專利名稱：模擬二極管的電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種功能和二極管一樣的電路，它在一個方向上導(dǎo)通電流，而在相反的方向上截止電流。更具體地說，本發(fā)明涉及一種模擬二極管而沒有實際二極管的缺陷的電路。
普通的PN結(jié)二極管和肖特基勢壘二極管與正向電壓臨界值有關(guān)。更具體地說，一個理想二極管將在一個方向上無功率損耗地導(dǎo)通電流，而在相反方向上截止電流。但是，實際的(真正的)二極管僅在到達(dá)特定閾值電壓后在正向上導(dǎo)通電流。此外，由于實際二極管的內(nèi)阻，根據(jù)內(nèi)阻和電流的值產(chǎn)生一個額外電壓降。閾值電壓和內(nèi)阻導(dǎo)致的電壓降之和被稱為二極管的正向電壓降(Vf)。
在具有高正向電流的電路中，象備用電源中的電力整流器和“或”運算(ORing)二極管，功率損耗非常高并對電路效率具有很大的影響。因此，需要一種模擬二極管的功能的電路，在該電路中，在一個方向上導(dǎo)通電流，而在相反的方向上截止電流，同時為了降低電路中的功率損耗，具有一個低正向電壓降Vf。
Edlund在1983年11月22日公布的美國專利No.4417164中公開了一種單向機械閥電氣模式。Edlund提出，在這種模式下使用的的實際二極管的性能具有不同于理想二極管的主要缺陷，如當(dāng)它導(dǎo)通電流時跨過二極管出現(xiàn)電壓降。此外，實際二極管直到陽極和陰極之間的電壓差達(dá)到約0.5V的接通電壓時才開始導(dǎo)通電流。此外，二極管不會迅速從非導(dǎo)通狀態(tài)變換到導(dǎo)通狀態(tài)，而是具有一個有限的切換速度，該切換速度部分取決于跨過二極管的電壓變化速率。二極管受陽極和陰極之間的結(jié)電容的不利影響。因此，Edlund公開了如

圖1A所示的電路，包括一個場效應(yīng)晶體管(n-溝道增強MOSFET)1，其漏極和源極端子分別連接到輸入和輸出端子A和K，如圖示。電壓比較器2具有分別連接到MOSFET 1的漏極和源極的一個正輸入端3和一個負(fù)輸入端4，如圖示。比較器輸出端5連接到MOSFET 1的柵極。電壓比較器電源是浮動的，因此該裝置不受電力系統(tǒng)余數(shù)的影響。
眾所周知，在n-溝道裝置中，漏極電流通常沿正向流動－即電流以正柵極-源極電壓從漏極流向源極。典型地，漏極被連接到一個比源極更高的電壓。此外，眾所周知，n-溝道裝置具有一個與其連接的整體反向整流器。此本征二極管是該裝置的一個整體組成部分而不是一個獨立的電氣元件。在n-溝道裝置中，本征二極管實際上具有一個連接到源極的陽極和一個連接到漏極的陰極。
申請人為本發(fā)明專利提供的圖1B是用于分析圖1A的已有技術(shù)的電路的實際操作，并示出了具有一個本征二極管1a的n-溝道增強MOSFET 1，本征二極管1a的陽極連接到源極、其陰極連接到漏極。本征二極管1a被圈在一個圓圈內(nèi)，并用符號MOSFET表示本征二極管1a是MOSFET 1的一部分而不是一個單獨的電氣元件。
圖1A中Edlund的電路的理論操作如下當(dāng)一個較高的電壓被施加在漏極上然后施加在源極上，電壓比較器2的輸出5變高并被輸入到MOSFET 1的柵極。因此，MOSFET 1被控制，從較高電壓的端子A導(dǎo)通電流到較低電壓的端子K。另一方面，理論上，操作期間，當(dāng)端子K的電壓比端子A的電壓高時，電壓比較器2的輸出5變低并被輸入到MOSFET 1的柵極，從而控制MOSFET停止導(dǎo)通電流。理論上，當(dāng)端子A的電壓比端子K高時，MOSFET 1將從端子A導(dǎo)通電流到端子K。此外，理論上，在操作中，當(dāng)端子K的電壓比端子A高時，MOSFET 1不會從端子K導(dǎo)通電流到端子A。因此，理論上，Edlund的電路模仿了二極管的作用。
然而，事實上，本發(fā)明專利的申請人已經(jīng)認(rèn)識到現(xiàn)有技術(shù)中的問題當(dāng)利用實際MOSFET 1實際構(gòu)造Edlund的電路時，失敗了。圖1B用于分析圖1A的現(xiàn)有技術(shù)電路的實際操作。更具體地說，當(dāng)端子A的電壓比端子K的電壓高時，電壓比較器2的輸出5變高并被輸入到MOSFET 1的柵極。柵極控制MOSFET從端子A導(dǎo)通電流到端子K。另一方面，當(dāng)端子K的電壓比端子A高時，電壓比較器2產(chǎn)生一個低輸出電壓5，低輸出電壓5被輸入到MOSFET 1的柵極，從而控制MOSFET 1停止從端子K向端子A導(dǎo)通電流并截止電流。由于MOSFET 1的整體反向本征二極管1a，在實際操作中，MOSFET 1實際從高電壓端子K向低電壓端子A導(dǎo)通電流。因此，圖1A所示Edlund的電路沒有實際模擬二極管的功能，這是因為它沒有考慮到本發(fā)明專利申請人所認(rèn)識到的MOSFET 1的本征二極管1a的影響。
