專利名稱：電壓電平變換電路的制作方法
總的來(lái)說(shuō)，本發(fā)明涉及電壓電平移位電路，更具體地說(shuō)，它涉及半導(dǎo)體電壓電平變換電路，其輸出電壓可變換到高于電源電壓和半導(dǎo)體電路的擊穿電壓。
在電子系統(tǒng)及子系統(tǒng)中，一般的做法是用半導(dǎo)體集成電路技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同晶體管之間的接口。更一般的做法是把不同種類的晶體管集成在同一半導(dǎo)體芯片上。為了實(shí)現(xiàn)這種不同種類晶體管間的接口，在不同種類的接口上常常要用電壓電平變換才能使電路正常工作。比如，為了實(shí)現(xiàn)射極合邏輯(ECL)與金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)電路間的接口，就必需把電壓在1.5伏和15伏之間變換。
當(dāng)必須實(shí)現(xiàn)低壓電路與高電壓電路的接口時(shí)，不同工藝間的接口設(shè)計(jì)存在更多困難。一個(gè)典型例子可能包含有低壓CMOS電路，由于其低功耗和高晶體管密度而被電子系統(tǒng)所采用，可能要求用CMOS電路來(lái)驅(qū)動(dòng)一些高電壓電路，比如顯示驅(qū)動(dòng)器和汽車控制電路。這些高電壓電路的擊穿電壓通常比低壓電路允許的電壓高。
在汽車電路中，常用高擊穿電壓的雙極型及Mos功率晶體管來(lái)驅(qū)動(dòng)諸如無(wú)滑制動(dòng)裝置。電子燃油泵、風(fēng)檔刮水器、電子門窗及電子鎖等的線圈及直流馬達(dá)。而這些高壓晶體管通常是用低功率低壓控制電路來(lái)控制和驅(qū)動(dòng)的。對(duì)于驅(qū)動(dòng)線包和馬達(dá)來(lái)說(shuō)，橫向和垂直的DMOS功率場(chǎng)效應(yīng)管特別有用，因?yàn)檫@種晶體管呈現(xiàn)非常低的導(dǎo)通電阻，因而在其負(fù)載端子上的電壓降很小。這種功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管可以非常有效地驅(qū)動(dòng)線圈和直流馬達(dá)，因?yàn)樗芙?jīng)受高電壓。
為了使功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的導(dǎo)通電阻減到最小，必須使驅(qū)動(dòng)其柵極的電壓高出功率部件的電源電壓。汽車中的電池電壓，因而也是功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電源電壓可以在大約5.5伏到36伏間變化。目前功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的擊穿電壓可超過(guò)80伏。因此，可以期望驅(qū)動(dòng)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵極的電壓高于電電源電壓而又小于功率場(chǎng)效應(yīng)管的擊穿電壓。因?yàn)榈蛪喊雽?dǎo)體電路具有卓越的晶體管密度且便于制造，它們作為高壓電路的驅(qū)動(dòng)和控制電路極其有用，還可省去高壓接口。
這樣，需要做的就是一半導(dǎo)體電壓電平變換電路，它提供的輸出電壓要變換到既高于電源電壓又高于半導(dǎo)體電路的擊穿電壓。
因此，本發(fā)明的目的是要提供一種改進(jìn)的半導(dǎo)體電壓電平變換電路。
本發(fā)明的另一目的是要提供這樣一種半導(dǎo)體電壓電平變換電路其輸出電壓的幅度大于半導(dǎo)體的擊穿電壓。
