CN1700595A

CN1700595A - 单向导通器件

Info

Publication number: CN1700595A
Application number: CN 200410045856
Authority: CN
Inventors: 陈升峰
Original assignee: Quanta Computer Inc
Current assignee: Quanta Computer Inc
Priority date: 2004-05-20
Filing date: 2004-05-20
Publication date: 2005-11-23
Anticipated expiration: 2024-05-20
Also published as: CN1309165C

Abstract

一种单向导通器件，包括金属氧化物半导体场效应晶体管及驱动器，金属氧化物半导体场效应晶体管的源极与漏极分别作为单向导通器件的P极与N极，驱动器包括BJT差动放大器。该驱动器用以检测金属氧化物半导体场效应晶体管源极与漏极间的电位差，当P极电位高于N极电位时，驱动器便输出一驱动电位至金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极，以令其导通。若P极电位低于N极电位，驱动器便无法输出导通金属氧化物半导体场效应晶体管所需的驱动电位，此时单向导通器件关断，因此，本发明的单向导通器件具有单向导通的特性。

Description

单向导通器件

技术领域

本发明有关于一种单向导通器件，特别是有关于一种具有低正向电压的单向导通器件。

背景技术

在电子电路所需要的各种电子器件中，二极管是不可缺少的器件之一。但是，二极管一直存在有一个缺点，就是二极管的正向电压(VF)不为0V，而约为0.6V。虽通过半导体制造工艺的改变，可得到正向电压约为0.4V的萧特基二极管(Schottky Diode)。萧特基二极管虽可以满足大部分的电路设计上的需求，然对于某些需要二极管单向导通的特性，且要求极低的正向电压的电路而言，萧特基二极管并无法满足该种电路的需求。因此，实有必要开发出正向电压极低的单向导通器件，以降低电路的功率损失，并提高电源使用的效率。

请参照图5，其表示使用一般二极管的电源电路500。电池BT1与电池BT2用以提供负载RL所需的电源，该负载例如笔记型计算机。当电池BT1的电位高于电池BT2的电位时，由于此时二极管D1为正向偏置，而二极管D2为逆向偏置，故二极管D1导通而二极管D2关断，负载RL可由电位较高的电池BT1取得电源。反之，若电池BT1的电位低于电池BT2的电位时，负载RL可由电位较高的电池BT2取得电源。由于该处的二极管D1及D2为一般二极管，故负载RL的电压会比电池BT1或BT2的供电电压约降低0.45V。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的就是在提供一种单向导通器件，利用金属氧化物半导体场效应晶体管及BJT差动放大器，使该单向导通器件以极低的正向电压实现单向导通特性。

根据本发明的目的，提出一种单向导通器件，包括一第一晶体管与一驱动电路。该第一晶体管具有一源极、一漏极及一栅极。而驱动电路耦接到第一晶体管。该驱动电路包括第二晶体管、第三晶体管、第一阻抗、第二阻抗及第三阻抗。该第二晶体管具有第二射极、第二基极及第二集电极。该第三晶体管具有第三射极、第三基极及第三集电极。第三射极耦接到源极，第三集电极耦接栅极，第二基极与第三基极耦接，第二基极与第二集电极耦接。而第一阻抗的一端耦接到漏极，另一端耦接到第二射极。第二阻抗的一端耦接到第二集电极，另一端耦接到一固定电压。第三阻抗的一端耦接到第三集电极，另一端耦接到固定电压。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图，详细说明如下：

