CN113300698B

CN113300698B - 信号输出电路

Info

Publication number: CN113300698B
Application number: CN202010107753.8A
Authority: CN
Inventors: 徐安娜
Original assignee: Omron Shanghai Co ltd
Current assignee: Omron Shanghai Co ltd
Priority date: 2020-02-21
Filing date: 2020-02-21
Publication date: 2023-06-09
Anticipated expiration: 2040-02-21
Also published as: CN113300698A

Abstract

本申请实施例提供一种信号输出电路，包括：恒流源电路，其具有控制端，与电源连接的电压输入端，以及输出驱动电流的电流输出端；第一开关元件，其连接在所述控制端和接地端之间；第一控制电路，其与所述第一开关元件的第一控制端连接，所述第一控制电路根据接收的输出控制信号控制所述第一开关元件的导通或关断；以及输出端电路，其包括在所述电源和所述接地端之间串联连接的第一输出开关和第二输出开关，所述第一输出开关的控制电极接收所述恒流源电路的所述电流输出端输出的驱动电流，其中，在所述第一开关元件导通的情况下，所述电流输出端输出电流值恒定的驱动电流。

Description

信号输出电路

技术领域

本申请涉及电子线路领域，尤其涉及信号输出电路。

背景技术

在信号输出电路中，可以在电源和接地端之间串联两个类型不同的开关元件，并将该两个开关元件的控制端连接，当控制端被输入的控制信号为高电平时，一个开关元件导通，输出高电平信号或低电平信号中的一者，当控制端被输入的控制信号为低电平时，另一个开关元件导通，输出高电平信号或低电平信号中的另一者。

上述的信号输出电路包括互补型输出电路或推挽型输出电路等，其中，两个类型不同的开关元件例如是NPN型三极管和PNP型三极管，又例如是NMOS晶体管和PMOS晶体管等。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

在现有的信号输出电路中，在两个类型不同的开关元件是NPN型三极管和PNP型三极管的情况下，NPN三极管的基极电流通过将一个较大阻值的上拉电阻连接至电源电压(VCC)而得到。

本申请的发明人发现，上述电路结构导致NPN三极管的基极电流十分小，只能使NPN三极管工作于放大状态，不能使其饱和导通，因此，随着负荷电流的增大，输出残留电压会明显增大。例如，某些产品在设计负荷为电流30mA情况下的输出残压在3v以内，但如果客户超负荷使用该产品，残留电压大的问题会变得显著，例如，负荷电流90mA情况下的输出残留电压有可能达到5.6v～5.9v。

虽然可以减小上拉电阻的阻值来改善残留电压较大的问题，但上拉电阻的阻值变小会导致其功耗变大，再加上余裕度考虑，需要选择大功率大体积电阻，这种设计不仅影响产品的电路布局而且成本也相对较高。

为了解决上述问题的至少一个或解决其他类似问题，本申请提供一种信号输出电路，该信号输出电路使用恒流源电路为NPN三极管提供充足的基极电流，能够有效解决输出残留电压的问题，并且，无需使用大功率的上拉电阻，因而能优化电路布局而且成本较低。

根据本申请实施例的一个方面，提供一种信号输出电路，包括：

恒流源电路，其具有控制端，与电源连接的电压输入端，以及输出驱动电流的电流输出端；

第一开关元件(TR6)，其连接在所述控制端和接地端之间；

第一控制电路(TR3和R7)，其与所述第一开关元件的第一控制端连接，所述第一控制电路根据接收的输出控制信号控制所述第一开关元件的导通或关断；以及

输出端电路，其包括在所述电源和所述接地端之间串联连接的第一输出开关和第二输出开关，所述第一输出开关的控制电极接收所述恒流源电路的所述电流输出端输出的驱动电流，

其中，在所述第一开关元件导通的情况下，所述电流输出端输出电流值恒定的驱动电流。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述恒流源电路包括第一电阻(R1)，

在所述第一开关元件导通的情况下，所述第一电阻(R1)的两端被施加固定电压，以产生电流值恒定的驱动电流。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述恒流源电路还包括：

