專利名稱：雙極型pnp斬波器的制作方法
技術領域：
本發明關于一種開關、一種斬波穩定放大器、一種比較器及一種用來調諧功率晶體管工作點的方法。更具體地說，本發明希望在一由雙極型組件所構造的集成電路中調諧功率晶體管的工作點。
背景技術：
在大型無線電發射機中，使用幾個合作高頻功率晶體管，例如LDMOS(側向擴散金屬氧化物半導體)。需要一匹配程序以通過將發射功率分成在晶體管間相等使這些功率晶體管最佳地工作，并使發射機處于最佳線性。該匹配程序應補償不同晶體管間的任何擴展。該匹配程序的一部分是調諧與設置合作高頻功率晶體管的同一工作點。
使該匹配程序自動化是有益的。這可通過一電路來完成，該電路在MOS晶體管處測量漏極電流，或者如果晶體管是一個雙極型晶體管，那么該電路測量集電極電流，同時在MOS晶體管處改變門極電壓，或在雙極型晶體管情況下改變基極電壓，直到達到了合適的漏極電流或集電極電流。
在下面的描述中，將僅使用術語漏極和門極。然而，所屬技術領域的技術人員顯而易見，可取而代之地使用雙極型晶體管，且在該情況下，術語漏極應該用術語集電極取代，且術語門極應該用術語基極取代。
漏極電流通常用一串聯連接到漏極接線的電阻器來測量。有時，幾個晶體管使用一個公共電阻器，在該情況下，開啟一個晶體管，同時關閉其他晶體管。
最常見的實踐是在匹配程序之后不存在使晶體管斷開的機械繼電器，其意味著在功率晶體管運行期間，也就是在發射機發射期間，電阻器將仍存在。然后，該電阻器將自發射中竊取功率，且因此使電阻器具有非常低的電阻顯得重要。一般電阻值范圍是自100mΩ至幾mΩ。
然后，應以足夠的精確度來測量該電阻器上由晶體管的功率無功電流所造成的電壓降。即，應以足夠的精確度來測量僅幾個毫伏的電壓降，需要的測量精度為毫伏的幾分之一。
此外，電阻器(在其上應測量該小電壓降)連接至可高達30伏特的饋電電壓上。
集成電路中常用的差分放大器級具有幾毫伏的偏移電壓，且因此不能足夠精確地用于該類型的電壓測量。當然可設計一電路，但其將需要微調以達到所需精確度。這是一個缺點，因為人們將更喜歡可被大量生產且不會冒關于老化及溫度依存性的問題風險的電路。
然而，斬波穩定放大器可滿足這些要求。
如果需要整體的解決方法，即單一集成電路，且匹配功能的輸出端應處于饋電電壓的低側，那么使用相對高的電壓處理，即一允許具有高饋電電壓的設計的處理。例如，其可能是一使用PNP晶體管的雙極型處理。然而，大量問題與PNP晶體管相關聯。
其中，需要克服的問題是PNP晶體管是非線性的、具有飽和電壓、消耗基極電流及在逆模式下同樣工作良好，也就是將發射極作為集電極或反之亦然。另外的問題是晶體管產生基底電流，并具有高的基極-集電極電容。
作為高電壓雙極型側向PNP晶體管實施的晶體管限制于工作頻率。這成了一個問題，因為在斬波穩定放大器中的后繼濾波器將必須具有低的截頻率，其又使得整個系統變慢，而且后繼濾波器組件在芯片上占據相當大的區域。
在先前技術中，這些問題已限制了用于斬波器功能的PNP晶體管的使用。
發明內容
本發明的一個主要目的是提供至少減輕上述問題的裝置與方法。
在這方面，本發明的一個特定目的是提供可測量開關中使用PNP晶體管的高電壓雙極型處理中的低電阻的電阻器上小電壓降的裝置與方法，該開關用于斬波穩定放大器中。
本發明的另一目的是提供使用一具有斬波穩定放大器的比較器的裝置與方法，該斬波穩定放大器具有一在高電壓處理中使用雙極型PNP晶體管的開關，以用于將小電阻上的電壓降與參考電壓進行比較。
本發明的另一目的是提供可通過將電阻器上的電壓降與參考電壓進行比較并改變門極電壓以使所測量的電壓與參考電壓匹配來自動調諧功率晶體管工作點的裝置和方法，該電阻器具有一連接至該功率晶體管漏極的小電阻。
