開關(guān)電流源電路和方法
【專利摘要】一種開關(guān)電流源，其中對在驅(qū)動輸出晶體管的柵極時使用的參考電壓值進行采樣和存儲。使用向電流感測晶體管饋電的參考電流源來得到參考電壓。當(dāng)輸出晶體管截止時將電流感測晶體管截止，使得參考電流源不會消耗功率。然后，可以短時間使用較大的參考電流Iref。
【專利說明】開關(guān)電流源電路和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及開關(guān)電流源電路，即在輸出處提供所需電流并且可以接通或關(guān)斷的電路。

【背景技術(shù)】
[0002]諸如D類放大器和開關(guān)模式電源之類的開關(guān)電路的重要方面是電磁兼容(EMC)。
[0003]在開關(guān)設(shè)計中可以采用以改進EMC性能的幾種措施之一是使輸出電壓節(jié)點的轉(zhuǎn)變速度慢下來。這通常稱作“斜率控制”。當(dāng)接通功率MOSFET時在輸出處獲得恒定斜率的眾所周知方法是采用功率MOSFET的寄生柵極-漏極電容Cgd的反饋米勒效應(yīng)。
[0004]圖1示出了當(dāng)導(dǎo)通晶體管時利用斜率控制的功率MOSFET的示例。柵極漏極電容Cgd和二極管是晶體管等效電路的一部分。
[0005]在圖1所示的電路結(jié)構(gòu)中，通過電流源Icharge對功率晶體管Mpower的柵極充電。圖1右手一側(cè)上的曲線示出了柵極電壓Vgate和輸出電壓Vout的電壓瞬態(tài)。
[0006]最初，晶體管Mpower截止并且輸出電壓Vout為高，即接近電源電壓。柵極電壓Vgate穩(wěn)定地增加，直到柵極電壓達到功率晶體管Mpower的閾值電壓VT為止。在這一時間點,Mpower開始導(dǎo)通、并且將輸出節(jié)點Vout下拉。在輸出節(jié)點Vout的轉(zhuǎn)變期間,較大的電壓變化率(dV / dt)出現(xiàn)在寄生柵極-漏極電容Cgd兩端,引起所有可用電流Icharge流到Cgd由
[0007]因此，柵極電壓Vgate在輸出轉(zhuǎn)變期間保持幾乎相同，產(chǎn)生了柵極電壓瞬態(tài)中的特征基底(pedestal)。在輸出節(jié)點的轉(zhuǎn)變已經(jīng)完成之后，將柵極電壓進一步充電，直到柵極電壓達到其最終值為止。通過電流Icharge的幅度和寄生柵極_漏極電容Cgd控制轉(zhuǎn)變期間輸出電壓Vout的變化率或“斜率”:
[0008]⑴甚
wQ0
[0009]轉(zhuǎn)變時間典型地是幾十納秒的量級。為了在轉(zhuǎn)變期間獲得恒定斜率，要求可以非常快地接通和穩(wěn)定的電流源Icharge。
[0010]本發(fā)明涉及用作電流開關(guān)的晶體管的控制。術(shù)語“電流開關(guān)”指的是可以接通和關(guān)斷的精確電流源。
[0011]在圖2中不出了電流開關(guān)的最基本電路實施方式。
[0012]電路包括參考電流源Iref。通過電流鏡電路將電流源電流鏡像至輸出lout，所述電流鏡電路包括輸入晶體管Min和輸出晶體管Mout。通過控制晶體管Mctrl實質(zhì)上接通和關(guān)斷電流鏡電路，所述控制晶體管用于將兩個電流鏡晶體管短路以將它們迅速地截止。
[0013]當(dāng)控制信號ctrl為高時，晶體管Mctrl導(dǎo)通并且將Min和Mout的柵極短接至地。電流開關(guān)打開并且輸出電流1ut為零。當(dāng)控制信號ctrl為低時，晶體管Mctrl截止并且通過Min和Mout將參考電流Iref鏡像。
[0014]現(xiàn)在,輸出電流1ut等于基準電流Iref乘以Min和Mout之間的大小比例。
[0015]已知許多替代實施方式，所述替代實施方式改進了電流鏡的速度和/或精度。在圖3中示出了多種替代方式。
