CN117008677A - 一种电压输出驱动电路、转换器及电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种电压输出驱动电路、转换器及电子设备，电压输出驱动电路包括：放大器、源极跟随器、及开关电容子电路；源极跟随器包括：第一偏置管NM2、第二偏置管NM4、及形成电流镜的第一开关管NM1和第二开关管NM3；放大器的正向输入端连接输入电压，第一开关管NM1的源极与第一偏置管NM2的漏极电连接形成第一输出端，放大器的反向输入端与第一输出端连接，放大器的输出端连接第一开关管NM1的栅极及第二开关管NM3的栅极；开关电容子电路交替的工作于采样存储模式及电荷共享模式，以将第一输出端的电压Vo1与偏置电压的电压差对应的电荷共享到第二偏置管NM4，进而使第二偏置管NM4的偏置电压跟随输出电压的变化而变化。本发明提供的电压输出驱动电路的功耗较低。

Description

一种电压输出驱动电路、转换器及电子设备

技术领域

本申请涉及电子电路技术领域，具体涉及一种电压输出驱动电路、转换器及电子设备。

背景技术

模拟数字转换器（Analog-to-digital Converter, ADC）可以实现模拟信号到数字信号的转换，数字模拟转换器（Digital -to- analog Converter, DAC）可以实现数字信号到模拟信号的转换，所以，ADC和DAC的应用十分广泛。然而，在模数转换器和数模转换器中，通常很大一部分功耗被电压输出驱动电路所消耗。目前的电子产品普遍需要尽量降低功耗，所以，减少电压输出驱动电路的功耗十分重要。

发明内容

鉴于此，本申请提供一种电压输出驱动电路，以降低电压输出驱动电路的功耗。

本申请提供一种电压输出驱动电路，其包括：用于将输入电压进行放大的放大器、源极跟随器、及开关电容子电路；所述源极跟随器包括：第一偏置管NM2、第二偏置管NM4、及形成电流镜的第一开关管NM1和第二开关管NM3；所述放大器的正向输入端连接所述输入电压，所述第一开关管NM1的源极与第一偏置管NM2的漏极电连接形成第一输出端，所述放大器的反向输入端与所述第一输出端连接，所述放大器的输出端连接所述第一开关管NM1的栅极及第二开关管NM3的栅极；第一开关管NM1的漏极及第二开关管NM3的漏极均连接工作电压，第一偏置管NM2及第二偏置管NM4的源极均接地，第一偏置管NM2的栅极接偏置电压，第二偏置管NM4的栅极与所述开关电容子电路电连接；第二开关管NM3的源极和第二偏置管NM4的漏极连接，且第二开关管NM3的源极和第二偏置管NM4的漏极的连接处形成所述驱动电路的输出端，以输出所述驱动电路的输出电压；所述开关电容子电路交替的工作于采样存储模式及电荷共享模式，当所述开关电容子电路工作于采样存储模式，所述开关电容子电路采样并存储所述第一输出端的电压Vo1与所述偏置电压的电压差，当所述开关电容子电路工作于电荷共享模式，所述开关电容子电路将所述电压差对应的电荷共享到所述第二偏置管NM4，以使所述第二偏置管NM4的偏置电压跟随所述输出电压的变化而变化。

在一优选实施例中，所述开关电容子电路包括：

第一电容C1、第二电容C2、及第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、和第四开关S4；

所述第一开关S1和第二开关S2串联后连接于所述第一输出端和所述驱动电路的输出端之间，所述第三开关S3和第四开关S4串联后连接于所述第一偏置管NM2的栅极和第二偏置管NM4的栅极之间；

所述第一电容C1的一端与第一开关S1和第二开关S2的连接点连接，其另一端与第三开关S3和第四开关S4的连接点连接；第二电容C2的一端与所述驱动电路的输出端连接，其另一端与所述第二偏置管的栅极连接。