根據本發明的第一方面，通過一開關達到其中的這些目的，該開關具有一帶有一第一輸入線與一第二輸入線及一輸入級的輸入端，該輸入級包含第一、第二、第三及第四電流控制的PNP晶體管和第一、第二、第三及第四電阻器，且該開關被安排用于在輸入端上接收恒定電壓。該開關還包含一具有一第一輸出線及一第二輸出線的輸出端，且其被安排用于在輸出端上產生可變電壓。
第一電阻器連接至第一輸入線且還連接至第一晶體管的發射極，第二電阻器則連接至第一輸入線且還連接至第二晶體管的發射極。第三電阻器連接至第二輸入線且還連接至第三晶體管的發射極，第四電阻器則連接至第二輸入線且還連接至第四晶體管的發射極。第一與第四晶體管的集電極連接至第二輸出線，且第二與第三晶體管的集電極連接至第一輸出線。
該開關還包含四個恒定電流源，其中第一、第二、第三及第四恒定電流源分別連接至第一、第二、第三及第四晶體管的基極，以使得該等晶體管飽和。該開關還包含四個交流電流源，其中第一、第二、第三和第四交流電流源分別連接至該第一、該第二、該第三及該第四晶體管的發射極，以使得晶體管交替地將電流從發射極導至集電極及自集電極導至發射極。
通過上面的安排，所得到的開關在具有合適特征的高電壓處理中使用雙極型PNP晶體管。
根據本發明第一方面的較佳實施例，開關包含用于交替地施加一第一工作模式與一第二工作模式以達到斬波器功能的控制器構件。
在第一工作模式中，控制器構件控制第二與第四交流電流源，以分別向該第二及該第四晶體管的發射極施加電流，以使得第二及第四晶體管逆向工作且為第一與第三晶體管的電流負載，且控制第一與第三交流電流源以使其不向第一與第三晶體管的發射極施加電流。
在第二工作模式中，控制器構件控制第一與第三交流電流源，以分別向第一與第三晶體管的發射極施加電流，以使得第一與第三晶體管相反地工作且為第二及第四晶體管的電流負載，且控制第二與第四交流電流源以使其不向第二及第四晶體管的發射極施加電流。
根據本發明第一方面的較佳實施例，開關是一集成電路，且第一、第二、第三及第四晶體管是具有一下沉到基礎埋層的沉降保護環的側向PNP晶體管。
從而，達到了低的飽和電壓、小的漏電流及降低的寄生組件影響。
根據本發明的第二個方面，通過一用于放大電壓的斬波穩定放大器達到其中上述目的，該放大器包含一用于接收將被放大的輸入電壓的輸入端與一用于輸出放大后電壓的輸出端，該放大器還包含一耦接至該輸入端的輸入開關、一AC(交流)放大器、及一耦接到輸出端的輸出開關以及一耦接至輸入開關與輸出開關的振蕩器。
斬波穩定放大器中的輸入開關是根據本發明第一方面的開關。
通過上面的安排，所達到的斬波穩定放大器在高電壓處理中使用雙極型PNP晶體管，適合于放大小電阻上的小電壓。
根據本發明第二方面的較佳實施例，輸出開關是根據本發明第一方面的開關。
根據本發明第二方面的較佳實施例，斬波穩定放大器包含一連接于該放大器的輸出開關與輸出端之間的低通濾波器。
從而，可濾掉源來自斬波穩定放大器的瞬態。
根據本發明的第三方面，通過一比較器達到其中上述目的，該比較器用于比較輸入端上的電壓，其中該比較器包含一根據本發明第二方面的斬波穩定放大器。
通過上述安排，所得到的一用于比較電壓的比較器適合于比較電壓，且其在高電壓處理中使用雙極型PNP晶體管。
根據本發明第三方面的較佳實施例，比較器包含用于產生參考電壓的構件及用于將輸入端到比較器上的電壓與參考電壓進行比較的構件。
從而，可將輸入端上的電壓與參考電壓進行比較，且比較器中的放大器用于放大輸入端上的電壓與參考電壓間的差。這樣，可使放大器在接近于零電壓水平工作，且容易檢測到參考電壓與輸入端上的電壓間的任何電壓差。
根據本發明第三方面的較佳實施例，比較器包含用于將電流添加到第三與第四恒定電流源以在第三及第四電阻器上達到額外電壓降以作為參考電壓的構件，借此該斬波穩定放大器放大參考電壓與輸入端到比較器上的電壓之間的電壓差。