[0016]圖3(a)所示的結(jié)構(gòu)具有單位增益緩沖器A0，所述單位增益緩沖器將輸出晶體管Mout的柵極從輸入節(jié)點去耦合。當(dāng)Mout非常大時，因為通過放大器而不是輸入?yún)⒖茧娏鱅ref發(fā)起對于Mout柵極的充電,這提高了電流鏡的速度。然而，輸入晶體管Min和單位增益緩沖器形成了反饋回路，所述反饋回路可能變得不穩(wěn)定。
[0017]在圖3(b)中所示的結(jié)構(gòu)中，輸入晶體管Min是二極管連接的，并且單位增益緩沖器AO將Min的柵極電壓復(fù)制到Mout的柵極，而不會形成反饋回路。因為不存在反饋回路，這種結(jié)構(gòu)將不會具有穩(wěn)定性問題，但是這種結(jié)構(gòu)不太精確，因為放大器AO的有限增益和偏移將引入誤差。
[0018]在圖3(c)所示的結(jié)構(gòu)中，放大器AO的反相輸入端與輸出節(jié)點相連。在這種結(jié)構(gòu)中，現(xiàn)在通過放大器和兩個晶體管Min和Mout形成的反饋環(huán)路強制輸入電壓等于輸出電壓。因為現(xiàn)在兩個晶體管具有相同的柵極-源極電壓和相同的漏極-源極電壓，大大地改進了電流鏡的精度。然而，反饋環(huán)路的穩(wěn)定性現(xiàn)在依賴于與輸入端和輸出端相連的阻抗。
[0019]當(dāng)輸入晶體管Min和輸出晶體管Mout之間的比率非常大，例如1:1000時，出現(xiàn)與圖2所示的電流開關(guān)有關(guān)的具體問題。在這種情況下，因為對Mout的柵極進行充電的電流需要由輸入?yún)⒖茧娏鱅ref提供，電流開關(guān)的閉合變得非常慢。圖3所示的替代方式解決了這種問題，但是可能具有穩(wěn)定性問題。
[0020]同樣，為了實現(xiàn)非常高的速度，在這些結(jié)構(gòu)中使用的放大器要求大量的功率。注意:打開電流開關(guān)沒什么問題；通過晶體管Mctrl的適當(dāng)大小調(diào)節(jié)易于實現(xiàn)任意所需的速度。
[0021]EP2354882公開了一種結(jié)構(gòu)，其中當(dāng)閉合電流開關(guān)時，將輸出晶體管的柵極電壓增加為與輸入晶體管Min的柵極電壓相同電平所要求的電荷量是第一量級的常數(shù)。這是通過利用開關(guān)將適當(dāng)大小的電荷存儲裝置預(yù)充電至比輸出晶體管的所需柵極電壓更高的電壓、然后將電荷存儲裝置放電至輸出晶體管的柵極來實現(xiàn)的。這意味著輸出晶體管的柵極電壓的控制是基于所要求的供應(yīng)給柵極的電荷量(因為當(dāng)放電時輸出晶體管的初始條件是已知的)、而不是基于所需的電壓。因此，將受控的電荷流提供給輸出晶體管柵極而不是施加受控電壓。
[0022]在一些情況下，需要減小現(xiàn)有技術(shù)電路的電路面積。此外，參考電流Iref的較小值限制了電路的預(yù)充電速度，即對放電階段之后使用的電荷存儲裝置重新充電所要求的時間。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0023]本發(fā)明由權(quán)利要求限定。
[0024]根據(jù)本發(fā)明，提出了一種用于提供開關(guān)電流源輸出的開關(guān)電路，包括:
[0025]參考電壓輸入裝置，所述參考電壓輸入裝置包括參考電壓電荷存儲裝置；
[0026]柵極電壓電荷存儲結(jié)構(gòu)，用于存儲從參考電壓得到的預(yù)充電電壓；
[0027]參考電流源，提供參考電流；
[0028]輸出晶體管；
[0029]電流感測晶體管，用于產(chǎn)生根據(jù)電流源輸出、并且由參考電流源供應(yīng)的感測電流；
