一种具备快速泄放晶体管寄生电容电荷的开关电路及其电荷泄放方法技术

本发明专利技术公开了一种具备快速泄放晶体管寄生电容电荷的开关电路，包括与负载相连的晶体管；晶体管的输入端连接有电荷泄放电路；电荷泄放电路接收外部设备提供的第二控制信号，其用于在第二控制信号的作用下对晶体管寄生电容上的电荷进行泄放，将晶体管的输入端电位拉低至参考电位。同时本发明专利技术还公开了该开关电路的电荷泄放方法。本发明专利技术通过在晶体管由关闭转入导通的过渡阶段利用电荷泄放电路快速下调晶体管输入端的电位，能够有效消除在控制负载启动时存在的延迟现象；大幅减小了晶体管导通后浪费在降低输入端虚高电位的时间开销。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于开关控制电路
，具体涉及。
技术介绍
在采用MOS管作为调节与控制开关应用中，常有某电子元器件(包括但不限于电阻、晶体管、LED等)的一端与开关电路(如MOS管)相连，并通过该开关电路作为电子元器件开关控制或传导电流的电路结构。虽然理论上使MOS管导通就可以让与MOS管相连的 电子元器件正常导电，但实际中会出现MOS管自身已处于导通状态，但与之相连的电子元器件中却没有电流或电流偏小，需要一定的时间后该器件上的电流才满足要求的问题。这是由于MOS管输入端存在较大的输入电容(例如负载电容、寄生电容等)上存储的电荷使得MOS管在导通之初首先泄放的是输入电容中的电荷而不是为与之相连的器件提供通路。在LED显示装置的应用中就大量使用LED连接列驱动器的情况，而列驱动器的输出端通常是NMOS管，在要求快速响应时就会受到此种困扰。图I以发光LED为例，LED阳极接电源Vdd (5V)，LED阴极连接NMOS管M的漏极，NMOS管M的源极通过电阻R接地，NMOS管M的栅极接受控制信号%控制匪OS管的通断。设LED的阈值电压为Vt，最小点亮电压为八，正向压降为VF。LED的正向电流与正向电压的关系为/ = /J/'1 U -I)，其中Is为饱和电流，V为正向电压，KT/q为热电压。LED的阈值电压\指的是当LED中的导通电流达到I微安时的正向电压(Vt对应的导通电流各个厂家可能有所差异)；最小点亮电压\是人眼可见到LED发光时的正向电压，故在实际中\即为LED的负载启动电压。当LED上的正向压降大于\时LED点亮，不考虑LED可能存在的微小漏电流。NMOS的阈值电压Vth = 0. 8V，控制信号常常采用数字脉冲信号\，设该脉冲高电平为I. 2V，低电平为0V，当\为低电平时NMOS管关闭，当\为高电平时NMOS管导通，Vg从低电平转为高电平的过程(也称上升沿)为NMOS从关闭到导通的过渡阶段。当 ' 为高电平，NMOS管导通，形成从电源Vdd通过LED和NMOS管到地的电流通路。通路中的电流由NMOS管的导通能力以及LED上具有的正向电压决定。当NMOS管的实际导通状态所具有的电流通过能力小于LED正向电压所能够提供的电流时，通路电流由NMOS管决定。此处设NMOS管工作在饱和区，通路中的电流由下式决定(同样可证NMOS管工作在线性区的情况) 1W,_7] Jds = -//Qx -(Vgs - Vth f (I + AVds)2L其中ii表示载流子迁移率，Cox表示单位面积的栅氧电容，W和L分别为NMOS管的沟道宽度与沟道长度，Vgs、vth、Vds分别表示NMOS管的栅源电压、阈值电压、漏源电压，入表示沟道调制系数。 NMOS管工作于饱和区的条件为Vds 彡(Vgs-Vth)此时，NMOS管的漏端电压为Vd，所以LED上的正向压降为yF = yDD-Vd > Vl >> Vt而在Vt;从高电平向低电平转换的过程中，NMOS管从导通向关闭转变，NMOS管中流过的电流逐步变小到零(不考虑漏电因素)，在此过程中，NMOS管通过电流的能力越来越小，但LED上的电流由于其二极管特性仍继续流向NMOS，同时由于NMOS管逐步被关闭，未能通过NMOS管的电流则存储在NMOS管的输入电容上并逐步抬高Vd降低LED上的电流。而当Ve为低电平，NMOS管关闭，NMOS管中流过的电流为零(不考虑漏电因素)。LED上的电流进一步给MOS管的输入电容充电抬升Vd。