TWI495976B - 具有輸出電流嵌位的電流驅動 - Google Patents

Description

具有輸出電流嵌位的電流驅動

本發明係關於具有輸出電流嵌位的電流驅動。

手機、攝影機、電腦及平板電腦包括電子模組，例如像是攝影機模組。這些電子模組一般具有功率預算(power budget)。超過功率預算通常具有不理想的後果，像是快速的降低電池壽命或抑制在其它電子模組中的功能。有時，這些電子模組包括功率限制(power limitation)，例如像是要汲取的平均電流與要汲取的最大電流。例如，若電子模子超過其最大電流預算，可使用電路來降低要汲取的電流。這經常藉由降低對具有不理想的後果之電子模組的電源來施行，像是禁能此電子模組。

在一態樣中，電流驅動器，包括操作放大器(operational amplifier)，其包括組態以接收參考信號之第一輸入埠，以及組態以接收可變信號的第二輸入埠。可 變信號係為電流驅動器之輸出電流的函數。參考信號符合選定的電流驅電器之最大輸出電流。電流驅動器亦包括回授電晶體(feedback transistor)，其包含耦接操作放大器之輸出的閘極以及耦接回授電晶體之汲極的和接面(summing junction)且組態以接收來自此汲極的信號以當可變信號超過參考信號時致能將電流驅動器之輸出電流嵌位到最大輸出電流。和接面耦接組態以提供電流驅動器之輸出電流的一組電晶體。

在另一態樣中，電流驅動器包括操作放大器，其包括組態以接收參考信號的第一輸入埠以及組態以接收可變信號的第二輸入埠。可變信號係為電流驅動器之輸出電流的函數。參考信號符合選定的電流驅動器之最大輸出電流。電流驅動器亦包括回授電晶體，其包含耦接操作放大器之輸出的閘極以及耦接回授電晶體之汲極的和接面且組態以接收來自此汲極的信號以當可變信號超過參考信號時致能將電流驅動器之輸出電流嵌位到最大輸出電流。和接面耦接H-橋(H-Bridge)電路。電流驅動器更包括耦接於和接面與H-橋電路之間的阻尼電阻器(damping resistor)，H-橋電路組態以提供電流驅動器之輸出電流且耦接引動器線圈(actuator coil)，並且數位類比轉換器(DAC；digital-to-analog converter)耦接回授電晶體且組態以提供參考電壓。

在進一步的態樣中，電流驅動器包括第一操作放大器，其包括組態以接收參考信號的第一輸入埠與組態以接 收可變信號的第二輸入埠。可變信號係與電流驅動器之輸出電流成比例。參考信號符合選定的電流驅動器之輸出電流。電流驅動器亦包括第一回授電晶體，其包括耦接第一操作放大器之輸出的閘極；和接面耦接第一回授電晶體之汲極且組態以接收來自此汲極的信號以當可變信號超過參考信號時致能將電流驅動器之輸出電流嵌位到最大輸出電流。和接面耦接H-橋電路。電流驅動器更包括耦接於和接面與H-橋電路之間的阻尼電阻器，H-橋電路組態以提供電流驅動器之輸出電流且耦接具有自動對焦功能的攝影機模組之引動器線圈，跨導(transconductance)放大器組態以接收到電流驅動器之輸入信號，電流增益級電路其包括和接面且耦接跨導放大器之輸出，數位類比轉換器(DAC)耦接第一回授電晶體且組態以提供電考電壓，第二操作放大器包含耦接H-橋電路的第一輸入，並且第二回授電晶體包含耦接第二操作放大器之輸出的閘極、耦接第一操作放大器之輸入的汲極以及耦接第二操作放大器之第一輸入的源極。

