专利名称：优化齐纳二极管偏置电流的电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种锯齿波形发生器电路，特别涉及一种有效控制齐纳二极管的偏置电流的锯齿波发生器电路，该齐纳二极管提供用于限制锯齿波形的峰值电压的参考电压。
背景技术：
很多电子电路都需要在其中提供固定的参考电压电平。提供这种参考电压的一种方式是通过使用齐纳二极管。齐纳二极管与普通二极管一样在正方向导通，但是在反方向不允许二极管两端的电压超过额定齐纳电压。4伏以下的额定齐纳电压通常用于低功率齐纳二极管。该额定齐纳电压提供参考电压电平。为了使齐纳二极管提供具有良好调整性的额定齐纳电压，必须具有恒定偏置电流。齐纳二极管、特别是低电压齐纳二极管的一个缺陷是要求一毫安数量级的恒定偏置电流产生该额定齐纳电压。这个偏置电流值特别对于低功率应用是不希望的。
利用齐纳二极管提供参考电压的一种公知应用装置是锯齿波形发生器电路。很多应用装置(如脉宽调制器)都需要提供锯齿电压信号。锯齿波发生器电路通常产生在电压下限和电压上限之间周期性地改变的锯齿波形。该波形的锯齿特性通常是通过对电容器快速充电和缓慢放电产生的。当用非常短的电流脉冲给电容器充电时，通常希望限制锯齿波的峰值电压。为了限制峰值电压，通常采用固定的参考电压作为箝位电路的一部分，以将该峰值箝位于作为参考电压电平的预定函数的电压。
图1示出了一种现有技术电路10的示意图，电路10包括锯齿波发生器电路60和零相交检测器30。锯齿波发生器电路60包括提供参考电压的齐纳二极管，用于限制产生的锯齿波形的峰值。图1的电路10在端子6、8接收输入AC电压，并在节点35产生锯齿波形电压信号。零相交检测器30连接到AC输入端子6、8并在端子2具有输出。锯齿波发生器电路60包括晶体管22，晶体管22具有电阻器20耦合到端子2的基极、集电极和发射极。电阻器18、电阻器16和电阻器14串联连接在Vcc和晶体管22的集电极之间。对于锯齿波发生器电路60，Vcc通常为5.5V。晶体管22的发射极耦合到参考电位，优选为地。电容器24经过晶体管的发射极和集电极连接。电容器40连接在电阻器16、44在节点29的结和地之间。
锯齿波发生器电路60包括晶体管32，晶体管32具有耦合到电阻器16和电阻器18在节点45的结的基极、集电极和离那街道节点29的发射极。电阻器38在节点35串联连接在电容器28并位于晶体管32的集电极和地之间。恒定电流源48与电容器28并联连接。
如图1所示，锯齿波发生器60包括串联连接在节点35和电阻器36与齐纳二极管26的结之间的二极管34。电阻器36和齐纳二极管26在节点33串联连接在节点29和地之间。二极管34具有连接到节点33的阴极和连接到节点35的阳极。齐纳二极管26具有连接到节点33的阴极和连接到地的阳极。
在操作中，每次AC输入电压与零相交时，零相交检测器30在端子2产生短脉冲。在端子2的脉冲电压信号耦合到晶体管22的基极，因此只在AC输入的零相交点时，晶体管22被转换到导通状态。晶体管22的导通状态使晶体管32导通并在零相交检测器电压脉冲开始时快速对电容器28充电，由此在节点35产生锯齿输出的上升缘。一旦AC输入的每个零相交间隔结束，零相交检测器30停止在端子2产生脉冲，使晶体管22转换到非导通状态。然后电容器28将通过恒定电流源48缓慢放电。恒定电流源48引导来自电容器28的固定电流，从而使电容器28线性放电，由此在节点35形成锯齿波的向下倾斜。
