专利名称：具有低谐波含量的低功率信号驱动器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及到数字电路，更确切地说是涉及到但不局限于具有低谐波含量的低功率信号驱动器。
相关技术的描述从电子元件的早期开始，尺寸就一直是元件设计中的一个重要因素。随着电子设备日益渗透到日常生活之中，元件的尺寸已经成为电子器件设计的一个关键方面。虽然公众要求更为紧凑的电子设备，但又不愿意放弃使电子设备尺寸增大的那些特色性能。实际上，对更紧凑的电子设备的需求只有借助于对这些器件中更多特色的需求才有竞争力。电子元件设计者于是不得不使电子设备小型化，同时将更多的特色和更多的元件集成到这些电子设备中。
没有哪一个领域中的小型化和集成比电路设计领域中的还更重要。有各种各样的理由认为能够使电路小型化并在这些电路中放置更多的元件是有益的。这种小型化和集成导致例如制造成本降低、器件总尺寸减小、以及在相同尺寸的器件中提供更多的特征。对于许多电器，特别是蜂窝电话，集成数字和模拟元件同样是有益的。但当与不断提高的小型化结合时，模拟和数字元件的集成导致电磁兼容性(EMC)问题。例如，在蜂窝电话中，高频模拟信号在数字电路附近被处理，确切地说是在诸如包括在信号驱动电路中的数字开关电路附近被处理。数字电路能够容易地中断高频模拟信号并产生明显的EMC问题。
目前，许多方法涉及到了数字和模拟元件集成引起的EMC问题，但都不能令人满意。特别不能令人满意的是有关半导体开关EMC的现有技术。开关电流通过诸如FET和MOS之类的开关产生谐波，这种谐波能够在附近的模拟电路中引起明显的电磁干扰(EMI)。
处置开关电流引起的EMI的现有技术集中到降低开关电流的水平，亦即，借助于设计诸如低功率信号驱动器之类的低功率电路。例如，平均开关电流的降低导致开关电流的谐波含量的绝对水平相应降低，从而降低EMI。而且，借助于降低开关电流和借助于设计低功率电路，数字信号的前沿速率被降低，从而进一步降低谐波含量。
除了通过设计低功率电路来处理EMC问题之外，电子设备设计者还提供了具有电磁屏蔽的敏感元件。这种屏蔽包括机箱、屏幕、或其它的通常导电的物体，它们明显地降低了起源于器件上屏蔽一侧的电磁场对屏蔽另一侧上的器件的影响。但低功率电路和屏蔽二者都有明显的缺点。首先，二种方法都不总是足以防止EMI。在其它情况下，这些方法的应用必须如此严格，以至于要综合考虑整个电路设计。电路可能变得太大、太慢和/或制造成本太高。低EMI数字CMOS电路的一种变通解决方法涉及到比常规类型更高的功耗。电路解决方法借助于诸如ECL的双极-逻辑类型，导致所谓电流-模式逻辑。这种逻辑电路即使在输入信号稳定时也承载明显的电流。于是，在这些系统中，降低EMI就导致与高功耗有关的非常不希望有的效果，例如电池枯竭、过度发热等。在诸如蜂窝电话之类的许多技术中，这一高功耗同EMI一样是无法接受的。
由于半导体开关被大量应用于现代电路中，故开关的性质，例如EMC和功耗，对于电路设计是重要的。关于功耗，低阈值开关当被关断时，倾向于漏电大于高阈值开关。从电源通过名义上关断的开关到地的漏电，导致静态功耗。本技术领域熟练人员应该理解的是，虽然开关110(
图1所示)被示为包括MOSFET，但这些MOSFET仅仅是具有图2所示性能的许多类型的半导体开关(JFET、MESFET等)中的一种。
现参照图1和2，开关电路100包括电源105、具有低阈值电压的场效应晶体管110(FET)、电容负载120、以及地130。还示出了输入140。输入140用来接收控制FET 110的输入电压，从而开通FET110。于是，当输入140处的电压等于或超过阈值电压时，FET 110就被开通，电流就能够从电源105流到地130。当输入140处的电压低于阈值电压时，FET 110被关断。理想地说，当FET 110被关断时，应该没有电流从电源105流到地130。但一般的关系是，当被关断时，阈值电压比较低的FET的漏电大于阈值电压比较高的FET的漏电。图2示出了依赖于施加到输入140的输入电压(上图)的电流I1(底图)和电流I1的对数(中图)。在时间t101，输入电压150低于阈值电平例如0V，FET 110被关断。此时，I1不为0，而是稍微大于0。此电流漏过FET 110。漏电量依赖于FET 110的具体参数。一般的关系仍然是阈值电压比较低的FET的漏电大于阈值电压比较高的FET的漏电。
