專利名稱：輸出通過變化率控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種輸出通過變化率控制電路，其中在其輸出端連接有一個感性負(fù)載。
近來，在汽車上裝備了更多的電子系統(tǒng)，各種汽車電子系統(tǒng)被用于控制發(fā)動機(jī)和制動器的工作、車窗的開閉操作和門鎖的操作。一般地，由于這些電子裝置是由電池供電的，所以其供電電壓經(jīng)常發(fā)生波動。有時在電源電壓上還疊加一個電涌電壓。此外，由于汽車電子系統(tǒng)要受到震動和沖擊的作用，所以必須考慮電源的輸出端可能被短路或斷路的情況。在此類意外情況下，需要保證電子系統(tǒng)仍不被損壞。此外，由于這些汽車電子系統(tǒng)是用于驅(qū)動例如為滑閥、電磁螺線管和電動機(jī)等機(jī)械元件的，這些機(jī)械元件常常構(gòu)成對于電子系統(tǒng)的感性負(fù)載。因而，由于微處理機(jī)的輸出信號常常是快速的導(dǎo)通、關(guān)斷信號，所以，當(dāng)一個快速改變的輸出信號施加到這些感性負(fù)載上時，感性負(fù)載將產(chǎn)生反電動勢。
當(dāng)電子系統(tǒng)中的輸出級晶體管關(guān)斷時，所產(chǎn)生的反電動勢不但使輸出波形發(fā)生畸變，而且由于關(guān)斷輸出晶體管而使之損壞。
此外，感性負(fù)載中的快速改變的大電流會產(chǎn)生電磁噪聲，這使得鄰近的電子裝置工作失效或使得收音機(jī)設(shè)備產(chǎn)生刺耳的聲音。因而，傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)為使其輸出波形鈍化，這需要對輸出通過率電路采取某些措施以鈍化波形電壓。
當(dāng)晶體管輸出端連接有一個螺線管作為負(fù)載時，需要設(shè)置一個保護(hù)電路來保護(hù)輸出晶體管不受螺線管關(guān)斷時產(chǎn)生的電涌電壓的影響。
因此，在開/關(guān)控制中不采用具有方波波形的脈沖信號作為輸入控制信號，而是將控制信號改為具有上升斜坡和下降斜坡的斜坡脈沖信號，用于消除由于負(fù)載中電流的快速改變而產(chǎn)生的反電動勢。此時，采用圖4中所示的通過率控制電路以抑制電涌電壓。
由控制電路100輸出的控制信號Din從端T100輸入，并由一個由電阻101和電容102構(gòu)成的積分電路轉(zhuǎn)換成如圖5B所示的斜坡信號Drmp，該信號的波形具有上升斜坡(從時刻t11起)和下降斜坡(從時刻t50起)。舉例來說，上升階段的時間(從時刻t11至?xí)r刻t20)是由電阻101和電容102的所確定的時間常數(shù)，而輸入控制信號Din下降階段的時間(從時刻t50至?xí)r刻t60)也是由電阻101和電容102所確定的時間常數(shù)。
繼而，如圖5C所示，電流在一個N溝道型的MOS(金屬/氧化膜/半導(dǎo)體)晶體管103中流動，該電流對應(yīng)于圖5B所示的具有上升和下降坡波形的斜坡信號Drmp的電壓。這時，當(dāng)晶體管103的柵極電壓低于閾值Vt時，由于晶體管103中沒有電流流過，并且當(dāng)柵極電壓達(dá)到一個預(yù)定值時，由于輸出電流飽和，所以圖5C所示的輸出電流Iout的波形的時間常數(shù)與電阻101和電容102的時間常數(shù)并不一致。
圖5D中的實(shí)線示出當(dāng)輸出端Tout和外電源端Vout之間連接有一個電阻作為負(fù)載時，在輸出端Tout的輸出電壓波形。此外，圖5D中的虛線示出在輸出端Tout和外電源端Vout之間連接有一個感性負(fù)載104時，在輸出端Tout的輸出信號Dout波形。在這些情況下，當(dāng)負(fù)載是一個電阻時，輸出信號Dout的變化和輸出電流Iout成反比。與此相反，當(dāng)負(fù)載104是感性負(fù)載時，輸出信號Dout在時刻t60在輸出電流Iout的拐點(diǎn)處發(fā)生超調(diào)現(xiàn)象(虛線)。
當(dāng)輸出信號Dout超過一個預(yù)定的電壓值時，就會產(chǎn)生一個如圖5E所示的過電壓檢測脈沖Ds。在圖4所示的電路中，由一個恒壓電路107和一個晶體管106組成一個過電壓保護(hù)電路。例如，在負(fù)載104被短接的情況下，如圖5D中的點(diǎn)劃線所示，當(dāng)一個高電壓施加到晶體管103的柵極并且晶體管103處于導(dǎo)通狀態(tài)時，就假設(shè)漏極電壓暫時變?yōu)楦唠妷骸?br> 在此情形下，由于晶體管103處于導(dǎo)通狀態(tài)，在晶體管103中流過大電流。因而，晶體管103很可能由于大電流產(chǎn)生的熱而被損壞。為了防止出現(xiàn)損壞，設(shè)置了一個晶體管106以減小輸出端Tout的輸出電流Iout。