上述態樣中之一或更多者可包括下列特徵之一或更多者。電路可包括耦接回授電晶的之數位類比轉換器(DAC)且組態以提供參考電壓，其中n為大於0之整數。n可大於等於3且小於等於9。n可為5。電路可包括耦接於和接面與成組的電晶體之間的電阻器。電路可包括組態以接收到電流驅動器的輸入信號之跨導放大器；以及電流增益級電路包含和接面且耦接跨導放大器的輸出。操 作放大器可為第一操作放大器且回授電晶體為第一回授電晶體，並且電路可包括第二操作放大器，其包括耦接成組電晶體的第一輸入；及第二回授電晶體，其包括耦接第二操作放大器之輸出的閘極、耦接第一操作放大器之輸入的汲極以及耦接第二操作放大器之第一輸入的源極。第一與第二操作放大器之至少一者可為操作跨導放大器。成組的電晶體之各者可為多個nMOSEFT或多個pMOSFET中之一者。成組電晶體中之至少兩者可為部分的H-橋電路。成組的電晶體之至少一者可為該組電晶體之另一者的鏡射(mirror)。可變電壓可符合提供至負載的電流驅動器之輸出電流。可變電壓可與提供至負載的電流驅動器之輸出電流成比例。可變電壓可與提供至負載的電流驅動器之輸出電流成線性比例(linearly proportional)。負載可為用於攝影機模組之引動器線圈。攝影機模組可包括自動對焦功能。

10‧‧‧電路

12‧‧‧輸出驅動器控制

20‧‧‧電流驅動器

24‧‧‧引動器線圈

42a‧‧‧p型金屬氧化物半導體場效電晶體

42b‧‧‧p型金屬氧化物半導體場效電晶體

44a‧‧‧n型金屬氧化物半導體場效電晶體

44b‧‧‧n型金屬氧化物半導體場效電晶體

20’‧‧‧電流驅動器

24’‧‧‧引動器線圈

R1~R4‧‧‧電阻器

M1~M5‧‧‧電晶體

Vind‧‧‧輸入信號

102‧‧‧跨導放大器

106‧‧‧電流增益級

110‧‧‧和接面

112‧‧‧操作放大器

122‧‧‧操作放大器

130‧‧‧電流數位類比轉換器

C‧‧‧電容

本發明之前述特徵以及發明本身從下列圖式的詳細說明可更完全的了解，其中：圖1為包括電流驅動器之電路的功能方塊圖；圖2為電流驅動器之範例以及由電流驅動器驅動的負載之示範性表徵的電路圖；圖3為全型電流對電壓曲線之百分比的範例之圖表；以及 圖4為全型電流對鍵入進入5位元DAC以設定驅動器之最大輸出電流的不同碼之百分比的範例的圖表。

於此進行的說明係為提供使用嵌位(clamp)來調節(trim)的電路。在一範例中，電路為閉回路雙向嵌位電路或單向嵌位電路，其可被使用為例如在手機中語音線圈馬達攝影機模組(voice coil motor camera module)的驅動器，且特別是自動對焦應用的攝影機。在一特定實施例中，由於電源(power supply)的限制，嵌位電路防止攝影機模組受到超過攝影機模組之許可的、暫態的電流消耗。當在此說明馬達攝影機模組之語音線圈的範例的同時，本領域具有通常知識者會理解，於此說明的技術可用在任何需要調節之電阻性及/或電感性負載。

請參考圖1，電路10包括輸出驅動器控制12、電流驅動器20及引動器線圈24。電流驅動器20包括H-橋電路，其包括兩個p型金屬氧化物半導體場效電晶體(pMOSFET)42a、42b以及兩個n型金屬氧化物半導體場效電晶體(nMOSFET)44a、44b。電流驅動器20包括端子M+及端子M-。

在一範例中，引動器線圈24驅動鐵磁性材料(ferromagnetic material)，像是當在永久磁鐵中的硬磁性材料(hard ferromagnetic material)或是在其中裝置可僅穿戴上軟磁性材料之範例中的軟磁性材料(soft ferromagnetic material)。在另一範例中，引動器線圈24驅動或移動具有鐵磁性材料的透鏡組合件。