快速充电和放电电路需要提供固定参考电压，以便当用非常短的电流脉冲给电容器28充电时限制最大电压。电路10提供由齐纳二极管26所需的恒定偏置电流，从而产生其额定齐纳电压，对于低功率齐纳二极管，通常为4伏左右。齐纳二极管26的功能是使节点35处的锯齿波形的峰值限制到(即“箝位”到)额定齐纳电压。
在锯齿波发生器电路60中，齐纳二极管可通常要求大约一毫安数量级的恒定偏置电流。对于低功率的改型齐纳二极管也是这样。很多低功率应用要求器件中允许的总电流被限制到大大低于一毫安。因此，图1中的锯齿波发生器60的恒定偏置电流要求是不希望的，尤其是对于低功率应用。
因此需要大大减少用于锯齿波发生器电路的齐纳二极管所需的偏置电流量，同时保持通过使用齐纳二极管所提供的优点，即当使用非常短的电流脉冲给电容器充电时，用于限制最大锯齿波形电压的固定参考电压。
发明内容
本发明通过提供具有齐纳二极管的锯齿波发生器电路而解决了现有技术器件中存在的问题，该齐纳二极管受控而使得只在其两端产生锯齿波形的电容器充电期间出现齐纳二极管的偏置电流，由此大大减少了由齐纳二极管的偏置电流产生的功耗。在优选实施例中，本发明提供一种电路，当由齐纳二极管提供的参考电压必须限制锯齿波形电压时，该电路防止除了在非常短的周期脉冲期间之外给齐纳二极管输送偏置电流。因而，通过减少与齐纳二极管偏置电流相关的功率损失和通过以最低成本使用标准电路部件实现该功能，本发明的电路具有克服公知电路的缺陷的优点，而且不会有害地影响整个系统的可靠性。本发明的电路适用于利用锯齿波形发生器的各种应用。
广义上讲，本发明提供一种锯齿波发生器，用于产生作为耦合到该发生器的周期脉冲的函数的锯齿波形，该锯齿波发生器包括第一电容器，它作为周期脉冲的函数被充电，然后以预定速度放电，使得第一电容器上的电压限定锯齿波形；及参考电路，用于限制锯齿波形的峰值电压作为预定参考电压的函数，参考电路包括齐纳二极管、第一电路和第二电路，齐纳二极管用于当齐纳二极管被反向偏置时、响应预定偏置电流而产生预定参考电压，第一电路耦合到齐纳二极管和第一电容器之间并用于限制电容器上的峰值电压作为预定参考电压的函数，第二电路用于提供作为周期脉冲的函数的预定偏置电流，使得在第一电容器被充电期间预定偏置电流被接通，并在第一电容器放电时在一定时间量内被断开。
附图简述通过结合附图参照下面的详细说明更容易理解本发明的前述方案和相应优点，其中图1表示现有技术电路10的示意图，电路10包括锯齿波发生器电路和零相交检测器，其中使用齐纳二极管限制产生的锯齿波形的峰值电压；图2是根据本发明的电路实施例的示意图，该电路具有锯齿波发生器电路和零相交检测器并包括齐纳二极管的偏置电流控制器；图3表示根据本发明实施例的电路的典型锯齿波形输出；图4表示用于图1和2所示电路的齐纳偏置电流值的计算的电流波形；和图5表示用于图1和2中所示的示例电路的计算的电流波形。
具体实施例方式
本发明包括锯齿波发生器的电路，它有效地控制齐纳二极管的偏置电流，齐纳二极管提供参考电压，用于箝位锯齿波形的峰值电压。在优选实施例中，本发明提供一种电路，在除了当要求由齐纳二极管提供的参考电压提供这个箝位功能时的极短周期期间之外，该电路将齐纳二极管偏置电流切换为断开。因此，通过显著减小该电路所需的齐纳偏置电流，本发明克服了公知电路的缺陷。下面参照图2-5进一步介绍本发明。