也就是，晶體管103的漏極電壓(即輸出信號Dout的電壓)通過保護(hù)裝置105施加到晶體管106的柵極，并當(dāng)輸出信號Dout的電壓超過一個預(yù)定的電壓時，該晶體管導(dǎo)通，使得晶體管103的柵極電壓減小，如圖5B所示。結(jié)果，如圖5C所示，使流經(jīng)晶體管103的電流受到限制，從而可避免晶體管103被損壞。
作為另一個示例，假設(shè)晶體管103的漏極電壓(輸出信號Dout的電壓)暫時為一個高電壓，如圖5D中的虛線所示(從時刻t50至?xí)r刻t60)。通過觸發(fā)圖4中未示出的一個過電壓保護(hù)電路，在晶體管103的柵極施加控制信號Ds。
這樣，由于有可能防止晶體管的漏極免受過電壓或反向偏壓的影響，并且由于晶體管103是導(dǎo)通的，可實(shí)現(xiàn)對晶體管103輸出端Dout電壓的控制，從而可避免晶體管103的損壞。還由于甚至可在負(fù)載104是螺線管的情況下保持電壓穩(wěn)定，從而也可防止反電動勢對波形產(chǎn)生畸變影響。
另外，設(shè)置晶體管106以降低晶體管103的柵極電壓，且由于晶體管103是N溝道型MOS晶體管，可防止晶體管103的漏極由于負(fù)載104發(fā)生短路而有大電流通過。也就是，當(dāng)輸出電壓(異常)高于一個預(yù)定電平時，由于該異常電壓而產(chǎn)生的輸出信號Dout的電壓通過保護(hù)裝置105而施加到晶體管106的柵極，使晶體管106導(dǎo)通，從而降低晶體管103的柵極電壓，使晶體管回落到一個低電流狀態(tài)。
此處，恒壓電路107是一個用于判斷晶體管103的柵極電壓是否超出一個預(yù)定的電壓(該電壓Vt+α略高于閾值電壓)的電路，并且該電路設(shè)置為在晶體管103的柵極電壓超過一個預(yù)定的電壓時變?yōu)閷?dǎo)通。此處，Vt代表晶體管103的閾值電壓。
也就是，當(dāng)晶體管103處于關(guān)斷狀態(tài)時，輸出信號Dout的電壓是Vout，并且如果該電壓被輸出到晶體管103，柵極電壓不會增加。因此，晶體管106處于導(dǎo)通狀態(tài)才可抑制斜坡信號Drmp電壓減小，由此將晶體管103轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通狀態(tài)。
相反，隨著晶體管103柵極電壓的增加，晶體管103漏極的電流也逐漸增加。這樣，如果外部電源電壓Vout和負(fù)載104的壓降保持在一個預(yù)定的電壓上，則輸出信號Dout將由于負(fù)載104而產(chǎn)生一個電壓降，使得晶體管103的漏極電壓(輸出信號Dout的電壓)下降，從而可以避免異常電流產(chǎn)生。
然而，當(dāng)晶體管103的柵極電壓高于預(yù)定的電壓并且晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時，如果外部電源電壓Vout或負(fù)載104變化到一個異常狀態(tài)時，晶體管103中就會有大電流通過，并由此大電流產(chǎn)生的熱將使晶體管103損壞。為了避免晶體管103被損壞，要使得該晶體管導(dǎo)通，并將其柵極電壓限制為“Vt+α”。這樣，雖然晶體管103并沒有轉(zhuǎn)換到非導(dǎo)通狀態(tài)，但在晶體管103中也沒有大電流流過。
在圖4所示的電路中，由于元件制造過程中的參數(shù)離散，晶體管103閾值電壓Vt、輸入跨導(dǎo)、阻抗和電容量值分散，使得輸出信號Dout的波形的通過率如圖5D中的雙點(diǎn)劃線所示的那樣發(fā)生離散。
在圖6中示出一種帶有一個運(yùn)算裝置111的輸出通過變化率控制電路，作為改善所述離散的一種電路。圖5A所示的由端100輸入的控制信號Din被轉(zhuǎn)換成一個具有上升斜坡和下降斜坡的斜坡信號Drmp。運(yùn)算裝置111向晶體管103提供這樣的一個輸出電流Iout，即使得輸出信號Dout的電壓和斜坡信號Drmp的電壓成正比，并通過將輸出信號Dout的電壓輸入保護(hù)裝置105的電路來對其進(jìn)行監(jiān)控。
由于恒壓電路107和晶體管106的工作過程和上述輸出通過變化率控制電路的相同，所以省略有關(guān)說明。
通常，在輸出通過變化率控制電路中，用于驅(qū)動內(nèi)部電路的電源Vcc和用于驅(qū)動負(fù)載的電源的電壓Vout是不同的。
然而，圖4所示的傳統(tǒng)的輸出通過變化率控制電路僅通過由電阻值和電容102電容值所確定的時間常數(shù)產(chǎn)生斜坡信號來控制晶體管103的電流值。
如上所述，在圖4所示的輸出通過變化率控制電路中，由于在生產(chǎn)過程中的工藝離散，晶體管103的閾值電壓、阻值和電容器電容值的參數(shù)也發(fā)生離散，使得輸出電壓Dout的通過率如圖5D中的雙點(diǎn)劃線所示的那樣也發(fā)生離散。
也就是，在傳統(tǒng)的輸出通過變化率控制電路中，由于輸出信號Dout的電流改變未能被檢測到，所以存在輸出信號Dout的電流值不穩(wěn)定地上升或下降的可能性。