[0030]隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)，用于將輸出晶體管的柵極和電流感測晶體管的柵極與柵極電壓電荷存儲結(jié)構(gòu)選擇性地耦合或隔離；
[0031]放電開關(guān)結(jié)構(gòu)，用于對輸出晶體管的柵極和電流感測晶體管的柵極放電；
[0032]反饋環(huán)路，用于控制在參考電壓電荷存儲裝置中存儲的參考電壓，以保持感測電流等于參考電流。
[0033]這種結(jié)構(gòu)對參考電壓值進行采樣，并且將采樣的參考電壓值存儲在參考電壓電荷存儲結(jié)構(gòu)(例如，一個或多個電容器)中。如在已知的電路中那樣，使用參考電流源得到參考電壓。然而，參考電流源向作為其負載的感測晶體管供電。當(dāng)輸出晶體管截止時，這種感測晶體管截止；并且參考電流源然后飽和(無負載)并且不消耗功率。因此，本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)，其中可以在短時間使用較大的參考電流Iref。在參考電壓電荷存儲裝置上對從這種參考電流源得到的參考電壓進行采樣，以允許參考電流源的非連續(xù)使用。反饋結(jié)構(gòu)也確保了采樣的參考電壓是使得輸出電流是參考電流的縮放版本所需的。
[0034]優(yōu)選地，電路按照兩種模式操作:
[0035]預(yù)充電模式，其中通過參考電壓對柵極電壓電荷存儲結(jié)構(gòu)預(yù)充電，并且通過放電開關(guān)結(jié)構(gòu)對輸出晶體管柵極和感測晶體管柵極放電，并且隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)將柵極存儲裝置與輸出晶體管柵極隔離；以及
[0036]放電模式，其中通過隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)將柵極電壓電荷存儲結(jié)構(gòu)放電至輸出晶體管柵極和感測晶體管柵極。
[0037]柵極電壓電荷存儲裝置預(yù)充電到的參考電壓比后續(xù)放電階段期間在柵極上出現(xiàn)的電壓高。
[0038]參考電壓輸入裝置可以包括比較器，所述比較器根據(jù)參考電流和感測電流之差的符號來控制參考電壓電荷存儲裝置的充電或放電。按照這種方式，反饋環(huán)路控制參考電壓以實現(xiàn)參考電流和輸出電流之間的所需關(guān)系。
[0039]可以使用上拉電流源和下拉電流源，并且比較器輸出然后用于將上拉電流源和下拉電流源中的選定電流源耦合至參考電壓電荷存儲裝置。這提供了參考電壓電荷存儲裝置的循環(huán)充電和放電，以改變存儲的參考電壓。
[0040]比較器可以包括窗口比較器，并且脈沖轉(zhuǎn)換器可以用于將窗口比較器輸出轉(zhuǎn)換為上拉脈沖和下拉脈沖，用于控制上拉電流源和下拉電流源。
[0041]優(yōu)選地，將緩沖器設(shè)置在參考電壓輸入裝置和柵極電壓電荷存儲裝置之間。這可以是單位增益緩沖器。
[0042]本發(fā)明可以用作D類放大器或開關(guān)模式電源的開關(guān)輸出級。
[0043]本發(fā)明也提供了一種用于提供開關(guān)電流源輸出的方法，包括:
[0044]在預(yù)充電模式，將柵極電壓電荷存儲結(jié)構(gòu)(Cbuf)充電至從參考電壓(Vref)得到的預(yù)充電電壓，對輸出晶體管(Mout)的柵極和電流感測晶體管的柵極放電，其中電流感測晶體管使用參考電流源(Iref)作為其電流源對來自輸出晶體管的輸出電流進行鏡像；以及