图2是根据本发明的电路100的实施例的示意图，电路100具有锯齿波发生器电路160和零相交检测器30并包括齐纳二极管的偏置电流控制器。图2的电路100在端子6、8接收输入AC电压并在节点135产生锯齿波形电压信号。零相交检测器30连接到AC输入端6、8并在每次AC输入电压与零相交时在端子2产生短脉冲。尽管在图2中示出了零相交检测器，产生短脉冲的任何合适的脉冲发生器都可以用于代替零相交检测器，以便实施本发明。锯齿波发生器电路160包括晶体管122，其具有通过电阻器120耦合到端子2的基极、集电极和发射极。电阻器118、电阻器116、和电阻器144串联连接在Vcc和晶体管122的集电极之间，其中Vcc优选为5.5V。晶体管122的集电极在节点141耦合到电阻器118。晶体管122的发射极耦合到参考电位(优选为地)。电容器124跨接晶体管122的发射极和集电极。优选提供电容器124，用于在输入到零相交检测器30的不同输入AC电压范围内改善零相交持续时间的均匀性。电容器140是去耦电容器，连接于在节点129的电阻器116、144的结点和地之间。
锯齿波发生器电路160包括晶体管132，晶体管132包括在节点145耦合到电阻管116和电阻器118的结点的基极、集电极和连接到节点129的发射极。电容器128通过电阻器138耦合到晶体管132的集电极。电阻器138在节点135与电容器128串联连接，并处于晶体管132的集电极和地之间。恒定电流源148与电容器128并联连接。对于锯齿波发生器电路160，在节点135和地之间的电容器128两端产生锯齿波电压信号。
电路100包括参考电路，该参考电路包括齐纳二极管126和参考耦合电路150，参考耦合电路150连接在节点141和节点135之间。参考耦合电路150包括二极管154和二极管134，这两个二极管在节点141和节点135之间与齐纳二极管126串联连接。齐纳二极管126具有连接到节点141的阳极和在节点137连接到二极管154的阴极的阴极。齐纳二极管126优选具有3V的额定齐纳电压。二极管154具有连接到二极管134的阴极的阳极。二极管134的阳极连接到节点135。参考耦合电路150还包括连接在二极管154、134的结点和地之间的电容器110。
在操作时，图2中所示的零相交检测器30检测AC输入电压的每个零相交，并在AC输入电压每次与零相交时在端子2产生短脉冲。锯齿波发生器电路160基于零相交检测器30产生的脉冲而产生锯齿波形。端子2处的脉冲电压信号耦合到晶体管122的基极，使得只有在AC输入的零相交时晶体管122被转换到导通状态。晶体管122的导通状态使晶体管132导通并快速开始给电容器128充电。在每个零相交检测脉冲结束之后，晶体管122立即停止导通。然后电容器128将通过恒定电流源148缓慢放电。恒定电流源148传导来自电容器128的固定电流，以便使电容器128线性放电，由此在节点135形成锯齿波的向下倾斜。
需要固定的电压参考，以便箝位给电容器128被充电的最大电压。如上所述，在图1中所示的现有技术锯齿波发生器电路中，恒定偏置电流提供给齐纳二极管26，从而产生其额定齐纳电压。锯齿波电压输出的峰值被限制为这个额定齐纳电压的函数。齐纳二极管通常可能需要大约一毫安数量级的恒定偏置电流。对于低功率改型齐纳二极管也是这样的。很多低功率应用要求器件中允许的总电流被限制到显著低于所需偏置电流值的水平。本发明具有显著减小该锯齿波发生器电路所需的偏置电流的优点，这将在下面进一步详细说明。
齐纳二极管126被设置而使得当提供所需偏置电流时，它使节点135处的锯齿波电压信号的峰值被限制作为额定齐纳电压的函数。在锯齿波发生器160中，齐纳二极管126由晶体管122切换为导通和截止。因此，提供偏置电流，从而只在由零相交检测器30产生脉冲期间使齐纳二极管126导通。
