CN1013331B - 电压电平变换电路 - Google Patents

Abstract

提供了一种可用标准半导体处理工艺制造的电压电平变换电路，它产生的输出电压的幅度既大于电源电压，又大于MOS器件的棚极氧化层击穿电压。一种电压电平变换电路交替地给第二对电容器充电。这第二对电容器与输出端相接，用来产生的变换输出电压的频率是电压电平变换电路输入信号频率的两倍的变换输出电压。

Description

总的来说，本发明涉及电压电平移位电路，更具体地说，它涉及半导体电压电平变换电路，其输出电压可变换到高于电源电压和半导体电路的击穿电压。

在电子系统及子系统中，一般的做法是用半导体集成电路技术来实现不同晶体管之间的接口。更一般的做法是把不同种类的晶体管集成在同一半导体芯片上。为了实现这种不同种类晶体管间的接口，在不同种类的接口上常常要用电压电平变换才能使电路正常工作。比如，为了实现射极合逻辑（ECL）与金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）电路间的接口，就必需把电压在1.5伏和15伏之间变换。

当必须实现低压电路与高电压电路的接口时，不同工艺间的接口设计存在更多困难。一个典型例 子可能包含有低压CMOS电路，由于其低功耗和高晶体管密度而被电子系统所采用，可能要求用CMOS电路来驱动一些高电压电路，比如显示驱动器和汽车控制电路。这些高电压电路的击穿电压通常比低压电路允许的电压高。

在汽车电路中，常用高击穿电压的双极型及Mos功率晶体管来驱动诸如无滑制动装置。电子燃油泵、风档刮水器、电子门窗及电子锁等的线圈及直流马达。而这些高压晶体管通常是用低功率低压控制电路来控制和驱动的。对于驱动线包和马达来说，横向和垂直的DMOS功率场效应管特别有用，因为这种晶体管呈现非常低的导通电阻，因而在其负载端子上的电压降很小。这种功率场效应晶体管可以非常有效地驱动线圈和直流马达，因为它能经受高电压。

为了使功率场效应晶体管的导通电阻减到最小，必须使驱动其栅极的电压高出功率部件的电源电压。汽车中的电池电压，因而也是功率场效应晶体管的电源电压可以在大约5.5伏到36伏间变化。目前功率场效应晶体管的击穿电压可超过80伏。因此，可以期望驱动功率场效应晶体管栅极的电压高于电源电压而又小于功率场效应管的击穿电压。因为低压半导体电路具有卓越的晶体管密度且便于制造，它们作为高压电路的驱动和控制电路极其有用，还可省去高压接口。

这样，需要做的就是一半导体电压电平变换电路，它提供的输出电压要变换到既高于电源电压又高于半导体电路的击穿电压。

因此，本发明的目的是要提供一种改进的半导体电压电平变换电路。

本发明的另一目的是要提供这样一种半导体电压电平变换电路：其输出电压的幅度大于半导体的击穿电压。

本发明的又一目的是提供一种半导体电压电平变换电路，其输出电压的频率是输入信号频率的两倍。

本发明的再一个目的是其提供的半导体电压电平变换电路的输出电压的幅度大于电源电压。

在用一种形式实现本发明的上述目的和其它目的时，提供了一种用单晶片集成电路形式制造的电压电平变换电路，它接在第一和第二电源电压端子之间，它们分别接收第一和第二电源电压，并在其输出端提供输出电压，而其输出电压的幅度既大于该第一电源电压，又大于其半导体器件的击穿电压。

接口电路的输入端用来接收输入信号，其接口电路把输入信号的电压电平变换到大于输入电压但小于该半导体的击穿电压。一电压变换电路接在该接口电路和输出端之间，它进一步对输入信号进行变换，使变换后的信号的幅度大于半导体器件的击穿电压。