因此，目前仍然需要一種功能類似二極管的電路，在該電路中，在一個方向上導(dǎo)通電流而在相反方向上截止電流，而且，該電路具有低正向電壓降。也需要一種功能類似二極管的電路，在該電路中，在一個方向上導(dǎo)通電流而在相反方向上截止電流，并降低功率損耗。
本發(fā)明的一個目的是提供一種功能類似普通二極管的電路，它在一個方向上導(dǎo)通電流而在相反方向上截止電流。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種模擬二極管的功能并具有低正向電壓降的電路。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種功能類似二極管的電路，但消除了普通二極管的正向電壓降的閾值電壓。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種功能象二極管的電路，并能夠檢測該電路是否誤動作。
此外，本發(fā)明的一個目的是提供一種功能象二極管并提供誤動作指示的電路。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種在一個方向上導(dǎo)通電流而在相反方向上截止電流的電路，并且該電路沒有閾值電壓。
本發(fā)明還有一個目的是提供一種在一個方向上導(dǎo)通電流而在相反方向上截止電流的電路，并且該申路降低了功率損耗。
本發(fā)明的這些和其他目的通過一種具有兩個端子A和K的電路實現(xiàn)，該電路在從端子A到端子K的方向上導(dǎo)通電流，在從端子K到端子A的方向上截止電流，該電路包括電壓比較器，具有一個正輸入端子、一個負(fù)輸入端子、和一個輸出端子；和一個用于切換電流的三端子裝置，該裝置具有一個電子源極、一個電子漏極、和一個由電壓比較器的輸出電壓控制的控制端；三端子切換裝置具有一個與其連接的內(nèi)阻、和一個連接源極和漏極之間的本征二極管；其中本征二極管的有效陽極被連接到電路的端子A，本征二極管的有效陰極被連接到電路的端子K；其中源極被連接到電壓比較器的正輸入端，漏極被連接到電壓比較器的負(fù)輸入端。
在優(yōu)選實施例中，提供一種用于檢測切換裝置是否誤動作的裝置。
在另一個優(yōu)選實施例中，所提供電路包括具有一個正輸入端、一個負(fù)輸入端、和一個輸出端的電壓比較器；和具有一個集電極、一個發(fā)射極和一個基極的雙極型晶體管，其中集電極被連接到電壓比較器的正輸入端，發(fā)射極被連接到電壓比較器的負(fù)輸入端，雙極型晶體管的基極被連接到電壓比較器的輸出端。
本發(fā)明準(zhǔn)備使用檢測裝置用于檢測雙極型晶體管是否誤動作。
還公開了從端子A到端子K的方向上導(dǎo)通電流、在從端子K到端子A的方向上截止電流的方法，包括(a)把比較器正輸入端的電壓信號與比較器負(fù)輸入端的電壓信號相比較，獲得一個輸出電壓；(b)把三端子切換裝置連接在端子A和端子K之間，其中三端子切換裝置具有一個與其連接的內(nèi)阻、一個與其連接的本征二極管、和一個電子源極、一個電子漏極、和一個控制端；(c)把輸出電壓連接到三端子切換裝置的控制端；(d)把本征二極管的有效陽極連接到端子A；(e)把本征二極管的有效陰極連接到端子K；和(f)通過把三端子切換裝置的源極連接到比較器的正輸入端，把三端子切換裝置的漏極連接到比較器的負(fù)輸入端，把電壓信號輸入到比較器。
通過結(jié)合附圖對優(yōu)選實施例的描述以及所附權(quán)利要求，本發(fā)明的上述和其他目的、方式、特征和優(yōu)越性將更加清楚。
本發(fā)明通過例子來說明，但不局限于附圖，在附圖中相同或?qū)?yīng)的部件用相同的標(biāo)號來表示，其中
圖1A是使用根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的二極管模擬技術(shù)的單向機械裝置的電氣模型；圖1B示出了一個連接有MOSFET的本征二極管，用于分析圖1A的電路。
