专利名称：双极型pnp斩波器的制作方法
技术领域：
本发明关于一种开关、一种斩波稳定放大器、一种比较器及一种用来调谐功率晶体管工作点的方法。更具体地说，本发明希望在一由双极型组件所构造的集成电路中调谐功率晶体管的工作点。
背景技术：
在大型无线电发射机中，使用几个合作高频功率晶体管，例如LDMOS(侧向扩散金属氧化物半导体)。需要一匹配程序以通过将发射功率分成在晶体管间相等使这些功率晶体管最佳地工作，并使发射机处于最佳线性。该匹配程序应补偿不同晶体管间的任何扩展。该匹配程序的一部分是调谐与设置合作高频功率晶体管的同一工作点。
使该匹配程序自动化是有益的。这可通过一电路来完成，该电路在MOS晶体管处测量漏极电流，或者如果晶体管是一个双极型晶体管，那么该电路测量集电极电流，同时在MOS晶体管处改变门极电压，或在双极型晶体管情况下改变基极电压，直到达到了合适的漏极电流或集电极电流。
在下面的描述中，将仅使用术语漏极和门极。然而，所属技术领域的技术人员显而易见，可取而代之地使用双极型晶体管，且在该情况下，术语漏极应该用术语集电极取代，且术语门极应该用术语基极取代。
漏极电流通常用一串联连接到漏极接线的电阻器来测量。有时，几个晶体管使用一个公共电阻器，在该情况下，开启一个晶体管，同时关闭其他晶体管。
最常见的实践是在匹配程序之后不存在使晶体管断开的机械继电器，其意味着在功率晶体管运行期间，也就是在发射机发射期间，电阻器将仍存在。然后，该电阻器将自发射中窃取功率，且因此使电阻器具有非常低的电阻显得重要。一般电阻值范围是自100mΩ至几mΩ。
然后，应以足够的精确度来测量该电阻器上由晶体管的功率无功电流所造成的电压降。即，应以足够的精确度来测量仅几个毫伏的电压降，需要的测量精度为毫伏的几分之一。
此外，电阻器(在其上应测量该小电压降)连接至可高达30伏特的馈电电压上。
集成电路中常用的差分放大器级具有几毫伏的偏移电压，且因此不能足够精确地用于该类型的电压测量。当然可设计一电路，但其将需要微调以达到所需精确度。这是一个缺点，因为人们将更喜欢可被大量生产且不会冒关于老化及温度依存性的问题风险的电路。
然而，斩波稳定放大器可满足这些要求。
如果需要整体的解决方法，即单一集成电路，且匹配功能的输出端应处于馈电电压的低侧，那么使用相对高的电压处理，即一允许具有高馈电电压的设计的处理。例如，其可能是一使用PNP晶体管的双极型处理。然而，大量问题与PNP晶体管相关联。
其中，需要克服的问题是PNP晶体管是非线性的、具有饱和电压、消耗基极电流及在逆模式下同样工作良好，也就是将发射极作为集电极或反之亦然。另外的问题是晶体管产生基底电流，并具有高的基极-集电极电容。
作为高电压双极型侧向PNP晶体管实施的晶体管限制于工作频率。这成了一个问题，因为在斩波稳定放大器中的后继滤波器将必须具有低的截频率，其又使得整个系统变慢，而且后继滤波器组件在芯片上占据相当大的区域。
在先前技术中，这些问题已限制了用于斩波器功能的PNP晶体管的使用。
发明内容
本发明的一个主要目的是提供至少减轻上述问题的装置与方法。
在这方面，本发明的一个特定目的是提供可测量开关中使用PNP晶体管的高电压双极型处理中的低电阻的电阻器上小电压降的装置与方法，该开关用于斩波稳定放大器中。
本发明的另一目的是提供使用一具有斩波稳定放大器的比较器的装置与方法，该斩波稳定放大器具有一在高电压处理中使用双极型PNP晶体管的开关，以用于将小电阻上的电压降与参考电压进行比较。
本发明的另一目的是提供可通过将电阻器上的电压降与参考电压进行比较并改变门极电压以使所测量的电压与参考电压匹配来自动调谐功率晶体管工作点的装置和方法，该电阻器具有一连接至该功率晶体管漏极的小电阻。
