专利名称：集成驱动器电路结构的制作方法
技术领域：
0001本发明涉及集成驱动器电路结构，其是数字地可配置的，以在
电流输出模式或远距离检测电压输出模式工作。
背景技术：
0002在工业自动化领域中，可编程逻辑控制器和场扩展模块控制大 量的电子致动器。由于致动器的范围广泛及其不同的性能要求，因此存 在大量多种的信号驱动，其提供具有不同驱动电压或电流范围的致动信 号。在这些范围之间，存在许多专有的信号接口，所述专有的信号接口 要求电子驱动的定制，以和所需的致动器输入相匹配。
0003为了避免为每种类型的致动器进行独立的电路板设计，希望有 一种综合的解决办法，其提供精确电压控制的、有可縮放输出电平的电流 和电压源。
0004传统的控制回路需要分路电阻器，以测量这个分路电阻器两端 的电压降，并将结果送回到放大器的负输入端子(例如，经由仪表放大 器和电阻器)，由此闭合电流控制回路。
发明内容
0005本发明提供了一种驱动器电路，其克服了前述的限制。具体地， 提供了集成的驱动器电路结构，该驱动器是可数字地配置的，以在电流 输出模式或电压输出模式工作，特别地，该驱动器的输出范围由电阻器 预先设置，且其输出电平由外部电压控制。
0006在特定实施方式中，外部控制电压确定在电流输出模式中输出 端子处可获得的电流，或确定在电压输出模式中输出端子处可获得的电 压。集成电路包括运算放大器、电压-电流转换器和电流反射镜。运算放 大器的第一输入被连接到控制端子。运算放大器的第二输入越过外部设
置电阻器被连接到电流反射镜的输出，或被连接到电压-电流转换器的输 出。运算放大器的输出为电流反射镜晶体管提供栅极驱动。在电流输出
模式中，反馈通过电流反射镜而闭合，设置电阻器(set resistor)两端产 生的参考电流被反射到输出端子。电压-电流转换器有连接在外部负载两 端的电压检测输入。在电压输出模式中，反馈通过在输出端子处设置电 压的电压-电流转换器的输出而闭合。
0007在电流输出模式，参考电流(或基准电流)被反射到在前馈装 置中的负载，具体地经由动态匹配电流反射镜，这样不需要具有分路电 阻器、仪表放大器(INA)和电压-电流转换电阻器的电流控制回路。特 别地，电流反射镜中使用的动态元件匹配方法确保遍及大范围的输出电 流的高精确度。对在高输出电流的电压余量(voltage headroom)或功耗 效率的限制被消除。尽管栅极驱动器(其确定了被迫通过电流设置电阻 器的参考电流)优选地包括作为闭合控制回路一部分的运算放大器，但 是反馈回路短路，这导致迅速的馈给。典型地，对于那种回路，不需要 另外的(外部的)补偿。
0008在电流反射镜中实现的动态元件匹配确保了遍及大的输出电流 范围内的高精确度，而不需要另外的微调。此外，电压余量和功耗效率 的电流依赖性几乎被消除。另外，电压-电流转换器(不被用于控制回路 中)可以用来提供负载电压信息。
0009在实施方式中，电流反射镜包括多个电流源，全部电流源具有 由运算放大器提供的相同栅偏压。至少一个电流源被连接以提供所述参 考电流给外部设置电阻器，而所有其他的电流源被连接至输出端子。
0010在改进的实施方式中，提供时钟控制的开关装置，其遍及电流 反射镜中的全部电流源，循环使用至少一个被连接以提供参考电流的电 流源。这种循环使用可以随机地或遵循某种模式完成，例如，确保全部 电流源被选择的次数大致相等。
0011在进一步的实施方式中，集成电路包括内部开关，其用于选择 性地将电压-电流转换器的输出连接到运算放大器的输入或电压检测端 子。
0012在进一步的实施方式中，电压-电流转换器包括两个另外的端子，量程电阻器(scale resistor)可以被连接在所述两个端子两端。量程电阻 器允许输出电压量程独立于输出电流量程设置。通过为电流输出模式中 的电流范围选择外部电阻器，和为电压输出模式中的电压范围选择另一 个外部电阻器，可以容易地实现独立地选择电流和电压输出的范围。有 利地，这些电阻器的值对负载的功率效率和电压余量没有影响。0013在另一种实施方式中，所述装置可以经由其连接到总线系统的 接口而远程地配置。
0014在进一步的实施方式中，所述装置可以用于故障和负载阻抗监 视目的，例如通过监视所述装置的不同端子。
0015在更进一步的实施方式中，所述装置包括切断功能性，例如， 经由其接口。通过禁止到电流反射镜的栅极驱动，这样的输出禁止能力 可以容易地实现在电路中。因此，不需要另外的(外部的)开关，且这 样的开关两端没有电压降。
