專利名稱：具有精確電流導(dǎo)引發(fā)生器的模擬信號(hào)軟開關(guān)控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及模擬開關(guān)電路，并且更特別地涉及具有精確電流導(dǎo)引發(fā)生器的模擬軟開關(guān)控制電路。
背景技術(shù)：
兩個(gè)信號(hào)Vl和V2之間的開關(guān)的經(jīng)典實(shí)施方式可以是如圖1的電路100所示的具有邏輯控制的直接開關(guān)。使用兩個(gè)CMOS開關(guān)SI和S2，并且由反向邏輯控制信號(hào)(CTRL和通過反相器102的反相CTRL)來對(duì)其進(jìn)行控制。使信號(hào)Vl或V2通過運(yùn)算放大器104，以提供VOUT輸出信號(hào)。如果兩個(gè)信號(hào)具有不同的信號(hào)電壓，則在輸出點(diǎn)106處將存在跳躍(jump)或階躍(step)。在某些應(yīng)用中，輸出信號(hào)的此跳躍或階躍可能產(chǎn)生問題。例如，在音頻應(yīng)用中，如果輸出信號(hào)進(jìn)入揚(yáng)聲器，則跳躍將在揚(yáng)聲器處產(chǎn)生不期望的氣爆噪聲(pop-noise)。在這種情況下，兩個(gè)輸入信號(hào)之間的平穩(wěn)過渡很明顯是優(yōu)選的。開關(guān)輸入信號(hào)之間的平穩(wěn)過渡的傳統(tǒng)數(shù)字解決方案200使用電阻器網(wǎng)絡(luò)212和214以及相應(yīng)的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)216和218，將大的階躍劃分成小的階躍，如圖2所示。電路200包括用于接收第一輸入信號(hào)Vl的輸入端，和用于接收第二輸入信號(hào)V2的第二輸入端。電路200還包括輸出運(yùn)算放大器或緩沖器204、軟開關(guān)時(shí)鐘發(fā)生器206、開關(guān)計(jì)數(shù)器208和邏輯控制器210。電路200通常還包括最終后處理低通濾波器220。通過增加小階躍的數(shù)目和軟開關(guān)時(shí)間，減少了氣爆噪聲。在圖2所示的解決方案中，電阻器和寄生組件將由于增加的噪聲的和總諧波失真(THD)而使性能劣化。對(duì)于階躍數(shù)目和軟開關(guān)時(shí)間的某些配置而言，生成了非期望的音頻音調(diào)。需要低通濾波器以去除與電路200相關(guān)聯(lián)的高頻數(shù)字尖峰。圖2所示的數(shù)字電路200展示了在氣爆噪聲與其它性能考慮之間難以權(quán)衡。因此，所期望的是用于提供兩個(gè)輸入信號(hào)之間的平穩(wěn)過渡的簡(jiǎn)單模擬開關(guān)電路，并且不需要任何后處理或?yàn)V波，或者不使用復(fù)雜的數(shù)字電路。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，展示了基于模擬電流過渡的信號(hào)開關(guān)電路和方法，其可以在許多應(yīng)用(例如音頻應(yīng)用)中用來以平穩(wěn)的過渡從一個(gè)信號(hào)切換至另一個(gè)信號(hào)。開關(guān)電路包括具有用于接收第一輸入信號(hào)的輸入端、輸出端和用于接收增加的模擬電流的電源端子的第一輸入級(jí)，具有用于接收第二輸入信號(hào)的輸入端、輸出端和用于接收減小的模擬電流的電源端子的第二輸入級(jí)，以及耦合到第一輸入級(jí)和第二輸入級(jí)的輸出端以便提供開關(guān)輸出信號(hào)的輸出節(jié)點(diǎn)。輸出級(jí)介于第一和第二輸入級(jí)與輸出節(jié)點(diǎn)之間。第一和第二輸入級(jí)中的每一個(gè)包括運(yùn)算放大器。相應(yīng)的開關(guān)方法包括向第一輸入級(jí)施加第一輸入信號(hào)、向第一輸入級(jí)的電源端子施加增加的模擬電流、向第二輸入級(jí)施加第二輸入信號(hào)、向第二輸入級(jí)的電源端子施加減小的模擬電流、以及將來自第一輸入級(jí)和第二輸入級(jí)的輸出信號(hào)組合以提供開關(guān)輸出信號(hào)?？梢詫㈤_關(guān)輸出信號(hào)緩沖，并且第一和第二輸入級(jí)可以包括運(yùn)算放大器。