[發明專利]完全電容性耦合的輸入斬波器

有效

• 申請號: 201210539511.1
• 申請日: 2012-12-13
• 公開（公告）號: CN103166646B
• 公開（公告）日: 2017-12-12
• 發明（設計）人: J·H·赫伊吉森;范欽雯;K·A·A·馬金瓦
• 申請（專利權）人: 馬克西姆綜合產品公司
• 主分類號: H03M3/00
• 分類號: H03M3/00
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司72002
• 代理人: 陳松濤,王英

技術領域

本發明涉及用于例如在運算放大器、測量放大器和模數轉換器中使用的輸入斬波器的領域。

背景技術

測量放大器和模數轉換器經常用于進行傳感器接口連接。在用于手機、膝上型電腦和電動汽車的電源管理的電流感測應用中，在電流感測電阻器上出現比供電電壓高幾伏特或幾十伏特的數量級的大的共模電壓的情況下，必須測量該感測電阻器上的數量級為毫伏的小的差模電壓。為了解決這個在共模電壓超過供電軌時的差模電壓測量問題，經常允許輸入電路的一部分（可以是電阻器電橋或電壓-電流轉換器）從感測電阻器汲取其共模供電電流。該輸入共模供電電流常常對待測量的系統產生不期望的影響。因此，已經開發了不汲取輸入共模供電電流同時卻能夠感測超過它們的供電軌的電壓的具有電容性耦合輸入斬波器的測量放大器和模數轉換器。一種這樣的現有技術是使用由電容性耦合差分輸入跟隨的輸入斬波器。第二斬波器將方波整流回輸入波形。

如專利號為7714757的美國專利所示，另一現有技術是使用變壓器。在成本和電路板面積兩方面，這個解決方案執行起來都是昂貴的，因為它無法容易地完全集成。

附圖說明

圖1示出了具有二極管保護的柵極和有源下拉保護的電容性耦合斬波器。

圖2示出了具有鎖存器保護的柵極的具有用于大的正（plus）共模輸入電壓能力和負（minus）共模輸入電壓能力的浮置阱的電容性耦合斬波器。

圖3示出了使用一個鎖存器來控制晶體管MN1和MN3的柵極并使用第二鎖存器來控制晶體管MN2和MN4的柵極的電路。

圖4示出了具有鎖存器保護的柵極和有源下拉保護的電容性耦合的斬波器。

圖5類似于圖4，只是晶體管MN1-MN4中的每一個的體區（body）都耦合至各自的晶體管的源極，并且已經除去了第二鎖存器（在輸入端Vinp和Vinn上）。

圖6示出了具有用于在允許較大的差模輸入電壓時實施保護的串聯鎖存器和有源下拉保護的電容性耦合斬波器。

圖7示出了兩個反串聯（anti-series）電容性耦合的斬波器，所述斬波器同樣具有浮置阱，所述浮置阱具有大的正共模輸入電壓能力和負共模輸入電壓能力以及額外的大的差分輸入電壓能力。

圖8示出了示例性的電容性耦合的運算放大器。

圖9示出了示例性的電容性耦合的測量放大器。

圖10示出了示例性的電容性耦合的三角積分（sigma delta）模數轉換器。

具體實施方式

圖1示出了電容性耦合斬波器的第一實現形式。如其中所示，提供了四個時鐘驅動器電容器C11至C22，斬波器晶體管MN1至MN4中的每一個斬波器晶體管一個電容器。每個晶體管的柵極都具有用于防范過大的負柵極電壓的反向二極管Dr和用于防范過大的正漏極源極電壓的正向串聯的二極管鏈Dfx。這些過大的電壓可能源于大的共模輸入電壓偏移。峰至峰時鐘電壓Clkp、Clkn必須小于反向和正向的二極管電壓的總和。否則會發生在輸入端子Vinp、Vinn處的大電荷注入。此外，為了連接輸入端和輸出端Vinp和Voutp以及Vinn和Voutn，從輸出端到輸入端設有二極管Do1和Do2以便在沒有時鐘的情況下保護晶體管MN1-MN4使其免受過大的漏極源極電壓，并且共模輸出電壓不會跟隨大的負共模輸入階躍（step）。背柵至溝道二極管（在權利要求中稱為每一晶體管的漏極與體區之間的體二極管）在相同的情況下自動執行用于正共模輸入階躍的這一功能。峰至峰差模輸入電壓必定小于兩個正向偏置二極管的壓降的電壓。對于更大的差模輸入電壓，可以使用其他的斬波器電路。

圖1的具有二極管保護的柵極的電容性耦合斬波器的缺點是：峰至峰時鐘電壓必須大于保護二極管（二極管Dr）電壓和斬波器晶體管的閾值電壓Vth的總和，以便可靠地使斬波器開關導通。對于低電荷注入而言，更好的是峰至峰時鐘電壓僅僅需要比斬波器晶體管的閾值電壓Vth大。為了這個目的，如圖2所示，用鎖存器（晶體管MN5、MN6、MN7和MN8）代替反向柵極電壓保護二極管Dr11至Dr41和二極管Df11至Df4x的正向串聯鏈。