CN103376818B - 用于转换电压信号的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于转换电压信号的装置，包括：电流提供电路，提供可调电流；第一电流镜像电路，将电流提供电路提供的电流镜像；电流镜像控制电路，接收0V或5V的电压信号，并且，当电流镜像控制电路接收的电压信号为0V时，控制第二电流镜像电路对第一电流镜像电路镜像的电流镜像，当电流镜像控制电路接收的电压信号为5V时，控制第二电流镜像电路关断；当第二电流镜像电路对第一电流镜像电路镜像的电流镜像时，镜像的电流流入第一调压电阻；当镜像的电流流入第一调压电阻时，第一端输出的电压信号为电源的电压VDD减去电流乘以第一调压电阻的阻值；当第二电流镜像电路关断时，第一端输出的电压信号为VDD。

Description

用于转换电压信号的装置

技术领域

本发明涉及电路技术，尤其涉及一种用于转换电压信号的装置。

背景技术

随着集成电路技术的迅速发展，BCD（Bipolar-CMOS-DMOS）技术成为功率集成的最重要的技术。BCD技术的特点是将硅平面工艺应用的功率集成上，将控制部分(包括模拟的和数字的)与作为输出的功率器件整合在一起。功率器件DMOS分为纵向的垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管（VDMOS）和横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）。

在不同的应用中，DMOS的电压范围也有所不同，从几十伏到几百伏。

例如，基于CMOS平台开发的BCD工艺技术，将3.3V/5.0V CMOS器件、耐压达到20V以上的双极型器件、耐压达到40V以上几十伏甚至几百伏的LDMOS以及基本的多晶电阻、低温度系数齐纳管、低温度系数电阻和电容以及OTP（One Time Programmable，一次性可编程）/MTP（Multiple Time Programmable，可多次编程）结构等集成在一起。其中，LDMOS是BCD工艺的核心器件。

因为芯片需要在几十伏甚至几百伏的环境中应用，所以芯片需要考虑采用BCD工艺设计。标准CMOS工艺的器件的栅极、源极、漏极之间的耐压值为相应工艺应用的电源电压。如目前LDMOS的源/漏与栅/漏的耐压值为40V，但是栅极与源极之间的电压为5V，远小于40V，这样在芯片内部采用NLDMOS/PLDMOS的开启关断作用时需要确保栅极与源极之间的电压小于5V。

标准CMOS工艺的器件的开关工作状态如图1所示：

对于PMOS管，源极电压VS=VDD，漏极电压VD=0，当栅极电压VG=0V时，PMOS管导通，当栅极电压VG=VDD时，PMOS管关断。

对于NMOS管，源极电压VS=0，漏极电压VD=VDD，当栅极电压VG=0V时，NMOS管关断，当栅极电压VG=5V时，NMOS管导通。

在NMOS/PMOS作为开关的过程中，必须满足任意两端之间能够耐压为相应工艺应用的电源电压VDD。对于LDMOS的40V器件来说，其特殊的地方在于VGS之间最大耐压为5V，而VDS最大耐压为40V。

目前，开关信号为0V或5V，无法满足PLDMOS管作为开关控制管的需要，需要提供一种电压信号的转换电路，以使PLDMOS管处于开关工作状态。

发明内容

本发明提供一种用于转换电压信号的装置，以将开关信号为0V或5V进行转换，满足MOS管在电源电压为几十伏或几百伏的应用环境中，作为开关控制管的耐压要求。

本发明提供一种用于转换电压信号的装置，包括：

电流提供电路，用于提供可调电流；

第一电流镜像电路，用于将所述电流提供电路提供的电流镜像；

电流镜像控制电路，用于接收0V或5V的电压信号，并且，当所述电流镜像控制电路接收的电压信号为0V时，用于控制第二电流镜像电路对所述第一电流镜像电路镜像的电流镜像，当所述电流镜像控制电路接收的电压信号为5V时，用于控制所述第二电流镜像电路关断；

