具有精確電流導引發生器的模擬信號軟開關控制電路的製作方法
2023-06-04 19:35:51
專利名稱：具有精確電流導引發生器的模擬信號軟開關控制電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及模擬開關電路，並且更特別地涉及具有精確電流導引發生器的模擬軟開關控制電路。
背景技術：
兩個信號Vl和V2之間的開關的經典實施方式可以是如圖1的電路100所示的具有邏輯控制的直接開關。使用兩個CMOS開關SI和S2，並且由反向邏輯控制信號(CTRL和通過反相器102的反相CTRL)來對其進行控制。使信號Vl或V2通過運算放大器104，以提供VOUT輸出信號。如果兩個信號具有不同的信號電壓，則在輸出點106處將存在跳躍(jump)或階躍(step)。在某些應用中，輸出信號的此跳躍或階躍可能產生問題。例如，在音頻應用中，如果輸出信號進入揚聲器，則跳躍將在揚聲器處產生不期望的氣爆噪聲(pop-noise)。在這種情況下，兩個輸入信號之間的平穩過渡很明顯是優選的。開關輸入信號之間的平穩過渡的傳統數字解決方案200使用電阻器網絡212和214以及相應的開關網絡216和218，將大的階躍劃分成小的階躍，如圖2所示。電路200包括用於接收第一輸入信號Vl的輸入端，和用於接收第二輸入信號V2的第二輸入端。電路200還包括輸出運算放大器或緩衝器204、軟開關時鐘發生器206、開關計數器208和邏輯控制器210。電路200通常還包括最終後處理低通濾波器220。通過增加小階躍的數目和軟開關時間，減少了氣爆噪聲。在圖2所示的解決方案中，電阻器和寄生組件將由於增加的噪聲的和總諧波失真(THD)而使性能劣化。對於階躍數目和軟開關時間的某些配置而言，生成了非期望的音頻音調。需要低通濾波器以去除與電路200相關聯的高頻數字尖峰。圖2所示的數字電路200展示了在氣爆噪聲與其它性能考慮之間難以權衡。因此，所期望的是用於提供兩個輸入信號之間的平穩過渡的簡單模擬開關電路，並且不需要任何後處理或濾波，或者不使用複雜的數字電路。
發明內容
根據本發明，展示了基於模擬電流過渡的信號開關電路和方法，其可以在許多應用(例如音頻應用)中用來以平穩的過渡從一個信號切換至另一個信號。開關電路包括具有用於接收第一輸入信號的輸入端、輸出端和用於接收增加的模擬電流的電源端子的第一輸入級，具有用於接收第二輸入信號的輸入端、輸出端和用於接收減小的模擬電流的電源端子的第二輸入級，以及耦合到第一輸入級和第二輸入級的輸出端以便提供開關輸出信號的輸出節點。輸出級介於第一和第二輸入級與輸出節點之間。第一和第二輸入級中的每一個包括運算放大器。相應的開關方法包括向第一輸入級施加第一輸入信號、向第一輸入級的電源端子施加增加的模擬電流、向第二輸入級施加第二輸入信號、向第二輸入級的電源端子施加減小的模擬電流、以及將來自第一輸入級和第二輸入級的輸出信號組合以提供開關輸出信號。可以將開關輸出信號緩衝，並且第一和第二輸入級可以包括運算放大器。
根據本發明的實施例，開關電路可以包括用於接收時鐘信號並且用於生成充電電流和放電電流的電流發生器、用於接收充電和放電電流並且用於提供控制電壓的電壓發生器、用於接收控制電壓並且用於提供第一模擬電流和第二模擬電流的電壓電流發生器、以及用於將第一和第二模擬信號組合併且用於提供開關輸出信號的放大器級。電流發生器包括具有由時鐘信號進行開關的輸入端的第一和第二積分器、具有由時鐘信號進行開關的輸出端的兩個附加電壓電流發生器、以及具有由時鐘信號進行開關的輸入端的第一和第二電流鏡。電壓發生器包括第一和第二電流鏡、接收兩個附加的時鐘信號、並包括負載電容器。電壓電流發生器包括用於接收控制電壓、基準電壓且用於提供第一和第二模擬電流的差分放大器以及第一和第二電流鏡。放大器級包括第一和第二輸入級、以及耦合到第一和第二輸入級的輸出端的輸出級。級中的每一個可以包括運算放大器或緩衝器。根據本發明，第一模擬電流包括從第一值增加至第二值的模擬電流，並且第二模擬電流包括從第二值減小至第一值的模擬電流。
