具有可编程差分和共模增益的线性高电压驱动器的制作方法

本发明涉及驱动器电路，并且特别地涉及接收低电压差分输入并且生成具有可编程的差分和共模增益的高电压差分输出的驱动器电路。

背景技术：

存在很多系统应用，其中必须由输出相对较低的电压控制信号的控制电路利用相对较高的电压信号来驱动器件。例如，陀螺测试仪(即，陀螺仪和加速度计)器件可以利用具有在18-25v之间的相对较高的电压的驱动信号来被驱动。然而，用于控制器件操作的控制电路可能仅输出具有1-3v的相对较低的电压的控制信号。因此，需要驱动器电路来升高控制信号以提供驱动信号。重要的是，该驱动器电路呈现线性操作。

技术实现要素：

应当理解，以上一般描述和以下详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在提供对所要求保护的本发明的进一步说明。

在实施例中，一种电压驱动器电路包括低电压到高电压(lv2hv)转换电路，lv2hv转换电路具有被配置为接收输入信号的输入并且具有被配置为生成输出信号的输出。lv2hv转换电路包括：电压到电流转换电路，其被配置为将输入信号的电压转换成第一电流，其中第一电流的幅度取决于输入信号的所述电压和增益设置值；电流镜像电路，其被配置为镜像第一电流并且输出第二电流；以及电流到电压转换电路，其被配置为将第二电流转换成所述输出信号的电压。

附图说明

附图被包括以提供对本发明的进一步理解，并且被包含并且构成本说明书的一部分，示出了本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。

在附图中：

图1是驱动器电路的框图；

图2是图1的驱动器电路内的低电压到高电压(lv2hv)转换电路的示意图；以及

图3a至图3d示出了图1至图2的电路的操作波形。

具体实施方式

现在参考图1，图1示出了驱动器电路10的框图。驱动器电路10接收包括第一信号分量12p(例如，非反相(正)信号分量(indiff+))和第二信号分量12n(例如，反相(负)信号分量(indiff-))的差分输入信号(indiff)，并且生成包括第一信号分量14p(例如，非反相(正)信号分量(outdiff+))和第二信号分量14n(例如，反相(负)信号分量(outdiff-))的差分输出信号(outdiff)。在实施例中，差分输入信号(indiff)是具有0.2v至1.2v的电压范围的相对较低的电压信号，并且差分输出信号(outdiff)是具有约2v至例如5v、10v、15v和20v的可编程并且可选择的高电压电平的电压范围的相对较高的电压信号。因此，不仅有由驱动器电路10施加的差分增益，而且还施加有共模增益。

驱动器电路包括第一低电压到高电压(lv2hv)转换电路16p，其具有被耦合以接收差分输入信号(indiff)的第一信号分量12p的信号输入(vin)和被配置为提供差分输出信号(outdiff)的第一信号分量14p的信号输出(vout)。控制输入(sel<1:0>)耦合到数据总线20以接收数据信号，该数据信号指定在转换差分输入信号(indiff)的第一分量以生成差分输出信号(outdiff)的第一分量时要由lv2hv转换电路16p实现的可编程差分和共模增益。

驱动器电路包括第二lv2hv转换电路16n，其具有被耦合以接收差分输入信号(indiff)的第二信号分量12n的信号输入(vin)和被配置为提供差分输出信号(outdiff)的第二信号分量14n的信号输出(vout)。控制输入(sel<1:0>)耦合到数据总线20以接收数据信号，该数据信号指定在转换差分输入信号(indiff)的第二分量以生成差分输出信号(outdiff)的第二分量时要由lv2hv转换电路16n实现的可编程差分和共模增益。

数据总线20上的数据信号由增益控制电路22生成。在实施例中，数据总线20是允许选择四个不同的增益水平的两位总线。作为示例，这四个不同的增益水平可以对应于如上所述的5v、10v、15v和20v的可编程并且可选择的高电压电平。

现在参考图2，图2示出了lv2hv转换电路16的电路图。输入信号vin在运算放大器电路40的第一(例如，非反相)输入处被接收。运算放大器电路40从与用于输入信号vin的电源相对应的低电压电源(vlow)被供电(例如，在1.2v的电压处)。运算放大器电路40的输出耦合到n沟道晶体管42的栅极端子。晶体管42的源极端子在反馈路径44中耦合到运算放大器电路40的第二(例如，反相)输入。电容器46具有耦合到晶体管42的源极节点的第一端子和耦合到接地参考节点的第二端子。电容器46用于平滑运算放大器40的反相输入处的电压。数字地受控的可变电阻电路48也耦合在节点50处的晶体管42的源极节点与接地参考节点之间。数字地受控的可变电阻电路48在晶体管42的源极节点与接地参考节点之间呈现具有可变电阻的电阻器，可变电阻具有由在数据总线20上接收的数据信号选择的多个离散电阻值。运算放大器电路40、晶体管42、反馈路径44和可变电阻电路48相应地形成用于将输入信号vin的电压转换成相应的电流i1的电压到电流转换电路50。电流i1是具有取决于输入信号vin的电压和可变电阻电路48的所选择的离散电阻的幅度的可变电流。

n沟道晶体管60具有与晶体管42的源极-漏极路径串联耦合的源极-漏极路径。晶体管60的栅极端子被耦合以接收控制信号c1。晶体管60是被设置用于保护电压到电流转换电路50的低电压晶体管器件的高电压开关晶体管。晶体管60响应于信号c1的确立而导通。

