CN1248408C - 具高精确度与门极性电压保护之外部场效晶体管(fet)驱动器 - Google Patents

Abstract

一种电路，用以驱动一外部场效晶体管(FET)，包括一差动放大级(4，5，8)，其系供应有一第一及第二操作电位(Vss，Vdd)。一输出负载电阻器(6)系包括在一电流路径(3)中，流经该电流路径(3)之电流系利用该差动放大级(4，5，8)之该二输入端(9，10)间之一差动电压控制、且基本上系无关于该第一或第二电位(Vss，Vdd)之变动。该输出负载电阻器(6)系连接于欲驱动之该外部场效晶体管(FET)12之闸极及源极间。

Description

具有高精确度与门极性电压保护之外部场 效应晶体管(FET)驱动器

〔技术领域〕

本发明是有关于一种调整器电路，其具有驱动外部场效应晶体管(FET)的电路。特别是，本发明是有关于设计线性调整器或充电器的功率驱动器电路改良。

〔背景技术〕

在无法提供有齐纳二极管的技术中，如何驱动一个外部场效应晶体管(FET)是一个严重问题。举例来说，场效应晶体管(FET)是用以做为线性调整器或电池或累加充电器、以及用以做为各种应用领域的电流供应有单元。

在大部分实施例中，保护这个场效应晶体管(FET)的栅极免于源极性电位的相对高压是无可或缺。在使用具有低临界电压的场效应晶体管(FET)时，诸如：在无线应用(亦即：行动或无线电话等等)的充电器中，一栅极性电压限制亦是无可或缺。

除电压限制特征外，这个场效应晶体管(FET)的输出电流亦必须进行精确控制。因此，这个场效应晶体管(FET)的驱动电压，相对于操作电压变动(其通常表示为线路变动)，必须呈现高度不灵敏性。

另外，最低场效应晶体管(FET)输出亦应该维持在极低水准。

通常，外部场效应晶体管(FET)是利用运算放大器(OPAMP)加以驱动。过去，一个运算放大器的输出级通常是一个晶体管级。另外，电压保护的达成是在这个运算放大器(OPAMP)的输出加上一个嵌位二极管、或利用具有齐纳二极管输出级的运算放大器(OPAMP)。然而，这些方法却可能降低精确度，因为其空点(短路输入状况的电压输出)是难以控制。为设定低最低输出电流的调整器，具有极小跨导的外部场效应晶体管(FET)及具有极高增益的驱动运算放大器(OPAMP)是无可或缺。因此，对应规格是难以达成。

〔发明内容〕

有鉴于此，本发明的主要目的便是提供一种改良调整器电路，其具有驱动外部场效应晶体管(FET)的电路，其对于线路变动是极不灵敏。特别是，本发明的调整器电路将能够提供具有高精确度及低最低输出电流的线性调整器。更特别的是，本发明的电路亦能够在这个外部场效应晶体管(FET)的栅极一源极，提供一有效电压限制。

本发明的调整器电路是具有一个外部场效应晶体管(FET)的驱动电路。这个驱动电路是具有一个差动放大级。这个差动放大级是具有一共同固定电流源及一第一及第二电流路径，且这两个电流路径均是利用这个共同固定电流源进行偏压。这个差动放大级是供应有一个操作电压，其是利用一第一及第二操作电位加以定义。根据本发明的驱动电路输出是具有一个负载电阻器，包括在一个电流路径中，流经这个电流路径的电流是利用这个差动放大级的两个输入端间的一差动电压加以控制、并且基本上是无关于第一或第二操作电位的变动。当这个负载电阻器连接于这个外部场效应晶体管(FET)的栅极及源极间时，线路变动并不会导致这个外部场效应晶体管(FET)在栅极及源极间的电压变动。