根据本发明的第一方面，通过一开关达到其中的这些目的，该开关具有一带有一第一输入线与一第二输入线及一输入级的输入端，该输入级包含第一、第二、第三及第四电流控制的PNP晶体管和第一、第二、第三及第四电阻器，且该开关被安排用于在输入端上接收恒定电压。该开关还包含一具有一第一输出线及一第二输出线的输出端，且其被安排用于在输出端上产生可变电压。
第一电阻器连接至第一输入线且还连接至第一晶体管的发射极，第二电阻器则连接至第一输入线且还连接至第二晶体管的发射极。第三电阻器连接至第二输入线且还连接至第三晶体管的发射极，第四电阻器则连接至第二输入线且还连接至第四晶体管的发射极。第一与第四晶体管的集电极连接至第二输出线，且第二与第三晶体管的集电极连接至第一输出线。
该开关还包含四个恒定电流源，其中第一、第二、第三及第四恒定电流源分别连接至第一、第二、第三及第四晶体管的基极，以使得该等晶体管饱和。该开关还包含四个交流电流源，其中第一、第二、第三和第四交流电流源分别连接至该第一、该第二、该第三及该第四晶体管的发射极，以使得晶体管交替地将电流从发射极导至集电极及自集电极导至发射极。
通过上面的安排，所得到的开关在具有合适特征的高电压处理中使用双极型PNP晶体管。
根据本发明第一方面的较佳实施例，开关包含用于交替地施加一第一工作模式与一第二工作模式以达到斩波器功能的控制器构件。
在第一工作模式中，控制器构件控制第二与第四交流电流源，以分别向该第二及该第四晶体管的发射极施加电流，以使得第二及第四晶体管逆向工作且为第一与第三晶体管的电流负载，且控制第一与第三交流电流源以使其不向第一与第三晶体管的发射极施加电流。
在第二工作模式中，控制器构件控制第一与第三交流电流源，以分别向第一与第三晶体管的发射极施加电流，以使得第一与第三晶体管相反地工作且为第二及第四晶体管的电流负载，且控制第二与第四交流电流源以使其不向第二及第四晶体管的发射极施加电流。
根据本发明第一方面的较佳实施例，开关是一集成电路，且第一、第二、第三及第四晶体管是具有一下沉到基础埋层的沉降保护环的侧向PNP晶体管。
从而，达到了低的饱和电压、小的漏电流及降低的寄生组件影响。
根据本发明的第二个方面，通过一用于放大电压的斩波稳定放大器达到其中上述目的，该放大器包含一用于接收将被放大的输入电压的输入端与一用于输出放大后电压的输出端，该放大器还包含一耦接至该输入端的输入开关、一AC(交流)放大器、及一耦接到输出端的输出开关以及一耦接至输入开关与输出开关的振荡器。
斩波稳定放大器中的输入开关是根据本发明第一方面的开关。
通过上面的安排，所达到的斩波稳定放大器在高电压处理中使用双极型PNP晶体管，适合于放大小电阻上的小电压。
根据本发明第二方面的较佳实施例，输出开关是根据本发明第一方面的开关。
根据本发明第二方面的较佳实施例，斩波稳定放大器包含一连接于该放大器的输出开关与输出端之间的低通滤波器。
从而，可滤掉源来自斩波稳定放大器的瞬态。
根据本发明的第三方面，通过一比较器达到其中上述目的，该比较器用于比较输入端上的电压，其中该比较器包含一根据本发明第二方面的斩波稳定放大器。
通过上述安排，所得到的一用于比较电压的比较器适合于比较电压，且其在高电压处理中使用双极型PNP晶体管。
根据本发明第三方面的较佳实施例，比较器包含用于产生参考电压的构件及用于将输入端到比较器上的电压与参考电压进行比较的构件。
从而，可将输入端上的电压与参考电压进行比较，且比较器中的放大器用于放大输入端上的电压与参考电压间的差。这样，可使放大器在接近于零电压水平工作，且容易检测到参考电压与输入端上的电压间的任何电压差。
根据本发明第三方面的较佳实施例，比较器包含用于将电流添加到第三与第四恒定电流源以在第三及第四电阻器上达到额外电压降以作为参考电压的构件，借此该斩波稳定放大器放大参考电压与输入端到比较器上的电压之间的电压差。