仍然参照图2，在时间t102，输入140处的输入电压150等于FET110的阈值电压要求。于是，在时间t102，FET 110被开通。电流I1就上升到其设计输出电平。虽然按线性尺度(底图)看起来直至输入电压在时间t102处达到阈值电压(Vth)，电流I1不开始增大，但按对数尺度的电流曲线(中图)清楚地表明在任何电压电平下都有一些电流流动(漏出)。与外加电压有关的电流量取决于FET 110的阈值电压。重要的是，电流I1是栅电压的单调函数低于阈值时基本上为指数型，而高于阈值时为多项式型(指数在1-2之间)。
高阈值FET的漏电小于低阈值FET的，其中漏电流与阈值电压之间的一阶关系可表示为ILEAK＝exp(-(|VT|/(n*VTh)))其中，“VT”是阈值电压，“Vth”是热电压(室温下约为26mV)，而“n”一般取值1-2。于是，对于每降低100mV的阈值电压，漏电流可以增大到10倍。
虽然就防止不必要的功耗而言，高阈值FET是有优点的，但它们在其它方面也有缺点。例如，在相同的栅-源电压下，高阈值FET的驱动能力低于低阈值FET的。而且，高阈值FET的开关速度低于低阈值FET的。高阈值FET开通也不如低阈值FET平滑。而且，具有较低阈值电压的器件(具有为恒定驱动能力而被调整的器件宽度)比较高阈值的器件开通更平滑。由于开通更不平滑，故高阈值FET比低阈值FET产生更多麻烦的谐波和EMC问题。为了利用各种开关的有利性能，现有系统已经采用了使用低阈值与高阈值电路的组合的电路。在这些系统中，低阈值开关被用于主电路。这使得能够得到通常与低阈值开关有关的快速响应时间。高阈值开关被用来防止低阈值开关不工作时的不必要的漏电。如Shigematsu等人在论文”AI-VHigh-Speed MTCMOSCircuit Scheme for Power-Down Application Circuits”，IEEEJournal of Solid-State Circuits，vol.32，no.6，pp.861-869，June 1997所描述的那样，图3示出了这样一种用来限制功耗而不管谐波含量的系统。在图3中，示出了一种电路300，它包括电源电压线302、虚拟电源线305、虚拟地线310、以及地线350。本技术领域的熟练人员可以容易地理解，电路300不是驱动电路，而是一种逻辑型电路。当逻辑电路对负载的驱动强度不够时，就采用驱动电路。电路300中的开关不被用于这种方式。
电路300包括分别具有输入325和345的高阈值MOS 320和340。MOS 320被连接在电压线302与虚拟电压线305之间。同样，MOS 340被连接在地线350与虚拟地线310之间。当开通时，MOS 320连接虚拟电压线305与电压线302，且MOS 340连接虚拟地线310与地线350。电路300还包括连接在虚拟电压线305与虚拟地线310之间的低阈值MOS 330区。低阈值MOS 330区执行电路300的逻辑功能。
电路300通过使用低阈值MOS 330区，被用来获得高的开关速度，同时使低阈值MOS 330区处于待机状态时的漏电尽可能小。电路300输出的电流由静态(漏)电流和动态(开关)电流组成。输出的开关电流由实际工作的电路300引起，而漏电流为额外的消耗。别的都相等，当低阈值MOS 330区中的器件的阈值电压降低时，静态电流增大。
根据Shigematsu的论述，平均静态电流比平均动态电流更重要的逻辑区是候选的串联开关。这种区域的例子是在虚拟电源线305与310之间有许多通路，但其中仅仅少量通路同时承载开关电流的那些区域。倘若开关电流量被成比例地减小，则较小的区域也可以是候选区域(这种区域最可能备用)。为了使一个区域被候选，系统的整个设计也必须保证此区域在一定周期内为备用，以便当电源电压被开关诸如高阈值MOS 320和340断开时不引起故障。
组合高阈值和低阈值开关的现有系统被局限于仅仅有益于包含由高阈值开关控制以最大限度节省功率的低阈值开关区的逻辑电路。而且，组合高阈值和低阈值开关的现有系统完全不能解决开关电流引起的谐波问题。这些现有系统最后也不能恰当地解决用来驱动电容负载的信号驱动器中的功耗和EMC问题。
因此，需要一种一般应用的器件，其中降低了EMI，而不引起过大的功耗，不增加制造成本和/或降低器件性能。
