专利名称：电压感测电路及其方法
技术领域：
本发明总体涉及电子仪器，更具体地涉及形成半导体器件和结构的方法。
背景技术：
过去，半导体工业利用各种方法和电路制造电压感测电路。电压感测电路通常接收输入电压，并形成作为输入电压的校正表示的输出电压。电压感测电路也产生表示输入信号的零交叉的零交叉信号。通常，需要在多个电源下运行的几个运算放大器来产生电路的电压感测。提供多个电源以运行电压感测电路增加了电压感测电路的成本。
因此，希望具有不需要多个电源的电压感测电路。
图1示意性图示了根据本发明的电压感测电路的部分实施例；图2示意性图示了根据本发明的包括图1的电源系统的半导体器件的放大平面图。
为了说明的简单和简洁，附图中的部件没有必要按比例绘制，并且在不同的附图中相同的参考标号表示相同的部件。因此，为了说明的简单，删去已知步骤和部件的说明和细节。如这里使用，电流承载电极表示承载电流通过器件的器件的部件，如MOS晶体管的源极或漏极，或者双极晶体管的发射极或集电极，或者二极管的阴极或阳极，以及控制电极表示控制电流通过器件的器件的部件，如MOS晶体管的栅极，或者双极晶体管的基极。
具体实施例方式
图1示意性图示了电压感测系统10，其包括在单电源电压下运行的电压感测电路70。系统10接收电源输入11和电源返回12之间的单运行电压。系统10也接收电压输入端13和14之间的交流(ac)输入电压，并形成输出端18和返回12之间的整流输出电压。输出电压通常具有全波整流波形。输出电压是输入电压的整流表示。系统10也在零交叉(ZC)输出上形成零交叉(ZC)信号。ZC信号基本上在端13和14上的输入电压的每个零交叉处进行转变。系统10包括电路70、输入电阻器21、输入电阻器20和输出电阻器61。电阻器20、21和61通常在电路70的外部。如将在下面进一步看到，电阻器20、21和61的值确定电路70的增益。因此，电阻器20、21和61通常在电路70的外部，以便于选择电阻器的值。然而，在一些实施例中，电阻器20、21和61的一个或全部可以是电路70的一部分。
电路70包括输入11、返回12、第一信号输入15、第二信号输入16、信号输出17和输出19。电路70也包括具有连接电流反射镜的晶体管22和28的第一电流反射镜29，具有连接电流反射镜的晶体管24和27的第二电流反射镜25，具有连接电流反射镜的晶体管34和36的第三电流反射镜35，具有连接电流反射镜的晶体管32和39的第四电流反射镜40，具有连接电流反射镜的晶体管43和44的第五电流反射镜45，共基-共射连接的晶体管48，以及连接栅极跟随器的晶体管49和50。电路70的其它部分包括在电流反射镜29和25之间串联连接的晶体管23，在电流反射镜35和40之间串联连接的晶体管33，参考产生器或参考53，比较器54，电流源57，以及二极管58。电流源57提供偏置二极管58的电流。二极管58用于钳制以固定施加到晶体管23和33的基极的电压的值，如将在下面进一步看到。
施加到端13和14的电压通常是AC电压，如线电压或家用电压。该输入电压的峰值通常从一些国家的约一百二十(120)伏变化到其它国家的约二百二十(220)伏。电路70具有两个并联输入结构，来处理施加到端13和14的电压。第一输入结构处理在输入13上接收的电压并包括晶体管23和电流反射镜29和25。第二输入结构处理在输入16上接收的电压并包括晶体管33和电流反射镜35和40。两个输入结构在公共节点37耦合在一起。两个输入结构的每一个将施加到相应输入的电压转变成表示在端13和14的相应端上的输入电压的值的电流。为了形成该电流转变，在交流输入电压的正和负循环的每一个期间将输入15和16钳制到参考电压。将跨二极管58形成的电压施加到晶体管23和33的基极，这些晶体管用于提供在输入电压的交流循环的一部分期间的参考电压，如将在下面进一步看到。
如果施加到输入13的电压在交流循环的正部分中，正电压通过电阻器21连接到输入15。因为晶体管22配置为二极管，所以晶体管22将输入15钳制在基本上等于晶体管22的发射极(Vbe)电压的电压，通常约0.7伏。这样，施加到端13的电压的值基本上施加在电阻器21上，其引起电流I1流过电阻器21，并流过晶体管22作为电流I2。由于电流反射镜配置，流过晶体管22的电流I2使基本上相等的电流流过晶体管28作为电流I3，其与电流I2基本上相等，并从而与电流I1基本上相等。电流I9施加到晶体管50的发射极，其启动晶体管50，并使电流I3流过晶体管44和50。晶体管44和43的电流反射镜配置感生基本上相等的电流I4流过晶体管43。电流I4施加到晶体管48的发射极，从而使电流I4流过晶体管48，流过输出17，并流过电阻器61作为电流I5。这样，在输出端18和返回12之间的输出电压给出为V＝I5*R61。