另外，这个负载电阻器的电阻数值是选定以在这个外部场效应晶体管的栅极及源极间提供一个电压，其是接近或基本上等于这个外部场效应晶体管(FET)的临界电压，若施加至这个差动放大级的两个输入端的电位是设定为相同数值。随后，这个电路的空点是设定以匹配这个外部场效应晶体管(FET)的最佳低电流操作状况。如此，这个线性调整器的精确度便可以在这个外部场效应晶体管(FET)的极低源极-漏极性电流下增加。

根据本发明的特别有利特征，这个第一及第二电流路径是具有一对差晶体管，其控制电极是分别连接至第一及第二输入端，且具有这个负载电阻器的电流路径是可以是这个差动放大级的第一或第二电流路径。在这个实施例中，这个负载电阻器是仅仅置于这个差动放大级的一个电流路径。因此，供应有这个差动放大级的共同固定电流源是同时供应有流经这个负载电阻器的电流。当流经第一或第二电流路径的最大电流是利用这个共同固定电流源的输出电流限制时，这个负载电阻器的一内建电压限制便可以达成。

较佳者，这个驱动外部场效应晶体管(FET)的调整器电路是一个运算放大器，藉此，这个差动放大级及这个负载电阻器便可以构成这个运算放大器的输出级。

本发明的其它特征及优点是揭露于申请专利范围的附属项中。

〔附图说明〕

本发明是利用较佳实施例，配合所附图式详细说明如下，其中：

第1图是一示意电路图，其是表示根据本发明较佳实施例的一电路；

第2图是一简化方块图，其是说明一运算放大器的空点；

第3图是图像表示，其是分别表示一运算放大器的输出电压(其是利用第1图所示的电路做为输出级)、及一习知运算放大器的输出电压(相对于其差动输入电压)；以及

第4图是一示意方块图，其是表示施加至一运算放大器(其空点不等于零)的一负回授控制网络。

〔具体实施方式〕

第1图是一示意电路图，其是表示一外部场效应晶体管(FET)的驱动电路的一实施例。这个驱动电路1是具有两个电流路径2及3。这个电流路径2是具有一第一NPN双极性晶体管4、且这个电流路径3是具有一第二NPN双极性晶体管5，其是串连一个负载电阻器6。这个第一及第二晶体管4，5的射极是连接至一个共同节点7。

另外，一个固定电流源8是连接于一个操作电位Vss及这个共同节点7间，藉以提供一个电流Ibias至这两个电流路径2及3。另一方面，这个第一晶体管4的集极及这个负载电阻器6的第一端是连接至另一个操作电位Vdd。这个负载电阻器6、相对于第一电阻器端的第二端是连接至这个第二晶体管5的集极。这个固定电流源8、这对晶体管4及5、及这个负载电阻器6可以实施为一个集成电路(IC)，其是利用这个操作电压Vdd-Vss加以驱动。这个驱动电路1的输入端是利用线路9及10表示，其是分别连接至这些晶体管4及5的基极。

这个驱动电路1的一个输出端是利用参考符号11表示。这个输出端11是连接于这个第二电流路径3的一点，其是位于这个第二晶体管5的集极及这个负载电阻器6间。

欲利用这个驱动电路1加以控制的外部场效应晶体管(FET)是利用参考符号12表示。在第1图所示的排列中，这个场效应晶体管(FET)12是一个PMOS场效应晶体管(FET)。这个场效应晶体管(FET)12的源极是连接至这个操作电位Vdd，藉此，这个场效应晶体管(FET)12的栅极便可以连接至这个输出端11。这个虚线是表示包含这个驱动电路1的集成电路(IC)边界。

这个驱动电路1及场效应晶体管(FET)12是建立一个线性调整器，其输出是利用这个场效应晶体管(FET)12的漏极表示。举例来说，这个线性调整器可以是一个电池或累加充电器。在这个例子中，这个电池或欲充电的累加器是提供这个场效应晶体管(FET)12的漏极性电流(Iload)。

