專利名稱：單向?qū)ㄆ骷闹谱鞣椒?br> 技術領域：
本發(fā)明有關于一種單向?qū)ㄆ骷?，特別是有關于一種具有低正向電壓的單向?qū)ㄆ骷?br> 背景技術：
在電子電路所需要的各種電子器件中，二極管是不可缺少的器件之一。但是，二極管一直存在有一個缺點，就是二極管的正向電壓(VF)不為0V，而約為0.6V。雖通過半導體制造工藝的改變，可得到正向電壓約為0.4V的蕭特基二極管(Schottky Diode)。蕭特基二極管雖可以滿足大部分的電路設計上的需求，然對于某些需要二極管單向?qū)ǖ奶匦?，且要求極低的正向電壓的電路而言，蕭特基二極管并無法滿足該種電路的需求。因此，實有必要開發(fā)出正向電壓極低的單向?qū)ㄆ骷?，以降低電路的功率損失，并提高電源使用的效率。
請參照圖5，其表示使用一般二極管的電源電路500。電池BT1與電池BT2用以提供負載RL所需的電源，該負載例如筆記型計算機。當電池BT1的電位高于電池BT2的電位時，由于此時二極管D1為正向偏置，而二極管D2為逆向偏置，故二極管D1導通而二極管D2關斷，負載RL可由電位較高的電池BT1取得電源。反之，若電池BT1的電位低于電池BT2的電位時，負載RL可由電位較高的電池BT2取得電源。由于該處的二極管D1及D2為一般二極管，故負載RL的電壓會比電池BT1或BT2的供電電壓約降低0.45V。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的就是在提供一種單向?qū)ㄆ骷媒饘傺趸锇雽w場效應晶體管及BJT差動放大器，使該單向?qū)ㄆ骷詷O低的正向電壓實現(xiàn)單向?qū)ㄌ匦浴?br> 根據(jù)本發(fā)明的目的，提出一種單向?qū)ㄆ骷?，包括一第一晶體管與一驅(qū)動電路。該第一晶體管具有一源極、一漏極及一柵極。而驅(qū)動電路耦接到第一晶體管。該驅(qū)動電路包括第二晶體管、第三晶體管、第一阻抗、第二阻抗及第三阻抗。該第二晶體管具有第二射極、第二基極及第二集電極。該第三晶體管具有第三射極、第三基極及第三集電極。第三射極耦接到源極，第三集電極耦接柵極，第二基極與第三基極耦接，第二基極與第二集電極耦接。而第一阻抗的一端耦接到漏極，另一端耦接到第二射極。第二阻抗的一端耦接到第二集電極，另一端耦接到一固定電壓。第三阻抗的一端耦接到第三集電極，另一端耦接到固定電壓。


為讓本發(fā)明的上述目的、特征、和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，并配合附圖，詳細說明如下圖1表示按照本發(fā)明的一第一實施例的一種單向?qū)ㄆ骷?br> 圖2表示Pspice模擬結果。
圖3表示Pspice模擬結果。
圖4表示按照本發(fā)明的另一個實施例一種單向?qū)ㄆ骷?br> 圖5表示使用一般二極管的電源電路。
圖6表示應用本發(fā)明的單向?qū)ㄆ骷囊环N電源電路。
附圖標號說明100、400單向?qū)ㄆ骷?02、402驅(qū)動器302、304曲線500、600電源電路Q1金屬氧化物半導體場效應晶體管Q2、Q3晶體管R1、R2、R3、R4、R5電阻具體實施方式