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，開關(guān)電路可以包括用于接收時(shí)鐘信號(hào)并且用于生成充電電流和放電電流的電流發(fā)生器、用于接收充電和放電電流并且用于提供控制電壓的電壓發(fā)生器、用于接收控制電壓并且用于提供第一模擬電流和第二模擬電流的電壓電流發(fā)生器、以及用于將第一和第二模擬信號(hào)組合并且用于提供開關(guān)輸出信號(hào)的放大器級(jí)。電流發(fā)生器包括具有由時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行開關(guān)的輸入端的第一和第二積分器、具有由時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行開關(guān)的輸出端的兩個(gè)附加電壓電流發(fā)生器、以及具有由時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行開關(guān)的輸入端的第一和第二電流鏡。電壓發(fā)生器包括第一和第二電流鏡、接收兩個(gè)附加的時(shí)鐘信號(hào)、并包括負(fù)載電容器。電壓電流發(fā)生器包括用于接收控制電壓、基準(zhǔn)電壓且用于提供第一和第二模擬電流的差分放大器以及第一和第二電流鏡。放大器級(jí)包括第一和第二輸入級(jí)、以及耦合到第一和第二輸入級(jí)的輸出端的輸出級(jí)。級(jí)中的每一個(gè)可以包括運(yùn)算放大器或緩沖器。根據(jù)本發(fā)明，第一模擬電流包括從第一值增加至第二值的模擬電流，并且第二模擬電流包括從第二值減小至第一值的模擬電流。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)開關(guān)電路和相應(yīng)開關(guān)波形的示意圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)數(shù)字開關(guān)電路和相應(yīng)開關(guān)波形的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)電路的示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的DC輸入的信號(hào)跳躍過渡的仿真結(jié)果；圖5是根據(jù)本發(fā)明的DC輸入的信號(hào)下降(drop)過渡的仿真結(jié)果；以及圖6是根據(jù)本發(fā)明的正弦波輸入的信號(hào)過渡的仿真結(jié)果。
具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)電路和方法提供了實(shí)現(xiàn)在輸入信號(hào)之間的開關(guān)中的平穩(wěn)過渡、但沒有傳統(tǒng)現(xiàn)有技術(shù)解決方案的所提到的缺點(diǎn)的新穎方式。根據(jù)本發(fā)明，過渡曲線是非常平穩(wěn)的、且能夠精確地進(jìn)行控制。在圖3中示出了根據(jù)本發(fā)明的電路的相關(guān)方框圖。電路300的方框圖包括四個(gè)部分:第I部分是充電/放電電流基準(zhǔn)發(fā)生器302 ；第2部分是具有可配置充電/放電定時(shí)304的電壓發(fā)生器；第3部分是電壓電流轉(zhuǎn)換器306 ;以及第4部分是用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)開關(guān)的平穩(wěn)過渡的放大器級(jí)308。在第4部分中，由運(yùn)算放大器輸入級(jí)電流過渡來控制從VINl至VIN2的信號(hào)開關(guān)。一個(gè)輸入級(jí)電流I_N從IO變成零，并且另一輸入級(jí)電流I_P從零變成10。因此，輸出信號(hào)平穩(wěn)地從VINl變成VIN2。I_N輸入級(jí)的正輸入端接收VINl輸入電壓，并且I_P輸入級(jí)的正輸入端接收VIN2輸入電壓。如所示出的，負(fù)輸入端被耦合在一起，并且耦合至輸出級(jí)的輸出端。輸出級(jí)緩沖開關(guān)信號(hào)，以提供OUTPUT開關(guān)電壓。第I部分、第2部分和第3部分生成具有選擇性過渡定時(shí)的兩個(gè)電流I_P和I_N。
