CN101232916A - Cmos全波整流器 - Google Patents

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Abstract

全波整流器(CMOS桥，205)包括两个PMOS和两个NMOS开关。该整流器(205)可用于极性保护，适于与带有或不带有并联连接的平滑电容器的阻性负载一起集成在单一芯片上，且可以是医疗设备的一部分，所述医疗设备诸如视网膜或耳蜗植入装置。

Description

CMOS全波整流器
技术领域
本发明涉及一种整流器电路，以及更加具体地涉及一种CMOS全波整流器电路。
背景技术
通常，整流器用于AC到DC电压的转换。图1示出了包括二极管电桥105的常规全波整流器。二极管电桥105可以被认为是非线性的双端口装置，其具有输入电压u1(t)，输出电压u2(t)，以及四个二极管101、102、103和104。通常，输出端口连接到负载106。如果负载106是纯阻性负载107，则输入电压u1(t)的符号定义了通过整流器105的电流路径，即电流是否流过二极管101和102，或流过二极管103和104。然而，通过负载107的电流在两种情形中都具有相同的方向。得到的u2(t)可以由以下给出：
u2(t)＝|u1(t)|-2uD  如果|u1(t)|≥2uD以及    (1a)
u2(t)＝0    如果|u1(t)|＜2uD，              (1b)
其中uD表示跨一个二极管的电压降。作为通常的缺点，跨负载107的电压降不是输入电压差|u1(t)|的全部幅度，而是减小了2uD，也就是说，减小了两个二极管的电压降(典型地，1.4V)。对于低功率的应用，二极管电压能够显著地影响电路的总体功耗。
如图1所示的二极管电桥通常被用于供应电压(supply voltage)的产生。在这种情况下，负载可以是并联连接的电阻器108(代表复杂电子电路的功耗)和平滑电容器109。对于输入信号u1(t)的给定频率，电容器109通常被选择为足够大，以确保接近常数的供应电压u2(t)。
发明内容
用于整流的整流器和方法包括电桥，其与二极管相对有益地利用开关而实现。该开关可以是，但不限于，MOS晶体管。例如，该整流器可以被用在多种应用中，例如医学或汽车应用。
根据本发明的实施例，提供了一种整流器电路，其包括第一和第二输入端，用于接收矩形波输入电压，以及第一和第二输出端，用于提供整流的dc输出电压。第一开关连接在第一输入端和第一节点之间，该第一节点连接到第一输出端。第二开关连接在第二输入端和第一节点之间。第三开关连接在第一输入端和第二节点之间，该第二节点连接到第二输出端。第四开关连接在第二输入端和第二节点之间。当输入电压具有第一极性时，第一开关和第四开关被选通(gated)；以及当输入电压具有与第一极性相反的第二极性时，第二开关和第三开关被选通，从而提供其幅度基本上等于输入电压的幅度的输出电压。
根据本发明的有关实施例，第一开关、第二开关、第三开关和第四开关可以是MOS晶体管。例如，第一开关、第二开关可以是PMOS晶体管，第三开关和第四开关可以是NMOS晶体管。可以通过第一输入端和第二输入端中的一个选通第一开关和第四开关，以及可以通过第一输入端和第二输入端中的另一个选通第二开关和第三开关。电阻和电容的并联负载组合可以连接到整流器电路在第一和第二输出端之间。或者，可以将电阻性负载连接到整流器电路在第一和第二输出端之间，而没有分立的并联电容器。该负载和整流器电路可以集成在单个芯片上。该电路可以用于确保期望的供应电压的极性。
根据另一本发明的实施例，一种极性保护电路，包括上述实施例的整流器电路。在另一实施例中，一种植入医疗器材，例如视网膜植入物或者耳蜗植入物，包括上述实施例的整流器电路。根据本发明的又一实施例，一种芯片，包括上述实施例的整流器电路和连接在第一和第二输出端之间的电阻和电容的并联负载组合。或者，该负载可以是电阻性负载，而没有分立的并联电容器。负载可以包括信号处理器。
根据另一本发明的实施例，给出了一种整流方法。该方法包括在第一输入端和第二输入端之间施加矩形输入信号。第一开关连接在第一输入端和第一节点之间，第二开关连接在第二输入端和第一节点之间。第一节点连接到第一输出端。第三开关连接在第一输入端和第二节点之间，第四开关连接在第二输入端和第二节点之间。第二节点连接到第二输出端。当输入信号具有第一极性时，第一开关和第四开关被选通；而当输入信号具有与第一极性相反的第二极性时，第二开关和第三开关被选通，由此该第一和第二输出端提供其幅度基本上等于输入电压幅度的整流的dc电压。
根据本发明的有关实施例，第一开关、第二开关、第三开关和第四开关可以是MOS晶体管。第一开关和第二开关可以是PMOS晶体管，而第三开关和第四开关可以是NMOS晶体管。可以通过第一输入端和第二输入端中的一个选通第一开关和第四开关，以及可以通过第一输入端和第二输入端的另一个选通第二开关和第三开关。该方法可以进一步包括：将电阻和电容的并联负载组合连接在第一和第二输出端之间。或者，该方法可以进一步包括，可以将电阻性负载连接在第一和第二输出端之间，而没有分立的并联电容器。在进一步的实施例中，在开关被选通之后，可以将输入信号从输入端断开一段时间。
附图说明
图1示意性地示出了具有变化的负载的全波电桥整流器(现有技术)；
图2示意性地示出了根据本发明实施例的具有变化的负载的CMOS电桥；以及
图3示意性地示出了根据本发明实施例的对于方波输入信号的用于供应电压产生的CMOS电桥。