第一三极管(TR1)，其发射极连接所述电源，集电极通过第二电阻(R2)电连接到所述控制端，基极通过所述第一电阻(R1)连接到所述电源；以及

第二三极管，其发射极连接所述第一三极管的基极，基极连接所述第一三极管的集电极，集电极连接到所述电流输出端。

齐纳二极管，其阴极连接所述电源，阳极通过第二电阻(R2)电连接到所述控制端；以及

第二三极管，其发射极通过所述第一电阻(R1)连接到所述电源，基极连接到所述整流二极管的所述阳极，集电极连接到所述电流输出端。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述恒流源电路包括：

二极管组，其包括一个二极管或两个以上同方向串联的二极管，所述二极管组的阳极连接所述电源，所述二极管组的阴极通过第二电阻(R2)电连接到所述控制端；以及

第二三极管(TR2)，其发射极通过所述第一电阻(R1)连接到所述电源，基极连接到所述二极管组的所述阳极，集电极连接到所述电流输出端。

第二三极管(TR2)，其发射极通过第三电阻(R3)连接到所述电源，基极通过第二电阻(R2)连接所述控制端；以及

三端稳压器件，其输入端与所述第二三极管的集电极连接，输出端通过所述第一电阻(R1)连接到所述电流输出端，调节端连接到所述电流输出端。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述第二三极管为PNP型三极管。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述第一控制电路包括第三三极管(TR3)和第四电阻(R7)，所述第三三极管的集电极通过所述第四电阻连接到所述电源，所述第三三极管的集电极还连接到所述第一开关元件的所述第一控制端，所述第三三极管的发射极连接到所述接地端，所述第三三极管的基极接收所述输出控制信号。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，第三三极管(TR3)被替换为数字晶体管或其它的具有开关功能的半导体器件或组合电路。

本申请的有益效果之一在于：信号输出电路使用恒流源电路为NPN三极管提供充足的基极电流，能够有效解决输出残留电压的问题，并且，无需使用大功率的上拉电阻，因而能优化电路布局而且成本较低。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

附图说明

所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1是本申请实施例1的信号输出电路的一个电路结构示意图；

图2是现有的信号输出电路的一个示意图；

图3是图1的信号输出电路与图2的信号输出电路在开关TR4导通时的残留电压的比较图；

图4是本申请的恒流源电路的其它电路结构的示意图。

具体实施方式

参照附图，通过下面的说明书，本申请的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本申请的特定实施方式，其表明了其中可以采用本申请的原则的部分实施方式，应了解的是，本申请不限于所描述的实施方式，相反，本申请包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。

在本申请实施例中，术语“第一”、“第二”等用于对不同元素从称谓上进行区分，但并不表示这些元素的空间排列或时间顺序等，这些元素不应被这些术语所限制。术语“和/或”包括相关联列出的术语的一种或多个中的任何一个和所有组合。术语“包含”、“包括”、“具有”等是指所陈述的特征、元素、元件或组件的存在，但并不排除存在或添加一个或多个其他特征、元素、元件或组件。

在本申请实施例中，单数形式“一”、“该”等包括复数形式，应广义地理解为“一种”或“一类”而并不是限定为“一个”的含义；此外术语“该”应理解为既包括单数形式也包括复数形式，除非上下文另外明确指出。此外术语“根据”应理解为“至少部分根据……”，术语“基于”应理解为“至少部分基于……”，除非上下文另外明确指出。

实施例1

本申请实施例1提供一种信号输出电路。

图1是本申请实施例1的信号输出电路的一个电路结构示意图。

如图1所示，该信号输出电路100包括：恒流源电路10，第一开关元件TR6，第一控制电路20以及输出端电路30。

在本实施例中，恒流源电路10具有：控制端11，与电源(VCC)连接的电压输入端12，以及输出驱动电流的电流输出端13。

如图1所示，第一开关元件TR6连接在恒流源电路10的控制端11和接地端之间。例如，第一开关元件TR6可以是NMOS晶体管，其漏极和源极分别连接恒流源电路10的控制端11和接地端，其第一控制端是栅极；此外，第一开关元件TR6也可以是其它类型的开关元件。

如图1所示，第一控制电路20可以与第一开关元件TR6的第一控制端连接，第一控制电路20根据接收的输出控制信号控制第一开关元件TR6的导通或关断。例如，第一控制电路可以包括三极管TR3和电阻R7，三极管TR3的集电极通过电阻R7连接到电源，三极管TR3的集电极还连接到第一开关元件TR6的第一控制端(例如，栅极)，三极管TR3的发射极连接到接地端，三极管TR3的基极接收该输出控制信号。此外，本实施例不限于此，三极管TR3也可以被替换为数字晶体管或其它的具有开关功能的半导体器件或组合电路等。

