TWI531154B - 過電流保護電路 - Google Patents

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TWI531154B TW102139107A TW102139107A TWI531154B TW I531154 B TWI531154 B TW I531154B TW 102139107 A TW102139107 A TW 102139107A TW 102139107 A TW102139107 A TW 102139107A TW I531154 B TWI531154 B TW I531154B
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過電流保護電路
本發明是有關於一種過電流保護電路，且特別是有關於一種應用於運算放大器上的過電流保護電路。
在積體電路當中，當輸出負載電路短路時，例如將輸出級電路之輸出端，直接接地或直接接至一電壓源，來做極限測試，此時會有巨大電流產生，超過最大容許量之電流流入電晶體，會對電晶體造成損害，影響其可靠度；即使電流量未超過最大容許電流，但為了保護連接於電晶體之負載電路，有時亦有必要對電流量加以限制。
在先前技術當中，為了保護電晶體不被過大的電流損傷，或是為了限制流入負載電路之電流量，通常會採用具有電流限制功能之過電流保護電路，對電路進行保護。當流經電晶體之電流超過一臨界值時，此過電流保護電路會啟動，將輸出電晶體關閉，避免進一步的損害。
然而，採用過電流保護電路，將會使輸出電壓的擺幅縮小，使得軌對軌電壓(Rail to Rail voltage)幅度縮小，對電路性能造成影響。詳細來說，當相同VGS情況底下，輸 出級電路的電晶體處於三極體區(Triode Region)，而過電流保護電路的感測電晶體處於飽和區(Saturation region)，會使得保護電路誤判電流大小而提早啟動，使輸出電壓的擺幅縮小，進而影響輸出電壓的效能。
有鑑於先前技術當中所存在的上述問題，需要一種過電流保護電路，在輸出電壓值增加或減少而靠近電源電壓或是靠近接地電壓時，延緩過電流保護電路的啟動時間，避免輸出電壓的擺幅縮小。
依據本發明之一實施例，過電流保護電路應用於一運算放大器上，此過電流保護電路含有一第一電晶體、一第一感測電晶體、一第一限流電路、一第一限流開關，以及一第一電流比較器。第一電晶體具有一閘極、一第一源汲極，以及一第二源汲極，閘極電性連接一輸出級電路之一輸出端，輸出端上流過一輸出電流；第一源汲極電性連接一第一電流源，第二源汲極電性連接一第一參考電流源；第一感測電晶體具有一閘極、一第一源汲極，以及一第二源汲極，閘極電性連接一運算放大器之一第一輸出端，第一源汲極電性連接一電壓源；第一限流電路用以調控電流之大小；第一限流開關電性連接第一限流電路以及輸出級電路；第一電流比較器依據輸出電流、第一電流源，以及第一參考電流源，決定是否導通第一限流開關。
依據本發明之另一實施例，過電流保護電路含有一 第八電晶體、一第二感測電晶體、一第二限流電路、一第二限流開關，以及一第二電流比較器。第八電晶體具有一閘極、一第一源汲極，以及一第二源汲極，其閘極電性連接一輸出級電路之一輸出端，輸出端上流過一輸出電流，第一源汲極電性連接一第三電流源，第二源汲極電性連接一第二參考電流源；第二感測電晶體具有一閘極、一第一源汲極，以及一第二源汲極，其閘極電性連接一運算放大器之一第二輸出端，其第一源汲極電性連接一接地端；第二限流電路用以調控電流之大小；第二限流開關電性連接第二限流電路以及輸出級電路；第二電流比較器依據輸出電流、第三電流源，以及第二參考電流源，決定是否導通第二限流開關。
以上實施例的過電流保護電路，在輸出電壓值增加或減少而靠近電源電壓或是靠近接地電壓時，使電流臨界值(Peak/Limit current)的大小增加或變大，延緩過電流保護電路的啟動時間，因此可避免輸出電壓的擺幅縮小；在輸出電壓與電源電壓或是與接地電壓之間的差距拉大之後，則使電流臨界值的大小回復原先的準位，保持正常運作。
101‧‧‧運算放大器
103‧‧‧N型過電流保護電路
105‧‧‧P型過電流保護電路
107‧‧‧P型電晶體
109‧‧‧N型電晶體
111‧‧‧輸出級電路