圖2是根據(jù)本發(fā)明使用n-溝道增強MOSFET的模擬二極管的電路；圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例使用p-溝道增強MOSFET的模擬二極管的電路；圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例增加了誤操作檢測裝置和誤操作指示器的圖2的電路；圖5A是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例使用一個npn雙極性晶體管模擬二極管功能的電路；圖5B是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例使用一個pnp雙極性晶體管模擬二極管功能的電路；圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例增加了誤操作檢測裝置和誤操作指示器的圖5A的電路；圖7是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例改為使用一個交流電壓比較器的圖2的道路；圖8是根據(jù)本發(fā)明的又一個實施例改為使用另一個一個交流電壓比較器的圖2的道路。
參考圖2，根據(jù)本發(fā)明的第一實施例，示出了一個功能類似二極管的電路，在該電路中，在從端子A到端子K的一個方向上導(dǎo)通電流，在相反方向從端子K到端子A截止電流，但是該電路具有一個較低的正向電壓降。從端子A到端子K的一個方向上導(dǎo)通電流而在相反方向從端子K到端子A截止電流的該電路包括一個三端子切換裝置10，用于通過電子源極S、電子漏極D、和一個控制端G切換電流。此外，三端子切換裝置10具有一個與其連接的內(nèi)阻和一個在源極和漏極之間與其連接的本征二極管。所示本征二極管11被包圍在一個圓圈內(nèi)，符號MOSFET表示本征二極管11是三端子切換裝置10的一部分而不是一個單獨的電氣元件。切換裝置10連接在端子A和K之間。
圖2的電路還包括一個電壓比較器12，電壓比較器12具有一個正輸入端13、一個負(fù)輸入端14和一個輸出端15。輸出端15被連接到三端子切換裝置10的控制端G。三端子切換裝置的源極S被連接到電壓比較器12的正輸入端13，三端子切換裝置10的漏極D被連接到電壓比較器12的負(fù)輸入端14。本征二極管11的有效陽極被連接到端子A，本征二極管的有效陰極被連接到端子K。因此，在操作中，本征二極管11增強了從端子A到端子K的導(dǎo)電性，并截止從端子K到端子A的電流導(dǎo)通。三端子切換裝置的本征二極管11用于增強整個電路的功能，以在從端子A到端子K的方向上導(dǎo)通電流，在相反方向上截止電流。因此，三端子切換裝置10的本征二極管11被用做增強整個電路的工作性能的電路元件，而不是象圖1A中Edlund的現(xiàn)有技術(shù)電路中降低電路的工作性能的轉(zhuǎn)換的不希望邊界效應(yīng)。
在圖2中，三端子切換裝置是一個n-溝道增強型MOSFET。因此，本征二極管11的有效陽極被連接到源極，有效陰極被連接到漏極。如前所述，源極被連接到端子A，漏極被連接到端子K。此外，源極被連接到電壓比較器12的正輸入端13，漏極被連接到電壓比較器12的負(fù)輸入端14。
在操作中，利用一個實際的n-溝道增強型MOSFET，圖2的電路功能如下當(dāng)端子A的電壓高于端子K時，電壓比較器12的輸出端15變高，接通MOSFET 10，以從高電壓的源極到低電壓的漏極導(dǎo)通電流。因此，電流從端子A流向端子K。n-溝道增強型MOSFET將從源極到漏極導(dǎo)通電流，雖然n-溝道增強型MOSFET一般被用在電路中用于從漏極到源極導(dǎo)通電流。
但是，當(dāng)與端子A的電壓相比端子K的電壓較高時，電壓比較器12的輸出端15變低并被輸入到MOSFET 10的柵極，以關(guān)斷從端子K到端子A的電流。由于本征二極管11的陰極被連接到端子K，本征二極管的陽極被連接到端子A，本征二極管11通過截止從端子K到端子A的電流協(xié)助MOSFET 10的操作。因此，圖2的電路功能類似二極管，在該電路中，從端子A到端子K導(dǎo)通電流，從端子K到端子A截止電流。MOSFET 10的本征二極管11增強了整個電路的工作性能，而不是象圖1A中Edlund的現(xiàn)有技術(shù)電路中破壞電路的工作性能。此外，實際二極管的閾值電壓被消除，正向電壓降低于普通二極管的正向電壓降并取決于與三端子切換裝置10相連的內(nèi)阻值和流過三端子切換裝置10的電流。
可以改變圖2的電路，使用一個n-溝道耗盡型MOSFET而不是所示的n-溝道增強型MOSFET 10。該電路的操作基本上相同。
圖3是本發(fā)明的第二實施例，其使用一個P-溝道增強型MOSFET而不是圖2的n-溝道增強型MOSFET。
