DE69119346T2

DE69119346T2 - Gateansteuerung im Strom-modus für Leistungs-MOS-Transistoren

Info

Publication number: DE69119346T2
Application number: DE69119346T
Authority: DE
Inventors: Gary Dale Carpenter; Martin Birk Lundberg
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1990-10-03
Filing date: 1991-08-29
Publication date: 1996-11-07
Anticipated expiration: 2011-08-30
Also published as: EP0479700A2; JPH088456B2; JPH04227103A; US5177374A; DE69119346D1; EP0479700B1; EP0479700A3

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Treiber für Leistungs- MOSFETs.

Hintergrund der Erfindung

Ein linearer Leistungsverstärker erfordert die Verwendung eines Leistungstransistors auf der hohen und auf der niedrigen Seite, der in einem Modus der Klasse B oder AB betrieben wird. Diese Leistungsbauelemente werden üblicherweise durch einen Spannungsmodus-Treiber niedriger Impedanz angesteuert, der eine ausreichende Treiberkapazität aufweisen muß, so daß die hohe Eingangskapazität des Leistungsbauelementes die Leistungsfähigkeit des Treibers nicht beeinflußt. Diese Topologie besitzt mehrere Probleme, wenn MOS-Transistoren als Leistungsbauelemente verwendet werden, insbesondere in einer integrierten Schaltkreis-Anwendung und/oder bei Verwendung einer reinen NMOS- Brücke. Unter diesen Problemen sind:
Der Gate-Treiber muß Senken- und Quellen-Fähigkeit aufweisen, da die Eingangs-Gate-Impedanz kapazitiv ist. Um in dem Leistungsbauelement einen konstanten Ausgangsstrom aufrechtzuerhalten, muß die Gate-Spannung ohne Stromfluß konstant gehalten werden. Wenn ein Gate-Treiber der Klasse A verwendet wird, ist das Ergebnis sehr ineffizient. Wenn ein Gate-Treiber der Klasse AB verwendet wird, wird eine höhere Effizienz erzielt, eine Übergangsverzerrung in dem Treiber führt jedoch zu einer Nichtlinearität in der Übertragungsfunktion und einem möglichen Verlust an Steuerung unter stationären Bedingungen.
Eine hohe Verstärkung und eine Dominantpolkompensation müssen zu der Eingangsstufe des Verstärkers hinzugefügt werden, um ihn in Konfigurationen mit Rückkopplung verwendbar zu machen. Die Integration des Kompensationskondensators erfordert ein relativ großes Maß an Siliciumfläche.
Die Anstiegsgeschwindigkeit der Leistungsstufe kann nicht unabhängig gesteuert werden. Die Anstiegsgeschwindigkeit der Leistungsstufe wird entweder durch die Ausgangsimpedanz des Gate- Treibers oder den internen Kompensationsknoten gesteuert. In jedem Fall kann die Anstiegsgeschwindigkeit nicht unabhängig gesteuert werden.
Ein Gate-Treiber im Modus mit schwebender Spannung mit einer niedrigen Ausgangsimpedanz ist erforderlich, um das Leistungsbauelement auf der hohen Seite anzusteuern. Da ein NMOS-Transistor viel kleiner (d.h. kostengünstiger) als ein äquivalenter PMOS-Transistor ist, ist es sehr wünschenswert, NMOS-Transistoren sowohl bei Anwendungen auf der hohen als auch auf der niedrigen Seite zu verwenden. Da die Source des NMOS-Transistors schwebend ist, wenn er als ein Leistungsbauelement auf der hohen Seite verwendet wird, muß der Gate-Treiber ebenfalls schwebend sein. Dies erforder komplexe, pegelschiebende Schaltkreise, um einen Spannungsmodus-Treiber zu verwenden.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Treiber für einen MOS- Leistungstransistor bereitzustellen, der die vorstehenden Nachteile überwindet.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein bidirektionaler Stromquellen-Treiber in Kombination mit einem Leistungs-MOSFET verwendet.
Die Verwendung eines Stromquellen-Treibers mit hoher Impedanz liefert beträchtliche Vorteile. Diese umfassen:
Stromquellen sind leicht zu integrieren. Stromquellen bilden einen einfachen Weg von pegelschiebenden Treibersignalen für ein schwebendes Leistungsbauelement. Ein Stromquellen-Gate-Treiber kombiniert mit der Eingangskapazität auf einem MOS-Leistungsbauelement liefert einen Schaltkreis mit sehr hoher Verstärkung. Ein Stromquellen-Gate-Treiber kombiniert mit der Eingangskapazität auf einem MOS-Leistungsbauelement stellt eine Dominantpolkompensation bereit, welche die Notwendigkeit für einen zusätzlichen Kompensationskondensator in der Schleife eliminiert. Die Anstiegsgeschwindigkeit kann unabhängig von der Kleinsignal- Übertragungsfunktion durch Begrenzen oder Steigern des maximalen Gate-Treiberstroms unter Großsignal-Bedingungen gesteuert werden. Ein Strommodus-Gate-Treiber ermöglicht einen einfachen Senken/Quellen-Gate-Treiber ohne Übergangsverzerrung.
Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung und die Art und Weise ihrer Ausführung werden beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen offensichtlich, in denen:

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 eine graphische Darstellung einer grundlegenden Leistungsverstärkerkonfiguration ist;
Fig. 2 einen Treiber gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer Differenzstromstufe zeigt;
Fig. 3 einen Treiber gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer unsymmetrischen Stromstufe mit festem Ausschaltstrom zeigt;
Fig. 4 ein Kleinsignal-Schaltkreismodell eines Verstärkers unter Verwendung eines MOS-Leistungstransistors, wie Q1 von Figur 1, ist;
Fig. 5 eine Darstellung einer Kleinsignal-Übertragungsfunktion für das Schaltkreismodell von Fig. 4 ist;
Fig. 6 ein Schaltbild und eine Darstellung einer Übertragungsfunktion für einen die Anstiegsgeschwindigkeit begrenzenden Schaltkreis mit festem Ausschaltstrom ist; und
Fig. 7 ein Schaltbild und eine Darstellung einer Übertragungsfunktion für einen die Anstiegsgeschwindigkeit steigernden Schaltkreis mit festem Ausschaltstrom ist.

Detaillierte Beschreibung

Wenngleich die Erfindung für verschiedene Modifikationen und alternative Gestaltungen geeignet ist, wurden in den Zeichnungen beispielhaft spezielle Ausführungsformen derselben gezeigt und werden hierin im Detail beschrieben. Es versteht sich jedoch, daß es nicht beabsichtigt ist, die Erfindung auf die spezielle offenbarte Gestaltung zu beschränken, sondern die Erfindung soll im Gegenteil alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abdecken, die innerhalb des Umfangs der Erfindung liegen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.
Fig. 1 zeigt das Blockdiagramm eines linearen Leistungsverstärkers der Klasse B oder AB, der NMOS-Leistungstransistoren für die Treiber der hohen Seite und der niedrigen Seite verwendet. Der Verstärker wird in einer Konfiguration mit Rückkopplung verwendet, wobei die Übertragungsfunktion gleich Z1/Z2 ist. Da die Source des Transistors auf der hohen Seite, Q1, von Masse auf Vcc schwingen kann, muß sein Gate-Treiber ein schwebender Treiber sein. Er muß in der Lage sein, die Gate-Spannung, Vgs, unabhängig vom Pegel der Source zu steuern.
Die Fig. 2 und 3 zeigen zwei Ausführungsformen von Teiberschaltungen gemäß der Erfindung. Eine Eingangsstufe mit Differenzsteilheit wird dazu verwendet, den bidirektionalen Gate-Treiberstrom in jeder Ausführungsform zu erzeugen.
Fig. 2 zeigt einen Differenzstromtreiber für einen Transistor Q11. Q14 und Q15 bilden ein Differenzpaar, das durch die Stromquelle Imax vorgespannt ist. Die Verstärkung des Differenzpaars wird durch die Steilheit von Q14 und Q15 bestimmt. Der Strom in Q14 wird durch den Stromspiegel Q13 und Q12 derart invertiert, daß Iq14 gleich Iq12 ist. Der Strom in Q12 wird dann zum Strom in Q15 addiert; der Nettostrom ist Ig. Wenn die zwei Eingänge ausgeglichen sind (V1 = V2), dann ist Ig = Iq14 - Iq15 = 0. Während eines linearen Betriebs ist Ig = gm(V1 - V2), wobei gm die Steilheit von Q14 und Q15 ist. Für große Differenzeingangsspannungen ist Ig durch