用于大电流应用的低净空恒流源的制作方法
【专利说明】
【技术领域】
[0001]本发明涉及电流驱动器电路，特别涉及低净空(low-headroom)高电流驱动器。【【背景技术】】
[0002]许多应用都要求驱动一个高电流到外部设备。例如可以使用一个高电流驱动器来驱动一个相当大的电流到发光二极管(LED)、液晶显示器(LCD)、电动机、致动器等。需要大电流的医疗应用包括心跳检测、SP02监控器、和其它感应器。
[0003]图1A显示一个大电流应用。电流源106提供一个大电流，由开关104控制以开启和关闭LED 102。图1B是该大电流切换应用的波形。当切换电压VSW为高时，开关是闭合的。当开关闭合时，源电流(source current)切换通过LED 102冲到高位。一些低功率应用可以通过减少开启时间来节省能源。因此，需要一个大电流来提供快速的稳定时间(settling time)给源电流，从而波形不会被扭曲。
[0004]随着半导体工艺技术的进步，设备尺寸变得越来越小。这些越来越小型化的设备使用更低的电源电压，以防损坏微小部件。更低的电源电压产生一个低净空的电路环境，其中较小的电压施加在晶体管上。低净空环境里的较小电压产生较低的电流，这与高电流驱动器电路的设计目标正好相反。因此，需要小心设计电路。
[0005]传统电流驱动器可以使用一个互补金属氧化物半导体(CMOS)电流镜。但是，输出电流随漏极-源极电压的改变而变化。可以使用共源共栅电源镜(Cascode currentmirror)来减小随漏极-源极输出电压而改变的电流变化，但是大电压降会发生在共源共栅晶体管上。在低净空环境里，共源共栅晶体管可能没有足够可用的电压降。
[0006]当与一个大输出晶体管串联一个第二晶体管时，该第二晶体管也必须大到能够流过大电流，这会增加了电路尺寸和成本。而且，该第二晶体管会减少到输出晶体管的可用电压降。因此，将一个或多个晶体管与输出晶体管串联在一起是不可取的。
[0007]许多驱动器电路会使用运算放大器(op amps)。运算放大器提供快速反应，但其具有高增益和高能耗。因此，期望避免在高电流低净空驱动器电路里使用运算放大器。
[0008]也有其它电路在恒定电压上使用一个电阻器以产生恒定电流。但是，电阻器的电压降减少了用于电路里其它晶体管的可用电压，而且电阻器消耗了功率。
[0009]期望有一个低净空高电流驱动器电路。不使用运算放大器的电流驱动器电路是令人期待的。不使用电阻器来产生恒定电流的电流驱动器电路也是令人期待的。在低净空环境里，希望有一个能用于高电流应用的具有恒定电流镜源的驱动器电路。
【附图简述】
[0010]图1A显示一个大电流应用。
[0011]图1B是该大电流切换应用的波形。
[0012]图2是一个感应输出电流变化以产生补偿误差电流的驱动器电路的概念示意图。
[0013]图3是一个具有输出电流变化感应和电流补偿的电流镜电路的示意图。
[0014]图4A-E显示图3感应和补偿电路的运行。
[0015]图5是另一个感应和补偿电路。
[0016]图6是另一个没有误差存储电容器的电路。
【发明详述】
[0017]本发明涉及低净空高电流电路的改进。以下描述使本领域普通技术人员能够依照特定应用及其要求制作和使用在此提供的本发明。所属领域的技术人员会明白对优选实施例的各种修改，且本文所界定的一般原理可应用于其它实施例。因此，本发明不限于所展示和描述的特定实施例，而是应被赋予与本文所揭示的原理和新颖特征一致的最广范围。
[0018]图2是一个感应输出电流变化以产生补偿误差电流的驱动器电路的概念示意图。许多先前设计都尝试用一个镜像晶体管(mirror transistor)来匹配输出晶体管的栅极、漏极和源极电压。然后，流经该镜像晶体管的参考电流可以根据晶体管比率而被放大以产生输出电流。
[0019]相反，发明人察觉到输出电流有一个变化或误差。该误差可以被用来调整参考电流以补偿误差。仍然可以使用电流镜来按比例调整参考电流以匹配输出电流。
