CN1108778A - 多极开关电路 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供模拟型多级开关电路，它具 有小电路尺寸和小的功耗。根据本发明的多级开关 电路有平行安排阈值电路，通过耦合电容把输入电平 和参考电压加到阈值电路上，上述耦合电容完成输入 电压和参考电压的加权相加。

Description

本发明涉及一多级开关电路，它根据输入的模拟信号确定很多开关电路的接通/关闭。
本发明涉及多路开关转换器用来选择很多信号电压之一进行输出，这些信号电压对应于所加的作为控制信号用的模拟输入电压。
多级开关电路在传统的数字计算机中用作译码器或多路开关选择器，译码器根据对很多输入数据信号控制选择单个译码信号。
在传统数字计算机中，多路开关选择器输入与很多输入信号对应的带有很多位的控制信号，选择与控制信号对应的输入信号之一输出。
本发明为了解决传统的问题，目的是提供一种小尺寸，低功耗的模拟型多级开关电路。
而由于译码器是电流驱动型，因为它的耗电引起所涉及的数字计算机的结构问题。同时，增加控制信号的位数而增加输入数据信号数出现使电路尺寸变大的问题。
根据本发明的多级开关电路平行安放阈值电路，通过耦合电容对输入电压和参考电压加权后将它们加到阈值电路。
图1显示根据本发明的多级开关电路的第一实施例的电路图。
图2显示了根据本发明的多级开关电路的第二个实施例的电路图。
图3显示了根据本发明的多路开关选择器的第一个实施例的电路图。
图4显示了根据本发明的多路开关选择器的第二个实施例的电路图。
参考附图下文对本发明作说明。
图1所示的多级开关电路包括平行连接的8个阈值电路N0到N7，和作为控制信号加到每个阈值电路的输入电压X，偏移电压Voff和参考电压Vb。
多级开关电路的阈值电路N0到N7均由具有4个电容的耦合电容和具有CMOS反相器的放大器电路组成。
阈值电路N0有平行连结的4个电容器组成的耦合电容：电容器C01接收输入电压X，电容器C02接收偏移电压Voff，电容器C03接收参考电压Vb而电容器C04接地。耦合电容的输出端连到放大器电路。
放大器电路由PMOS型晶体管Tr01和nMOS型晶体管Tr02组成，偏压Vdd加到PMOS型晶体管Tr01的漏，而它的源连到nMOS型晶体管Tr02的漏。对所有阈值电路有公共的偏置电压Vdd，当阈值电路中任意一个启动时这个电路的输出具有同样值。两个晶体管的栅极均连到电容器。nMOS型晶体管Tr02的源接地，其它阈值电路N1到N7同N0相同具有4个电容器和两个晶体管。
电容器C01，C11，C21，C31，C41，C51，C61和C71容量相等，其上加每个阈值电路的输入电压X，电容器C02，C12，C22，C32，C42，C52，C62和C72容量相等，其上加偏移电压，所加的偏移电压同时控制每个阈值电路的阈值电压，即当偏移电压Voff高时，每个阈值电路用相当低的输入电压启动，而当偏移电压Voff低时，阈值电路用比上面更高的输入电压启动。
电容器C03，C13，C23，C33，C43，C53，C63和C73上加逐级上升的参考电压，从低阈值电路一个接一个到高阈值电路。在图1中，阈值电路的阈值电压从顶到底而增加，阈值电路从N7到N0随输入电压增加顺序启动。
确定接地电容C04，C14，C24，C34，C44，C54，C64，和C74的容量以偏置其上加有参考电压的电容的改变。当阈值电路的电容器用CK0，CK1，CK2和CK3（K从0到7）表示时，对所有阈值电路可用下面公式1表示，而平行相连的电容器的输出电压可用公式2定义：
CK0+CK1+CK2+CK3＝K（K为常数）…（1）