根據本發明的第四方面，通過一種用于調諧一具有漏極接線與一門極接線的功率晶體管工作點的方法來達到其中上述目的。該方法包含比較電阻器上電壓的步驟，其中該電阻器具有已知電阻且串聯到漏極接線。根據本發明第三方面的比較器執行比較。此外，可能通過許多步驟改變將門極接線上的電壓改變至一第一電壓值，對于該第一電壓值，比較器指示電阻器上的電壓等于參考電壓，在如此調諧的功率晶體管的運行期間，將第一電壓值用作門極電壓。
通過改變門極電壓，同時將串連到功率晶體管漏極的電阻器上的電壓與參考電壓進行比較，可調諧功率放大器的工作點。對于流過電阻器上的特定電流，利用電阻器電阻的知識，將參考電壓選擇成等于電阻器上的電壓。該特定電流是用于所選擇工作點的漏極電流。當門極電壓已改變使得比較指示參考電壓與電阻器上的電壓沒有差時，該門極電壓是將在運行期間用于功率晶體管的所選擇工作點的門極電壓。
本發明另外的特征及其優勢將由下述本發明實施例的詳細描述而變得明顯。
將自下文給定的本發明實施例的詳細描述及附圖1到6中更好地理解本發明，這些附圖及描述僅通過說明而給出，且因而限限本發明。
圖1是根據本發明較佳實施例的斬波穩定放大器的示意性方塊圖。
圖2是根據本發明較佳實施例的圖1斬波穩定放大器中開關級的示意性方塊圖。
圖3是根據本發明較佳實施例的圖1斬波穩定放大器中開關級的示意性電路圖。
圖4a和圖4b是根據本發明較佳實施例為得到比較器而在斬波穩定放大器中實施參考電壓的示意性方塊圖。
圖5是根據本發明較佳實施例包含參考電壓的開關級的示意性電路圖。
圖6是根據本發明較佳實施例包含參考電壓的開關級的示意性電路圖。
具體實施例方式
在下列描述中，為了解釋而非限制起見，闡述了諸如特定技術與應用的特定細節，以提供本發明的完整理解。然而，所屬技術領域的技術人員將顯而易見，本發明可實踐于不同于這些特定細節的其他實施例中。在其它實例中，省略了對于熟知方法及裝置的詳細描述，以便不會因為不必要的細節而模糊了對本發明的描述。
于圖1中顯示了一斬波穩定放大器的示意性方塊圖。一輸入開關級103的輸入端具有一第一輸入線101和一第二輸入線102并連接到一電阻器R上以用于測量該電阻器R上的電壓。將在下文進一步描述輸入開關級103。該輸入開關級進一步連接到一用于放大信號的AC放大器104。自AC放大器，信號又在一輸出開關級105中進行轉換。輸出開關級105可能與輸入開關級103具有相同的設計，但是由于放大了的信號的較大信號電平而可使輸出開關級105更簡單。最后，一低通RC濾波器106濾掉來自信號的瞬態。一振蕩器107連接到輸入開關級103及輸出開關級105并界定運行頻率。由于同一振蕩器107用于輸入開關級103和輸出開關級105，因而級103和105同步工作。
圖1中的斬波穩定放大器以電阻R上的差分電壓或者電壓降V1工作。該電壓降V1連接到輸入開關103上，該開關交替地切換差分電壓的極性，使得將具有V1及-V1振幅的交流電壓V1饋送給AC放大器104。因此，被饋送給AC放大器的交流電壓理想地具有零平均值。AC放大器104將交流電壓V1放大到K*V1。將放大了的交流電壓k*V1饋送給與輸入開關103同步的輸出開關級105，并在輸出開關級105的輸出端產生放大了的電壓K*V1。該信號可能具有瞬態，因此一低通RC濾波器濾掉任何高頻組分以產生放大了的恒電壓V2＝K*V1。