圖3的電路包括一個電壓比較器22，電壓比較器22具有一個正輸入端23、一個負(fù)輸入端24和一個輸出端25。輸出端25連接到三端子切換裝置20的控制端G。三端子切換裝置的源極S連接到電壓比較器22的正輸入端23，三端子切換裝置20的漏極D連接到電壓比較器22的負(fù)輸入端24。切換裝置20的本征二極管21具有連接到端子A的有效陽極和連接到端子K的有效陰極。因此，在操作中，本征二極管21增強從端子A到端子K的導(dǎo)電性，并截止從端子K到端子A的電流導(dǎo)通。三端子切換裝置20的本征二極管21用于增強整個電路的功能，以在從端子A到端子K的方向上導(dǎo)通電流，在相反方向上截止電流。因此，三端子切換裝置20內(nèi)的本征二極管21被用做一個電路元件，增強電路的工作性能而不是轉(zhuǎn)換不希望的邊界效應(yīng)，該轉(zhuǎn)換降低了電路的工作性能，例如在圖1A中Edlund的現(xiàn)有技術(shù)電路中。
在圖3中，三端子切換裝置20是一個P-溝道增強型MOSFET。因此，本征二極管21具有一個連接到漏極的有效陽極和一個連接到源極的有效陰極。漏極連接到端子A，源極連接到端子K。此外，源極連接到電壓比較器22的正輸入端23，漏極連接到電壓比較器22的負(fù)輸入端24。
在操作中，使用一個實際的P-溝道增強型MOSFET，圖3的電路功能如下當(dāng)端子A的電壓高于端子K時，電壓比較器22的輸出端25變低，接通MOSFET 20，以從高電壓的漏極到低電壓的源極導(dǎo)通電流。因此，電流從端子A流向端子K。p-溝道增強型MOSFET將從漏極到源極導(dǎo)通電流，雖然p-溝道增強型MOSFET一般被用在電路中用于從源極到漏極導(dǎo)通電流。
但是，當(dāng)與端子A的電壓相比端子K的電壓較高時，電壓比較器22的輸出端25變高并被輸入到MOSFET 20的控制端G，以關(guān)斷從端子K到端子A的電流。由于本征二極管21的陰極被連接到端子K，本征二極管21的陽極被連接到端子A，本征二極管21通過截止從端子K到端子A的電流協(xié)助MOSFET 20的操作。因此，圖3的電路功能類似二極管，在該電路中，從端子A到端子K導(dǎo)通電流，從端子K到端子A截止電流。MOSFET 20的本征二極管21增強了圖3的整個電路的工作性能，而不是象圖1A中Edlund的現(xiàn)有技術(shù)電路中破壞電路的工作性能。此外，實際二極管的閾值電壓被消除，正向電壓降低于普通二極管的正向電壓降并取決于與三端子切換裝置20相連的內(nèi)阻值和流過三端子切換裝置20的電流。圖3的電路可以被改變，使用一個p-溝道耗盡型MOSFET而不是所示的p-溝道增強型MOSFET 20。該電路的操作基本上相同。
在圖3中，p-溝道MOSFET 20再次分別連接到端子A和K以及電壓比較器24的正負(fù)輸入端22和23，從而本征二極管21被利用，增強圖3的電路的工作性能而不是象不希望的邊界效應(yīng)降低電路的工作性能。
圖4示出了本發(fā)明的另一個實施例，使用n-溝道增強MOSFET的圖2的電路被改型成包括一個用于檢測三端子切換裝置10是否誤操作的檢測裝置16。圖2和4的三端子切換裝置10包括一個與溝道隔離的控制端(柵極G)，控制端與溝道隔離，從而能夠有效地操作該切換裝置，柵極電壓將形成或控制溝道，從而減小溝道寬度以增加或減小漏極-源極電阻，造成漏極電流變化，無柵極電流。因此，柵極電流(三端子切換裝置的控制端的任何電流)的存在表示該三端子切換裝置處于誤操作狀態(tài)。圖4所示用于檢測三端子切換裝置10是否誤操作的檢測裝置16測定是否有柵極電流。如果存在柵極電流，檢測裝置16的輸出端變高，高電壓被輸入到指示裝置26，指示裝置26指示三端子切換裝置10處于誤操作狀態(tài)。指示裝置26可以是一個燈或其他可視或可聽指示裝置，如LED。
用于檢測三端子切換裝置10是否誤操作的檢測裝置16包括具有一個正輸入端和一個負(fù)輸入端的電壓比較器17、具有一個正端子和一個負(fù)端子的閾值電壓發(fā)生器18、和一個電阻器19。電阻器19有兩個端部，被連接在電壓比較器12的輸出端15和切換裝置10的控制端G之間。電阻器19的第一端被連接到電壓比較器12的輸出端15。電阻器19的另一端被連接到三端子切換裝置10的控制端G和電壓比較器17的負(fù)輸入端。電壓比較器15的輸出端又被連接到閾值電壓發(fā)生器18的正端。閾值電壓發(fā)生器18的負(fù)端連接到電壓比較器17的正輸入端。
