CN1499710A - 单向导通装置 - Google Patents

Abstract

一种单向导通装置，包括金氧半场效晶体管及驱动装置，金氧半场效晶体管的源极与汲极是分别作为单向导通装置的P极与N极，驱动装置例如是比较器或放大电路等，用以检测金氧半场效晶体管源极与汲极间的电位差。当P极电位高于N极电位时，驱动装置150便输出一驱动电位至金氧半场效晶体管的闸极使其导通，若P极电位低于N极电位，驱动装置便无法输出开启金氧半场效晶体管所需的驱动电位，此时单向导通装置关闭，故单向导通装置具有单向导通的特性。

Description

单向导通装置

(1)技术领域

本发明有关一种单向导通装置，且特别是有关于一种具有低顺向电压的单向导通装置。

(2)背景技术

在电子电路中，二极管(diode)的使用有相当悠久的历史，其单向导通的特性常被应用于各类电路中，重要性实不亚于电阻及电容，是不可或缺的重要元件。虽然二极管的应用十分广泛，但不可讳言的是，二极管一直存在着本质上的缺陷，就是导通时的顺向电压仍嫌太高。

一般的二极管其顺向电压约为0.7伏特左右，此是物理特性并无法消除。虽然借重半导体制程的改进已可制出顺向电压较低的萧特基二极管(SchottkyDiode)，但萧特基二极管约0.4伏特的顺向电压，对许多需要单向导通特性且电压较低的工作环境而言，耗费在晶体管上的功率损失仍无法令人满意。因此，实有必要发展出顺向电压极低的单向导通装置，以降低功率损失，提高电源使用的效率。

(3)发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种单向导通装置，以极低的顺向偏压实现单向导通特性。

根据本发明的目的，提出一种单向导通装置，此装置的简述如下：

单向导通装置包括金属氧化物半导体场效应晶体管及驱动装置，金属氧化物半导体场效应晶体管的源极与汲极是分别作为单向导通装置的N极与P极，驱动装置例如是比较器或放大电路等，用以检测金属氧化物半导体场效应晶体管汲极与源极间的电位差。当P极电位高于N极电位时，驱动装置便输出一驱动电位至金属氧化物半导体场效应晶体管的闸极使其导通，金属氧化物半导体场效应晶体管导通后，电流即可由P极经金属氧化物半导体场效应晶体管流向N极。反之，若P极电位低于N极电位，驱动装置便无法输出开启金属氧化物半导体场效应晶体管所需的驱动电位，故P极与N极间处于断路状态，亦即单向导通装置此时为关闭。

为让本发明的上述目的、特点和优点能更明显易懂，以下特举一较佳实施例并配合附图进行详细说明。

(4)附图说明

图1是依照本发明的实施例一所提供的单向导通装置方块图。

图2是运算放大器的接脚定义示意图。

图3依照本发明的实施例一所提供的单向导通装置电路图。

图4是单向导通装置的电压-电流曲线。

图5是实施例一所提供的单向导通装置应用于电源供应电路中的情形。

图6是依照本发明的实施例二所提供的单向导通装置电路图。

(5)具体实施方式

金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor，MOSFET)在导通时，汲极(drain)与源极(source)间的顺向电压极低，若能利用金属氧化物半导体场效应晶体管实现单向导通的特性，便可取代二极管成为良好的单向导通装置。众所周知，二极管具有P极及N极，理想上，当P极电位高于N极电位时二极管即可导通(turn on，相当于短路)，当P极电位低于N极电位时二极管即关闭(turn off，相当于断路)，故谓二极管具有单向导通特性。本发明所提供的单向导通装置同样具有P极及N极，并具备如二极管般的单向导通特性，下文中将有详细的探讨。

【实施例一】

请参照图1，它是依照本发明的实施例一所提供的一种单向导通装置方块图。单向导通装置包括金属氧化物半导体场效应晶体管110及驱动装置150，金属氧化物半导体场效应晶体管110的汲极与源极是分别作为单向导通装置的P极与N极(至于何者为P极或N极当视设计需求而定，下文将进一步说明)，驱动装置150则用以检测金属氧化物半导体场效应晶体管110源极与汲极间的电位差。当P极电位高于N极电位时，驱动装置150便输出一驱动电位DS至金属氧化物半导体场效应晶体管110的闸极(gate)使其导通，金属氧化物半导体场效应晶体管导通后，电流即可由P极经金属氧化物半导体场效应晶体管110流向N极。反之，若P极电位低于N极电位，驱动装置150便无法输出开启金属氧化物半导体场效应晶体管110所需的驱动电位DS，故P极与N极间处于断路状态，亦即单向导通装置此时为关闭。