0016在下面的附图中显示并说明了本发明的多个实施例，其中-
图l显示了集成电路，其可配置在电流输出模式或电压输出模式工 作，但是该电路由外部电压控制，并且可以由数字信号配置； 图2显示了有多个电流源的说明性电路；禾口 图3显示了有多个数字配置输入和多个控制输出的接口。
具体实施例方式
0017图1显示了集成驱动器电路结构801 (有端子802到809、 CS1、 CS2、 OD和812)，其包括放大器813 (有负的和正的输入及输出)、电 流反射镜模块815和外部电流设置电阻器RSET。电流设置电阻器RSET经 由端子802和地线GND被连接到放大器813的负输入。应该注意，电阻器 RSET可以不连接到地线GND，而是替代地连接到另外的参考电压。控制 电压Vin经由端子803被施加于放大器813的正输入。电流反射镜模块815 有第一输出，其可以经由开关S1连接至放大器813的负输入和电阻器 RSET之间的节点802。电流反射镜模块815有第二输出，负载816通过输述第二输出。放大器813的输出提供栅极控制电 压给电流反射镜模块815。
0018电流反射镜模块815包括多个电流源，全部电流源具有由放大器 813的输出提供的相同栅偏压。在任何时候，电流反射镜模块815的电流 源数量中的至少一个被连接以提供参考电流到电流设置电阻器RSET。电 流反射镜815的所有其他电流源被连接，以将参考电流反射到朝向负载816 的负载电流输出。因此，电流反射镜815基于被连接以掛共参考电流到电流设置 电阻器RSET的电流源的数量，以及基于被连接以朝向负载816反射参考电流的 电流源的数量，衛共电流增益比率。在所显示的实例中，1:X的比率意味着总计 衛共了1+X个电流源，其中一个电流源被连接以鄉参考电流到电流设置电阻器 RSET，而X个电流源被连接以反射电流到负载电流输出。应该注意，关于比率
"1:X" ， X不需要是整数，禾口/或"1"不需要表示仅仅"一个"电流源。换句 话说，"3:10" 、 "4:20" 、 "8:2"等的比率的实现也是可能的。
0019在优选实施方式中，为增加电流反射镜的精确度，应用了一种 动态元件匹配的方法。这是通过如下方法实现的提供时钟控制的开关 装置，所述开关装置遍及电流反射镜的全部电流源循环使用被连接以提 供参考电流的(至少一个)电流源。通过提供X+1个同样的晶体管作为电 流源并周期性地转换连接到电流反射镜每一侧的晶体管的布局
(constellation)，归因于工艺变化的晶体管不匹配可以被显著地减少。
0020进一步地提供电压-电流转换器814，如图1中显示。电压-电流 转换器814有两个输入，分别地连接到端子807和808，负载816连接在 所述端子807和808之间。电压-电流转换器814还有输出，其被连接到 开关S2，且有两个被连接到端子805和806的附加输入，外部电阻器RGN 可以被连接在所述端子805和806之间，以设置电压-电流转换器814的 电压输出量程或数值范围。
0021端子CS1、 CS2用于选择电源设备的模式。通过施加数字信号到 这些端子，电路可以配置为在电流输出模式或在电压输出模式工作。另 夕卜，监视信号可以由电路提供，例如用于监控电路801和/或其之间连接的 负载的目的。
0022在电流输出模式，参考电流IcoPY从电流反射镜模块815经由开关
Sl按路线传送到端子802。输出电流由输入电压Vin设置，所述输入电压 Vin由放大器迫使而越过电阻器RSET。在电流反射镜模块815中，这个参 考电流被朝向输出端子809反射(且可能被放大)。如上面描述的，动态 元件匹配确保电流反射镜所要求的精度。电流IsuM从电压-电流转换器814 的输出经由开关S2按路线传送到端子804，由此而提供在端子804被监视 的负载两端的电势差。
0023在电压输出模式，电流IsuM经由开关S2按路线传送到端子802， 由此闭合反馈回路。在端子808和807之间的输出电压由输入电压Vin控 制。电压输出的量值可以独立于电流输出量值由电阻器RGN设置。电流 Icx)py经由开关Sl按路线传送到端子812。这种配置允许负载电流经由端子 812被监视。
0024通过观察端子812和/或804的输出，故障状态可以被探测，或者 负载阻抗可以被监视。
0025图2显示了电源设备的接口901。该接口包括控制信号CS1、 CS2、 OD、以及到开关S1和S2和到电流反射镜模块815的控制输出。
