CN101662271B - 一种开关电容电路及其负反馈电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种开关电容斜升电路，该电路采用负反馈回路减小开关电容电路浪涌电流的压摆率，从而减小了电磁干扰。

Description

一种开关电容电路及其负反馈电路
技术领域
本发明涉及模拟电路，更具体地说，本发明涉及一种开关电容电路及其负反馈电路。
背景技术
现有的一些开关电容电路在其开关管从断开切换到导通时，流过开关管的漏源电流容易产生很大的电流尖刺，从而造成浪涌电流。这些浪涌电流将给系统带来有害的电磁干扰(EMI)。如果能够减小开关电容电路中这些浪涌电流的压摆率，将会大大减小电磁干扰。
发明内容
本发明的目的是解决开关电容电路中浪涌电流造成电磁干扰的问题，提供一种开关电容电路的负反馈电路，可以降低开关电容电路浪涌电流的压摆率，从而减小电磁干扰。
本发明的另一个目的是提供一种具有上述负反馈电路的开关电容电路。
本发明的目的分别通过下述技术方案来实现：
一种开关电容电路的负反馈电路包括：
反馈回路，其一端电耦接至所述开关电容电路的输出端；
具有负增益系数的跨导放大器，其输入端电耦接至所述反馈回路的另一端，其输出端电耦接至所述开关电容电路。
一种具有负反馈的开关电容电路包括
输出端；
开关电容；
开关管，电耦接所述开关电容，所述开关管具有控制端；
驱动电路，包括接收漏源电流的第一晶体管，所述驱动电路的输出端电耦接至所述开关管的控制端，用以控制所述开关管的导通与断开；
具有负增益系数的负反馈回路，电耦接至所述输出端，提供所述漏源电流至所述第一晶体管。
本发明的负反馈电路应用于开关电容电路，通过该负反馈电路，在开关电容电路输出电压突然变化或其增益突然变化等造成浪涌电流时，可以使流过开关电容浪涌电流的压摆率减小，从而大大降低其带来的电磁干扰。
附图说明
图1示出了根据本发明第一实施例所述的负反馈开关电容电路100。
图2示出了根据本发明第二实施例所述的负反馈开关电容电路200。
图3示出了根据本发明第三实施例所述的负反馈开关电容电路300。
具体实施方式
参看图1，为根据本发明所述的负反馈开关电容电路100，其为本发明的第一实施例。其中，图1所示现有的开关电容电路102为本领域技术人员熟知的诸多开关电容电路中具有代表性的一个典型电路原理图。开关电容电路102提供以VOUT表示的经过调整的输出电压，从而给负载104提供电流。实际应用中，开关电容电路102通常包括多个开关管及其相应的驱动电路、一个或多个开关电容以及其他电路(例如给开关管的驱动电路提供时钟信号的电路)。为了阐述简便，图1所示开关电容电路102只示出一个n型MOSFET开关管106，用以给开关电容107提供电流；和一个用以驱动开关管106的驱动电路，其中驱动电路由第一晶体管和第二晶体管组成。其中在本实施例中，第一晶体管为p型MOSFET 108，简称pMOSFET108；第二晶体管为n型MOSFET 110，简称nMOSFET 110。而实际应用中，典型开关电容电路通常包括多个开关电容，因此，本领域的技术人员应该认识到，本发明的开关电容电路102可以看成由一系列开关管和一系列开关电容组成。并且开关电容的拓扑结构决定了开关电容电路102的增益。另外，图1中φ表示驱动电路的时钟信号。
在某些应用中，开关电容电路102可以有多个不同的增益状态。增益的定义为：在空载条件下，输入电压VIN(图1中输入端112处)和输出电压VOUT之比，即VIN/VOUT。实际应用中，输入电压通过开关电容电路102提供给负载104。如果假定开关电容电路102的开关电容在充电过程和放电过程中均连电耦接在一起，开关电容电路102的增益为一组有理数中的一个，如1、1.5、2等等。