于圖2中顯示了圖1中輸入開關的示意性方塊圖。一具有一第一輸入線201和一第二輸入線202的輸入端如圖1所示連接于電阻器R上。輸入線201連接到一第一開關元件203和一第二開關元件204，第二輸入線則連接到一第三開關元件205和一第四開關元件206。第一開關元件203和第四開關元件206進一步連接到一輸出線207，第二開關元件204和第三開關元件205則進一步連接到一第二輸出線208。一控制輸入端209連接到第二開關元件204和第四開關元件206，并通過一反相器210連接到第一開關元件203和第三開關元件205。將控制輸入端209安排為分別接通及斷開四個開關元件。由于反相器210位于控制輸入端209和第一及第三開關元件之間，因而當第二和第四開關元件接通時第一和第三開關元件將斷開，反之亦然。
然后，如果一振蕩器存在于控制輸入端209處，那么輸入端處所存在之電壓將被在輸出端處切成交替的正電壓與負電壓，從而產生頻率由存在于控制輸入端209處的頻率所判定的交流電壓。包含有第一輸出線207和第二輸出線208的輸出端將如圖1所示連接到AC放大器104以用于放大交流電壓。
圖3顯示了實施圖1中輸入開關103的根據本發明較佳實施例包括有控制電路的電路圖。
一包含一第一輸入線301和一第二輸入線302的輸入端連接到圖1中低電阻的電阻器R上，該低電阻的電阻器上的電壓降應被測量。一包含一第一輸出線303和一第二輸出線304的輸出端連接到放大器204。具有分別被表示為T1、T2、T3和T4的沉降保護環的第一、第二、第三和第四側向PNP晶體管作為開關元件而運行。電路圖中其余組件是控制組件。
電壓V1是負饋電電壓。第一輸入線301和第二輸入線302也是正饋電電壓。這起作用，因為電路以如此低的電流工作，以致于由該電流于具有極低電阻的外部電阻器R中所導致的電壓降可以被忽略。同時，該電壓是控制四個開關晶體管所需的最高電壓。
電壓V2是用于晶體管T15和T16的偏壓，該偏壓使晶體管T15和T16作為電流發生器而運行。晶體管T15因一發射極電阻R5而產生極低電流。來自晶體管T15的電流被晶體管T5、T7、T9和T11分成四相等電流。來自晶體管T5、T7、T9和T11各自集電極的四電流連接到第一、第二、第三和第四開關晶體管T1、T2、T3和T4的基極。它們將因此在發射極到集電極有電壓降時達到電壓飽和，該電壓降約為100mv或甚至更低。
來自晶體管T16的電流由連接到如圖1所示振蕩器107上的信號輸入端305處的信號而決定通過晶體管T13或晶體管T14。
來自晶體管T13集電極的電流被晶體管T6和T10分成兩相等電流并下拉第一晶體管T1和第三晶體管T3的發射極。相似地，來自晶體管T14的電流被晶體管T8和T12所分并下拉第二晶體管T2和第四晶體管T4的發射極。將電壓V3選擇成使得所有控制晶體管，即晶體管T5到T16線性地運行。電阻器R1、R2、R3和R4使下拉開關晶體管上的發射極成為可能。
發射極的下拉不必是大的，100mv或更低已經足以使開關晶體管逆向運行，也就是說，發射極作為集電極運行而集電極作為發射極運行。開關晶體管于是可以被認為是斷開的。然而，一些小電流將向后通過開關晶體管。該電流將成為輸出端處的小電流負載。該電流負載將被施加于未斷開的晶體管上，使得該晶體管接收工作電流以使其可以足夠快地運行。該電流很小而且產生小的電壓降，因此，對于具有約為毫伏的幾分之一總誤差的電路，對匹配的要求不必那么大。
該電路因此通過當開關晶體管T2和T4作為電流負載運行時交替地接通開關晶體管T1和T3以及當開關晶體管T1和T3作為電流負載運行時交替地接通開關晶體管T2和T4進行運行。該電路因此克服了與使用PNP晶體管相關的問題。通過只利用電流控制晶體管且經由輸入信號執行正饋電，所有DC控制問題消失了。通過在發射極接線上控制晶體管以及使基極電流恒定，所有AC控制問題消失了。由于開關晶體管T1到T4沒有分別接通斷開而相反一直導通，因而無論是在逆模式還是在正常模式中，沒有關于(例如)瞬態的AC問題出現。
這樣，通過側向沉降保護環PNP晶體管執行切換，該等晶體管始終接通。通過交替地使晶體管處于正常模式或逆模式而完成切換。