图1表示按照本发明的一第一实施例的一种单向导通器件。

图2表示Pspice模拟结果。

图3表示Pspice模拟结果。

图4表示按照本发明的另一个实施例一种单向导通器件。

图5表示使用一般二极管的电源电路。

图6表示应用本发明的单向导通器件的一种电源电路。

附图标号说明

100、400：单向导通器件

102、402：驱动器

302、304：曲线

500、600：电源电路

Q1：金属氧化物半导体场效应晶体管

Q2、Q3：晶体管

R1、R2、R3、R4、R5：电阻

具体实施方式

请参照图1，其表示按照本发明的一第一实施例的一种单向导通器件100。单向导通器件100利用金属氧化物半导体场效应晶体管Q1及驱动器102，以使单向导通器件100以极低的正向电压实现单向导通的特性。单向导通器件100包括一金属氧化物半导体场效应晶体管Q1、PNP型双极结型晶体管(BJT)晶体管Q2、PNP型(BJT)晶体管Q3及电阻R1、R2、R3、R4及R5。金属氧化物半导体场效应晶体管Q1为P沟道(P channel)晶体管(即PMOS)，其源极S与漏极D分别作为单向导通器件100的N极与P极。晶体管Q2及晶体管Q3组成BJT差动放大器，晶体管Q2的基极B2经由电阻R4耦接到晶体管Q2的集电极C2。晶体管Q3的基极B3经由电阻R5耦接到晶体管Q2的集电极C2。晶体管Q2的集电极C2及晶体管Q3的集电极C3分别经由电阻R2与R3耦接到地。晶体管Q3的集电极C3耦接到PMOS晶体管Q1的栅极G，而晶体管Q3的射极E3耦接到PMOS晶体管Q1的源极S。电阻R1的一端耦接到晶体管Q1的漏极D，电阻R1的另一端耦接到晶体管Q2的射极E2。其中，电阻R2与R3的值相等，而电阻R2的值远大于电阻R1的值。较佳地，电阻R2的值为电阻R1的值的数百倍。

现将单向导通器件100的工作原理说明如下。当单向导通器件100为正向偏置时，P极的电压比N极的电压高，此时晶体管Q2有一静态电流IE2流过，而该静态电流IE2流经电阻R1后，在电阻R1的两端产生一电压VR1。电压VR1较佳地为数十毫伏(mV)。当P端的电压上升至P端与N端的电压差高于VR1时，晶体管Q2的射极E2会随着P端电压上升而上升。由于电阻R2的值甚大，虽然P端的电压上升，晶体管Q2的静态电流IE2会几乎维持在定值，使得晶体管Q2的VEB2(晶体管Q2的射极E2与基极B2之间的电压)亦几乎维持固定。由于晶体管Q2的射极E2随着P端的电压上升而上升，使得晶体管Q2的基极B2的电压亦随着晶体管Q2的射极E2的电压上升而上升。因此，晶体管Q3的基极B3的电压亦随着与晶体管Q2的基极B2的电压上升而上升。但是，由于单向导通器件100的N极的电压维持固定，使得晶体管Q3的射极E3的电压维持固定，而使得晶体管Q3的VEB3(晶体管Q3的射极E3与基极B3之间的电压)会下降。这样一来，流经晶体管Q3的集电极C3的电流IC3将会下降，使得电阻R3的电压VR3下降。因此，将使得晶体管Q3集电极C3的电压下降。当晶体管Q3集电极C3的电压下降至使晶体管Q1的VSG(晶体管Q1的源极S与栅极G之间的电压)大于晶体管Q1的阈值电压Vfh的绝对值时，晶体管Q1开始导通，正向电流ID从P极流向N极。

反过来说，当N极比P极电压高时，晶体管Q3的射极E3的电压高于晶体管Q2的射极E2的电压，因此晶体管Q3导通。晶体管Q3的集电极C3为高电位，使得晶体管Q1完全关断，因此，将使得单向导通器件100为逆向偏置，单向导通器件100不导通。当N极与P极的电压差高于晶体管Q2的VEB2时，一逆向电流将由N极经由晶体管Q3的射极E3流向晶体管Q3的源极B3，再经电阻R5及R4流向晶体管Q2的基极B2，再流过晶体管Q2的射极E2及电阻R1，最后流向P极。故电阻R4及R5的存在可降低该逆向电流的大小。如果晶体管Q2与晶体管Q3为VEB电压高于N极的最高电压的晶体管，则本实施例的单向导通器件100可不需使用电阻R4及R5，晶体管Q2与晶体管Q3的基极B2与B3可以直接电性连接。

现举各电阻值的一例，并配合PSpice的模拟结果以更进一步说明本发明的第一实施例。请参照图2及图3，其所表示分别为单向导通器件100的N极的电压固定为10V，电阻R1为1.5K欧姆，电阻R4与电阻R5均为100K欧姆，电阻R2与电阻R3均为1M欧姆时，单向导通器件100的P极与N极的电压差VPN与正向电流ID的模拟结果图(图2)与VPN与晶体管Q2的集电极C2的电压VQ2C(曲线302)与晶体管Q1的栅极G的电压Vg(曲线304)的模拟结果图(图3)。如图2所示，横轴座标为P极与N极间的电压差VPN，纵轴为正向电流ID。由图2可知，当VPN等于30mV时，晶体管Q1开始导通。其中，晶体管Q1导通后，电压Vg的值与正向偏置VPN与正向电流ID的斜率，由Q3的共射极电流增益β所决定。请参照图3，当电压Vg等于晶体管Q2的集电极C电压VQ2C时，Vg与VQ2C几乎等于电阻R1的电压VR1，VR1约等于(VP-VBE2)×(R1/(R1+R2))＝(10-0.6)×(1.5k/(1.5k+1000k))＝14mV，其中，VP为P极的电压。随着VPN的增大，晶体管Q1的栅极G极的电压Vg随着下降。