[0045]在放電模式，將柵極電壓電荷存儲結(jié)構(gòu)(Cbuf)放電至輸出晶體管(Mout)的柵極和感測晶體管(Msense)的柵極以將柵極電壓增加根據(jù)電荷流的量，根據(jù)通過電流感測晶體管(Msense)的感測電流(Isense)來調(diào)節(jié)參考電壓(Vref)，并且對參考電壓(Vref)進行采樣以便保持感測電流(Isense)實質(zhì)上等于參考電流(Iref)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0046]現(xiàn)在參考附圖詳細地描述本發(fā)明的示例，其中:
[0047]圖1示出了當(dāng)導(dǎo)通晶體管時具有斜率控制的功率MOSFET的已知示例；
[0048]圖2示出了電流開關(guān)的已知基本電路實施方式；
[0049]圖3示出了對于圖2的電流開關(guān)電路的多種替代；
[0050]圖4(a)和(b)用于概念性地解釋 申請人:先前提供的電路的操作；
[0051]圖5示出了用于圖4的電路的存儲電容器和參考電壓的實施方式；
[0052]圖6是本發(fā)明電路的第一示例；
[0053]圖7是本發(fā)明電路的第二示例；
[0054]圖8是本發(fā)明電路的第三示例；
[0055]圖9是本發(fā)明電路的第四示例；以及
[0056]圖10是用于解釋本發(fā)明的電路操作的時序圖。

【具體實施方式】
[0057]本發(fā)明提供了一種開關(guān)電流源，其中對在驅(qū)動輸出晶體管的柵極時使用的參考電壓值進行采樣和存儲。使用向感測晶體管饋電的參考電流源來得到參考電壓。當(dāng)輸出晶體管截止時將電流感測晶體管截止，使得參考電流源不會消耗功率。于是，可以短時間使用較大的參考電流Iref。
[0058]EP2354882公開了一種如圖4所示的基于簡單開關(guān)電容器電路的快速電流開關(guān)的實施方式。在圖4(a)所示的預(yù)充電階段，通過開關(guān)S2將輸出晶體管Mout的柵極短接至其源極，而通過開關(guān)SO將緩沖電容器Cbuf充電至參考電壓Vref。通過Mout的電流為零。
[0059]在圖4(b)所示的放電階段，開關(guān)SO和S2打開并且SI閉合。在Cbuf上存儲的電荷現(xiàn)在在Mout的柵極上重新分布。
[0060]電荷重新分配的時間常數(shù)受到開關(guān)的電阻以及所包含的總電容的限制，并且可以較小，例如〈Ins。在電荷分配已經(jīng)結(jié)束之后，Mout的柵極處于恒定電壓并且Mout現(xiàn)在用作電流源。
[0061]通過Mout的大小、Cbuf和Mout晶體管的輸入電容Cg之比和參考電壓Vref來確定漏極電流1ut的值。
[0062]使用二極管連接的晶體管來實現(xiàn)參考電壓Vref，所述二極管連接的晶體管與Mout匹配、并且利用參考電流Iref偏置，如圖5所示。圖5也示出了利用MOS晶體管Mbuf實現(xiàn)的電容器Cbuf (具有與Mout中使用的相同柵極氧化物)。
[0063]按照這種方式，輸出電流對于工藝和溫度變化不敏感。
[0064]在圖5所示的現(xiàn)有技術(shù)實施方式中，參考電流Iref連續(xù)地流動，因此應(yīng)該使其盡可能小，例如小于10 μ A以限制功耗。輸出電流1ut只在短峰值期間流動、但是可以相當(dāng)大，例如大于I OmA。因為參考電流Ir ef和輸出電流I out之間的比率較大，參考晶體管Mr ef和輸出晶體管Mout的高寬比之間的比率也需要較大。實際上，這是通過將參考晶體管Mref實現(xiàn)為具有與Mout相同柵極長度的晶體管的堆疊來實現(xiàn)的，使得在仍然保持良好匹配的同時實現(xiàn)較大的等效柵極長度。
[0065]這種結(jié)構(gòu)的第一個問題是在電路面積方面可能變得相當(dāng)龐大。其次，參考電流Iref的小值限制了電路的預(yù)充電速度，即在放電階段之后將Cbuf (即Mbuf)重新充電至Vref所要求的時間。