在一优选实施例中，若开关电容子电路工作于所述采样存储模式， 所述第一开关S1和第四开关S4均闭合且第二开关S2和第三开关S3均断开；若所述开关电容子电路工作于所述电荷共享模式， 所述第一开关S1和第四开关S4均断开且第二开关S2和第三开关S3均闭合；

在一优选实施例中，所述第一开关和第四开关均受控于第一控制信号，所述第二开关和第三开关均受控于第二控制信号，所述第一控制信号和所述第二控制信号的相位相反。

在一优选实施例中，所述第一偏置管、第二偏置管、第一开关管、及第二开关管均为N型场效应管。

在一优选实施例中，所述开关电容子电路依次交替的工作于采样存储模式及电荷共享模式。

在一优选实施例中，所述放大器为跨导放大器。

在一优选实施例中，所述第一电容C1和第二电容C2的容值相等。

本申请还提出一种转换器，其包括上述任意一种电压输出驱动电路。

本申请还提出一种电子设备，其包括上述任意一种电压输出驱动电路。

本申请提供的电压输出驱动电路，其通过开关电容子电路交替的工作于采样存储模式及电荷共享模式，进而先采样并存储所述第一输出端的电压Vo1与所述偏置电压的电压差，再将所述电压差对应的电荷共享到所述第二偏置管NM4；而且，开关电容子电路结合源极跟随器，使得源极跟随器里的第二偏置管的偏置电压跟随输出电压的变化而变化，进而使得第二偏置管具有足够的下拉能力，不需要较大的偏置电流，所以电压输出驱动电路的功耗可以减少。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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。

图1是本申请实施例提供的电压输出驱动电路的电路结构示意图；

图2是本申请一优选实施例提供的电压输出驱动电路的电路图；

图3是图2所示实施例中第一控制信号和第二控制信号的波形示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下文将要描述的各种示例性实施例将要参考相应的附图，这些附图构成了示例性实施例的一部分，其中描述了实现本发明可能采用的各种示例性实施例。除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。应明白，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明公开的一些方面相一致的流程、方法和装置等的例子，还可使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发明的范围和实质。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”等指示的是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元件必须具有的特定的方位、以特定的方位构造和操作。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。术语“多个”的含义是两个或两个以上。术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接、可拆卸连接、一体连接、机械连接、电连接、通信连接、直接相连、通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了说明本发明所述的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构及步骤，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

如图1所示，本发明提供的电压输出驱动电路包括：放大器、源极跟随器、及开关电容子电路。其中，放大器用于将输入电压进行放大。具体的，所述源极跟随器包括：第一偏置管NM2、第二偏置管NM4、及第一开关管NM1和第二开关管NM3，其中，第一开关管NM1和第二开关管NM3形成电流镜。所述放大器的正向输入端连接所述输入电压，所述第一开关管NM1的源极与第一偏置管NM2的漏极电连接形成第一输出端，所述放大器的反向输入端与所述第一输出端连接，所述放大器的输出端连接所述第一开关管NM1的栅极及第二开关管NM3的栅极。第一开关管NM1的漏极及第二开关管NM3的漏极均连接工作电压VDD，第一偏置管NM2及第二偏置管NM4的源极均接地，第一偏置管NM2的栅极接偏置电压VbiasA，第二偏置管NM4的栅极与所述开关电容子电路电连接。第二开关管NM3的源极和第二偏置管NM4的漏极连接，且第二开关管NM3的源极和第二偏置管NM4的漏极的连接处形成所述驱动电路的输出端，以输出所述驱动电路的输出电压。所述开关电容子电路交替的工作于采样存储模式及电荷共享模式，当所述开关电容子电路工作于采样存储模式，所述开关电容子电路采样所述第一输出端的电压Vo1与所述偏置电压的电压差，且将所述电压差进行存储；当所述开关电容子电路工作于电荷共享模式，所述开关电容子电路将所述电压差对应的电荷共享到所述第二偏置管NM4，以使所述第二偏置管NM4的偏置电压跟随所述输出电压的变化而变化。