在操作中，如果n-溝道增強型MOSFET 10在工作，柵極電流接近于0并且沒有電壓穿過電阻器19。閾值電壓發(fā)生器18產(chǎn)生的小閾值電壓將比較器17的輸出端保持在一個邏輯低電壓，邏輯低電壓表示MOSFET 10處于正常狀態(tài)。如果MOSFET 10處于誤操作狀態(tài)，電流將流過MOSFET 10的柵極G，在電阻器19兩端產(chǎn)生電壓。如果該電壓超過發(fā)生器18產(chǎn)生的閾值電壓，比較器17的輸出端將處于邏輯高電壓，意味著MOSFET處于誤操作狀態(tài)。電壓閾值確定產(chǎn)生故障警告的柵極電流量。實際上，誤操作的MOSFET的柵極電流可能是正常工作的MOSFET的柵極電流的幾百萬倍。
使用耗盡型MOSFET的圖2和圖3的實施例也可以被改型成包括用于以類似于圖4所示方式檢測MOSFET是否誤操作的檢測裝置。
誤操作的MOSFET將在柵極和源極之間具有一個低阻抗或在柵極和漏極之間具有一個低阻抗。用于檢測這種低阻抗的任何檢測裝置可以被用在本發(fā)明的圖2(n-溝道)或圖3(p-溝道)的MOSFET實施例中。例如，下面圖6中所示的檢測裝置40可被連接到MOSFET的柵極和源極之間。類似的檢測裝置可以被用于檢測MOSFET的柵極和漏極是否短路。類似電路可以被用于任何類型的MOSFET(即，n或p-溝道，增強型或耗盡型)。
圖5A示出了本發(fā)明的另一個實施例。更具體地，雙極型晶體管30具有一個集電極C、一個發(fā)射極E、和一個基極B。圖5A的電路還包括一個電壓比較器32，電壓比較器32具有一個正輸入端33、負(fù)輸入端33和一個輸出端35。雙極型晶體管30的集電極連接到電壓比較器32的正輸入端33。雙極型晶體管30的發(fā)射極連接到電壓比較器32的負(fù)輸入端34。雙極型晶體管的基極連接到電壓比較器32的輸出端35。雙極型晶體管30連接在端子A和K之間。
在操作中，圖5A的電路在端子A的電壓比端子K的電壓高時從端子A到端子K導(dǎo)通電流。此外，圖5A的電路在端子K的電壓比端子A的電壓高時從端子K到端子A截止電流。此外，集電極和發(fā)射極之間的內(nèi)阻和從集電極到發(fā)射極的電流確定正向電壓降。因此，與普通二極管有關(guān)的閾值電壓被消除，正向電壓降變低。在操作中，當(dāng)端子A和端子K之間產(chǎn)生一個小電壓，使得端子A的電壓高于端子K的電壓時，比較器32將產(chǎn)生一個高輸出35到雙極型晶體管30的基極。因此，所示為npn型晶體管的雙極型晶體管30將從端子A到端子K導(dǎo)通電流。但是，如果端子K的電壓高于端子A的電壓，電壓比較器32將在雙極型晶體管30的基極產(chǎn)生一個低輸出35，其中斷從端子K到端子A的電流。雙極型晶體管30的內(nèi)阻所造成的端子K和端子A之間的電壓通過比較器32使雙極型晶體管保持關(guān)斷。
圖5B公開了本發(fā)明的另一個實施例，該實施例使用一個pnp型雙極型晶體管，在從端子A到端子K的一個方向?qū)娏鳎趶亩俗覭到端子A的相反方向上截止電流，并具有低正向電壓降。除npn型雙極型晶體管30已經(jīng)被pnp型雙極型晶體管31代替外，圖5B類似于圖5A。Pnp型雙極型晶體管31的集電極連接到電壓比較器32的正輸入端33，pnp雙極型晶體管31的發(fā)射極連接到電壓比較器32的負(fù)輸入端34。
在操作中，當(dāng)在端子A和端子K之間產(chǎn)生一個小電壓時，比較器32用與發(fā)射極電壓相比低的基極電壓，來接通雙極型晶體管31。雙極型晶體管31將集電極電流傳輸?shù)蕉俗覭，雙極型晶體管從端子A引取電流。通過電壓比較器32，集電極和發(fā)射極之間的小電壓降保持雙極型晶體管31接通。另一方面，如果端子K的其他電壓高于端子A的電壓，電壓比較器32將高輸出35傳送到雙極型晶體管31的基極。與端子A和發(fā)射極的低電壓比較，雙極型晶體管31的基極高電壓使雙極型晶體管31關(guān)斷，在端子K和端子A之間沒有電流導(dǎo)通。因此，通過從端子A到端子K導(dǎo)通電流，從端子K到端子A截止電流，圖5B的電路起到二極管的作用。此外，發(fā)射極和集電極之間的閾值電壓和流過晶體管的電流確定了正向電壓降，其小于普通二極管的正向電壓降。
圖6示出了圖5A的電路，包括一個改進增加一個檢測裝置40的npn雙極型晶體管30，和一個用于指示雙極型晶體管30的誤操作的指示裝置43，檢測裝置40用于檢測雙極型晶體管30是否誤操作。
