專利名稱：大電容驅(qū)動快速轉(zhuǎn)換放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信號處理，具體地說涉及電子放大器。
因此，存在對一種具有高偏置效率的幾乎是滿幅度(rail-to-rail)放大電路的需要。
如

圖1所示，本發(fā)明的一個實施例是振鈴抑制充電和放電電路100，其與放大電路102一起使用，驅(qū)動電容負載108。放大電路102響應(yīng)輸入104，并且能夠產(chǎn)生相應(yīng)于輸入104的輸出106。振鈴抑制充電和放電電路100包括對來自放大電路102的輸出112響應(yīng)的充電元件120?？刹捎秒娏髟?22來維持放大電路102的合適的電特性。當(dāng)輸入電壓大于輸出電壓(或者預(yù)選定的倍數(shù))時，充電元件120對負載108進行充電。放電電路130響應(yīng)來自放大電路102的輸出106，并且包括反饋電路和分級電路134。反饋電路包括差分放大器132，其響應(yīng)來自輸出106的反饋110，并且當(dāng)輸出電壓小于輸入電壓的預(yù)選定的倍數(shù)時維持差分信號。分級電路134響應(yīng)差分信號，且導(dǎo)致負載108在差分信號被維持時在預(yù)選定的時間周期之內(nèi)逐漸地放電。
分級電路134包括第一放電元件136，第一延遲元件138和至少一個第二放電元件140。通常，分級電路134也包括第二延遲元件142和第三放電元件144。第一放電元件136響應(yīng)來自差分放大器132的差分信號，并且當(dāng)維持差分信號時吸收來自負載108的電荷。當(dāng)差分信號被解維持時，第一放電元件136基本上停止吸收來自負載108的電荷。第一延遲元件138產(chǎn)生第一延遲信號，該延遲信號在差分信號被維持之后，被維持片刻。一旦解維持差分信號，在第一預(yù)定的時間之后解維持第一延遲信號。當(dāng)?shù)谝谎舆t信號被維持時，第二放電元件140吸收來自負載108的電荷，并且當(dāng)?shù)谝谎舆t信號被解維持時，基本上停止吸收來自負載180的電荷。第二延遲元件142響應(yīng)來自第一延遲元件138的第一延遲信號，并且產(chǎn)生第二延遲信號，該延遲信號在第一延遲信號被維持之后，被維持片刻。一旦第一延遲信號被解維持，第二延遲信號在第二預(yù)定的時間之后被解維持。當(dāng)?shù)诙舆t信號被維持時，第三放電元件144吸收來自負載108的電荷，并且當(dāng)?shù)诙舆t信號被解維持時，基本上停止吸收來自負載180的電荷。
當(dāng)輸104改變時負載必須放電時，差分放大器132檢測到輸入端104的電壓低于輸出端106的電壓(或者是預(yù)定倍數(shù))，并且導(dǎo)致第一放電元件136開始導(dǎo)電，從而使負載108放電。片刻之后，第二放電元件140和第三放電元件144開始導(dǎo)電，也使負載放電。一旦負載108充分地相對輸入端104放電，差分放大器132引起第一放電元件停止導(dǎo)電。在第一延遲元件1 38引起的第一延遲之后，第二放電元件140使負載108停止放電，從而降低負載108的放電率。在第二延遲元件142引起的附加延遲之后，第三放電元件144使負載108停止放電，從而基本上結(jié)束負載108的放電。通過對放電元件136，140，144的去激勵(deactivation)進行分級，分級電路134能夠逐漸地減少提供給負載108的放電容量，從而防止負載108的放電過沖。