本發(fā)明的又一目的是提供一種半導(dǎo)體電壓電平變換電路，其輸出電壓的頻率是輸入信號(hào)頻率的兩倍。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是其提供的半導(dǎo)體電壓電平變換電路的輸出電壓的幅度大于電源電壓。
在用一種形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的和其它目的時(shí)，提供了一種用單晶片集成電路形式制造的電壓電平變換電路，它接在第一和第二電源電壓端子之間，它們分別接收第一和第二電源電壓，並在其輸出端提供輸出電壓，而其輸出電壓的幅度既大于該第一電源電壓，又大于其半導(dǎo)體器件的擊穿電壓。
接口電路的輸入端用來(lái)接收輸入信號(hào)，其接口電路把輸入信號(hào)的電壓電平變換到大于輸入電壓但小于該半導(dǎo)體的擊穿電壓。一電壓變換電路接在該接口電路和輸出端之間，它進(jìn)一步對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行變換，使變換后的信號(hào)的幅度大于半導(dǎo)體器件的擊穿電壓。
從結(jié)合下面附圖的詳細(xì)說(shuō)明中，可以更好地了解本發(fā)明的上述和其它目的、性能及優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明的一個(gè)較好實(shí)施例的構(gòu)成圖。
圖2是該實(shí)施例中所示結(jié)點(diǎn)的信號(hào)形圖。
圖1示出了一種可用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體處理技術(shù)制造的電壓電平變換電路，它包含電流鏡12、接口電路13和電壓變換電路14。電流鏡12由場(chǎng)效應(yīng)管7和8組成，它們的源極接到電源端子1，它們的柵極接到場(chǎng)效應(yīng)管7的漏極。場(chǎng)效應(yīng)管8的漏極接到電壓結(jié)點(diǎn)3。場(chǎng)效應(yīng)管7的連接使它構(gòu)成一個(gè)二極管，可調(diào)節(jié)場(chǎng)效應(yīng)管8的柵極電壓，從而使場(chǎng)效應(yīng)管7中流過(guò)的電流是場(chǎng)效應(yīng)管8中電流的鏡象。
場(chǎng)效應(yīng)晶體管9和11的源極接到電源端2，它們的柵極分別接輸入端5和6，它們的漏極分別與場(chǎng)效應(yīng)管7和8的漏極相連。加到輸入端子5的偏壓調(diào)節(jié)流過(guò)電流鏡12的電流量。加到輸入端子6的控制信號(hào)可使電流鏡接通或開斷。加到電壓結(jié)點(diǎn)3的變換電壓由電源電壓端子1的電池電壓的大小和流過(guò)電流鏡12的電流的大小來(lái)決定。
接口電路13具有一齊納二極管28，其陰極接到電壓結(jié)點(diǎn)3，其陽(yáng)極接電源端子2。該齊納二極管的齊納擊穿電壓小于電壓電平變換電路所用場(chǎng)效應(yīng)管的柵極氧化層擊穿電壓。標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)出的柵極氧化層擊穿電壓的典型值小于25伏。在汽車電路中，電池電源電壓是直接從12伏或24伏鉛酸電池中供電的，並且依據(jù)使用環(huán)境，該電壓可在5.5伏到36伏間變化。如果變換電壓超過(guò)齊納擊穿電壓(部分是由于電池電源電壓的波動(dòng))，則齊納二極管28就會(huì)雪崩，從而保持其電壓的電平低于柵極氧化層擊穿電壓。
場(chǎng)效應(yīng)晶體管16的源極接到一電源端4，其柵極接輸入端15，漏極接場(chǎng)效應(yīng)管17的漏板。場(chǎng)效應(yīng)管17的柵極接輸入端15，源極接到電源電壓端2。一個(gè)從電池電源電壓派生出的穩(wěn)定電壓加到電源端子4，其典型值是5伏。場(chǎng)效應(yīng)管16和17構(gòu)成反相器，其輸出在0.0伏到5.0伏間變化，並且該輸出是輸入端15的振蕩器輸入信號(hào)的反。