一般地，當(dāng)漏極電壓Vds變大時，即使晶體管103的柵極電壓保持恒定，漏極電流(輸出電流Iout)也會變大。這樣，如圖7所示，如果負(fù)載很小或外部電源電壓Vout很高，則有如實(shí)線所示的異常輸出電流Iout。
在圖7中(該圖中所采用的時間坐標(biāo)和圖5中的相同)，如果晶體管103的柵極電壓在時刻t12變得高于閾值電壓Vt，則晶體管103的漏極電流(輸出電流Iout)開始流動。如果負(fù)載10是正常的，則電流將不斷地增大。也就是，由晶體管103的通路阻抗和負(fù)載104的電阻所確定的電流從時刻t13至?xí)r刻t53流動。
在時刻t16至?xí)r刻t53期間，即使晶體管103的柵極電壓變高，漏極電流(輸出電流Iout)亦保持相當(dāng)?shù)暮愣ā?br> 相反，在異常情況下，例如當(dāng)負(fù)載被短路時，從時刻t12至?xí)r刻t15，電流將持續(xù)增大。此外，在時刻t15至?xí)r刻t56期間，即使柵極電壓變高，漏極電流(輸出電流Iout)亦相當(dāng)?shù)睾愣?。但如果這種大電流連續(xù)流過，晶體管中會產(chǎn)生熱，這種熱會損壞晶體管。
如圖4所示，傳統(tǒng)的輸出通過變化率控制電路需要設(shè)置一個保護(hù)裝置105以保護(hù)晶體管106的柵極，這使得電路組成所需的區(qū)域增大。保護(hù)裝置105包括一個保護(hù)電路，其輸出端Tout和晶體管106的柵極輸出端Tout相連接，用于防止由于靜電電荷和電涌電壓而產(chǎn)生的損壞，該裝置還包括一個用于濾去高頻成份的濾波器電路，以及一個用于對輸出信號Dout的電壓進(jìn)行分壓的分壓電路。此處，電涌電壓比靜電電荷具有更高的能量。這樣，如圖4所示，保護(hù)裝置在輸出通過變化率控制電路中占據(jù)了相對較大的區(qū)域，這導(dǎo)致半導(dǎo)體集成電路芯片面積的增加。
圖6所示的傳統(tǒng)的輸出通過變化率控制電路以和圖4所示的傳統(tǒng)電路的例子相反的方式即運(yùn)算裝置111檢測輸出信號Dout的電壓值來對提供至負(fù)載104的輸出電壓Dout進(jìn)行控制。保護(hù)裝置105具有對電壓進(jìn)行分壓的功能，以便可以在斜坡信號Drmp的電壓變化范圍內(nèi)檢測輸出信號Dout電壓的線性變化。
然而，圖6所示的傳統(tǒng)的輸出通過變化率控制電路采用了一個保護(hù)裝置105，它是通過電阻來分壓的；于是，當(dāng)采用不同于正常電源電壓的其它電壓時，每改變一次電源電壓就需要改變一次分壓值。然而，在輸出通過變化率控制電路是由一個半導(dǎo)體集成電路構(gòu)成時，電阻值是不可能改變的，這就產(chǎn)生了一個問題，即分壓電壓不能隨不同的電源電壓而變化。電源電壓的改變可能是由負(fù)載設(shè)定工作電壓的改變而引起的，以及由于電池持續(xù)使用而使輸出電壓降低而引起的。還有一個有關(guān)電阻的問題是，由于需要大阻值的電阻進(jìn)行分壓，該電阻將占據(jù)很大的區(qū)域，使芯片變得很大。
現(xiàn)在考慮一個例子，其中電源電壓Vcc被施加到運(yùn)算裝置111，而一個更高的外部電源電壓Vout被施加到負(fù)載104上，而保護(hù)裝置105以1∶N的分壓比返送一個電壓值。在此例中，一個相應(yīng)于端點(diǎn)Tout處的輸出電壓Dout的1/N的電壓被返送到運(yùn)算裝置111的正相(+)輸入端，并且如果電壓Dout/N小于電源電壓Vcc，則所述運(yùn)算裝置執(zhí)行一個正常的反饋操作(在圖8中的虛線所示的操作，圖中所采用的時間坐標(biāo)和圖5A中的坐標(biāo)相同)。
考慮這樣一種情況，其中外部電源電壓Vout以N倍高于運(yùn)算裝置111電源電壓Vcc。在此情況下的輸出電流Iout如圖8中的實(shí)線所示。
在從時刻t214至?xí)r刻t253的期間(在圖8中的時刻t214至?xí)r刻t253對應(yīng)于圖5中的時刻t14至?xí)r刻t53)，該時段對應(yīng)于輸入信號Din處于高“H”電平，晶體管103是導(dǎo)通的，輸出電壓Dout小于N×Vcc，從而使工作狀態(tài)處于運(yùn)算裝置可控制的范圍內(nèi)。
在該時段內(nèi)，晶體管103的輸出電流Iout是由外部電源電壓Vout、晶體管103的通路阻抗以及負(fù)載阻抗所決定的電流值，即Vout/(通路電阻+負(fù)載電阻)。
在對應(yīng)于輸入信號Din處于低“L”電平的時段內(nèi)，即在時刻t213之前和時刻t255之后，并無輸出電流流動，并且由于負(fù)載104上的減小了的電壓降，從而輸出電壓Dout高于N×Vcc，該電壓位于運(yùn)算裝置111可控制的范圍之外。在該時段，晶體管103的輸出電流Iout預(yù)期應(yīng)該為零，但是由于在運(yùn)算裝置111的正相輸入端(+)上返送有一個高于Vcc的電壓，運(yùn)算裝置111的輸出電壓即晶體管103的柵極電壓并不下降到零。因此，一個對應(yīng)于(Vout-Dout)/(負(fù)載阻抗)的電流流向晶體管103的漏極。
