用于驅(qū)動具有高閾值電壓的晶體管的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于驅(qū)動具有高閾值電壓的晶體管的系統(tǒng)和方法
[0001]本申請是申請日為2011年10月12日、題為“用于驅(qū)動具有高閾值電壓的晶體管的系統(tǒng)和方法”的中國發(fā)明專利申請N0.201110317087.1的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及集成電路。更具體地，本發(fā)明提供了用于驅(qū)動晶體管的系統(tǒng)和方法。僅僅作為示例，本發(fā)明已應(yīng)用于驅(qū)動具有高閾值電壓的晶體管。但是將認(rèn)識到，本發(fā)明具有更廣泛的應(yīng)用范圍。
【背景技術(shù)】
[0003]在高電壓應(yīng)用中，功率場效應(yīng)晶體管(FET)通常應(yīng)具有高的漏極-源極擊穿電壓(例如，彡100V)。這樣的功率FET通常具有3-4V的閾值電壓。使用具有低輸出電壓(例如，5V)的柵極驅(qū)動器來驅(qū)動功率FET常常導(dǎo)致功率FET的高導(dǎo)通電阻或者不完全導(dǎo)通。因此，常常需要具有大于5V的較高輸出電壓(例如，輸出電壓為8-10V)的柵極驅(qū)動器。
[0004]圖1是示出用于驅(qū)動晶體管104的系統(tǒng)100的簡化傳統(tǒng)示圖。柵極驅(qū)動系統(tǒng)100包括柵極驅(qū)動器102和晶體管104。柵極驅(qū)動器102包括電源122以及四個反相器124、126、128和130。反相器124包括彼此相連的晶體管106和114，并且反相器126包括彼此相連的晶體管108和116。另外，反相器128包括彼此相連的晶體管110和118，并且反相器130包括彼此相連的晶體管112和120。這四個反相器124、126、128和130以級聯(lián)方式相連。例如，晶體管106、108、110和112是P溝道FET，并且晶體管114、116、118和120是N溝道FET。在另一示例中，晶體管104是功率FET。電源122向級聯(lián)連接的反相器124、126、128和130的每個提供低電平偏置電壓132(例如，GND)和高電平偏置電壓134 (例如，VJ。
[0005]輸入信號136 (例如，GATE_IN)由級聯(lián)連接的反相器124、126、128和130接收，并且作為響應(yīng)，柵極驅(qū)動器102生成用于驅(qū)動晶體管104的輸出信號138。具體地，在操作中，反相器124接收輸入信號136 (例如，GATE_IN)，并且生成第一反相信號140。反相器126接收該第一反相信號140，并且生成由反相器128接收的第二反相信號142。反相器128隨后生成由反相器130接收的第三反相信號144。反相器130最后生成用于驅(qū)動晶體管104的輸出信號138。例如，如果輸入信號136為邏輯高電平，則晶體管106截止并且晶體管114導(dǎo)通。于是第一反相信號140被生成為近似等于低電平偏置電壓132(例如，GND)。反相器126接收第一反相信號140，并且晶體管108導(dǎo)通而晶體管116截止。第二反相信號142被生成為近似等于高電平偏置電壓134(例如，VDD)。進(jìn)而，第三反相信號144近似等于低電平偏置電壓132 (例如，GND)，并且輸出信號138近似等于高電平偏置電壓134(例如，VDD)。于是，如果晶體管104是N溝道FET，則輸出信號138使晶體管104導(dǎo)通。在另一示例中，當(dāng)輸入信號136為邏輯低電平時，則如果晶體管104是N溝道FET，則輸出信號138使晶體管104截止。
