专利名称：模拟二极管的电路的制作方法
技术领域：
该发明涉及一种在一个方向导电而在相反方向阻断电流的方面象二极管一样工作的电路。更特别地，发明涉及一种没有实际二极管缺点地模拟二极管的电路。
背景技术：
传统p-n结二极管和肖特基势垒二极管与正向电压门限关联。更特别地，理想二极管总是在一个方向没有功耗地导电，而在反向阻断电流。但是，实际的(真正的)二极管仅在达到一定门限电压以后才正向导电。此外，由于实际二极管的内阻，附加压降依赖于内阻和电流值而发生。门限电压与内阻造成的压降的和称为二极管的正向压降(Vf)。
在具有高正向电流的电路中，象冗余电源中的电源整流器和OR-ing二极管，功耗能够非常高，并且对电路的效率有极大的影响。因此，需要一种模拟二极管功能的电路，因为它在一个方向导电并在相反方向阻断电流，但具有低正向压降Vf以便降低电路中的功耗。在冗余电源系统中的OR-ing二极管中，二极管必须快速截止以免一个电源发生故障时的短暂反向电流尖峰。但是，不需要该二极管非常快速地导通。需要一种在其它应用中使用的，例如在开关电源中作为整流器使用的，模拟与截止一样快地即以高达几百千赫速度导通的二极管的电路。
在1983年11月22日发表的美国专利号4,417,164中，Edlund公开了一种单向机械阀的电气模型。Edlund写到，在该模型中使用的实际二极管的特性具有和理想二极管不同的严重缺点，例如当它导电时二极管两端压降的存在。进一步，实际二极管直到正极和负极之间的压差达到约0.5伏的导通电压时才开始导电。而且，二极管不是立即从不导通变为导通状态，而是具有部分取决于二极管两端电压变化速度的有限开关速度。二极管受正极和负极之间的结电容的不利影响。因此，Edlund公开了一种图1A所示的电路，包括所示漏极和源极端分别连接输入和输出端A和K的场效应晶体管(n沟道增强MOSFET)1。电压比较器2具有所示分别连接MOSFET1的漏极和源极端的正输入3和负输入4。比较器输出5连接到MOSFET1的栅极。电压比较器的电源浮动，从而装置不受电气系统剩余部分的影响。
已知在n沟道装置中，漏极电流的常规流动是正向的——即在正栅极-源极电压下电流从漏极流向源极。典型地，漏极连接比源极更高的电压。此外，已知n沟道装置具有与其关联的整体反向整流器。该本征二极管是装置的组成部分而不是分离的电气组成。在n沟道装置中，本征二极管有效地具有连接到源极的正极和连接到漏极的负极。
本发明专利的申请人提供图1B来分析图1A现有技术电路的实际工作，并示出了具有其正极连接源极和其负极连接漏极的本征二极管1a的n沟道增强MOSFET1。本征二极管1a被具有MOSFET标记的圆圈起，表示本征二极管1a是MOSFET1的一部分，而不是分离的电气组成。
图1A中的Edlund电路的理论工作如下当漏极上给予比源极高的电压时，电压比较器2的输出5升高并输入给MOSFET1的栅极。因此，MOSFET1被控制从高电压端A向低电压端K导电。另一方面，理论上，在工作期间，当端K被给予比端A高的电压时，电压比较器2的输出5降低并输入给MOSFET1的栅极，以便控制MOSFET停止导电。理论上，当端A为比端K高的电压时，MOSFET1将从端A向端K导电。此外，理论上，在工作中，当端K为比端A高的电压时，MOSFET1不会从端K向端A导电。因此，理论上，Edlund的电路模拟了二极管的动作。
但是，在实际中，本发明专利的申请人已经认识到现有技术中的问题当Edlund的电路实际使用实际MOSFET1构成时，它失败了。图1B被提供来分析图1A的现有技术电路的实际工作。更详细地，当端A的电压比端K的电压高时，电压比较器2的输出5升高并输入给MOSFET1的栅极。栅极控制MOSFET从端A向端K导电。另一方面，当端K的电压比端A的电压高时，电压比较器2提供输入给MOSFET1栅极的低输出电压5，以便控制MOSFET1停止导电并阻断端K向端A的电流。由于MOSFET1的整体反向本征二极管的原因，在实际中，MOSFET1实际上从端K的高电压向端A的低电压导电。因此，图1A所示的Edlund电路没有实际工作从而模拟二极管的功能，因为它没有考虑本发明专利申请人认识到的MOSFET1本征二极管1a的影响。