為了解決上述問題，在晶體管103和地之間設(shè)置一個輸出切斷電路(未在圖6中示出)。當(dāng)斜坡信號Drmp的電平信號小于晶體管103的閾值電壓Vt時，該輸出切斷電路通過將晶體管103的柵極電壓強(qiáng)制置于零而使晶體管處于非導(dǎo)通狀態(tài)。
于是，在時刻t213之前或者時刻t255之后的期間，雖然并無輸出電流流動，但輸出電流Iout在時刻t213和時刻t255非連續(xù)地變化，這在輸出波形上形成了兩個拐點(diǎn)，從而在產(chǎn)生噪聲的感性負(fù)載中形成了一個反電動勢。
當(dāng)負(fù)載104被短路時，輸出電壓Dout并不會下降到低于Vcc，使得不可能由運(yùn)算裝置111進(jìn)行控制。也就是，如圖8的點(diǎn)劃線所示，即使當(dāng)輸入電壓Din處于低電平“L”時，在晶體管103中仍有電流流過，且在輸入電壓Din轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖健癏”時，有一個更大的電流流過。
圖6所示的傳統(tǒng)的輸出通過變化率控制電路還存在一個問題，即由于輸出信號Dout必須連接至運(yùn)算裝置111的輸入端和晶體管106的柵極，而且由于必須設(shè)置保護(hù)裝置105來保護(hù)電路免受靜電電荷和電涌電壓的損壞，所以電路的面積增大了。
如果用于確定分壓的電阻被設(shè)置在半導(dǎo)體集成電路之外，并通過外部電源電壓來改變分壓，就可避免電路面積增大的問題。然而，由于安裝在汽車中的電子系統(tǒng)需要具有輕的質(zhì)量和小的尺寸，因而希望用于進(jìn)行分壓的電阻能被集成在半導(dǎo)體集成電路芯片中，從而整個輸出通過變化率控制電路都能制成一個象微計(jì)算機(jī)中的那樣的芯片。
然而，如果用于電壓分壓的電阻被集成在半導(dǎo)體電路中的話，為了匹配于所使用的不同外部電源電壓，需要設(shè)置各種具有不同的分電壓的半導(dǎo)體集成電路，這就導(dǎo)致生產(chǎn)商和提供商的工藝步驟的增加。
另外，由于電子裝置和系統(tǒng)安裝在汽車中，如果在該設(shè)備安裝之后外部電源電壓升高，它的電池電壓就處于不斷的變化中，這些裝置常常落入不可控制的范圍。因而，分電壓必須被設(shè)定成可在最大外部電源電壓的情況下工作，這就產(chǎn)生一個問題，即難于為通常情況的電源電壓設(shè)置一個最佳的分電壓。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種與負(fù)載電壓或負(fù)載值無關(guān)的、無需設(shè)置保護(hù)裝置并且不增加電路面積的、可以恒定地控制輸出電壓的通過率的輸出通過變化率控制電路。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，一種輸出通過變化率控制裝置包括一個用于從輸入脈沖產(chǎn)生斜坡信號的斜坡信號發(fā)生器；一個用于相應(yīng)于所述斜坡信號的電壓而產(chǎn)生斜坡電流的電流發(fā)生器；和一個連接至負(fù)載的用于相應(yīng)于所述斜坡電流的電流值而產(chǎn)生輸出電流的輸出電流發(fā)生器；其中，所述斜坡信號發(fā)生器、所述電流發(fā)生器、和所述輸出電流發(fā)生器的驅(qū)動電壓各不相同。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，在根據(jù)第一方面的輸出通過變化率控制電路中，所述斜坡信號發(fā)生器包括一個恒流源、一個開關(guān)元件、和一個電容，從所述恒流源流出的電流流過由所述輸入脈沖接通或斷開的開關(guān)元件，在所述電容器內(nèi)作為充電而積累。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，在根據(jù)第二方面的輸出通過變化率控制電路中，所述開關(guān)元件由多個MOS晶體管組成。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，在根據(jù)第一方面的輸出通過變化率控制電路中，所述輸出電流發(fā)生器包括一個運(yùn)算裝置和一個第一電流米勒(miller)電路，其中所述運(yùn)算裝置輸出一個所得到的電壓作為所述第一電流米勒電路的一個驅(qū)動電壓，以便使所述斜坡信號的輸入電壓與由所述第一電流米勒電路輸出的斜坡電流而產(chǎn)生的電壓之間的差最小。
根據(jù)本發(fā)明的第五方面，在根據(jù)第四方面的輸出通過變化率控制電路中，所述第一電流米勒電路由多個MOS晶體管組成。