通过采用负反馈，图1所示电路100可以在开关管106导通的时候通过调整pMOSFET 108的漏源电流来控制开关管106导通时的漏源电流(浪涌电流)的压摆率，进而减小开关电容电路102中浪涌电流的压摆率，从而减小电磁干扰。见下文具体阐述。
电路100的负反馈将输出端114的输出信号反馈至反馈电容116的端子115，反馈电容116的另一端电耦接至节点118。当开关电容电路102启动时刻，或者开关电容电路102从某一个较低的增益增大到一个较高的增益时，施加在n型MOSFET管子122门极的信号，即施加在端子120上的信号保持为高电平，则此时管子122被导通；同时施加在n型MOSFET管子126门极的信号，即施加在端子124上的信号保持为低，则此时管子126被断开。假设此时没有任何反馈，则相当于反馈电容116未电耦接至节点118(即没有信号从端子115通过反馈电容116流向节点118，也没有信号从节点118通过反馈电容116流向端子115)。当管子122被导通时，电流源128将节点118拉至地，或者说，将节点118的电压拉至接近地。通常，在这种情况下，电流源128会因为节点118被拉至地而被关断。这使得nMOSFET 130的门极被拉至地，即nMOSFET 130被关断。而nMOSFET 130的漏极电耦接至nMOSFET 134的门极和电流源132。随着nMOSFET 130被关断，电流源132将nMOSFET 134的门极拉高至VCC，则nMOSFET 134被导通。为了设定nMOSFET 134的最大漏源电流IMAX，与nMOSFET 134串联连接的nMOSFET 136的门极接收一偏置电压VBIAS以保持长通状态。流过nMOSFET 134和nMOSFET136的漏源电流被电流镜138镜像，并流入pMOSFET 108的源极。并且最大漏源电流IMAX被设置成：当其被镜像流入pMOSFET 108时，开关管106被时钟信号φ完全导通或者完全断开，以使开关电容电路102可以斜升地提供更多能量至负载104。
可以看到，nMOSFET 130、电流源132以及nMOSFET 134的电耦接方式构成了具有负增益系数的跨导放大器，即nMOSFET 130门极电压的降低将被反映为nMOSFET 134漏电流的增大，nMOSFET 130门极电压的增大将被反映nMOSFET134漏电流的减小。其中所述跨导放大器的输入端电耦接至节点118，输出端电耦接至驱动电路。
现在来分析存在反馈回路下电路100的工作。由于反馈电容116的作用，输出电压VOUT的瞬间变化将会影响流进节点118的电流。为阐述方便，下文将不区分各端子的流入和流出电流。如图1所示，尽管正向电流从节点118流入电流源128，但更习惯表述为电流源128给节点118提供电流。于是，可以认为反馈电容116根据输出电压的变化速率、反馈电容116的自身电容值和节点118的其他等效电容，向节点118注入电流。注入的电流值同时还受节点118电压变化速率的影响。但通常来说，若输出电压增大，则流入节点118的电流为正；若输出电压降低，则流入节点118的电流为负。
对节点118的电流注入使得nMOSFET 130的门极电压增大或者减小，其门极电压的增大或者减小取决于注入电流的正负极性。具体来说，当流入节点118的电流为正时，nMOSFET 130的门极电压增大；当流入节点118的电流为负时，nMOSFET 130的门极电压减小。因此，由nMOSFET 130、电流源132、nMOSFET134构成的跨导放大器，以及输出电压变化与注入电流变化的关系，可以推出，当输出电压突然增大时，流入节点118电流为正，nMOSFET 130门极电压增大，则流过nMOSFET 134的漏电流减小，经过电流镜138的镜像，流入pMOSFET 108的电流将减小。随之，开关管106的开启程度降低，即开关管106不能被完全导通。于是，开关管106的漏源电压降低，流过开关管106的漏源电流降低，则流过开关电容107的浪涌电流的压摆率减小。同理，则当输出电压突然减小时，流过开关管106的漏源电流增大，则流过开关电容107的浪涌电流的压摆率减小。