在第I部分中，使用具有可配置頻率和占空比的時(shí)鐘信號(hào)CLK以控制兩個(gè)積分器，并提供電流Il和12的電流生成。OPAMPl、開關(guān)SI和電容器Cl和C2包括第一開關(guān)電容器積分器。0PAMP2、開關(guān)S3以及電容器C3和C4包括第二開關(guān)電容器積分器。當(dāng)開關(guān)SI在右側(cè)位置并且開關(guān)S2在左側(cè)位置時(shí)，將用充電電流Il通過電容器Cl和Cint將電壓V_int從第一電壓VTL充電至第二電壓VTH。當(dāng)開關(guān)SI被轉(zhuǎn)到左側(cè)位置并且開關(guān)S2被轉(zhuǎn)到右側(cè)位置時(shí)，電容器Cl被耦合到OPAMPl的負(fù)輸入端。存儲(chǔ)在電容器Cl上的V_int電壓的之前值將被與VTH電壓進(jìn)行比較，并且第一開關(guān)電容器積分器將針對(duì)下一充電電流Il進(jìn)行調(diào)整，直至V_int電壓被準(zhǔn)確地充電至VTH。當(dāng)開關(guān)S3被轉(zhuǎn)到右側(cè)位置并且開關(guān)S4被轉(zhuǎn)到左側(cè)位置時(shí)，將用放電電流12通過電容器C3和Cint將電壓V_int從VTH放電至VTL。當(dāng)開關(guān)S3被轉(zhuǎn)到左側(cè)位置并且開關(guān)S4被轉(zhuǎn)到右側(cè)位置時(shí)，電容器C3被耦合到0PAMP2的負(fù)輸入端，存儲(chǔ)在電容器C3上的之前的V_int電壓將與VTL進(jìn)行比較。第二開關(guān)電容器積分器將針對(duì)下一放電電流12進(jìn)行調(diào)整，直至V_int被準(zhǔn)確地放電至VTL。第I部分的電流發(fā)生器302因此包括如所示出的兩個(gè)積分器、兩個(gè)電壓電流轉(zhuǎn)換器、以及兩個(gè)電流鏡CURRMIRR0R1和CURRMIRR0R2。在兩個(gè)開關(guān)電容器積分器和來自CLK的兩相非重疊時(shí)鐘的控制下，V_int將生成三角形電壓，其在VTH與VTL之間波動(dòng)，其充電/放電時(shí)間將由CLK頻率來判定，并且由CLK占空比D(D = 0至I)來定義其充電/放電時(shí)間比。這里，將調(diào)整充電電流Il和放電電流12直至其為恒定。在第2部分中，第I部分的固定電流基準(zhǔn)Il和12將由可配置的為1/M的比率而鏡像成電流13和14。電流鏡⑶RRMIRR0R3和⑶RRMIRR0R4用于此目的。將由電流13和14來對(duì)電壓Vcon進(jìn)行充電或放電。負(fù)載電容器N*Cint是可配置的?？梢匀缦逻x擇PCLK和NCLK:13 = I1/M ;如果PCLK脈沖寬度=N*M*D/fCLK，則Vcon將在PCLK脈沖控制下準(zhǔn)確地從VTL充電至VTH。14 = I2/M ;如果 NCLK 脈沖寬度=N*M* (1-D) /fCLK,則 Vcon 將在 NCLK 脈沖控制下準(zhǔn)確地從VTH放電至VTL。當(dāng)用M和N的選擇性比率來施加PCLK和NCLK時(shí)，將在PCLK和NCLK所請(qǐng)求定時(shí)內(nèi)從VTH放電至VTL、或從VTL充電至VTH而獲得Vcon電壓過渡。在第3部分中，晶體管Ml和M2包括具有源極退化的源極耦合晶體管對(duì)(電阻器Rl和R2，接收偏置電流1)。Vcon電壓將被施加于Ml柵極輸入端，并且其將生成差分電流對(duì)I_P和I_N。通過電流鏡CURRMIRR0R5和CURRMIRR0R6對(duì)電流進(jìn)行鏡像。由PCLK和NCLK脈沖寬度來判定電流過渡時(shí)間。由N(電容器Cint的數(shù)目)、M (電流鏡⑶RRMIRR0R3和⑶RRMIRR0R4的電流鏡因子)、CLK信號(hào)的占空比、以及CLK信號(hào)的頻率來定義該寬度?？梢杂伤羞@些設(shè)置的存在來實(shí)現(xiàn)寬的定時(shí)范圍。因此，過渡定時(shí)是與技術(shù)無關(guān)的，其將不受電阻器和電容器變化的影響。圖4和圖5是示出兩個(gè)DC輸入信號(hào)之間的平穩(wěn)過渡的定時(shí)圖。在圖4中，圖的上部示出PCLK信號(hào)，圖的中部示出在第一電壓VTL和第二電壓VTH之間的Vcon電壓的平穩(wěn)過渡，并且圖的底部示出在第一輸入電壓VINl和第二輸入電壓VIN2之間的輸出信號(hào)的平穩(wěn)過渡。