Imax beschränkt. Wenn (V1 - V2) > Imax/gm, dann ist Ig(max) = Imax, und wenn (V1 - V2) > -Imax/gm, dann ist Ig(min) = -Imax. Das Resultat ist eine bidirektionale Stromquelle ohne Übergangsverzerrung, deren Ausgangssignal durch eine Differenzeingangsspannung gesteuert ist. Dieser Gate-Treiber kann dazu verwendet werden, entweder einen Schalter auf der hohen oder einen auf der niedrigen Seite anzusteuern, da der Ausgangsstrom unabhängig von der Ausgangsspannung ist.
Fig. 3 zeigt ein zweites Verfahren zur Ausführung des Gate-Treibers. In dieser Ausführungsform ist ein konstanter Ausschaltstrom, Ioff, mit dem Gate des Leistungsbauelements verbunden. Das Differenzpaar, Q24 und Q25, ist durch eine Stromquelle, Ion, vorgespannt. Der Ausgang von Q24 wird durch den Stromspiegel Q22 und Q23 derart invertiert, daß Iq24 gleich Iq22 ist. Der Strom in Q22 wird dann zum Ausschaltstrom, Ioff, addiert; Ig = Iq24 - Ioff. Wenn die Differenzeingangsspannung so ist, daß Iq24 gleich Ioff ist, dann ist Ig gleich null. Während eines linearen Betriebs ist Ig = gm(V1 - V2)/2 - Ioff. Der maximale Wert von Ig ist Ig = Ion - Ioff, und wenn Ion = 2 x Ioff ist, dann ist Ig(max) = Ioff. Der minimale Wert von Ig(min) ist -Ioff. Durch Variieren der Größen von Ion und Ioff können der maximale und der minimale Wert von Ig unabhängig gesteuert werden.
Fig. 4 zeigt ein Kleinsignalmodell einer Ausführungsform der Erfindung. Der MOS-Gate-Strom, Ig, ist gleich der Eingangsspannung, V1 - V2, multipliziert mit der Steilheit der Differenzeingangsstufe multipliziert mit irgendwelchen Multiplikatoren aufgrund von Stromspiegelverstärkern. Die Ableitung der Kleinsignal-Übertragungsfunktion ist unten angegeben.
Io = gm Vgs,
wobei:
Io der Kleinsignal-Ausgangsstrom des MOS-Leistungsbauelements ist.
gm die Steilheitsverstärkung des MOS-Leistungsbauelements ist.
Vgs die Gate-zu-Source-Spannung des MOS-Leistungsbauelements ist.
Vgs läßt sich in Abhängigkeit von Ig wie folgt auffinden.
Ig = Vgs/(1/sCgs) + ((Vgs - Vds)/(1/sCgd))
= sVgsCgs + s(Vgs - Vds)Cgd
s(Cgs + Cgd)Vgs = Ig + sCgdVds
Vgs = (Ig + sCgdVds)/s(Cgs + Cgd)
Einsetzen in die erste Gleichung führt zu folgendem.
Io = gm(Ig + sCgdVds)/s(Cgs + Cgd)
s(Cgs + Cgd)Io = gmIg + sCgd(gmVgs)
Vds = -IoR1
gmIg = Io(s(Cgs + Cgd) + s(gmR1Cgd))
Io/Ig = gm/s(Cgs + Cgd(1 + gmR1))
Vout/Ig = (1/s)x(gmR1/(Cgs + Cgd(1 + gmR1)))
Der Einheitsverstärkungs-Übergangspunkt ist:
Vout/Ig = 1
2x(pi)xFo = gmR1/(Cgs + Cgd(1 + gmR1))
Fo = gm R1/(2x(pi)x(Cgs + Cgd(1 + gmR1)))
Eine Bode-Darstellung der Übertragungsfunktion ist in Fig. 5 angegeben. Die Gleichspannungs-Verstärkung der Übertragungsfunktion ist theoretisch unendlich. In der Praxis ist sie durch die Ausgangsimpedanz der Stromquelle Ig und durch jeglichen Eingangsleckverlust begrenzt, der auf dem Gate des Leistungsbauelements vorhanden sein kann.