因此，仍然需要一种象二极管一样运行的电路，它在一个方向导电而在反向阻断电流，但是具有低正向压降。还需要一种象二极管一样运行的电路，它在一个方向导电而在反向阻断电流，并且降低功耗。进一步需要一种象二极管一样运行的高速导通和截止的电路。
发明内容
发明的目的是提供一种象传统二极管一样运行的电路，它在一个方向导电而在反向阻断电流。
发明的另一个目的是提供一种模拟二极管功能的具有低正向压降的电路。
发明的又一个目的是提供一种象二极管一样运行但减少传统二极管正向压降门限电压的电路。
发明的再一个目的是提供一种象二极管一样运行的检测电路是否发生故障的电路。
此外，发明的目的是提供一种象二极管一样运行的提供故障指示的电路。
发明的另一个目的是提供一种在一个方向导电而在反向阻断电流的没有门限电压的电路。
发明的另外的目的是提供一种在一个方向导电而在反向阻断电流的降低功耗的电路。
发明的再一个目的是提供一种象二极管一样运行的快速导通和截止的电路。
发明的又一个目的是提供一种象二极管一样运行的以高达几百千赫的速度导通和截止的电路。
发明的另一个目的是提供一种象二极管一样运行的在开关电源中作为整流器使用的电路。
发明的这些和其它目的通过提供改进三端开关的开关性能的电路和改变所述内部电容充电状态的电流放大装置来实现，其中电路包括三端开关，具有电子源极、电子漏极和控制端，具有控制端和电子源极之间的内部电容。
在优选实施例中，提供包括晶体管的电流放大装置。
在另一个优选例中，提供一种具有两个端A和K的电路，它在端A到端K的一个方向导电而在端K到端A的反向阻断电流，包括具有正输入、负输入和输出的电压比较器；和三端装置，通过电子源极、电子漏极和由所述电压比较器输出的电压控制的控制端来开关电流；三端开关装置具有与其关联的控制端和电子源极之间的内部电容；并且其中电压比较器排除内部电容引起的对开关装置开关时间的影响。
发明进一步设想一种电压比较器，包括排除内部电容引起的对开关装置开关时间的影响的电流放大装置。此外，发明使用包括晶体管的电流放大装置。
还公开了一种在端A到端K的一个方向导电而在端K到端A的第二方向阻断电流的方法，包括(a)比较比较器正输入的电压信号和比较器负输入的电压信号来获得输出电压；(b)连接端A和端K之间的三端开关，其中三端开关具有与其关联的内部电容、与其关联的本征二极管，和电子源极、电子漏极和控制端；(c)连接输出电压和三端开关的控制端；(d)连接本征二极管的有效正极和端A；(e)连接本征二极管的有效负极和端K；和(f)通过连接三端开关的源极和比较器的正输入，并连接三端开关的漏极和比较器的负输入，向比较器输入电压信号。
发明的上述和其它目的、方面、特征和优点将通过结合相应附图和所附权利要求的优选实施例描述而更易于清晰明显。
本发明通过示例而不是限制的方式在附图中进行说明，其中相同的参考标号表示相同或相应的部分，其中图1A是按照现有技术使用二极管模拟的单向机械装置的电气模型；图1B是示出用于图1A电路的分析的和MOSFET关联的本征二极管的图；图2是使用n沟道增强MOSFET按照本发明模拟二极管的电路；图3是使用p沟道增强MOSFET按照发明另一个实施例模拟二极管的电路；图4是按照发明另一个实施例加入故障检测装置和故障指示器的图1的电路；图5A是按照发明另一个实施例使用npn双极性晶体管模拟二极管功能的电路；图5B是按照发明另一个实施例使用pnp双极性晶体管模拟二极管功能的电路；图6是按照发明另一个实施例加入故障检测装置和故障指示器的图5A的电路；
