用于放大器输出电压限制的技术的制作方法

该申请适用于限制放大器输出电流的技术，包括限制放大器的输出电流而不直接分流输出电流。

背景技术：

当检测到的电压范围与adc的输入电压范围匹配时，模数转换器(adc)和adc电路可提供最佳性能。不幸的是，可能发生异常，允许输入电压在输入电压范围之外进行偏移。可以使用可以钳位输入电压的驱动器放大器或缓冲器，然而，这种解决方案可能效率低并且可能破坏系统的其他特性，例如其他adc电路使用的参考电压源。

附图说明

在附图中，不一定按比例绘制，相同的附图标记可以描述不同视图中的类似组件。具有不同字母后缀的相同数字可表示类似组件的不同实例。附图通过示例而非限制的方式示出了本文件中讨论的各种实施例。

图1总体上示出了示例adc系统。该系统可包括放大器和adc。

图2总体上示出了用于限制放大器的输出电压而不直接从放大器的输出分流电流的示例放大器。

图3a和3b总体上示出了电压限制放大器的示例。

图4总体上示出了示例差分adc系统。

图5总体上示出了用于限制放大器的输出电压而不直接从放大器的输出端切断电流的示例放大器。

图6总体上示出了用于差分驱动器放大器的示例性高压钳位电路。

图7总体上示出了钳位adc驱动器放大器的输出而不直接干扰adc驱动器放大器的输出电流并且不中断放大器或adc的电源电压的方法。

具体实施方式

模数转换器(adc)是将模拟输入或信号承载的连续物理量转换为表示数量幅度(或承载该数字数字的数字信号)的数字数字或输出的电子设备。转换涉及模拟输入信号的量化，因此会引入少量误差。通常，量化通过模拟输入信号的周期性采样而发生。结果是一系列数字值(即数字信号)，它将连续时间和连续幅度的模拟输入信号转换成离散时间和离散幅度的数字信号。

adc通常由以下应用要求定义：其带宽(模拟信号的频率范围，它可以正确地转换为数字信号)，其分辨率(离散电平的数量，最大模拟信号可以分为和表示在数字信号)，以及它的信噪比“snr”比(adc可以准确测量相对于adc引入的噪声的信号)。模数转换器(adc)有许多不同的设计，可根据应用要求进行选择。

通常，adc感测的模拟信号可以由上游放大器提供。放大器可以提供增益，使得模拟信号的范围与adc的输入范围相称。即使在人们认为匹配良好的系统中，放大器也可以接收电源电压，该电源电压可以具有最小电源电压或最大电源电压，该电压电压在adc的输入范围之外。可能发生异常，使放大器能够提供靠近电源电压且在adc的可感测输入范围之外的输出电压。

在某些应用中，只要输入信号超出adc的输入范围，接收adc输入范围之外的输入电压就会导致adc输出无法提供精确的数字转换。在某些应用中，由于adc的恢复时间，当输入电压的偏移明显超出adc的可感测输入范围时，即使在输入信号电压恢复后，adc的输出也会保持一段时间不准确在adc的可感测输入范围内。通过在放大器的输出端提供或吸收电流来限制输出电流电压的传统尝试。这些技术可以使用大量功率，并且可以通过放大器输出电流的显着变化来破坏提供给其他放大器或adc的参考电压源。如果没有某种类型的输出电流限制，esd电路可能会损坏，或者需要物理上很大或有些复杂，这些特性会使许多潜在客户失望。

本发明人已经认识到放大器技术可以将放大器的输出限制在非常接近放大器的供电电压限制的电压限制下，例如电压限制非常接近接收放大器输出的adc的感测限制。在某些例子中，电压限制技术可以超越放大器的增益来完成电压限制功能，因此，放大器输出电流不受放大器电压限制功能的直接影响。

图1总体上示出了示例adc系统100。在某些例子中，系统100可包括放大器101和adc102。放大器101可以接收模拟信号103并将经处理的模拟信号104提供给adc102。adc102可以将处理后的模拟信号104转换为数字信号以进行数字处理。放大器101例如可以从各种源接收模拟信号103，包括但不限于工业传感器或医疗传感器。在某些例子中，放大器101可以具有允许放大器101向adc102提供放大的，缓冲的或衰减的模拟信号103版本的增益。在某些例子中，放大器101的输出电压范围可以从一个电源轨(v1)延伸到另一个电源轨(v2)。在某些例子中，放大器101具有一个或多个不同的输入，用于接收输出电压阈值(v钳位_h，v钳位_l)。在所示的示例中，输出电压阈值(v钳位_h,v钳位_l)对应于adc102的电源电压(v3,gnd)，然而，应当理解，在不脱离本主题的情况下，可以使用其他电压源来提供电压阈值(v钳位_h,v钳位_l)。在某些例子中，因为输入模拟信号103可以使处理后的信号104的电压经过电压阈值之一(v钳位_h,v钳位_l)，并且放大器101的钳位电路s可以将放大器101的输出电压钳位在电压或非常接近电压阈值没有下沉或直接与放大器101的输出提供电流。

