CN113225060B - 一种用于低压霍尔传感器微信号传输的驱动控制结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子技术领域，公开了一种用于低压霍尔传感器微信号传输的驱动控制结构。包括输入信号、升压驱动模块、NMOS开关管，其中，升压驱动模块包括第一反相器、第二反相器、第一电容、第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第二电容；第一电容一端连接第二反相器的输出端，另一端连接第一电位点；第二电容一端接地，一端连接第二PMOS管的漏极；第二电容与第二PMOS管的漏极的接点产生升压信号，第一PMOS、第二PMOS管、第三PMOS管的N阱电位连接至第一电位点。通过电路拓扑的改进，在避免闩锁效应的同时取消了额外的阱偏置电路，电路结构更加简单，节省芯片面积。

Description

一种用于低压霍尔传感器微信号传输的驱动控制结构

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种用于低压霍尔传感器微信号传输的驱动控制结构。

背景技术

在开关电容电路中，输入信号通过MOS开关进行采样。标准5V CMOS工艺中MOS晶体管的阈值电压VTH在0.8V左右。特别地，在低压霍尔传感器的设计中，随着电源电压VDD下降到2倍VTH左右，由于输入信号电压在VDD/2附近时，MOS管的过驱动电压(VGS-VTH)很小，MOS管导通电阻急剧增大，破坏了微弱信号的建立和传输，使电路无法处理信号。

低电源电压下要减小MOS开关管的导通电阻就需要增加VGS-VTH，现有的技术主要有两种：

1.通过电荷泵升压电路，提高MOS开关的栅极电压，提高到2倍VDD。但问题是，需要额外的偏置电路产生更高的电压，来给升压电路中的PMOS管的N阱提供更高电位，防止闩锁效应。

2.通过电荷泵升压电路和自举技术(bootstrap)，将MOS开关的VGS跟踪输入信号并保持为恒定值VDD。但问题是由于是自举技术，所以该电路只能驱动单个开关，无法应用于多开关的开关电容系统。

发明内容

本发明是在第一类电荷泵升压电路的基础上，经过电路拓扑的改进，在避免闩锁效应的同时取消了额外的阱偏置电路，并且输出的控制电压可以调节。进一步地，可以同时输出驱动NMOS开关管的升压信号和驱动PMOS开关管的负压信号，此外该互补驱动信号可以驱动多个同相位的开关。

本发明采用如下技术方案：一种用于低压霍尔传感器微信号传输的驱动控制结构，包括：

输入信号；

升压驱动模块，与输入信号连接，用于产生控制NMOS开关管的升压信号；

NMOS开关管，与升压信号连接；

其中，所述升压驱动模块包括：第一反相器、第二反相器、第一电容、第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第二电容；

所述第一反相器输入端连接输入信号，用于反转输入信号生成反转信号；

所述第二反相器连接第一反相器的输出端；

所述第一电容一端连接第二反相器的输出端，另一端连接第一电位点；

所述第一PMOS管的栅极连接第一反相器输出端，源极连接第一电位点；

所述第二PMOS管的栅极连接第一反相器输出端，源极连接第一电位点；

所述第四NMOS管的栅极连接第一反相器的输出端，源极接地，漏极连接第一PMOS管的漏极；

所述第五NMOS管的栅极连接第一反相器的输出端，源极接地，漏极连接第二PMOS管的漏极；

所述第三PMOS管的栅极连接第一PMOS管的漏极，源极连接电源电压，漏级连接第一电位点；

所述第二电容一端接地，一端连接第二PMOS管的漏极；

所述第二电容与第二PMOS管的漏极的接点产生升压信号，所述第一PMOS、第二PMOS管、第三PMOS管的N阱电位连接至第一电位点。

进一步地，还包括：

负压驱动模块，与输入信号连接，用于产生控制PMOS开关管的负压信号；

PMOS开关管，与负压信号连接；

其中，所述负压驱动模块包括：第三反相器、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第三电容、第四电容；

所述第三反相器输入端连接输入信号；

所述第三电容一端连接第三反相器的输出端，另一端连接第二电位点；

所述第一NMOS管的栅极连接输入信号，源极连接第二电位点；

所述第二NMOS管的栅极连接输入信号，源极连接第二电位点；

所述第四PMOS管的栅极连接输入信号，源极接电源电压，漏极连接第一NMOS管的漏极；

所述第五PMOS管的栅极连接输入信号，源极接电源电压，漏极连接第二NMOS管的漏极；

所述第三NMOS管的栅极连接第一NMOS管的漏极，源极接地，漏级连接第二电位点；

所述第四电容一端电源电压，一端连接第二NMOS管的漏极；

所述第四电容与第二NMOS管的漏极的接点产生负压信号，所述第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管的P阱电位连接至第二电位点。