图7是按照发明另一个实施例修改为使用可选电压比较器的图2的电路；图8是按照发明又一个实施例修改为使用另一种可选电压比较器的图2的电路；图9是类似图7并示出具有本征内部电容的MOSFET的本发明电路；和图10是类似图9并示出用于MOSFET内部电容的充电晶体管的本发明电路。
具体实施例方式
参考图2，根据发明的第一实施例示出一种象二极管一样运行的电路，因为它在端A到端K的一个方向导电而在端K到端A的反向阻断电流，但具有低正向压降。在端A到端K的一个方向导电而在端K到端A的反向阻断电流的电路包括用电子源极S、电子漏极D和控制端G开关电流的三端开关装置10。此外，三端开关装置10具有与其关联的内部电容，和与其关联的源极和漏极之间的本征二极管。本征二极管11由具有MOSFET标记的圆圈起而示出，表示本征二极管是三端开关装置10的一部分，而不是分离的电气组成。开关装置10连接在端A和K之间。
图2的电路进一步包括具有正输入13、负输入14和输出15的电压比较器12。输出15和三端开关装置10的控制端G连接。三端开关装置的源极S和电压比较器12的正输入13连接，而三端开关装置10的漏极D和电压比较器12的负输入14连接。本征二极管11具有与端A连接的有效正极和与端K连接的有效负极。因此，在工作中，本征二极管11增强端A到端K的导通并阻断端K到端A的电流导通。三端开关装置的内部二极管11用于增强整个电路在端A到端K的一个方向导电而在反向阻断电流的功能。因此，三端开关装置10内部的本征二极管11作为增强整个电路工作的电路元件使用，而没有如图1A的Edlund现有技术电路降低电路工作的不利的开关副作用。
在图2中，三端开关装置是n沟道增强型MOSFET。因此，本征二极管11具有与源极连接的有效正极和与漏极连接的有效负极。如前所述，源极和端A连接而漏极和端K连接。此外，源极和电压比较器12的正输入13连接，而漏极和电压比较器12的负输入14连接。
在工作中，使用实际n沟道增强MOSFET，图2的电路如下运行当端A电压比端K高时，电压比较器12的输出15升高，打开MOSFET10，从源极的高电压向漏极的低电压导电。因此，电流从端A流向端K。n沟道增强MOSFET将从源极向漏极导电，即使典型地，n沟道增强MOSFET在电路中用于从漏极向源极导电。
但是，当和端A的电压比较，端K电压更高时，电压比较器12的输出15降低并输入给MOSFET10的栅极，断开端K到端A的电流。本征二极管11通过阻断端K到端A的电流帮助MOSFET的工作，因为本征二极管11的负极连接端K而本征二极管11的正极连接端A。因此，图2的电路象二极管一样运行，因为它从端A向端K导电而从端K向端A阻断电流。MOSFET10的本征二极管11增强整个电路的工作，而不是如在图1A的Edlund现有技术电路中损害电路的工作。此外，实际二极管的门限电压被消除，而且正向压降低于传统二极管，并且取决于和三端开关装置10关联的内阻和经过三端开关装置10的电流的值。
图2的电路可以修改为使用n沟道耗尽MOSFET，而不是所说明的n沟道增强MOSFET10。电路的工作基本相同。
图3是使用p沟道增强型MOSFET而不是图2的n沟道增强型MOSFET的发明第二实施例。
图3的电路包括具有正输入23、负输入24和输出25的电压比较器22。输出25和三端开关装置20的控制端G连接。三端开关装置的源极S和电压比较器22的正输入23连接，而三端开关装置20的漏极D和电压比较器22的负输入24连接。开关装置20的本征二极管21具有与端A连接的有效正极和与端K连接的有效负极。因此，在工作中，本征二极管21增强端A到端K的导通并阻断端K到端A的电流导通。三端开关装置20的内部二极管21用于增强整个电路在端A到端K的一个方向导电而在反向阻断电流的功能。因此，三端开关装置20内部的本征二极管21作为增强整个电路工作的电路元件使用，而没有如图1A的Edlund现有技术电路降低电路工作的不利的开关副作用。