Vc＝（CkOX+CK1Voff+Ck2Vb）/（CkO+Ck1+Ck2+Ck3） （2）
为了改变每个阈值电路的启动阈值，可以改变电容器CK2的容量来实现，不要改变CK3，问题是随着CK2的改变公式2的分子和分母同时改变，因而细致的确定是不容易的。LSI电路的设计是复杂的，因为阈值电路的耦合电容的总容量彼此是不同的，为了避免不便，每个耦合电容容量的确定应满足公式1。
阈值电路N0到N7的输出连到PMOS型晶体管T03，T13，T23，T33，T43，T53，T63和T73。当PMOS型晶体管导通，对应的阈值电路启动时，开关信号从PMOS的源输出，电压信号Vd0，Vd1，Vd2，Vd3，Vd4，Vd5，Vd6和Vd7分别加到PMOS型晶体管的漏。漏电压彼此相等或与开关信号控制的控制对象对应而彼此有差异。
阈值电路N1到N7中有nMOS型晶体管Tr14，Tr24，Tr34，Tr44，Tr54，Tr64和Tr74，它们的漏连到PMOS型晶体管的源，这些nMOS型晶体管的源作为开关信号a1，a2，a3，a4，a5，a6和a7。
nMOS型晶体管Tr14到Tr74的每个的栅同一步一步升高的阈值电路的输出相连。
PMOS型晶体管的栅同一步一步升高的阈值电路的输出相连，当一个较高阈值电路启动时PMOS导通，而nPOS不导通。因为启动电路阻止更低电路的启动，所以仅有一个阈值电路启动。
阈值电路N0从PMOS型晶体管的源用一个称为开关信号a0的信号，因为N0是最高阈值的电路，所以这里没有控制输出用的nMOS型晶体管。
阈值电路N1到N7均有一个称为开关信号b1到b7的端，以接收每个阈值电路的输出。开关信号b1到b7并不排斥信号a0到a7，而从点火阈值电路来的全部开关信号均为“开”。
表1和2显示了输入电压X，开关信号a0到a7和开关信号b0，b1到b7的开/关条件，表中“1”表示开，“0”表示关，每个阈值电路上所加偏移电压为Voff值为2.5V。
表1
输入电压  X(V)  a0  a1  a2  a3  a4  a5  a6  a7
X≥6.0  1  0  0  0  0  0  0  0
6.0>X≥5.5  0  1  0  0  0  0  0  0
5.5>X≥5.0  0  0  1  0  0  0  0  0
5.0>X≥4.5  0  0  0  1  0  0  0  0
4.5>X≥4.0  0  0  0  0  1  0  0  0
4.0>X≥3.5  0  0  0  0  0  1  0  0
3.5>X≥3.0  0  0  0  0  0  0  1  0
3.0>X≥2.5  0  0  0  0  0  0  0  1
2.5>X  0  0  0  0  0  0  0  0
表2
输入电压  X(V)  b0  b1  b2  b3  b4  b5  b6  b7
X≥6.0  1  1  1  1  1  1  1  1
6.0>X≥5.5  0  1  1  1  1  1  1  1
5.5>X≥5.0  0  0  1  1  1  1  1  1
5.0>X≥4.5  0  0  0  1  1  1  1  1
4.5>X≥4.0  0  0  0  0  1  1  1  1
4.0>X≥3.5  0  0  0  0  0  1  1  1
3.5>X≥3.0  0  0  0  0  0  0  1  1
3.0>X≥2.5  0  0  0  0  0  0  0  1
2.5>X  0  0  0  0  0  0  0  0
上面开关信号可以用来控制除阈值电路之外其它元件和电路，当它有8位数字信号时，可用来作数字电路中存储元件的地址指示。在后面情况下，多级开关电路的实施功能是作为A/D转换器用。