113、115‧‧‧曲線
117‧‧‧曲線
200‧‧‧過電流保護電路
201‧‧‧第一電晶體
203‧‧‧第一感測電晶體
205‧‧‧第一限流電路
207‧‧‧第一限流開關
209‧‧‧第一電流比較器
211‧‧‧輸出級電路
213‧‧‧第四電晶體
215‧‧‧第五電晶體
217‧‧‧第六電晶體
219‧‧‧第七電晶體
221‧‧‧第二電晶體
223‧‧‧第三電晶體
225‧‧‧第一輸出電晶體
227‧‧‧第二輸出電晶體
229‧‧‧第二電流源
300‧‧‧過電流保護電路
301‧‧‧第八電晶體
303‧‧‧第二感測電晶體
305‧‧‧第二限流電路
307‧‧‧第二限流開關
309‧‧‧第二電流比較器
313‧‧‧第九電晶體
315‧‧‧第十電晶體
317‧‧‧第十一電晶體
319‧‧‧第十二電晶體
321‧‧‧第十四電晶體
323‧‧‧第十三電晶體
329‧‧‧第四電流源
第1A圖至第1C圖係繪示本發明實施例過電流保護電路之應用示意圖。
第2圖係繪示本發明第一實施例P型過電流保護電 路之電路圖。
第3圖係繪示本發明第一實施例N型過電流保護電路之電路圖。
以下實施例的過電流保護電路，利用額外的電晶體及電流源，在輸出電壓值增加或減少而靠近電源電壓或是靠近接地電壓時，使電流臨界值(Peak/Limit current)增加或變大，延緩過電流保護電路的啟動時間，因此可以避免輸出電壓的擺幅縮小。
第1A圖至第1C圖係繪示本發明實施例過電流保護電路之應用示意圖。由第1A圖可以看出，N型過電流保護電路103與P型過電流保護電路105的一側會連接到運算放大器101的輸出端，N型過電流保護電路103與P型過電流保護電路105的另一側會連接到輸出級電路111的P型電晶體107與N型電晶體109。由第1B圖與第1C圖可以看出，增加了本發明實施例的過電流保護電路之後，輸出電流曲線會由曲線113調升至曲線115或曲線117，使得尖峰電流(Peak Current)與臨限電流(Limit Current)往上增加，輸出級電路111的P型電晶體107與N型電晶體109延遲關閉，使輸出電壓值往電壓源VDDA與VSSA的電壓值靠近，避免輸出電壓的擺幅縮小。
第2圖係繪示本發明第一實施例P型過電流保護電路之電路圖。過電流保護電路200應用於運算放大器上， 此過電流保護電路200含有第一電晶體201、第一感測電晶體203、第一限流電路205、第一限流開關207，以及第一電流比較器209，其中，第一感測電晶體203、輸出級電路211之第一輸出電晶體225、以及第一限流開關207為P型電晶體。
第一電晶體201，例如一N型電晶體，其閘極電性連接輸出級電路211之輸出端OUT，第一源汲極電性連接第一電流源IM1，第二源汲極電性連接第一參考電流源IRef。第一感測電晶體203具有閘極、第一源汲極，以及第二源汲極，其閘極電性連接運算放大器(顯示於第1A圖)之第一輸出端Y以及輸出級電路211之第一輸出電晶體225之閘極，第一感測電晶體203之第一源汲極電性連接電壓源VDDA。第一限流電路205用以調控電流之大小。第一限流開關207電性連接第一限流電路205以及輸出級電路211之第一輸出電晶體225之閘極。
第一電流比較器209具有第一端B、第二端C，以及第三端D，第一端B電性連接第一電晶體201與第一參考電流源IREF之連接端，第二端C電性連接第一限流開關207之閘極，第三端D電性連接第一感測電晶體203之第二源汲極。第一電流比較器209內含第四電晶體213、第五電晶體215、第六電晶體217，以及第七電晶體219，其中，第四電晶體213與第五電晶體215為P型電晶體，第六電晶體217與第七電晶體219為N型電晶體。第四電晶體213之第一源汲極電性連接電壓源VDDA，其第二源汲極電性 連接其閘極，第四電晶體213之第二源汲極電性連接第一電晶體201之第二源汲極。第五電晶體215之閘極電性連接第四電晶體213之閘極，第五電晶體215之第一源汲極電性連接電壓源VDDA。第六電晶體217之第一源汲極電性連接接地端GND，其第二源汲極電性連接第五電晶體215之第二源汲極。第七電晶體219之閘極電性連接第六電晶體217之閘極，第七電晶體219之第一源汲極電性連接接地端GND，其第二源汲極電性連接自身之閘極。