在图3中，三端开关装置20是p沟道增强型MOSFET。因此，本征二极管21具有与漏极连接的有效正极和与源极连接的有效负极。漏极和端A连接而源极和端K连接。此外，源极和电压比较器22的正输入23连接，而漏极和电压比较器22的负输入24连接。
在工作中，使用实际p沟道增强MOSFET，图3的电路如下运行当端A电压比端K高时，电压比较器22的输出25降低，打开MOSFET20，从漏极的高电压向源极的低电压导电。因此，电流从端A流向端K。p沟道增强MOSFET将从漏极向源极导电，即使典型地，p沟道增强MOSFET在电路中用于从源极向漏极导电。
但是，当和端A的电压比较，端K电压更高时，电压比较器22的输出25升高并输入给MOSFET20的控制端G，断开端K到端A的电流。本征二极管21通过阻断端K到端A的电流帮助MOSFET20的工作，因为本征二极管21的负极连接端K而本征二极管21的正极连接端A。因此，图3的电路象二极管一样运行，因为它从端A向端K导电而从端K向端A阻断电流。MOSFET20的本征二极管21增强图3的整个电路的工作，而不是如在图1A的Edlund现有技术电路中损害电路的工作。此外，实际二极管的门限电压被消除，而且正向压降低于传统二极管，并且取决于和三端开关装置20关联的内阻和经过三端开关装置20的电流的值。图3的电路可以修改为使用p沟道耗尽MOSFET，而不是所说明的p沟道增强MOSFET20。电路的工作基本相同。
在图3中，p沟道MOSFET20再次分别连接端A和K与比较器24的正和负输入22和23，从而本征二极管21被利用来增强图3电路的工作，而不是作为损害电路工作的不利副作用工作。
图4示出了发明的另一个实施例，其中采用n沟道增强MOSFET的图2电路被修改为包括检测装置16，检测三端开关装置10是否发生故障。图2和4的三端开关装置10包括控制端(栅极G)，它与沟道绝缘从而开关装置能够在栅极电压将产生的影响下工作，或者是没有栅极电流地控制沟道从而减少沟道的宽度，增加或减少漏极电流中的变化造成的漏极-源极电阻。因此，栅极电流的存在(在三端开关装置控制端的任何电流)表示三端开关装置发生故障。图4所示的检测三端开关装置10是否发生故障的检测装置16确定是否有栅极电流。如果栅极电流存在，检测装置16的输出升高，高电压被输入指示装置26，指示三端开关装置10发生故障。指示装置26可以是灯或其它可视或可听的指示装置，例如LED。
检测三端开关装置10是否发生故障的检测装置16包括具有正输入和负输入的比较器17、具有正端和负端的门限电压发生器18和电阻器19。电阻器19具有两个端子，并且连接在电压比较器12的输出15和开关装置10的控制端G之间。电阻器19的第一端连接电压比较器12的输出15。电阻器19的另一端连接三端开关装置10的控制端G和电压比较器17的负输入。电压比较器的输出15进一步连接门限电压发生器18的正端。门限电压发生器18的负端连接电压比较器17的正输入。
在工作中，如果n沟道增强MOSFET10运行，栅极电流几乎为0而在电阻器19的两端没有电压存在。发生器18产生的小门限电压将比较器17的输出保持在表示MOSFET10正常的逻辑低电压。如果MOSFET10发生故障，电流将在MOSFET10的栅极G流过，产生电阻器19两端的电压。如果电压超过发生器18产生的门限电压，比较器17的输出将为逻辑高电压，意味着MOSFET发生故障。电压门限确定产生故障警告的栅极电流量。在实际中，故障MOSFET的栅极电流可以是正常工作的MOSFET栅极电流的几百万倍。
图2和图3采用耗尽MOSFET的实施例也可以以类似图4所示的方式修改为包括检测M0SFET是否发生故障的检测装置。
故障MOSFET将在栅极和源极之间具有低阻抗或在栅极和漏极之间具有低阻抗。用于确定这种低阻抗的任何检测装置都可以在发明的图2(n沟道)或图3(p沟道)MOSFET实施例中使用。例如以下图6所示的检测装置40可以连接在MOSFET的栅极和源极之间。类似的检测装置可以用于确定MOSFET的栅极和漏极是否被短路。类似的电路可以配备给任何类型的MOSFET(即，n或p沟道，增强或耗尽)。