參看圖4a和圖4b，一比較器401應具有一與電阻R上的測量電壓相比較的參考電壓402，以用于執行實際測量以及因此獲得最好的精確度。然后，比較器401被安排以零電壓差工作，并且從比較器401的讀出將十分精確地指示測量電壓是否與參考電壓相等或是否不同。因此改變參考電壓402以精確地測量電阻R上的電壓。或者，在流經已知電阻的電流要被測量時，在功率晶體管中為了較佳漏極電流而設置基極電壓的應用通常就是這樣，通過改變功率晶體管上的基極電壓，可能會改變流經電阻器的電流，直到電阻器R上的電壓等于參考電壓。
該實施的一切實可行的方式是產生經過一參考電阻器404的電流403以產生參考電壓。這可在圖3中的電路圖中很容易地實施。
參看圖5，相同功能部件(feature)已用如圖3的相同參考數字表示。圖5中實施例的斬波器功能的基本工作與用于結合圖3所描述的實施例相同。附加功能性關于將作描述的參考電壓的實施。
為了產生參考電壓，已經添加了一晶體管T17和一晶體管T18。晶體管T17和T18分別向電阻器R3和R4中饋送電流，電阻R3和R4因此用作參考電阻器。由運算放大器501饋送電流的晶體管T19產生流向晶體管T18和T19的電流。晶體管T17和T18中的集電極電容器要求可能必須要向晶體管T1和T2添加匹配電路，以在足夠高頻率得到最佳匹配。
獲得參考電壓的替代方式是將電流添加在晶體管T10和T12的發射極上，如圖6所示。為了能只向T10和T12饋送電流，晶體管T13已經被分成兩個晶體管T20和T21以及T14已經被分成晶體管T22和T23。晶體管T24和T25向T10和T12的各自發射極饋送電流，并且運算放大器601又向晶體管T24和T25饋送電流。
顯然，可能以復數種方式來改變本發明。例如，PNP晶體管可交換為達林頓晶體管，使得電路較少的依賴于基極電流。這些改變不應被認為是脫離本發明的范圍。所有這些對于所屬技術領域的技術人員而言是顯而易見的修改將被包括在附加的權利要求范圍中。
權利要求
1.一種具有一輸入端和一輸出端的開關，其中的輸入端具有一第一輸入線和一第二輸入線和一輸入級，其中該輸入級包含第一、第二、第三和第四電流控制的PNP晶體管及第一、第二、第三和第四電阻器，該輸出端包含一第一輸出線和一第二輸出線，且其中所述開關被安排以在所述輸入端上接收一恒定電壓并在所述輸出端上產生一可變電壓；其特征在于-所述第一電阻器連接到所述第一輸入線并進一步連接到所述第一晶體管的發射極上；-所述第二電阻器連接到所述第一輸入線并進一步連接到所述第二晶體管的發射極上；-所述第三電阻器連接到所述第二輸入線并進一步連接到所述第三晶體管的發射極上；-所述第四電阻器連接到所述第二輸入線并進一步連接到所述第四晶體管的發射極上；-所述第一和第四晶體管的集電極連接到所述第二輸出線；-所述第二和第三晶體管的集電極連接到所述第一輸出線；及-第一、第二、第三和第四恒定電流源分別連接到所述第一、第二、第三和第四晶體管的基極，使得所述晶體管是導通的；及-第一、第二、第三和第四交流電流源分別連接到所述第一、第二、第三和第四晶體管的發射極，使得所述晶體管交替地將電流從發射極導至集電極和從集電極導至發射極。
2.根據權利要求1所述的開關，其中所述開關包含控制器構件；-在一第一工作模式中，所述控制器構件被提供以控制所述第四和第八電流源以分別向所述第二和第四晶體管的發射極施加電流，使得所述第二和第四晶體管逆向工作而且為所述第一和第三晶體管的電流負載，以及所述第二和第六電流源被控制以不向所述第一和第三晶體管的發射極施加電流；-在一第二工作模式中，所述控制器構件被提供以控制所述第二和第六電流源以分別向所述第一和第三晶體管的發射極施加電流，使得所述第一和第三晶體管逆向工作而且為所述第二和第四晶體管的電流負載，以及所述第四和第八電流源被控制以不向所述第二和第四晶體管的發射極施加電流；及-所述控制器構件被提供以交替地應用所述第一和第二工作模式以獲得一斬波器功能。