圖4因此示出其中在DC輸入電壓信號(hào)之間存在逐漸增加(step up)的開關(guān)。在圖5中，圖的上部示出NCLK信號(hào)，圖的中部示出在第一電壓VTH和第二電壓VTL之間的Vcon電壓的平穩(wěn)過渡，并且圖的底部示出在第一輸入電壓VIN2和第二輸入電壓VINl之間的輸出信號(hào)的平穩(wěn)過渡。圖5因此示出其中在DC輸入電壓信號(hào)之間存在逐漸減小(step down)的開關(guān)。圖6示出在兩個(gè)正弦波輸入之間的平穩(wěn)過渡。在圖6中，圖的第一和頂部部分不出NCLK和PCLK信號(hào)。圖的第二部分不出在第一電壓VTL與第二電壓VTH之間的并且返回到VTL電壓的Vcon電壓的平穩(wěn)過渡。圖的第三部分示出正弦波輸入電壓VINl和VIN2。圖的第四和底部部分示出在第一輸入正弦波電壓VINl與第二輸入正弦波電壓VIN2之間的并且隨后返回下降到VINl正弦波電壓的輸出信號(hào)的平穩(wěn)過渡。圖6因此示出從一個(gè)正弦波電壓輸入到另一個(gè)正弦波電壓輸入、以及返回到第一正弦波電壓輸入的平穩(wěn)開關(guān)。因此，根據(jù)本發(fā)明，提供了由運(yùn)算放大器模擬電流過渡控制的平穩(wěn)信號(hào)開關(guān)。由時(shí)鐘頻率和占空比來精確地控制基準(zhǔn)電流過渡定時(shí)。可以通過設(shè)置N(電容器數(shù)目)和M(電流鏡因子)來實(shí)現(xiàn)大范圍的過渡時(shí)間。本發(fā)明的電路基本上不受高頻數(shù)字噪聲的影響，并且不需要對(duì)輸出級(jí)電壓進(jìn)行濾波。開關(guān)過渡時(shí)間與于技術(shù)(電阻器和電容器)變化無關(guān)。本發(fā)明的電路容易實(shí)現(xiàn)且具有經(jīng)濟(jì)效益。因此，在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種修改和變更對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是明顯的。因此，如果本發(fā)明的修改和變更在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)，則意圖在于本發(fā)明覆蓋該修改和變更。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)電路，包括: 第一輸入級(jí)，其具有用于接收第一輸入信號(hào)的輸入端、輸出端和用于接收增加的模擬電流的電源端子； 第二輸入級(jí)，其具有用于接收第二輸入信號(hào)的輸入端、輸出端和用于接收減小的模擬電流的電源端子；以及 輸出節(jié)點(diǎn)，其被耦合到所述第一輸入級(jí)和所述第二輸入級(jí)的所述輸出端以便提供開關(guān)輸出信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電路，還包括介于所述第一和第二輸入級(jí)以及所述輸出節(jié)點(diǎn)之間的輸出級(jí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電路，其中，所述第一和第二輸入級(jí)中的每一個(gè)包括運(yùn)算放大器。
4.一種開關(guān)方法，包括: 向第一輸入級(jí)施加第一輸入信號(hào)； 向所述第一輸入級(jí)的電源端子施加增加的模擬電流； 向第二輸入級(jí)施加第二輸入信號(hào)； 向所述第二輸入級(jí)的電源端子施加減小的模擬電流；以及 將來自所述第一輸入級(jí)和所述第二輸入級(jí)的輸出信號(hào)組合以提供開關(guān)輸出信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的開關(guān)方法，還包括緩沖所述開關(guān)輸出信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述第一和第二輸入級(jí)中的每一個(gè)包括運(yùn)算放大器。