其中，源极跟随器使得电压输出驱动电路的输出阻抗较低，且使得上拉能力较强。开关电容子电路使得电压输出驱动电路的下拉能力增强，且减少了输出阻抗。具体的，开关电容子电路结合源极跟随器，使得源极跟随器里的第二偏置管的偏置电压跟随输出电压的变化而变化，进而使得第二偏置管具有足够的下拉能力，不需要较大的偏置电流，即第二偏置管的偏置电流较小，由于偏置电流较小，所以电压输出驱动电路的功耗可以减少。

参见图2及图3所示，图2为本申请一优选实施例提供的电压输出驱动电路的电路图，图3为图2所示实施例中第一控制信号和第二控制信号的波形示意图。在该优选实施例中，开关电容子电路包括：第一电容C1、第二电容C2、及第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、和第四开关S4；所述第一开关S1和第二开关S2串联后连接于所述第一输出端和所述驱动电路的输出端之间，所述第三开关S3和第四开关S4串联后连接于所述第一偏置管NM2的栅极和第二偏置管NM4的栅极之间；所述第一电容C1的一端与第一开关S1和第二开关S2的连接点连接，其另一端与第三开关S3和第四开关S4的连接点连接；第二电容C2的一端与所述驱动电路的输出端连接，其另一端与所述第二偏置管的栅极连接 。这种结构的开关电容电路具有结构简单、易于控制、且成本较低的优点。

上述开关电容子电路通过工作于两种模式来使得电压输出驱动电路中的偏置管的栅极电压不是固定且能随输出电压的变化而变化，进而使得偏置管的偏置电流较小。具体的，开关电容子电路交替的工作于上述两种模式，通常是通过控制使得开关电容子电路先工作于采样存储模式，再使得开关电容子电路工作于电荷共享模式。所述采样存储模式使得开关电容子电路采集第一开关管NM1的源极和第一偏置管NM2的漏极的电连接处（即上述第一输出端，也即放大器的反向输入端）的电压Vo1与偏置电压VbiasA的电压差（也即第一偏置管的栅极和漏极之间的电压差）。所述电荷共享模式使得开关电容子电路及那个上述电压差对应的电荷共享到第二偏置管，具体的，是共享到第二偏置管的栅极和漏极，进而使得第二偏置管的偏置电压跟随输出电压Vo的变化而变化。

在本发明的优选实施例中，第一开关和第四开关均受控于第一控制信号，所述第二开关和第三开关均受控于第二控制信号，所述第一控制信号和所述第二控制信号的相位相反。这样可以更加快速准确的控制上述四个开关，且能使得电路的同步性更好，进而提高输出电压的准确性。进一步优选的，所述第一偏置管、第二偏置管、第一开关管、及第二开关管的类型相同，其均为N型场效应管。进一步优选的，所述第一电容C1和第二电容C2的容值相等，这样可以更好的进行电荷共享，以提高电路的稳定性、响应的速度、输出电压的准确性。值得说明的是，本发明也可以采用其它的与上述第一偏置管、第二偏置管、第一开关管、及第二开关管的功能相同的开关管，对其相应的电路进行适应性的调整的方式均属于本发明的保护范围。

下面结合图2和图3所示的实施例描述本发明提供的电压输出驱动电路的工作原理和过程如下：

其中，放大器为跨导放大器OTA，便于集成，高频性能好。电路结构简单，电源电压和功耗都可以降低。OTA的正向输入端接输入信号Vin，OTA正向输出端接第一开关管NM1（NM1可以形成反馈SF管）的栅极和第二开关管NM3（NM3可以形成输出SF管）的栅极，OTA反向输入端接第一开关管NM1的源极。第一偏置管NM2由偏置电压VbiasA给第一开关管NM1提供静态偏置电流。第二偏置管NM4的偏置电压由第一电容电容C1，第二电容C2来提供。由于开关电容子电路中的上述四个开关由第一控制信号Ф1和第二控制信号Ф2来控制闭合和断开，进而使得开关电容子电路工作于上述采样存储模式和电荷共享模式。