請參照圖1，其表示按照本發(fā)明的一第一實施例的一種單向?qū)ㄆ骷?00。單向?qū)ㄆ骷?00利用金屬氧化物半導體場效應晶體管Q1及驅(qū)動器102，以使單向?qū)ㄆ骷?00以極低的正向電壓實現(xiàn)單向?qū)ǖ奶匦?。單向?qū)ㄆ骷?00包括一金屬氧化物半導體場效應晶體管Q1、PNP型雙極結型晶體管(BJT)晶體管Q2、PNP型(BJT)晶體管Q3及電阻R1、R2、R3、R4及R5。金屬氧化物半導體場效應晶體管Q1為P溝道(P channel)晶體管(即PMOS)，其源極S與漏極D分別作為單向?qū)ㄆ骷?00的N極與P極。晶體管Q2及晶體管Q3組成BJT差動放大器，晶體管Q2的基極B2經(jīng)由電阻R4耦接到晶體管Q2的集電極C2。晶體管Q3的基極B3經(jīng)由電阻R5耦接到晶體管Q2的集電極C2。晶體管Q2的集電極C2及晶體管Q3的集電極C3分別經(jīng)由電阻R2與R3耦接到地。晶體管Q3的集電極C3耦接到PMOS晶體管Q1的柵極G，而晶體管Q3的射極E3耦接到PMOS晶體管Q1的源極S。電阻R1的一端耦接到晶體管Q1的漏極D，電阻R1的另一端耦接到晶體管Q2的射極E2。其中，電阻R2與R3的值相等，而電阻R2的值遠大于電阻R1的值。較佳地，電阻R2的值為電阻R1的值的數(shù)百倍。
現(xiàn)將單向?qū)ㄆ骷?00的工作原理說明如下。當單向?qū)ㄆ骷?00為正向偏置時，P極的電壓比N極的電壓高，此時晶體管Q2有一靜態(tài)電流IE2流過，而該靜態(tài)電流IE2流經(jīng)電阻R1后，在電阻R1的兩端產(chǎn)生一電壓VR1。電壓VR1較佳地為數(shù)十毫伏(mV)。當P端的電壓上升至P端與N端的電壓差高于VR1時，晶體管Q2的射極E2會隨著P端電壓上升而上升。由于電阻R2的值甚大，雖然P端的電壓上升，晶體管Q2的靜態(tài)電流IE2會幾乎維持在定值，使得晶體管Q2的VEB2(晶體管Q2的射極E2與基極B2之間的電壓)亦幾乎維持固定。由于晶體管Q2的射極E2隨著P端的電壓上升而上升，使得晶體管Q2的基極B2的電壓亦隨著晶體管Q2的射極E2的電壓上升而上升。因此，晶體管Q3的基極B3的電壓亦隨著與晶體管Q2的基極B2的電壓上升而上升。但是，由于單向?qū)ㄆ骷?00的N極的電壓維持固定，使得晶體管Q3的射極E3的電壓維持固定，而使得晶體管Q3的VEB3(晶體管Q3的射極E3與基極B3之間的電壓)會下降。這樣一來，流經(jīng)晶體管Q3的集電極C3的電流IC3將會下降，使得電阻R3的電壓VR3下降。因此，將使得晶體管Q3集電極C3的電壓下降。當晶體管Q3集電極C3的電壓下降至使晶體管Q1的VSG(晶體管Q1的源極S與柵極G之間的電壓)大于晶體管Q1的閾值電壓Vfh的絕對值時，晶體管Q1開始導通，正向電流ID從P極流向N極。
反過來說，當N極比P極電壓高時，晶體管Q3的射極E3的電壓高于晶體管Q2的射極E2的電壓，因此晶體管Q3導通。晶體管Q3的集電極C3為高電位，使得晶體管Q1完全關斷，因此，將使得單向?qū)ㄆ骷?00為逆向偏置，單向?qū)ㄆ骷?00不導通。當N極與P極的電壓差高于晶體管Q2的VEB2時，一逆向電流將由N極經(jīng)由晶體管Q3的射極E3流向晶體管Q3的源極B3，再經(jīng)電阻R5及R4流向晶體管Q2的基極B2，再流過晶體管Q2的射極E2及電阻R1，最后流向P極。故電阻R4及R5的存在可降低該逆向電流的大小。如果晶體管Q2與晶體管Q3為VEB電壓高于N極的最高電壓的晶體管，則本實施例的單向?qū)ㄆ骷?00可不需使用電阻R4及R5，晶體管Q2與晶體管Q3的基極B2與B3可以直接電性連接。
