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一种具有自适应TIA的驱动电路

申请号 CN202410033319.8 申请日 2024-01-09 公开(公告)号 CN117914292A 公开(公告)日 2024-04-19
申请人 电子科技大学; 发明人 张有润; 孙永明; 穆壮志; 肖沛羿; 邵思成; 甄少伟; 张波;
摘要 本 发明 属于模拟集成 电路 技术领域,具体涉及一种具有自适应TIA的驱动电路。本发明在TIA中设置了RC网络补偿结构和电源 电压 稳压电路,利用补偿网络在 闭环系统 中引入左半平面零点,且零点比主极点更靠近原点,在频域内起到展宽带宽的作用,同时在时域内,达到使瞬态响应加快的效果;利用瞬态增强电路,使得VP和VN同时变化,同样有加快比较器翻转的效果,从而减小了整个系统的传输延迟时间。
权利要求

1.一种具有自适应TIA的驱动电路,包括第一光电二极管、第二光电二极管、TIA和比较器,所述第一光电二极管的输出连接TIA的正输入端,第二光电二极管连接TIA的负输入端,TIA的正输出端连接比较器的负输入端,TIA的负输出端连接比较器的正输入端;所述比较器的输出端输出逻辑信号;所述第二光电二极管的光信号输入被遮挡,第一光电二极管的光输入信号未被遮挡,即第一光电二极管用于接收光信号产生光电流,而第二光电二极管不产生光电流;其特征在于,所述TIA为自适应TIA,能用于高压电路,所述自适应TIA包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管、第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管、第一PDEMOS管、第二PDEMOS管、第一NPN管、第二NPN管、第三NPN管、第四NPN管、第五NPN管、第六NPN管、第七NPN管、第八NPN管、第九NPN管、第十NPN管、第十一NPN管、第十二NPN管、第十三NPN管、第十四NPN管、第十五NPN管、第十六NPN管、第十七NPN管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第一电容、第二电容和第三电容;其中,第一NMOS管的栅极和漏极短接并连接到外部基准电流源IREF,第一NMOS管的源极接地;第二NMOS管的栅极接第一NMOS管的栅极,第二NMOS管的源极接地;
第三NMOS管的栅极接第一NMOS管的栅极,第三NMOS管的源极接地;第四NMOS管的栅极接第一NMOS管的栅极,第四NMOS管的源极接地;
第五NMOS管的栅极接第一NMOS管的栅极,第五NMOS管的源极接地;第六NMOS管的栅极接第一NMOS管的栅极,第六NMOS管的源极接地;
第一PMOS管的栅极和漏极短接并连接第二NMOS管的漏极,第一PMOS管的源极连接第二PDEMOS管的漏极;第二PMOS管的栅极接第一PMOS管的栅极,第二PMOS管的源极连接第二PDEMOS管的漏极;
第三PMOS管的栅极第一PMOS管的栅极,第三PMOS管的源极连接第二PDEMOS管的漏极;
第四PMOS管的栅极接第一PMOS管的栅极,第四PMOS管的源极连接第二PDEMOS管的漏极;
第五PMOS管的栅极和漏极短接并连接到第一PDEMOS管的源极,第五PMOS管的源极接高压电源VCC;第六PMOS管的栅极接第五PMOS管的栅极,第六PMOS管的源极接高压电源VCC;
第一PDEMOS管的栅极和漏极短接并连接基准电流源IDC,第一PMOS管的源极连接第五PMOS管的漏极;第二PDEMOS管的栅极接第一PDEMOS管的栅极,第二PDEMOS管的源极连接第六PMOS管的漏极;