Die Kleinsignal-Übertragungsfunktion ist jene eines Integrators mit einem Einheitsverstärkungs-Übergangspunkt von Fo. Durch Ändern der Steilbeit der Differenzeingangsstufe kann die Verstärkung der nicht rückgekoppelten Übertragungsfunktion angehoben oder abgesenkt werden.
Die Ableitung der Großsignal-Anstiegsgeschwindigkeit ist unten angegeben. Die Anstiegsgeschwindigkeit ist durch den maximalen Gate-Treiberstrom Ig (max) begrenzt.
Vout/Ig = (1/s)x(gmR1/(Cgs + Cgd(1 + gmR1)))
sVout = Ig x (gmR1/(Cgs + Cgd(1 + gmR1)))
Man ersetze Ig = Ig(max), um die Anstiegsgeschwindigkeit aufzufinden.
sVout = Ig(max) x (gmR1/(Cgs + Cgd(1 + gmR1)))
Wenn die Last eine Stromquelle ist (d.h. induktiv), dann ist R1 sehr groß, und der Ausdruck kann vereinfacht werden.
sVout = Ig(max) x (gmR1/(Cgd(gmR1))
= Ig(max) x (1/Cgd)
Durch Einstellen des maximalen (oder minimalen) Gate-Treiberstroms kann die Anstiegsgeschwindigkeit des Verstärkers entweder für eine hohe oder für eine niedrige Leistungsfähigkeit eingestellt werden. Ig(max) steuert die Einschaltspannungs-Anstiegsgeschwindigkeit, und Ig(min) steuert die Ausschalt-Anstiegsgeschwindigkeit. Diese Parameter können unabhängig voneinander gesteuert werden.
Manchmal ist es nicht praktisch oder möglich, den maximalen Gate-Strom mit eine Differenzeingangsstufe zu steuern. Fig. 6 stellt eine Ausführung dar, bei der die Eingangsspannung unsymmetrisch und keine Differenzspannung ist. Bei dieser Ausführung ist es schwierig, den maximalen Strom in Q34 zu steuern. Für diese Anwendung wird ein zweites Verfahren der Begrenzung von Ig(max) verwendet. Der invertierende Stromspiegel, Q33-Q32, ist dadurch modifiziert, daß der Ausgang eines zweiten Stromspiegels, Q37-Q36, zwischen die Quelle von Q32 und Vcc eingeschleift ist. Um die Erörterung zu vereinfachen, wird angenommen, daß beide Stromspiegel eine Verstärkung von eins aufweisen.
Wenn Iq34 niedriger als Ion ist, dann ist die Drain-zu-Source- Spannung von Q36 klein, und Iq32 ist gleich Iq34. Mit zunehmendem Iq34 derart, daß Iq34 größer als Ion ist, ist dann jedoch der Strom in Q32 auf den Wert der Stromquelle Ion begrenzt. Dies ermöglicht, daß die Einschalt- und Ausschalt-Anstiegsgeschwindigkeiten durch zwel Stromquellen gesteuert werden, die unabhängig von der Steilheit der Eingangsstufe sind.
Bei einigen Anwendungen kann es wünschenswert sein, die Anstiegsgeschwindigkeit des Verstärkers zu erhöhen, anstatt sie zu begrenzen. Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform dieses Merkmals. Der invertierende Spiegel, Q43-Q42, ist dadurch modifiziert, daß der Ausgang des zweiten Spiegels, Q47-Q46, zwischen die Quelle von Q43 und Vcc eingeschleift ist. Solange Iq44 niedriger als Ion ist, ist Iq42 gleich Iq44. Wenn jedoch Iq44 größer als Ion ist, wird die Gate-zu-Source-Spannung von Q42 größer als die Gate-zu-Source-Spannung von Q43, und Iq42 wird viel größer als Iq44.
Beide der vorstehenden Verfahren zum Steuern der Anstiegsgeschwindigkeit können dazu verwendet werden, symmetrische Anstiegsgeschwindigkeiten mit einem Differenzstromtreiber zu liefern.