图2显示了本发明的多路开关电路的第2个实施例。图2显示的仅是单阈值电路N7，通常它有如图1所示的为多级组合。在第2个实施例1中阈值电路N7包括第一放大器电路，它由4个平行相连的电容器C71，C72，C73及C74组成，还包括PMOS型晶体管Tr71，nPOS型晶体管Tr72和用晶体管Tr75和Tr76组成第二级放大器。
本实施例的实现反相功能的第二级放大器电路同第一实施例中的是不同的，为的是它的输出极性同第一实施例相反，因而晶体管T73是nMOS型晶体管，它接收阈值电路N7的输出。晶体管Tr74是PMOS型晶体管，它通过高阈值的阈值电路N6的输出控制信号a7的输出。
在第2实施例中能输出同第一实施例相同的开关信号，此信号可根据模拟控制信号作为不同类型系统的控制手段。
图3显示了作为多路开关选择器的第3个实施例，它包括平行连接的阈值电路N0到N7和作为控制信号共同地输入到阈值电路的输入电压X，偏置电压Voff及参考电压Vb。
阈值电路N0到N3中每个由平行连结的4个电容器和用2个MOS型晶体管组成放大器电路组成。
阈值电路N0由平行连结的4个电容器组成，电容器C01上加输入电压X，电容器C02上加偏移电压Voff，电容器C03上加参考电压Vb而电容顺C04接地，电容器的输出共同连到放大器电路。
偏置电压Vdd加到组成放大器电路的PMOS型晶体管Tr01的漏，它的源接到nMOS型晶体管Tr02的漏，偏压Vdd对所有阈值电路彼此相等，所以任一阈值电路启动其输出值相同。两个晶体管的栅极彼此相连再连到电容器，nMOS型晶体管Tr02的源是接地的。其它阈值电路N1到N7同样有4个电容和2个晶体管组成。
电容器C01，C11，C21，C31，C41，C51，C61和C71有相同容量，其上加每个阈值电路输入电压X，电容器C02，C12，C22，C32，C42，C52，C62和C72有相同容量其上加偏移电压Voff，偏移电压确定由于每个阈值电路的阈值移动的同时作为控制信号输入电压被移动，即，若偏移电压Voff是高，超过每个阈值电路的阈值较低输入加入使阈值电路启动。反之，当偏移电压Voff低时，输入电压X不是高，阈值电路不启动。
而施加参考电压的电容器C03，C13，C23，C33，C43，C53，C63和C73其容量逐级上升所以阈值电路的输出随输入电压X的增加而翻转。图3中阈值电路的阈值从顶到底增加，当输入电压X增加时，阈值电路从N7顺序启动。
接地电容器C04，C14，C24，C34，C44，C54，C64和C74的电容量是预先确定的，用于补偿外加参考电压的电容器的变化，当阈值电路的电容器用CK0，CK1，CK2和CK3（K从0到7）表示时，对所有阈值电路可用下面公式3表示，而平行连结的电容器的输出电压Vc可用公式4表示。
CK0+CK1+CK2+CK3＝K  （K为常数）…（3）
Vc＝（CkOX+CK1Voff+Ck2Vb）/（CkO+Ck1+Ck2+Ck3） （4）
为了改变每个阈值电路的启动阈值，可以改变电容器CK2的容量而不变电容器CK3。问题是随着CK2的改变，公式4的分子和分母同时改变，因而细致的确定是不容易的。LSI电路的设计是复杂的，因为阈值电路的耦合电容的总容量彼此是不同的，为了避免不便，每个耦合电容的容量的确定满足公式3。
阈值电路N0到N3的输出连到第一个开关装置PMOS型晶体管Tr03，Tr13，Tr23和Tr33。当PMOS型晶体管随每个阈值电路的启动导通时，开关信号从PMOS的源输出，信号电压Vd0，Vd1，Vd2和Vd3分别加到PMOS型晶体管的漏，漏电压代表所选择的信号，通常彼此不等。