雙極晶體管27的集電極接電源電壓端子1，其基極接到電壓結(jié)點(diǎn)3。場(chǎng)效應(yīng)管18和19的源極接到雙極晶體管27的第一發(fā)射極，它們的漏極分別接到場(chǎng)效應(yīng)管21和22的漏極。場(chǎng)效應(yīng)管18的柵極接場(chǎng)效應(yīng)管19的漏極，而場(chǎng)效應(yīng)管19的柵極接場(chǎng)效應(yīng)管18的漏極。場(chǎng)效應(yīng)管21的柵極接輸入端15，其源極接電源電壓端子2。場(chǎng)效應(yīng)晶體管22的柵極接場(chǎng)效應(yīng)管16的漏極，其源極接電源電壓端子2。場(chǎng)效應(yīng)管18、19、21和22所構(gòu)成的電壓電平變換電路使得在場(chǎng)效應(yīng)管19和18的漏極可分別得到振蕩輸入信號(hào)的變換電壓信號(hào)和反相的變換電壓信號(hào)。該變換電壓信號(hào)和反相的變換電壓信號(hào)的幅度從變換電壓減去基射極電壓(Vbe)到電源電壓端子2的地電源電位間變化。
場(chǎng)效應(yīng)管23和25的源極接雙極晶體管27的第一射極，它們的柵極分別接場(chǎng)效應(yīng)管24和26的柵極，它們的漏極分別接到點(diǎn)31和29。場(chǎng)效應(yīng)管24和26的源極接電源電壓端2，它們的柵極分別接場(chǎng)效應(yīng)管18和19的漏極，它們的漏極分別接到點(diǎn)31和29。場(chǎng)效應(yīng)管23和24，以及25和26構(gòu)成兩個(gè)反相器，它們對(duì)變換的電壓信號(hào)和反相的變換信號(hào)提供附加的電流驅(qū)動(dòng)能力和使形整形。
接口電路13的功能是把從0.0伏到5.0伏變化的輸入信號(hào)變換成從0.0伏到變換電壓減Vbe間變化的正、反輸出電壓。並且變換電壓限制在其齊納擊穿電壓上，該電壓的選擇應(yīng)小于柵極氧化層擊穿電壓。並且，接口電路13接到一電池電源電壓，它可能超過(guò)所用場(chǎng)效應(yīng)管的柵極氧化層擊穿電壓，但又不會(huì)使這些場(chǎng)效應(yīng)管的柵極氧化層承受電池電源電壓的全部電位。
電壓變換電路14包含一電容32(它接在點(diǎn)29和點(diǎn)34之間)和電容33(它接在點(diǎn)31和點(diǎn)35之間)。點(diǎn)34和35分別接到雙極晶體管27的第二和第三射極。電容器38接在點(diǎn)34和點(diǎn)42之間，電容器39接到點(diǎn)35和點(diǎn)41之間。雙極晶體管36接成二極管形式，其基極和集電極接到點(diǎn)34，其射極接到點(diǎn)41。雙極晶體管37接成二極管形式，其基極和集電極接到點(diǎn)35，射極接到點(diǎn)42。雙極晶體管43和44接成二極管形式，其發(fā)射極接到輸出端46。雙極晶體管43的基極和集電極接到點(diǎn)41，雙極晶體管44的基極和集電極接到點(diǎn)42。電容器45接到輸出端46和電源電壓端2之間。
下面電路工作的討論中假定電池電源電壓是36伏，基射極壓降為0.7伏，輸入信號(hào)從0.0伏到5.0伏變化，齊納擊穿電壓是20.0伏。這些電壓只用作舉例，在正常電路工作中，這些實(shí)際電壓是會(huì)變動(dòng)的。圖2說(shuō)明了電壓電平變換電路中指定結(jié)點(diǎn)上應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)的電壓波形。