圖1是現有技術開關電路和相應開關波形的示意圖；圖2是現有技術數字開關電路和相應開關波形的示意圖；圖3是根據本發明的開關電路的示意圖；圖4是根據本發明的DC輸入的信號跳躍過渡的仿真結果；圖5是根據本發明的DC輸入的信號下降(drop)過渡的仿真結果；以及圖6是根據本發明的正弦波輸入的信號過渡的仿真結果。
具體實施例方式根據本發明的開關電路和方法提供了實現在輸入信號之間的開關中的平穩過渡、但沒有傳統現有技術解決方案的所提到的缺點的新穎方式。根據本發明，過渡曲線是非常平穩的、且能夠精確地進行控制。在圖3中示出了根據本發明的電路的相關方框圖。電路300的方框圖包括四個部分:第I部分是充電/放電電流基準發生器302 ；第2部分是具有可配置充電/放電定時304的電壓發生器；第3部分是電壓電流轉換器306 ;以及第4部分是用於實現信號開關的平穩過渡的放大器級308。在第4部分中，由運算放大器輸入級電流過渡來控制從VINl至VIN2的信號開關。一個輸入級電流I_N從IO變成零，並且另一輸入級電流I_P從零變成10。因此，輸出信號平穩地從VINl變成VIN2。I_N輸入級的正輸入端接收VINl輸入電壓，並且I_P輸入級的正輸入端接收VIN2輸入電壓。如所示出的，負輸入端被耦合在一起，並且耦合至輸出級的輸出端。輸出級緩衝開關信號，以提供OUTPUT開關電壓。第I部分、第2部分和第3部分生成具有選擇性過渡定時的兩個電流I_P和I_N。
在第I部分中，使用具有可配置頻率和佔空比的時鐘信號CLK以控制兩個積分器，並提供電流Il和12的電流生成。OPAMPl、開關SI和電容器Cl和C2包括第一開關電容器積分器。0PAMP2、開關S3以及電容器C3和C4包括第二開關電容器積分器。當開關SI在右側位置並且開關S2在左側位置時，將用充電電流Il通過電容器Cl和Cint將電壓V_int從第一電壓VTL充電至第二電壓VTH。當開關SI被轉到左側位置並且開關S2被轉到右側位置時，電容器Cl被耦合到OPAMPl的負輸入端。存儲在電容器Cl上的V_int電壓的之前值將被與VTH電壓進行比較，並且第一開關電容器積分器將針對下一充電電流Il進行調整，直至V_int電壓被準確地充電至VTH。當開關S3被轉到右側位置並且開關S4被轉到左側位置時，將用放電電流12通過電容器C3和Cint將電壓V_int從VTH放電至VTL。當開關S3被轉到左側位置並且開關S4被轉到右側位置時，電容器C3被耦合到0PAMP2的負輸入端，存儲在電容器C3上的之前的V_int電壓將與VTL進行比較。第二開關電容器積分器將針對下一放電電流12進行調整，直至V_int被準確地放電至VTL。第I部分的電流發生器302因此包括如所示出的兩個積分器、兩個電壓電流轉換器、以及兩個電流鏡CURRMIRR0R1和CURRMIRR0R2。在兩個開關電容器積分器和來自CLK的兩相非重疊時鐘的控制下，V_int將生成三角形電壓，其在VTH與VTL之間波動，其充電/放電時間將由CLK頻率來判定，並且由CLK佔空比D(D = 0至I)來定義其充電/放電時間比。這裡，將調整充電電流Il和放電電流12直至其為恆定。