CN113037260A - 一种信号开关管的驱动电路以及信号传输电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种信号开关管的驱动电路以及信号传输电路，驱动电路包括栅极控制电路、电荷泵电路以及预充电电路。栅极控制电路用于根据使能信号形成时钟信号，并根据所述时钟信号形成驱动信号来驱动信号开关管的栅极，预充电电路用于根据所述时钟信号向信号开关管的栅极电容提供预充电电流，将信号开关管的栅极电压预充电至一定电压，然后通过栅极控制电路将信号开关管的栅极电压充电至信号开关管的导通阈值。由于预充电电路的充电电路为低阻抗通路，因此可以大大减小信号开关管的导通时间，从而可在提高信号开关管的导通和关断速度的同时又不增加电路功耗和电路成本，而且不会降低电路稳定性。

Description

一种信号开关管的驱动电路以及信号传输电路

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，更具体地涉及一种信号开关管的驱动电路以及信号传输电路。

背景技术

诸如MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)的晶体管的一个主要应用就是作为信号导通和关断的开关器件。

图1示出根据现有技术的一种信号传输电路的电路示意图。如图1所示，信号传输电路包括信号开关管Mnsw和驱动电路100。信号开关管Mnsw例如采用N型MOSFET，驱动电路100根据输入的使能信号OE生成控制信号开关管Mnsw导通和关断的驱动信号。信号开关管Mnsw的栅极与驱动电路100的输出端连接，信号开关管Mnsw的源极接收输入信号Vin，信号开关管Mnsw的漏极用于提供输出信号Vout。电阻R1连接于信号开关管Mnsw的漏极和地之间。

在一些电路应用中需要使用信号开关管Mnsw来传输大于电源电压VCC的信号，因此驱动电路100需要生成比电源电压VCC高的驱动信号来驱动信号开关管Mnsw的栅极。在一种实施例中，驱动电路100包括缓冲器110、单脉冲电路120、电荷泵电路130以及晶体管Mp0。电荷泵电路130用于生成高于电源电压VCC的输出电压Vcp。单脉冲电路120根据接收到的使能信号OE生成具有固定时间的时钟信号，并根据该时钟信号来控制晶体管Mp0。晶体管Mp0用于在时钟信号的控制下根据输出电压Vcp对信号开关管Mnsw的栅极电容进行充电，以驱动信号开关管Mnsw。

为了保持信号输出的逻辑状态，要求信号输出电路中的信号开关管可以快速地导通和关断，而现有的信号传输电路中信号开关管的导通时间由电荷泵电路的时间常数来决定。例如电荷泵电路的阻抗近似地等于1/(f*C)，其中f代表电荷泵电路的开关频率，C代表电荷泵电路中飞跨电容(flying capacitor)。假设电荷泵电路的开关频率为10MHz，飞跨电容的电容值为100pF，信号开关管Mnsw的栅极电容为10pF，则可以得到电荷泵电路的阻抗为1kΩ，电荷泵电路的时间常数为1kΩ*10pF＝10ns。为了减小信号开关管的导通时间，就必须减小电荷泵电路的时间常数，而现有技术减小电荷泵电路的时间常数的方案一般有增大电荷泵电路的开关频率和增大电荷泵电路中飞跨电容这两种方案。而增大电荷泵电路的开关频率会增大电路功耗，而且具有降低电路稳定性的风险，增大电荷泵电路中的飞跨电容则会增大芯片面积，提高电路成本。

因此，需要对现有技术的信号传输电路进行改进，在提高信号开关管的导通和关断速度的同时，不会增大电路功耗和电路成本，而且不会降低电路稳定性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种信号开关管的驱动电路以及信号传输电路，可在提高信号开关管的导通和关断速度的同时又不增加电路功耗和电路成本，而且不会降低电路稳定性。

根据本发明实施例的一方面，提供了一种信号开关管的驱动电路，所述信号开关管用于在输入端接收输入信号并在输出端提供输出信号，其中，所述驱动电路包括：栅极控制电路，用于根据使能信号来形成时钟信号，并根据所述时钟信号形成驱动信号以驱动所述信号开关管的栅极；以及预充电电路，用于根据所述时钟信号向所述信号开关管的栅极电容提供预充电电流。