如圖2所示，在根據(jù)本發(fā)明的放大器20的一個特定實施例中，放大電路202和充電放電元件一起被集成在集成電路中。在示出的實施例中，放大電路202被配置作為具有2.33(1+200k/150k)的增益的A類光測距儀(class A opamp)。這個增益在輸出端206處給出了rail-to-rail電壓。在輸入來自具有最大輸出1.27V的設(shè)備(例如，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器)的應(yīng)用中，放大器的最大輸出將是2.33×1.27V＝2.951V。在一個示例的應(yīng)用中，要求放大器200使大電容負載(例如0.02μF負載)進行充電和放電。在這樣的應(yīng)用中，A類光測距儀將不會具有足夠的充電和放電能力。因此，包括晶體管220的充電元件和包括差分放大器232的放電電路被加入以使放大電路202放大。充電晶體管220被偏置以當(dāng)輸入端204具有指示放大電路202要對負載充電時，從公共電壓源Vdd將電荷加到輸出端206。充電晶體管220必須足夠大以供給足夠的電流以在要求的上升時間內(nèi)對負載充電。差分放大器232驅(qū)動分級電路234以當(dāng)輸入端204下降時使負載放電。
如圖3所示，分級電路334包括具有兩個溝道節(jié)點的晶體管336，第一溝道節(jié)點連接到輸出端(因此也連接到負載)，第二溝道節(jié)點連接到地，柵電連接到差分放大器332的輸出端。這種晶體管336在差分放大器升高之后幾乎立即打開，并且開始使負載放電(負載連接到輸出端306)。第一對CMOS反向器340響應(yīng)來自差分放大器332的差分信號，并且控制第二放電晶體管346的“開”和“關(guān)”。類似地，第二對CMOS反向器350響應(yīng)來自第一對反向器340的輸出，并且控制第三放電晶體管356的“開”和“關(guān)”。
第一反向器對340的第一反向器341的晶體管都引入了相對的短延遲，從而相對迅速地使差分信號反轉(zhuǎn)。第一反向器對340的第二反向器的柵充電晶體管342也引入了相對的短延遲。因此，當(dāng)差分信號升高時，表明輸出端306進行放電，第二放電晶體管346相對快速地“打開”。類似地，第二反向器對350的第一反向器351的晶體管都引入了相對的短延遲，從而相對快速地使差分信號反轉(zhuǎn)。同樣，第二反向器對350的第二反向器的柵充電晶體管352，也引入相對的短延遲。因此，當(dāng)?shù)谝环聪嗥鲗?40的輸出升高時，第三放電晶體管356相對快速地“打開”。因此，當(dāng)差分放大器332的輸出升高(表明要使負載放電)時，放電晶體管336，346，356都快速地被“打開”，導(dǎo)致對在輸出端306處的負載進行快速放電。
盡管第一和第二反向器對340和350的充電晶體管342和352分別具有相對快速的響應(yīng)時間，柵放電晶體管334和354具有延遲的響應(yīng)時間，并且它們的輸出分別被放置在放電晶體管346和356的柵處的相應(yīng)電容348和358延遲。因此，當(dāng)差分放大器332的輸出降低時，放電晶體管336的柵處的電壓幾乎立即降低，從而幾乎立即引起放電晶體管336基本上停止導(dǎo)電。然而，放電晶體管346的柵處的電壓只在第一預(yù)定延遲之后降低，因此放電晶體管346在第一預(yù)定延遲期間繼續(xù)從輸出端306吸收電流。在等于第一預(yù)定延遲加上由柵放電晶體管354引入的延遲的第二預(yù)定延遲之后，在放電晶體管356的柵處的電壓降低。因此，放電晶體管356在整個第二預(yù)定延遲期間繼續(xù)從輸出端306吸收電流。因此，盡管分級電路334導(dǎo)致所有放電晶體管336，346，和356幾乎立即開始使輸出端306放電，隨著輸出端306的電壓接近標稱放電值，它們引起輸出端306的放電率逐漸地降低，從而防止放電過沖。通過逐漸地減少負載的放電，這種電路的穩(wěn)定時間被保持很低。
可以選擇放電晶體管336，346，和356，因此根據(jù)負載的特性和所希望的瞬態(tài)響應(yīng)，具有不同的吸收電流，或者它們具有相同的吸收電流。類似地，根據(jù)所希望的瞬態(tài)響應(yīng)，第一預(yù)定延遲可以不同于第二預(yù)定延遲，或者它們可以相同。通過在示出的電路的例子，如果負載額定為0.02μF，輸出級電壓將在供應(yīng)幅度(rail)的100mV之內(nèi)。如果第二預(yù)定延遲長于第一預(yù)定延遲，并且如果放電晶體管336包括兩個并行的100×1器件，如果放電晶體管346是單個100×1器件，且如果放電晶體管356是單個20×1器件，則分級電路元件的瞬態(tài)響應(yīng)400如圖4所示。晶體管336具有對應(yīng)于曲線436的瞬態(tài)響應(yīng)，晶體管346具有對應(yīng)于曲線446的瞬態(tài)響應(yīng)，晶體管356具有對應(yīng)于曲線456的瞬態(tài)響應(yīng)。偏置電流將小于50μA，而電路將具有吸收和提供40mA的轉(zhuǎn)換電流。這將提供40mA/500μA＝80的偏置效率。