第一NPN型三极管的基极连接TIA负输入端,第一NPN型三极管的发射极接地;第二NPN型三极管的基极连接第一NPN型三极管的集电极,第二NPN型三极管的集电极连接第二PDEMOS管的漏极,第二NPN型三极管的发射极连接第十三NPN型三极管的集电极;第三NPN型三极管的基极连接第二NPN型三极管的发射极,第三NPN型三极管的发射极连接第十四NPN型三极管的集电极;
第四NPN型三极管的基极连接TIA正输入端,第四NPN型三极管的发射极接地;第五NPN型三极管的基极连接第四NPN型三极管的集电极,第五NPN型三极管的集电极连接第二PDEMOS管的漏极,第五NPN型三极管的发射极连接第十六NPN型三极管的集电极;第六NPN型三极管的基极连接第五NPN型三极管的发射极,第六NPN型三极管的发射极连接第十五NPN型三极管的集电极;
第七NPN型三极管的基极连接第三NPN型三极管的集电极,第七NPN型三极管的集电极连接第二PDEMOS管的漏极,第七NPN型三极管的发射极连接第五NMOS管的漏极;第八NPN型三极管的基极连接第七NPN型三极管的发射极,第八NPN型三极管的集电极连接第二PDEMOS管的漏极;
第九NPN型三极管的基极连接第三NPN型三极管的集电极,第九NPN型三极管的集电极连接第二PDEMOS管的漏极,第九NPN型三极管的发射极连接第三NMOS管的漏极;第十NPN型三极管的基极连接第九NPN型三极管的发射极,第十NPN型三极管的集电极连接第二PDEMOS管的漏极;
第十一NPN型三极管的基极连接第十二NPN型三极管的基极,第十一NPN型三极管的集电极连接第四PMOS管的漏极,第十一NPN型三极管的集电极连接第七NPN型三极管的基极,第十一NPN型三极管的集电极连接第三NPN型三极管的集电极,第十一NPN型三极管的发射极接地;第十二NPN型三极管的集电极连接第三PMOS管的漏极,第十二NPN型三极管的集电极连接第九NPN型三极管的基极,第十二NPN型三极管的集电极连接第六NPN型三极管的集电极,第十二NPN型三极管的发射极接地。;
第十三NPN型三极管的基极连接到第十七NPN型三极管的基极,第十三NPN型三极管的发射极接地;第十四NPN型三极管的基极连接到第十七NPN型三极管的基极,第十四NPN型三极管的发射极接地;
第十五NPN型三极管的基极连接到第十七NPN型三极管的基极,第十五NPN型三极管的发射极接地;第十六NPN型三极管的基极连接到第十七NPN型三极管的基极,第十六NPN型三极管的发射极接地;
第十七NPN型三极管的基极和集电极短接并连接到第二PMOS管的漏极,第十七NPN型三极管的发射极接地;
第一电阻的一端接第二PDEMOS管的漏极,第一电阻的另一端接第二NPN型三极管的基极;第二电阻的一端接第二PDEMOS管的漏极,第二电阻的另一端接第六NMOS管的漏极;第三电阻的一端接第六NMOS管的漏极,第三电阻的另一端接第七NPN型三极管的基极;
第四电阻的一端接第二PDEMOS管的漏极,第四电阻的另一端接第五NPN型三极管的基极;第五电阻的一端接第二PDEMOS管的漏极,第五电阻的另一端接第九NPN型三极管的基极;
第六电阻的一端接TIA负输入端,第六电阻的另一端接第十四NPN型三极管的集电极;
第七电阻的一端接TIA正输入端,第七电阻的另一端接第十五NPN型三极管的集电极;
第八电阻的一端接第八NPN型三极管的发射极,第八电阻的另一端接第十一NPN型三极管的基极;第九电阻的一端接第十NPN型三极管的发射极,第九电阻的另一端接第十一NPN型三极管的基极;
第一电容的一端接第三NPN型三极管的发射极,第一电容的另一端接TIA负输入端;
第二电容的一端接第六NPN型三极管的发射极,第二电容的另一端接TIA正输入端;第三电容的一端接第三NPN型三极管的发射极,第三电容的另一端接第六NPN型三极管的发射极。