如图1所示，输出端电路30可以具有第一输出开关TR4和第二输出开关TR5。第一输出开关TR4和第二输出开关TR5串联连接在电源和接地端之间。第一输出开关TR4的控制电极接收由恒流源电路10的电流输出端13输出的驱动电流。

例如，第一输出开关TR4是NPN三极管，第二输出开关是PNP三极管，第一输出开关TR4的控制电极是基极，第二输出开关TR5的控制电极是基极。

此外，如图1所示，输出端电路30还可以具有电阻R4、R5和R6，其中，电阻R4连接在第一输出开关TR4与电源之间，电阻R5连接在第二输出开关TR5与接地端之间，电阻R6连接在第一输出开关TR4和第二输出开关TR5的连接点与输出端31之间。

在本实施例中，在第一开关元件TR6导通的情况下，恒流源电路10的电流输出端13输出电流值恒定的驱动电流，该驱动电流能够驱动第一输出开关TR4导通，使输出端电路30输出相应的电压。

根据本实施例，信号输出电路使用恒流源电路所输出的恒定电流来驱动第一输出开关TR4，能够有效解决输出第一输出开关TR4导通时的残留电压问题，并且，无需使用大功率的上拉电阻，因而能优化电路布局而且成本较低。

在本实施例中，如图1所示，恒流源电路10包括第一电阻R1。在第一开关元件TR6导通的情况下，第一电阻R1的两端被施加固定电压，由此，能够产生流经第一电阻R1的电流值恒定的驱动电流。

如图1所示，恒流源电路10还包括：第一三极管TR1和第二三极管TR2。第一三极管TR1和第二三极管TR2都是PNP三极管。其中，第一三极管TR1的发射极连接电源，第一三极管TR1的集电极通过第二电阻R2电连接到控制端，第一三极管TR1的基极通过第一电阻R1连接到电源；第二三极管TR2的发射极连接第一三极管TR1的基极，第二三极管TR2的基极连接到第一三极管TR1的集电极，第二三极管TR2的集电极连接到恒流源电路10的电流输出端13。

下面，结合附图1，对本实施例的信号输出电路100的工作原理进行说明。

输出控制信号为高电平(H)时，三极管TR3饱和导通，第一输出开关TR4和第二输出开关TR5的基极电压V1被三极管TR3拉低至Vceo_TR3(Vceo_TR3是三极管TR3的集电极和发射极的饱和压降)，由此，第一输出开关TR4(NPN)截止，第二输出开关TR5(PNP)导通。第二输出开关TR5的基极电流由电源VCC通过负载灌入，其中，第二输出开关TR5的基极电流Ib_TR5表示如下：

Ib_TR5＝(I3*R5+Vceo_TR5-Vbe_TR5-Vceo_TR3)÷R3

其中，Vceo_TR5是第二输出开关TR5的集电极和发射极的饱和压降，Vbe_TR5是第二输出开关TR5的基极和发射极之间的压降。

输出端31的输出残留电压V2表示如下：

V2＝I3*(R5+R6)+Vceo_TR5

其中，如图1所示，I3表示第二输出开关TR5导通时的负载电流。

输出控制信号为低电平(L)时，三极管TR3截止，第一开关元件TR6导通，第一输出开关TR4和第二输出开关TR5的基极电压V1由电阻R7上拉至VCC，由此，第一输出开关TR4(NPN)导通，第二输出开关TR5(PNP)截止。

由于第一开关元件TR6导通，恒流源电路10被打开，第一输出开关TR4的基极电流主要由恒流源电路10提供，第一输出开关TR4的基极电流Ib_TR4表示如下：

Ib_TR4＝I1＝Vbe_TR1÷R1

其中，Vbe_TR1是第一三极管TR1的基极和发射极之间的压降；如图1所示，I1表示由恒流源电路10的电流输出端13输出的电流值恒定的驱动电流。

输出端31的输出残留电压V3表示如下：

V3＝I2*(R4+R6)+Vce_TR4

其中，如图1所示，I2表示第一输出开关TR4导通时的负载电流。

在本实施例中，在第二输出开关TR5截止的情况下，恒流源电路输出的驱动电流I1可以被设置得足够大，从而使第一输出开关TR4饱和导通，由此，V3表达式中的Vce_TR4降低至Vceo_TR4(Vceo_TR4是第一输出开关TR4的集电极和发射极的饱和压降)。此外，由于第一电阻R1两端的电压Vbe_TR1固定，并且Vbe_TR1只有0.7v左右，因而在相同I1的情况下，电阻R1的功耗较小，因此，电阻R1可以是额定功率较小的电阻，例如，电阻R1、R2、R7可以是额定功率为62.5mW的小型贴片电阻。