诚如后续说明所述，这个驱动电路1最好能够建立一个运算放大器(OPAMP)的输出级。相对地，一个传统运算放大器(OPAMP)，其是用来控制一个电池或累加充电器的外部场效应晶体管(FET)，则是使用一个晶体管输出放大级以做为一个输出级。然而，根据第1图电路的这个输出级是配备这个负载电阻器6的一对差动放大级，其最好是利用低欧姆复晶硅电阻器加以实施。

操作上，这个固定电流源8，其是利用一个带隙电压(图中未示)加以控制，是利用全部电流Ibias以对这两个晶体管4，5进行偏压。如同这个带隙电压，这个电流Ibias亦与温度及参数变动无关。

首先，考量这个驱动电路1的电压限制特征，可能会发生在这个负载电阻器6的最大压降是R×Ibias，其中，R是表示这个负载电阻器6的电阻。因此，无论线路9及10的输入电压为何，这个场效应晶体管(FET)12的栅极及源极间的最大电压是限制于这个特定数值。因此，在这个场效应晶体管(FET)12的源极呈现一个过大电压的事件中(举例来说，由于操作电位Vdd的突然增加)，这个场效应晶体管(FET)12的栅极的电位亦会自动拉升。这种方法可以保护这个场效应晶体管(FET)12免于损害，假设R×Ibias是一个足够小的数值，举例来说，1.5至2.0电压。另外，理所当然地，这种方法亦可因应电流Ibias选择合适电阻R以确保。

相较于一个运算放大器的传统晶体管输出级，这个驱动电路1的另一个优点是：这个驱动电路1对线路变动(亦即：这些操作电位Vdd或Vss的变动)是极不灵敏。当发生操作电位Vdd或Vss的变动时，同时流经这个输入放大级的两个分支2及3的电流是维持为固定数值，因为这些电流仅仅有关于这个差动放大级、分别在线路9及10输入的电压V1及V2间的电压差ΔV＝V1-V2。这表示：在不需要变动输入电压V1或V2以平衡线路变动的前提下，这个负载电阻器6的电压便可以维持为固定数值。事实上，是统误差并不会因为线路变动而发生，因此，这个外部PMOS场效应晶体管(FET)12便可以总是适当地偏压。

再者，这个驱动电路1是可以实现调整器的高精确度要求，藉以产生极低的源极-漏极性电流。

为方便说明，假设这两个输入端9及10是彼此互连。在这个例子中，这个驱动电路1将会在端点11、具有相对地点的一个直流输出电压Vnp。Vnp是利用符号空点表示。应该注意的是，存在不等于零的一个空点是这个驱动电路1的基础特征、且甚至存在于理想的晶体管4及5。在理想晶体管4及5的例子中，这个空点是总计为Vnp＝Vdd-R×Ibias/2。

较佳者，这个驱动电路1是表示一个运算放大器(OPAMP)的输出级。在下文中，一个运算放大器(OPAMP)的差动输入电压是利用Vinopamp表示、且这个运算放大器(OPAMP)、相对于地点的输出电压是利用Voutopamp表示。第2图是一简化方块图，其是说明一个运算放大器(OPAMP)的空点。类似地，一个运算放大器(OPAMP)的空点是相对于地点的输出电压，若这个运算放大器(OPAMP)的差动输入端是彼此互连(Vinopamp＝0)。当地点通常是利用这些操作电位表示时(这种状况亦是非对称、甚或单极操作电压的例子)，这个空点是这个运算放大器(OPAMP)的偏移。过去，一个运算放大器(OPAMP)的偏移通常会调整为零，藉以提供这个输入差动电压的完整差动放大。

第4图是在可能不等于零的空点输出电压Vnp的例子中，一个负回授放大器控制网络的通用示意方块图。

这个电路的输入是利用一个电压实现，其是连接至一个减法器13的一个非反向输入。一个运算放大器(OPAMP)17是具有一个开放电路电压增益A。这个运算放大器(OPAMP)17的输出，其乘以这个回授网络16的回授因子β，是经由这个减法器15的反向输入、负回授至这个运算放大器(OPAMP)17。