进一步地，所述升压信号可以通过设置第一电容和第二电容的值来进行调节，升压驱动模块可以驱动多组不同输入信号的NMOS开关管。

进一步地，升压需要所述第一电容的容值大于第二电容的容值。

进一步地，所述负压信号可以通过设置第三电容和第四电容的值来进行调节，该负压驱动模块可以驱动多组不同输入信号的PMOS开关管。

进一步地，负压需要所述第三电容的容值大于第四电容的容值。

本发明的有益效果：

1、经过电路拓扑的改进，在避免闩锁效应的同时取消了额外的阱偏置电路，电路结构更加简单，节省芯片面积；

2、通过设置升压驱动模块和负压驱动模块可以输出互补信号；

3、使用本发明的驱动控制结构输出升压信号可以通过设置第一电容和第二电容的值来进行调节，输出负压信号可以通过设置第三电容和第四电容的值来进行调节，从而使输出驱动电压可调。

附图说明

图1为NMOS栅驱动升压产生电路结构示意图；

图2为N阱偏置电路结构示意图；

图3为基于电荷泵和自举技术的恒定VGS升压电路结构示意图；

图4为本发明实施例电路结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

现有技术中，低电源电压下要减小MOS开关管的导通电阻就需要增加VGS-VTH，现有的技术主要有两种：

第一种，如图1与图2所示，由MOS管M4，MOS管M5，第一电容C1，第二电容C2和第一反相器INV1组成的电荷泵升压电路将输入信号Φ_IN的电源电压VDD提高到比2倍电源电压VDD略低一些的高电压，同时为了保证传输管M1不会形成闩锁效应，还增加了另一组基于电荷泵技术的2倍电源电压VDD升压电路对M1管的N阱进行偏置。

缺点：虽然可以有效提高NMOS开关的栅驱动电压，但是还需要额外增加N阱偏置电路，增加了电路的复杂程度和芯片面积。

第二种，如图3所示，在输入驱动信号Φ_IN为低电平时由MOS管M1，MOS管M2，第一电容C1，第二电容C2，第一反相器INV1组成的电荷泵升压电路配合第三MOS管M3和第十二MOS管M12将电源电压VDD电压存储在第三电容C3上，在驱动信号Φ_IN为高电平时，第三电容C3上存储的电压如同电池一样将输入信号电压VS自举到VS+VDD加载到NMOS开关管的栅端，在信号采样阶段保持开关的VGS恒定为电源电压VDD。

缺点：虽然可以将开关的有效过驱动电压保持在比较大并且恒定的值，但是由于采用自举技术，无法驱动多个不同输入信号的开关，不适用于多开关控制的开关电容电路。

为此本发明在第一类电荷泵升压电路的基础上，经过电路拓扑的改进，在避免闩锁效应的同时取消了额外的阱偏置电路，并且输出的控制电压可以调节。进一步地，可以同时输出驱动NMOS开关管的升压信号和驱动PMOS开关管的负压信号，此外该互补驱动信号可以驱动多个同相位的开关。

该电路结构如图4所示，包括：输入信号Φ_IN、与输入信号Φ_IN连接的升压驱动模块，用于产生控制NMOS开关管的升压信号Φ_NDRV、与升压信号Φ_NDRV连接的NMOS开关管、与输入信号Φ_IN连接的负压驱动模块，用于产生控制PMOS开关管的负压信号Φ_PDRV、与负压信号Φ_PDRV连接的PMOS开关管。

其中，升压驱动模块包括：第一反相器INV1、第二反相器INV2、第一电容C1、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5、第二电容C2。第一反相器INV1输入端连接输入信号Φ_IN，用于反转输入信号Φ_IN生成反转信号

第二反相器INV2连接第一反相器INV1的输出端。第一电容C1一端连接第二反相器INV2的输出端，另一端连接第一电位点A。第一PMOS管MP1的栅极连接第一反相器INV1输出端，源极连接第一电位点A。第二PMOS管MP2的栅极连接第一反相器INV1输出端，源极连接第一电位点A。第四NMOS管MN4的栅极连接第一反相器INV1的输出端，源极接地，漏极连接第一PMOS管MP1的漏极。第五NMOS管MN5的栅极连接第一反相器INV1的输出端，源极接地，漏极连接第二PMOS管MP2的漏极。第三PMOS管MP3的栅极连接第一PMOS管MP1的漏极，源极连接电源电压VDD，漏级连接第一电位点A。第二电容C2一端接地，一端连接第二PMOS管MP2的漏极；第二电容C2与第二PMOS管MP2的漏极的接点产生升压信号Φ_NDRV，第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3的N阱电位连接至第一电位点A。由于第一电位点A的电压高于电源电压VDD，将其连接到第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3的N阱，可以避免产生闩锁效应，免去了不必要的阱电位偏置电路，既保证电路的可靠性又节省了芯片面积。