优选地，所述驱动电路还包括电荷泵电路，用于根据电源电压向所述栅极控制电路提供输出电压。

优选地，所述预充电电路包括依次串联连接于所述电源电压和所述信号开关管的栅极之间的第一晶体管和二极管，其中，所述第一晶体管的栅极受控于所述时钟信号，所述二极管的阳极与所述第一晶体管的漏极相连，所述二极管的阴极与所述信号开关管的栅极相连。

优选地，所述二极管选自肖特基二极管。

优选地，所述栅极控制电路包括：单脉冲电路，用于根据所述使能信号生成所述时钟信号；以及第二晶体管，源极与所述电荷泵电路相连以接收所述输出电压，漏极与所述信号开关管的栅极相连以向所述信号开关管提供所述驱动信号，栅极与所述单脉冲电路相连以接收所述时钟信号。

优选地，所述栅极控制电路还包括缓冲器，所述缓冲器的输入端用于接收所述使能信号，所述缓冲器的输出端与所述单脉冲电路和所述信号开关管相连。

优选地，所述缓冲器为源跟随器或CMOS缓冲器。

根据本发明实施例的另一方面，提供了一种信号传输电路，包括：信号开关管；以及上述的驱动电路，所述驱动电路用于驱动所述信号开关管的栅极以使得所述信号开关管可以在输入端接收输入信号并在输出端提供输出信号。

本发明实施例的信号开关管的驱动电路以及信号传输电路具有以下有益效果。

驱动电路包括栅极控制电路、电荷泵电路以及预充电电路，栅极控制电路用于根据使能信号形成时钟信号，并根据所述时钟信号形成驱动信号来驱动信号开关管的栅极。电荷泵电路用于根据电源电压向栅极控制电路提供至少大于电源电压的输出电压，栅极控制电路根据所述输出电压形成驱动信号。预充电电路用于根据所述时钟信号向信号开关管的栅极电容提供预充电电流，将信号开关管的栅极电压预充电至一定电压，然后通过栅极控制电路将信号开关管的栅极电压充电至信号开关管的导通阈值。由于预充电电路的充电电路为低阻抗通路，所以预充电过程的时间常数远小于电荷泵电路的时间常数，因此本发明实施例可以大大减小信号开关管的导通时间。在本发明实施例的驱动电路不需要增大电荷泵电路的开关频率和飞跨电容，因此有利于降低电路功耗和电路成本，提高电路稳定性。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出根据现有技术的一种信号传输电路的电路示意图；

图2示出根据本发明实施例的一种信号传输电路的电路示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，为了简化说明，在图中可能省略了某些公知步骤的描述和细节。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

应当理解，在以下的描述中，“电路”可包括单个或多个组合的硬件电路、可编程电路、状态机电路和/或能存储由可编程电路执行的指令的元件。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

图2示出根据本发明实施例的信号传输电路的电路示意图。如图2所示，本实施例的信号传输电路包括信号开关管Mnsw和驱动电路200。

其中，驱动电路200被配置为根据输入的使能信号OE来生成控制信号开关管Mnsw的导通和关断的驱动信号。信号开关管Mnsw的栅极与驱动电路200的输出端连接，源极接收输入信号Vin，漏极用于提供输出信号Vout。电阻R1连接在信号开关管Mnsw的漏极和地之间。在一个非限制性的例子中，信号开关管Mnsw可以采用MOSFET，例如采用N型MOSFET。

在一些实施例中，驱动电路200需要产生比电源电压VCC高的驱动信号来偏置信号开关管Mnsw的栅极，以完全开启信号开关管Mnsw。在一种电路中，驱动电路200可以使用电荷泵电路向信号开关管Mnsw的栅极施加具有期望电压的驱动信号。进一步的，可以由时钟信号来驱动该电荷泵电路。在一些实施例中，倍增型(double type)电荷泵可以提供近似等于电源电压两倍的输出电压。其中，该电荷泵的阻抗近似地等于1/(f*C)，其中f代表电荷泵电路的开关频率，C代表电荷泵电路中飞跨电容(flying capacitor)。信号开关管Mnsw的栅极电容(例如栅源电容Cgs)通常与晶体管的宽度和长度成正比。通常，信号开关管Mnsw的栅极电容和电荷泵电路的阻抗可以来定义信号开关管的导通时间。