根据本实施例，通过设置恒流源电路，不仅能够有效解决第一输出开关TR4导通时的残留电压问题，并且，无需使用大功率的上拉电阻，因而能优化电路布局而且成本较低。

图2是现有的信号输出电路的一个示意图，用来与图1所示的本实施例的信号输出电路进行对比。

如图2所示，针对现有的信号输出电路100A，当输出控制信号为高电平(H)时，三极管TR3饱和导通，第一输出开关TR4和第二输出开关TR5的基极电压V1被三极管TR3拉低至Vceo_TR3(Vceo_TR3是三极管TR3的集电极和发射极的饱和压降)，由此，第一输出开关TR4(NPN)截止，第二输出开关TR5(PNP)导通。第二输出开关TR5的基极电流由电源VCC通过负载灌入，其中，第二输出开关TR5的基极电流Ib_TR5表示如下：

Ib_TR5＝(I3*R5+Vceo_TR5-Vbe_TR5-Vceo_TR3)÷R3

输出端31a的输出残留电压V2a表示如下：

V2a＝I3*(R5+R6)+Vceo_TR5

其中，如图2所示，I3表示第二输出开关TR5导通时的负载电流。

当输出控制信号为低电平(L)时，三极管TR3截止，第一输出开关TR4和第二输出开关TR5的基极电压V1由电阻R1上拉至VCC，由此，第一输出开关TR4(NPN)导通，第二输出开关TR5(PNP)截止。

第一输出开关TR4的基极电流Ib_TR4由电源电压VCC提供，如下式：

Ib_TR4＝I1＝(I2*R4+Vce_TR4-Vbe_TR4)÷(R3+R1)

其中，Vbe_TR4是第一输出开关TR4的基极和发射极之间的压降。

输出端31a的输出残留电压V3a表示如下：

V3a＝I2*(R4+R6)+Vce_TR4

其中，如图2所示，I2表示第一输出开关TR4导通时的负载电流。

在信号输出电路100A中，电阻R1如果是额定功率小的贴片电阻(例如250mW)，那么其阻值就需要较大，这时I1较小，TR4工作于放大状态，残留电压十分大；电阻R1如果具有较小阻值，这时I1变大，TR4工作于饱和导通状态，残留电压相对小，但是，此时电阻R1的额定功率需要较大，例如，R1是插件电阻(例如1W以上)。所以，在信号输出电路100A中，难以同时实现残留电压较低以及R1的功率较小这两个目标。

图3是图1的信号输出电路与图2的信号输出电路在开关TR4导通时的残留电压的比较图。如图3的(A)所示，在输入电压Vin为12v时，随着负荷电流I2的增大，信号输出电路100A的残留电压301A增大，信号输出电路100的残留电压302A也增大，但是，302A小于301A。如图3的(B)所示，在输入电压Vin为24v时，随着负荷电流I2的增大，信号输出电路100A的残留电压301B增大，信号输出电路100的残留电压302B也增大，但是，302B小于301B。可见，与现有技术相比，本实施例的信号输出电路在开关TR4导通时的残留电压更小。

在本申请中，图1仅示出了信号输出电路的恒流源电路的一个电路结构，本实施例不限于，恒流源电路也可以有其它的电路结构。

图4是本申请的恒流源电路的其它电路结构的示意图。

如图4的(A)所示，恒流源电路10A除了第一电阻R1之外，还具有齐纳二极管Zd和第二三极管TR2。其中，齐纳二极管Zd的阴极连接电源VCC，齐纳二极管Zd的阳极通过第二电阻R2电连接到控制端11；第二三极管TR2(PNP)的发射极通过第一电阻R1连接到电源，第二三极管TR2(PNP)的基极连接到齐纳二极管的阳极，第二三极管TR2(PNP)的集电极连接到电流输出端13。