这个运算放大器(OPAMP)17是包括一个输入放大级18及一个输出放大级14。A1是这个输入放大级18的放大、且A2是这个输出放大级14的放大。因此：

A＝A1×A2

这个输出放大级14是可以具有不同于零的一个空点Vnp。这个例子是利用一个加法器15说明，其是设置于这个输出放大级14的输出、并将一个特定空点电压Vnp加至这个运算放大器(OPAMP)的输出(此时，这个输入放大级18是假设为完全差动的)。如此，第4图所示的是统是具有可变空点Vnp的一个负回授运算放大器(OPAMP)。

首先，假设这个传统例子，亦即：Vnp＝0的运算放大器(OPAMP)，是使用于具有一个负回授网络的这类封闭回路是统中。接着，根据传统的基本控制理论，这个网络的输出电压Vout(其等于这个运算放大器(OPAMP)17的输出电压Voutopamp)是利用下列等式表示：

Vout＝A×Vin/(1+A×β)

传统的基本控制理论总是假设：这个空点是设定为零。因此，为达成不同于零的一个特定输出电压，在这个运算放大器(OPAMP)的输出端间的特定数量电压是无可或缺。这个无可或缺的电压差是进一步反映至这个输出电压以做为一个非对称误差：

Ess＝Vinopamp/β

现在，考量一个运算放大器(OPAMP)17，其具有第1图所示电路对应的输出放大级14(不具有场效应晶体管(FET)12)。换句话说，具有放大A2的输出放大级及产生空点Vnp的加法器15是这个驱动电路1(不具有场效应晶体管(FET)12)的等效电路。另外，这个输入放大级18是完全差动，亦即：Vnp亦表示这个运算放大器(OPAMP)17的空点。

第3图是一个运算放大器(OPAMP)(没有回授回路)的输出电压Voutopamp相对于一个运算放大器(OPAMP)的差动输入电压Vinopamp的图像表示。曲线C1是这个运算放大器(OPAMP)17的输出电压Voutopamp，其是配备第1图的电路以做为一个输出放大级14。换句话说，曲线C1是显示电路1的端点11的电压。曲线C2是一个范例零空点运算放大器(OPAMP)17的输出电压Voutopamp。这个输出电压Voutopamp是表示于y轴，且这个差动输入电压Vinopamp是表示于x轴。由第3图可知，曲线C1是在不同于零的Vnp、交叉于y轴。这些曲线C1及C2的斜率是利用个别运算放大器(OPAMP)的开放电路电压增益A表示，其在这个例子中是选择为相等。

请再度回到第4图，第4图所示的负回授是统的输出电压是改写为：

Vout＝(Vnp+A×Vin)/(1+A×β)

对于大数值的A而言，Vout≈Vin/β。这相当于在将运算放大器作为具有零空点电压(Vnp＝0)的放大级17时的情况。

在该是统的输出的稳态误差由下式给出

Ess＝(Vin-β*Vnp)/(β+β²*A)

根据上述等式，在Vnp＝Vin/β的情况下，这个稳态误差Ess是变为零，无论这个开放电路增益A为何。另一方面，如先前所述，对于大数值的A而言，Vin/β≈Vout。因此，借着将这个空点设定为理想输出电压的附近，这个无可或缺的输出电压Voutopamp将会变得极小，藉以在其输出造成一个更小对称误差，相较于传统的例子。

利用这个运算放大器(OPAMP)17的一个完全差动输入放大级18，这个运算放大器(OPAMP)17的空点便可以利用这个电路1的空点决定，亦即：Vnp＝Vdd-R ×(Ibias/2)。这个空点是设定为这个外部PMOS场效应晶体管(FET)12的临界电压V_T附近。这个设定动作的达成可以选择适当数值的电阻R及/或电流Ibias。随后，这个PMOS场效应晶体管(FET)12是驱动于其临界数值附近，且对于这个PMOS场效应晶体管(FET)12的低输出电流而言(其中，高精确度是无可或缺)，这个PMOS场效应晶体管(FET)12的跨导是极低。如此，在低负载电流需求下，这个外部PMOS场效应晶体管(FET)12的栅极是提供接近临界数值的一个电压，且这是表示：这个输出电压及外部空点是接近理想数值。