電流鏡12在電壓結(jié)點(diǎn)3產(chǎn)生一變換電壓，它是隨偏置電壓和電池電源電壓變化的，電流鏡也給雙極晶體管27提供基極電流。因?yàn)殡姵仉娫措妷菏?6.0伏，變換電菇礁哂諂肽啥 8的擊穿電壓而使之雪崩擊穿，並把變換電壓限制在20.0伏。若電池電壓下降，比方降到6.0伏(在冰凍天氣下啟動(dòng)汽車時(shí)就會(huì)出現(xiàn)這種情況)，變換電壓會(huì)隨之下降，齊納二極管將不會(huì)造成雪崩而限制該變換電壓。
由于變換電壓限制到20.0伏，雙極晶體管27的第一射極電壓將比變換電壓低一個(gè)Vbe，為19.3伏。參看圖2，輸入端子15的振蕩器輸入信號(hào)是所示的方，它產(chǎn)生所示的結(jié)點(diǎn)29和31的形。結(jié)點(diǎn)29的信號(hào)是反相的，且其幅度等于變換電壓減Vbe，而結(jié)點(diǎn)31的信號(hào)是同樣幅度的不反相使形。當(dāng)結(jié)點(diǎn)29的電壓是0.0伏時(shí)，結(jié)點(diǎn)34的電壓將等于雙極晶體管27第二發(fā)射極的射極電壓，它也等于變換電壓減Vbe，即19.3伏。同樣，當(dāng)結(jié)點(diǎn)31的電壓是0.0伏時(shí)，結(jié)點(diǎn)35的電壓將等于雙極晶體管27的第三射極的射極電壓，它也等于變換電壓減Vbe，即19.3伏。
當(dāng)結(jié)點(diǎn)29的電壓從0.0伏升到19.3伏時(shí)，結(jié)點(diǎn)34的電壓將通過(guò)電容器32充電到38.6伏，即又增加19.3伏。當(dāng)結(jié)點(diǎn)34上的電壓增到比變換電壓高出Vbe時(shí)，該第二發(fā)射極變?yōu)榉聪蚱茫瑏K把結(jié)點(diǎn)34與電壓結(jié)點(diǎn)3隔離開。當(dāng)結(jié)點(diǎn)29的電壓向0.0伏下降時(shí)，結(jié)點(diǎn)34的電壓通過(guò)電容32向0.0伏放電。但是，當(dāng)結(jié)點(diǎn)34降到比變換電壓低Vbe時(shí)，該第二發(fā)射極變?yōu)檎蚱茫３纸Y(jié)點(diǎn)34的電壓為19.3伏。結(jié)點(diǎn)31和35上的電壓通過(guò)電容33也以結(jié)點(diǎn)29和34同樣的方式充電和放電。雙極晶體管27的第三發(fā)射極以類似于第二發(fā)射極方式工作。正如圖2所示，結(jié)點(diǎn)34和35的電壓反相180度。
當(dāng)結(jié)點(diǎn)35的電壓處于最小值時(shí)，結(jié)點(diǎn)41的電壓等于結(jié)點(diǎn)34的上電壓減去Vbe。當(dāng)結(jié)點(diǎn)35的電壓從19.3伏向38.6伏增加時(shí)，它通過(guò)電容39充電而使結(jié)點(diǎn)41的電壓增加同樣的量值。當(dāng)結(jié)點(diǎn)41的電壓增到比結(jié)點(diǎn)34的電壓高出Vbe時(shí)，雙極晶體管36的二極管作用使結(jié)點(diǎn)34與結(jié)點(diǎn)41隔離開。當(dāng)結(jié)點(diǎn)35的電壓從38.6伏向19.3伏減小時(shí)，結(jié)點(diǎn)41的電壓將開始從57.2伏向19.3伏減小。但是，當(dāng)結(jié)點(diǎn)41的電壓降到比結(jié)點(diǎn)34的電壓低出一個(gè)Vbe時(shí)，雙極晶體管36變?yōu)檎?，從而使結(jié)點(diǎn)41的電壓限制到此結(jié)點(diǎn)34的電壓低出一個(gè)Vbe，即37.9伏。結(jié)點(diǎn)42的電壓以結(jié)點(diǎn)41電壓變化的同樣方式變化，只是它是通過(guò)雙極晶體管37和電容器38工作的，且相位相差180度，正如圖2所示。