说明书全文

一种具有自适应TIA的驱动电路

技术领域

[0001] 本发明属于模拟集成电路技术领域,具体涉及一种具有自适应TIA的驱动电路。

背景技术

[0002] 功率半导体作为开关已经广泛应用到新能源汽车、智能家居等产品中,因此功率半导体对栅驱动系统的需求量也显著增加。光隔离系统在栅驱动电路中广泛应用,利用发光二极管(LED)与光电二极管(PD)实现电气隔离,控制端产生信号控制LED发光,接收端利用PD将光信号转换为电流信号,经跨阻放大器(TIA)放大为电压信号,再传输到后续模处理。

发明内容

[0003] 为了减小隔离驱动的传输时间延迟,本发明提出了一种具有自适应TIA的驱动电路,其中一种自适应TIA是指具有能提高瞬态响应的RC网络补偿结构以及自适应电源电压稳压电路的TIA。
[0004] RC网络补偿在闭环系统中引入左半平面零点,且零点比主极点更靠近原点,使得在频域内展宽带宽,在时域内瞬态响应加快。
[0005] 由于该TIA应用在高电源电压的系统中,因此TIA的电源电压一般需要进行降压,本发明提出的自适应TIA具有电源电压稳压电路,通过差分反馈电路,不仅稳定了TIA的电源电压,而且加快了后级比较器的翻转速度。
[0006] 本发明的技术方案是:
[0007] 一种具有自适应TIA的驱动电路,包括第一光电二极管、第二光电二极管、TIA和比较器,所述第一光电二极管的输出连接TIA的正输入端,第二光电二极管连接TIA的负输入端,TIA的正输出端VP连接比较器的负输入端,TIA的负输出端VN连接比较器的正输入端;所述比较器的输出端输出逻辑信号;所述第二光电二极管的光信号输入被遮挡,第一光电二极管的光输入信号未被遮挡,即第一光电二极管用于接收光信号产生光电流,而第二光电二极管不产生光电流;其特征在于,所述TIA为自适应TIA,能用于高压电路,所述自适应TIA包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管、第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管、第一PDEMOS管、第二PDEMOS管、第一NPN管、第二NPN管、第三NPN管、第四NPN管、第五NPN管、第六NPN管、第七NPN管、第八NPN管、第九NPN管、第十NPN管、第十一NPN管、第十二NPN管、第十三NPN管、第十四NPN管、第十五NPN管、第十六NPN管、第十七NPN管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第一电容、第二电容和第三电容;其中,
[0008] 第一NMOS管的栅极和漏极短接并连接到外部基准电流源IREF,第一NMOS管的源极接地;第二NMOS管的栅极接第一NMOS管的栅极,第二NMOS管的源极接地;
[0009] 第三NMOS管的栅极接第一NMOS管的栅极,第三NMOS管的源极接地;第四NMOS管的栅极接第一NMOS管的栅极,第四NMOS管的源极接地;
[0010] 第五NMOS管的栅极接第一NMOS管的栅极,第五NMOS管的源极接地;第六NMOS管的栅极接第一NMOS管的栅极,第六NMOS管的源极接地;
[0011] 第一PMOS管的栅极和漏极短接并连接第二NMOS管的漏极,第一PMOS管的源极连接第二PDEMOS管的漏极;第二PMOS管的栅极接第一PMOS管的栅极,第二PMOS管的源极连接第二PDEMOS管的漏极;
[0012] 第三PMOS管的栅极第一PMOS管的栅极,第三PMOS管的源极连接第二PDEMOS管的漏极;第四PMOS管的栅极接第一PMOS管的栅极,第四PMOS管的源极连接第二PDEMOS管的漏极;
[0013] 第五PMOS管的栅极和漏极短接并连接到第一PDEMOS管的源极,第五PMOS管的源极接高压电源VCC;第六PMOS管的栅极接第五PMOS管的栅极,第六PMOS管的源极接高压电源VCC;
[0014] 第一PDEMOS管的栅极和漏极短接并连接基准电流源IDC,第一PMOS管的源极连接第五PMOS管的漏极;第二PDEMOS管的栅极接第一PDEMOS管的栅极,第二PDEMOS管的源极连接第六PMOS管的漏极;
[0015] 第一NPN型三极管的基极连接TIA负输入端,第一NPN型三极管的发射极接地;第二NPN型三极管的基极连接第一NPN型三极管的集电极,第二NPN型三极管的集电极连接第二PDEMOS管的漏极,第二NPN型三极管的发射极连接第十三NPN型三极管的集电极;第三NPN型三极管的基极连接第二NPN型三极管的发射极,第三NPN型三极管的发射极连接第十四NPN型三极管的集电极;