发明的概述在一个实施方案中，借助于提供一种消耗最少量功率同时产生低的EMI的信号驱动器，本发明克服了现有技术的上述问题以及其它的缺点和不足。本发明提供了一种电子器件，它包括高阈值开关和连接到电容负载的低阈值开关。高阈值开关和低阈值开关包括包括FET和MOS等各种类型的半导体开关。此外，包括在本发明中的电容负载可以包括芯片上负载和芯片外负载二者。这种负载包括印刷电路板上的信号轨迹、芯片的输入等。
设想高阈值开关和低阈值开关被连接成使电容负载能够通过开关放电的方式。而且开关能够被安排成使低阈值开关被连接在地与高阈值开关之间。或者，开关能够被安排成使高阈值开关被连接在地与低阈值开关之间。本发明还能够包括第二低阈值开关和第二高阈值开关。在另一个实施方案中，本发明能够包括位于最接近开关的模拟电路。此模拟电路能够包括但不局限于蜂窝电话电路、遥测电路、以及光接收电路。
在工作中，本发明能够借助于首先开通高阈值开关而工作，从而使第一电流量能够流过高阈值和低阈值开关。接着，低阈值开关被开通，从而使第二电流量能够流过高阈值和低阈值开关。第一电流量一般等于低阈值开关的漏电流。
在再一个实施方案中，本发明是一种蜂窝电话，它能够包括高阈值开关、串联连接到高阈值开关的低阈值开关、以及连接到高阈值开关的电容负载。此蜂窝电话也能够包括连接到第二高阈值开关的第二低阈值开关。
附图的简要说明结合附图，参照下列详细描述和所附权利要求，可以更完全地理解本发明，在这些附图中图1(现有技术)示出了低阈值半导体开关；图2(现有技术)是时间图，示出了图1所示低阈值半导体开关输出的电流的变化；图3示出了现有逻辑电路，它组成了图1和2所示低阈值和高阈值半导体开关的组合；图4示出了组合有本发明信号驱动器的蜂窝电话；图5更详细地示出了图4所示信号驱动器的第一实施方案；图5a是时间图，示出了响应于图5所示信号驱动器中的半导体开关的转换的电流；图6更详细地示出了图4所示信号驱动器的第二实施方案；
图6a是时间图，示出了响应于图6所示信号驱动器的半导体开关的转换的电流，致使电容负载变小；而图6b是时间图，示出了响应于图6所示信号驱动器的半导体开关的转换的电流，致使电容负载变大。
发明的详细描述现参照附图，其中在图4-6a中，相似的参考号表示相似的部分，其中公开了根据本发明的示例性信号驱动器的两个实施方案。
虽然将参照各种数字电路结构来详细描述信号驱动器，但本领域技术人员能够容易地理解，这种信号驱动器能够被应用于任何电路，包括例如常常组合在蜂窝电话中的模拟与数字混合电路。
现参照图4，示出了具有数字电路430和模拟电路420的蜂窝电话400。信号驱动器440(下面要描述)被组合在数字电路430中，以便降低模拟电路420附近的EMI。信号驱动器440具有特别的结构(见图5和6)，它借助于尽量减小开关波形中的谐波含量而降低EMI。开关波形的谐波含量，因而也是EMI，受到包括在信号驱动器440中的各种半导体开关的预定阈值电压的影响。
如早先指出的那样，采用单个FET开关来连接负载与电源线或地线的任何驱动器，引起了功率与EMC要求之间的折中。如图1所示，低阈值FET会产生比较高阈值FET更小的EMC问题，但它也会产生可能无法接受的功耗水平，特别是由于提高了对便携式电池驱动电子装置的使用和设计要求。利用分别示于图5和6的信号驱动器500和600，能够得到较小的EMC和较低的功耗。
参照图5，示出了根据本发明的信号驱动器500的第一实施方案。信号驱动器500包括电源505、负载510、低阈值半导体开关515(FET515)、高阈值半导体525(FET 525)、以及地540，所有这些都被串联连接。FET 515和525分别受输入线520和530控制。应该理解的是，这些半导体开关可以是各种类型的半导体开关，包括例如FET、CMOS、以及MOS。
电容负载510可以是芯片外负载或芯片上负载。例如，电容负载510可以是封装件提供的负载、电路板上信号线提供的负载、诸如存储器芯片的其它芯片的输入提供的负载、等等。由于信号驱动器500比常规驱动器更复杂，故设想利用信号驱动器500作为对于诸如芯片外负载之类的大负载的驱动器将会得到最好的结果。
现参照图5a，说明了时间图，示出了电流I5对信号驱动器500的转换的响应。在时间t500，I5将为0，或非常接近0。在时间t501，输入530被电压560提高，高阈值FET 525被开通。对应于FET 525被开通，电流I5一般增大到漏过低阈值FET 515的电流量(例如，亚阈值电流)。可以用辅助上拉电路(未示出)来提供电流I5，或可以从电容性负载取出I5，在此情况下将开始缓慢放电。