過電流保護電路200更含第二電晶體221以及第三電晶體223。第二電晶體221之閘極電性連接第五電晶體215之第二源汲極，第一源汲極電性連接第一電晶體201與第一參考電流源IREF之連接端B。第三電晶體223之閘極電性連接第一電晶體201之閘極以及輸出級電路211之輸出端OUT，其第一源汲極電性連接第二電晶體221之第二源汲極，其第二源汲極電性連接第二電流源229。
當輸出端OUT的電壓值接近電壓源VDDA的電壓值，第一電晶體201會導通(ON)，第三電晶體223截止(OFF)，使端點B上的電流成為IRef+IM1，經由電流鏡(Current Mirror，電晶體213、215)的鏡射作用，流經端點C的電流大小為K(IRef+IM1)。流經端點D與端點C’的電流與輸出電流Ioutput相等。經第一電流比較器209比較電流K(IRef+IM1)與電流Ioutput，得出Ioutput大於K(IRef+IM1)，將使第一限流開關207導通(ON)，使端點E上的電壓上升，而關閉(Turn off)第一輸出電晶體225。由於增加了第一電流源IM1，使 電流臨界值(Peak/Limit current)的大小增加，延緩過電流保護電路的啟動時間，使第一輸出電晶體225關閉/截止(Off)的時間往後延遲，使輸出端OUT上的電壓往電壓源VDDA之電壓值靠近，因此可以避免輸出電壓的擺幅縮小。
第3圖係繪示本發明第二實施例N型過電流保護電路之電路圖。過電流保護電路300含有第八電晶體301、第二感測電晶體303、第二限流電路305、第二限流開關307，以及第二電流比較器309，其中，第八電晶體301為P型電晶體，第二感測電晶體303、輸出級電路211之第二輸出電晶體227，以及第二限流開關307為N型電晶體。第八電晶體301之閘極電性連接輸出級電路211之輸出端OUT，第一源汲極電性連接第三電流源IM8，第二源汲極電性連接第二參考電流源IREF；第二感測電晶體303之閘極電性連接運算放大器(第1A圖)之第二輸出端(A)與第二輸出電晶體227之閘極，其第一源汲極電性連接接地端GND。第二限流電路305用以調控電流之大小；第二限流開關307電性連接第二限流電路305以及輸出級電路211，詳細來說，第二限流開關307之第一源汲極電性連接第二限流電路305，其第二源汲極電性連接第二輸出電晶體227之閘極。
第二電流比較器309之第一端U電性連接第八電晶體301與第二參考電流源IREF之連接端，其第二端V電性連接第二限流開關307，其第三端W電性連接第二感測電晶體303之第二源汲極，其中此第二電流比較器309內含第九電晶體313、第十電晶體315、第十一電晶體317，以 及第十二電晶體319，其中，第九電晶體313與第十電晶體315為N型電晶體，第十一電晶體317與第十二電晶體319為P型電晶體。第九電晶體313之第一源汲極電性連接接地端GND，其第二源汲極電性連接閘極，第八電晶體301之第二源汲極電性連接第九電晶體313之第二源汲極；第十電晶體315之閘極電性連接第九電晶體313之閘極，其第一源汲極電性連接接地端GND。第十一電晶體317之第一源汲極電性連接電壓源VDD，第二源汲極電性連接第十電晶體315之第二源汲極；第十二電晶體319之閘極電性連接第十一電晶體317之閘極，其第一源汲極電性連接電壓源VDD，其第二源汲極電性連接自身之閘極。第二限流開關307之閘極電性連接第十電晶體315之第二源汲極。
過電流保護電路300更含第十三電晶體323以及第十四電晶體321，第十三電晶體323之閘極電性連接第八電晶體301之閘極以及輸出級電路211之輸出端OUT，其第一源汲極電性連接第八電晶體301與第二參考電流源IRef之連接端。第十四電晶體321之閘極電性連接第十電晶體315之第二源汲極，其第一源汲極電性連接第十三電晶體323之第二源汲極，其第二源汲極電性連接第四電流源329。