[0016] 第四NPN型三极管的基极连接TIA正输入端,第四NPN型三极管的发射极接地;第五NPN型三极管的基极连接第四NPN型三极管的集电极,第五NPN型三极管的集电极连接第二PDEMOS管的漏极,第五NPN型三极管的发射极连接第十六NPN型三极管的集电极;第六NPN型三极管的基极连接第五NPN型三极管的发射极,第六NPN型三极管的发射极连接第十五NPN型三极管的集电极;
[0017] 第七NPN型三极管的基极连接第三NPN型三极管的集电极,第七NPN型三极管的集电极连接第二PDEMOS管的漏极,第七NPN型三极管的发射极连接第五NMOS管的漏极;第八NPN型三极管的基极连接第七NPN型三极管的发射极,第八NPN型三极管的集电极连接第二PDEMOS管的漏极;
[0018] 第九NPN型三极管的基极连接第三NPN型三极管的集电极,第九NPN型三极管的集电极连接第二PDEMOS管的漏极,第九NPN型三极管的发射极连接第三NMOS管的漏极;第十NPN型三极管的基极连接第九NPN型三极管的发射极,第十NPN型三极管的集电极连接第二PDEMOS管的漏极;
[0019] 第十一NPN型三极管的基极连接第十二NPN型三极管的基极,第十一NPN型三极管的集电极连接第四PMOS管的漏极,第十一NPN型三极管的集电极连接第七NPN型三极管的基极,第十一NPN型三极管的集电极连接第三NPN型三极管的集电极,第十一NPN型三极管的发射极接地;第十二NPN型三极管的集电极连接第三PMOS管的漏极,第十二NPN型三极管的集电极连接第九NPN型三极管的基极,第十二NPN型三极管的集电极连接第六NPN型三极管的集电极,第十二NPN型三极管的发射极接地。;
[0020] 第十三NPN型三极管的基极连接到第十七NPN型三极管的基极,第十三NPN型三极管的发射极接地;第十四NPN型三极管的基极连接到第十七NPN型三极管的基极,第十四NPN型三极管的发射极接地;
[0021] 第十五NPN型三极管的基极连接到第十七NPN型三极管的基极,第十五NPN型三极管的发射极接地;第十六NPN型三极管的基极连接到第十七NPN型三极管的基极,第十六NPN型三极管的发射极接地;
[0022] 第十七NPN型三极管的基极和集电极短接并连接到第二PMOS管的漏极,第十七NPN型三极管的发射极接地;
[0023] 第一电阻的一端接第二PDEMOS管的漏极,第一电阻的另一端接第二NPN型三极管的基极;第二电阻的一端接第二PDEMOS管的漏极,第二电阻的另一端接第六NMOS管的漏极;第三电阻的一端接第六NMOS管的漏极,第三电阻的另一端接第七NPN型三极管的基极;
[0024] 第四电阻的一端接第二PDEMOS管的漏极,第四电阻的另一端接第五NPN型三极管的基极;第五电阻的一端接第二PDEMOS管的漏极,第五电阻的另一端接第九NPN型三极管的基极;
[0025] 第六电阻的一端接TIA负输入端,第六电阻的另一端接第十四NPN型三极管的集电极;第七电阻的一端接TIA正输入端,第七电阻的另一端接第十五NPN型三极管的集电极;
[0026] 第八电阻的一端接第八NPN型三极管的发射极,第八电阻的另一端接第十一NPN型三极管的基极;第九电阻的一端接第十NPN型三极管的发射极,第九电阻的另一端接第十一NPN型三极管的基极;
[0027] 第一电容的一端接第三NPN型三极管的发射极,第一电容的另一端接TIA负输入端;第二电容的一端接第六NPN型三极管的发射极,第二电容的另一端接TIA正输入端;第三电容的一端接第三NPN型三极管的发射极,第三电容的另一端接第六NPN型三极管的发射极。
[0028] 本发明的有益效果为,相较于常规结构,本发明可以应用于高压电路,且提升了TIA的瞬态响应,加快了后级比较器的翻转速度。附图说明
[0029] 图1为本发明所提出的TIA系统电路的结构框架示意图。
[0030] 图2为本发明所提出的用于高电源电压的瞬态增强差分TIA电路的电路图。
[0031] 图3为本发明所提出的瞬态增强电路的电路图。
[0032] 图4为三极管的输入特性曲线。
[0033] 图5为本发明TIA的等效框架示意图。
[0034] 图6为本发明TIA的小信号仿真结果。
[0035] 图7为本发明TIA系统电路的瞬态仿真结果。