現(xiàn)舉各電阻值的一例，并配合PSpice的模擬結果以更進一步說明本發(fā)明的第一實施例。請參照圖2及圖3，其所表示分別為單向?qū)ㄆ骷?00的N極的電壓固定為10V，電阻R1為1.5K歐姆，電阻R4與電阻R5均為100K歐姆，電阻R2與電阻R3均為1M歐姆時，單向?qū)ㄆ骷?00的P極與N極的電壓差VPN與正向電流ID的模擬結果圖(圖2)與VPN與晶體管Q2的集電極C2的電壓VQ2C(曲線302)與晶體管Q1的柵極G的電壓Vg(曲線304)的模擬結果圖(圖3)。如圖2所示，橫軸座標為P極與N極間的電壓差VPN，縱軸為正向電流ID。由圖2可知，當VPN等于30mV時，晶體管Q1開始導通。其中，晶體管Q1導通后，電壓Vg的值與正向偏置VPN與正向電流ID的斜率，由Q3的共射極電流增益β所決定。請參照圖3，當電壓Vg等于晶體管Q2的集電極C電壓VQ2C時，Vg與VQ2C幾乎等于電阻R1的電壓VR1，VR1約等于(VP-VBE2)×(R1/(R1+R2))＝(10-0.6)×(1.5k/(1.5k+1000k))＝14mV，其中，VP為P極的電壓。隨著VPN的增大，晶體管Q1的柵極G極的電壓Vg隨著下降。
其中，當正向電流ID小于0.2安培時，晶體管Q1并不會完全導通。隨著正向電流ID的降低，晶體管Q1的阻抗會增加。當正向電流ID為零時，晶體管Q1將完全關斷。圖2所示的正向電流ID的實際曲線將由晶體管Q1的特性來決定。
此外晶體管Q2及Q3較佳地應采用成對晶體管，因此晶體管Q2及Q3的特性與參數(shù)將會較為接近，但亦不可能完全相同。為使單向?qū)ㄆ骷?00無逆向電流產(chǎn)生，故單向?qū)ㄆ骷?00導通時的正向電壓在設計上必須大于晶體管Q2及Q3補償電壓(Offset voltage)。電阻R1的電阻值與晶體管Q1的柵極G的轉態(tài)電壓可決定正向電壓的值。電阻R1的電阻值較大時，正向電壓較大；電阻R1的電阻值較小時，正向電壓較小。因此，可通過調(diào)整電阻R1的電阻值，來改變單向?qū)ㄆ骷?00導通時的正向電壓。
請參照圖4，其表示按照本發(fā)明的另一個實施例一種單向?qū)ㄆ骷?00，包括N溝道(N channel)金屬氧化物半導體場效應晶體管Q1(NMOS)及驅(qū)動器402。晶體管Q1的源極S與漏極D分別作為單向?qū)ㄆ骷腜極與N極。單向?qū)ㄆ骷?00的設計與工作原理與圖1所示的單向?qū)ㄆ骷?00類似。只要將單向?qū)ㄆ骷?00的晶體管Q1由P溝道晶體管換成N溝道晶體管，并將PNP晶體管Q2與Q3更換成NPN晶體管即可得到單向?qū)ㄆ骷?00。
請參照圖6，其表示應用本發(fā)明的單向?qū)ㄆ骷?00的一種電源電路600。當應用本發(fā)明的第一實施例的單向?qū)ㄆ骷?00在電源電路600時，其負載RL的電壓會比電池BT1或BT2的供電電壓約降低只有數(shù)十mV，遠小于公知使用一般二極管的電源電路500(見圖5)。
本發(fā)明上述實施例所公開的單向?qū)ㄆ骷?，具有以下?yōu)點1.正向電壓極低。
2.逆向漏電電流比蕭特基二極管低。
3.正向?qū)ㄅc逆向截止的操作極為準確，且不會有逆向大電流產(chǎn)生的狀況。