根據(jù)本發(fā)明的第六方面，在根據(jù)第一方面的輸出通過變化率控制電路中，所述第一電流米勒電路是通過將兩個P溝道型MOS晶體管的源極共同連接、并將兩個P溝道型MOS晶體管的柵極共同連接而組成的。
根據(jù)本發(fā)明的第七方面，在根據(jù)第一方面的輸出通過變化率控制電路中，所述輸出電流發(fā)生器由一個第二電流米勒電路組成，所述第二電流米勒電路相所述負(fù)載施加一個與所述斜坡電流的電流值成正比的電流值的輸出電流。
根據(jù)本發(fā)明的第八方面，在根據(jù)第七方面的輸出通過變化率控制電路中，所述第二電流米勒電路由多個MOS晶體管組成。
根據(jù)本發(fā)明的第九方面，在根據(jù)第一方面的輸出通過變化率控制電路中，所述第二電流米勒電路是通過將兩個N溝道型MOS晶體管的源極共同連接、并將所述兩個MOS晶體管的柵極共同連接而組成的。
根據(jù)本發(fā)明的第十方面，在根據(jù)第七方面的輸出通過變化率控制電路中，在組成所述第二電流米勒電路的一個晶體管的接地端和一個接地點(diǎn)之間接入一個電阻。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的輸出通過變化率控制電路的結(jié)構(gòu)的框圖；圖2A、2B、2C是用于解釋圖1的輸出通過變化率控制電路的工作過程的時序圖；圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的輸出通過變化率控制電路的結(jié)構(gòu)的框圖；圖4是示出傳統(tǒng)的輸出通過變化率控制電路的結(jié)構(gòu)的框圖5A至5E是用于解釋圖4所示的輸出通過變化率控制電路的工作過程的例子的時序圖；圖6是示出另一種傳統(tǒng)的輸出通過變化率控制電路的結(jié)構(gòu)的框圖；圖7是用于解釋圖4所示的另一種傳統(tǒng)的輸出通過變化率控制電路的工作過程的例子的時序圖；圖8是用于解釋圖6所示的輸出通過變化率控制電路的工作過程的例子的時序圖。
下文將參照附圖對本發(fā)明的一些實(shí)施例進(jìn)行描述，圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的輸出通過變化率控制電路的結(jié)構(gòu)的框圖。在圖1中，控制電路110包括一個反相器1、一個反相器2、兩個晶體管3和4、一個恒流源5p、一個恒流源55n、和一個電容6。反相器1和2將從輸入端T1輸入的控制信號Din極性進(jìn)行反相，并輸出反相的信號。也就是，反相器1和2接收高電平“H”的控制信號Din，并輸出低電平信號“L”的控制信號Din。
標(biāo)號3表示一個P溝道型的MOS晶體管，其柵極和反相器1的輸出端相連接。MOS晶體管3的源極通過一個恒流源5連接至一個電源電壓Vcc，晶體管3的漏極連接至運(yùn)算裝置(運(yùn)算放大器)8的正相(+)輸入端。恒流源5p確定電容6的電荷積累速度，即充電速度。
標(biāo)號4表示一個N溝道型MOS晶體管，其柵極連接至反相器2的輸出端。該MOS晶體管4的源極通過一個恒流源5n接地，該MOS晶體管4的漏極連接至運(yùn)算裝置8的正相輸入端。此外，恒流源5n確定電容6的所充電荷的放電速度，即放電率。
電容6被設(shè)置在運(yùn)算裝置8的正相輸入端和接地點(diǎn)之間。MOS晶體管3的漏極和MOS晶體管4的漏極的連接端點(diǎn)用T2表示。
當(dāng)MOS晶體管3導(dǎo)通時，MOS晶體管4就被關(guān)斷，即，當(dāng)圖2A所示的控制信號Din被反相為高電平“H”時，MOS晶體管3產(chǎn)生一個電流，其電流值為Ir，以便對電容6進(jìn)行充電，結(jié)果，在運(yùn)算裝置8的正相(+)輸入端形成圖2B所示的斜坡信號Drmp的上升部分。
再有，當(dāng)MOS晶體管4導(dǎo)通時，MOS晶體管3被關(guān)斷，即，當(dāng)圖2A所示的控制信號Din反相為低電平“L”時，MOS晶體管4使電容6放電，并將圖2B中斜坡信號Drmp的下降部分輸出到運(yùn)算裝置8的正相(+)輸入端。
運(yùn)算裝置8的輸出端連接至MOS晶體管9的漏極和MOS晶體管10的漏極，運(yùn)算裝置8將圖2所示的、輸入到正相(+)輸入端的斜坡信號Drmp電壓和斜坡信號Drmp輸入到負(fù)相(-)輸入端的電壓之間的電壓差減至最小后，輸出一個電壓。
MOS晶體管9和MOS晶體管10是類似的P溝道型MOS晶體管，它們的柵極長度和柵極寬度相同，這兩個晶體管9、10構(gòu)成電流米勒電路CT1。組成該電流米勒電路CT1的晶體管9和10的源極連接至運(yùn)算裝置8的輸出端，并從運(yùn)算裝置8的輸出端獲得驅(qū)動電壓。
MOS晶體管9和MOS晶體管10的柵極連接至MOS晶體管9的漏極。MOS晶體管9和10的柵極的連接點(diǎn)用T3表示。此外，MOS晶體管9的漏極通過一個電阻7接地，晶體管9的柵極連接至負(fù)相(-)輸入端。