阈值电路N1到N3由nMOS型晶体管Tr14，Tr24和Tr34它们的漏连到PMOS型晶体管的源，这些nMOS型晶体管的源作为第二开关装置。这些nMOS型晶体管的源和对应于第一阈值电路的PMOS型晶体管的源彼此相连，它们有公共输入Vout。
nMOS型晶体管Tr14，Tr24，和Tr34中每个，其栅极同逐级提高阈值的阈值电路的输出相连。一个nMOS晶体管的栅极连到逐级提高阈值的高一级阈值电路的输出，当较高阈值电路启动时，PMOS导通，nMOS不导通，而输出电压Vout成为信号电压Vd0，Vd1，Vd2和Vd3之一。
最低阈值的阈值电路N3的输出同nMOS晶体管Tr41的栅极相连，它的源接地，漏连到与上面公共输出端相连nMOS晶体管Tr41。
此晶体管用于防止公共输出的不稳定，若输入电压X的最小值大于上面预定电压时此晶体管是用不着设置的。
表3显示了输入电压X′和输出电压Vout之间关系，当输入电压变得较高时，输出电压从Vd3，Vd2，Vd1和Vd0转换出，加到每个阈值电路上偏移电压Voff为2.5V。
表3
输入电压X(V)  输出电压Vout
X≥4.0  Vd0
4.0>X≥3.5  Vd1
3.5>X≥3.0  Vd2
3.0>X≥2.5  Vd3
2.5>X  0
上面每个事先安排阈值的第三实施例的多路开关选择器逐步产生输出。阈值的安排靠耦合电容和反相器实现，因此，与通常的电流驱动类电路相比，耗电是很小的。
图4显示了本发明的多路开关选择器的第4个实施例，本实施例同第3实施例的不同点在于按排了两级放大电路;这个电路在每个阈值电路中具有反相器功能。在第4实施例中阈值电路N3包括第一放大器电路，它由4个电容C31，C32，C33和C34平行连结组成，包括PMOS型晶体管Tr31，nMOS型晶体管Tr32还包括用晶体管Tr35和Tr36组成的第二放大器电路。
在第4实施例中，因为有2级放大电路，它的输出极性同第3实施例相反。而晶体管Tr33是nMOS型晶体管，它接收阈值电路N3的输出，晶体管Tr34是PMOS型晶体管，它用高阈值的阈值电路N0的输出输出信号a3的输出。
在上面实施例中，通过4组阈值电路输入4个信号电压之一是按照输入电压X电平的选择输出，阈值电路数目可以安排成不同上面实施例，它可以根据相应信号电压数增加和减少。
如上所述，根据本发明耗电可以比电流驱动型降低的电路尺寸可以减小，这是根据使用阈值电容的阈值电路的输出电压，仅选择很多输入信号之一进行输出实现的。

Claims (7)

1、多级开关电路包括：
很多阈值电路，它们中每个包括：
(a)为接收输入电压和为了用权重对电压相加的参考电压的耦合电容；
(b)具有预定阈值的反相器，它用来接收所说耦合电容的输出，在所说输出超过所说阈值时输出低电平电压，当所说输出没有超过所说阈值时输出高电平电压，
在这里所说耦合电容彼此有不同权重，所以所说的反相器相应于不同输入电压改变输出。
2、根据权利要求1多级开关电路还包括PMOS型晶体管，它的栅极连到所说阈值电路的输出，它的漏连到漏电压，它的源连到输出端。
3、根据权利要求2多级开关电路，那里的所说PMOS型晶体管的漏电压彼此是不同的。
4、根据权利要求2多级开关电路，在那里所说PMOS型晶体管的漏电压彼此是公用的。
5、根据权利要求1多级开关电路还包括CMOS反相器，它同所说反相器输出之一相连，当所说较高阈值的反相器输出低电平电压时，CMOS开启。
6、根据权利要求1多级开关电路，所说耦合电容还包括为接收偏置电压的电容，所以所说耦合电容的所说输出通过预定电压移位。
7、根据权利要求5多级开关电路，在那里所说CMOS连到彼此不同漏电压。
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