[0066]本發(fā)明提出了一種結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)使用與參考圖4和圖5解釋的相同基本方法，但是其中短時間使用較大的參考電流Iref、然后在參考電容器Cref上對參考電壓進行采樣。
[0067]因為參考電流Iref以小占空比流動，其可以具有非常低的有效值。另外，Iref的較大值允許參考晶體管和輸出晶體管之間較小的比率，其有益于進行匹配。此外，可以在Cref和Cb Uf之間使用緩沖器以提高充電速度。
[0068]按照這種方式，解決了電路面積和小參考電流的問題。
[0069]在圖6中示出了本發(fā)明電路的第一示例，其提供了參考鎖定環(huán)路。
[0070]電路包括與參考圖4和圖5如上所述相同的緩沖電容器Cbuf和切換結(jié)構(gòu)S0、S1、S2。為了清楚起見，這種緩沖電容器在權(quán)利要求中稱作“柵極電壓電荷存儲結(jié)構(gòu)(Cbuf) ”，因為其存儲這樣的電壓，該電壓的相應(yīng)電荷隨后轉(zhuǎn)移至輸出晶體管的柵極。所述結(jié)構(gòu)可以包括一個或多個電容器(如圖6和圖7所示)。
[0071]此外，存在一種基于輸出電流的感測的反饋環(huán)路。由輸出晶體管Mout (與圖4和圖5中的相同)提供的輸出電流通過電流感測晶體管Msense進行鏡像。Msense是Mout的縮放副本。
[0072]參考電流源Iref向電流鏡晶體管Msense供應(yīng)不同的電流Iref-1sense，將所述不同的電流供應(yīng)給比較器Al。該比較器Al控制開關(guān)電流源Iup和Idown與單位增益緩沖器A2的連接。
[0073]開關(guān)電流源Iup和Idown形成了電荷泵，與在鎖相環(huán)(PLL)中通常使用的相同。
[0074]由電流源Iup和Idown形成的電荷泵將參考電容器Cref充電至參考電壓Vref，然后通過單位增益緩沖器將所述參考電壓Vref供應(yīng)給開關(guān)結(jié)構(gòu)。為了清楚起見，在權(quán)利要求中將這種參考電容器稱作“參考電壓電荷存儲裝置(Cref) ”。
[0075]反饋環(huán)路的操作如下。
[0076]在預(yù)充電階段，按照與圖4和圖5的電路相同的方式，開關(guān)SO和S2閉合并且SI打開。此外，將緩沖電容器Cbuf充電(在這種情況下通過緩沖器A2)至與參考電容器Cref相同的電平，同時將Msense和Mout的柵極短接至它們的源極。
[0077]在放電階段，如圖4和圖5的電路中那樣，開關(guān)SO和S2打開并且SI閉合?，F(xiàn)在將在Cbuf上存儲的電荷重新分配到Mout和Msense的柵極上。
[0078]附加的反饋環(huán)路操作如下。
[0079]如果電流鏡感測晶體管Msense的漏極電流Isense小于參考電流Iref，那么Msense的漏極節(jié)點將保持上拉高電平(因為電流鏡感測晶體管Msense導(dǎo)通)。將差電流提供給比較器Al，所述比較器將這一信號解釋為高電平信號。比較器的輸出將與Iup電流源串聯(lián)的開關(guān)閉合，所述Iup電流源進而使參考電壓Vref增加。
[0080]因此，在下一個充電階段，Isense將稍微有點高。因此，盡管感測電流小于參考電流，通過對參考電容充電增加了參考電壓。這增加了感測電流。
[0081]如果I sense大于參考電流Iref，那么差電流是相反符號的，其結(jié)果是Msense的漏極節(jié)點下拉至地、并且比較器將與Idown電流源串聯(lián)的開關(guān)閉合，使得參考電壓降低。
[0082]按照這種方式，環(huán)路將收斂至動態(tài)平衡，其中保持感測電流Isense非常接近參考電流Iref。