根据本发明的第四方面，通过一种用于调谐一具有漏极接线与一门极接线的功率晶体管工作点的方法来达到其中上述目的。该方法包含比较电阻器上电压的步骤，其中该电阻器具有已知电阻且串联到漏极接线。根据本发明第三方面的比较器执行比较。此外，可能通过许多步骤改变将门极接线上的电压改变至一第一电压值，对于该第一电压值，比较器指示电阻器上的电压等于参考电压，在如此调谐的功率晶体管的运行期间，将第一电压值用作门极电压。
通过改变门极电压，同时将串连到功率晶体管漏极的电阻器上的电压与参考电压进行比较，可调谐功率放大器的工作点。对于流过电阻器上的特定电流，利用电阻器电阻的知识，将参考电压选择成等于电阻器上的电压。该特定电流是用于所选择工作点的漏极电流。当门极电压已改变使得比较指示参考电压与电阻器上的电压没有差时，该门极电压是将在运行期间用于功率晶体管的所选择工作点的门极电压。
本发明另外的特征及其优势将由下述本发明实施例的详细描述而变得明显。
将自下文给定的本发明实施例的详细描述及附图1到6中更好地理解本发明，这些附图及描述仅通过说明而给出，且因而限限本发明。
图1是根据本发明较佳实施例的斩波稳定放大器的示意性方块图。
图2是根据本发明较佳实施例的图1斩波稳定放大器中开关级的示意性方块图。
图3是根据本发明较佳实施例的图1斩波稳定放大器中开关级的示意性电路图。
图4a和图4b是根据本发明较佳实施例为得到比较器而在斩波稳定放大器中实施参考电压的示意性方块图。
图5是根据本发明较佳实施例包含参考电压的开关级的示意性电路图。
图6是根据本发明较佳实施例包含参考电压的开关级的示意性电路图。
具体实施例方式
在下列描述中，为了解释而非限制起见，阐述了诸如特定技术与应用的特定细节，以提供本发明的完整理解。然而，所属技术领域的技术人员将显而易见，本发明可实践于不同于这些特定细节的其他实施例中。在其它实例中，省略了对于熟知方法及装置的详细描述，以便不会因为不必要的细节而模糊了对本发明的描述。
于图1中显示了一斩波稳定放大器的示意性方块图。一输入开关级103的输入端具有一第一输入线101和一第二输入线102并连接到一电阻器R上以用于测量该电阻器R上的电压。将在下文进一步描述输入开关级103。该输入开关级进一步连接到一用于放大信号的AC放大器104。自AC放大器，信号又在一输出开关级105中进行转换。输出开关级105可能与输入开关级103具有相同的设计，但是由于放大了的信号的较大信号电平而可使输出开关级105更简单。最后，一低通RC滤波器106滤掉来自信号的瞬态。一振荡器107连接到输入开关级103及输出开关级105并界定运行频率。由于同一振荡器107用于输入开关级103和输出开关级105，因而级103和105同步工作。
图1中的斩波稳定放大器以电阻R上的差分电压或者电压降V1工作。该电压降V1连接到输入开关103上，该开关交替地切换差分电压的极性，使得将具有V1及-V1振幅的交流电压V1馈送给AC放大器104。因此，被馈送给AC放大器的交流电压理想地具有零平均值。AC放大器104将交流电压V1放大到K*V1。将放大了的交流电压k*V1馈送给与输入开关103同步的输出开关级105，并在输出开关级105的输出端产生放大了的电压K*V1。该信号可能具有瞬态，因此一低通RC滤波器滤掉任何高频组分以产生放大了的恒电压V2＝K*V1。