从结合下面附图的详细说明中，可以更好地了解本发明的上述和其它目的、性能及优点。

图1是本发明的一个较好实施例的构成图。

图2是该实施例中所示结点的信号波形图。

图1示出了一种可用标准半导体处理技术制造的电压电平变换电路，它包含电流镜12、接口电路13和电压变换电路14。电流镜12由场效应管7和8组成。它们的源极接到电源端子1，它们的栅极接到场效应管7的漏极。场效应管8的漏极接到电压结点3。场效应管7的连接使它构成一个二极管，可调节场效应管8的栅极电压，从而使场效应管7中流过的电流是场效应管8中电流的镜象。

场效应晶体管9和11的源极接到电源端2，它们的栅极分别接输入端5和6，它们的漏极分别与场效应管7和8的漏极相连。加到输入端子5的偏压调节流过电流镜12的电流量。加到输入端子6的控制信号可使电流镜接通或开断。加到电压结点3的变换电压由电源电压端子1的电池电压的大小和流过电流镜12的电流的大小来决定。

接口电路13具有一齐纳二极管28，其阴极接到电压结点3，其阳极接电源端子2。该齐纳二极管的齐纳击穿电压小于电压电平变换电路所采用场效应管的栅极氧化层击穿电压。标准半导体工艺生产出的栅极氧化层击穿电压的典型值小于25伏。在汽车电路中，电池电源电压是直接从12伏或24伏铅酸电池中供电的，并且依据使用环境，该电压可在5.5伏到36伏间变化。如果变换电压超过齐纳击穿电压（部分是由于电池电源电压的波动），则齐纳二极管28就会雪崩，从而保持其电压的电平低于栅极氧化层击穿电压。

场效应晶体管16的源极接到一电源端4，其栅极接输入端15，漏极接场效应管17的漏板。场效应管17的栅极接输入端15，源极接到电源电压端2。一个从电池电源电压派生出的稳定电压加到电源端子4， 其典型值是5伏。场效应管16和17构成反相器，其输出在0.0伏到5.0伏间变化，并且该输出是输入端15的振荡器输入信号的反。

双极晶体管27的集电极接电源电压端子1，其基极接到电压结点3。场效应管18和19的源极接到双极晶体管27的第一发射极，它们的漏极分别接到场效应管21和22的漏极。场效应管18的栅极接场效应管19的漏极，而场效应管19的栅极接场效应管18的漏极。场效应管21的栅极接输入端15，其源极接电源电压端子2。场效应晶体管22的栅极接场效应管16的漏极，其源极接电源电压端子2。场效应管18、19、21和22所构成的电压电平变换电路使得在场效应管19和18的漏极可分别得到振荡输入信号的变换电压信号和反相的变换电压信号。该变换电压信号和反相的变换电压信号的幅度从变换电压减去基射极电压（Vbe）到电源电压端子2的地电源电位间变化。

场效应管23和25的源极接双极晶体管27的第一射极，它们的栅极分别接场效应管24和26的栅极，它们的漏极分别接到点31和29。场效应管24和26的源极接电源电压端2，它们的栅极分别接场效应管18和19的漏极，它们的漏极分别接到点31和29。场效应管23和24，以及25和26构成两个反相器，它们对变换的电压信号和反相的变换信号提供附加的电流驱动能力和使形整形。

接口电路13的功能是把从0.0伏到5.0伏变化的输入信号变换成从0.0伏到变换电压减vbe间变化的正、反输出电压。并且变换电压限制在其齐纳击穿电压上，该电压的选择应小于栅极氧化层击穿电压。并且，接口电路13接到一电池电源电压，它可能超过所用场效应管的栅极氧化层击穿电压，但又不会使这些场效应管的栅极氧化层承受电池电源电压的全部电位。

电压变换电路14包含一电容32（它接在点29和点34之间）和电容33（它接在点31和点35之间）。点34和35分别接到双极晶体管27的第二和第三射极。电容器38接在点34和点42之间，电容器39接到点35和点41之间。双极晶体管36接成二极管形式，其基极和集电极接到点34，其射极接到点41。双极晶体管37接成二极管形式，其基极和集电极接到点35，射极接到点42。双极晶体管43和44接成二极管形式，其发射极接到输出端47。双极晶体管43的基极和集电极接到点41，双极晶体管44的基极和集电极接到点42。电容器45接到输出端47和电源电压端2之间。