本领域的技术人员可以理解，驱动电路200还可以有各种其他实施例，只要可以提供大于电源电压VCC的驱动信号来偏置信号开关管Mnsw的栅极即可。

此外，驱动电路200还通过对信号开关管Mnsw的栅极电容进行预充电来减小信号开关管的导通时间，从而可以不需要增大电荷泵电路的开关频率和飞跨电容的电容值，进而不会增加电路的功耗和提高电路成本。

作为一个非限制性的例子，驱动电路200包括栅极控制电路210、电荷泵电路220以及预充电电路230。栅极控制电路210用于根据接收到的使能信号OE来形成具有一定占空比的时钟信号，并根据该时钟信号来形成驱动信号以驱动信号开关管Mnsw的栅极。电荷泵电路220用于根据电源电压VCC向栅极控制电路210提供输出电压Vcp(例如，输出电压Vcp大于电源电压VCC)，以允许栅极控制电路210可以形成驱动信号来驱动信号开关管Mnsw的栅极。预充电电路230用于根据所述时钟信号向所述信号开关管的栅极电容提供预充电电流，将所述信号开关管的栅极电压充电至一定的电压。

作为一个非限制性的例子，预充电电路230包括晶体管Mp2和二极管D1。晶体管Mp2和二极管D1依次串联连接于电源电压VCC和信号开关管Mnsw的栅极之间，晶体管Mp2的栅极受控于时钟信号，二极管D1的阳极与晶体管Mp2的漏极连接，二极管D1的阴极与信号开关管Mnsw的栅极连接。晶体管Mp2例如选自P型MOSFET，当晶体管Mp2导通时，预充电电流经由晶体管Mp2和二极管D1从电源电压VCC提供至信号开关管Mnsw的栅极。

假设晶体管Mp2的阻抗为100Ω，信号开关管Mnsw的栅极电容为10pF，电源电压VCC等于3V，电荷泵电路的输出电压Vcp等于6V，二极管D1的正向导通压降为0.3V。所以当晶体管Mp2导通时，预充电电路230可以将信号开关管Mnsw的栅极电压预充电至2.7V，然后由栅极控制电路210形成的驱动信号将信号开关管Mnsw的栅极驱动电压从2.7V充电至6V。由于预充电过程的时间常数为100Ω*10pF＝1ns，远小于电荷泵电路的时间常数，所以本实施例的驱动电路200可以大大减小信号开关管Mnsw的导通时间，而且可以减小电荷泵电路的工作频率和飞跨电容，有利于降低电路功耗和电路成本，提高电路稳定性。

此外，本实施例的二极管D1还可以当信号开关管Mnsw的栅极电压大于电源电压VCC防止电流从信号开关管Mnsw的栅极倒灌至电源电压VCC。在进一步的实施例中，二极管D1可以选自肖特基二极管(Schottky Barrier Diode，SBD)。

本领域普通技术人员可以理解，预充电电路230还可以有各种其他实施例，只要可以根据时钟信号来向信号开关管Mnsw的栅极电容提供一定的预充电电流即可。进一步的，预充电电路230还可以使用其他的器件来代替二极管D1(例如连接成二极管结构的场效应晶体管或双极性晶体管)，只要可以在信号开关管的栅极电压大于电源电压时防止电流倒灌即可。

进一步的，栅极控制电路210包括单脉冲电路211和晶体管Mp1。单脉冲电路211可根据使能信号OE产生具有固定时间的时钟信号。晶体管Mp1的源极与电荷泵电路220相连以接收所述输出电压Vcp，晶体管Mp1的漏极与信号开关管的栅极相连以向信号开关管提供所述驱动信号，栅极与单脉冲电路211相连以接收所述时钟信号。晶体管Mp1例如选自P型MOSFET，晶体管Mp1用于在时钟信号的控制下根据输出电压Vcp对信号开关管Mnsw的栅极电容进行充电，以驱动信号开关管Mnsw。

更进一步的，栅极控制电路210还包括缓冲器212。缓冲器212用于隔离前端控制电路与单脉冲电路211，且使得所述使能信号OE具有较快的摆率驱动，可以提高单脉冲电路的响应速度，从而进一步减小过冲或下冲。在其中一个实施例中，所述缓冲器可以为源跟随器、CMOS缓冲器或者其他合适的缓冲器。

在本发明的其他实施例中，信号开关管Mnsw、以及晶体管Mp0至Mp2也可以通过NPN达林顿管、NPN型双极性晶体管、PNP型双极性晶体管、以及P型MOSFET中的一种或者几种来实现。