[0083]輸出電流1ut是Isense的向上縮放副本,并且精度僅依賴于Msense和Mout之間的匹配，正像在常規(guī)電流鏡中那樣。反饋系統(tǒng)對于工藝、溫度和電源電壓變化完全不敏感。此外，Cref和Cbuf上的電壓不必相等:通過環(huán)路抑制了引起這種差異的緩沖器A2的任何偏移。
[0084]在該電路中，可以使得參考電流Iref相當(dāng)大，因為參考電流只在放電階段期間流動。在預(yù)充電階段，將Msense截止、并且參考電流源將飽和，因此不會從電源汲取電流。
[0085]在柵極驅(qū)動器應(yīng)用中，放電階段相對于預(yù)充電階段非常短，所以由參考電流Iref引起的有效電流消耗可以忽略。
[0086]在圖6中，輸出電流是電流宿。當(dāng)然，通過使用PMOS而不是NMOS晶體管按照互補方式構(gòu)建相同的環(huán)路可以容易地實現(xiàn)電流源。
[0087]圖7示出了替代實施例，其中輸出晶體管Mout具有一個開關(guān)結(jié)構(gòu)SO、S1、S2和緩沖電容器Cbuf，并且感測晶體管Msense具有分離的開關(guān)結(jié)構(gòu)SO’、SI’、S2’和緩沖電容器Cbuf’。輸出晶體管Mout的柵極通過附加的開關(guān)S4耦合至感測晶體管Msense的柵極。
[0088]這具有以下優(yōu)勢:在使能輸出之前，反饋環(huán)路可以已經(jīng)開始調(diào)制參考電壓。通過打開開關(guān)SO和S4并且閉合開關(guān)SI和S2，將輸出晶體管Mout截止并且從環(huán)路斷開。
[0089]通過如上所述的開關(guān)操作使能了輸出，即用于預(yù)充電階段的開關(guān)SO、SO’和S2、S2’以及用于放電階段的開關(guān)S1、SI’和S4。
[0090]可以將開關(guān)S2和S2’看作是開關(guān)結(jié)構(gòu)，在它們之間控制輸出晶體管和感測晶體管的短路。類似地，可以將開關(guān)Si和SI’看作是隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)，在它們之間控制柵極電壓電荷存儲結(jié)構(gòu)(即緩沖電容器)與相應(yīng)的晶體管柵極的隔離。
[0091]如果使得電容器的比率Cbuf / Cbuf’等于比率Mout / Msense,那么在所有操作階段Msense和Mout的柵源電壓應(yīng)該相等。然而，在放電階段期間通過S4連接?xùn)艠O，即使所述比率沒有精確匹配也確保了這種相等。
[0092]按照類似的方式，可以增加多個輸出晶體管，可以獨立地啟用/禁用所述多個輸出晶體管。當(dāng)D類輸出級中的功率晶體管被分段、并且必須是單獨可控時，這是有用的。增加更多輸出晶體管的唯一結(jié)果是緩沖器A2的負載上限(load cap)增加。
[0093]圖8示出了使用窗口比較器的替代實施例。在這種情況下，僅當(dāng)Msense的漏極電壓在Vx周圍的電壓窗口土 Λ之外時，閉合上開關(guān)和下開關(guān)，這意味著感測電流Isense非常接近參考值Iref。
[0094]在圖9所示的實施例中，用于將上拉電流源和下拉電流源耦合至參考電容器Cref的電荷泵開關(guān)由單脈沖發(fā)生器0P1、0P2控制，所述單脈沖發(fā)生器在比較器輸出的上升沿之后只產(chǎn)生短脈沖。因此，參考電壓Vref只以小步距改變、而不是連續(xù)地增加或降低。
[0095]為了進行說明，圖10示出了針對使用窗口比較器的電路在調(diào)整期間的仿真輸出電流lout、參考電壓Vref以及向上信號和向下信號。
[0096]在仿真中，將隨機噪聲電流注入到Cref上。如可以看出的，將參考電壓Vref調(diào)整到窗口比較器的兩個電平之間。當(dāng)參考電壓Rref與窗口邊界相交時，產(chǎn)生向上脈沖或向下脈沖。