誤操作的雙極型晶體管在基極和發(fā)射極之間具有一個低阻抗。如果電流從端子A流到端子K，由于電流通路中的電阻，在端子A和端子K之間存在一個小正電壓。因此，電壓比較器32的輸出電壓為高電平。如果雙極型晶體管30工作正常，基極和發(fā)射極之間的電壓約為0.7V。檢測裝置40的發(fā)生器41產(chǎn)生的閾值電壓稍低于0.7V并保持比較器42的輸出在一個低電壓，意味著晶體管正常。如果雙極型晶體管30誤操作，基極和發(fā)射極之間的電壓幾乎為0。發(fā)生器41產(chǎn)生的電壓閾值使比較器42的輸出為高電平，意味著晶體管誤操作。發(fā)生器41產(chǎn)生的閾值電壓確定基極發(fā)射極電壓，基極發(fā)射極電壓將產(chǎn)生一個故障報警。比較器42的輸出被提供到一個指示裝置43，指示裝置43可以是一個燈44或LED或任何其他可視或可聽指示器，用于提供晶體管故障的指示。實際上，誤操作的晶體管的基極發(fā)射極電壓只有幾毫伏，而正常工作的晶體管的基極發(fā)射極電壓約為700mV。
此外，如圖5B所示的pnp晶體管31代替圖5A的npn晶體管30的情況下，可以設(shè)置一個用于檢測pnp雙極型晶體管是否誤操作的檢測裝置和一個用于指示pnp雙極型晶體管誤操作的指示裝置。在這種情況下，該檢測裝置類似于圖6的檢測裝置40，被連接在pnp晶體管的發(fā)射極和基極之間，但是，電壓發(fā)生器41的極性被反向，比較器42的邏輯高電平表示晶體管正常。此外，指示裝置43的故障發(fā)光表示晶體管誤操作。
圖7和8示出了具有交流電壓比較器的改型的圖2的電路。在本發(fā)明的先前的實施例中，電壓比較器12、22和32是運算放大器。但是，這些電壓比較器可以用圖7和8所示的電壓比較器52和62代替。
在圖7中，電壓比較器52具有一個正輸入端53、一個負(fù)輸入端54、和一個輸出端55。電壓比較器52包括雙極型晶體管56，雙極型晶體管56具有一個發(fā)射極e1、一個集電極c1和一個基極b1。所示的晶體管56為一個npn雙極型晶體管但是該電路可以被改型，用pnp晶體管代替npn晶體管56。電壓比較器52還包括一個串聯(lián)電阻器57和58以及實際的二極管59。雙極型晶體管56的發(fā)射極e1是電壓比較器52的正輸入端53。雙極型晶體管56的集電極c1是電壓比較器52的輸出端55。串聯(lián)電阻器57和58連接在雙極型晶體管56的集電極c1和基極b1之間。雙極型晶體管56的基極b1還連接到二極管59的陽極，二極管59的陰極是電壓比較器52的負(fù)輸入端54。二極管59允許跨過二極管的使用電壓范圍約為25到150V，因此，即使在構(gòu)成電壓比較器52的電路元件之間產(chǎn)生此范圍內(nèi)的電壓，電壓比較器52也可以被使用。但是，正電源干線電壓一般在3.3到12V范圍內(nèi)。
圖8示出了改型成包括電壓比較器的另一個可替換實施例的圖2的電路。在圖8中，圖2的電壓比較器12被電壓比較器62代替。電壓比較器62具有一個正輸入端63、一個負(fù)輸入端64和一個輸出端65。電壓比較器62包括兩個串聯(lián)電阻器66和67，以及兩個晶體管68和69。每一個晶體管具有一個發(fā)射極、集電極和基極。所示晶體管68和69是npn雙極型晶體管。但是，該電路可以被改型，用pnp晶體管代替npn晶體管68和69。
如圖8所示，晶體管68的發(fā)射極是電壓比較器62的正輸入端63。晶體管69的發(fā)射極是電壓比較器62的負(fù)輸入端64。電阻器66和67串聯(lián)連接在晶體管68和69的集電極之間。晶體管68的集電極是電壓比較器62的輸出端65。晶體管68和69的基極被連接并對晶體管69的集電極短路。雙極型晶體管69的基極和發(fā)射極之間僅可以耐受約5V的電壓。因此，如果這個電壓超過該電平，圖7所示的電壓比較器應(yīng)當(dāng)被替代使用。典型地，當(dāng)該電路的正電源干線電壓在3.3到12V范圍內(nèi)時，晶體管69可以滿足要求。
本發(fā)明還涉及一種方法，在從端子A到端子K的一個方向上導(dǎo)通電流，在從端子K到端子A的第二方向上截止電流。在該方法中，連接三端子切換裝置的本征二極管使其有效陽極被連接到端子A，本征二極管的有效陰極被連接到端子K。此外，比較器正輸入端的電壓信號與比較器負(fù)輸入端的電壓信號比較，獲得一個輸出電壓。電壓比較器的輸出端連接到三端子切換裝置的控制端，三端子切換裝置的源極的電壓被輸入到電壓比較器的正輸入端，三端子切換裝置的漏極電壓被輸入到比較器的負(fù)輸入端。
使用一個三端子切換裝置，通過把漏極(或源極)連接到比源極(漏極)高的電壓，該裝置典型地允許電流從漏極(或源極)流到源極(或漏極)。在本發(fā)明的該方法中，漏極(或源極)一般被連接到較高電壓，從而電流趨于從漏極(或源極)流到源極(或漏極)，而在該方法中漏極(或源極)被連接到較低電壓，從而該裝置被用來從源極(或漏極)向漏極(或源極)導(dǎo)通電流。因此，MOSFET裝置被連接以與MOSFET裝置通常工作的極性相反的極性工作。