其中，负压驱动模块包括：第三反相器INV3、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5、第三电容C3、第四电容C4。第三反相器INV3输入端连接输入信号Φ_IN。第三电容C3一端连接第三反相器INV3的输出端，另一端连接第二电位点B。第一NMOS管MN1的栅极连接输入信号Φ_IN，源极连接第二电位点B。第二NMOS管MN2的栅极连接输入信号Φ_IN，源极连接第二电位点B。第四PMOS管MP4的栅极连接输入信号Φ_IN，源极接电源电压VDD，漏极连接第一NMOS管MN1的漏极。第五PMOS管MP5的栅极连接输入信号Φ_IN，源极接电源电压VDD，漏极连接第二NMOS管MN2的漏极。第三NMOS管MN3的栅极连接第一NMOS管MN1的漏极，源极接地，漏级连接第二电位点B。第四电容C4一端电源电压VDD，一端连接第二NMOS管MN2的漏极。第四电容C4与第二NMOS管MN2的漏极的接点产生负压信号Φ_PDRV，第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3的P阱电位连接至第二电位点B。将第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3的P阱电位连接至第二电位点B，可以避免产生闩锁效应。

本电路中输入信号Φ_IN可以使用单相位时钟信号，该信号的低电平为0V，升压驱动模块产生驱动NMOS开关管的同频率同相位的高电平升压信号Φ_NDRV(低电平为0，高电平升压到V_HIGH)，负压驱动模块产生驱动PMOS开关的同频率反相位的低电平负压信号Φ_PDRV(低电平为负压V_NEG)。

具体工作过程如下：

(1)对于升压驱动模块，在输入信号Φ_IN为低电平时，第一反相器INV1产生的反转信号

为高电平，第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5，第三PMOS管MP3导通，第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2截止，输出电压为低电平0V，与此同时通过第三PMOS管MP3和第二反相器INV2输出低电平将电源电压VDD存储在第一电容C1上。当输入信号Φ_IN为高电平时，反转信号

为低电平，第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2导通，第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5、第三PMOS管MP3截止，第二反相器INV2输出高电平，通过第二PMOS管MP2以及第二电容C2对第一电容C1电荷的重分配，输出比VDD更高的升压电平V_HIGH，计算公式如下：

升压信号Φ_NDRV可以通过设置第一电容C1和第二电容C2的值来进行调节，升压驱动模块可以驱动多组不同输入信号的NMOS开关管。通过合理设置第一电容C1和第二电容C2的值和比例(升压需要所述第一电容C1的容值大于第二电容C2的容值)可以得到所需要的升压驱动信号，并可以驱动多组不同输入信号的NMOS开关管。

(2)对于负压驱动模块，在输入信号Φ_IN为低电平时，第四PMOS管MP4、第五POMS管MP5、第三NMOS管MN3导通，第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2截止，输出电压为电源电压VDD，与此同时通过第三NMOS管MN3和第三反相器INV3输出高电平将电源电压VDD存储在第三电容C3上。当输入信号Φ_IN为高电平时，第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2导通，第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5、第三NMOS管MN3截止，第三反相器INV3输出低电平，通过第二NMOS管MN2以及第四电容C4对第三电容C3电荷的重分配，输出比低电位0V更低的负压电平V_NEG，计算公式如下：

负压信号Φ_PDRV可以通过设置第三电容C3和第四电容C4的值来进行调节，该负压驱动模块可以驱动多组不同输入信号的PMOS开关管。通过合理设置第三电容C3和第四电容C4的值和比例(负压需要所述第三电容C3的容值大于第四电容C4的容值)可以得到所需要的负压驱动信号，并可以驱动多组不同输入信号的PMOS开关管。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种用于低压霍尔传感器微信号传输的驱动控制结构，其特征在于，包括：

输入信号(Φ_IN)；

升压驱动模块，与输入信号(Φ_IN)连接，用于产生控制NMOS开关管的升压信号(Φ_NDRV)；

NMOS开关管，与升压信号(Φ_NDRV)连接；

其中，所述升压驱动模块包括：第一反相器(INV1)、第二反相器(INV2)、第一电容(C1)、第一PMOS管(MP1)、第二PMOS管(MP2)、第三PMOS管(MP3)、第四NMOS管(MN4)、第五NMOS管(MN5)、第二电容(C2)；