图5A说明了发明的另一个实施例。更详细地，双极性晶体管30具有集电极C、发射极E和基极B。图5A的电路进一步包括电压比较器32，具有正输入33、负输入34和输出35。双极性晶体管30的集电极连接电压比较器32的正输入33。双极性晶体管30的发射极连接电压比较器32的负输入34。双极性晶体管30的基极连接电压比较器32的输出35。双极性晶体管30连接在端A和K之间。
在工作中，当端A的电压高于端K的电压时，图5A的电路从端A向端K导电。进一步，当端K的电压高于端A的电压时，图5A的电路阻断端K向端A导电。此外，集电极和发射极之间的内阻和集电极到发射极的电流决定了正向压降。因此和传统二极管关联的门限电压被消除，并且正向压降很低。在工作中，当小电压发生在端A和K两端从而端A的电压高于端K的电压时，比较器32将把高输出35送给双极性晶体管30的基极。因此，以npn晶体管说明的双极性晶体管30将从端A向端K导电。但是，如果端K的电压大于端A的电压，电压比较器32将把低输出35送给双极性晶体管30的基极，中断从端K向端A的电流。双极性晶体管30内阻引起的端K和端A之间的电压通过比较器32来保持双极性晶体管截止。
图5B公开了发明的另一个实施例，采用pnp双极性晶体管，具有低正向压降，在端A向端K的一个方向导电，而在端K向端A的反向阻断电流。图5B类似图5A，除了npn双极性晶体管30已经被pnp双极性晶体管31代替。pnp双极性晶体管31的集电极连接电压比较器32的正输入33，而pnp双极性晶体管31的发射极连接电压比较器32的负输入34。
在工作中，当小电压发生在端A和K两端时，比较器32用和发射极电压相比的基极低电压导通双极性晶体管31。双极性晶体管31将集电极电流送给端K，并且双极性晶体管从端A引入电流。集电极和发射极两端的小压降通过比较器32保持双极性晶体管导通。另一方面，如果另一个端K的电压高于端A的电压，电压比较器把高输出35送给双极性晶体管31的基极。与端A和发射极的低电压相比的双极性晶体管31基极的高电压使双极性晶体管31关闭，并且没有端K和端A之间电流的导通。因此，图5B的电路通过从端A向端K导电并从端K向端A阻断电流而象二极管一样运行。进一步，发射极与集电极之间的门限电压和通过晶体管的电流决定了低于传统二极管的正向压降。
图6示出了包括npn双极性晶体管30的图5A的电路，通过增加检测双极性晶体管30是否发生故障的检测装置40和指示双极性晶体管30故障的指示装置43而被修改。
故障双极性晶体管将在基极和发射极之间具有低阻抗。如果电流从端A流向端K，由于电流路径中的电阻，在端A和端K之间存在小的正电压。因此，比较器的输出电压为高电平。如果双极性晶体管30正常运行，基极和发射极之间的电压约为0.7伏。检测装置40的发生器41产生的门限电压稍低于0.7伏并且将保持比较器42的输出为低电压，意味着晶体管正常。如果晶体管30发生故障，基极和发射极之间的电压将几乎为0。发生器41产生的电压门限使比较器42的输出为高电平，意味着晶体管发生故障。发生器41产生的门限电压决定了将产生故障警告的基极发射极电压。比较器42的输出被提供给指示装置43，它可以是灯44或LED或其它可视或可听的指示器，来提供晶体管故障的指示。在实际中，故障晶体管的基极发射极电压仅几毫伏，而正常工作的晶体管的基极发射极电压约为700mV。
此外，检测pnp双极性晶体管是否发生故障的检测装置和指示pnp双极性晶体管故障的指示装置，可以配备在图5A的npn晶体管30被替换为图5B所示的pnp晶体管31的地方。在该情况中，类似图6检测装置40的检测装置连接在pnp晶体管的发射极和基极之间；但是，颠倒电压发生器41的极性，并且比较器42输出逻辑高电平表明晶体管正常。此外，指示装置43不发光表示晶体管发生故障。