當輸出端OUT的電壓值接近接地端GND的電壓值，第八電晶體301會導通(ON)，第十三電晶體323截止(OFF)，使端點U上的電流成為IRef+IM8，經由電流鏡(Current Mirror，電晶體313、315)的鏡射作用，流經端點V的電流大小為K(IRef+IM8)。流經端點W與端點V’的電流與輸出電 流Ioutput相等。經第二電流比較器309比較電流K(IRef+IM8)與電流Ioutput，得出Ioutput大於K(IRef+IM1)，將使第二限流開關307導通(ON)，使端點A上的電壓下降，而關閉(Turn off)第二輸出電晶體227。由於增加了額外的第三電流源IM8，電流臨界值(Peak/Limit current)的大小增加，延緩過電流保護電路的啟動時間，使第二輸出電晶體227關閉(Off)的時間往後延遲，輸出端OUT上的電壓往接地電壓GND靠近，因此可以避免輸出電壓的擺幅縮小。
以上實施例的過電流保護電路，在輸出電壓值增加或減少而靠近電源電壓或是靠近接地電壓時，使電流臨界值增加或變大，延緩過電流保護電路的啟動時間，因此可避免輸出電壓的擺幅縮小；在輸出電壓與電源電壓或是與接地電壓之間的差距拉大之後，則使電流臨界值回復原先的準位，保持正常運作。
200‧‧‧過電流保護電路
201‧‧‧第一電晶體
203‧‧‧第一感測電晶體
205‧‧‧第一限流電路
207‧‧‧第一限流開關
209‧‧‧第一電流比較器
211‧‧‧輸出級電路
213‧‧‧第四電晶體
215‧‧‧第五電晶體
217‧‧‧第六電晶體
219‧‧‧第七電晶體
221‧‧‧第二電晶體
223‧‧‧第三電晶體
225‧‧‧第一輸出電晶體
227‧‧‧第二輸出電晶體
229‧‧‧第二電流源

Claims (18)

  1. 一種過電流保護電路，應用於一運算放大器上，該過電流保護電路包含：一第一電晶體，具有：一閘極，電性連接一輸出級電路之一輸出端，該輸出端上流過一輸出電流；一第一源/汲極，電性連接一第一電流源；以及一第二源/汲極，電性連接一第一參考電流源；一第一感測電晶體，具有：一閘極，電性連接一運算放大器之一第一輸出端；一第一源/汲極，電性連接一電壓源；以及一第二源/汲極；一第一限流電路，以調控電流之大小；一第一限流開關，電性連接該第一限流電路以及該輸出級電路；以及一第一電流比較器，以依據該輸出電流、該第一電流源，以及該第一參考電流源，決定是否導通該第一限流開關。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之過電流保護電路，其中該第一電晶體為N型電晶體。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之過電流保護電路，其中該第一感測電晶體與該輸出級電路之一第一輸出電晶體 為P型電晶體，該第一感測電晶體之該閘極與該第一輸出電晶體之一閘極電性連接在一起。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之過電流保護電路，其中該第一電流比較器具有：一第一端，電性連接該第一電晶體與該第一參考電流源之連接端；一第二端，電性連接該第一限流開關；以及一第三端，電性連接該第一感測電晶體之該第二源/汲極。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之過電流保護電路，其中該第一電流比較器包含：一第四電晶體，具有：一閘極；一第一源/汲極，電性連接該電壓源；以及一第二源/汲極，電性連接該閘極；一第五電晶體，具有：一閘極，電性連接該第四電晶體之該閘極；一第一源/汲極，電性連接該電壓源；以及一第二源/汲極；一第六電晶體，具有：一閘極；一第一源/汲極，電性連接一接地端；以及 一第二源/汲極，電性連接該第五電晶體之該第二源/汲極；以及一第七電晶體，具有：一閘極，電性連接該第六電晶體之該閘極；一第一源/汲極，電性連接該接地端；以及一第二源/汲極，電性連接自身之該閘極。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之過電流保護電路，其中該第四電晶體與該第五電晶體為P型電晶體，該第六電晶體與該第七電晶體為N型電晶體。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之過電流保護電路，其中該第一限流開關為一P型電晶體，該第一限流開關具有：一閘極，電性連接該第五電晶體之該第二源/汲極；一第一源/汲極，電性連接該第一限流電路；以及一第二源/汲極，電性連接該第一輸出電晶體之該閘極。