0026控制信号OD控制输出使能高使能、低禁能。控制信号CS1、 CS2控制配置模式如下"00"是电压模式(见图1: Sl连接到端子812 而S2连接到端子802) ， "01"是电流模式(见图1: Sl连接到端子802 而S2连接到端子804)，以及"10"和"11"用作可配置的模式(见图 1: S1连接到端子812而S2连接到端子804)。模式"10"和"11"之 间的不同是设置电流限制。
0027图3显示了有多个电流源Mp ， MN+,的实例电路。电流源是
PMOS晶体管，其源极被连接到正的电源轨。电流源的栅极被相互连接且 具有偏置源。电流输出Iin或电流输入IouT可以被连接到每个PMOS晶体管 的漏极。这样的连接由开关控件201控制。因此，每个PMOS晶体管有两 个开关SWA和SWs，它们与其漏极串联，以允许漏极被连接到输入反射 镜引线或输出反射镜引线。
0028本发明所涉及领域的那些技术人员将意识到，对所描述的示例 性实施例可以做出其他的和进一步的修改，而不偏离本发明要求保护的 范围。
权利要求
1.一种集成驱动器电路结构，其是数字地可配置的，以在电流输出模式或电压输出模式工作，其输出电平由外部电压控制。
2. 根据权利要求1所述的设备，其中所述外部控制电压确定在所述电流输出模式中输出端子处可获得的电 流，并且所述外部控制电压确定在所述电压输出模式中所述输出端子处可 获得的电压；其中所述集成电路包括运算放大器、电压-电流转换器和电流反射镜； 所述运算放大器的第一输出被连接至所述控制端子； 所述电压-电流转换器有连接在外部负载两端的电压检测输入； 在所述电流输出模式，所述运算放大器的第二输入被连接至所述电流 反射镜的参考电流源和外部设置电阻器，所述运算放大器的所述输出提供 栅偏压给所述电流反射镜，且所述电流反射镜反射所述参考电流到所述输 出端子；在所述电压输出模式，所述运算放大器的所述第二输入被连接到所述 电压-电流转换器的所述输出，且所述运算放大器的所述输出驱动所述输出 端子，以设置所述负载两端的电压。
3. 根据权利要求2所述的设备，其中所述集成电路包括内部开关，其 用于选择性地连接所述电压-电流转换器的所述输出到所述运算放大器的 输入，或到所述设备的负载电压检测端子。
4. 根据权利要求2和3中任意权利要求所述的设备，其中所述集成电 路包括内部开关，所述开关用于选择性地连接所述电流反射镜的负载电流 副本端子到所述运算放大器的输入，或到所述设备的负载电流检测端子。
5. 根据权利要求2到4中任意权利要求所述的设备，其中所述电流反 射镜包括多个电流源，全部电流源有由所述运算放大器的所述输出提供的相同栅偏压，至少一个所述电流源被连接以提供所述参考电流到所述外部 设置电阻器。
6. 根据权利要求5所述的设备，其中所有其他的电流源被连接至所述 输出端子，以反射所述参考电流。
7. 根据权利要求6所述的设备，其中提供时钟控制开关装置，该装置 遍及所述电流反射镜中的全部所述电流源，循环使用被连接而提供所述参 考电流的至少一个电流源。
8. 根据权利要求2到7中任意权利要求所述的设备，其中所述电压-电流转换器包括两个端子，量程电阻器被连接在所述两个端子之间，以独 立于所述电流输出量程设置所述电压输出量程。
9. 根据权利要求2到8中任意权利要求所述的设备，其中所述设备经 由其接口用于远程控制目的。
10. 根据权利要求2到9中任意权利要求所述的设备，其中所述设备用 于监视故障或负载阻抗的目的。
11. 根据权利要求2到10中任意权利要求所述的设备，其中所述接 口包括切断所述设备的功能性。
全文摘要
提供一种集成电路驱动器结构(801)，其包括放大器(813)、电流反射镜模块(815)和外部电流设置电阻器(RSET)，所述集成电路驱动器结构是可数字地配置的，以在电流输出模式或远距离检测电压输出模式工作，其输出电平由外部电压控制。电流反射镜模块包括多个电流源，全部电流源都有由放大器(813)的输出提供的相同栅偏压。在任何时候，至少一个电流源被连接，以提供参考电流给电阻器(RSET)，而所有其他的电流源被连接，以向朝着负载(816)的负载电流输出反射参考电流。电流增益比率是基于被连接以向电阻器供电的电流源的数量和被连接以反射参考电流的电流源的数量。
文档编号H03K19/0175GK101176257SQ200680016215
公开日2008年5月7日 申请日期2006年5月12日 优先权日2005年5月13日
发明者J·莫特兹格, R·T·波特, V·谢尔菲 申请人:德克萨斯仪器德国股份有限公司