所述第二电流镜像电路，与第一调压电阻的第一端相连，当所述第二电流镜像电路对所述第一电流镜像电路镜像的电流镜像时，镜像的电流流入所述第一调压电阻；

所述第一调压电阻，第二端接电源，当所述镜像的电流流入所述第一调压电阻时，所述第一端输出的电压信号为所述电源的电压VDD减去电流乘以所述第一调压电阻的阻值；当所述第二电流镜像电路关断时，所述第一端输出的电压信号为VDD。

本发明提供的用于转换电压信号的装置的技术效果是：将0V电压信号转换成了电压值为VDD减去电流乘以第一调压电阻的阻值的电压信号，将5V电压信号转换为了VDD，满足了MOS管在不同电压应用环境中的耐压需求，从而可进一步满足PLDMOS开关的耐压要求。

附图说明

图1为标准CMOS工艺的器件的开关工作状态示意图；

图2为本发明实施例提供的一种用于转换电压信号的装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种用于转换电压信号的装置的结构示意图。

具体实施方式

图2为本发明实施例提供的一种用于转换电压信号的装置的结构示意图。如图2所示，用于转换电压信号的装置包括：电流提供电路21、第一电流镜像电路22、第二电流镜像电路23、电流镜像控制电路24及第一调压电阻25。

电流提供电路21用于提供可调电流。

第一电流镜像电路22用于将该电流提供电路提供的电流镜像。

电流镜像控制电路24用于接收0V或5V的电压信号，并且，当该电流镜像控制电路24接收的电压信号为0V时，用于控制第二电流镜像电路23对该第一电流镜像电路22镜像的电流镜像，当该电流镜像控制电路24接收的电压信号为5V时，用于控制该第二电流镜像电路23关断。

该第二电流镜像电路23与第一调压电阻25的第一端相连，当该第二电流镜像电路23对该第一电流镜像电路22镜像的电流镜像时，镜像的电流流入该第一调压电阻25。

该第一调压电阻25，第二端接电源，当第二电流镜像电路23镜像的电流流入该第一调压电阻25时，第一调压电阻25第一端输出的电压信号为该电源的电压VDD减去电流乘以该第一调压电阻25的阻值；当该第二电流镜像电路23关断时，第一调压电阻25第一端输出的电压信号为VDD。

假设电流提供电路21提供的电流为I，第一调压电阻25的阻值为R，则第一电流镜像电路22对电流I镜像输出的电流为I，该第二电流镜像电路23对第一电流镜像电路22镜像的电流进行镜像，输出的电流仍为I。

当电流镜像控制电路24接收的电压信号为0V时，第二电流镜像电路23对第一电流镜像电路22镜像的电流进行镜像，输出的电流仍为I，且流入第一调压电阻25，则第一调压电阻25上产生的压降为I×R，由于第一调压电阻25的第二端接电源，因此，第一调压电阻25的第一端的电压等于电源的电压VDD减去第一调压电阻25上产生的压降I×R。换句话说，本实施例提供的装置将0V电压信号转换成了值为VDD-I×R的电压信号。这样，可以通过调整I及R的值，使得I×R=5V，从而当PMOS的应用环境中的电源的电压大于5V，如为几十伏或几百伏时，可通过本实施例提供的装置将开关信号中的低电平信号转变为VDD-5V，实现PMOS的导通。

当电流镜像控制电路24接收的电压信号为5V时，第二电流镜像电路23关断，第一调压电阻25上流过的电流可忽略不计，可以认为第一调压电阻25上产生的压降为0，这样的话，第一调压电阻25的第一端的电压等于电源的电压VDD。换句话说，本实施例提供的装置将5V电压信号转换成了值为VDD的电压信号。这从而当PMOS的应用环境中的电源的电压大于5V，如为几十伏或几百伏时，可通过本实施例提供的装置将开关信号中的高电平信号转变为VDD，实现PMOS的关闭。

其中，该电流提供电路包括：第一PMOS管及第二调压电阻，该PMOS管的栅极输入恒定电压，该第一PMOS管的漏极接该第二调压电阻的第一端，该第一PMOS管的源极接低压电源，如5V电源，该第二调压电阻的第二端接地。