輸出驅動器控制12耦接pMOSFET 42a、42b與nMOSFET 44a、44b之各者的閘極且組態以提供信號至MOSFET閘極之各者以控制正由電流驅動器20提供的電流。取決於MOSFET 42a、42b、44a、44b其中何者被啟動則電流驅動器20提供電流予M+端與M-端其中之一者。在一特定範例中，當pMOSFET 42a及nMOSFET 44b為導通時，來自電源VCC的電流流過pMOSFET 42a經由引動器線圈到M+端，流出M-端且經由nMOSFET 44b到地。在另一範例中，當pMOSFET 42b及nMOSFET 44a為導通時，來自電源VCC的電流流過pMOSFET 42b，流出M-端，流入M+端且經由nMOSFET 44a到地。如將進一步於此說明的一般，電流驅動器20具有嵌位功能，其限制電流驅動器之電流輸出至選定的最大輸出電流。

請參照圖2，電流驅動器20的一個特定範例係為電流驅動器20’。電流驅動器20耦接且提供電流到負載(亦即，引動器線圈24’)。電流驅動器20’包括具有與R1的電阻成反比之增益的跨導放大器102。跨導放大器102係供應以具有輸入信號Vind，其亦為對電流驅動器20’的輸入。跨導放大器102表徵具有增益的第一級，GM1。在一特定範例中，GM1等於4/R1。跨導放大器102之輸出耦接電流增益級106。

電流增益級106包括和接面110，其相加來自跨導放 大器102的輸出信號且減去ICLAMP信號及回授信號ifb。來自和接面110之合成信號係供應至阻尼電阻器R4。電流增益級106表徵為第二級。在一特定範例中，若電流增益級106之電流增益A2為10時，橫跨第一與第二級之總增益等於GM1乘A2或GM1乘10。

阻尼電阻器R4耦接電晶體M1之閘極，電晶體M1耦接電晶體M2。電晶體M1之汲極耦接由電阻性負載RCOIL與電感性負載LCOIL所表徵的引動器線圈24’。在一範例中，M1為在H-橋電路中使用的pMOSFET，像是pMOSFET 42a或42b(圖1)。電容C(例如，寄生米勒電容(parasitic Miller capacitor))將電晶體M1之閘極及電阻器R4耦接至電晶體M1之汲極。

電晶體M2之汲極耦接電晶體M3之閘極且提供回授信號ifb至和接面110。電晶體M1與M3為電晶體M2之電流鏡。在一範例中，電晶體M1與M3為pMOSFET。電晶體M1、M2、M3表徵為第三級。在一特定範例中，若橫跨第三級電流增益A3之增益為60時，接著橫跨三個級的增益等於GM1乘A2乘A3或是GM1乘A2乘60。在另一特定範例中，若R1等於20k ohm、A2等於10且A3等於60時，接著整體增益的實際值等於100mA/V。

為了保持第三級之增益實質上恆定，則使用汲極匹配機構(drain matching mechanism)。汲極匹配機構包括具有輸出耦接電晶體M5的op amp 112。此op amp 112的一輸入耦接由電阻性負載RCOIL與電感性負載LCOIL所表 徵的引動器線圈24’。此op amp 112的另一輸入連接到電晶體M3之汲極以及到電晶體M5之源極。汲極匹配機構的目的係為產生與電流驅動器20’之輸出電流成比例的準確的回授電流，其為在引動器線圈之上的電流。經由電晶體M5的電流縮放至1/A3。在一範例中，電晶體M5為pMOSFET。

電晶體M5之汲極耦接主回授配置，其包括op amp 122、電晶體M4及電流數位類比轉換器130(DAC)。此op amp 122在第一輸入埠處接收在點X的電壓，電壓X。點X耦接電阻器R2，電阻器R2耦接到地或是一些其它共模參考電壓(common mode reference voltage)且耦接到M5電晶體的汲極。電壓X為與電流驅動器20’之輸出成比例的可變信號。在一範例中，可變信號與電流驅動器20’之輸出成線性比例。在一範例中，例如若無汲極匹配機構時，可變信號與電流驅動器20’的輸出成非線性比例(non-linearly proportional)。