因为电流I5、I4、I3、和I2都等于I1，则V＝I1*R61。
代入I1＝Vin/R21产生V＝Vin*(R61/R21)。
其中V＝输出端18和返回12之间的输出电压，Vin＝在端13上的输入电压的值，R61＝电阻器61，以及
R21＝电阻器21。
因此，输出电压的值等于输入电压乘以电阻器61和21的比率。
如果端13上的电压的值在循环的负部分中，输入电压的负部分施加在电阻器21上并耦合到输入15，并耦合到晶体管23的发射极。晶体管23的基极固定在基本上等于二极管58的电压的电压。因为二极管58是Schottky二极管，所以晶体管23的基极固定在约0.4V的电压。由于晶体管23的Vbe电压降，晶体管23的发射极被钳制在低于返回12上的电压值的约0.3V的电压。这样，电流I1是流出输入15的负电流，并感生基本上相等的电流I6流过晶体管23，从而流过晶体管24，流出输入15。由于晶体管24和27的电流反射镜配置，电流I6使基本上相等的电流I7流过晶体管27，至节点37。电流I7成为I9，并施加到晶体管49的发射极。晶体管49的发射极跟随器配置感生基本上相等的电流I8流过晶体管49，流出输出17，并作为电流I5流过电阻器61。因此，在输入电压循环的负部分期间，输出电压的值给出为V＝I5*R61。
因为电流I5、I8、I7、和I6都等于I1，则V＝I1*R61。
代入I1＝Vin/R21产生V＝Vin*(R61/R21)。
从而，输出电压的值对于输入电压的交流循环的正和负部分相同。
对于施加到输入16的电压，第二输入结构的作用基本上等于第一输入结构。晶体管33的作用基本上等于晶体管23，电流反射镜40的作用基本上等于电流反射镜29，以及电流反射镜35的作用基本上等于电流反射镜25。类似于第一输入结构的说明，如果端14上的输入电压在交流循环的正半部分，二极管连接的晶体管32将输入16钳制在Vbe电压，约0.7V，形成电流I11流过晶体管20，以及基本上相等的电流I12流过晶体管32，以及相应的电流I13流过晶体管39。
由于反射镜35的电流反射镜配置，电流I13感生基本上相等的电流I17流过晶体管34，至节点37，以及施加到晶体管47的发射极的基本上相等的电流I9。在晶体管49的发射极处的电流I9感生基本上相等的电流I8流过晶体管49。电流I8再次流过输出17，并流过电阻器61作为电流I5。
类似于第一输入结构，如果端14上的输入电压在交流循环的负部分，晶体管33以类似于晶体管23钳制输入15的方式将输入16钳制在小于返回12上的电压值的约0.3V的电压，从而感生电流I16流过晶体管33。电流I16施加到晶体管50的发射极，并由于电流反射镜45，使基本上相等的电流I4流过晶体管43。电流I4流过晶体管48，流过输出1 7，并流过电阻器61作为电流I5。从而，在循环的负部分期间，输出电压给出为V＝Vin*(R61/R20)。
R21和R20通常相等，从而输入电压的正和负部分形成输出端18上的整流信号的基本上相等的部分。
在通常运行中，电流I1和I11反射到节点37一起相加形成施加到晶体管49和50的发射极的差分电流I9。差分电流I9具有全波校正波形，其表示在端13和14上接收的输入电压。晶体管49和50、反射镜45和晶体管48一起用作整流器，其接收电流I9的正或负流动，并响应地形成正电流。反射镜45和晶体管49用于改变负电流的方向，以形成流出输出17的正电流作为电流I5。晶体管49和50的发射极的公共连接作为整流器的输入，以及晶体管48和49的集电极的公共连接作为整流器的输出。在节点37相加的电流的净值形成流至晶体管49和50的整流器的电流I9。如果电流I9流入整流器，晶体管49激活，并且电流I9流过晶体管49作为I8，流出输出17，并流过电阻器61作为电流I5。如果电流I9流出整流器，晶体管50激活，并且电流I9流过晶体管44和50，感生电流I4流过晶体管43，流过输出17，并流过电阻器61作为电流I5。