于图2中显示了图1中输入开关的示意性方块图。一具有一第一输入线201和一第二输入线202的输入端如图1所示连接于电阻器R上。输入线201连接到一第一开关元件203和一第二开关元件204，第二输入线则连接到一第三开关元件205和一第四开关元件206。第一开关元件203和第四开关元件206进一步连接到一输出线207，第二开关元件204和第三开关元件205则进一步连接到一第二输出线208。一控制输入端209连接到第二开关元件204和第四开关元件206，并通过一反相器210连接到第一开关元件203和第三开关元件205。将控制输入端209安排为分别接通及断开四个开关元件。由于反相器210位于控制输入端209和第一及第三开关元件之间，因而当第二和第四开关元件接通时第一和第三开关元件将断开，反之亦然。
然后，如果一振荡器存在于控制输入端209处，那么输入端处所存在之电压将被在输出端处切成交替的正电压与负电压，从而产生频率由存在于控制输入端209处的频率所判定的交流电压。包含有第一输出线207和第二输出线208的输出端将如图1所示连接到AC放大器104以用于放大交流电压。
图3显示了实施图1中输入开关103的根据本发明较佳实施例包括有控制电路的电路图。
一包含一第一输入线301和一第二输入线302的输入端连接到图1中低电阻的电阻器R上，该低电阻的电阻器上的电压降应被测量。一包含一第一输出线303和一第二输出线304的输出端连接到放大器204。具有分别被表示为T1、T2、T3和T4的沉降保护环的第一、第二、第三和第四侧向PNP晶体管作为开关元件而运行。电路图中其余组件是控制组件。
电压V1是负馈电电压。第一输入线301和第二输入线302也是正馈电电压。这起作用，因为电路以如此低的电流工作，以致于由该电流于具有极低电阻的外部电阻器R中所导致的电压降可以被忽略。同时，该电压是控制四个开关晶体管所需的最高电压。
电压V2是用于晶体管T15和T16的偏压，该偏压使晶体管T15和T16作为电流发生器而运行。晶体管T15因一发射极电阻R5而产生极低电流。来自晶体管T15的电流被晶体管T5、T7、T9和T11分成四相等电流。来自晶体管T5、T7、T9和T11各自集电极的四电流连接到第一、第二、第三和第四开关晶体管T1、T2、T3和T4的基极。它们将因此在发射极到集电极有电压降时达到电压饱和，该电压降约为100mv或甚至更低。
来自晶体管T16的电流由连接到如图1所示振荡器107上的信号输入端305处的信号而决定通过晶体管T13或晶体管T14。
来自晶体管T13集电极的电流被晶体管T6和T10分成两相等电流并下拉第一晶体管T1和第三晶体管T3的发射极。相似地，来自晶体管T14的电流被晶体管T8和T12所分并下拉第二晶体管T2和第四晶体管T4的发射极。将电压V3选择成使得所有控制晶体管，即晶体管T5到T16线性地运行。电阻器R1、R2、R3和R4使下拉开关晶体管上的发射极成为可能。
发射极的下拉不必是大的，100mv或更低已经足以使开关晶体管逆向运行，也就是说，发射极作为集电极运行而集电极作为发射极运行。开关晶体管于是可以被认为是断开的。然而，一些小电流将向后通过开关晶体管。该电流将成为输出端处的小电流负载。该电流负载将被施加于未断开的晶体管上，使得该晶体管接收工作电流以使其可以足够快地运行。该电流很小而且产生小的电压降，因此，对于具有约为毫伏的几分之一总误差的电路，对匹配的要求不必那么大。
该电路因此通过当开关晶体管T2和T4作为电流负载运行时交替地接通开关晶体管T1和T3以及当开关晶体管T1和T3作为电流负载运行时交替地接通开关晶体管T2和T4进行运行。该电路因此克服了与使用PNP晶体管相关的问题。通过只利用电流控制晶体管且经由输入信号执行正馈电，所有DC控制问题消失了。通过在发射极接线上控制晶体管以及使基极电流恒定，所有AC控制问题消失了。由于开关晶体管T1到T4没有分别接通断开而相反一直导通，因而无论是在逆模式还是在正常模式中，没有关于(例如)瞬态的AC问题出现。
这样，通过侧向沉降保护环PNP晶体管执行切换，该等晶体管始终接通。通过交替地使晶体管处于正常模式或逆模式而完成切换。