对于恒流源电路10A，电流输出端13所输出的驱动电流I1＝(Vzd-Vbe_TR2)÷R1，其中，Vzd表示齐纳二极管Zd两端的电压。

如图4的(B)所示，恒流源电路10B除了第一电阻R1之外，还具有二极管组和第二三极管TR2。其中，二极管组包括一个二极管或两个以上同方向串联的二极管，即，二极管的数量为n，n是自然数，n个二极管被分别表示为D1，……，Dn。二极管组的阳极连接电源，二极管组的阴极通过第二电阻R2电连接到控制端11。第二三极管TR2的发射极通过第一电阻R1连接到电源，第二三极管TR2的基极连接到二极管组的阳极，第二三极管TR2的集电极连接到电流输出端13。

对于恒流源电路10B，电流输出端13所输出的驱动电流I1＝(n*Vf_D1-Vbe_TR2)÷R1，其中，Vf_D1表示一个二极管两端的电压。

如图4的(C)所示，恒流源电路10C除了第一电阻R1之外，还具有第二三极管TR2和三端稳压器件14。其中，第二三极管TR2的发射极通过第三电阻R3连接到电源，第二三极管TR2的基极通过第二电阻R2连接控制端11；三端稳压器件14的输入端141与第二三极管TR2的集电极连接，三端稳压器件14的输出端142通过第一电阻R1连接到电流输出端13，三端稳压器件14的调节端143连接到电流输出端。

对于恒流源电路10C，电流输出端13所输出的驱动电流为I1＝Vref÷R1，其中，Vref表示三端稳压器件14的输出端142和调节端143之间的电压。

以上结合具体的实施方式对本申请进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本申请保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本申请的精神和原理对本申请做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本申请的范围内。

Claims

1.一种信号输出电路，其特征在于，所述信号输出电路包括：

第一开关元件，其连接在所述控制端和接地端之间；

第一控制电路，其与所述第一开关元件的第一控制端连接，所述第一控制电路根据接收的输出控制信号控制所述第一开关元件的导通或关断；以及

2.如权利要求1所述的信号输出电路，其中，

所述恒流源电路包括第一电阻，

在所述第一开关元件导通的情况下，所述第一电阻的两端被施加固定电压，以产生电流值恒定的驱动电流。

3.如权利要求2所述的信号输出电路，其中，

所述恒流源电路还包括：

第一三极管，其发射极连接所述电源，集电极通过第二电阻电连接到所述控制端，基极通过所述第一电阻连接到所述电源；以及

4.如权利要求2所述的信号输出电路，其中，

所述恒流源电路还包括：

齐纳二极管，其阴极连接所述电源，阳极通过第二电阻电连接到所述控制端；以及

第二三极管，其发射极通过所述第一电阻连接到所述电源，基极连接到所述齐纳二极管的阳极，集电极连接到所述电流输出端。

5.如权利要求2所述的信号输出电路，其中，

所述恒流源电路包括：

二极管组，其包括一个二极管或两个以上同方向串联的二极管，所述二极管组的阳极连接所述电源，所述二极管组的阴极通过第二电阻电连接到所述控制端；以及

第二三极管，其发射极通过所述第一电阻连接到所述电源，基极连接到所述二极管组的所述阳极，集电极连接到所述电流输出端。

6.如权利要求2所述的信号输出电路，其中，

所述恒流源电路包括：

第二三极管，其发射极通过第三电阻连接到所述电源，基极通过第二电阻连接所述控制端；以及

三端稳压器件，其输入端与所述第二三极管的集电极连接，输出端通过所述第一电阻连接到所述电流输出端，调节端连接到所述电流输出端。

7.如权利要求3至6中的任一项所述的信号输出电路，其中，

所述第二三极管为PNP型三极管。

8.如权利要求1所述的信号输出电路，其中，

所述第一控制电路包括第三三极管和第四电阻，

所述第三三极管的集电极通过所述第四电阻连接到所述电源，

所述第三三极管的集电极还连接到所述第一开关元件的所述第一控制端，

所述第三三极管的发射极连接到所述接地端，

所述第三三极管的基极接收所述输出控制信号。

9.如权利要求8所述的信号输出电路，其中，

所述第三三极管被替换为数字晶体管或其它的具有开关功能的半导体器件或组合电路。