lv2hv转换电路16还包括电流到高电压转换电路70。电路70包括共源共栅(cascode)电流镜像电路72，其具有被耦合以接收电流i1的输入支路和被配置为生成电流i2＝m*i1的输出支路，其中m是由电流镜像电路提供的电流倍增。共源共栅电流镜像电路72的输入支路由具有彼此串联耦合的源极-漏极路径的第一(共源共栅)p沟道晶体管74和第二p沟道晶体管76形成。晶体管76的源极耦合到高电压电源(vhigh)，并且晶体管74的漏极耦合到晶体管60的漏极。由高电压电源提供的电压可以例如为30v，并且可以使用电荷泵电路来获得。提供电流i2的共源共栅电流镜像电路72的输出支路由具有彼此串联耦合的源极-漏极路径的第三(共源共栅)p沟道晶体管78和第四p沟道晶体管80形成。晶体管80的源极耦合到高电压电源(vhigh)，并且晶体管78的漏极耦合到节点86。晶体管74和78的栅极端子彼此连接并且接收由偏置电压发生器电路(未示出)生成的偏置电压bv1。晶体管76和80的栅极端子彼此连接并且进一步连接到晶体管74的漏极端子。

电流i2被施加在电阻器84的两端以在节点86处产生电压。电阻器84具有耦合到节点86的第一端子和耦合到n沟道晶体管88的漏极的第二端子。晶体管88的源极耦合到接地参考节点，并且晶体管88的栅极端子被耦合以接收控制信号c2。晶体管88是下拉式高电压晶体管开关。晶体管88响应于信号c2的确立而被驱动以允许电流i2传递到接地以在节点86处产生电压。

电容器92具有耦合到节点86的第一板和耦合到接地参考节点的第二板。电容器92用于平滑节点86处的电压。

p沟道晶体管96具有耦合到输出节点98的源极和耦合到节点86的栅极端子。晶体管96被配置为作为源极跟随器而操作，并且因此输出节点98处的电压将跟随在节点86处跨电阻器84产生的电压(其中节点86处的电压是电压vin的升高版本)。

电流源102从高电源电压(vhigh)被提供以将偏置电流源送到晶体管96的源极。为了保持源极跟随器晶体管96的偏置，电流源102还可以包括反馈回路124(一般地由虚线电路路径表示)，反馈回路124的输入耦合到晶体管96的漏极并且输出被耦合以控制电流源102的操作。反馈回路用于确保电流平衡，使得通过晶体管126的电流i3等于由电流源102提供的电流i4和由电流源128提供的电流i5之和。反馈环路的提供是有益的，因为它既向输出源极跟随器晶体管96提供偏置，并且还减少了电源抑制。晶体管126具有在节点100处耦合到晶体管96的漏极的漏极端子、耦合到接地参考节点的源极端子、和通过由偏置电压发生器电路(未示出)生成的偏置电压bv2被偏置的栅极端子。

晶体管96的漏极还在节点100处耦合到电阻器108的第一端子。电阻器108的第二端子耦合到节点110。电容器112具有耦合到节点110的第一端子和耦合到接地参考节点的第二端子。电阻器108和电容器112形成rc补偿电路。

晶体管96的漏极还耦合到n沟道晶体管114的栅极端子。晶体管114的源极耦合到接地参考节点。n沟道晶体管118的源极-漏极路径与晶体管114的源极-漏极路径串联耦合。晶体管118的漏极还耦合到输出节点98。晶体管118的栅极端子被耦合以接收控制信号c3。晶体管118用作相对于节点98处的输出形成另外的反馈回路的晶体管开关。该另外的反馈回路是通过由电阻器108和电容器112提供的rc补偿来被稳定的分流调节回路，其防止在晶体管96的漏极处的电压的不期望的移动。晶体管118将高电压器件与低电压器件分离。晶体管118响应于控制信号c3的确立被驱动。

一对齐纳二极管120和122串联耦合，它们的阳极在节点86与节点98之间背靠背连接。这些二极管针对源极跟随器晶体管96提供栅极到源极电压保护。

图3a至图3d示出了图1至图2的电路的操作波形。图3a至图3b分别示出了差分输入信号(indiff)的第一(非反相(正))信号分量12p和第二(反相(负))信号分量12n。这里，差分输入信号(indiff)的电压范围为0.2v至1.2v，其中共模电压vcm大约等于0.7v。具有正弦波形形状的差分输入信号分量的图示仅作为示例，应当理解，差分输入信号(indiff)可以具有任何期望的模拟信号波形以用于驱动被耦合以接收差分输出信号(outdiff)的器件。这样的其他模拟信号波形的示例包括但不限于步进、斜坡三角形、锯齿波和指数。差分输入信号(indiff)可以由模拟电路生成，或者可以由数模转换器(未示出)从数字源信号转换成模拟来生成。图3c至图3d分别示出了差分输出信号(outdiff)相对于通过经由数据总线20施加到控制输入(sel<1:0>)的数据信号而选择的四个不同的增益设置(g1至g4)的第一(非反相(正))信号分量14p和第二(反相(负))信号分量14n。差分输出信号(outdiff)可以具有2v至20v的电压范围，其中相应的共模电压为vcm1至vcm4。更一般地，输出电压由下式给出：

其中：rv是可变电阻电路48的电阻；m是由电流镜像电路72提供的电流倍增；以及rout是电阻器84的电阻。rv和rout的变化抵消到第一程度。输出电压因此与输入电压vin乘以设定的增益g直接成比例，其中：

在图2的电路中，晶体管60、74、78、88、96和118以及电流源102的晶体管是高电压晶体管器件，其中高电压工作电流在几微安数量级上。因此，来自高电压(电荷泵)源vhigh的相对较小的输出电流直接转换成相对较小的占用电路面积。

对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变化。因此，本发明旨在覆盖本发明的修改和变化，只要它们在所附权利要求及其等同物的范围内。