图7和8示出了用可选的电压比较器修改的图2的电路。在发明的先前实施例中，电压比较器12、22和32是运算放大器。但是这些电压比较器可以由图7和8中说明的电压比较器52和62代替。
在图7中，电压比较器52具有正输入53、负输入54和输出55。电压比较器52包括具有发射极e1、集电极c1和基极b1的双极性晶体管56。晶体管56以npn双极性晶体管来说明，但是电路可以修改为用pnp晶体管代替npn晶体管56。电压比较器52进一步包括串联电阻器57和58以及实际二极管59。双极性晶体管56的发射极e1是电压比较器52的正输入53。双极性晶体管56的集电极c1是电压比较器52的输出55。串联电阻器57和58连接在双极性晶体管56的集电极c1和基极b1之间。双极性晶体管56的基极b1进一步连接二极管59的正极，而二极管59的负极是电压比较器52的负输入54。二极管59允许二极管两端使用约25到150伏范围内的电压，因此，电压比较器52可以在这样的应用中使用，其中该范围内的平稳电压能够在组成电压比较器52的电路元件之间产生。但是，典型地，正电源干线电压在3.3到12伏的范围内。
图8示出了修改为包括电压比较器另一个可选实施例的图2的电路。在图8中，图2的电压比较器12已经由电压比较器62代替。电压比较器62具有正输入63、负输入64和输出65。电压比较器62包括两个串联电阻器66和67以及两个晶体管68和69。每个晶体管具有发射极、集电极和基极。晶体管68和69以npn双极性晶体管来说明。但是，电路可以修改为用pnp晶体管代替npn晶体管68和69。
如图8所示，晶体管68的发射极是电压比较器62的正输入63。晶体管69的发射极是电压比较器62的负输入64。电阻器66和67串联连接在晶体管68和69的集电极之间。晶体管68的集电极是电压比较器62的输出65。晶体管68和69的基极连接并与晶体管69的集电极短路。双极性晶体管69仅可以承受基极和发射极之间约5伏的电压。因此，如果预计该电压超过该电平，那么应当改为使用图7所示的电压比较器。典型地，当电路的正电源干线电压在3.3到12伏的范围内时，晶体管69是适合的。
图9示出了类似图7的电路，其中说明了具有积分电容Cgs的MOSFET10。在图9中，电压比较器72具有正输入73、负输入74和输出75。电压比较器72包括具有发射极e1、集电极c1和基极b1的双极性晶体管76。晶体管76以npn双极性晶体管来说明，但是电路可以修改为用pnp晶体管代替npn晶体管76。电压比较器72进一步包括各自连接电压Vcc的电阻器77和78以及实际二极管79。双极性晶体管76的发射极e1是电压比较器72的正输入73。双极性晶体管76的集电极c1是电压比较器72的输出75。电阻器77和78连接在双极性晶体管76的集电极c1和基极b1之间并连接到Vcc。双极性晶体管76的基极b1进一步连接二极管79的正极，而二极管79的负极是电压比较器72的负输入74。
在图9中，MOSFET10具有相当大的栅极-源极电容Cgs，例如可达几千pF。当正极A为低于负极K的电压时，晶体管76打开，并且栅极-源极电容Cgs在晶体管76的集电极c1和发射极e1两端放电。然后MOSFET10截止。但是，当正极A为高于负极K的电压时，晶体管76将截止。电流从电压源Vcc经电阻器78和二极管79流向负极K。栅极-源极电容Cgs由从电压源Vcc经电阻器77流向MOSFET10的电流充电。然后，MOSFET10导通。导通时间受电阻器78和栅极-源极电容Cgs定义的时间常数RC限制。由于电容Cgs非常大，导通时间也非常大。MOSFET10的截止和导通时间之间的差别取决于晶体管76的电流增益。对于具有100的电流增益的晶体管，MOSFET10的导通时间比MOSFET10的截止时间大100倍。