图4示出了根据本发明一个实施例的具有有效(active)以及浮置周期的矩形波输入信号。
具体实施方式
在说明性的实施例中，整流器包括利用开关实现的电桥。该开关可以是，例如，MOS晶体管。以下详细讨论说明性的实施例。
图2示意性地示出了根据本发明示例性实施例的具有变化的负载的CMOS电桥。如图2所示的晶体管的布置表示具有输入电压u1(t)和输出电压u2(t)的非线性双端口装置205。与图1的二极管电桥相比，用四个晶体管，即，利用两个PMOS晶体管201和203以及两个NMOS晶体管202和204，代替四个二极管，上述四个晶体管被操作作为ON/OFF开关。将要理解，在各种实施例中，可以用其他类型的开关技术代替MOS晶体管，例如，所述开关技术性质上可以是电的、机械的、生物的或者分子的，而且本发明不局限于MOS技术。
如图2所示，双端口装置205的输出端211和212可以连接到负载206。负载206可以是，例如，电阻性负载207，或者与电容性负载209并联的电阻性负载208。双端口装置205和负载206可以有利地集成在单个芯片上。例如，双端口装置205可以与其他电路电连接，所述其他电路例如信号处理器，双端口装置205和信号处理电路集成在单个芯片上。
晶体管的栅极可以直接连接到输入电压轨。假设纯电阻性负载207和理想开关性能的晶体管，则满足以下条件：
u2(t)＝|u1(t)|  如果|u1(t)|≥uTHR，以及    (2a)
u2(t)＝0    如果|u1(t)|＜uTHR，            (2b)
其中电压uTHR表示MOS阈值电压，这里假设对于PMOS和NMOS晶体管来说，其MOS阈值电压相等。对于u1(t)≥uTHR，晶体管201和202被导通(低阻抗)，而晶体管203和204被关断(高阻抗)，反之亦然，对于u1(t)≤-uTHR，晶体管203和204被导通，而晶体管201和202被关断。由此，在电阻负载的特殊情况下，图2的CMOS电桥表示全波整流器，类似于图1的二极管电桥。注意，在这里，全输入电压幅度施加在负载207处，而没有由于二极管电压降而引起的减小。典型地，MOS阈值电压为uTHR～0.7V。
对于实现图2的电桥，可以使用标准CMOS技术。例如，利用N阱技术，P硅衬底材料连接到负电位211，而N阱连接到输出端口的正电位212。在多种实施例中，四个晶体管可以足够大，从而确保开关导通状态期间较小的电压降。如果这些电压降过大(典型地，大于约0.7V)，则寄生衬底PN二极管变得导通，不利地影响了例如包括双端口205和负载206的芯片的操作。
假设正弦输入电压，图2中的CMOS电桥205并不是对所有类型负载都完全用作整流器。其原因是，和二极管对比，在导通状态中操作的晶体管允许电流双向流动。例如，如果负载206由并联的电阻器208和平滑电容器209构成，那么电容器通过处于开关导通状态中的晶体管部分放电。假定u1(t)＞uTHR，则晶体管201和202被导通，且在该状态中，电压u2(t)简单地跟随输入电压u1(t)。这意味着电容器209不仅通过电阻器208放电，而且还通过输入线放电。然而，如果将二极管210串联连接到电阻器208和电容器209，则再次获得了真正的整流器特性。与图1的二极管电桥相比，优点在于，仅仅出现一个二极管电压降，而不是两个。
图3示意性地示出了根据本发明实施例的与方波或矩形波输入信号(但并不仅限于此)一起使用的CMOS电桥302。如图3所示，如果输入电压不是正弦的而是具有两种电平±U1的方波或者矩形波301，则即使负载由电阻器304和电容器303构成，CMOS电桥302也可以操作为全波整流器而无需额外二极管。在这种情况下，输出电压为u2(t)～U1。电阻器304可以表示复杂电子电路的功耗。
同时图3示出了应用到实施例的矩形波信号，该输入可以更有用地为更通常的矩形波信号。在矩形波输入信号的通常情形中，实施例不一定需要分立的电容元件，例如输出电容器303，由此使得输出电容可以仅仅是来自元件和引线的相对小的寄生电容。
此外，对于图3所示的电路，当输入端具有跨输入端的高阻抗时，如在它们未连接的情况下，该电桥电路可以具有吸引人的特性，即在其现有的逻辑状态中保持稳定。例如，如图4所示，假定在左边标记为“有效”的时间周期期间，+5vdc输入被施加到输入端。随后，相同的+5vdc将被传送到输出端以及跨输出电阻器304和输出电容器303。假定随后输入信号从输入端断开，则该电路的左上的PMOS开关和右下的NMOS开关将保持低阻抗状态，以及，假定电阻器304和电容器303的RC时间常数足够大，则由于电容器303，put电压将继续浮置在+5vdc处。在第二有效及浮置周期期间，相反地在图4的右侧出现了相同的情况。这在某些情况下是很有用的特性，例如当可能对于相对较短的有效周期施加输入信号并且使电路在随后的无效周期内浮置时的低功率应用。具有有效和浮置周期的上述信号并不必需是周期性的，而是在某些应用中，其可以是非周期性的信号，例如数据信号。
上述实施例中的CMOS电桥可以有益地用在多种应用中。例如，在各种领域中，例如但不限于，汽车或者医疗领域，该CMOS电桥可以用于提供整流和/或确保期望的供应电压极性。例如，包含上述CMOS电桥的芯片可以是可植入的医疗器材例如视网膜植入系统或者耳蜗植入系统的一部分。实施例还可以包括利用上述电路作为极性保护电路的基础，该极性保护电路允许与dc源的任意输入连接，而不管极性。
尽管已经公开了本发明的多种示例性实施例，但是本领域技术人员应当明白，可以做出实现本发明的某些优点的各种变化和改型，而不背离本发明的真实保护范围。