MOS晶體管10連接至MOS晶體管11的漏極。MOS晶體管11的源極接地，晶體管11的漏極連接至其自身11的柵極。MOS晶體管12的源極接地，該MOS晶體管的柵極連接至MOS晶體管11的柵極。MOS晶體管11和12柵極之間的連接點(diǎn)用T4表示。
MOS晶體管11和MOS晶體管12都是N溝道型MOS晶體管，這兩個晶體管構(gòu)成一個電流米勒電路CT2，而且在晶體管11、12的柵極電壓相同的條件下，其電流比為1∶A，也就是，當(dāng)柵極電壓相同時，在MOS晶體管12的電流是MOS晶體管11中的電流的A倍。此處，MOS晶體管11中的電流和電流米勒電路CT1中的電流相同。
在外部電源電壓Vout和MOS晶體管12之間設(shè)置一個負(fù)載104。負(fù)載104和MOS晶體管12漏極之間的連接點(diǎn)用Tout表示。在連接點(diǎn)Tout處的輸出信號電壓用Dout表示，流經(jīng)負(fù)載104的電流用Iout表示。
如圖2B所示，在時刻t端點(diǎn)T2處，從恒流源5流出的電流Ir使斜坡信號的電壓增加，這些因素可表示為t×Ir/Cr，其中Cr表示電容器6的電容。假如在正相(+)輸入端和負(fù)相(-)輸入端之間發(fā)生了假設(shè)的短路情形，則從MOS晶體管9漏極流向電阻的電流I2可以表示為V2/R，其中R表示電阻7的阻值。
相應(yīng)地，在MOS晶體管11的電流強(qiáng)度用I2表示。這時，由于MOS晶體管12中的電流是MOS晶體管11中電流的A倍，所以MOS晶體管12的電流可表示成Iout＝A×I2。這樣，輸出信號Dout的輸出電流Iout在時間t內(nèi)的變化量可表示成“(t×Ir×A)/(Cr×R)”。由于電流強(qiáng)度Ir、電容Cr以及電阻R都是常數(shù)，上述的公式就產(chǎn)生了如圖2C所示的隨時間t變化的關(guān)系。
由于即使在負(fù)載104是螺線管的情況下，單位時間內(nèi)的電流值的變化也可用同樣的公式“(t×Ir)/(Cr×R)”表示，所以電流值可保持為一個常數(shù)，而與連接至負(fù)載104上的電源電壓Vout的波動和螺線管的直流阻抗無關(guān)，這就防止了輸出電壓的畸變。
下文將參照附圖1和2對本實(shí)施例的工作過程進(jìn)行描述。
作為示例，假設(shè)控制信號Din以低電平“L”的形式輸入，端點(diǎn)T2處的電壓被降到和地電位相同的低電平“L”。這時，該低電平被輸入到運(yùn)算裝置8的正相(+)輸入端，同時，低電位“L”輸出信號也從輸出端輸出。
這樣，在電流米勒電路CT2中沒有電流流過，類似地，在電流米勒電路CT1中也沒有電流流過。因此，此時在負(fù)載104中流過的電流值為“0”。
在時刻t1，假設(shè)輸入信號Din如圖2A所示的那樣上升。由此，反相器1和2輸出低電平“L”信號。結(jié)果，MOS晶體管3導(dǎo)通，而MOS晶體管4被關(guān)斷。此外，流經(jīng)MOS晶體管3中的電流為Ir。
因此，在從時刻t1至?xí)r刻t4的期間，電容6由電流值為Ir的電流充電。如圖2B所示，對應(yīng)于斜坡信號Drmp電壓，在端點(diǎn)T2處的電壓V2也隨時間而增加。在時刻t，電流米勒電路CT2中的電流值為I2，即“(t×Ir)/(Cr×R)”。
據(jù)此，電流值為“(t×Ir)/(Cr×R)”的電流流動，類似于晶體管11的情況。在MOS晶體管12中流動的電流值為“(t×Ir×A)/(Cr×R)”。因而，在以每一個單位時間的“(t×Ir)/(Cr×R)”的變化率增加之后，電流可被表示為(t×Ir×A)/(Cr×R)。
接著，在時刻t4，輸入到運(yùn)算裝置8正相(+)輸入端的斜坡信號Drmp達(dá)到電源電壓Vcc，并持續(xù)處于飽和狀態(tài)(從時刻t4至?xí)r刻t7)，其中運(yùn)算裝置輸出對應(yīng)于電源電壓Vcc的最大電壓。此時，電流值為“(Vcc-Vgs)/R”的電流流過電流米勒電路CT1，而電流值為“A×(Vcc-Vgs)/R”的電流流過負(fù)載104。此處，Vgs代表組成電流米勒電路CT1的P溝道型MOS晶體管9和MOS晶體管10的柵-源極之間的電壓，在MOS晶體管9和MOS晶體管10的源極之間有對應(yīng)于由電源電壓Vcc產(chǎn)生的柵極-源極電壓值Vgs的電壓降。
在輸入控制信號Din被轉(zhuǎn)變到低電平“L”狀態(tài)的時刻Vt7，反相器1和2將輸出信號由低電平“L”轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖健癏”。轉(zhuǎn)變的結(jié)果，MOS晶體管4導(dǎo)通，而MOS晶體管3被關(guān)斷，在MOS晶體管4中開始有電流值為Ir的電流流過。