图2总体上示出了用于限制放大器201的输出电压而不直接破坏放大器201的输出电流的示例放大器201。在某些例子中，放大器201可包括一个或多个放大器级211、212、213，和用于接收输入模拟信号(in)203的输入，用于提供经处理的模拟信号(out)204的输出，用于接收电压的一个或多个输入限制阈值(v钳位_h,v钳位_l)和一个或多个钳位电路，钳位放大器214、215或钳位比较器，用于将放大器201的输出电压限制在电压限制阈值处或附近(v钳位_h,v钳位_l)。通常，放大器级211、212、213和第一反馈路径可以将模拟输入信号203的电压乘以每级相应的增益，以提供经处理的模拟输出信号204。当经处理的模拟放置信号204的电压违反电压限制阈值之一(v钳位_h,v钳位_l)时，可以修改或调整第一放大器级211的输出电流或后续放大器级的输入电流，改变放大器201的总增益，使得处理的模拟输出信号204的电压被钳位在相应的电压限制阈值(v钳位_h,v钳位_l)处或附近。与钳位放大器输出电压的传统方法不同，上述技术不直接改变放大器的输出电流，而是可以改变放大器的增益，或者超越放大器级的增益。另外，如本文所讨论的放大器电压限制钳位技术可以使过压钳位事件期间的电流消耗最小化，与直接影响放大器的输出电流的传统钳位技术相比，这也可以减小钳位条件期间的功率耗散。

在图2的特定示例中，放大器201被配置用于单端模拟信号，并且包括三个跨导放大器级211、212、213和两个跨导电压钳位放大器214、215。在某些例子中，每个电压钳位放大器214、215可以是单向钳位放大器，使得如果放大器的输出不违反相应的钳位阈值或电压限制阈值(v钳位_h,v钳位_l)，则钳位放大器不提供输出。关于上部电压限制，当放大器的输出电压超过上限电压(v钳位_h)时，上部电压限制跨导放大器214可以将电流提供给第一放大器级211的输出或第二放大器级212的输入。源电流可以升高第二级212的非反相输入端的电压。第二级212的非反相输入端的上升电压可以驱动第三级213的反相输入端的电压。第三级213的反相输入端的上升电压可以驱动放大器201的输出电压，使得输出电压(out)保持在或接近上电压限制阈值(v钳位_h)。

以类似的方式，对于较低的电压限制，当放大器的输出电压超过较低的电压阈值(v钳位_l)时，较低的电压限制跨导器215可以从第一放大器级211的输出吸收电流或者第二放大器级212的输入。吸收电流可以降低第二级212的非反相输入端的电压。第二级212的非反相输入端的下降电压可以在第三级213的反相输入端驱动电压下降。第三级213的反相输入端的下降电压可以驱动放大器的输出电压(out)，使得输出电压(out)保持在或接近较低的电压限制阈值(v钳位_l)。

图3a和3b总体上示出了电压限制放大器314、315的示例。图3a大致示出了上部电压钳位放大器314的示例，而图3b大体上示出了低压钳位放大器315的示例。在某些例子中，每个电压钳位放大器314、315可包括电流源321和钳位电路322.钳位电路322可包括第一晶体管323和第二晶体管324。第一晶体管323可以是二极管连接的，可以接收电压限制阈值(v钳位_h、v钳位_l)，并且可以提供电平移位到第二晶体管324的阈值电压(vt)。第二晶体管324可以接收放大器的输出电压(out)的表示，并且当发射器变得大于或小于相应的电压限制阈值(v钳位_h、v钳位_l)时，可以提供钳位或误差电流(iout)。在某些例子中，放大器的所需电压限制可以是零偏移或与电压限制阈值(v钳位_h、v钳位_l)的非零偏移，并且二极管325可以向导通点提供额外的非零偏移电压，并且还可以保护324的基极-发射极结免受反向偏压击穿。

图4总体上示出了示例差分adc系统400。在某些例子中，系统400可包括差分adc402和差分放大器401。差分放大器401可包括用于待数字化的差分输入信号(vin)的输入，用于供电(v1,v2)的输入，用于提供或分配差分放大器401的经处理信号(vp)的差分输出，以及用于上限电压阈值(v钳位_h)和下限电压阈值(v钳位_l)。在某些例子中，上电压阈值和下电压阈值(v钳位_h、v钳位_l)可以直接从电源电压(v3,gnd)或adc402的参考电压导出或连接到电源电压。在某些例子中，放大器401可以使用上限和下限电压阈值(v钳位_h、v钳位_l)将差分放大器401的差分输出电压(vp)钳位到上限和下限电压阈值(v钳位_h、v钳位_l)之间的电压范围。在某些例子中，放大器402可以将放大器401的输出电压(vp)钳位在上和/或下电压阈值(v钳位_h、v钳位_l)的偏移内。在某些例子中，差分放大器401可以具有共模反馈回路，该回路可以被建模为单端放大器并且以与图1的单端放大器相同的方式被钳位。