电路70也基本在施加到输入13和14的交流输入电压的零交叉上形成从一个激活态转变到另一个激活态的ZC信号。将来自参考53的参考电压(Vref)的值施加到晶体管49和50的基极并用于偏置晶体管49和50。选择参考电压(Vref)的值足够大以在激活区域偏置晶体管49和50并确保晶体管49和50不饱和。比较器54的非反相输入接收Vref。如果电流I9流入整流器，晶体管49被启动形成施加到比较器54的反相输入的第一检测电压。第一检测电压的值是Vref加上晶体管49的Vbe(Vref+Vbe49)。因为反相输入大于非反相输入，比较器54的输出低。如果电流I9流出整流器，晶体管50被启动以将第二检测电压施加到比较器54的反相输入。第二检测电压的值是Vref减去晶体管50的Vbe(Vref-Vbe50)。因为反相输入小于非反相输入，比较器54的输出高。当施加在输入15和16之间的输入信号到达基本上等于零交叉的值时，电流I9的值改变方向，以及比较器54的反相输入上的电压值在(Vref+Vbe49)和(Vref-Vbe50)之间摆动。这样，比较器54的输出对于施加在输入15和16之间的输入信号的每个零交叉快速转变。
为了促进该功能，输入15公共连接到晶体管23的发射极，晶体管22和28的基极以及晶体管22的集电极。晶体管22的发射极连接到返回12。晶体管28的发射极连接到返回12，以及晶体管28的集电极公共连接到节点37和晶体管27的集电极。晶体管27的发射极连接到晶体管24的发射极并连接到输入11。晶体管24的集电极公共连接到晶体管24的基极，晶体管27的基极以及晶体管23的集电极。输入16公共连接到晶体管39的基极，晶体管32的集电极和基极，以及晶体管33的发射极。晶体管32的发射极连接到返回12并连接到发射极晶体管39。晶体管39的集电极公共连接到晶体管34的基极，晶体管36的发射极，以及晶体管36的集电极。晶体管36的发射极连接到晶体管34的发射极并连接到输入11。晶体管34的集电极公共连接到节点37，比较器54的反相输入，以及晶体管33的集电极。晶体管33的基极公共连接到晶体管23的基极，二极管58的阳极，以及电流源57的第一端。电流源57的第二端公共连接到输入11，晶体管44的发射极，以及晶体管43的发射极。晶体管43的集电极连接到晶体管48的发射极。晶体管48的集电极公共连接到输出17以及晶体管49的集电极。晶体管48的基极公共连接到晶体管49的基极，比较器54的非反相输入，晶体管50的基极，以及参考53的输出。晶体管49的发射极公共连接到晶体管50的发射极和节点37。晶体管50的集电极公共连接到晶体管43的基极，晶体管44的基极，以及晶体管44的集电极。比较器54的输出连接到输出19。二极管58的阴极连接到返回12。电阻器61的第一端公共连接到输出17和输出端18，以及电阻器61的第二端连接到返回12。
图2示意性图示了在半导体冲模81上形成的半导体器件80的实施例的一部分的放大平面图。在冲模81上形成电路70。冲模81也包括为了图的简洁在图2中未示出的其它电路。在冲模81上通过本领域的技术人员公知的半导体制造技术形成电路70和器件80。通常，冲模81组装在半导体封装中，半导体封装具有用于输入15和16、输出17和19、输入11、以及返回12的端。
根据上述，很明显揭示了新颖的器件和方法。多个特征中的一个是形成在单电源下运行从而降低系统成本的电压感测电路。此外，电压感测电路不需要大量运算放大器，从而进一步降低成本。
尽管利用特定优选实施例描述了本发明，明显的是许多替换和变化对于半导体领域的技术人员是显而易见的。此外，术语“连接”为了说明简洁在整文中使用，但是，旨在具有与术语“耦合”相同的意思。因此，“连接”应该解释为包括直接连接或间接连接。
权利要求
1.一种电压感测电路，包括电压输入端；电压返回端；第一输入和第二输入，耦合以接收交流输入信号；第一电流反射镜，耦合到所述第一输入，以将所述交流输入信号转变为表示所述交流输入信号的第一电流；第二电流反射镜，耦合到所述第二输入，以将所述交流输入信号转变为表示所述交流输入信号的第二电流；求和节点，耦合以相加所述第一电流和所述第二电流，并形成第三电流；整流器，耦合以接收所述第三电流，并形成表示所述交流输入信号的整流电流；以及所述电压感测电路的输出，配置为将所述整流电流转变为表示所述交流输入信号的整流电压。