可选地，该电流提供电路还可包括：运算放大器，该运算放大器的正端的电压为基准电压，该运算放大器的负端接该第一PMOS管的漏极，该运算放大器的输出端接该第一PMOS管的栅极。

其中，该第一电流镜像电路可包括：第二PMOS管，该第二PMOS管的栅极接该第一PMOS管的栅极，该第二PMOS管的源极接低压电源。

其中，该第二电流镜像电路包括：第一NMOS管及第二NMOS管；

该第一NMOS管的栅极及漏极接该第二PMOS管的漏极，该第一NMOS管的源极接地；

该第二NMOS管的栅极接该第一NMOS管的栅极及漏极，该第二NMOS管的源极接地，该第二NMOS管的漏极接该第一调压电阻的第一端。

其中，该电流镜像控制电路可包括：第三NMOS管，该第三NMOS管的栅极接收0V或5V的电压信号，该第三NMOS管的漏极接该第二NMOS管的栅极，该第三NMOS管的源极接地。

图3为本发明实施例提供的另一种用于转换电压信号的装置的结构示意图。如图3所示，用于转换电压信号的装置包括：一个运算放大器、两个PMOS管（MP1、MP2）、两个电阻（R1、R2）及三个NMOS管（MN1~MN3）。

其中，电阻R1为上述第二调压电阻，与运算放大器及PMOS管MP1构成上述电流提供电路。

PMOS管MP2为上述第一电流镜像电路，NMOS管MN1及MN2构成上述第二电流镜像电路。

电阻R2为上述第一调压电阻。NMOS管MN3为上述电流镜像控制电路。

运算放大器的正端接基准电压Vref，确保引出的电压信号Vref不随温度与电源变化而变化。运算放大器的输出端接PMOS管MP1的栅极，PMOS管MP1的漏极接运算放大器的负端及电阻R1的一端，源极接低压电源VDDL。电阻R1的另一端接地。VDDH为高压电源，电压可达到几十伏甚至几百伏，可以理解为PMOS管MP3、MP4的应用环境电源电压。

通过运算放大器与PMOS管MP1及电阻R1构成电压转电流的电路，使得电阻R1的电压等于Vref，则流过电阻R1的电流I1为基准电流Vref/R1。因此，可以通过调整电阻R1的大小来调整基准电流Vref/R1的大小。

PMOS管MP2的栅极接PMOS管MP1的栅极，则PMOS管MP2的电压同样为Vref，从而完全镜像MP1的电流I1，使得流过NMOS管MN1的电流I2=Vref/R1。PMOS管MP2的源极接低压电源VDDL。

PMOS管MP2的漏极接NMOS管MN1的漏极，且NMOS管MN1的栅漏极短接。

PMOS管MP2镜像的电流Vref/R1流过NMOS管MN1。

NMOS管MN3的栅极接NMOS管MN1的栅极，因此，NMOS管MN3完全镜像NMOS管MN1的电流，使得流过NMOS管MN3的电流同样为Vref/R1。

NMOS管MN3的源极接地，漏极接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接高压电源VDDH。

NMOS管MN2的栅极接0V或5V的电压信号，漏极接NMOS管MN3的栅极，NMOS管MN2的源极接地。本领域可以理解为NMOS管MN2的栅极为电压信号输入端，输入的信号Vin=0V/5V，电阻R2接NMOS管MN3漏极的一端为电压信号输出端，输入端输入的电压信号为待转换电压信号，输出端输出的是经过本装置转换得到的电压信号Vout。

当NMOS管MN2的栅极接0V电压时，NMOS管MN2关断，NMOS管MN3镜像电流Vref/R1，流过电阻R2及NMOS管MN3的电流I3=Vref/R1。这样，电阻R2上的压降为（Vref/R1）×R2。且由于电阻R2的一端接高压电源，即该端电压为VDDH，因此，电阻R2接NMOS管MN3的一端电压为VDDH-（Vref/R1）×R2。换句话说，本装置的输入的电压为0V时，输出的电压Vout=VDDH-（Vref/R1）×R2，即经过本装置转换后的电压信号的值。