輸出端子46的輸出電壓是由結(jié)點(diǎn)41和42電壓的交替峰值產(chǎn)生的。當(dāng)結(jié)點(diǎn)41上的電壓處于其57.2伏的最大值時(shí)，結(jié)點(diǎn)42上的電壓將處于其37.9伏的最小值。這使得輸出電壓等于結(jié)點(diǎn)41的電壓減去一個(gè)Vbe，即56.5伏，它使雙極晶體管44成為反偏二極管，而把輸出端46與端點(diǎn)42隔離開來(lái)。反過(guò)來(lái)，當(dāng)結(jié)點(diǎn)42的電壓處于其最大值57.2伏時(shí)，結(jié)點(diǎn)41的電壓處于最小值37.9伏。這將使輸出電壓等于結(jié)點(diǎn)42的電壓減去一個(gè)Vbe，即56.5伏，也使雙極晶體管43成為反偏二極管而使結(jié)點(diǎn)41與輸出端46隔離開。
輸出電壓的最大幅度可用下式計(jì)算Vout＝3(Vconv)-5(Vbe)其中，Vconv是變換電壓，Vout是輸出電壓。而輸出電壓的頻率是輸入信號(hào)頻率的2倍。頻率加倍的結(jié)果和優(yōu)點(diǎn)是減小了輸出端46的阻抗。在輸出端可以安全地提供56.5伏的幅度而不會(huì)造成Mos器件柵極氧化層的損壞。電容器32、33、38和39上的電位絕不會(huì)超過(guò)變換電壓。這使得可用薄氧化層(柵氧化層)上的多晶硅來(lái)制造電容器32、33、38和39，而不會(huì)超過(guò)柵極氧化層擊穿電壓。其優(yōu)點(diǎn)是所做的電容器每單位面積具有較高的容量，因而每個(gè)電容器的面積較小。
其輸出電壓有足夠高的幅度，使其可用以過(guò)驅(qū)動(dòng)功率場(chǎng)效應(yīng)管的柵極。在汽車應(yīng)用中，功率場(chǎng)效應(yīng)管可以直接與電池電源電壓相接。若電池電源電壓達(dá)到36伏，該電壓電平變換電路產(chǎn)生的輸出電壓是56.5伏，它是以使功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管在其最有效的工作區(qū)溝道電阻最小工作。
現(xiàn)在就可以完全明白所給出的電壓電平變換電路，它所提供的輸出電壓變換到既高于電源電壓電平，又高于半導(dǎo)體電路的擊穿電壓。
權(quán)利要求
1.一種用半導(dǎo)體處理技術(shù)制造的具有一擊穿電壓的電壓電平變換電路，該電路包括接收第一電壓的第一電源電壓端；接收第二電壓的第二電源電壓端；接收輸入信號(hào)的輸入端；輸出端；第一裝置，它接在上述第一和第二電源電壓端之間，並且它還與上述輸入端相接，以便對(duì)輸入信號(hào)電壓進(jìn)行變換；第二裝置，它接在上述第一裝置與上述輸出端之間，其作用是在輸出端產(chǎn)生一個(gè)幅度既大于第一電壓又大于擊穿電壓的輸出電壓。
2.如權(quán)利要求1的電壓電平變換電路，其所述第一裝置包括一第三裝置它接在上述第一和第二電源電壓端之間並與上述輸入端相接，其功能是要產(chǎn)生一正相和反相的信號(hào)，該信號(hào)的電壓電平大于輸入信號(hào)的幅度但小于擊穿電壓;和一第四裝置，它接在上述第一和第二電源電壓端之間，並與上述第三裝置相接，以便增加該一正一反信號(hào)的電流驅(qū)動(dòng)能力。
3.如權(quán)利要求1的電壓電平變換電路，其第二裝置包括與上述第一裝置相連的第五裝置，它產(chǎn)生變換的正信號(hào)和變換的反信號(hào)，且該變換的正信號(hào)和變換的反信號(hào)的電壓電平之幅度大于擊穿電壓。接在該第五裝置與輸出端之間的第六裝置，它產(chǎn)生的輸出電壓的頻率是輸入信號(hào)頻率的兩倍。
