用于驱动电容性负载的驱动器的制作方法

背景技术：

某些类型的负载是使用产生到负载的相对较大的脉冲电流的驱动器电路来驱动的，这些类型的负载具有电容性输入阻抗(例如，无源混频器)并且为了某些性能要求而需要相对较高的转换速率驱动器。此类驱动器电路应被设计用于高电压摆幅和高转换速率，以实现足够的线性度和噪声性能。互补金属氧化物半导体场效应晶体管(cmos)驱动器通常具有相当高的功率效率，但缺乏足够的速度性能。双极结型晶体管(bjt)驱动器通常比cmos驱动器更快，但是需要高电流水平，因此比cmos驱动器消耗更多的功率。

技术实现要素：

在一个示例中，一种电路包括第一双极结型晶体管(bjt)和第二bjt，第一bjt包括第一基极、第一集电极和第一发射极，第一集电极连接到第一电源电压节点，第二bjt包括第二基极、第二集电极和第二发射极，第二集电极在输出节点处连接到第一发射极。该电路还包括电容器，该电容器包括第一电容器端子和第二电容器端子，第一电容器端子连接到第二bjt的第二发射极，并且第二电容器端子连接到第二电源电压节点。还包括与电容器并联连接的电流源器件。

在另一示例中，一种电路包括第一bjt、第二bjt、连接到第二bjt的发射极和第二电源电压节点的电容器。该电路还包括与电容器并联连接的电流源器件。控制电路被耦合以接收用于第一基极的第一控制信号，并且与第一控制信号的逻辑状态相反，以生成用于第二基极的第二控制信号。

在又一示例中，一种电路包括第一bjt、第二bjt和电流源器件，该电流源器件在第二节点处连接到第二bjt的发射极，并被配置为在第二节点处与电流源器件并联耦合到电容器。控制电路被耦合以接收用于第一基极的第一控制信号，并且与第一控制信号的逻辑状态相反，以生成用于第二基极的第二控制信号。

附图说明

图1示出根据一个示例的用于驱动电容性负载的驱动器。

图2提供示出本文描述的驱动器的操作的时序图。

图3包括描绘与图1的驱动器相关联的方法的流程图。

图4示出用于驱动电容性负载的驱动器的另一示例。

图5包括描绘与图4的驱动器相关联的方法的流程图。

图6示出用于驱动电容性负载的驱动器的又一示例。

图7包括描绘与图6的驱动器相关联的方法的流程图。

具体实施方式

所公开的示例涉及具有电容性升压的推挽式bjt驱动器，其比至少一些其他驱动器以更低的总功耗来支持电容性负载电流。所公开的驱动器可以驱动诸如电容性负载的负载。在一个应用中，负载是无源混频器，它由高转换速率方波控制信号驱动，因此在驱动器的第一操作状态的控制信号的上升转变期间(充电阶段)，驱动器向电容性负载传递电流脉冲。在控制信号的随后下降转变期间(放电阶段)，驱动器从负载接收相似大小的电流脉冲。更具体地，在一种实施方式中，在驱动器的一种操作状态中，驱动器通过第一晶体管(例如，bjt)非常快速地对电容性负载充电。在随后的操作状态中，第一晶体管截止并且第二晶体管导通，以通过电流源器件和电容器的并联组合使来自电容性负载的电荷快速放电。来自电容性负载的部分电流为电容器充电，而通过电流源器件的电流包括来自电容性负载的电流的剩余部分。然后，当第二晶体管截止并且第一晶体管导通时，恢复到驱动器的第一操作状态，电容器上的电荷(先前从电容性负载接收)通过电流源器件放电，而电容性负载如上所述通过第一晶体管再次被充电。所示的驱动器能够在比至少一些其他驱动器低的功耗水平下以高转换速率进行高速操作。

图1示出用于驱动电容性负载150的驱动器100的示例。电容性负载150由电容器cl表示，并且电容性负载在本文中也被称为电容性负载cl。电容性负载cl包括例如无源混频器或输入阻抗为电容性的其他类型的负载。驱动器100包括晶体管q1和q2、电容器c1、电流源器件i1、控制电路110和寄存器组120。在该示例中，q1是双极结型晶体管(bjt)，并且具体是npnbjt。在其他示例中，可以使用金属氧化物半导体场效应晶体管(mos)来实现q1和q2。q1的集电极连接到固定电源电压(vdd)节点115。q1的基极被耦合以接收输入控制信号ctl1。ctl1还被提供给控制电路110。q1的发射极在输出节点118处连接到q2的集电极。q1被配置为电压跟随器，因此基于ctl1生成q1的发射极上的电压并将该电压提供给电容性负载cl，该电容性负载cl在输出节点118处耦合到驱动器100。q2也被配置为电压跟随器，其在ctl2的上升转变和高状态期间跟随ctl2的电压。