此op amp 122在第二輸入埠處接收從電流DAC 130之輸出所產生的信號VREF。此op amp 122的輸出耦接電晶體M4的閘極。電晶體M4的源極耦接電源VCC。電晶體M4的汲極耦接和接面110且當電晶體M4導通時，提供ICLAMP信號到和接面110。

電流IREF係提供到電流DAC 130。電流DAC 130之輸出藉電阻器R3耦接地或另一參考電壓。在一範例中，電流DAC 130為n-位元DAC，其中n為大於0的整數。 在一範例中，n為大於等於3且小於等於9。在一特定範例中，n等於5。使用者能使用已編碼的位元來控制電流DAC 130的輸出以及設定VREF信號。VREF信號符合電流驅動器20’的最大輸出電流。

若電壓X維持低於信號VREF，op amp 122不會將電晶體M4導通。然而，若電壓X超過信號VREF(亦即，指示電流驅動器將會超過最大許可的電流)，接著電晶體M4導通且ICLAMP信號發送到和接面110，其將致能降低從電流增益級106所接收的信號且強迫電流驅動器20’將輸出信號嵌位在最大許可電流處。

先前說明的汲極匹配使得引動器線圈為主回授迴路(feedback loop)之部分。由LCOIL所表徵的引動器之電感及電晶體M1、M2、M3之寄生電容形成振盪器電路，其由阻尼電阻器R4所補償。

本領域具有通常知識者將理解，圖2中之電流驅動器20’係為圖1之電流驅動器20之簡化單向性表徵，且如此並無必要說明所有元件。例如，在H-橋中的nMOSFET並未在圖2中說明。亦如是者，本領域具有通常知識者會理解，圖2可使用在H-橋中的nMOSFET所實行，藉簡單的將示意圖反向以取代pMOSFET。

在另一範例中，圖2中所示的地(ground)可由例如負電動勢所取代。

請參考圖3，圖表300說明電流驅動器20’的嵌位功能。隨著對電流驅動器20’的輸入電壓，Vind增加，嵌位 功能並未打開。例如，在曲線之區域302中，輸出電流隨增加輸入電壓Vind線性增加，同時輸出電流低於最大選定輸出電流。當輸出電流達到最大選定輸出電流308時，則嵌位功能囓合(engaged)且電流驅動器20’的輸出電流隨增加輸入電壓Vind在最大選定輸出電流處實質上的保持恆定。

請參照圖4，電流對不同碼(其進入用以設定電流驅動器20’之最大輸出電流的n位元DAC)的範例的圖表400。藉選擇用於DAC 130之碼，使用者能夠控制VREF信號且藉以選擇由電流驅動器20’所提供的最大輸出電流。在圖4中的圖表400追隨兩者的補償行為。例如，最低最大輸出流在碼16處開始且持續增加至碼31。最大輸出電流持續增加在碼0處開始。在此範例中，由於在電源，VCC中的限制，碼7至15保持約全尺標的84.6%的平坦。使用其它的電源能將全尺標的84.6%之最大輸出電流增加到更高值。藉使用DAC 130，使用者能調整電流驅動器的最大輸出電流，盡管在處理電流驅動器20’、供應電壓特性及溫度中變異。

於此說明的元件並非限於所說明的特定範例。例如，操作放大器112、122之一或更多者可為操作跨導放大器(OTA；operational transconductance amplifier)。在一範例中，電晶體M4與M5為pMOSFET。在另一範例中，電流驅動器20’可重組態來使用nMOSFET而非pMOSFET。在進一步範例中，在圖2中的汲極機構可藉 移除op amp 112及電晶體M5且直接將電晶體M3的汲極耦接到點X而移除。

本領域具有通常知識者會理解，MOSFET可由其它裝置取代，例如像是雙極接面電晶體(BJT：bipolar junction transistor)或雙擴散金氧半導體(DMOS；double-diffused metal-oxide-semiconductor)。