4.用半導(dǎo)體處理技術(shù)制造的具有擊穿電壓的電壓電平變換電路，該電路包括一接收第一電壓的第一電源電壓端;一接收第二電壓的第二電源電壓端;一接收輸入信號(hào)的輸入端;一輸出端;接在上述第一和第二電源電壓端之間並與所述輸入端相連的第一裝置，它分別在第一和第二結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生輸入信號(hào)的已變換正信號(hào)和已變換的反信號(hào);一第一電容器，其第一端與第一結(jié)點(diǎn)相接，還有個(gè)第二端;一具有與第二結(jié)點(diǎn)相接的第一端和一第二端的第二電容器;具有與上述第一電容器的第二端相接的第一端和一第二端的第三電容器;具有與上述第二電容的第二端相接的第一端和一個(gè)第二端的第四電容器;一第五電容器，其第一端與上述輸出端相連，第二端與上述第二電源電壓端相連;一第一二極管，其陽(yáng)極與上述第一電源電壓端相接，其陰極與第一電容器的第二端相接;一第二二極管，其陽(yáng)極與上述第二電源電壓端相接，陰極與第二電容器的第二端相接;一第三二極管，其陽(yáng)極與上述的第三電容器的第一端相連，陰極上述第四電容器的第二端相連;一第四二極管，其陽(yáng)極與上述的第四電容器的第一端相連，陰極與上述的第三電容器的第二端相連;一第五二極管，其陽(yáng)極與上述的第三二極管的陰極相連，其陰極與上述輸出端相連;以及一第六二極管，其陽(yáng)極與上述的第四二極管的陰極相連，其陰極與上述的所述輸出端相連。
5.一種用半導(dǎo)體處理技術(shù)制造的、具有鞔┑繆溝牡繆溝縉獎(jiǎng)浠壞緶罰玫緶釩ǎ 一接收第一電壓的第一電源電壓端;一接收第二電壓的第二電源電壓端;一接收輸入信號(hào)的第一輸入端;一接收反相輸入信號(hào)的第二輸入端;一個(gè)輸出端;接在第一、第二輸入端和上述輸出端之間的電壓電平變換裝置，其在所述輸出端上產(chǎn)生的輸出電壓的幅度既大于該第一電壓，又大于擊穿電壓。
6.如權(quán)利要求5的電壓電平變換電路，其電壓變換裝置中還包括具有與上述第一輸入端相接的第一端和一第二端的第一電容器;具有與所述第二輸入端相連的第一端和一第二端的第二電容器;有一與該第一電容器的第二端相接的第一端和一個(gè)第二端的第三電容器;有一與該第二電容器的第二端相連的第一端和一第二端的第四電容器;一第五電容器，其第一端與所述輸出端相接，其第二端與上述第二電源電壓端相接;一第一二極管，其陽(yáng)極與所述第一電源電壓端相接，其陰極與所述第一電容器的第二端相接;一第二二極管，其陽(yáng)極與上述所述第一電源電壓端相連，陰極與上述的第二電容器的第二端相連;一第三二極管，其陽(yáng)極與上述的第三電容器的第一端相連，陰極與上述的第四電容器的第二端相連;一第四二極管，其陽(yáng)極與上述的所述第四電容器的第一端相連，陰極與上述的第三電容器的第二端相連;一第五二極管，其陽(yáng)極與上述的所述第三二極管的陰極相連，其陰極接所述輸出端;以及一第六二極管，其陽(yáng)極接到上述的第四二極管的陰極，其陰極接到所述輸出端。
全文摘要
提供了一種可用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體處理工藝制造的電壓電平變換電路，它產(chǎn)生的輸出電壓的幅度既大于電源電壓，又大于MOS器件的柵極氧化層擊穿電壓。一種電壓電平變換電路交替地給第二對(duì)電容器充電。這第二對(duì)電容器與輸出端相接，用來(lái)產(chǎn)生的變換輸出電壓的頻率是電壓電平變換電路輸入信號(hào)頻率的兩倍的變換輸出電壓。
文檔編號(hào)H02K5/136GK1038381SQ8810330
公開日1989年12月27日 申請(qǐng)日期1988年5月31日 優(yōu)先權(quán)日1988年5月31日
發(fā)明者鄧·威廉姆·查爾斯 申請(qǐng)人:莫托羅拉公司