参看图4a和图4b，一比较器401应具有一与电阻R上的测量电压相比较的参考电压402，以用于执行实际测量以及因此获得最好的精确度。然后，比较器401被安排以零电压差工作，并且从比较器401的读出将十分精确地指示测量电压是否与参考电压相等或是否不同。因此改变参考电压402以精确地测量电阻R上的电压。或者，在流经已知电阻的电流要被测量时，在功率晶体管中为了较佳漏极电流而设置基极电压的应用通常就是这样，通过改变功率晶体管上的基极电压，可能会改变流经电阻器的电流，直到电阻器R上的电压等于参考电压。
该实施的一切实可行的方式是产生经过一参考电阻器404的电流403以产生参考电压。这可在图3中的电路图中很容易地实施。
参看图5，相同功能部件(feature)已用如图3的相同参考数字表示。图5中实施例的斩波器功能的基本工作与用于结合图3所描述的实施例相同。附加功能性关于将作描述的参考电压的实施。
为了产生参考电压，已经添加了一晶体管T17和一晶体管T18。晶体管T17和T18分别向电阻器R3和R4中馈送电流，电阻R3和R4因此用作参考电阻器。由运算放大器501馈送电流的晶体管T19产生流向晶体管T18和T19的电流。晶体管T17和T18中的集电极电容器要求可能必须要向晶体管T1和T2添加匹配电路，以在足够高频率得到最佳匹配。
获得参考电压的替代方式是将电流添加在晶体管T10和T12的发射极上，如图6所示。为了能只向T10和T12馈送电流，晶体管T13已经被分成两个晶体管T20和T21以及T14已经被分成晶体管T22和T23。晶体管T24和T25向T10和T12的各自发射极馈送电流，并且运算放大器601又向晶体管T24和T25馈送电流。
显然，可能以复数种方式来改变本发明。例如，PNP晶体管可交换为达林顿晶体管，使得电路较少的依赖于基极电流。这些改变不应被认为是脱离本发明的范围。所有这些对于所属技术领域的技术人员而言是显而易见的修改将被包括在附加的权利要求范围中。
权利要求
1.一种具有一输入端和一输出端的开关，其中的输入端具有一第一输入线和一第二输入线和一输入级，其中该输入级包含第一、第二、第三和第四电流控制的PNP晶体管及第一、第二、第三和第四电阻器，该输出端包含一第一输出线和一第二输出线，且其中所述开关被安排以在所述输入端上接收一恒定电压并在所述输出端上产生一可变电压；其特征在于-所述第一电阻器连接到所述第一输入线并进一步连接到所述第一晶体管的发射极上；-所述第二电阻器连接到所述第一输入线并进一步连接到所述第二晶体管的发射极上；-所述第三电阻器连接到所述第二输入线并进一步连接到所述第三晶体管的发射极上；-所述第四电阻器连接到所述第二输入线并进一步连接到所述第四晶体管的发射极上；-所述第一和第四晶体管的集电极连接到所述第二输出线；-所述第二和第三晶体管的集电极连接到所述第一输出线；及-第一、第二、第三和第四恒定电流源分别连接到所述第一、第二、第三和第四晶体管的基极，使得所述晶体管是导通的；及-第一、第二、第三和第四交流电流源分别连接到所述第一、第二、第三和第四晶体管的发射极，使得所述晶体管交替地将电流从发射极导至集电极和从集电极导至发射极。
2.根据权利要求1所述的开关，其中所述开关包含控制器构件；-在一第一工作模式中，所述控制器构件被提供以控制所述第四和第八电流源以分别向所述第二和第四晶体管的发射极施加电流，使得所述第二和第四晶体管逆向工作而且为所述第一和第三晶体管的电流负载，以及所述第二和第六电流源被控制以不向所述第一和第三晶体管的发射极施加电流；-在一第二工作模式中，所述控制器构件被提供以控制所述第二和第六电流源以分别向所述第一和第三晶体管的发射极施加电流，使得所述第一和第三晶体管逆向工作而且为所述第二和第四晶体管的电流负载，以及所述第四和第八电流源被控制以不向所述第二和第四晶体管的发射极施加电流；及-所述控制器构件被提供以交替地应用所述第一和第二工作模式以获得一斩波器功能。
