CN101820255A - 一种高电压输入的电压跟随器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种高电压输入的电压跟随器，其电路主要由运放电路、输入级、输出级、钳位电路和恒流源电路组成，在电路中由低压场效应管M1，M2，M3，M4，M5，M9和M12构成标准的运放电路。耐高压的NMOS高压管M10为电压跟随器的输出级。电压跟随器的输入接在耐高压的NMOS高压管M11的栅极上，场效应管M6，M7，M8通过栅漏相连的方式连接成钳位电路，电流源I₁，I₂，I₃为电路提供恒定的电流。本发明线路简单，便于集成化。该电路可以在高电压输入的情况下，实现对一个输入范围很宽的电压进行精确的跟踪放大。

Description

一种高电压输入的电压跟随器

技术领域

本发明涉及的是基本电子电路技术，特别是一种高电压输入的电压跟随器。

背景技术

近年来，随着电子工业的快速发展，电压跟随器在集成电路中的应用也越来越广泛，电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。因为电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常要在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候就需要电压跟随器来从中进行缓冲，起到承上启下的作用，应用电压跟随器的一个好处就是，提高了输入阻抗，这样，输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证。对于特点显著且作用很大的电压跟随器也越来越得到重视，而一般的电压跟随器都是工作在低压，小的输入电压范围里。随着集成电路的飞速发展，在某些时候低压和小的输入电压范围不能满足电路的需要。所以，如何在高电压输入的情况下，实现对一个输入范围很宽的电压进行跟踪放大，是非常重要和迫切需要的。目前，在电子电路领域里，对于在低压和小的输入电压范围里工作的电压比较器结构都已成熟，但是如何应用在高电压和宽的电压输入范围里面的电压跟随器还未能发现。例如中国专利200720008037.4和200710064681.8公开了几种电压跟随器，它们都未能解决输入高电压大范围的电压跟随问题。本发明是利用如下图(1)所示这样一种特殊的电路结构，可以实现在高压和很宽的输入电压范围内，对输入电压进行精确的跟踪，具体发明内容如下详述。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高电压输入的电压跟随器，此电压跟随器能够在很宽的输入电压范围内，对输入电压进行精确的跟踪。

本发明的电压跟随器，其电路主要由运放电路、输入级、输出级、钳位电路和恒流源电路组成，在电路中由低压场效应管M1，M2，M3，M4，M5，M9和M12构成标准的运放电路。耐高压的NMOS高压管M10为电压跟随器的输出级。电压跟随器的输入接在耐高压的NMOS高压管M11的栅极上，场效应管M6，M7，M8通过栅漏相连的方式用来钳制如附图1所示的1，2两结点间的电位，电流源I₁，I₂，I₃为电路提供恒定的电流。

当输入电压从0开始增大，在低于Vlow电压+Vth_M11时，高压管M11不会导通，又由于I₁＝60uA＞I₂＝40uA，因此，Vlow电压基本为地。整个运放可以正常的工作。

当输入电压高于Vlow电压+Vth_M11时，高压管M11导通，而高压管M11导通前，它的漏端电压VB很高，而源端电压几乎为零，所以M11开始导通，进入饱和区，这时它满足电压电流的平方率关系如下：

$I_D=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}\frac{W}{L}{(V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}})}^2$

当输入电压继续增加使I_M11+I₂＝I₁时，Vlow电压就会跟随输入电压增加而增加。此时流过M11的电流为I₁与I₂之差，即为20uA，根据上式对于一个确定的管子M11，它的V_GS就确定了，这样随着高压管M11的栅极电压的升高，它的源端电压也跟随着同步升高，也即随着输入电压的升高，Vlow的电压值也跟随同步升高。而从电路图中可以看出，场效应管M6，M7，M8的栅漏电压相等，而根据电流镜复制电流的原理，流过M6，M7，M8的电流有个确定的值，也根据电压电流的平方率关系可知，故此时M6，M7，M8三个管子的压降确定，其值为VGS8+VGS7+VGS6，这样M5，M8，M9源端的电压也跟随被拉高，所以运算放大器的输出电压也被按照相应的比例拉高。因为这里M5源端与Vlow的电压差保持不变，所以即使运算放大器里面的每一个点的电位都被拉大了，但是每个管子的V_GS和V_DS都是保持在一个合适的不变的值，即使输入电压快接近VB电压，整个电压跟随器仍然可以工作。

本发明线路简单，便于集成化。该电路可以在很宽的范围内，对输入电压进行精确的跟踪。解决了在高电压输入的情况下，实现对一个输入范围很宽的电压进行跟踪放大。

附图说明

图1为本发明的高电压输入的电压跟随器原理图。

图2和图3为当输入电压在一个大电压范围内变化时，输出电压精确跟随输入电压在一个大范围内的变化而变化的关系图。

具体实施方式

在图1中，具体的连接关系为：低压场效应管M1，M2，M3，M4，M5，M9和M12构成标准的运放电路，耐高压的NMOS高压管M10为该电压跟随器的输出级。电压跟随器的输入接在耐高压的NMOS高压管M11的栅极上，场效应管M6，M7，M8通过栅漏相连的方式用来钳制如附图1所示的1，2两个结点间的电位，PMOS场效应管M5，M8，M9的源端连接到结点1。NMOS场效应管M3，M4，M6，M12，以及高压NMOS管M11的源端连接到结点2，NMOS管M12的栅端连接在结点3上，高压NMOS管M10的栅端连接到结点4上，高压管M10的源端接到结点5上，结点5与该电路的输出直接相连，PMOS场效应管M2的栅极连接到结点6上，高压NMOS管M11的栅极也连接到结点6上，结点6直接与该电路的输入端Input相连。电流源I₁的两端分别接地和结点2上，电流源I₂的两端分别接在结点1和结点7上，电流源I₃的两端分别接到地和结点5上。

用图1所示的电压跟随器试验。在VB加一个40V的电压，输入端加一个变量电压x，作一个DC仿真，可以看出输出电压跟随输入电压在一个很大的电压范围(例如0-37V)内同步变化，从而实现了在很宽的范围内，输出电压对输入电压进行精确的跟踪。输出电压和输入电压Vin＝x的仿真关系图如图2所示。

另外，在输入端加一个阶跃信号，先从0V经过1ms到40V，再经过1ms回到0V。

其仿真曲线图如图3所示，可以看出输出电压对输入电压的精确的跟踪。

Claims (1)

1.一种高电压输入的电压跟随器，电路主要由运放电路、输入级、输出级、钳位电路和恒流源电路组成，其特征在于在电路中低压场效应管M1，M2，M3，M4，M5，M9和M12构成标准的运放电路，耐高压的NMOS高压管M10为电压跟随器的输出级，电压跟随器的输入接在耐高压的NMOS高压管M11的栅极上，场效应管M6，M7，M8通过栅漏相连的方式连接成钳位电路，PMOS场效应管M5，M8，M9的源端连接到结点1，NMOS场效应管M3，M4，M6，M12，以及高压NMOS管M11的源端连接到结点2，NMOS管M12的栅端连接在结点3上，高压NMOS管M10的栅端连接到结点4上，高压管M10的源端接到结点5上，结点5与该电路的输出直接相连，PMOS场效应管M2的栅极连接到结点6上，高压NMOS管M11的栅极也连接到结点6上，结点6直接与该电路的输入端相连，电流源I₁的两端分别接地和结点2上，电流源I₂的两端分别接在结点1和结点7上，电流源I₃的两端分别接到地和结点5上。

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