具体实施方式

[0036] 下面结合附图和仿真示例,对本发明的有效性和实用性进行说明:
[0037] 图1所示为本发明的TIA系统的结构框架示意图,包括光电二极管(PD),跨阻放大器,比较器。当发射端LED发光时,未遮光PD能够接收光信号产生光电流,遮光PD不能产生光电流,经过TIA模块放大为电压信号。TIA的输出VP与VN接比较器的两个输入端,经比较器的处理,比较器(COMP)输出逻辑信号。
[0038] 图2为TIA的电路图,包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五个部分的电路。其中,电路Ⅰ、Ⅲ为TIA遮光和不遮光PD的输入电路,主要功能为将电流转化为电压,电路Ⅱ为自适应TIA电源电压稳压电路及大信号处理电路,主要功能为对电路Ⅰ、Ⅲ的输出信号进行处理,使得VP和VN同时发生变化,加快后级比较器的翻转速度。电路Ⅳ、Ⅴ为TIA的电流镜及供电电路。
[0039] Q1~Q3,Q4~Q6分别构成TIA的放大电路,低频下,TIA的闭环增益为R5,经过电路Ⅱ的处理,使得从光电流到VP的增益变为(1/2)*R5。其中,R6,C1,R7,C2,C3构成补偿网络,产生左半平面零点,加快TIA的瞬态响应。
[0040] Q7~Q12构成瞬态增强电路,当TIA有光电流输入时,光电流会对第六NPN型三极管的集电极进行下拉,当没有瞬态增强电路时,该点电压被下拉IPD*R5,在瞬态增强电路的作用下,该点电压下降的幅度会减小,同时没有光电流输入的一侧,第三NPN型三极管的集电极电压会上升。
[0041] 图3为电路II的简化模型,当存在光电流时,IPD会在Q10的基极产生Δx的电压变化,由于Q10、Q9、Q12构成负反馈回路,因此会在Q12的基极产生Δz的电压变化,这会导致Q11和Q12的集电极电流同时发生ΔIC的电流变化,因此Q7的基极会产生Δy的电压变化,根据以上分析,则会有下列等式成立:
[0042] Δx=(IPD‑ΔIC)·R4 (1)
[0043] Δy=ΔIC·R4 (2)
[0044] Δx+Δy=IPD·R4 (3)
[0045] 下面考虑Δx与Δy之间的大小关系,图4为三极管的输入特性曲线,由于IB和VBE之间为指数关系,因此虽然Q8和Q9的集电极电流变化量相同,但从图4可以看出,两个NPN三极管的VBE的变化量存在一定差异,这种差异的大小取决于三极管的静态工作点的设置。
[0046] 该结构所使用的光电二极管为阴极接输入,阳极接地,所以是抽电流的结构。当TIA有光电流输入时,第一输出VP的电压降低,第二输出VN的电压升高,当第一输出VP电压小于第二输出VN的电压时,比较器发生翻转,输出为高。
[0047] 图5为电路Ⅰ的TIA简化等效框架示意图。IPD与CPD是光电二极管的等效模型,Q1为图2中的第六NPN型三极管,Q2为图2中的第四NPN型三极管,R为图2中的第五电阻,C为图2中的第二电容。第五NPN型三极管支路被忽略。计算图5所示电路图的闭环传输函数:列方程如下:
[0048]
[0049] 整理上式:
[0050]
[0051] 令
[0052]
[0053] 则
[0054]
[0055] 故
[0056]
[0057] 代入各式,有
[0058]
[0059] 推导上式,则零极点分布如下:
[0060]
[0061]
[0062]
[0063]
[0064] 此系统有三个极点,一个零点,如果gm1R1足够大,则可以屏蔽掉CPD的影响,并且使得零点位于极点之前,z1
[0065] H(s)可以表示为:
[0066]
[0067] 对其阶跃响应作拉普拉斯逆变换可得:
[0068]
[0069] 由于z1
[0070] 如图6所示,在闭环系统中引入一个左半平面零点,且零点比主极点更靠近原点,可以起到展宽频带的作用。
[0071] 图7为本发明TIA系统的瞬态仿真结果。IPD为模拟光电流,VP、VN为TIA的两个输出,在直流条件下VP>VN,VN为设置的基准电压。在有光电流输入时,经跨阻放大器放大,VP电位下降,从图7看出,VP有明显的overshoot,当VP加速了后级比较器的翻转。
[0072] 综上所诉,本发明所提出的用于提高TIA系统瞬态响应的RC网络补偿结构以及自适应TIA电源电压稳压电路,利用补偿网络在闭环系统中引入左半平面零点,且零点比主极点更靠近原点,在频域内起到展宽带宽的作用,同时在时域内,达到使瞬态响应加快的效果;利用瞬态增强电路,使得VP和VN同时变化,同样有加快比较器翻转的效果,从而减小了整个系统的传输延迟时间。
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