於此說明的不同實施例之元件可結合以形成未在上述具體提出的其它實施例。未於此具體說明其它實施例亦在下列申請專利範圍的範圍內。

20’‧‧‧電流驅動器

24’‧‧‧引動器線圈

R1~R4‧‧‧電阻器

M1~M5‧‧‧電晶體

Vind‧‧‧輸入電壓

102‧‧‧跨導放大器

106‧‧‧電流增益級

110‧‧‧和接面

112‧‧‧操作放大器

122‧‧‧操作放大器

130‧‧‧電流數位類比轉換器

C‧‧‧電容

Claims (20)

1. 一種電流驅動器，包含：操作放大器，包含組態以接收參考信號的第一輸入埠，及組態以接收可變信號的第二輸入埠，該可變信號為該電流驅動器之輸出電流的函數，該參考信號符合該電流驅動器之選定的最大輸出電流；回授電晶體，包含耦接該操作放大器之輸出的閘極；以及和接面，耦接該回授電晶體之汲極且組態以接收來自該汲極的信號，以當該可變信號超過該參考信號時致能將該電流驅動器之該輸出電流嵌位到該最大輸出電流，該和接面耦接成組的電晶體，其組態以提供該電流驅動器之該輸出電流，其中該組電晶體之至少一者為該組電晶體之另一者的鏡射。
2. 一種電流驅動器，包含：操作放大器，包含組態以接收參考信號的第一輸入埠，及組態以接收可變信號的第二輸入埠，該可變信號為該電流驅動器之輸出電流的函數，該參考信號符合該電流驅動器之選定的最大輸出電流；回授電晶體，包含耦接該操作放大器之輸出的閘極；以及和接面，耦接該回授電晶體之汲極且組態以接收來自該汲極的信號，以當該可變信號超過該參考信號時致能將 該電流驅動器之該輸出電流嵌位到該最大輸出電流，該和接面耦接成組的電晶體，其組態以提供該電流驅動器之該輸出電流；耦接該回授電晶體的n位元電流數位類比轉換器(DAC)且組態以提供該參考電壓，其中n為大於0的整數。
3. 如申請專利範圍第2項之電路，其中n大於等於3且小於等於9。
4. 如申請專利範圍第3項之電路，其中n等於5。
5. 如申請專利範圍第1項之電路，更包含耦接於該和接面與該組電晶體之間的電阻器。
6. 一種電流驅動器，包含：操作放大器，包含組態以接收參考信號的第一輸入埠，及組態以接收可變信號的第二輸入埠，該可變信號為該電流驅動器之輸出電流的函數，該參考信號符合該電流驅動器之選定的最大輸出電流；回授電晶體，包含耦接該操作放大器之輸出的閘極；以及和接面，耦接該回授電晶體之汲極且組態以接收來自該汲極的信號，以當該可變信號超過該參考信號時致能將該電流驅動器之該輸出電流嵌位到該最大輸出電流，該和接面耦接成組的電晶體，其組態以提供該電流驅動器之該輸出電流；跨導放大器，組態以接收到該電流驅動器的輸入信 號；以及電流增益級電路，其包含該和接面且耦接該跨導放大器之輸出。
7. 如申請專利範圍第6項之電路，其中該操作放大器為第一操作放大器且該回授電晶體為第一回授電晶體，且更包含：第二操作放大器，包含耦接該組電晶體的第一輸入；以及第二回授電晶體，包含耦接該第二操作放大器之該輸出的閘極、耦接該第一操作放大器之輸入的汲極以及耦接該第二操作放大器之該第一輸入的源極。
8. 如申請專利範圍第7項之電路，其中該第一與第二操作放大器之至少一者為操作跨導放大器。
9. 如申請專利範圍第1項之電路，其中該組電晶體之各者為多個nMOSFET其中之一者或多個pMOSFET其中之一者。
10. 如申請專利範圍第1項之電路，其中該組電晶體之至少兩者為H-橋電路的部分。