当这个负载电流增加时，这个PMOS场效应晶体管(FET)12的跨导亦会增加，因此，这个开放回路增益将会增加且这个精确度将会维持在规格内，即使是在高负载电流的例子中。

综上所述，这个电路1可以限制这个外部PMOS场效应晶体管(FET)12的最大栅极-源极性电压、并且不会因线路电压变动而产生对称偏移误差。另外，借着将驱动电路的空点设定在理想数值，特别是在极低负载电流状况的精确度便可以增加。

Claims (11)

1.一种调整器电路，包括一驱动电路，用以驱动一外部场效晶体管，该驱动电路包括：

一差动放大级(4，5，8)，具有二输入端(9，10)，该差动放大级(4，5，8)包括一共享固定电流源(8)及一第一或一第二电流路径(2，3)，该第一及该第二电流路径(2，3)均利用该共享固定电流源(8)进行偏压，且该差动放大级(4，5，8)供应一操作电压，其利用一第一及第二操作电位(Vss，Vdd)加以定义；

一输出负载电阻器(6)，包括在一电流路径(3)中，流经该电流路径(3)的电流利用该差动放大级(4，5，8)的该二输入端(9，10)间的一差动电压(V1-V2)控制、且无关于该第一或第二电位(Vss，Vdd)的变动，其中：

该输出负载电阻器(6)连接于欲驱动的该外部场效晶体管(12)的栅极及源极间；以及

该输出负载电阻器(6)的电阻数值选择以提供一电压于该外部场效晶体管(12)的栅极及源极，该电压接近或等于该外部场效晶体管(12)的临界电压，若施加至该差动放大级(4，5，8)的该二输入端(9，10)的施加电位(V1，V2)设定为相等数值。

2.如权利要求1所述的调整器电路，其特征在于：

该第一及第二电流路径(2，3)具有一对差动晶体管(4，5)，其控制电极分别连接至该二输入端(9，10)。

3.如权利要求1或2所述的调整器电路，其特征在于：

欲驱动的该外部场效晶体管(12)一PMOS场效晶体管。

4.如权利要求1或2所述的调整器电路，其特征在于：

该晶体管对的晶体管(4，5)为双极性晶体管。

5.如权利要求1或2所述的调整器电路，其特征在于：

该输出负载电阻器(6)的一第一端连接至一第一操作电位(Vdd)。

6.如权利要求5所述的调整器电路，其特征在于：

该输出负载电阻器(6)的一第二端连接至晶体管(5)的一集电极，其排列于该输出负载电阻器(6)的该电流路径(3)中。

7.如权利要求6所述的调整器电路，其特征在于：

该场效晶体管(12)的源极连接至该第一操作电位(Vdd)；以及

该场效晶体管(12)的栅极连接至该输出负载电阻器(6)的该第二端。

8.如权利要求2所述的调整器电路，其特征在于：

该二晶体管(4，5)的射极连接至该固定电流源(8)的一第一共同端；以及

该固定电流源(8)的一第二端连接至该第二操作电位(Vss)。

9.如权利要求1或2所述的调整器电路，其特征在于：

该调整器电路为一运算放大器(17)，藉此，该差动放大级(4，5，8)及该输出负载电阻器(6)构成该运算放大器(17)的输出级。

10.如权利要求9所述的调整器电路，其特征在于：

该运算放大器(17)的输出(11)经由一回授电路(16)，连接至该运算放大器(17)的一输入。

11.如权利要求1或2所述的调整器电路，其特征在于：

该调整器电路为一电池或累加充电器。

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