在零相交之后的极短周期期间，晶体管122的集电极管脚上的电压将从零电位上升回到Vcc。然而，晶体管132将不完全截止，除非这个电压非常接近Vcc。晶体管132的这个弱的瞬时导通足以给电容器128充电到接近Vcc的电压，现在齐纳二极管126没有流出通路。为了在这个短时间周期期间避免在节点135具有未被箝位和未被控制的锯齿波电压信号的峰值，优选在参考耦合电路150中包含电容器110。电容器110具有基本上大于电容器128的电容，因此电容器110保持由齐纳二极管126限定的相当稳定的电压和二极管154的正向压降。电容器C110的功能是在零相交之后的短时间周期期间吸收来自晶体管132的杂散电流，并通过其足够大的电容将该杂散电流排放出去，而不会使电容器110和电容器128的端电压有任何明显增加。二极管154用于防止电容器110被充电到高于当零相交检测脉冲结束之后晶体管122截止时被箝位的电压。二极管134用于阻挡电容器110放电。因此，电容器110保持在由齐纳二极管126限定的电压加上二极管154上的正向压降不变。
图3表示根据本发明实施例的电路的锯齿波形输出。轨迹A是用于图2的实施例的在节点135的锯齿波输出电压的电压波形。锯齿波形的峰值被箝位到额定齐纳电压加上与齐纳二极管串联连接的两个晶体管两端的电压降。如图所示，锯齿波电压输出的峰值被限制为低于Vcc的电压。对于该电路，Vcc优选为5.5V。
图4示出了由图1和2中所示的电路产生的齐纳偏置电流的电流波形。轨迹C是图1中所示现有技术电路中的齐纳二极管26的齐纳电流。轨迹B是图2中所示电路中的齐纳二极管126的齐纳电流。对于示例电路，在568.6μA计算图1中的现有技术电路的齐纳二极管126的平均电流(由轨迹C表示)。通过比较，在36.81μA测量图2中的本发明实施例的齐纳二极管126的平均电流(如轨迹B表示的)。如图4所示，对于图2中所示的实施例，齐纳二极管偏置电流被断开，除了需要由齐纳二极管提供的参考电压时在极短周期脉冲期间之外。在上述例子中，本发明因此提供减小93.5％的平均偏置电流。
图5示出了图1和图2中所示示例电路的电流波形。轨迹E是对于图1中所示现有技术电路通过电阻器44的计算的总电流I1。轨迹F是对于图2中所示电路通过电阻器144的计算的总电流I2。对于所示的波形，对典型电路进行计算，对于I1计算的电流为590.9μA RMS和，对于I2计算的电流为62.74μA RMS。因此，对于这些典型电路，通过本发明实现了以大约89.4％计算的节省的功率。
因而，本发明通过减小齐纳二极管偏置电流和通过使用标准电路部件实现这一功能，克服了公知电路的缺陷。
为了表示和说明已经提供了本发明的前面的详细说明。尽管这里已经参照附图详细介绍了本发明的典型实施例，应该理解本发明不限于这里公开的实施例，鉴于上述教导可以对本发明进行各种修改和改变。
权利要求
1.一种锯齿波发生器，用于产生锯齿波形作为耦合到所述发生器的周期脉冲的函数，包括第一电容器，它作为所述周期脉冲的函数被充电，然后以预定速度放电，使得所述第一电容器上的电压限定所述锯齿波形；和参考电路，用于限制所述锯齿波形的峰值电压作为预定参考电压的函数，所述参考电路包括齐纳二极管、第一电路和第二电路，所述齐纳二极管用于响应所述齐纳二极管反向偏置时的预定偏置电流而产生所述预定参考电压，所述第一电路耦合在所述齐纳二极管和所述第一电容器之间并用于限制所述电容器上的峰值电压为所述预定电压的函数，所述第二电路用于提供所述预定偏置电流作为所述周期脉冲的函数，使得所述预定偏置电流在所述第一电容器被充电期间被接通，在所述第一电容器放电时在一定时间量内断开。
