[发明专利]用于传输晶体管栅极电压的多电平控制电路、方法及其系统

说明书

技术领域

本发明大体涉及晶体管，且更特别地涉及对传输晶体管栅极电压的多电平(multi-level)控制。

背景技术

场效应晶体管(FET)能够用作高效通道开关器件(pass through switching device)，能够选择性地将源自信号源的信号连接到该信号的汇点(sink)。典型地，选择具有低ON电阻(Ron)和高OFF电阻(Roff)的通道FETs(pass through FETs)。低Ron使得信号几乎没有损失或不受FET所引起的影响地通过FET。

对于FET，Ron是栅源电压Vgs的函数。随着Vgs增加，同样增加的FET沟道尺寸减小了FET的Ron。因此，Ron与Vgs呈相反关系。当然，为了作为通道FET的高效操作，Vgs能够仅增加到栅氧化层击穿电压或者其他FET的最大推荐操作电压。这样设置了Vgs可设置多高的上限。由于典型地需要低Ron，用作通道开关器件的FET应该具有设置为微低于其栅氧化层击穿电压的Vgs。

Vgs，作为栅源电压，同时依赖于栅极电压和源电压，特别地，栅极电压与源电压之间的差值。在作为通道开关器件的FET中，栅极电压被控制而源电压未被控制。控制栅极电压从而设置FET为ON(例如导通状态)或OFF(例如非导通状态)。然而，源电压基于源自信号源的电压，因而是未控制的。例如，当FET为ON时，源电压实质上等于传入FET源极的信号电压(此处为“输入信号”)。因此，当FET为ON时由于栅极电压被设置为常数值，Vgs会相应于输入信号的变化而改变。

这种Vgs的变化引起了用于FET的Ron相应变化。为了减小Vgs的变化，设计电路使得FET的栅极电压跟随输入信号的电压变化。这些电路使用非开关放大器(例如A类、B类、AB类放大器)以产生用于FET的可调整栅极电压。典型地配置这些非开关放大器从而使得栅极电压连续地跟随输入电压(例如以模拟方式)。因此，这些电路典型地产生输入信号的全部电压摆幅(voltage swing)，包括“常数”交流(AC)输入信号中的电压摆幅(例如AC信号具有常数共模)。就是说，在这些电路中“常数”AC输入信号会导致栅极电压变化从而使得随着AC输入信号从高到低摆动Vgs实质上仍为常数。

发明内容

此外，本发明已经意识到开关放大器(例如D类放大器、电荷泵)能够用于产生用于用作通道开关器件的FET的动态控制栅极电压。开关放大器较之非开关放大器可产生更高效的栅极电压。在示例中，为了维持用于FET的Ron处于期望范围内，开关放大器可以控制栅极电压。为维持Ron处于期望范围内，可以在两个或多个离散电平之间调整FET的栅极电压。例如，当FET为ON时，可以基于FET的输入信号的共模电压，在两个或多个离散电平之间动态调整栅极电压。当共模电压增加时(例如高于阈值)，FET的栅极电压可以设置为较高的离散电平。相反，当共模电压减小时，FET的栅极电压可以设置为较低的离散电平。

本发明提供了一种晶体管控制电路，用于提供从源到汇点的信号，该电路包括：

具有导通状态和非导通状态的场效应晶体管，所述场效应晶体管具有栅极、源极和漏极；

第一比较器，被配置成比较所述场效应晶体管的源极处的源电压与第一参考电压以及基于所述源电压和所述第一参考电压之间的差值提供第一输出；以及

开关放大器，被配置成向所述场效应晶体管的栅极施加同所述第一比较器的第一输出成函数关系的栅极电压。

本发明还提供了一种晶体管控制方法，用于提供从源到汇点的信号，该方法包括：

比较将场效应晶体管的源极处的源电压与第一参考电压；

当所述源电压低于所述第一参考电压时，将第一电荷泵处的输入电压转换为第一栅极电压并将所述第一栅极电压施加到所述场效应晶体管的栅极；以及

当所述源电压高于所述第一参考电压时，将第一电荷泵处的输入电压转换为第二栅极电压并将所述第二栅极电压施加到所述场效应晶体管的栅极，所述第二栅极电压高于所述第一栅极电压。

本发明另提供了一种晶体管控制系统，用于提供从源到汇点的信号，包括：

第一场效应晶体管，具有栅极、源极和漏极，所述第一场效应晶体管被配置成提供从源到汇点的第一信号；

第二场效应晶体管，具有栅极、源极和漏极，所述第二场效应晶体管被配置成提供从源到汇点的第二信号；

第一比较器，被配置成基于所述第一场效应晶体管的源极处的源电压和第一参考电压之间的差值提供第一输出；