本發(fā)明連接一切換裝置，如任何類型的晶體管(MOSFET或雙極型晶體管)，用于在兩個端子A和K之間切換電流，從端子A到端子K導(dǎo)通電流，從端子K到端子A截止電流，這里沒有用于在連接到端子A和K的兩個端子之間導(dǎo)通的有效閾值電壓。在連接到端子A和K的兩個端子之間有一個連接到切換裝置的內(nèi)阻。此外，切換裝置的導(dǎo)通受切換裝置控制端的控制，切換裝置的控制端由諸如電壓比較器的裝置來控制，電壓比較器從端子A和K接受信號。如果切換裝置具有與其連接的本征二極管，二極管的陽極連接到端子A，二極管的陰極連接到端子K。當(dāng)端子A的電壓高于端子K時，切換裝置允許從端子A到端子K導(dǎo)通電流，當(dāng)端子K的電壓比端子A的電壓高時，從端子K到端子A截止電流。
本發(fā)明的方法包括把比較器正輸入端的電壓信號與比較器負(fù)輸入端的電壓信號相比較，獲得一個輸出電壓；(a)在端子A和K之間連接三端子切換裝置，其中三端子切換裝置連接有一個內(nèi)阻，一個本征二極管，以及一個電子源極、一個電子漏極和一個控制端；(b)把輸出電壓連接到三端子切換裝置的控制端；(c)把本征二極管的有效陽極連接到端子A；(d)把本征二極管的有效陰極連接到端子K；和(e)通過把三端子切換裝置的的源極連接到比較器的正輸入端，把三端子切換裝置的漏極連接到比較器的負(fù)輸入端，把電壓信號輸入到比較器。
雖然已經(jīng)參考優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了描述，顯然對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在本發(fā)明的精神和保護范圍內(nèi)可以進行改型和改進。例如，npn晶體管可以被pnp晶體管代替(電路沒有或很少改動)，反之亦然，并且，增強型MOSFET可以被耗盡型MOSFET代替，反之亦然。此外，在電路改動很小的情況下，n-溝道MOSFET可以被p-溝道MOSFET代替，反之亦然。
檢測裝置可以被用于電路，該電路使用雙極型晶體管以及MOSFET，耗盡型MOSFET以及增強型MOSFET，和p-溝道MOSFET以及n-溝道MOSFET。公開的各種電壓比較器可以被用在圖2、3、4、5A、5B和6的任何電路中。此外，在很小改動的情況下，可以使用其它切換裝置如其它類型的晶體管，可以認(rèn)為，在本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員知道包括其它晶體管的其它切換裝置等同于這里公開的切換裝置。通過例子描述了優(yōu)選實施例的附圖及說明，而不是限定本發(fā)明的范圍，并試圖把所有這種修改和改型覆蓋在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1．具有兩個端子A和K的電路，該電路在從端子A到端子K的一個方向上導(dǎo)通電流，在從端子K到端子A的相反方向上截止電流，該電路包括一個電壓比較器，具有一個正輸入端、一個負(fù)輸入端和一個輸出端；以及一個用于切換電流的三端子切換裝置，具有一個電子源極、一個電子漏極和一個控制端，控制端由所述電壓比較器輸出端的電壓控制；所述三端子切換裝置連接有一個內(nèi)阻、一個連接在所述源極和所述漏極之間的本征二極管；和其中所述本征二極管的有效陽極連接到所述電路的端子A，所述本征二極管的有效陰極連接到所述電路的端子K；其中所述源極連接到所述電壓比較器正輸入端，所述漏極連接到所述電壓比較器的負(fù)輸入端。
2．如權(quán)利要求1所述的電路，其中所述切換裝置包括一個n-溝道MOSFET。
3．如權(quán)利要求1所述的電路，其中所述切換裝置包括一個p-溝道MOSFET。
4．如權(quán)利要求1所述的電路，其中所述電壓比較器包括一個雙極型晶體管、兩個串聯(lián)電阻器和一個二極管，該雙極型晶體管具有一個發(fā)射極、集電極和基極；其中所述雙極型晶體管的發(fā)射極是所述電壓比較器的正輸入端，所述雙極型晶體管的集電極是所述電壓比較器的輸出端，所述串聯(lián)連接電阻器連接在所述雙極型晶體管的集電極和基極之間，所述雙極型晶體管的所述基極還連接到所述二極管的陽極，所述二極管的陰極是所述電壓比較器的負(fù)輸入端。
5．如權(quán)利要求1所述的電路，其中所述電壓比較器包括兩個電阻器和兩個晶體管，每一個晶體管具有一個發(fā)射極、一個集電極和一個基極，其中第一晶體管的發(fā)射極是電壓比較器的正輸入端，第二晶體管的發(fā)射極是電壓比較器的負(fù)輸入端，兩個電阻器串聯(lián)連接在第一和第二晶體管的集電極之間，第一晶體管的集電極是電壓比較器的輸出端，兩個晶體管的基極被連接并對第二晶體管的集電極短路。