2.根据权利要求1的锯齿波发生器，其中所述周期脉冲由零相交检测器产生，该零相交检测器具有耦合到AC输入的两个端子，所述检测器用于检测所述AC输入的每个零相交并产生用于每个零相交的所述周期脉冲。
3.根据权利要求1的锯齿波发生器，其中所述第二电路包括第一晶体管，它具有基极、集电极及耦合到地的发射极；所述齐纳二极管具有阳极和阴极；所述集电极在第一节点耦合到所述齐纳二极管的所述阳极；所述周期脉冲通过第一电阻器耦合到所述基极，使得所述第一晶体管作为所述周期脉冲的函数而被导通，和第二、第三和第四电阻器，串联连接在DC电源电压(Vcc)和所述第一节点之间；其中，所述预定偏置电流作为所述周期脉冲的函数而被提供给所述齐纳二极管。
4.根据权利要求3的锯齿波发生器，其中所述第一电路包括第一和第二二极管以及第二电容器，所述第一和第二二极管在第二节点上与位于第一节点和所述第一电容器之间的所述齐纳二极管串联连接，所述第二电容器连接在所述第一和第二二极管的结点和地之间，并由所述齐纳二极管充电到所述预定参考电压，所述第二电容器的电容基本上大于所述第一电容器的电容，使得在每个所述周期脉冲结束之后的预定时间周期中所述第二电容器保持所述预定参考电压，用于限制所述锯齿波形的峰值电压。
5.根据权利要求4的锯齿波发生器，其中所述齐纳二极管的所述阴极在第三节点连接到所述第一二极管的阴极，所述第一二极管的阳极连接到所述第二二极管的阴极，所述第二二极管的阳极在所述第二节点连接到所述第一电容器。
6.根据权利要求3的锯齿波发生器，其中所述第二电路还包括与所述第一晶体管的所述发射极和集电极并联连接的第三电容器。
7.根据权利要求1的锯齿波发生器，还包括第二晶体管，第二晶体管的基极耦合到所述第二和第三电阻器的结点，发射极耦合到所述第三和第四电阻器的结点，集电极通过第五电阻器耦合到所述第一电容器。
8.根据权利要求1的锯齿波发生器，还包括用于使所述第一电容器放电的恒定电流源。
9.一种用于在输出端产生锯齿波形的锯齿波发生器，它包括第一电容器、用于使所述第一电容器充电到作为输入脉冲之函数的预定电压的第一电路、用于使所述第一电容器以控制速度放电的第二电路、和用于作为所述第一电容器两端的电压的函数在所述输出端产生电压的第三电路，用于限制所述第一电容器上的峰值电压的参考电路包括齐纳二极管，用于响应所述齐纳二极管被反向偏置时的预定偏置电流而产生预定参考电压，第四电路，耦合在所述齐纳二极管和所述第一电容器之间，并用于作为所述预定参考电压的函数限制所述电容器上的峰值电压；和第五电路，用于提供所述预定偏置电流作为所述周期脉冲的函数，使得在所述第一电容器被充电期间所述预定偏置电流被接通，在所述第一电容器放电时在一定时间量内所述预定偏置电流被断开。
10.一种用于在预定时间间隔期间提供参考电压的参考电路，包括齐纳二极管，用于响应所述齐纳二极管被反向偏置时的预定偏置电流提供所述参考电压，和偏置控制电路，用于只在所述预定时间间隔期间产生所述预定偏置电流，使得所述齐纳二极管只在所述预定时间间隔期间提供所述参考电压。
全文摘要
本发明涉及一种电路，可以有效地提供齐纳二极管的所需偏置电流，该齐纳二极管提供参考电压，从而箝位由锯齿波发生器电路产生的锯齿波形的峰值电压。在优选实施例中，本发明提供一种电路，该电路使齐纳偏置电流断开，除了在需要参考电压以提供箝位功能时的短周期期间之外，从而大大减小了所需的电流。
文档编号H03K4/50GK1578139SQ20041006338
公开日2005年2月9日 申请日期2004年7月8日 优先权日2003年7月8日
发明者廖志辉 申请人:艾斯泰克国际公司