在一个示例中，寄存器组120包括单个外部可访问寄存器。在其他示例中，寄存器组120包括两个或更多个外部可访问寄存器。寄存器组120是可编程的，因此可以由外部器件加载一个或多个调整值。这些调整值用于调整本文所描述的所公开电路的一个或多个电特性。寄存器组120是可访问的以由用于读取的控制电路110来读取。在一些示例中，控制电路110还可以对寄存器组进行写入。

包括q1、q2、c1、i1、控制电路110和寄存器组120在内的驱动器100的部件被形成在公共半导体管芯102上，即q1、q2、c1、i1、控制电路110和寄存器组120在同一芯片上。在该示例中，电容性负载cl不在同一半导体管芯102上，但是在其他示例中，电容性负载cl与驱动器100在同一半导体管芯上。

在图1的示例中，q1是npnbjt，但是在其他示例中可以是不同类型的晶体管(例如，pnpbjt、金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)等)。控制电路110生成另一控制信号ctl2，以控制q2的导通/截止状态和电压转变。q2还耦合到电容器c1的一个端子，并且电容器c1的另一端子连接到另一固定电源电压节点116(例如，接地)。电流源器件i1与c1并联耦合。有时，代号“i1”在本文中用于指代电流源器件，而在其他时间指代通过电流源器件的电流。节点125表示互连q2的发射极、电容器c1和电流源器件i1的节点。电流源器件i1可以包括一个或多个晶体管、电阻器、齐纳二极管和/或其他电路部件，并且通常使预定量的电流在箭头的方向上流过电流源器件。

在该示例中，控制信号ctl1和ctl2通常包括周期性信号(例如，时钟信号)，并且彼此互补。也就是说，当ctl1为逻辑高时，ctl2为逻辑低，反之亦然。此外，这意味着当ctl1上升时，ctl2下降，反之亦然(即，它们的转变也是互补的)。控制电路110接收ctl1并生成与ctl1互补的ctl2。

现在将参照图1和图2的相应时序图来解释图1的驱动器的操作。图1的驱动器100具有由ctl1和ctl2控制的两种操作状态。一种操作状态是充电状态，并且发生在ctl1为逻辑高且ctl2为逻辑低时。另一操作状态是放电状态，并且发生在ctl1为逻辑低且ctl2为逻辑高时。图2示出用于ctl1和ctl2的示例波形。ctl1的周期被表示为t，并且ctl1的上升时间(和下降时间)被表示为ttr。ctl1的峰-峰电压被示出为vpp。ctl2是类似的波形，但其峰-峰电压与ctl1的vpp成比例。如图所示，ctl2的峰-峰电压为β*vpp，因此β是ctl2的峰-峰电压与ctl1的峰-峰电压的比率。ctl2的周期以及上升和下降时间与ctl1的相同。

在充电状态中(在201处开始)，q1导通并且q2截止。因为q1导通，所以输出节点118上的电压并且因此电容性负载cl两端的电压朝着vdd急剧增加。由于电容性负载cl两端的电压急剧变化，因此负载电流iload流入cl。iload的量值由下面的等式(1)给出：

iload波形在图2中示出，并且在ttr时间段期间的iload的量值在202处被标识。在q1导通并且输出节点118上的电压恒定而没有变化的时间段期间，iload为零，并且cl已经由突然的iload脉冲电流充电。

附图标记203标识放电状态的开始，如图所示，在该时刻q2导通并且q1截止。q2为cl提供通过c1和i1的组合放电的电流路径。来自cl的放电电流在图1中被示出为i2，并且i2波形在图2中示出。在ctl2的上升时间ttr期间在204处的i2的量值通常与在充电状态期间在202处的iload的量值相同。在ctl2的上升时间期间从cl传递的电荷量通常等于在ctl1的上升时间期间cl所接收的电荷量。放电状态期间的iload电流在209处被指示为负值，从而指示iload电流的方向与图1中由与通过cl的iload相关联的箭头所示的方向相反。

i2在c1和i1之间分配。因此，来自cl的部分电荷用于给c1充电，并且通过i1的电流表示来自cl的其余放电电流。一旦cl被放电并且ctl2的上升时间ttr已经结束，i2的量值就下降到i1的水平，如205处所指示。节点125上的电压在图2中的206处示出，并且表示c1上的电压，因为c1已经被cl充电。