6．如權(quán)利要求1所述的電路，還包括用于檢測切換裝置是否誤操作的檢測裝置。
7．如權(quán)利要求6所述的電路，其中所述檢測裝置檢測所述切換裝置的所述控制端和所述源極之間的一個低阻抗。
8．如權(quán)利要求6所述的電路，其中所述檢測裝置檢測所述切換裝置的所述控制端和所述漏極之間的一個低阻抗。
9．如權(quán)利要求6所述的電路，其中所述檢測裝置檢測所述切換裝置控制端的零電流。
10．一種電路，包括一個電壓比較器，具有一個正輸入端、一個負(fù)輸入端、和一個輸出端；以及一個用于切換電流的切換裝置，具有一個電子漏極、一個電子源極和一個控制端，其中所述漏極連接到所述負(fù)輸入端，所述源極連接到所述正輸入端，所述控制端連接到所述電壓比較器的所述輸出端。
11．如權(quán)利要求10所述電路，其中所述切換裝置是一個n溝道裝置。
12．如權(quán)利要求10所述電路，其中所述切換裝置是一個p溝道裝置。
13．如權(quán)利要求10所述電路，其中所述切換裝置是一個MOSFET。
14．如權(quán)利要求所述電路，還包括用于檢測所述切換裝置是否誤操作的檢測裝置。
15．一種電路，包括一個電壓比較器，具有一個正輸入端、一個負(fù)輸入端、和一個輸出端；以及一個雙極型晶體管，具有一個集電極、一個發(fā)射極和一個基極，其中所述集電極連接到所述電壓比較器的所述正輸入端，所述發(fā)射極連接到所述電壓比較器的所述負(fù)輸入端，所述雙極型晶體管的基極連接到所述電壓比較器的輸出端。
16．如權(quán)利要求15所述電路，還包括用于檢測所述雙極型晶體管是否誤操作的檢測裝置。
17．如權(quán)利要求15所述電路，其中所述檢測裝置檢測所述雙極型晶體管的所述基極和集電極之間的一個低阻抗。
18．一種在從端子A到端子K的一個方向上導(dǎo)通電流而在在從所述端子K到所述端子A的第二方向上截止電流的方法，包括a．把比較器正輸入端的電壓信號與所述比較器負(fù)輸入端的電壓信號相比較，獲得一個輸出電壓；b．把三端子切換裝置連接在端子A和端子K之間，其中所述三端子切換裝置具有一個與其連接的內(nèi)阻、一個與其連接的本征二極管、和一個電子源極、一個電子漏極、和一個控制端；c．把輸出電壓連接到所述三端子切換裝置的所述控制端；d．把所述本征二極管的有效陽極連接到端子A；e．把所述本征二極管的有效陰極連接到端子K；和f．通過把所述三端子切換裝置的所述源極連接到所述比較器的所述正輸入端，把所述三端子切換裝置的所述漏極連接到所述比較器的所述負(fù)輸入端，把電壓信號輸入到所述比較器。
19．如權(quán)利要求18所述方法，還包括檢測所述三端子切換裝置是否誤操作。
20．如權(quán)利要求19所述方法，其中，通過檢測所述三端子切換裝置的控制端與源極和漏極之一之間的一個低阻抗，檢測所述三端子切換裝置的誤操作。
21．如權(quán)利要求19所述方法，其中，通過檢測所述三端子切換裝置的控制端的零電流來檢測所述三端子切換裝置的誤操作。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種模擬二極管功能的電路,它在一個方向上導(dǎo)通電流,而在相反的方向上截止電流,但該電路具有一個低正向電壓降。連接一個電壓比較器(12)和一個三端子切換裝置(10),從而利用與切換裝置連接的本征反向二極管(11)在希望導(dǎo)通電流的方向上導(dǎo)通電流,在希望截止電流的方向上截止電流。電壓比較器控制三端子切換裝置的控制端(G)以接通切換裝置,從而當(dāng)端子A的電壓高于端子K的電壓時,從端子A到端子K導(dǎo)通電流,當(dāng)端子K的電壓高于端子A的電壓時中斷從端子K到端子A的電流。通常連接到兩個電壓端子的較高電壓端的切換端子(源極或漏極)被連接到兩個電壓端子的較低電壓端。切換裝置可以是MOSFET、p－或n－溝道、耗盡或增強型?；蛘?可以把雙極型晶體管(30)連接到電壓比較器來模擬二極管的功能。電壓比較器的另一個實施例被公開。本發(fā)明還包括在一個方向上導(dǎo)通電流而在第二方向上截止電流的方法,該方法降低了功率損耗。
文檔編號H03K17/06GK1297613SQ99805008
公開日2001年5月30日 申請日期1999年4月12日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月14日
發(fā)明者阿里安·M·簡森 申請人:Nmb(美國)公司