因此，通过由反馈电容116、跨导放大器以及电流镜138构成的负反馈回路提供电流至驱动电路，流过开关电容107的浪涌电流的压摆率得到降低，并且从反馈回路流入节点118的电流等于电流源128提供的电流。流过开关电容107的浪涌电流压摆率的降低使得开关电容电路102的输出缓步上升。因此，这里构成跨导放大器的nMOSFET 130为第一反馈晶体管，nMOSFET 134为第二反馈晶体管，nMOSFET 136为第三反馈晶体管。
在应用中，有时候可以通过测试开关电容电路102的增益是否有所变化来提高系统的效率。将节点120的电位拉低，使nMOSFET 122断开；同时将节点124的电位拉高，使nMOSFET 126导通。此时，电流源140提供正的电流至节点118，使得nMOSFET 130的门极电压升高。于是通过跨导放大器和电流镜138的作用，开关电容电路102提供至负载104的电流将减小，并且电流的减少量由电流源140决定。因此，负反馈回路依旧控制浪涌电流的压摆率。一旦负载电流有所降低，开关电容电路102的增益将降低，则节点124的电位将被重新拉低以使nMOSFET 126断开，节点120的电位将被重新拉高以使nMOSFET 122导通。
以上介绍了负反馈开关电容电路100，本领域的技术人员可以认识到，在不偏离权利要求书的范围下，本发明可以有其他多种实现方式和替代方式。如流过nMOSFET 134最大漏源电流IMAX可以用其他多种方式设定，如图2所示的负反馈开关电容电路200，通过nMOSFET 202和nMOSFET 134实现。其中nMOSFET 202的门极连接至其漏极、nMOSFET 134的门极和nMOSFET 130的漏极，即nMOSFET202和nMOSFET 134构成第一电流镜。通过合理设置nMOSFET 202和nMOSFET134的尺寸，最大电流IMAX就可以被设定。在电路200中，nMOSFET 130为第一反馈晶体管，nMOSFET 202为第二反馈晶体管，nMOSFET 134为第三反馈晶体管，电流镜138为第二电流镜。
如前所述，图1所示电路100中，nMOSFET 130、电流源132、nMOSFET 134构成一负增益跨导放大器。因此，将图1所示跨导放大器和图2所示电流镜的电路元件整合，可得到如图3所示负反馈开关电容电路300。与图2相比，电路300中用于设定流过nMOSFET 134最大漏源电流IMAX的电路改为跨导放大器302。其中跨导放大器302具有负增益，并且给驱动电路304提供电流，以使反馈电容116和跨导放大器302组成的电路实现了如电路100中元件130、132、134、136、138组成的负反馈回路功能，即跨导放大器302中包含有电流镜。图3所述驱动电路304在图1的具体表现为pMOSFET 108和nMOSFET 110；开关306在图1的具体表现为开关管106；电容网络307在图1的具体表现为电容107。
本领域技术人员可以认识到，图2所示的负反馈开关电容200和图3所示的负反馈开关电容电路300，其工作原理同图1所示的负反馈开关电容100，这里不再详述。
可以看到，本发明提出的电路100/电路100/电路300，通过负反馈回路，减小了开关电容电路浪涌电流的压摆率，从而减小了电磁干扰。
需要声明的是，上述发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理内，当可作各种修改、等同替换、或改进。本发明的保护范围以所附权利要求书为准。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种开关电容电路的负反馈电路，其特征在于，包括：