接着，在时间t502，输入520被电压570提高，低阈值FET 515被开通。电流I5就能够自由流动。如本技术领域熟练人员可以理解的那样，低阈值FET 515和高阈值FET 525的连接顺序可以被改变而不改变电路500的工作。例如，低阈值FET 515可以被连接在地540侧，而高阈值FET 525可以被连接在电容负载510侧。
虽然图5所示电路500一般被用来对电容负载进行放电，但相似的电路也可以被用来对电容负载进行充电。实际上，图6所示的信号驱动器600被设计来根据本发明的原理对电容负载既进行充电又进行放电。
参照图6，示出了根据本发明的信号驱动器600的第二实施方案。信号驱动器600包括高阈值FET 610和640、低阈值FET 620和630、电源605、以及地660，所有这些都被串联连接。如早先指出的那样，FET 605、610、620、以及640可以是各种类型的半导体开关，包括例如FET、CMOS、MOS等。电容负载670被连接在低阈值FET620与630之间。电容负载670能够以最小的谐波含量被充电或放电，导致开关电流。被驱动的负载基本上是电容性的，但可以包括电阻性元件680。
参照图6a，说明了时间图，示出了电容负载670被放电时电流I6a的响应。输入615处的输入电压被示为电压685，输入625处被示为电压690，输入635处被示为695，而输入645处被示为699。在时间t600，输入615和625处的电压低。由于输入被反相，故高阈值FET 610(pFET)和低阈值FET 620(pFET)相应地被开通。同样在时间t600，电压695和699低。FET 630和640于是被关断。在时间t601，输入615和625分别被电压685和695抬高。FET 610和620于是被关断。应该理解的是，FET 610和620可以被同时或按某种预定顺序被关断。
在时间t602，借助于施加电压699，高阈值FET 640(nFET)被开通，电流I6a开始流动。电流量被限制为低阈值FET 630的漏电流。
在时间t603，借助于施加电压695，低阈值FET 630(nFET)被开通，电流I6a完全流动。虽然未示出，但本技术领域熟练人员可以理解，当电容性负载上的电荷衰减时，I6a将衰减。还可以理解的是，可归因于电容负载670放电的谐波含量将小于仅仅使用常规高阈值开关时的谐波含量。
参照图6b，说明了时间图，示出了当电容负载670充电时电流I6a的响应。输入电压685’、690’、695’、和699’被分别施加到FET 610、620、630、和640的输入线。假设FET 630和640已经处于开通状态一段时间且电容负载670已经被完全放电。
在时间t604，借助于分别施加电压695’和699’，FET 630和640被关断。虽然FET 630和640二者被示为同时关断，但也可以在不同的时间关断。
接着，在时间t605，借助于施加电压685’，高阈值FET 610被开通，电流I6b上升到低阈值FET 620的漏电流。
在时间t606，借助于用电压695’使输入625降低，低阈值FET 620被开通。电流I6b就上升到其设计水平，且电容负载被迅速充电。可以容易地理解的是，可归因于用电流I6b对电容负载670充电的谐波含量将小于仅仅使用常规高阈值开关时的谐波含量。
应该理解的是，存在着许多上面未示出的为器件栅产生波形的电路解决方法，且被技术领域的一般熟练人员能够容易地设计这种电路，其中的布局对本发明的工作不是特别重要。
还应该理解的是，串联器件的连接顺序(亦即，哪个器件要连接到地和哪个器件要连接到负载)对本发明并不重要。一个特性是对于转移的输出，高阈值器件被首先开通，接着开通低阈值器件。对于本技术领域的熟练人员，从简单的反相驱动器扩展到更复杂的组合门是显而易见的。最可能的这种扩展是其中更复杂的低阈值门与单个高阈值截止器件进行组合，虽然当被驱动信号常常不高时使用双重状态。在短时间转换工作的情况下，使所有的高阈值器件开通并使之保持一个短的时间(为使截止器件工作而有一定的功耗代价)可能是有意义的。