[0097]在曲線的中點(在1251^處)，參考電流1代€從9(^六增加到10(^4。環(huán)路通過產(chǎn)生向上脈沖序列來反應(yīng)，所述向上脈沖序列增加參考電壓Vref，直到參考電壓達到新的穩(wěn)態(tài)為止。
[0098]所描述的快電流開關(guān)可以用在D類音頻放大器的開關(guān)輸出級。電流開關(guān)可以應(yīng)用于輸出晶體管的柵極驅(qū)動以獲得斜率控制。
[0099]例如，輸出級中的功率晶體管可以分裂成例如8個可以獨立地驅(qū)動的相等的部分。通過改變環(huán)路的參考電流來調(diào)節(jié)斜率速度。
[0100]所不的所有實施例都是使用NMOS晶體管的電流宿，但是相同的技術(shù)也可以應(yīng)用以使用PMOS晶體管實現(xiàn)電流源。
[0101]本發(fā)明使能實現(xiàn)非常大的電流鏡比，即Iref和1ut之間的比率。
[0102]附圖中所示的開關(guān)當(dāng)然也可以按照常規(guī)方式實現(xiàn)為晶體管。
[0103]Iref的典型值在50 μ A至200 μ A的范圍。利用感測晶體管和輸出晶體管之間約1:100的尺寸比(即，一個與另一個的W / L比率)，輸出電流(當(dāng)接通電流源電路時)可以例如是5至1mA的量級(如可以在圖10中看出的)。
[0104]參考電壓典型地是約0.7V。
[0105]本發(fā)明實現(xiàn)了開關(guān)輸出級的斜率控制。這種開關(guān)輸出級是D類放大器的一部分，并且也是開關(guān)模式電源的一部分。存在其他應(yīng)用，例如D / A轉(zhuǎn)換器。
[0106]各種改進對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將是清楚明白的。
【權(quán)利要求】
1.一種用于提供開關(guān)電流源輸出的開關(guān)電路，包括: 參考電壓輸入裝置(Vref)，所述參考電壓輸入裝置包括參考電壓電荷存儲裝置(Cref)； 柵極電壓電荷存儲結(jié)構(gòu)(Cbuf)，用于存儲從參考電壓(Vref)得到的預(yù)充電電壓； 參考電流源(Iref)，提供參考電流； 輸出晶體管(Mout)； 電流感測晶體管(Msense)，用于產(chǎn)生根據(jù)電流源輸出、并且由參考電流源(Iref)供應(yīng)的感測電流(Isense)； 隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)(SI)，用于將輸出晶體管(Mout)的柵極和電流感測晶體管(Msense)的柵極與柵極電壓電荷存儲結(jié)構(gòu)(Cbuf)選擇性地耦合或隔離； 放電開關(guān)結(jié)構(gòu)(S2)，用于對輸出晶體管(Mout)的柵極和電流感測晶體管(Msense)的柵極放電； 反饋回路，用于控制在參考電壓電荷存儲裝置(Cref)中存儲的參考電壓(Vref)，以保持感測電流(Isense)實質(zhì)上等于參考電流(Iref)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電路，按照兩種模式操作: 預(yù)充電模式，其中通過參 考電壓對柵極電壓電荷存儲結(jié)構(gòu)(Cbuf)預(yù)充電，并且通過放電開關(guān)結(jié)構(gòu)(S2)對輸出晶體管柵極和電流感測晶體管柵極放電，并且隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)(SI)將柵極電壓電荷存儲結(jié)構(gòu)(Cbuf)與輸出晶體管柵極隔離；以及 放電模式，其中通過隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)(SI)將柵極電壓電荷存儲結(jié)構(gòu)(Cbuf)放電至輸出晶體管柵極和感測晶體管柵極。