在第2部分中，第I部分的固定電流基準Il和12將由可配置的為1/M的比率而鏡像成電流13和14。電流鏡⑶RRMIRR0R3和⑶RRMIRR0R4用於此目的。將由電流13和14來對電壓Vcon進行充電或放電。負載電容器N*Cint是可配置的。可以如下選擇PCLK和NCLK:13 = I1/M ;如果PCLK脈衝寬度=N*M*D/fCLK，則Vcon將在PCLK脈衝控制下準確地從VTL充電至VTH。14 = I2/M ;如果 NCLK 脈衝寬度=N*M* (1-D) /fCLK,則 Vcon 將在 NCLK 脈衝控制下準確地從VTH放電至VTL。當用M和N的選擇性比率來施加PCLK和NCLK時，將在PCLK和NCLK所請求定時內從VTH放電至VTL、或從VTL充電至VTH而獲得Vcon電壓過渡。在第3部分中，電晶體Ml和M2包括具有源極退化的源極耦合電晶體對(電阻器Rl和R2，接收偏置電流1)。Vcon電壓將被施加於Ml柵極輸入端，並且其將生成差分電流對I_P和I_N。通過電流鏡CURRMIRR0R5和CURRMIRR0R6對電流進行鏡像。由PCLK和NCLK脈衝寬度來判定電流過渡時間。由N(電容器Cint的數目)、M (電流鏡⑶RRMIRR0R3和⑶RRMIRR0R4的電流鏡因子)、CLK信號的佔空比、以及CLK信號的頻率來定義該寬度。可以由所有這些設置的存在來實現寬的定時範圍。因此，過渡定時是與技術無關的，其將不受電阻器和電容器變化的影響。圖4和圖5是示出兩個DC輸入信號之間的平穩過渡的定時圖。在圖4中，圖的上部示出PCLK信號，圖的中部示出在第一電壓VTL和第二電壓VTH之間的Vcon電壓的平穩過渡，並且圖的底部示出在第一輸入電壓VINl和第二輸入電壓VIN2之間的輸出信號的平穩過渡。圖4因此示出其中在DC輸入電壓信號之間存在逐漸增加(step up)的開關。在圖5中，圖的上部示出NCLK信號，圖的中部示出在第一電壓VTH和第二電壓VTL之間的Vcon電壓的平穩過渡，並且圖的底部示出在第一輸入電壓VIN2和第二輸入電壓VINl之間的輸出信號的平穩過渡。圖5因此示出其中在DC輸入電壓信號之間存在逐漸減小(step down)的開關。圖6示出在兩個正弦波輸入之間的平穩過渡。在圖6中，圖的第一和頂部部分不出NCLK和PCLK信號。圖的第二部分不出在第一電壓VTL與第二電壓VTH之間的並且返回到VTL電壓的Vcon電壓的平穩過渡。圖的第三部分示出正弦波輸入電壓VINl和VIN2。圖的第四和底部部分示出在第一輸入正弦波電壓VINl與第二輸入正弦波電壓VIN2之間的並且隨後返回下降到VINl正弦波電壓的輸出信號的平穩過渡。圖6因此示出從一個正弦波電壓輸入到另一個正弦波電壓輸入、以及返回到第一正弦波電壓輸入的平穩開關。因此，根據本發明，提供了由運算放大器模擬電流過渡控制的平穩信號開關。由時鐘頻率和佔空比來精確地控制基準電流過渡定時。可以通過設置N(電容器數目)和M(電流鏡因子)來實現大範圍的過渡時間。本發明的電路基本上不受高頻數字噪聲的影響，並且不需要對輸出級電壓進行濾波。開關過渡時間與於技術(電阻器和電容器)變化無關。本發明的電路容易實現且具有經濟效益。因此，在不脫離本發明的精神或範圍的情況下可以對本發明進行各種修改和變更對於本領域的技術人員而言是明顯的。因此，如果本發明的修改和變更在所附權利要求的範圍內，則意圖在於本發明覆蓋該修改和變更。
權利要求