图10示出了其中二极管模拟电路高速导通和截止的发明实施例。图10的实施例用于这样的应用，例如开关型电源的整流器，其中二极管模拟电路必须和截止一样快地导通，例如以高达几百千赫的速度。图10示出了具有积分电容Cgs的MOSFET10。在图10中，电压比较器82具有正输入83、负输入84和输出85。电压比较器82包括具有发射极e1、集电极c1和基极b1的第一双极性晶体管86。晶体管86以npn双极性晶体管来说明，但是电路可以修改为用pnp晶体管代替npn晶体管86。电压比较器82进一步包括各自连接电压Vcc的电阻器87和88以及实际二极管89。第一双极性晶体管86的发射极e1是电压比较器82的正输入83。双极性晶体管86的集电极c1经实际二极管91连接电压比较器82的输出85。二极管91的正极连接输出85，而二极管91的负极连接晶体管86的集电极c1。电阻器87连接在晶体管86的集电极c1和电压Vcc之间。电阻器88连接在电压Vcc和二极管89的正极之间。双极性晶体管86的基极b1进一步连接二极管89的正极，而二极管89的负极是电压比较器82的负输入84。图10进一步示出了具有发射极e2、集电极c2和基极b2的第二双极性晶体管90。晶体管90是MOSFET10的栅极-源极电容Cgs的充电晶体管。晶体管90的集电极c2连接电压源Vcc。晶体管90的发射极e2连接MOSFET10的栅极。晶体管90的基极b2连接电阻器87和二极管91的负极之间的节点。
在图10中，MOSFET10也具有相当大的栅极-源极电容Cgs，例如可达几千pF。当正极A为低于负极K的电压时，晶体管86打开，并且栅极-源极电容Cgs经二极管91在晶体管86的集电极c1和发射极e1两端放电。然后MOSFET10截止。但是，当正极A为高于负极K的电压时，晶体管86将截止。电流从电压源Vcc经电阻器87流向充电晶体管90的基极b2，并流向晶体管90的集电极c2。晶体管90打开，并且，随后放大的电流流向MOSFET10，对积分电容Cgs充电，导通MOSFET10。导通时间取决于充电晶体管90的电流增益。虽然电容Cgs非常大，但是它的影响被晶体管86和90的电流放大降低了。电容Cgs都是经晶体管充电和放电。MOSFET10的截止和导通时间之间的差别因此减到最小。
发明进一步设想了一种在端A到端K的一个方向导电而在端K到端A的第二方向阻断电流的方法。在方法中，三端开关的本征二极管被连接，从而本征二极管的有效正极连接端A而本征二极管的有效负极连接端K。进一步，比较器正输入的电压信号和比较器负输入的电压信号相比较来获得输出电压。电压比较器的输出连接三端开关的控制端，并且三端开关源极的电压输入给电压比较器的正输入，而三端开关漏极的电压输入给比较器的负输入。
通过将漏极(或源极)连接到高于源极(或漏极)的电压来使用三端开关。典型地，漏极(或源极)连接到高电压，使得电流从漏极(或源极)流向源极(或漏极)，但在本发明的方法中，漏极(源极)改为连接到低电压，使得该装置可用于从源极(或漏极)向漏极(或源极)导通电流。因此，MOSFET装置连接成采用和MOSFET装置传统工作所用的极性相反的极性工作。
本发明设想了在两端A和K之间连接用于开关电流的开关装置，例如任何类型的晶体管(MOSFET或双极性晶体管)，从而导通从端A流向端K的电流并阻断从端K流向端A的电流，其中没有在连接端A和K的两端之间导通的很大的门限电压。在连接端A和K的两端之间存在与开关装置关联的内阻。此外，开关装置的导通由开关装置的控制端来控制，其中开关装置由例如接收端A和K信号的电压比较器的装置控制。如果开关装置具有与其关联的本征二极管，二极管的正极连接端A而二极管的负极连接端K。当端A为高于端K的电压时，开关装置允许从端A向端K的电流导通，而当端K的电压为高于端A的电压时，阻断端K向端A的电流。