7.—種開關(guān)電路，包括: 電流發(fā)生器，其用于接收時(shí)鐘信號(hào)，并且用于生成充電電流和放電電流； 電壓發(fā)生器，其用于接收所述充電和放電電流，并且用于提供控制電壓； 電壓電流發(fā)生器，其用于接收所述控制電壓，并且用于提供第一模擬電流和第二模擬電流；以及 放大器級(jí)，其用于將所述第一和第二模擬電流組合，并且用于提供開關(guān)輸出信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的開關(guān)電路，其中，所述電流發(fā)生器包括第一和第二積分器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的開關(guān)電路，其中，所述第一和第二積分器包括由所述時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行開關(guān)的輸入端。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的開關(guān)電路，其中，所述電流發(fā)生器包括兩個(gè)附加的電壓電流發(fā)生器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的開關(guān)電路，其中，所述附加的電壓電流發(fā)生器包括由所述時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行開關(guān)的輸出端。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的開關(guān)電路，其中，所述電流發(fā)生器包括第一和第二電流鏡。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的開關(guān)電路，其 中，所述第一和第二電流鏡包括由所述時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行開關(guān)的輸入端。
14.根據(jù)權(quán)利要求7所述的開關(guān)電路，其中，所述電壓發(fā)生器包括第一和第二電流鏡。
15.根據(jù)權(quán)利要求7所述的開關(guān)電路，其中，所述電壓發(fā)生器接收兩個(gè)附加的時(shí)鐘信號(hào)。
16.根據(jù)權(quán)利要求7所述的開關(guān)電路，其中，所述電壓發(fā)生器包括負(fù)載電容器。
17.根據(jù)權(quán)利要求7所述的開關(guān)電路，其中，所述電壓電流發(fā)生器包括用于接收所述控制電壓、基準(zhǔn)電壓、以及用于提供所述第一和第二模擬電流的差分放大器。
18.根據(jù)權(quán)利要求7所述的開關(guān)電路，其中，所述電壓電流發(fā)生器包括第一和第二電流鏡。
19.根據(jù)權(quán)利要求7所述的開關(guān)電路，其中，所述放大器級(jí)包括第一和第二輸入級(jí)、以及耦合到所述第一和第二輸 入級(jí)的輸出端的輸出級(jí)。
20.根據(jù)權(quán)利要求7所述的開關(guān)電路，其中，所述第一模擬電流包括從第一值增加至第二值的模擬電流，并且所述第二模擬電流包括從所述第二值減小至所述第一值的模擬電流。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有精確電流導(dǎo)引發(fā)生器的模擬信號(hào)軟開關(guān)控制電路。公開了一種開關(guān)電路，包括具有用于接收第一輸入信號(hào)的輸入端、輸出端、和用于接收增加的模擬電流的電源端子的第一輸入級(jí)，具有用于接收第二輸入信號(hào)的輸入端、輸出端、和用于接收減小的模擬電流的電源端子的第二輸入級(jí)，以及耦合到第一輸入級(jí)和第二輸入級(jí)的輸出端以便提供開關(guān)輸出信號(hào)的輸出節(jié)點(diǎn)。輸出級(jí)耦合在第一和第二輸入級(jí)與輸出節(jié)點(diǎn)之間。第一和第二輸入級(jí)是運(yùn)算放大器。
文檔編號(hào)H03K17/785GK103187958SQ20111046189
公開日2013年7月3日 申請(qǐng)日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者陳敏, 劉 文, 李紅霞, 代小伍 申請(qǐng)人:意法半導(dǎo)體研發(fā)(深圳)有限公司