3.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電路，其中參考電壓輸入裝置包括比較器，所述比較器根據(jù)參考電流和感測電流之差的符號來控制參考電壓電荷存儲裝置(Cref)的充電或放電。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電路，包括上拉電流源和下拉電流源，其中比較器輸出用于將上拉電流源和下拉電流源中的選定電流源耦合至參考電壓電荷存儲裝置(Cref)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電路，其中比較器包括窗口比較器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電路，包括脈沖轉(zhuǎn)換器，用于將窗口比較器輸出轉(zhuǎn)換為用于控制上拉電流源和下拉電流源的上拉脈沖和下拉脈沖。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電路，包括在參考電壓輸入裝置(Vref)和柵極電壓電荷存儲結(jié)構(gòu)(Cbuf)之間的緩沖器。
8.一種用于D類放大器或開關(guān)模式電源的開關(guān)輸出級,包括根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電路。
9.一種用于提供開關(guān)電流源輸出的方法，包括: 在預(yù)充電模式，將柵極電壓電荷存儲結(jié)構(gòu)(Cbuf)充電至從參考電壓(vref)得到的預(yù)充電電壓，對輸出晶體管(Mout)的柵極和電流感測晶體管的柵極放電，其中電流感測晶體管使用參考電流源(Iref)作為其電流源對來自輸出晶體管的輸出電流進行鏡像；以及 在放電模式，將柵極電壓電荷存儲結(jié)構(gòu)(Cbuf)放電至輸出晶體管(Mout)的柵極和感測晶體管(Msense)的柵極以將柵極電壓增加根據(jù)電荷流的量，根據(jù)通過電流感測晶體管(Msense)的感測電流(Isense)來調(diào)節(jié)參考電壓(Vref)，并且對參考電壓(Vref)進行采樣以便保持感測電流(Isense)實質(zhì)上等于參考電流(Iref)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中調(diào)節(jié)參考電壓包括使用比較器根據(jù)參考電流和感測電流之差的符號來控制參考電壓電荷存儲裝置(Cref)的充電或放電。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，包括使用比較器將上拉電流源和下拉電流源中的選定電流源耦合至參考電壓電荷存儲裝置(Cref)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，包括使用窗口比較器。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，包括將窗口比較器輸出轉(zhuǎn)換為用于控制上拉電流源和下拉電流源的上拉脈沖和下拉脈沖。
14.根據(jù)權(quán)利要求9至13中任一項所述的方法，包括在參考電壓輸入裝置(Vref)和柵極電壓電荷存儲結(jié)構(gòu) (Cbuf)之間進行緩沖。
【文檔編號】H02M3/157GK104052283SQ201410093057
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年3月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月13日
【發(fā)明者】馬克·伯克豪特 申請人:Nxp股份有限公司