发明的方法包括比较比较器正输入的电压信号和比较器负输入的电压信号来获得输出电压；(a)在端A和端K之间连接三端开关，其中三端开关具有与其关联的内阻，与其关联的本征二极管，和电子源极、电子漏极和控制端；(b)连接输出电压和三端开关的控制端；(c)连接本征二极管的有效正极和端A；(d)连接本征二极管的有效负极和端K；和(e)通过连接三端开关的源极和比较器的正输入，并连接三端开关的漏极和比较器的负输入，向比较器输入电压信号。
发明进一步设想了一种改进具有电子源极、电子漏极和控制端，在控制端和电子源极之间具有内部电容的三端开关的开关性能的方法，包括放大电流，改变内部电容的充电状态。放大电流的步骤包括对内部电容充电和放电。
虽然发明已经参考优选实施例说明，但是对本领域技术人员来说，在发明的宗旨和范围内构思变化和修改是显而易见的。例如，npn晶体管可以用pnp晶体管代替等等(对电路没有或有较小的修改)，并且增强MOSFET可以由耗尽MOSFET代替等等。此外，对电路进行较小的修改，n沟道MOSFET可以由p沟道MOSFET代替等等。
检测装置可以用于使用双极性晶体管和MOSFET、耗尽MOSFET和增强MOSFET、p沟道MOSFET和n沟道MOSFET的电路。公开的各种电压比较器可以用在图2、3、4、5A和5B和6的任一电路中。此外，通过较小的修改，其它开关装置例如其它类型的晶体管可以被使用，并且认为不超出本领域普通技术人员知道包括其它晶体管的其它开关装置相当于这里公开的开关装置的技能。优选实施例的附图和说明通过示例而不是限制发明范围的方式进行，并且希望在发明的宗旨和范围内包括所有这样的改变和修改。
权利要求
1.一种改进三端开关的开关性能的电路，包括所述三端开关，具有电子源极、电子漏极和控制端，在控制端和电子源极之间具有内部电容；和电流放大装置，用于改变所述内部电容的充电状态。
2.按照权利要求1的电路，其中所述电流放大装置交替放大充电电流和放电电流。
3.按照权利要求1的电路，其中所述电流放大装置包括晶体管。
4.按照权利要求3的电路，其中所述晶体管具有发射极、集电极和基极；所述充电状态的改变发生在所述集电极和发射极两端；并且所述基极与三端开关的开关同步地控制所述电流的放大。
5.按照权利要求4的电路，其中所述电流放大装置进一步包括连接在三端开关的控制端和晶体管的集电极之间的二极管。
6.按照权利要求2的电路，其中所述电流放大装置包括控制所述电容充电的第一晶体管和控制所述电容放电的第二晶体管。
7.一种具有两端A和K的电路，在端A到端K的一个方向导电而在端K到端A的反向阻断电流，包括电压比较器，具有正输入、负输入和输出；和用于开关电流的三端装置，具有电子源极、电子漏极和由所述电压比较器输出的电压控制的控制端；所述三端开关装置在控制端和电子源极之间具有与其关联的内部电容；和其中所述电压比较器排除所述内部电容对开关装置开关时间的影响。
8.按照权利要求7的电路，其中所述电压比较器包括电流放大装置以便排除所述内部电容对开关装置开关时间的影响。
9.按照权利要求8的电路，其中所述电流放大装置包括晶体管。
10.一种改进三端开关的开关性能的方法，所述三端开关具有电子源极、电子漏极和控制端，在控制端和电子源极之间具有内部电容，包括，放大改变所述内部电容充电状态的电流。
11.按照权利要求10所述的方法，其中放大对内部电容进行充电和放电的电流。
全文摘要
一种在一个方向导电而在反向阻断电流的方面模拟二极管功能但是具有低正向压降的电路。连接电压比较器(12)和三端开关(10)，从而利用和开关关联的本征反向二极管(11)在希望导电的方向导电而在希望阻断电流的方向阻断电流。电压比较器控制三端开关的控制端(G)打开开关来导通电流和中断电流。公开了电压比较器的可选实施例。电压比较器可以包括充电和放电晶体管，从而开关高速打开和关闭。本发明进一步包括一种在一个方向导电而在第二方向阻断电流并降低功耗的方法。
文档编号G06G7/62GK1436401SQ01810887
公开日2003年8月13日 申请日期2001年5月4日 优先权日2000年5月9日
发明者亚利安·M·简森 申请人:美蓓亚株式会社