Claims

1. Bidirektionaler Stromquellen-Gate-Treiber für einen Leistungs-MOSFET, der beinhaltet:

Mittel (Q34), die auf eine Eingangsspannung ansprechen, zur Bereitstellung eines ersten Stroms;

erste Stromspiegelmittel (Q33, Q32), die auf den ersten Strom ansprechen, zur Bereitstellung eines zu dem ersten Strom proportionalen zweiten Stroms an einem Ausgangstransistor (Q32) der ersten Stromspiegelmittel;

erste Stromquellenmittel (Ion) zur Bereitstellung eines dritten Stroms;

zweite Stromspiegelmittel (Q36, Q37), die auf den dritten Strom ansprechen, zur Bereitstellung eines zu dem dritten Strom proportionalen vierten Stroms an einem Ausgangstransistor (Q36) der zweiten Stromspiegelmittel, wobei der Ausgangstransistor (Q32) der ersten Stromspiegelmittel und der Ausgangstransistor (Q36) der zweiten Stromspiegelmittel in Reihe geschaltet sind, so daß der kleinere des zweiten und des vierten Stroms durch die Reihenschaltung der seriell verbundenen Ausgangstransistoren der ersten Stromspiegelmittel und der zweiten Stromspiegelmittel fließt; wobei der zweite und der vierte Strom mit dem Gate des Leistungs-MOSFET (Q31) verbunden sind; und

zweite Stromquellenmittel (Ioff) zur Bereitstellung eines Stroms, der ebenfalls mit dem Gate des Leistungs-MOSFET verbunden ist, wobei die Differenz zwischen dem durch die zweiten Stromquellenmittel bereitgestellten Strom und dem kleineren des weiten und des vierten Stroms dem Gate des Leistungs-MOSFET zugeführt wird, so daß der Wert des durch die ersten Stromquellenmittel bereitgestellten dritten Stroms die Anstiegsgeschwindigkeit des Leistungs-MOSFET begrenzt.

2. Bidirektionaler Stromquellen-Gate-Treiber für einen Leistungs-MOSFET, der beinhaltet:

Mittel, die auf eine Eingangsspannung (Q44) ansprechen, zur Bereitstellung eines ersten Stromes;

erste Stromspiegelmittel (Q43, Q42) zur Bereitstellung eines zweiten Stroms;

erste Stromquellenmittel (Ion) zur Bereitstellung eines dritten Stroms;

zweite Stromspiegelmittel (Q47, Q46), die auf den dritten Strom ansprechen, zur Bereitstellung eines zu dem dritten Strom proportionalen vierten Stroms, wobei ein Eingangstransistor (Q43) des ersten Stromspiegels, ein Ausgangstransistor (Q46) des zweiten Stromspiegels und die Mittel (Q44), die auf eine Eingangsspannung ansprechen, seriell miteinander verbunden sind, so daß der zweite Strom am Ausgang der ersten Stromspiegelmittel proportional zu dem ersten Strom ist, wenn der erste Strom geringer als der vierte Strom ist, mit einer ersten Proportionalitätskonstante, und der zweite Strom am Ausgang der ersten Stromspiegelmittel proportional zu dem ersten Strom ist, wenn der erste Strom größer als der vierte Strom ist, mit einer zweiten Proportionalitätskonstante, die größer als die erste Proportionalitätskonstante ist; und wobei der zweite Strom mit dem Gate des Leistungs-MOSFET (Q41) verbunden ist; und

zweite Stromquellenmittel (Ioff) zur Bereitstellung eines Stroms, der ebenfalls mit dem Gate des Leistungs-MOSFET verbunden ist, wobei die Differenz zwischen dem durch die zweiten Stromquellenmittel bereitgestellten Strom und dem zweiten Strom dem Gate des Leistungs-MOSFET zugeführt wird, so daß der Wert des durch die ersten Stromquellenmittel bereitgestellten dritten Stroms die positive Anstiegsgeschwindigkeit des Leistungs-MOSFET steigert.

3. Bidirektionaler Stromquellen-Gate-Treiber nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Leistungs-MOSFET einen NMOS-Transistor beinhaltet.

4. Bidirektionaler Stromquellen-Gate-Treiber nach Anspruch 3, bei dem der Gate-Treiber und der Leistungs-MOSFET auf einem gemeinsamen Sunstrat integriert sind.