其中，当正向电流ID小于0.2安培时，晶体管Q1并不会完全导通。随着正向电流ID的降低，晶体管Q1的阻抗会增加。当正向电流ID为零时，晶体管Q1将完全关断。图2所示的正向电流ID的实际曲线将由晶体管Q1的特性来决定。

此外晶体管Q2及Q3较佳地应采用成对晶体管，因此晶体管Q2及Q3的特性与参数将会较为接近，但亦不可能完全相同。为使单向导通器件100无逆向电流产生，故单向导通器件100导通时的正向电压在设计上必须大于晶体管Q2及Q3补偿电压(Offset voltage)。电阻R1的电阻值与晶体管Q1的栅极G的转态电压可决定正向电压的值。电阻R1的电阻值较大时，正向电压较大；电阻R1的电阻值较小时，正向电压较小。因此，可通过调整电阻R1的电阻值，来改变单向导通器件100导通时的正向电压。

请参照图4，其表示按照本发明的另一个实施例一种单向导通器件400，包括N沟道(N channel)金属氧化物半导体场效应晶体管Q1(NMOS)及驱动器402。晶体管Q1的源极S与漏极D分别作为单向导通器件的P极与N极。单向导通器件400的设计与工作原理与图1所示的单向导通器件100类似。只要将单向导通器件100的晶体管Q1由P沟道晶体管换成N沟道晶体管，并将PNP晶体管Q2与Q3更换成NPN晶体管即可得到单向导通器件400。

请参照图6，其表示应用本发明的单向导通器件100的一种电源电路600。当应用本发明的第一实施例的单向导通器件100在电源电路600时，其负载RL的电压会比电池BT1或BT2的供电电压约降低只有数十mV，远小于公知使用一般二极管的电源电路500(见图5)。

本发明上述实施例所公开的单向导通器件，具有以下优点：

1.正向电压极低。

2.逆向漏电电流比萧特基二极管低。

3.正向导通与逆向截止的操作极为准确，且不会有逆向大电流产生的状况。

4.当单向导通器件由正向偏置转为反向偏置时，金属氧化物半导体场效应晶体管由正向的饱合区转换成工作区，再转换成逆向的截止区，其为渐近式的变化。故，单向导通器件的P极与N极的电压差接近于零伏特时，本发明的单向导通器件不会有振荡不稳定的现象。

5.将本发明的单向导通器件运用于整流电路时，可提高效率。

综上所述，虽然本发明已以一较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行各种更动与修改，因此本发明的范围以所提出的权利要求限定的范围为准。

Claims

1.一种单向导通器件，该单向导通器件包括：

一第一晶体管，具有一源极、一漏极及一栅极；以及

一驱动电路，耦接到该第一晶体管，该驱动电路包括：

一第二晶体管，具有一第二射极、第二基极及第二集电极；

一第三晶体管，具有一第三射极、第三基极及第三集电极，该第三射极耦接到该源极，该第三集电极耦接该栅极，该第二基极与该第三基极耦接，该第二基极与该第二集电极耦接；

一第一阻抗，该第一阻抗的一端耦接到该漏极，该第一阻抗的另一端耦接到该第二射极；

一第二阻抗，该第二阻抗的一端耦接到该第二集电极，该第二阻抗的另一端耦接到一固定电压；以及

一第三阻抗，该第三阻抗的一端耦接到该第三集电极，该第三阻抗的另一端耦接到该固定电压。

2.如权利要求1所述的单向导通器件，其中该第二阻抗与该第三阻抗相等。

3.如权利要求2所述的单向导通器件，其中该驱动电路还包括：

一第四阻抗，该第二基极经由该第四阻抗耦接到该第二集电极；以及

一第五阻抗，该第三基极经由该第五阻抗耦接到该第二晶体管的该第二集电极。

4.如权利要求3所述的单向导通器件，其中该第一晶体管为一P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，该第二晶体管与该第三晶体管为一PNP型双极结型晶体管。

5.如权利要求3所述的单向导通器件，其中该第一晶体管为一N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，该第二晶体管与该第三晶体管为一NPN型双极结型晶体管。

6.如权利要求1所述的单向导通器件，其中该单向导通器件的正向电压与该第一阻抗与该第二阻抗的比值有关。