3.根據權利要求1至2中任一權利要求所述的開關，其中-在所述輸入端處提供一輸入信號以用作正饋電電壓。
4.根據權利要求1至3中任一權利要求所述的開關，其中-所述開關為一集成電路，而且所述第一、第二、第三和第四晶體管為具有一下沉至基礎埋層的沉降保護環的側向PNP晶體管。
5.一種用于放大電壓的斬波穩定放大器，其包含一用于接收待放大的輸入電壓的輸入端以及一用于輸出所述放大電壓的輸出端，所述放大器進一步包含一耦接于所述輸入端的輸入開關、一AC放大器以及一耦接于所述輸出端的輸出開關和一耦接于所述輸入開關和所述輸出開關的振蕩器；其特征在于-所述輸入開關是一根據權利要求1至4中任一權利要求所述的開關。
6.根據權利要求5所述的斬波穩定放大器，其中所述輸出開關是一根據權利要求1至3中任一權利要求所述的開關。
7.根據權利要求5或6所述的斬波穩定放大器，其中一低通濾波器被連接于所述放大器的輸出開關和輸出端之間。
8.一種用于比較一輸入端上電壓的比較器，其特征在于-所述比較器包含一根據權利要求5至7中任一權利要求所述的斬波穩定放大器。
9.根據權利要求8所述的比較器，其包含-提供以產生一參考電壓的構件；及-提供以將所述比較器的所述輸入端上的所述電壓與所述參考電壓進行比較的構件。
10.根據權利要求9所述的比較器，其包含提供以向所述第三和第四電流源添加電流以在所述第三和第四電阻器上達到額外電壓降以作為一參考電壓的構件，借此所述斬波穩定放大器放大所述參考電壓和所述比較器的所述輸入端上的電壓之間的電壓差。
11.一種用于調諧一具有一漏極接線和一門極接線的MOS功率晶體管工作點的方法，其特征在于以下步驟-通過一根據權利要求8至10中任一權利要求所述的比較器來比較一具有已知電阻且串聯于所述漏極接線的電阻器上的電壓；-將所述門極接線上的電壓改變到一第一電壓值，對于該第一電壓值，所述比較器指示所述電阻器上的電壓等于所述參考電壓；及-在如此調諧的MOS功率晶體管運行期間，將所述第一電壓值用作門極電壓。
12.一種用于調諧一具有一集電極接線和一基極接線的雙極型功率晶體管工作點的方法，其特征在于以下步驟-通過一根據權利要求8至10中任一權利要求所述的比較器來比較一具有已知電阻且串聯于所述集電極接線的電阻器上的電壓；-將所述基極接線上的電壓改變到一第一電壓值，對于該第一電壓值，所述比較器指示所述電阻器上的電壓等于所述參考電壓；-在如此調諧的雙極型功率晶體管運行期間，將所述第一電壓值用作基極電壓。
全文摘要
本發明關于一種具有一輸入端和一輸出端的開關，其中的輸入端具有一第一輸入線和一第二輸入線和一輸入級，其中該輸入級包含第一、第二、第三和第四電流控制的PNP晶體管及第一、第二、第三和第四電阻器；該輸出端包含一第一輸出線和一第二輸出線；且所述開關被安排以在所述輸入端上接收恒定電壓并在所述輸出端上產生可變電壓。該開關還包含四個恒定電流源，其中該第一、第二、第三及第四恒定電流源分別被連接至第一、第二、第三及第四晶體管的基極，以使得所述晶體管飽和。該開關還包含四個交流電流源，其中該第一、第二、第三及第四交流電流源分別被連接至該第一、第二、第三及第四晶體管的發射極，以使得該等晶體管交替地將電流從發射極導至集電極及從集電極導至發射極。本發明還關于一種放大器、一種比較器及一種用來使用此一開關來調諧功率晶體管工作點的方法。
文檔編號H03K17/62GK1592110SQ200410061748
公開日2005年3月9日 申請日期2004年6月30日 優先權日2003年6月30日
發明者B·伯格 申請人:因芬尼昂技術股份公司