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之過電流保護電路，其中該第一電晶體之該第二源/汲極電性連接該第四電晶體之該第二源/汲極。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之過電流保護電路，更包含：一第二電晶體，具有： 一閘極，電性連接該第五電晶體之該第二源/汲極；一第一源/汲極，電性連接該第一電晶體與該第一參考電流源之連接端；以及一第二源/汲極；以及一第三電晶體，具有：一閘極，電性連接該第一電晶體之該閘極以及該輸出級電路之該輸出端；一第一源/汲極，電性連接該第二電晶體之該第二源/汲極；以及一第二源/汲極，電性連接一第二電流源。
  10. 一種過電流保護電路，應用於一運算放大器上，該過電流保護電路包含：一第八電晶體，具有：一閘極，電性連接一輸出級電路之一輸出端，該輸出端上流過一輸出電流；一第一源/汲極，電性連接一第三電流源；以及一第二源/汲極，電性連接一第二參考電流源；一第二感測電晶體，具有：一閘極，電性連接一運算放大器之一第二輸出端；以及一第一源/汲極，電性連接一接地端；以及一第二源/汲極；以及 一第二限流電路，以調控電流之大小；一第二限流開關，電性連接該第二限流電路以及該輸出級電路；以及一第二電流比較器，以依據該輸出電流、該第三電流源，以及該第二參考電流源，決定是否導通該第二限流開關。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之過電流保護電路，其中該第八電晶體為P型電晶體。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之過電流保護電路，其中該第二感測電晶體與該輸出級電路之一第二輸出電晶體為N型電晶體，該第二感測電晶體之該閘極與該第二輸出電晶體之一閘極電性連接在一起。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之過電流保護電路，其中該第二電流比較器，具有：一第一端，電性連接該第八電晶體與該第二參考電流源之連接端；一第二端，電性連接該第二限流開關；以及一第三端，電性連接該第二感測電晶體之該第二源/汲極。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之過電流保護電路， 其中該第二電流比較器包含：一第九電晶體，具有：一閘極；一第一源/汲極，電性連接該接地端；以及一第二源/汲極，電性連接該閘極；一第十電晶體，具有：一閘極，電性連接該第九電晶體之該閘極；一第一源/汲極，電性連接該接地端；以及一第二源/汲極；一第十一電晶體，具有：一閘極；一第一源/汲極，電性連接一電壓源；以及一第二源/汲極，電性連接該第十電晶體之該第二源/汲極；以及一第十二電晶體，具有：一閘極，電性連接該第十一電晶體之該閘極；一第一源/汲極，電性連接該電壓源；以及一第二源/汲極，電性連接自身之該閘極。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之過電流保護電路，其中該第九電晶體與該第十電晶體為N型電晶體，該第十一電晶體與該第十二電晶體為P型電晶體。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之過電流保護電路， 其中該第二限流開關為一N型電晶體，該第二限流開關具有：一閘極，電性連接該第十電晶體之該第二源/汲極；一第一源/汲極，電性連接該第二限流電路；以及一第二源/汲極，電性連接該第二輸出電晶體之該閘極。
  17. 如申請專利範圍第14項所述之過電流保護電路，其中該第八電晶體之該第二源/汲極電性連接該第九電晶體之該第二源/汲極。
  18. 如申請專利範圍第14項所述之過電流保護電路，更包含：一第十三電晶體，具有：一閘極，電性連接該第八電晶體之該閘極以及該輸出級電路之該輸出端；一第一源/汲極，電性連接該第八電晶體與該第二參考電流源之連接端；以及一第二源/汲極；以及一第十四電晶體，具有：一閘極，電性連接該第十電晶體之該第二源/汲極；一第一源/汲極，電性連接該第十三電晶體之該第二源/汲極；以及一第二源/汲極，電性連接一第四電流源。
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