[0006]通常，柵極驅(qū)動器102中的晶體管(例如，晶體管106等)是制造成本常常較高的高電壓器件。此外，這些晶體管通常每單位面積具有低的驅(qū)動能力并且具有高的導(dǎo)通電阻。因此，為了驅(qū)動相同負(fù)載，柵極驅(qū)動器102中的晶體管常常要使用比低電壓器件大的多的面積。
[0007]為了提高每單位面積的驅(qū)動能力，自舉升壓結(jié)構(gòu)(bootstrap structure)和低電壓器件常被用在柵極驅(qū)動器中。圖2是示出具有用于驅(qū)動晶體管204的自舉升壓結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)200的簡化傳統(tǒng)示圖。該柵極驅(qū)動系統(tǒng)200包括柵極驅(qū)動器202和晶體管204。柵極驅(qū)動器202包括低壓側(cè)驅(qū)動器206、高壓側(cè)驅(qū)動器208和電源210。柵極驅(qū)動器202還包括自舉升壓端子248 (例如，BS)。低壓側(cè)驅(qū)動器206包括反相器212、214、216和218以及晶體管220。高壓側(cè)驅(qū)動器208包括反相器222，224，226和228、電平位移器230、晶體管232、升壓電容器234以及二極管236。反相器212、214、216和218以級聯(lián)方式相連接，并且反相器222、224、226和228以級聯(lián)方式相連接。例如，晶體管220和232是橫向擴(kuò)散MOSFET (LDM0S)，例如橫向擴(kuò)散N溝道M0SFET。在另一示例中，晶體管204是功率FET。
[0008]電源210向低壓側(cè)驅(qū)動器206中的每個反相器提供高電平偏置電壓238(例如，VDD)和低電平偏置電壓246 (例如，GND)。輸入信號240 (例如，GATE_IN)被提供給低壓側(cè)驅(qū)動器206和高壓側(cè)驅(qū)動器208兩者，并且柵極驅(qū)動器202作為響應(yīng)生成用于驅(qū)動晶體管204的輸出信號242。具體地，在操作中，在低壓側(cè)驅(qū)動器206中，反相器212接收輸入信號240 (例如，GATE_IN)，并且生成第一反相信號260。反相器214接收第一反相信號260，并且生成由反相器216接收的第二反相信號262。反相器216然后生成由反相器218接收的第三反相信號264。反相器218生成用于驅(qū)動晶體管220的信號244。如果信號244使晶體管220導(dǎo)通同時晶體管232截止，則輸出信號242 (例如，GATE_0UT)變得近似等于低電平偏置電壓246 (例如，GND)。例如，高電平偏置電壓238 (例如，VDD)為5V。
[0009]另一方面，輸入信號240也由電平位移器230接收，并且作為響應(yīng)，電平位移器230生成信號256。級聯(lián)連接的反相器222、224、226和228接收信號256，并且生成用于驅(qū)動晶體管232的信號258。高電平偏置電壓252(例如，VJ被提供給晶體管232。如果信號258使晶體管232導(dǎo)通，同時晶體管220截止，則輸出信號242 (例如，GATE_0UT)變得近似等于高電平偏置電壓252 (例如，VJ。例如，偏置電壓252 (例如，VJ為10V。
[0010]升壓電容器234操作來將自舉升壓端子248 (例如，BS)的電壓增加為在大小上比輸出信號242 (例如，GATE_0UT)大預(yù)定電壓，并且為高壓側(cè)驅(qū)動器208提供電壓250以進(jìn)行操作。二極管236操作來對從電源210流到二極管236的電流254進(jìn)行整流，以防止當(dāng)自舉升壓端子248(例如，BS)的電壓變得大于由電源210提供的偏置電壓238(例如，VDD)時電流從高壓側(cè)驅(qū)動器208流向電源210。