符合上述驱动装置150设计需求的电路种类很多，例如比较器或放大电路等，只要能达到本发明驱动装置150的功能均可；而运算放大器(operationamplifier，OP)是用以实现比较器与放大电路的常用元件，故此处以运算放大器为例，将其接脚定义加以说明。请参照图2，它是运算放大器的接脚定义示意图。运算放大器200具有非反相输入端1、反相输入端3、高电源端5、低电源端2及输出端4。非反相输入端1与反相输入端3为信号输入端，输出端4为信号输出端。高电源端5及低电源端2需分别接至高电源V+及低电源V-，以取得运算放大器200操作所需的电源。

接着请参照图3，它是依照本发明的实施例一所提供的一种单向导通装置电路图。单向导通装置包括互相耦接的金属氧化物半导体场效应晶体管310及驱动装置350，金属氧化物半导体场效应晶体管310为P通道(P channel)晶体管(即PMOS)，其源极S与汲极D是分别作为单向导通装置的N极与P极。驱动装置350是一由运算放大器200与电阻R1，R2所组成的反相放大器，属放大电路的一种。运算放大器200具有非反相输入端1、反相输入端3、高电源端5、低电源端2及输出端4。非反相输入端1耦接至源极S，输出端4耦接至闸极G，反相输入端3耦接至电阻R1的一端，电阻R1的另一端耦接至汲极D。电阻R2的一端耦接至反相输入端3，电阻R2的另一端耦接至输出端4。高电源端5耦接至源极S、低电源端2接地，以取得运算放大器200操作所需的电源。

以下将说明图3的工作原理。单向导通装置的P极与N极的电气特性相当于二极管的P极与N极，并假设N极电压为5V，金属氧化物半导体场效应晶体管310导通时汲极D与源极S间的电阻为0.05欧姆，电阻R1为10K欧姆，电阻R2为5M欧姆。当顺向偏压时，P极比N极电压高，根据反相放大器的放大原理可知(R2/R1)*Vi＝-Vo，其中Vi为运算放大器200的输入电压，Vo为输出电压。假设金属氧化物半导体场效应晶体管310完全导通时闸极G的电位为-5伏特(以运算放大器200的非反相输入端1为参考点)，由于闸极G的电位即为运算放大器200的输出电压，为使运算放大器200的输出电压满足设计需求，故P极电压需高于N极至少10mV(5M/10K*10mV＝-5V)，使金属氧化物半导体场效应晶体管310能完全导通。由于金属氧化物半导体场效应晶体管310恰恰完全导通时顺向电流约等于0.2安培(10mV/0.05Ω＝0.2A)，故可知当顺向电流大于0.2安培即可使金属氧化物半导体场效应晶体管310完全导通。换句话说，P极至N极的顺向电压(VF)＝顺向电流*0.05欧姆，若顺向电流为1A，所对应的顺向电压仅为0.05伏特，较萧特基二极管的顺向电压(约0.4V)低了甚多，该单向导通装置的电压-电流曲线如图4所示。因为上述顺向电压可依据电阻R1与R2作调整，可调整至极低甚至趋近理想的单向导通状态。

请参照图4，当顺向电流小于0.2安培时金属氧化物半导体场效应晶体管310并不会完全导通，而是随着顺向电流降低晶体管阻抗会增加，直到电流为零时晶体管将完全关闭。因此，当P极与N极间的顺向偏压介于0至10mV时电压-电流并非线性关系，而实际曲线将由晶体管特性决定。

当N极比P极电压高时(此时为逆向偏压)，非反相输入端1的电位会比反相输入端3高，此时运算放大器200将输出高电位使金属氧化物半导体场效应晶体管310完全关闭。因此逆向偏压时单向导通装置将不导通，仅在顺向偏压时导通，故具备单向导通特性。

另外，电阻R1，R2与金属氧化物半导体场效应晶体管310的闸极转态电压决定了顺向电压切入点，可记为：顺向电压切入点＝闸极转态电压*(R1/R2)，在本实施例中顺向电压切入点为10mV。在实务上可提高顺向电压切入点使其大于运算放大器的抵补(Offset)电压，以确保无逆向电流的产生，例如调整电阻R1，R2的比值就是一个可行的方式。

接着请参照图5，其绘示实施例一所提供的单向导通装置应用于电源供应电路中的情形。电池BT1与电池BT2是用以提供负载所需的电源，此负载例如是笔记本电脑。当电池BT1的电位高于电池BT2的电位时，由于此时单向导通装置500顺向偏压而单向导通装置550逆向偏压，故单向导通装置500导通而单向导通装置550关闭，负载可由电位较高的电池BT1取得电源供应。反之若电池BT1的电位低于电池BT2的电位时，负载可由电位较高的电池BT2取得电源供应。