4.當單向?qū)ㄆ骷烧蚱棉D為反向偏置時，金屬氧化物半導體場效應晶體管由正向的飽合區(qū)轉換成工作區(qū)，再轉換成逆向的截止區(qū)，其為漸近式的變化。故，單向?qū)ㄆ骷腜極與N極的電壓差接近于零伏特時，本發(fā)明的單向?qū)ㄆ骷粫姓袷幉环€(wěn)定的現(xiàn)象。
5.將本發(fā)明的單向?qū)ㄆ骷\用于整流電路時，可提高效率。
綜上所述，雖然本發(fā)明已以一較佳實施例公開如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本領域的技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可進行各種更動與修改，因此本發(fā)明的范圍以所提出的權利要求限定的范圍為準。
權利要求
1.一種單向?qū)ㄆ骷搯蜗驅(qū)ㄆ骷ㄒ坏谝痪w管，具有一源極、一漏極及一柵極；以及一驅(qū)動電路，耦接到該第一晶體管，該驅(qū)動電路包括一第二晶體管，具有一第二射極、第二基極及第二集電極；一第三晶體管，具有一第三射極、第三基極及第三集電極，該第三射極耦接到該源極，該第三集電極耦接該柵極，該第二基極與該第三基極耦接，該第二基極與該第二集電極耦接；一第一阻抗，該第一阻抗的一端耦接到該漏極，該第一阻抗的另一端耦接到該第二射極；一第二阻抗，該第二阻抗的一端耦接到該第二集電極，該第二阻抗的另一端耦接到一固定電壓；以及一第三阻抗，該第三阻抗的一端耦接到該第三集電極，該第三阻抗的另一端耦接到該固定電壓。
2.如權利要求1所述的單向?qū)ㄆ骷?，其中該第二阻抗與該第三阻抗相等。
3.如權利要求2所述的單向?qū)ㄆ骷?，其中該?qū)動電路還包括一第四阻抗，該第二基極經(jīng)由該第四阻抗耦接到該第二集電極；以及一第五阻抗，該第三基極經(jīng)由該第五阻抗耦接到該第二晶體管的該第二集電極。
4.如權利要求3所述的單向?qū)ㄆ骷渲性摰谝痪w管為一P溝道金屬氧化物半導體場效應晶體管，該第二晶體管與該第三晶體管為一PNP型雙極結型晶體管。
5.如權利要求3所述的單向?qū)ㄆ骷?，其中該第一晶體管為一N溝道金屬氧化物半導體場效應晶體管，該第二晶體管與該第三晶體管為一NPN型雙極結型晶體管。
6.如權利要求1所述的單向?qū)ㄆ骷?，其中該單向?qū)ㄆ骷恼螂妷号c該第一阻抗與該第二阻抗的比值有關。
全文摘要
一種單向?qū)ㄆ骷?，包括金屬氧化物半導體場效應晶體管及驅(qū)動器，金屬氧化物半導體場效應晶體管的源極與漏極分別作為單向?qū)ㄆ骷腜極與N極，驅(qū)動器包括BJT差動放大器。該驅(qū)動器用以檢測金屬氧化物半導體場效應晶體管源極與漏極間的電位差，當P極電位高于N極電位時，驅(qū)動器便輸出一驅(qū)動電位至金屬氧化物半導體場效應晶體管的柵極，以令其導通。若P極電位低于N極電位，驅(qū)動器便無法輸出導通金屬氧化物半導體場效應晶體管所需的驅(qū)動電位，此時單向?qū)ㄆ骷P斷，因此，本發(fā)明的單向?qū)ㄆ骷哂袉蜗驅(qū)ǖ奶匦浴?br> 文檔編號H03K17/0814GK1700595SQ20041004585
公開日2005年11月23日 申請日期2004年5月20日 優(yōu)先權日2004年5月20日
發(fā)明者陳升峰 申請人:廣達電腦股份有限公司