下面电路工作的讨论中假定电池电源电压是36伏，基射极压降为0.7伏，输入信号从0.0伏到5.0伏变化，齐纳击穿电压是20.0伏。这些电压只用作举例，在正常电路工作中，这些实际电压是会变动的。图2说明了电压电平变换电路中指定结点上应当出现的电压波形。

电流镜12的电压结点3产生一变换电压，它是随偏置电压和电池电源电压变化的，电流镜也给双极晶体管27提供基极电流。因为电池电源电压是36.0伏，变换电压将升到高于齐纳二极管28的击穿电压而使之雪崩击穿，并把变换电压限制在20.0伏。若电池电压下降，比方降到6.0伏（在冰冻天气下启动汽车时就会出现这种情况），变换电压会随之下降，齐纳二极管将不会造成雪崩而限制该变换电压。

由于变换电压限制到20.0伏，双极晶体管27的第一射极电压将比变换电压低一个vbe，为19.3伏。参看图2，输入端子15的振荡器输入信号是所示的方，它产生所示的结点29和31的形。结点29的信号是反相的，且其幅度等于变换电压减vbe，而结点31的信号是同样幅度的不反相使形。当结点29的电压是0.0伏时，结点34的电压将等于双极晶体管27第二发射极的射极电压，它也等于变换电压减vbe，即19.3伏。同样，当结点31的电压是0.0伏时，结点35的电压将等于双极晶体管27的第三射极的射极电压，它也等于变换电压减Vbe，即19.3伏。

当结点29的电压从0.0伏升到19.3伏时，结点34的电压将通过电容器32充电到38.6伏，即又增加19.3伏。当结点34上的电压增到比变换电压高出Vbe时，该第二发射极变为反向偏置，并把结点34与电压结点3隔离开。当结点29的电压向0.0伏下降时，结点34的电压通过电容32向0.0伏放电。但是，当结点34降到比变换电压低Vbe时，该第二发射极变为正向偏置，而保持结点34的电压为19.3伏。结点31和35上的电压通过电容33也以结点29和34同样的方式充电和放电。双极晶体管27的第三发射极以类似于第二发射极方式工作。正如图2所示，结点34和35的电压反相180度。

当结点35的电压处于最小值时，结点41的电压等于结点34的上电压减去vbe。当结点35的电压从19.3伏向38.6伏增加时，它通过电容39充电而使结点41的电压增加同样的量值。当结点41的电压增到 此结点34的电压高出vbe时，双极晶体管36的二极管作用使结点34与结点41隔离开。当结点35的电压从38.6伏向19.3伏减小时，结点41的电压将开始从57.2伏向19.3伏减小。但是，当结点41的电压降到比结点34的电压低出一个vbe时，双极晶体管36变为正偏，从而使结点41的电压限制到此结点34的电压低出一个vbe，即37.9伏。结点42的电压以结点41电压变化的同样方式变化，只是它是通过双极晶体管37和电容器38工作的，且相位相差180度，正如图2所示。

输出端子47的输出电压是由结点41和42电压的交替峰值产生的。当结点41上的电压处于其57.2伏的最大值时，结点42上的电压将处于其37.9伏的最小值。这使得输出电压等于结点41的电压减去一个vbe，即56.5伏，它使双极晶体管44成为反偏二极管，而把输出端47与端点42隔离开来。反过来，当结点42的电压处于其最大值57.2伏时，结点41的电压处于最小值37.9伏。这将使输出电压等于结点42的电压减去一个vbe，即56.5伏，也使双极晶体管43成为反偏二极管而使结点41与输出端47隔离开。