Claims (24)

1.一种整流器电路，包括：
第一和第二输入端，用于接收矩形波输入电压；
第一和第二输出端，用于提供整流的dc输出电压；
第一开关，连接在第一输入端和第一节点之间，该第一节点连接到第一输出端；
第二开关，连接在第二输入端和第一节点之间；
第三开关，连接在第一输入端和第二节点之间，该第二节点连接到第二输出端；以及
第四开关，连接在第二输入端和第二节点之间，
其中当输入电压具有第一极性时第一开关和第四开关选通；以及其中当输入电压具有与第一极性相反的第二极性时，第二开关和第三开关选通，从而提供其幅度基本上等于输入电压幅度的输出电压。
2.根据权利要求1的整流器电路，其中第一开关、第二开关、第三开关和第四开关是MOS晶体管。
3.根据权利要求2的整流器电路，其中第一开关和第二开关是PMOS晶体管，以及其中第三开关和第四开关是NMOS晶体管。
4.根据权利要求3的整流器电路，其中通过第一输入端和第二输入端中的一个选通第一开关和第四开关，以及其中通过第一输入端和第二输入端中的另一个选通第二开关和第三开关。
5.根据权利要求1的整流器电路，其中对电阻和电容的并联负载组合提供输出电压。
6.根据权利要求5的整流器电路，其中该并联负载和整流器电路被集成在单个芯片上。
7.根据权利要求1的整流器电路，其中对不带分立的并联电容器的电阻性负载提供输出电压。
8.根据权利要求7的整流器电路，其中该电阻性负载和该整流器电路被集成在单个芯片上。
9.一种包括根据权利要求1的整流器电路的极性保护电路。
10.一种包括如权利要求1的整流器电路的植入医疗器材。
11.一种根据权利要求1的植入的医疗器材，其中所述医疗器材是视网膜植入物。
12.一种根据权利要求1的植入的医疗器材，其中所述医疗器材是耳蜗植入物。
13.一种芯片，包括：
根据权利要求1的整流器电路；以及
连接在第一和第二输出端之间的电阻和电容的并联负载组合。
14.根据权利要求13的芯片，其中所述负载包括信号处理器。
15.一种芯片，包括：
根据权利要求1的整流器电路；以及
连接在第一和第二输出端之间的不具有分立的并联电容器的电阻性负载。
16.根据权利要求15的芯片，其中所述负载包括信号处理器。
17.一种整流方法，所述方法包括：
在第一输入端和第二输入端之间施加矩形波输入信号，第一开关连接在第一输入端和第一节点之间，第二开关连接在第二输入端和第一节点之间，第一节点连接到第一输出端，第三开关连接在第一输入端和第二节点之间，第四开关连接在第二输入端和第二节点之间；所述第二节点连接到第二输出端；
其中当输入信号具有第一极性时，所述第一开关和第四开关选通；以及其中当输入信号具有与第一极性相反的第二极性时，第二开关和第三开关选通，由此第一和第二输出端提供其幅度基本上等于输入电压幅度的整流的dc电压。
18.根据权利要求17的方法，其中第一开关、第二开关、第三开关和第四开关是MOS晶体管。
19.根据权利要求18的方法，其中第一开关和第二开关是PMOS晶体管，以及其中第三开关和第四开关是NMOS晶体管。
20.根据权利要求19的方法，其中通过第一输入端和第二输入端中的一个选通第一开关和第四开关，以及其中通过第一输入端和第二输入端中的另一个选通第二开关和第三开关。
21.根据权利要求17的方法，其中对电阻和电容的并联负载组合提供输出电压。
22.根据权利要求17的方法，其中对不带分立的并联电容器的电阻性负载提供输出电压。
23.根据权利要求17的方法，进一步包括：
在开关被选通之后，将输入信号从输入端断开一段时间。
24.根据权利要求17的方法，其中该矩形波输入信号是非周期性的。
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