[0011]傳統(tǒng)的柵極驅(qū)動器202通常使用包括升壓電容器234和自舉升壓端子248 (例如，BS)的自舉升壓結(jié)構(gòu)來為高壓側(cè)驅(qū)動器208提供合適的工作電壓。然而，升壓電容器234常常具有幾十或幾百nF的電容，因此可能不易被包括進(jìn)集成電路(1C)芯片中。此外，如果端子(例如，引腳)在1C芯片上受到限制，則自舉升壓端子248是不合適的。另外，柵極驅(qū)動器202通常需要二極管236來對電流254整流。如果二極管236是通常具有良好整流性能的肖特基二極管，則制造成本可能增加。
[0012]因此，開發(fā)出用于驅(qū)動具有高閾值電壓的晶體管的技術(shù)變得非常重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明涉及集成電路。更具體地，本發(fā)明提供了用于驅(qū)動晶體管的系統(tǒng)和方法。僅僅作為示例，本發(fā)明已應(yīng)用于驅(qū)動具有高閾值電壓的晶體管。但是將認(rèn)識到，本發(fā)明具有更廣泛的應(yīng)用范圍。
[0014]根據(jù)一個實(shí)施例，一種用于驅(qū)動晶體管的系統(tǒng)包括浮動電壓生成器、第一驅(qū)動電路和第二驅(qū)動電路。浮動電壓生成器被配置為接收第一偏置電壓并生成浮動電壓，浮動電壓生成器還被配置為當(dāng)?shù)谝黄秒妷焊淖儠r改變浮動電壓，并且維持浮動電壓的大小比第一偏置電壓低第一預(yù)定值。第一驅(qū)動電路被配置為接收輸入信號、第一偏置電壓和浮動電壓。第二驅(qū)動電路被配置為接收輸入信號、第二偏置電壓和第三偏置電壓，第一驅(qū)動電路和第二驅(qū)動電路被配置為生成用以驅(qū)動晶體管的輸出信號。另外，第一驅(qū)動電路包括第一驅(qū)動晶體管，該第一驅(qū)動晶體管被配置為接收第一偏置電壓和第一柵極信號，該第一柵極信號至少與輸入信號、第一偏置電壓和浮動電壓相關(guān)聯(lián)。第二驅(qū)動電路包括第二驅(qū)動晶體管，第二驅(qū)動晶體管被配置為接收第三偏置電壓和第二柵極信號，該第二柵極信號至少與輸入信號、第二偏置電壓和第三偏置電壓相關(guān)聯(lián)。第一驅(qū)動晶體管和第二驅(qū)動晶體管還被配置為生成輸出信號。此外，如果第一柵極信號使第一驅(qū)動晶體管導(dǎo)通，則第二柵極信號使第二驅(qū)動晶體管截止。如果第一柵極信號使第一驅(qū)動晶體管截止，則第二柵極信號使第二驅(qū)動晶體管導(dǎo)通。
[0015]根據(jù)另一實(shí)施例，一種用于驅(qū)動晶體管的方法包括:接收第一偏置電壓，處理與第一偏置電壓相關(guān)聯(lián)的信息，并且至少基于與第一偏置電壓相關(guān)聯(lián)的信息生成浮動電壓。該方法還包括:接收輸入信號、第一偏置電壓、第二偏置電壓、第三偏置電壓和浮動電壓；處理與輸入信號、第一偏置電壓、第二偏置電壓、第三偏置電壓和浮動電壓相關(guān)聯(lián)的信息；并且至少基于與輸入信號、第一偏置電壓、第二偏置電壓、第三偏置電壓和浮動電壓相關(guān)聯(lián)的信息生成用以驅(qū)動晶體管的輸出信號。另外，用于至少基于與第一偏置電壓相關(guān)聯(lián)的信息生成浮動電壓的處理包括:當(dāng)?shù)谝黄秒妷焊淖儠r改變浮動電壓；并且維持浮動電壓的大小比第一偏置電壓低第一預(yù)定值。
[0016]根據(jù)又一實(shí)施例，一種用于驅(qū)動晶體管的系統(tǒng)包括第一驅(qū)動電路和第二驅(qū)動電路。第一驅(qū)動電路被配置為接收輸入信號、第一偏置電壓和第二偏置電壓，該第一驅(qū)動電路包括電流鏡電路、開關(guān)和電流阱。第二驅(qū)動電路被配置為接收輸入信號和第二偏置電壓，第一驅(qū)動電路和第二驅(qū)動電路被配置為生成用以驅(qū)動晶體管的輸出信號。另外，開關(guān)被配置為接收輸入信號。電流阱被配置為生成第一電流。電流鏡電路通過開關(guān)被耦合到電流阱，并被配置為基于第一電流生成第二電流。此外，輸出信號至少是基于與