1.一種開關電路，包括: 第一輸入級，其具有用於接收第一輸入信號的輸入端、輸出端和用於接收增加的模擬電流的電源端子； 第二輸入級，其具有用於接收第二輸入信號的輸入端、輸出端和用於接收減小的模擬電流的電源端子；以及 輸出節點，其被耦合到所述第一輸入級和所述第二輸入級的所述輸出端以便提供開關輸出信號。
2.根據權利要求1所述的開關電路，還包括介於所述第一和第二輸入級以及所述輸出節點之間的輸出級。
3.根據權利要求1所述的開關電路，其中，所述第一和第二輸入級中的每一個包括運算放大器。
4.一種開關方法，包括: 向第一輸入級施加第一輸入信號； 向所述第一輸入級的電源端子施加增加的模擬電流； 向第二輸入級施加第二輸入信號； 向所述第二輸入級的電源端子施加減小的模擬電流；以及 將來自所述第一輸入級和所述第二輸入級的輸出信號組合以提供開關輸出信號。
5.根據權利要求4所述的開關方法，還包括緩衝所述開關輸出信號。
6.根據權利要求4所述的方法，其中，所述第一和第二輸入級中的每一個包括運算放大器。
7.—種開關電路，包括: 電流發生器，其用於接收時鐘信號，並且用於生成充電電流和放電電流； 電壓發生器，其用於接收所述充電和放電電流，並且用於提供控制電壓； 電壓電流發生器，其用於接收所述控制電壓，並且用於提供第一模擬電流和第二模擬電流；以及 放大器級，其用於將所述第一和第二模擬電流組合，並且用於提供開關輸出信號。
8.根據權利要求7所述的開關電路，其中，所述電流發生器包括第一和第二積分器。
9.根據權利要求8所述的開關電路，其中，所述第一和第二積分器包括由所述時鐘信號進行開關的輸入端。
10.根據權利要求7所述的開關電路，其中，所述電流發生器包括兩個附加的電壓電流發生器。
11.根據權利要求10所述的開關電路，其中，所述附加的電壓電流發生器包括由所述時鐘信號進行開關的輸出端。
12.根據權利要求7所述的開關電路，其中，所述電流發生器包括第一和第二電流鏡。
13.根據權利要求12所述的開關電路，其 中，所述第一和第二電流鏡包括由所述時鐘信號進行開關的輸入端。
14.根據權利要求7所述的開關電路，其中，所述電壓發生器包括第一和第二電流鏡。
15.根據權利要求7所述的開關電路，其中，所述電壓發生器接收兩個附加的時鐘信號。
16.根據權利要求7所述的開關電路，其中，所述電壓發生器包括負載電容器。
17.根據權利要求7所述的開關電路，其中，所述電壓電流發生器包括用於接收所述控制電壓、基準電壓、以及用於提供所述第一和第二模擬電流的差分放大器。
18.根據權利要求7所述的開關電路，其中，所述電壓電流發生器包括第一和第二電流鏡。
19.根據權利要求7所述的開關電路，其中，所述放大器級包括第一和第二輸入級、以及耦合到所述第一和第二輸 入級的輸出端的輸出級。
20.根據權利要求7所述的開關電路，其中，所述第一模擬電流包括從第一值增加至第二值的模擬電流，並且所述第二模擬電流包括從所述第二值減小至所述第一值的模擬電流。
全文摘要
本發明涉及具有精確電流導引發生器的模擬信號軟開關控制電路。公開了一種開關電路，包括具有用於接收第一輸入信號的輸入端、輸出端、和用於接收增加的模擬電流的電源端子的第一輸入級，具有用於接收第二輸入信號的輸入端、輸出端、和用於接收減小的模擬電流的電源端子的第二輸入級，以及耦合到第一輸入級和第二輸入級的輸出端以便提供開關輸出信號的輸出節點。輸出級耦合在第一和第二輸入級與輸出節點之間。第一和第二輸入級是運算放大器。
文檔編號H03K17/785GK103187958SQ20111046189
公開日2013年7月3日 申請日期2011年12月31日 優先權日2011年12月31日
發明者陳敏, 劉 文, 李紅霞, 代小伍 申請人:意法半導體研發(深圳)有限公司