综上，在本发明实施例的信号开关管的驱动电路以及信号传输电路中，驱动电路包括栅极控制电路、电荷泵电路以及预充电电路。栅极控制电路用于根据使能信号形成时钟信号，并根据所述时钟信号形成驱动信号来驱动信号开关管的栅极。电荷泵电路用于根据电源电压向栅极控制电路提供至少大于电源电压的输出电压，栅极控制电路根据所述输出电压形成驱动信号。预充电电路用于根据所述时钟信号向信号开关管的栅极电容提供预充电电流，将信号开关管的栅极电压预充电至一定电压，然后通过栅极控制电路将信号开关管的栅极电压充电至信号开关管的导通阈值。由于预充电电路的充电电路为低阻抗通路，所以预充电过程的时间常数远小于电荷泵电路的时间常数，因此本发明实施例可以大大减小信号开关管的导通时间。在本发明实施例的驱动电路不需要增大电荷泵电路的开关频率和飞跨电容，因此有利于降低电路功耗和电路成本，提高电路稳定性。

应当说明，尽管在本文中，将器件说明为某种N沟道或P沟道器件、或者某种N型或者P型掺杂区域，然而本领域的普通技术人员可以理解，根据本发明，互补器件也是可以实现的。本领域的普通技术人员可以理解，导电类型是指导电发生的机制，例如通过空穴或者电子导电，因此导电类型不涉及掺杂浓度而涉及掺杂类型，例如P型或者N型。本领域普通技术人员可以理解，本文中使用的与电路运行相关的词语“期间”、“当”和“当……时”不是表示在启动动作开始时立即发生的动作的严格术语，而是在其与启动动作所发起的反应动作(reaction)之间可能存在一些小的但是合理的一个或多个延迟，例如各种传输延迟等。本文中使用词语“大约”或者“基本上”意指要素值(element)具有预期接近所声明的值或位置的参数。然而，如本领域所周知的，总是存在微小的偏差使得该值或位置难以严格为所声明的值。本领域已恰当的确定了，至少百分之十(10％)(对于半导体掺杂浓度，至少百分之二十(20％))的偏差是偏离所描述的准确的理想目标的合理偏差。当结合信号状态使用时，信号的实际电压值或逻辑状态(例如“1”或“0”)取决于使用正逻辑还是负逻辑。

此外，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.一种信号开关管的驱动电路，所述信号开关管用于在输入端接收输入信号并在输出端提供输出信号，其中，所述驱动电路包括：

栅极控制电路，用于根据使能信号来形成时钟信号，并根据所述时钟信号形成驱动信号以驱动所述信号开关管的栅极；以及

预充电电路，用于根据所述时钟信号向所述信号开关管的栅极电容提供预充电电流。

2.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，还包括电荷泵电路，用于根据电源电压向所述栅极控制电路提供输出电压。

3.根据权利要求1或2所述的驱动电路，其特征在于，所述预充电电路包括依次串联连接于所述电源电压和所述信号开关管的栅极之间的第一晶体管和二极管，

其中，所述第一晶体管的栅极受控于所述时钟信号，所述二极管的阳极与所述第一晶体管的漏极相连，所述二极管的阴极与所述信号开关管的栅极相连。

4.根据权利要求3所述的驱动电路，其特征在于，所述二极管选自肖特基二极管。

5.根据权利要求2所述的驱动电路，其特征在于，所述栅极控制电路包括：

单脉冲电路，用于根据所述使能信号生成所述时钟信号；以及

第二晶体管，源极与所述电荷泵电路相连以接收所述输出电压，漏极与所述信号开关管的栅极相连以向所述信号开关管提供所述驱动信号，栅极与所述单脉冲电路相连以接收所述时钟信号。

6.根据权利要求5所述的驱动电路，其特征在于，所述栅极控制电路还包括缓冲器，所述缓冲器的输入端用于接收所述使能信号，所述缓冲器的输出端与所述单脉冲电路和所述信号开关管相连。

7.根据权利要求6所述的驱动电路，其特征在于，所述缓冲器为源跟随器或CMOS缓冲器。

8.一种信号传输电路，其特征在于，包括：

信号开关管；以及

权利要求1-7任一项所述的驱动电路，所述驱动电路用于驱动所述信号开关管的栅极以使得所述信号开关管可以在输入端接收输入信号并在输出端提供输出信号。

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