本技术领域的熟练人员从上面可以容易地理解，上述的本发明提供了一种用来降低EMI同时又节省功率的信号驱动器。此信号驱动器包括知识二个串联连接的半导体开关。二个开关中的一个具有低阈值，而另一个开关具有高阈值。为了使连接到二个开关之一的电容负载放电，高阈值开关被首先开通。接着，低阈值开关被开通。借助于以这种顺序开通二个开关，较小的谐波含量被引入到流过开关的电流中。而且，串联的二个开关防止了不必要的漏电。以一种一般相似的方式，所公开的本发明能够被用来对电容负载进行充电。
虽然在附图中已经示出了本发明的装置的优选实施方案，并在上述详细描述中进行了描述，但可以理解的是，本发明不局限于此处公开的各个实施方案，而是能够进行各种各样的重新安排、修正、以及替换，而不偏离下列权利要求所述和定义的本发明的构思。
权利要求
1.一种用来对负载进行放电的装置，此装置包含第一高阈值开关；以及与第一高阈值开关串联连接的第一低阈值开关；其中负载可连接到第一高阈值开关，此负载构造成在激活第一高阈值开关然后激活第一低阈值开关之后放电，以便降低整个电磁干扰。
2.权利要求1的装置，还包含连接到第一低阈值开关的地，此第一低阈值开关连接在地与第一高阈值开关中间。
3.权利要求1的装置，还包含位于最接近数字电路的模拟电路，此数字电路包括第一高阈值开关和第一低阈值开关。
4.权利要求3的装置，其中模拟电路包括蜂窝电话模拟电路。
5.权利要求3的装置，其中模拟电路包括遥测电路和光接收电路。
6.权利要求1的装置，还包含连接到负载的第二低阈值开关；以及连接到第二低阈值开关的第二高阈值开关，以便能够通过第二低阈值开关和第二高阈值开关对负载充电。
7.权利要求1的装置，其中负载包括芯片外电容负载。
8.权利要求1的装置，其中负载包括电路的输入负载。
9.权利要求3的装置，其中模拟电路和数字电路被组合在蜂窝电话中。
10.一种信号驱动器，它包含第一高阈值半导体开关；第一低阈值半导体开关；第二低阈值半导体开关；以及第二高阈值半导体开关；其中负载可以借助于开通彼此串联连接的第一高阈值半导体开关和第一低阈值半导体开关而被充电，且其中负载可以借助于开通彼此串联连接的第二高阈值半导体开关和第二低阈值半导体开关而被放电。
11.权利要求10的信号驱动器，其中负载包括芯片外电容负载。
12.权利要求11的信号驱动器，其中负载包括电路的输入负载。
13.权利要求10的信号驱动器，还包含位于最接近数字电路的模拟电路，此数字电路包括第一高阈值开关和第一低阈值开关。
14.权利要求13的信号驱动器，其中模拟电路包括蜂窝电话模拟电路。
15.一种信号驱动器的工作方法，此信号驱动器包括高阈值开关和低阈值开关，此方法包含下列步骤开通高阈值开关，使第一电流流过去激活的低阈值开关也流过高阈值开关；以及开通低阈值开关，使第二电流流过高阈值开关，所述第二电流的电流量不同于第一电流，其中高阈值开关和低阈值开关可进行工作以降低电磁干扰。
16.一种蜂窝电话，它包含模拟电路；以及位于最接近模拟电路的数字电路，此数字电路包括第一高阈值开关；与第一高阈值开关串联连接的第一低阈值开关；以及连接到第一高阈值开关的负载，此负载构造成在第一高阈值开关被激活然后第一低阈值开关被激活之后放电，以便降低影响所述模拟电路的干扰。
17.权利要求16的蜂窝电话，还包含连接到第一低阈值开关的地，此第一低阈值开关连接在地与第一高阈值开关中间。
18.权利要求16的蜂窝电话，还包含连接到负载的第二低阈值开关；以及连接到第二低阈值开关的第二高阈值开关，以便能够通过第二低阈值开关和第二高阈值开关充电。
19.权利要求16的装置，其中负载包括芯片外电容负载。
20.一种蜂窝电话，它包含第一高阈值开关；与第一高阈值开关串联连接的第一低阈值开关；以及连接到第一高阈值开关的电容负载，此电容负载构造成通过第一高阈值开关和第一低阈值开关放电。
全文摘要
一种用来降低开关电流中的谐波含量同时防止不必要的功耗的信号驱动器。此信号驱动器包括至少二个串联连接的半导体开关，二个开关中的一个具有低阈值，而另一个开关具有高阈值。为了使连接到二个开关之一的电容负载放电，高阈值开关被首先开通。接着，低阈值开关被开通。借助于以这种顺序接通二个开关，较少的谐波含量被引入到流过这些开关的电流中。串联的二个开关还防止了不必要的漏电。
文档编号H03K19/00GK1413383SQ00817696
公开日2003年4月23日 申请日期2000年12月15日 优先权日1999年12月22日
发明者L·斯文松 申请人:艾利森电话股份有限公司