2.根据权利要求1的电压感测电路，其中所述第一电流反射镜包括第一晶体管，具有耦合到所述第一输入的第一电流承载电极和控制电极、以及耦合到所述电压返回端的第二电流承载电极；第二晶体管，具有耦合到所述第一晶体管的所述第二电流承载电极的第一电流承载电极、耦合到所述第一晶体管的所述控制电极的控制电极、以及第二电流承载电极；以及第三晶体管，具有耦合到所述第一输入的第一电流承载电极、控制电极、以及第二电流承载电极。
3.根据权利要求2的电压感测电路，还包括第四晶体管，具有耦合到所述求和节点并耦合到所述第二晶体管的所述第二电流承载电极的第一电流承载电极、控制电极、以及耦合到所述电压输入端的第二电流承载电极；以及第五晶体管，具有耦合到所述第四晶体管的所述第二电流承载电极的第一电流承载电极、控制电极、以及公共耦合到所述第四晶体管的所述控制电极并耦合到所述第三晶体管的所述第二电流承载电极的第二电流承载电极；所述第二电流反射镜包括第六晶体管，具有耦合到所述电压返回端的第一电流承载电极、连接到所述第二输入的基极和第二电流承载电极；第七晶体管，具有耦合到所述第六晶体管的所述第一电流承载电极的第一电流承载电极、耦合到所述第六晶体管的所述控制电极的控制电极、以及第二电流承载电极；第八晶体管，具有连接到所述第二输入的第一电流承载电极、耦合到第一电压参考的控制电极、以及耦合到所述求和电极的第二电流承载电极；第九晶体管，具有耦合到所述求和节点的第一电流承载电极，耦合到所述电压输入端的第二电流承载电极，以及控制电极；以及第十晶体管，具有耦合到所述电压输入端的第一电流承载电极，以及公共耦合到所述第十晶体管的控制电极、所述第九晶体管的控制电极以及所述第七晶体管的第二电流承载电极的第二电流承载电极。
4.一种形成电压感测电路的方法，包括配置第一输入以形成表示交流输入信号的第一电流；配置所述电压感测电路以将所述第一电流转变为表示所述第一电流的第二电流；配置第二输入以形成表示所述交流输入信号的第三电流；配置所述电压感测电路以将所述第三电流转变为表示所述第三电流的第四电流；以及配置所述电压感测电路以相加所述第二电流和所述第四电流作为第五电流，并耦合所述第五电流以便转变为具有表示所述交流输入信号值的值的整流输出电压。
5.根据权利要求4的方法，还包括配置所述电压感测电路以整流所述第五电流，以形成第六电流并耦合所述第六电流以便转变为所述整流输出电压。
6.根据权利要求4的方法，其中所述配置所述第一输入以形成表示交流输入信号的第一电流的步骤包括配置所述电压感测电路以将所述第一输入钳制在第一电压以形成所述第一电流，并将所述第二输入钳制在基本上与所述第一电压相同的第二电压。
7.根据权利要求4的方法，还包括配置所述电压感测电路以使用所述第五电流以形成表示所述交流输入信号的零交叉的零交叉信号，并还包括配置所述电压感测电路以对于所述第五电流的第一方向将所述第五电流转变为第一检测电压，并对于所述第五电流的与所述第一方向相反的第二方向将所述第五电流转变为第二检测电压，其中所述第二检测电压小于所述第一检测电压。
8.一种电压感测方法，包括将交流输入信号耦合到电压感测电路的第一输入和第二输入；将所述第一输入钳制在第一电压以将所述交流输入信号转变为第一电流；将所述第二输入钳制在第二电压以将所述交流输入信号转变为第二电流；相加所述第一电流和所述第二电流以形成表示所述交流输入信号的第三电流；将所述第三电流转变为表示所述交流输入信号的具有半正矢波形的第四电流；以及将所述第四电流转变为表示所述交流输入信号的半正矢电压。
9.根据权利要求8的方法，还包括使用所述第三电流以形成表示所述交流输入信号的零交叉的零交叉信号，并将所述第三电流的第一方向转变为第一检测电压并将所述第三电流的第二方向转变为小于所述第一检测电压的第二检测电压。
10.根据权利要求8的方法，还包括将所述第一输入钳制在第三电压以将所述交流输入信号转变为表示所述交流输入信号的第五电流，将所述第二输入钳制在第四电压以将所述交流输入信号转变为表示所述交流输入信号的第六电流，并相加所述第五电流和所述第六电流以形成所述第三电流。
全文摘要
在一个实施例中，电压感测电路接收交流输入信号，并形成表示所述交流输入信号的整流输出电压。
文档编号G05F3/26GK1847796SQ20061007536
公开日2006年10月18日 申请日期2006年4月10日 优先权日2005年4月14日
发明者彼德·卡达卡 申请人:半导体元件工业有限责任公司