   反馈回路，其一端电耦接至所述开关电容电路的输出端；所述反馈回路为电耦接在所述开关电容电路输出端与跨导放大器输入端之间的反馈电容；
   具有负增益系数的所述跨导放大器，其输入端电耦接至所述反馈回路的另一端，其输出端电耦接至所述开关电容电路。
2.如权利要求1所述一种开关电容电路的负反馈电路，其特征在于，所述跨导放大器输出端电耦接至所述开关电容电路的驱动电路。
3.如权利要求1所述一种开关电容电路的负反馈电路，其特征在于，所述跨导放大器包括
第一反馈晶体管，其门极与所述反馈回路电耦接，其源极接地；
第二反馈晶体管，其门极与所述第一反馈晶体管的漏极电耦接，其源极接地；
第三反馈晶体管，与所述第二反馈晶体管串联，其门极电耦接偏置电压源；
电流源，电耦接第一反馈晶体管的漏极；
电流镜，输入端电耦接第三反馈晶体管的漏极，输出端电耦接所述开关电容电路。
4.如权利要求1所述一种开关电容电路的负反馈电路，其特征在于，所述跨导放大器包括
第一反馈晶体管，其门极与所述反馈回路电耦接，其源极接地；
第一电流镜，其输入端电耦接所述第一反馈晶体管的漏极；
第二电流镜，其输入端电耦接第一电流镜的输出端，其输出端电耦接所述开关电容电路；
电流源，电耦接第一反馈晶体管的漏极。
5.如权利要求4所述一种开关电容电路的负反馈电路，其特征在于，所述第一电流镜包括
第二反馈晶体管，其门极与其漏极电耦接，并电耦接至第一反馈晶体管的漏极；
第三反馈晶体管，其门极与第二反馈晶体管的门极电耦接，其漏极与第二电流镜的输入端电耦接。
6.一种具有负反馈的开关电容电路，其特征在于，包括
输出端；
开关电容；
开关管，电耦接所述开关电容，所述开关管具有控制端；
驱动电路，包括接收漏源电流的第一晶体管，所述驱动电路的输出端电耦接至所述开关管的控制端，用以控制所述开关管的导通与断开；
具有负增益系数的负反馈回路，电耦接至所述输出端，提供所述漏源电流至所述第一晶体管；所述负反馈回路包括：反馈回路，一端电耦接所述输出端，所述反馈回路为电耦接在所述输出端与跨导放大器输入端之间的反馈电容；具有负增益系数的所述跨导放大器，其输入端电耦接至所述反馈回路的另一端，其输出端电耦接至所述开关管的控制端。
7.如权利要求6所述一种具有负反馈的开关电容电路，其特征在于，所述驱动电路进一步包括与所述第一晶体管串联连接的第二晶体管，所述第一晶体管的门极和所述第二晶体管的门极电耦接在一起，接收时钟信号。
8.如权利要求6所述一种具有负反馈的开关电容电路，其特征在于，所述跨导放大器包括
第一反馈晶体管，其门极与所述反馈回路电耦接，其源极接地；
第二反馈晶体管，其门极与所述第一反馈晶体管的漏极电耦接，其源极接地；
第三反馈晶体管，与所述第二反馈晶体管串联，其门极电耦接至偏置电压源；
电流源，电耦接至第一反馈晶体管的漏极；
电流镜，输入端电耦接至第三反馈晶体管的漏极，输出端电耦接至所述开关电容电路。
9.如权利要求6所述一种具有负反馈的开关电容电路，其特征在于，所述跨导放大器包括
第一反馈晶体管，其门极与所述反馈回路电耦接，其源极接地；
第一电流镜，其输入端电耦接至所述第一反馈晶体管的漏极；
第二电流镜，其输入端电耦接至第一电流镜的输出端，其输出端电耦接至所述开关电容电路；
电流源，电耦接第一反馈晶体管的漏极。
10.如权利要求9所述一种具有负反馈的开关电容电路，其特征在于，所述第一电流镜包括
第二反馈晶体管，其门极与其漏极电耦接，并电耦接至第一反馈晶体管的漏极；
第三反馈晶体管，其门极与第二反馈晶体管的门极电耦接，其漏极与第二电流镜的输入端电耦接。
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