盡管上面介紹的本發(fā)明的實施例示出了采用集成MOS技術(shù)的電路，很容易理解，可以用其它多種電路技術(shù)中的一種來實現(xiàn)本發(fā)明。例如，本發(fā)明可以利用雙極技術(shù)來實現(xiàn)，并且甚至可以用離散電路元件來實現(xiàn)。
上面介紹的實施例只是作為說明性的例子。很容易理解，在不背離本發(fā)明的情況下，可以從在該說明書中公開的特定實施例中進行變化。因此，由權(quán)利要求書限定本發(fā)明的范圍而不是限于上面特別地介紹的實施例。
權(quán)利要求
1.一種與驅(qū)動負載的放大電路一起使用的振鈴抑制充電和放電電路，所述放大電路響應(yīng)輸入并且能夠產(chǎn)生相應(yīng)于輸入的輸出，所述輸入具有輸入電壓且所述輸出具有輸出電壓，所述振鈴抑制充電和放電電路包括響應(yīng)來自所述放大電路的輸出的充電元件，其能夠在所述輸入電壓大于所述輸出電壓的預(yù)選定倍數(shù)時對負載充電；和響應(yīng)來自所述放大電路的輸出的放電電路，其包括反饋電路，其在所述輸出電壓小于所述輸入電壓預(yù)選定倍數(shù)時維持差分信號，和響應(yīng)所述差分信號的分級電路，一旦所述差分信號指出所述輸出電壓在所述輸入電壓的預(yù)選定范圍內(nèi)，其逐漸地減少在預(yù)選定時間周期之內(nèi)使負載放電的速率。
2.如權(quán)利要求1所述的振鈴抑制充電和放電電路，其中，所述反饋電路包括具有電連接到所述輸入的第一差分輸入和電連接到所述輸出的第二差分輸入的差分放大器，其中所述差分放大器被配置以當(dāng)?shù)谝徊罘州斎刖哂行∮诘诙罘州斎氲碾妷簳r維持所述差分信號。
3.如權(quán)利要求1所述的振鈴抑制充電和放電電路，其中，所述充電元件包括具有被電連接到所述放大電路的輸出的第一柵的晶體管，當(dāng)?shù)谝粬啪哂写笥陬A(yù)選定值的電壓時，所述充電元件電連接電壓源到所述負載。
4.如權(quán)利要求1所述的振鈴抑制充電和放電電路，其中所述分級電路包括響應(yīng)所述差分信號的第一放電元件，當(dāng)維持所述差分信號時，其從所述負載吸收電荷，并且在所述差分信號被解維持時，基本上停止從所述負載吸收電荷；響應(yīng)所述差分信號的至少一個第一延遲元件，當(dāng)所述差分信號被維持時其維持第一延遲信號最小的延遲，并且在所述差分信號被解維持后的第一預(yù)定時間之后，解維持第一延遲信號；和響應(yīng)第一延遲信號的至少一個第二放電元件，當(dāng)?shù)谝谎舆t信號被解維持時其從所述負載吸收電荷，并且當(dāng)?shù)谝谎舆t信號被解維持時基本上停止從所述負載吸收電荷。
5.如權(quán)利要求4所述的振鈴抑制充電和放電電路，其中，第一放電元件包括具有電連接到所述負載的第一溝道節(jié)點和電連接到地的第二溝道節(jié)點和第二柵節(jié)點的晶體管，所述第一放電元件響應(yīng)所述差分信號，其中當(dāng)所述差分信號被維持時，電荷從第一溝道節(jié)點流到第二溝道節(jié)點。
6.如權(quán)利要求4所述的振鈴抑制充電和放電電路，其中，所述至少一個第一延遲元件包括第一反向器，其產(chǎn)生所述差分信號的反向復(fù)制信號；和第二反向器，其將所述差分信號的反向復(fù)制信號反向，從而產(chǎn)生第一延遲信號。
7.如權(quán)利要求6所述的振鈴抑制充電和放電電路，其中，第二反向器包括引入最小延遲的柵充電晶體管；和引入大于所述最小延遲的延遲的柵放電晶體管。