11. 一種電流驅動器，包含：操作放大器，包含組態以接收參考信號的第一輸入埠，及組態以接收可變信號的第二輸入埠，該可變信號為該電流驅動器之輸出電流的函數，該參考信號符合該電流驅動器之選定的最大輸出電流； 回授電晶體，包含耦接該操作放大器之輸出的閘極；以及和接面，耦接該回授電晶體之汲極且組態以接收來自該汲極的信號，以當該可變信號超過該參考信號時致能將該電流驅動器之該輸出電流嵌位到該最大輸出電流，該和接面耦接成組的電晶體，其組態以提供該電流驅動器之該輸出電流，其中該可變電壓符合提供至負載之該電流驅動器的該輸出電流。
12. 如申請專利範圍第11項之電路，其中該可變電壓與提供至負載的該電流驅動器的該輸出電流成比例。
13. 如申請專利範圍第12項之電路，其中該可變電壓與提供至負載的該電流驅動器之該輸出電流成線性比例。
14. 如申請專利範圍第11項之電路，其中該負載為用於攝影機模組的引動器線圈。
15. 如申請專利範圍第14項之電路，其中該攝影機模組包含自動對焦功能。
16. 一種電流驅動器，包含：操作放大器，包含組態以接收參考信號的第一輸入埠及組態以接收可變信號的第二輸入埠，該可變信號為該電流驅動器之輸出電流的函數，該參考信號符合該電流驅動器之選定的最大輸出電流；回授電晶體，包含耦接該操作放大器之該輸出的閘 極；和接面，耦接該回授電晶體之汲極且組態以接收來自該汲極的信號，以當該可變信號超過該參考信號時致能將該電流驅動器之該輸出電流嵌位到該最大輸出電流，該和接面耦接H-橋電路；阻尼電阻器，耦接於該和接面與該H-橋電路之間；該H-橋電路，組態以提供該電流驅動器之該輸出電流且耦接引動器線圈；以及數位類比轉換器(DAC)，耦接該回授電晶體且組態以提供該參考電壓。
17. 如申請專利範圍第16項之電路，其中該可變電壓與提供至該引動器線圈的該電流驅動器之該輸出電流成比例。
18. 如申請專利範圍第17項之電路，更包含：跨導放大器，組態以接收到該電流驅動器的輸入信號；以及電流增益級電路，包含該和接面且耦接該跨導放大器之輸出。
19. 如申請專利範圍第18項之電路，其中該操作放大器為第一操作放大器且該回授電晶體為第一回授電晶體，且更包含：第二操作放大器，包含耦接該組電晶體的第一輸入；以及 第二回授電晶體，包含耦接該第二操作放大器之輸出的閘極、耦接該第一操作放大器之輸入的汲極以及耦接該第二操作放大器之該第一輸入的源極。
20. 一種電流驅動器，包含：第一操作放大器，包含組態以接收參考信號的第一輸入埠及組態以接收可變信號的第二輸入埠，該可變信號與該電流驅動器之輸出電流成比例，該參考信號符合該電流驅動器之選定的最大輸出電流；第一回授電晶體，包含耦接該第一操作放大器之該輸出的閘極；和接面，耦接該第一回授電晶體之汲極且組態以接收來自該汲極的信號以當該可變信號超過該參考信號時致能將該電流驅動器之該輸出電流嵌位到最大輸出電流，該和接面耦接H-橋電路；阻尼電阻器，耦接於該和接面與該H-橋電路之間；該H-橋電路，組態以提供該電流驅動器之該輸出電流且耦接具有自動對焦功能之攝影機模組的引動器線圈；跨導放大器，組態以接收到該電流驅動器的輸入信號；電流增益級電路，包含該和接面且耦接該跨導放大器之輸出；數位類比轉換器(DAC)，耦接該第一回授電晶體且組態以提供該參考電壓；第二操作放大器，包含耦接該H-橋電路的第一輸 入；以及第二回授電晶體，包含耦接該第二操作放大器之該輸出的閘極、耦接該第一操作放大器之輸入的汲極以及耦接該第二操作放大器之該第一輸入的源極。