3.根据权利要求1至2中任一权利要求所述的开关，其中-在所述输入端处提供一输入信号以用作正馈电电压。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的开关，其中-所述开关为一集成电路，而且所述第一、第二、第三和第四晶体管为具有一下沉至基础埋层的沉降保护环的侧向PNP晶体管。
5.一种用于放大电压的斩波稳定放大器，其包含一用于接收待放大的输入电压的输入端以及一用于输出所述放大电压的输出端，所述放大器进一步包含一耦接于所述输入端的输入开关、一AC放大器以及一耦接于所述输出端的输出开关和一耦接于所述输入开关和所述输出开关的振荡器；其特征在于-所述输入开关是一根据权利要求1至4中任一权利要求所述的开关。
6.根据权利要求5所述的斩波稳定放大器，其中所述输出开关是一根据权利要求1至3中任一权利要求所述的开关。
7.根据权利要求5或6所述的斩波稳定放大器，其中一低通滤波器被连接于所述放大器的输出开关和输出端之间。
8.一种用于比较一输入端上电压的比较器，其特征在于-所述比较器包含一根据权利要求5至7中任一权利要求所述的斩波稳定放大器。
9.根据权利要求8所述的比较器，其包含-提供以产生一参考电压的构件；及-提供以将所述比较器的所述输入端上的所述电压与所述参考电压进行比较的构件。
10.根据权利要求9所述的比较器，其包含提供以向所述第三和第四电流源添加电流以在所述第三和第四电阻器上达到额外电压降以作为一参考电压的构件，借此所述斩波稳定放大器放大所述参考电压和所述比较器的所述输入端上的电压之间的电压差。
11.一种用于调谐一具有一漏极接线和一门极接线的MOS功率晶体管工作点的方法，其特征在于以下步骤-通过一根据权利要求8至10中任一权利要求所述的比较器来比较一具有已知电阻且串联于所述漏极接线的电阻器上的电压；-将所述门极接线上的电压改变到一第一电压值，对于该第一电压值，所述比较器指示所述电阻器上的电压等于所述参考电压；及-在如此调谐的MOS功率晶体管运行期间，将所述第一电压值用作门极电压。
12.一种用于调谐一具有一集电极接线和一基极接线的双极型功率晶体管工作点的方法，其特征在于以下步骤-通过一根据权利要求8至10中任一权利要求所述的比较器来比较一具有已知电阻且串联于所述集电极接线的电阻器上的电压；-将所述基极接线上的电压改变到一第一电压值，对于该第一电压值，所述比较器指示所述电阻器上的电压等于所述参考电压；-在如此调谐的双极型功率晶体管运行期间，将所述第一电压值用作基极电压。
全文摘要
本发明关于一种具有一输入端和一输出端的开关，其中的输入端具有一第一输入线和一第二输入线和一输入级，其中该输入级包含第一、第二、第三和第四电流控制的PNP晶体管及第一、第二、第三和第四电阻器；该输出端包含一第一输出线和一第二输出线；且所述开关被安排以在所述输入端上接收恒定电压并在所述输出端上产生可变电压。该开关还包含四个恒定电流源，其中该第一、第二、第三及第四恒定电流源分别被连接至第一、第二、第三及第四晶体管的基极，以使得所述晶体管饱和。该开关还包含四个交流电流源，其中该第一、第二、第三及第四交流电流源分别被连接至该第一、第二、第三及第四晶体管的发射极，以使得该等晶体管交替地将电流从发射极导至集电极及从集电极导至发射极。本发明还关于一种放大器、一种比较器及一种用来使用此一开关来调谐功率晶体管工作点的方法。
文档编号H03K17/62GK1592110SQ200410061748
公开日2005年3月9日 申请日期2004年6月30日 优先权日2003年6月30日
发明者B·伯格 申请人:因芬尼昂技术股份公司