Diese kann andere funktionelle Aufgaben übernehmen.
Die Funktionsweise und Ansteuerung des weiteren zweiten Spannungsreglers erfolgt
in der oben beschriebenen Art und Weise.
Bezugszeichenliste
- VP
- Versorgungspotentialanschluß
- VDD
- Versorgungspotential
- T
- Taktsignalanschluß
- CLK
- Taktsignal
- SRp
- Spannungsregler (p-Kanal; erster Typ)
- SRpE
- Eingangsanschluß
- SRpA
- Ausgangsanschluß
- LS
- Level Shifter
- LSE
- Eingangsanschluß
- LSA
- Ausgangsanschluß
- SE
- Schaltelement
- SEE1
- erster Eingangsanschluß
- SEE2
- zweiter Eingangsanschluß
- SEA
- Ausgangsanschluß
- CP
- Ladungspumpe
- CPE
- Eingangsanschluß
- CPA
- Ausgangsanschluß
- CPVP1
- erster Versorgungspotentialanschluß
- CPVP2
- zweiter Versorgungspotentialanschluß
- OSZ
- Oszillator
- OSZE
- Eingangsanschluß
- OSZA
- Ausgangsanschluß
- BG
- Spannungsreferenzschaltung
- BGV
- Versorgungspotentialanschluß
- BGE
- Eingangsanschluß
- BGA
- Ausgangsanschluß
- SRn, Rn'
- Spannungsregler (n-Kanal, zweiter Typ)
- SRnR, SRnR'
- Referenzspannungsanschluß
- SRnVP, SRnVP'
- Versorgungspotentialanschluß
- SRnA, SRnA'
- Ausgangsanschluß
- SRnS, SRnS
- Steuersignalanschluß
- SA
- Schaltungsanordnung
- SAVP1
- erster Versorgungspotentialanschluß
- SAVP2
- zweiter Versorgungspotentialanschluß