[0020]电流镜(图中未显示)将一个来自参考电流源108的参考电流i_REF按比例调整，以使输出电流源106产生输出电流i_0UT。电流感应电路112感应来自输出电流源106的输出电流i_0UT的变化，以产生一个误差电流i_ERR0R。加法器110从参考电流i_REF减去该误差电流i_ERR0R，以调整输出电流源106的输出电流i_0UT。因此，输出电流的变化被感应，从而产生补偿电流以调整输出电流。
[0021]感应输出电流变化并产生补偿电流的闭环反馈并不使用运算放大器。同样也不使用产生电压的电阻器。因此，减少功率消耗。
[0022]图3是一个具有输出电流变化感应和电流补偿的电流镜电路的示意图。输出晶体管56从输出节点V0和外部LED 102拉出输出电流i_0UT。参考电流源108从节点V3吸入参考电流i_REF，其被镜像到反馈驱动晶体管36以产生栅极电压V4到输出晶体管56。反馈驱动晶体管36和输出晶体管56的尺寸比率使得i_0UT比i_REF大很多，因为输出晶体管56比反馈驱动晶体管36大Μ倍。
[0023]输出电流i_0UT的变化被晶体管50、54、40、42、44、46感应到。然后，感应的电流变化通过晶体管20、22、30、32、36被补偿。感应的电流变化或电流误差被存储在误差存储电容器60里。晶体管20、22、30、32、40、42、50是p-沟道晶体管，而反馈驱动晶体管36、感应镜晶体管44、感应镜尾晶体管46、感应晶体管54、输出晶体管56是η-沟道晶体管。
[0024]第一偏压VB1被施加到参考中间晶体管22、反馈中间晶体管32和感应镜中间晶体管42的栅极。一个稍微更高的第二偏压VB2被施加到感应源晶体管50的栅极。参考源晶体管20和感应镜源晶体管40的栅极电压是在感应镜中间晶体管42和感应镜晶体管44的漏极之间产生的电压V2。反馈源晶体管30的栅极电压V3是由参考中间晶体管22的漏极产生，因为i_REF是由参考电流源108从其漏极拉出的。
[0025]晶体管54、44、46形成一个电流感应电路。晶体管54和44的电流和尺寸可以是相同的，从而其栅极-到-源极电压(Vgs)是相同的。因此，晶体管46的漏极电压与输出电压V0相同。当输出电压V0变化时，晶体管46的漏极电压也变化。晶体管46总是以一个比率来感应输出电流，该比率由晶体管46和56的尺寸比率而确定，因为晶体管46和56有相同的栅极/源极/漏极电压。
[0026]感应晶体管54的源极连接到输出V0。感应晶体管54的尺寸比输出晶体管56小很多，因此只有很小部分或可忽略极小数量的输出电流i_0UT通过感应晶体管54被转移。通过输出晶体管56的电流几乎等于i_0UT，因为通过感应晶体管54的电流很小。
[0027]感应晶体管54所感应的输出电压V0的变化使得VI发生变化。VI被施加到感应镜晶体管44的栅极，其使得感应镜尾晶体管46的漏极电压发生变化。由于其可变的漏极电压，所以穿过感应镜尾晶体管46的电流发生变化，电压V2也发生变化。晶体管40与晶体管46有相同的电流。V2发生变化，并被施加到参考源晶体管20的栅极。晶体管20的电流与晶体管40的电流相同(假设晶体管20和40的尺寸是相同的，晶体管22和42的尺寸也是相同的)。它们形成一个共源共栅电流镜源。
[0028]拉入到节点V3内的电流发生变化，并被存储在误差存储电容器60中，因为i_REF是由参考电流源108固定的。由于R-C时间常数，可以选择误差存储电容器60的尺寸，以提供一个期望数量的平滑的或平均的电流变化调整量。可以使用电容器60作为电流误差存储，以形成一个电压，也可以用作为反馈电流源晶体管30的补偿电容器。
[0029]存储在误差存储电容器60上的误差电荷调整V3和V4，使得反馈电流穿过反馈源晶体管30、32，并流入反馈驱动晶体管36以调整V4，反馈驱动晶体管36的栅极和漏极电压，以及输出晶体管56的栅极电压。从输出电流减去由感应晶体管54感应的误差电流，将流过输出晶体管56的输出电流调整回到一个恒定、稳定的数值。因此，流过输出晶体管56的输出电流被调整回到一个恒定、稳定的数值以补偿由感应晶体管54感应的变化。来自感应晶体管54的小电流也有助于快速地稳定i_0UT的变化。
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