在從時刻t7至?xí)r刻t10的期間，如圖2B所示，斜坡信號Drmp的電壓以(Vcc-(t×Ir)/Cr)的變化率下降。此時，流過負(fù)載104的電流的電流值為“A×Vcc/R-(t×Ir×A)”。在該下降期間。電流以“(Ir×A)/(Cr×R)”的變化率下降。
如上所述，本發(fā)明的一個實(shí)施例提供了一種輸出通過變化率控制電路，它能夠以每一單位時間相同的變化率增加輸出電壓而不受與負(fù)載相連接的電源電壓Vout的影響，結(jié)果就抑制反電動勢的產(chǎn)生，并防止輸出電壓的畸變。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，在輸出通過變化率控制電路的輸出級設(shè)置了一個電流米勒電路，從而即使在外電源電壓Vout大于源電壓Vcc的情況下，通過由電源電壓Vout在負(fù)載104中產(chǎn)生的電流可以防止輸出電壓的畸變，這樣可實(shí)現(xiàn)對電流流動的控制，使其按照斜坡信號的波形而增加。因此，當(dāng)電源電壓Vout被切換或當(dāng)電源電壓Vout發(fā)生波動時，本發(fā)明的輸出通過變化率控制電路允許一個輸出電流Iout(如圖2C中的實(shí)線所示)對應(yīng)于負(fù)載104上的輸出信號Dout而流動，而不依賴于電源電壓Vout。
此外，和傳統(tǒng)的裝置相反，根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的輸出變化率控制裝置無需將輸出信號Dout連接至運(yùn)算裝置的輸入端的和MOS晶體管12的柵極，也無必要設(shè)置保護(hù)電路，這就消除了電路面積增大的問題。
以上對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述。應(yīng)注意到，本發(fā)明并不限于上述兩個實(shí)施例，可以預(yù)計(jì)在不超出本發(fā)明的范圍的情況下可以有多種變化。
例如，類似于圖2所示的根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的輸出通過變化率控制電路，可以在MOS晶體管12的源極和接地點(diǎn)之間接入一個電阻。電路的其它部分和第一實(shí)施例相同，所以略去有關(guān)描述。
當(dāng)負(fù)載由于任何原因被短路時，如圖2C所示，由于在MOS晶體管12中有非正常的大電流流過(從時刻t20至?xí)r刻t8)，該電流可以由電阻14形成的檢測信號Dsmp的檢測電壓來監(jiān)控。該電阻的阻值最好盡可能小，因?yàn)榱鬟^負(fù)載的電流是不受限制的。
在晶體管12的柵極和接地點(diǎn)之間設(shè)置晶體管15，而且應(yīng)用檢測信號Dsmp可防止過電流的情況。也就是，如果發(fā)生過電流，在電阻中產(chǎn)生的電壓將使晶體管12導(dǎo)通并減小柵極電壓。當(dāng)晶體管12的柵極電壓被減小時，晶體管12中的電流被限制，防止晶體管的損壞。
在MOS晶體管11的源極和電阻13之間設(shè)置一個電阻的情況下，既然在MOS晶體管1和12中的電流強(qiáng)度比為“1∶A”，最好使電阻13和14的阻值比為“A∶1”。
如上所述，設(shè)置電阻14可允許檢測流經(jīng)MOS晶體管12的電流，并保護(hù)MOS晶體管不被大電流損壞。
根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的輸出通過變化率控制電路和根據(jù)第一實(shí)施例的電路具有相同的效果，所以略去對第二實(shí)施例的效果的描述。
根據(jù)本發(fā)明，由于本發(fā)明的輸出通過變化率控制電路是這樣構(gòu)成的，即通過變化率可以在無需監(jiān)控輸出端電壓、無需設(shè)置保護(hù)電路的情況下建立，并且使集成電路芯片保持小的面積。
一般地，為了獲得用于滑閥或螺線管的強(qiáng)勁的驅(qū)動電源，除了具有3至5V的用于半導(dǎo)體集成電路的內(nèi)部電源之外，還提供具有例如8至30V的高的輸出電壓的外部電源。由于時常疊加在外部電源上的電涌電壓的電壓值具有幾百伏特，所以如果對輸出端電壓進(jìn)行監(jiān)控，傳統(tǒng)地會設(shè)置保護(hù)電路來保護(hù)檢測電路免受電涌電壓的影響。然而，在本發(fā)明中，由于外部電源Vout并不直接連接至柵極，所以不必設(shè)置保護(hù)電路。
根據(jù)本發(fā)明的輸出通過變化率控制裝置包括一個用于從輸入脈沖產(chǎn)生斜坡信號的斜坡信號發(fā)生器；一個用于相應(yīng)于所述斜坡信號的電壓而產(chǎn)生斜坡電流的電流發(fā)生器；和一個連接至負(fù)載的用于相應(yīng)于所述斜坡電流的電流值而產(chǎn)生輸出電流的輸出電流發(fā)生器。因此，由于可獲得與外部電源電壓和負(fù)載無關(guān)的恒定的電流變化率，就有可能在輸出波形中避免產(chǎn)生拐點(diǎn)和反電動勢。另外，如果負(fù)載短路，由于在輸出晶體管中只有受限制的電流通過，所以輸出晶體管一定不會被損壞。如果輸出晶體管具有大的電流容量或可能存在持續(xù)的電路短路的話，在輸出晶體管的源極和接地點(diǎn)之間設(shè)置用于監(jiān)控電流強(qiáng)度的電阻，使得避免晶體管的發(fā)熱損壞。