8.如權(quán)利要求4所述的振鈴抑制充電和放電電路，其中，所述至少一個第二放電元件包括具有電連接到所述負載的第三溝道節(jié)點、電連接到地的第四溝道節(jié)點和第三柵節(jié)點的晶體管，所述至少一個第二放電元件響應(yīng)所述第一延遲信號，其中當(dāng)?shù)谝谎舆t信號被維持時，電荷從第三溝道節(jié)點流到第四溝道節(jié)點。
9.如權(quán)利要求4所述的振鈴抑制充電和放電電路，進一步包括第二延遲元件，其響應(yīng)第一延遲信號，當(dāng)?shù)谝谎舆t信號被維持時維持第二延遲信號為最小延遲，并且在第一延遲信號被解維持后的第二預(yù)定時間之后，維持第二延遲信號；和第三放電元件，其響應(yīng)第二延遲信號，當(dāng)?shù)诙舆t信號被維持時從所述負載吸收電荷，并且當(dāng)?shù)诙舆t信號被解維持時，基本上停止從所述負載吸收電荷。
10.一種放大器，具有輸入和放大器輸出，所述輸入具有輸入電壓，所述放大器包括放大電路，其產(chǎn)生具有輸出電壓的輸出，所述輸出電壓是所述輸入電壓預(yù)選定倍數(shù)；充電晶體管，其具有被電連接到所述放大電路的第一柵，其在所述輸出電壓小于所述輸入電壓預(yù)選定倍數(shù)時，將電壓源電連接到所述放大器輸出；差分放大器，其被配置以在所述輸出電壓降到低于所述輸入電壓的預(yù)選定倍數(shù)時維持差分信號；第一放電晶體管，其具有電連接到所述放大器輸出的第一溝道節(jié)點、電連接到地的第二溝道節(jié)點和第二柵節(jié)點，其響應(yīng)所述差分信號，其中當(dāng)所述差分信號被維持時，電荷從第一溝道節(jié)點流到第二溝道節(jié)點；至少一個第一延遲元件，其響應(yīng)所述差分信號，當(dāng)所述差分信號被維持時其維持第一延遲信號為最小延遲，并且在所述差分信號被解維持后的第一預(yù)定時間后解維持第一延遲信號；第二放電晶體管，其具有電連接到所述放大器輸出的第三溝道節(jié)點、電連接到地的第四溝道節(jié)點和第三柵節(jié)點，其響應(yīng)所述第一延遲信號，其中當(dāng)所述第一延遲信號被維持時，電荷從第三溝道節(jié)點流到第四溝道節(jié)點；第二延遲元件，其響應(yīng)第一延遲信號，當(dāng)?shù)谝谎舆t信號被維持時其維持第二延遲信號為最小延遲，并且在第一延遲分信號被解維持后的第二預(yù)定時間后解維持第二延遲信號；第三放電晶體管，其具有電連接到所述放大器輸出的第四溝道節(jié)點、電連接到地的第六溝道節(jié)點和第四柵節(jié)點，其響應(yīng)所述第二延遲信號，其中當(dāng)所述第二延遲信號被維持時，電荷從第三溝道節(jié)點流到第四溝道節(jié)點。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種與驅(qū)動負載(108)的放大電路(102)一起使用的振鈴抑制充電和放電電路(100)，所述放大電路響應(yīng)輸入(104)并且能夠產(chǎn)生相應(yīng)于輸入(104)的輸出(106)。所述振鈴抑制充電和放電電路(100)包括響應(yīng)來自所述放大電路(102)的輸出(112)的充電元件(120)。充電元件(120)能夠在所述輸入電壓大于所述輸出電壓的預(yù)選定倍數(shù)時對負載充電。響應(yīng)來自所述放大電路(102)的放電電路(130)，其包括反饋電路(132)和分級電路(134)。反饋電路(132)在所述輸出電壓小于所述輸入電壓預(yù)選定倍數(shù)時維持差分信號。分級電路(134)響應(yīng)所述差分信號，且一旦所述差分信號指出所述輸出電壓在所述輸入電壓的預(yù)選定范圍內(nèi)，其逐漸地減少在預(yù)選定時間周期之內(nèi)使負載(108)放電的速率。
文檔編號H03K17/16GK1470099SQ01817419
公開日2004年1月21日 申請日期2001年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月23日
發(fā)明者約翰W·西蒙斯, 約翰J·帕克斯, 曼博·納格, づ量慫, 約翰W 西蒙斯, 納格 申請人:摩托羅拉公司