在从207处开始的下一个充电阶段期间，如上所述，q1再次导通以对cl进行充电，并且q2截止。当cl正在充电且q2截止时，c1通过电流源器件i1释放其电荷(该电荷在q2先前导通时由c1从cl接收)，如图1中的电流i3所指示。i1的量值被配置为使得c1的放电比cl的充电和放电慢。c1的放电速率在图2中的208处被指示为节点125的下降电压。通常，c1在时间段tdisch内放电，该时间段tdisch大约为控制信号ctl1和ctl2的周期t的一半。“大约”意味着正负10％。

如在图2中可以看到的，在其周期t的一部分期间，通过q2的i2电流为零，并且i1保持连续导通。然而，所公开的电路比诸如bjt发射极-跟随器的电路消耗更少的功率，在该bjt发射极-跟随器中，连接到发射极的电流源连续地导通并且处于高于i1的水平。i1小于先前的bjt发射极-跟随器实施方案中的电流，因为图1所公开的电路使用周期t的大部分来使用i1对c1进行放电。

以下讨论提供了几个电路参数之间的数学关系。上面的等式(1)定义了在cl的充电和放电状态期间流向cl的电流。c1的电容不必与cl的电容相同。c1与cl的比率被表示为α(即，c1＝α*cl)。在其放电阶段期间来自cl的放电电流是i1和流向c1的电流的组合电流，即：

如上所述，期望c1随后在t的一半时间内通过电流源器件i1放电，因此当c1放电时，i1为：

组合等式(1)、(2)和(3)得出：

α和β的乘积被表示为：

其中γ是ttr与t的比率。因此，i1可以被表示为：

并且因此，基于等式(1)，

等式(5)将α(c1与cl的比率)、β(ctl2的峰-峰电压与clt1的峰-峰电压的比率)和γ(ttr与t的比率)相关联。因此，如果已知α、β和γ中的任何两个，则可以计算出第三个值。

在以下实施方式中使用前述数学分析和关系。图1示出c1与q1、q2、电流源器件i1和其他部件在相同的半导体管芯102上实现。在该示例中，c1具有固定的电容值，并且因此对于驱动器100的用户来说是已知的。i1的量值在控制电路110的控制下是可调整的。在一个示例中，i1被实现为通过开关控制的一组电流源，这些开关可以被编程以选择一个或多个电流源。可以经由寄存器组120对开关进行编程。用户具有待驱动的负载150的知识，并且因此具有cl的电容值的知识。这样一来，用户可以计算α(c1与cl的比率)。用户还知道要用于提供驱动器100的控制信号ctl1的时序，并且因此知道t和ttr。用户可以计算γ(ttr与t的比率)。在知道α和γ的情况下，允许用户使用等式(5)来计算β，该β指示将由控制电路110生成的用于驱动q2的ctl2的峰-峰电压。

图3示出可应用于图1的驱动器100的方法的示例。图3中的操作可以按照图示的顺序或以不同的顺序来执行。此外，可以顺序地执行操作，或者可以同时执行两个或更多个操作。

在302处，该方法包括将调整值编程到寄存器组120中，控制电路110通过这些调整值来调整i1。根据等式(6)，i1是γ、cl、ttr和vpp的函数，并且γ是ttr和t的函数。在操作302中，在一个示例中，调整值包括ttr、t、cl和vpp，或指示ttr、t、cl和vpp的值。根据这些值中的一些或全部，控制电路110调整i1。

在图3的示例和下面描述的其他示例中，将值编程到寄存器组120中在一些示例中包括将值从驱动器外部的器件通过有线接口传输到驱动器100。外部器件可以是与驱动器100在同一电路板上的器件，或者可以是在不同的电路板上。

在304处，将α的值计算为c1与cl的比率。在306处，使用等式(5)来计算基于α和γ的β的值(ttr/t)。然后，在308处，将β的值编程到寄存器组120中。最后，在310处，该方法包括控制电路基于β和先前编程的ctl1的峰-峰电压的调整值来调整ctl2的峰-峰电压。控制电路可以包括或耦合到产生用于驱动q2的基极的电压的电路。该电路可能能够产生由控制电路110配置的可变电压。可以使用分压器来产生可变电压，该分压器可以使用开关电阻器或开关电容器来实现。