当NMOS管MN2的栅极接5V电压时，NMOS管MN2导通，NMOS管MN2的漏极电压为0V。由于NMOS管MN3的栅极电压等于则NMOS管MN2的漏极电压，因此，NMOS管MN3的栅极电压也为0V，NMOS管MN3关断，这样，流过电阻R2的电流可以认为是0，电阻R2产生的压降也相应为0V，电阻R2的两端的电压值可认为都是VDDH。换句话说，经过本装置的转换，输入端输入的5V电压被转换为了VDDH，通过电阻R2连接NMOS管MN3漏极的一端作为输出端输出Vout=VDDH。

本发明实施例提供的用于转换电压信号的装置，可以为应用在环境电源电压为VDDH的PMOS管MP3，提供PMOS管MP3作为开关控制管所需的栅极电压，即VDDH或VDDH-5V。

具体地，通过调整电阻R1、电阻R2的阻值，使得VDDH-（Vref/R1）×R2=VDDH-5V。这样，当NMOS管MN2的栅极为0V时，则开关控制管PMOS管MP3的栅压为VDDH-5V，开关控制管PMOS管MP3导通。

当NMOS管MN2的栅极为5V时，则开关控制管PMOS管MP3的栅压为VDDH，开关控制管PMOS管MP3关闭。

其中，PMOS管MP4为开关控制管PMOS管MP3的控制对象，PMOS管MP3导通时，将需要控制的PMOS管MP4的栅极电压拉到VDDH，导致PMOS管MP4关闭。

开关控制管PMOS管MP3关闭时，不影响PMOS管MP4的栅极电压，使得PMOS管MP4正常工作。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种用于转换电压信号的装置，包括：

电流提供电路，用于提供可调电流；

第一电流镜像电路，用于将所述电流提供电路提供的电流镜像；

电流镜像控制电路，用于接收0V或5V的电压信号，并且，当所述电流镜像控制电路接收的电压信号为0V时，用于控制第二电流镜像电路对所述第一电流镜像电路镜像的电流镜像，当所述电流镜像控制电路接收的电压信号为5V时，用于控制所述第二电流镜像电路关断；

所述第二电流镜像电路，与第一调压电阻的第一端相连，当所述第二电流镜像电路对所述第一电流镜像电路镜像的电流镜像时，镜像的电流流入所述第一调压电阻；

所述第一调压电阻，第二端接电源，当所述镜像的电流流入所述第一调压电阻时，所述第一端输出的电压信号为所述电源的电压VDD减去电流乘以所述第一调压电阻的阻值；当所述第二电流镜像电路关断时，所述第一端输出的电压信号为VDD。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电流提供电路包括：第一PMOS管及第二调压电阻，所述第一PMOS管的栅极输入恒定电压，所述第一PMOS管的漏极接所述第二调压电阻的第一端，所述第一PMOS管的源极接低压电源，所述第二调压电阻的第二端接地。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电流提供电路还包括：运算放大器，所述运算放大器的正端的电压为基准电压，所述运算放大器的负端接所述第一PMOS管的漏极，所述运算放大器的输出端接所述第一PMOS管的栅极。

4.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述第一电流镜像电路包括：第二PMOS管，所述第二PMOS管的栅极接第一PMOS管的栅极，所述第二PMOS管的源极接低压电源；

所述第二电流镜像电路包括：第一NMOS管及第二NMOS管；

所述第一NMOS管的栅极及漏极接所述第二PMOS管的漏极，所述第一NMOS管的源极接地；

所述第二NMOS管的栅极接所述第一NMOS管的栅极及漏极，所述第二NMOS管的源极接地，所述第二NMOS管的漏极接所述第一调压电阻的第一端。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述电流镜像控制电路包括：第三NMOS管，所述第三NMOS管的栅极接收0V或5V的电压信号，所述第三NMOS管的漏极接所述第二NMOS管的栅极，所述第三NMOS管的源极接地。