在某些例子中，使用adc402的电源电压(v3,gnd)可以确保放大器401的输出信号(vp)能够跨越adc402的整个输入范围，从而提供可以充分利用分辨率的信号adc402的一部分。在某些adc中，即使受到有害电压的保护，如果允许adc的输入电压显着超过adc的可测量输入范围，adc可能需要大量时间来恢复并提供输入的精确数字表示，即使在adc的输入信号电压返回到adc的可测量范围内之后，也会发出信号。因此，使放大器钳位输出电压接近adc的可测量极限可以帮助确保一旦输入信号返回到adc的可测量范围内的值，adc就可以快速开始提供输入信号的精确数字表示。

图5总体上示出了用于限制放大器501的输出电压(vout)而不直接破坏放大器501的输出电流的示例放大器501。在某些例子中，放大器501可包括一个或多个放大器级511、512、513，以及用于接收输入模拟信号(vin)的输入，用于提供经处理的模拟信号(vout)的输出，用于接收电压限制阈值的一个或多个输入(v钳位_h、v钳位_l)和一个或多个钳位电路，钳位放大器514、515或钳位比较器，用于将放大器501的输出电压(vout)限制在电压限制阈值(v钳位_h、v钳位_l)处或附近。通常，放大器级511、512、513和第一反馈路径可以将模拟输入信号(vin)的电压乘以每级的相应增益，以提供经处理的模拟输出信号(vout)。当处理的模拟输出信号(vout)的电压违反电压限制阈值(v钳位_h、v钳位_l)之一时，可以调节第一放大器级511的输出电流以改变放大器501的总增益，使得经处理的模拟输出信号(vout)的电压被钳位在相应的电压限制阈值(v钳位_h、v钳位_l)处或附近。

图6总体上示出了用于差分驱动器放大器的示例性高压钳位电路614。高压钳位电路614可包括电流源621和多级电流镜622。电流镜622可以包括耦合到高电压阈值(v钳位_h)输入和电流参考621的感测晶体管623。多级电流镜622还包括镜像电路640，其包括被配置为接收的第一镜像晶体管641。来自放大器的差分输出的第一输出(out+)的电压和被配置为从放大器的差分输出的另一输出(out-)接收电压的第二镜像晶体管642。第一和第二镜像晶体管641、642中的每一个可以触发电流镜电路640的附加电流镜级中的电流。当差分输出电压(vout)超过高电压阈值(v钳位_h)时，感测晶体管623和相应的镜像电路640可以开始修改差分放大器的放大器级的差分输入处的电流，输出(hiz+，hiz-)高压钳位电路614，用于降低放大器的增益并将输出电压(vout)钳位在高电压阈值(v钳位_h)。在某些例子中，二极管625、626可以将放大器的一个或多个差分输出(out+，out-)与相应的第一或第二镜像晶体管641、642连接，以允许输出电压(vout)从高电压阈值(v钳位_h)钳位在偏置电压处。

图7总体上示出了钳位adc驱动器放大器的输出而不直接干扰adc驱动器放大器的输出电流并且不中断放大器或adc的电源电压的方法。在某些例子中，该方法可以钳位放大器的输出电压，而不会直接转移放大器输出端的电流。在701处，放大器可以接收用于驱动放大器输出的电源电压。在702处，放大器可以接收一个或多个钳位阈值。在某些例子中，钳位阈值可以是放大器的电源电压之间的电压。在某些例子中，高电压阈值可以比放大器的高电源电压小1伏或更高。在某些例子中，低电压阈值可以比放大器的低电源电压高1或更高。在703处，可以将放大器的输出电压作为放大器的输入电压的函数驱动到电压阈值。在704处，放大器的输出电压可以使输出电压钳位电路的电流镜能够修改到放大器的内部级的输入处的电流。在705处，可以通过将输出电压钳的电流输出施加到放大器的放大级的输入来修改放大器的增益，以将输出电压保持在或接近电压阈值，直到放大器的输入电压移动到允许放大器输出不违反电压阈值的值为止。

各种注释和例子

以上详细描述包括对附图的参考，附图形成详细描述的一部分。附图通过图示的方式示出了可以实施本发明的具体实施例。这些实施例在本文中也称为“示例”。这些示例可以包括除了所示出或描述的那些之外的元件。然而，本发明人还考虑了仅提供所示出或描述的那些元件的实例。此外，本发明人还考虑使用关于特定示例(或其一个或多个方面)或关于其他示例示出或描述的那些元件(或其一个或多个方面)的任何组合或置换的示例(或其一个或多个方面)在此示出或描述。

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