图4示出用于驱动电容性负载150的驱动器400的另一示例。驱动器400包括晶体管q1和q2、电容器c1、电流源器件i1、控制电路410和寄存器组415。q1的集电极连接到固定电源电压节点115。q1的基极被耦合以接收输入控制信号ctl1，并且ctl1也被提供给控制电路410。q1的发射极在输出节点118处连接到q2的集电极。电容性负载cl在输出节点118处耦合到驱动器400。

包括q1、q2、c1、i1、控制电路410和寄存器组415在内的驱动器100的部件被形成在公共半导体管芯402上，即q1、q2、c1、i1、控制电路110和寄存器组415在相同的芯片上。在该示例中，电容性负载cl不在同一半导体管芯402上，但是在其他示例中，电容性负载cl与驱动器400在同一半导体管芯上。

控制电路410生成控制信号ctl2，以控制q2的导通/截止状态。q2还耦合到电容器c1的一个端子，并且电容器c1的另一端子连接到另一固定电源电压节点116。电流源器件i1与c1并联耦合。

图4的示例类似于图1的示例。两个示例之间的区别在于：在图1中，c1具有固定电容，但是在图4中，c1具有可变电容。在图4的示例中，i1具有可调整的电流量值，并且c1也是可调整的。在一个示例中，c1可以被实现为并联耦合的电容器，并且每个这样的电容器可以通过由控制电路410控制的开关来选择。每个电容器可以具有与并联的电容器组中的其他电容器相同或不同的电容器值。驱动器400的操作在很大程度上如以上参照驱动器100所述。

图5示出可结合图4的驱动器400使用的方法的示例。可以按照图示的顺序或以不同的顺序执行图5中的操作。此外，可以顺序地执行操作，或者可以同时执行两个或更多个操作。

在502处，该方法包括将调整值编程到寄存器组120中，控制电路110通过这些调整值来调整i1。操作502与图3中的操作302在很大程度上是相同的。根据等式(6)，i1是γ、cl、ttr和vpp的函数，并且γ是ttr和t的函数。在操作502中，在一个示例中，调整值包括ttr、t、cl和vpp。根据这些值中的一些或全部，控制电路110调整i1。在504处，将α的值计算为1/(β(2γ+1))，并且在506处，将α的值编程到寄存器组415中。

在508处，由控制电路410基于α和cl的值来调整c1。c1是α乘以cl，并且因此是cl的缩放版本。在图4的示例中，β的值是固定的(例如，存储在寄存器组415的不可修改的部分中，由控制电路410内的逻辑门设置等)，并且因此在510处由控制电路410使用以基于在502处编程到寄存器组415中的vpp的值来调整ctl2的峰-峰电压。

图6示出分别类似于图1的驱动器100或图1和图4的驱动器400的驱动器600的另一示例。图6的驱动器600包括控制电路600以基于ctl1将ctl2驱动到q2。驱动器600还包括寄存器组615，如上所述，寄存器组615可以由外部器件用调整值进行编程。

驱动器600与驱动器100和400相比的区别在于：图6中的电容器c1在半导体管芯602的外部，该半导体管芯另外包括控制电路610、寄存器组615、q1、q2和电流源器件i1。在该示例中，用户选择c1并将c1放置在例如可能包含驱动器600的相同的印刷电路板(pcb)上。

图7示出可结合图6的驱动器600使用的方法的示例。可以按照图示的顺序或以不同的顺序执行图7中的操作。此外，可以顺序地执行操作，或者可以同时执行两个或更多个操作。在702处，该方法包括将调整值编程到寄存器组615中，控制电路610通过这些调整值来调整i1。操作702与图3中的操作302在很大程度上是相同的。根据等式(6)，i1是γ、cl、ttr和vpp的函数，并且γ是ttr和t的函数。在操作702中，在一个示例中，调整值包括ttr、t、cl和vpp。根据这些值中的一些或全部，控制电路410调整i1。在704处，将α的值计算为1/(β(2γ+1))，其中β是固定的。

在706处，该方法包括基于cl和α的值来选择c1的值。在一个示例中，可以将c1计算为α和cl的乘积(c1＝α*cl)。然后，将具有近似计算出的电容的电容器与驱动器600一起安装在pcb上，并如图6所示连接到节点125。

在权利要求的范围内，在所描述的实施例中可以进行修改，并且其他实施例也是可以的。