所以第二偏置管的偏置电压不是固定的且随输出电压的变化而变化，这样第二偏置管NM4的电流也会跟随输出电压的变化而变化，也增强了其下拉能力。也即：本申请实施例通过开关电容电路为输出源极跟随器的偏置电流管提供栅极偏置电压，替代传统的电流镜偏置，因此提供偏置电流的MOS管（即上述第二偏置管NM4）的电流会根据输出电压的变化而变化，若输出电压变大，MOS管的偏置电压也会增大，这样偏置电流增大快速将输出下拉，提高了驱动电路的下拉能力，所以其只需要较小的偏置电流即可，进而电压输出驱动电路的功耗可以减少。而且，在高频时此MOS管等效二极管连接，可以降低输出电阻，提高驱动能力。

具体的工作过程大致如下：步骤1，开关电容子电路工作于所述采样存储模式，所述第一开关S1和第四开关S4均闭合且第二开关S2和第三开关S3均断开，第一电容C1采样存储Vo1和VbiasA的电压差；步骤2，所述开关电容子电路工作于所述电荷共享模式， 所述第一开关S1和第四开关S4均断开且第二开关S2和第三开关S3均闭合，第一电容C1和第二电容C2上电荷共享重分配 ；步骤3，周期性重复步骤1和步骤2，不断的刷新NM4的栅极电压，输出电压Vo在步骤2时可用。所以，可见，第一偏置管的偏置电压随所述输出电压的变化而变化，且第二偏置管的偏置电流可以比较小，进而电压输出驱动电路的功耗较低。另外，在步骤2时，输出驱动的上拉和下拉均无压摆限制，且比传统电路的输出阻抗更低。优选的，所述开关电容子电路依次交替的工作于采样存储模式及电荷共享模式，其可以提高电压输出驱动电路的稳定性及输出电压的准确性。

值得说明的是：电压输出驱动电路必须要有足够的压摆率（SR）和带宽以保证电压完全稳定，而且还必须具有良好的电源抑制比（PSRR）。现有技术中的电压输出驱动电路通常在下拉时需要静态电流非常大才能获得足够的SR，从而增加了功耗。而本发明提供的电压输出驱动电路结合源极跟随器（SF）和开关电容子电路，使得电压输出驱动电路的输出电阻较低，上拉能力很强，下拉能力主要由下面偏置的NMOS管（即上述第二偏置管）的偏置电流所限制，其下拉能力也很强，所以第二偏置管可以工作于较小的偏置电流，进而所需的功耗也较低。而且，还具有较好的电源抑制比。

此外，本申请还提供一种转换器，该转换器包括上述任意一种电压输出驱动电路。比如，本申请提供的转换器可以是模数转换器ADC，也可以是数模转换器DAC。本实施例提供的模数转换器和数模转换器可以为芯片，其可以广泛应用于例如通信系统技术、控制系统技术、音频和视频系统技术领域、测试和测量设备技术领域、汽车电子技术领域。

此外，本申请还提供一种电子设备，包括有上述任意一种电压输出驱动电路或者包含有上述转换器。其中，电子设备可以为电压控制振荡器、数据采集系统、数字电视设备、医疗设备、测量设备、汽车电子设备等，通过采用本申请提供的电压输出驱动电路，可以降低电子设备的功耗，进而提升电子设备的使用时长以及提高其适用范围。

以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，例如各实施例之间技术特征的相互结合，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