【实施例二】

接着请参照图6，它是依照本发明的实施例二所提供的一种单向导通装置电路图。单向导通装置包括互相耦接的金属氧化物半导体场效应晶体管610及驱动装置650，金属氧化物半导体场效应晶体管610为N通道(N channel)晶体管(即NMOS)，其源极S与汲极D是分别作为单向导通装置的P极与N极。驱动装置650是一由运算放大器200与电阻R1，R2所组成的反相放大器，其中非反相输入端1耦接至源极S，输出端4耦接至闸极G，反相输入端3耦接至电阻R1的一端，电阻R1的另一端耦接至汲极D。电阻R2的一端耦接至反相输入端3，电阻R2的另一端耦接至输出端4。高电源端5耦接至高于源极S的电位的电源V+，低电源端2耦接至源极S，以取得运算放大器200操作所需的电源。

实施例二与实施例一最大的不同处，在于金属氧化物半导体场效应晶体管610为NMOS，且高电源端5是耦接至电源V+。换句话说，实施例一适用于运算放大器的电源低于N极电位的环境，而实施例二适用于运算放大器的电源高于P极电位的环境。在实施例二中，运算放大器200的输出电压＝P极与N极间的顺向电压*R2/R1(以运算放大器200的非反相输入端1为参考点)，若金属氧化物半导体场效应晶体管610的闸极转态电压为5伏特，电阻R1为10K欧姆，电阻R2为5M欧姆，则可推知顺向电压切入点仅为10mV左右。

本发明上述实施例所揭示的单向导通装置，至少具有以下优点：

1.由此电路组成的二极管等效电路顺向电压极低。

2.逆向漏电电流比萧特基二极管低。

3.顺向导通与逆向截止极为准确，不会有逆向大电流状况。

4.金属氧化物半导体场效应晶体管由顺向的饱和区到工作区再到逆向的截止区，为渐近式变化，故接近零点时运算放大器不会有振荡不稳定现象。

5.运用于整流电路可提高效率。

综上所述，虽然本发明已以一些实施例予以揭示，然而其并非用以限定本发明，任何熟习本技术的人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与替换，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的为准。

Claims (10)

1.一种单向导通装置，其特征在于，包括：

一晶体管，具有一源极、一汲极及一闸极；以及

一驱动装置，耦接至该晶体管，用以依据该源极与该汲极间的电位差输出一驱动电位至该闸极以单向导通该晶体管。

2.如权利要求1所述的单向导通装置，其特征在于，该驱动装置是一比较器。

3.如权利要求1所述的单向导通装置，其特征在于，该驱动装置是一放大电路。

4.如权利要求3所述的单向导通装置，其特征在于，该放大电路是反相放大器。

5.如权利要求4所述的单向导通装置，其特征在于，该晶体管是金属氧化物半导体场效晶体管。

6.如权利要求5所述的单向导通装置，其特征在于，该汲极是作为该单向导通装置的P极，该源极是作为该单向导通装置的N极。

7.一种单向导通装置，具有一P极及一N极，其特征在于，该单向导通装置包括：

一金属氧化物半导体场效应晶体管，该金属氧化物半导体场效应晶体管是P通道晶体管，并具有一源极、一汲极及一闸极，其中，该汲极是作为该P极，该源极是作为该N极；以及

一驱动装置，耦接至该金属氧化物半导体场效应晶体管，用以单向导通该金属氧化物半导体场效应晶体管，该驱动装置包括：

一运算放大器，具有一反相输入端、一非反相输入端及一输出端，该非反相输入端耦接至该源极，该输出端耦接至该闸极；

一第一电阻，该第一电阻的一端耦接至该汲极，该第一电阻的另一端耦接至该反相输入端；及

一第二电阻，该第二电阻的一端耦接至该反相输入端，该第二电阻的另一端耦接至该输出端。

8.如权利要求7所述的单向导通装置，其特征在于，该运算放大器还包括一高电源端及一低电源端，该高电源端耦接至该源极，该低电源端耦接地。

9.一种单向导通装置，具有一P极及一N极，其特征在于，该单向导通装置包括：

一金属氧化物半导体场效应晶体管，该金属氧化物半导体场效应晶体管是N通道晶体管，并具有一源极、一汲极及一闸极，其中，该汲极是作为该N极，该源极是作为该P极；以及

一驱动装置，耦接至该金属氧化物半导体场效应晶体管，用以单向导通该金属氧化物半导体场效应晶体管，该驱动装置包括：

一运算放大器，具有一反相输入端、一非反相输入端及一输出端，该非反相输入端耦接至该源极，该输出端耦接至该闸极；

一第一电阻，该第一电阻的一端耦接至该汲极，该第一电阻的另一端耦接至该反相输入端；及

一第二电阻，该第二电阻的一端耦接至该反相输入端，该第二电阻的另一端耦接至该输出端。

10.如权利要求9所述的单向导通装置，其特征在于，该运算放大器还包括一高电源端及一低电源端，该低电源端耦接至该源极，该高电源端的电位高于该源极的电位。

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