所述第一反相器(INV1)输入端连接输入信号(Φ_IN)，用于反转输入信号(Φ_IN)生成反转信号

所述第二反相器(INV2)连接第一反相器(INV1)的输出端；

所述第一电容(C1)一端连接第二反相器(INV2)的输出端，另一端连接第一电位点(A)；

所述第一PMOS管(MP1)的栅极连接第一反相器(INV1)输出端，源极连接第一电位点(A)；

所述第二PMOS管(MP2)的栅极连接第一反相器(INV1)输出端，源极连接第一电位点(A)；

所述第四NMOS管(MN4)的栅极连接第一反相器(INV1)的输出端，源极接地，漏极连接第一PMOS管(MP1)的漏极；

所述第五NMOS管(MN5)的栅极连接第一反相器(INV1)的输出端，源极接地，漏极连接第二PMOS管(MP2)的漏极；

所述第三PMOS管(MP3)的栅极连接第一PMOS管(MP1)的漏极，源极连接电源电压(VDD)，漏极 连接第一电位点(A)；

所述第二电容(C2)一端接地，一端连接第二PMOS管(MP2)的漏极；

所述第二电容(C2)与第二PMOS管(MP2)的漏极的接点产生升压信号(Φ_NDRV)，所述第一PMOS管(MP1)、第二PMOS管(MP2)、第三PMOS管(MP3)的N阱电位连接至第一电位点(A)。

2.如权利要求1所述的一种用于低压霍尔传感器微信号传输的驱动控制结构，其特征在于，还包括：

负压驱动模块，与输入信号(Φ_IN)连接，用于产生控制PMOS开关管的负压信号(Φ_PDRV)；

PMOS开关管，与负压信号(Φ_PDRV)连接；

其中，所述负压驱动模块包括：第三反相器(INV3)、第一NMOS管(MN1)、第二NMOS管(MN2)、第三NMOS管(MN3)、第四PMOS管(MP4)、第五PMOS管(MP5)、第三电容(C3)、第四电容(C4)；

所述第三反相器(INV3)输入端连接输入信号(Φ_IN)；

所述第三电容(C3)一端连接第三反相器(INV3)的输出端，另一端连接第二电位点(B)；

所述第一NMOS管(MN1)的栅极连接输入信号(Φ_IN)，源极连接第二电位点(B)；

所述第二NMOS管(MN2)的栅极连接输入信号(Φ_IN)，源极连接第二电位点(B)；

所述第四PMOS管(MP4)的栅极连接输入信号(Φ_IN)，源极接电源电压(VDD)，漏极连接第一NMOS管(MN1)的漏极；

所述第五PMOS管(MP5)的栅极连接输入信号(Φ_IN)，源极接电源电压(VDD)，漏极连接第二NMOS管(MN2)的漏极；

所述第三NMOS管(MN3)的栅极连接第一NMOS管(MN1)的漏极，源极接地，漏极 连接第二电位点(B)；

所述第四电容(C4)一端接电源电压(VDD)，一端连接第二NMOS管(MN2)的漏极；

所述第四电容(C4)与第二NMOS管(MN2)的漏极的接点产生负压信号(Φ_PDRV)，所述第一NMOS管(MN1)、第二NMOS管(MN2)、第三NMOS管(MN3)的P阱电位连接至第二电位点(B)。

3.如权利要求1所述的一种用于低压霍尔传感器微信号传输的驱动控制结构，其特征在于，所述升压信号(Φ_NDRV)可以通过设置第一电容(C1)和第二电容(C2)的值来进行调节，升压驱动模块可以驱动多组不同输入信号的NMOS开关管。

4.如权利要求3所述的一种用于低压霍尔传感器微信号传输的驱动控制结构，其特征在于，升压需要所述第一电容(C1)的容值大于第二电容(C2)的容值。

5.如权利要求2所述的一种用于低压霍尔传感器微信号传输的驱动控制结构，其特征在于，所述负压信号(Φ_PDRV)可以通过设置第三电容(C3)和第四电容(C4)的值来进行调节，该负压驱动模块可以驱动多组不同输入信号的PMOS开关管。

6.如权利要求5所述的一种用于低压霍尔传感器微信号传输的驱动控制结构，其特征在于，负压需要所述第三电容(C3)的容值大于第四电容(C4)的容值。

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