另外，对于特性相同或相似的结构元件，本申请可采用相同或者不相同的标号进行标识。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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，“例如”一词是用来表示“用作例子、例证或说明”。本申请中被描述为“例如”的任何一个实施例不一定被解释为比其它实施例更加优选或更加具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本申请，本申请给出了以上描述。在以上描述中，为了解释的目的而列出了各个细节。

应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本申请。在其它实施例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本申请的描述变得晦涩。因此，本申请并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本申请所公开的原理和特征的最广范围相一致。

Claims (10)

1.一种电压输出驱动电路，其特征在于， 包括：用于将输入电压进行放大的放大器、源极跟随器、及开关电容子电路；

所述源极跟随器包括：第一偏置管NM2、第二偏置管NM4、及形成电流镜的第一开关管NM1和第二开关管NM3；

所述放大器的正向输入端连接所述输入电压，所述第一开关管NM1的源极与第一偏置管NM2的漏极电连接形成第一输出端，所述放大器的反向输入端与所述第一输出端连接，所述放大器的输出端连接所述第一开关管NM1的栅极及第二开关管NM3的栅极；第一开关管NM1的漏极及第二开关管NM3的漏极均连接工作电压，第一偏置管NM2及第二偏置管NM4的源极均接地，第一偏置管NM2的栅极接偏置电压，第二偏置管NM4的栅极与所述开关电容子电路电连接；

第二开关管NM3的源极和第二偏置管NM4的漏极连接，且第二开关管NM3的源极和第二偏置管NM4的漏极的连接处形成所述驱动电路的输出端，以输出所述驱动电路的输出电压；

所述开关电容子电路交替的工作于采样存储模式及电荷共享模式，当所述开关电容子电路工作于采样存储模式，所述开关电容子电路采样并存储所述第一输出端的电压Vo1与所述偏置电压的电压差，当所述开关电容子电路工作于电荷共享模式，所述开关电容子电路将所述电压差对应的电荷共享到所述第二偏置管NM4，以使所述第二偏置管NM4的偏置电压跟随所述输出电压的变化而变化。

2. 根据权利要求1所述的电压输出驱动电路，其特征在于， 所述开关电容子电路包括： 第一电容C1、第二电容C2、及第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、和第四开关S4；

所述第一开关S1和第二开关S2串联后连接于所述第一输出端和所述驱动电路的输出端之间，所述第三开关S3和第四开关S4串联后连接于所述第一偏置管NM2的栅极和第二偏置管NM4的栅极之间；

所述第一电容C1的一端与第一开关S1和第二开关S2的连接点连接，其另一端与第三开关S3和第四开关S4的连接点连接；第二电容C2的一端与所述驱动电路的输出端连接，其另一端与所述第二偏置管的栅极连接。

3. 根据权利要求2所述的电压输出驱动电路，其特征在于，若开关电容子电路工作于所述采样存储模式， 所述第一开关S1和第四开关S4均闭合且第二开关S2和第三开关S3均断开；若所述开关电容子电路工作于所述电荷共享模式， 所述第一开关S1和第四开关S4均断开且第二开关S2和第三开关S3均闭合。

4.根据权利要求3所述的电压输出驱动电路，其特征在于，所述第一开关和第四开关均受控于第一控制信号，所述第二开关和第三开关均受控于第二控制信号，所述第一控制信号和所述第二控制信号的相位相反。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电压输出驱动电路，其特征在于，所述第一偏置管、第二偏置管、第一开关管、及第二开关管均为N型场效应管。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的电压输出驱动电路，其特征在于， 所述开关电容子电路依次交替的工作于采样存储模式及电荷共享模式。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的电压输出驱动电路，其特征在于，所述放大器为跨导放大器。

8.根据权利要求2至4中任一项所述的电压输出驱动电路，其特征在于，所述第一电容C1和第二电容C2的容值相等。

9.一种转换器，其特征在于，包括：权利要求1至8中任一项所述的电压输出驱动电路。

10.一种电子设备，其特征在于，包括：权利要求1至8中任一项所述的电压输出驱动电路。