输出电压的最大幅度可用下式计算：

vout＝3（vconv）-5（vbe）

其中，vconv是变换电压，vout是输出电压。而输出电压的频率是输入信号频率的2倍。频率加倍的结果和优点是减小了输出端47的阻抗。在输出端可以安全地提供56.5伏的幅度而不会造成Mos器件栅极氧化层的损坏。电容器32、33、38和39上的电位绝不会超过变换电压。这使得可用薄氧化层（栅氧化层）上的多晶硅来制造电容器32、33、38和39，而不会超过栅极氧化层击穿电压。其优点是所做的电容器每单位面积具有较高的容量，因而每个电容器的面积较小。

其输出电压有足够高的幅度，使其可用以过驱动功率场效应管的栅极。在汽车应用中，功率场效应管可以直接与电池电源电压相接。若电池电源电压达到36伏，该电压电平变换电路产生的输出电压是56.5伏，它是以使功率场效应晶体管在其最有效的工作区沟道电阻最小工作。

现在就可以完全明白所给出的电压电平变换电路，它所提供的输出电压变换到既高于电源电压电平，又高于半导体电路的击穿电压。

Claims (3)

1、一种用半导体处理技术制造的具有一击穿电压的电压电平变换电路，其特征在于包括：

接收第一电压的第一电源电压端；

接收第二电压的第二电源电压端；

接收输入信号的输入端；

提供输出信号的输出端；

第一装置，它接在上述第一和第二电源电压端之间，并且它还与上述输入端相接，以便产生电压电平大于所述输入信号幅值但小于击穿电压的正相和反相信号；

第二装置，它接在上述第一和第二电源电压端之间，并与上述第一装置相接，以增加上述正、反信号的电流驱动能力；

第三装置，与上述第二装置相连，它产生变换的正信号和变换的反信号，且该变换的正信号和变换的反相信号的电压电平之幅度大于击穿电压。

第四装置，接在上述第三装置与上述输出端之间，它产生上述输出信号，其频率是输入信号频率的两倍。

2、一种用半导体处理技术制造的具有击穿电压的电压电平变换电路，其特征在于包括：

接收第一电压的第一电源电压端;

接收第二电压的第二电源电压端;

接收第三电压的第三电源电压端;

接收输入信号的输入端;

提供输出信号的输出端;

第一装置，接在上述第一和第二电源电压端之间并与所述输入端相连，它分别在第一和第二结点产生输入信号的已变换正信号和已变换的反信号;

第一电容器，具有与第一结点相接的第一端和一个第二端;

第二电容器，具有与第二结点相接的第一端和一个第二端;

第三电容器，具有与上述第一电容器的第二端相接的第一端和一个第二端;

第四电容器，具有与上述第二电容的第二端相接的第一端和一个第二端;

第五电容器，其第一端与上述输出端相连，第二端与上述第二电源电压端相连;

一双极型晶体管，其集电极与上述第三电源电压端相连，其基极与上述第一电源电压端相接，其第一发射极与第一电容器的第二端相接;第二发射极与第二电容器的第二端相接;

第一二极管，其阳极与上述的第三电容器的第一端相连，阴极上述第四电容器的第二端相连;

第二二极管，其阳极与上述的第四电容器的第一端相连，阴极与上述的第三电容器的第二端相连;

第三二极管，其阳极与上述的第一二极管的阴极相连，其阴极与上述输出端相连;以及

第四二极管，其阳极与上述第二二极管的阴极相连，其阴极与上述的所述输出端相连。

3、根据权利要求2所述的电压电平变换电路，其特征在于还包括：

接收偏置电压的偏置电压端;

接收控制信号的控制端;

第一场效应晶体管，其漏极连接于上述第三电源电压端，栅极连接于漏极;

第二场效应晶体管，其漏极连接于上述第一场效应晶体管的上述漏极，栅极连接于上述偏置电压端，源极连接于上述第二电源电压端;

第三场效应晶体管，其源极连接于上述第三电源电压端，栅极连接于上述第一场效应晶体管的栅极，漏极连接于上述第一电源电压端;

第四场效应晶体管，其漏极连接于上述第一电源电压端，栅极连接于上述控制端，源极连接收于上述第二电源电压端。

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