再有，當(dāng)本發(fā)明的輸出通過變化率控制電路以集成電路形成在同一芯片上時，電路可以在低于其外部電源電壓Vout的一個內(nèi)部電源工作電壓Vcc下工作，并且即使在負(fù)載量或外部電源電壓發(fā)生波動的情況下，也能在最佳的通過變化率下工作。
權(quán)利要求
1.一種輸出通過變化率控制裝置，包括一個用于從輸入脈沖產(chǎn)生斜坡信號的斜坡信號發(fā)生器；一個用于相應(yīng)于所述斜坡信號的電壓而產(chǎn)生斜坡電流的電流發(fā)生器；和一個連接至負(fù)載的用于相應(yīng)于所述斜坡電流的電流值而產(chǎn)生輸出電流的輸出電流發(fā)生器；其中，所述斜坡信號發(fā)生器、所述電流發(fā)生器、和所述輸出電流發(fā)生器的驅(qū)動電壓各不相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸出通過變化率控制電路，其特征在于，所述斜坡信號發(fā)生器包括一個恒流源、一個開關(guān)元件、和一個電容，從所述恒流源流出的電流流過由所述輸入脈沖接通或斷開的開關(guān)元件，在所述電容器內(nèi)作為充電而積累。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的輸出通過變化率控制電路，其特征在于，所述開關(guān)元件由多個MOS晶體管組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸出通過變化率控制電路，其特征在于，所述輸出電流發(fā)生器包括一個運(yùn)算裝置和一個第一電流米勒(miller)電路，其中所述運(yùn)算裝置輸出一個所得到的電壓作為所述第一電流米勒電路的一個驅(qū)動電壓，以便使所述斜坡信號的輸入電壓與由所述第一電流米勒電路輸出的斜坡電流而產(chǎn)生的電壓之間的差最小。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的輸出通過變化率控制電路，其特征在于，所述第一電流米勒電路由多個MOS晶體管組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸出通過變化率控制電路，其特征在于，所述第一電流米勒電路是通過將兩個P溝道型MOS晶體管的源極共同連接、并將兩個P溝道型MOS晶體管的柵極共同連接而組成的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸出通過變化率控制電路，其特征在于，所述輸出電流發(fā)生器由一個第二電流米勒電路組成，所述第二電流米勒電路相所述負(fù)載施加一個與所述斜坡電流的電流值成正比的電流值的輸出電流。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的輸出通過變化率控制電路，其特征在于，所述第二電流米勒電路由多個MOS晶體管組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸出通過變化率控制電路，其特征在于，所述第二電流米勒電路是通過將兩個N溝道型MOS晶體管的源極共同連接、并將所述兩個MOS晶體管的柵極共同連接而組成的。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的輸出通過變化率控制電路，其特征在于，在組成所述第二電流米勒電路的一個晶體管的接地端和一個接地點(diǎn)之間接入一個電阻。
全文摘要
提供一種輸出通過變化率控制電路,它在不增加電路面積的情況下,不受施加至負(fù)載的電壓影響而將輸出電流控制在一恒值,并使內(nèi)部電路免受高壓或電涌電壓損壞。此電路中,反相器1和2將輸入控制信號Din極性反相。MOS晶體管3的柵極接至反相器1的輸出端,MOS晶體管4的柵極接至反相器2的輸出端。在運(yùn)算裝置的正相(+)輸入端和接地點(diǎn)之間接入電容6。具相同柵極長度和寬度的P溝道型MOS晶體管9和10組成第一電流米勒電路CT1。具相同柵極長度和寬度的N溝道型MOS晶體管11和12組成第二電流米勒電路CT2。當(dāng)晶體管11和12的柵極電壓相同時,該兩晶體管中的電流比為1∶A。
文檔編號H03K19/0175GK1273459SQ0011804
公開日2000年11月15日 申請日期2000年5月6日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月6日
發(fā)明者滿田剛 申請人:日本電氣株式會社