无论Ve处于高电平向低电平转换过程还是到达低电平，由于LED的二极管特性，Vdd仍然会通过LED向NMOS管漏端充电，LED仍然可能发光，在此期间，通过LED的电流会在NMOS管漏端的输入电容上存储电荷，并抬高Vd，当Vf = Nw-Ni < Vl,虽然LED的亮度不可见，但LED上仍有电流并给NMOS管漏端的输入电容充电，直到Vf = Nm-Ni < Vt,这时，LED的电流趋于零。设Vtj从低电平向高电平转换的起始点时刻为Tc^当Vtj从低电平向高电平转换的过程中，NMOS管从关闭开始向导通转变，当\大于Vth后，NMOS开始导通，随着\的继续升高，NMOS管电流导通能力逐渐增加，而由于此前Vtj为低电平时，NMOS漏端电位已被抬高到接近VDD，故当NMOS管开始有电流流过时必然先泄放输入电容中的电荷以降低Vd，而此时受NMOS导通能力的限制，寄生电荷的泄放能力较弱，对增加LED的VF值的帮助有限，无法让LED快速点亮，甚至可能难以让Vf > VT。当\到达高电平时，设此时刻为T1，虽然此时NMOS管已经导通但因LED上的正向压降仍较小难于被点亮，此时的NMOS管主要在泄放其漏端的寄生电荷并降低Vd。当Vd下降到VF = VDD-Vd > VT, LED 二极管开始有电流，设此时刻为T2，但LED未点亮。由于此时NMOS管的电流导通能力远大于LED电流，所以Vd电位仍在持续下降，直到Vd下降到VF = VDD-Vd > VL, LED开始点亮，此时刻为T3。Vd电位可能继续下降直到NMOS电流与LED电流平衡进入稳定。LED并未在T1时刻点亮时间，而是延后到T3时刻，故从Vtj信号由低电平转为高电平到LED亮度上的反应存 在明显的延迟效应，其时间差为T3-T115从前面的分析中可以发现，在NMOS管从打开转为关闭后，LED仍然有电流持续一段时间，随着NMOS的关闭，NMOS管漏端的输入电容会被较快地充电而抬高电位，直到LED的Vf < Vl使LED熄灭。这样，因控制脉冲达到低电平，NMOS管关闭后需要少许时间对输入电容充电使Vf < '，所以有关断延迟。当LED熄灭后，对NMOS管漏端输入电容的充点并不会立刻停止，只有Vf < Vt充电才会基本停止，也即Vd接近Vdd而基本稳定。而当NMOS管从关闭转为打开，随着NMOS导通，LED的正向压降Vf因NMOS输入电容中的电荷被泄放而增加，开始在LED上产生电流，由于LED 二极管的伏安特性，当Vf值从很小值开始增加，开始阶段电流变化幅度小电流也小，当Vf > VT, LED中电流增长开始加快，只有当Vf > VL, LED才被点亮。由此可见，从NMOS管转为打开到LED点亮存在着打开延迟时间。合适的NMOS管设计，其漏端输入电容中的寄生电荷在NMOS管导通后的泄放速度会大于因LED的正向压降增加对输入端的充电速度。由此可见，当控制脉冲达到高电平使NMOS管打开时，LED并不能及时点亮，存在打开延迟时间。从LED的二极管的伏安特性可以得知，打开延迟大于关闭延迟。虽然通过增加NMOS管的W/L比来增大电流导通能力可以缩短打开延迟，但不仅会因增大芯片面积而增加成本，同时也带来了增加输入电容值副作用。当然还可以通过制造工艺的调节提高NMOS管导通能力，但这会增加制造成本和制造复杂度。同理可证PMOS管和CMOS作为开关应用时，存在同样问题在数字逻辑技术中，常常通过脉冲宽度的变化实现信号控制。例如常用的PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)控制技术。在本例中，Vs就是一个脉冲信号， 如果我们本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具备快速泄放晶体管寄生电容电荷的开关电路，包括与负载相连的晶体管；所述的晶体管的输入端与负载的输出端相连，输出端接地，控制端接收外部设备提供的第一控制信号；所述的负载的输入端接供电电压；其特征在于：所述的晶体管的输入端连接有电荷泄放电路；所述的电荷泄放电路接收外部设备提供的第二控制信号，并在第二控制信号的作用下对晶体管寄生电容上的电荷进行泄放，将晶体管的输入端电位拉低至参考电位。

【技术特征摘要】
1.一种具备快速泄放晶体管寄生电容电荷的开关电路，包括与负载相连的晶体管；所述的晶体管的输入端与负载的输出端相连，输出端接地，控制端接收外部设备提供的第一控制信号；所述的负载的输入端接供电电压；其特征在于所述的晶体管的输入端连接有电荷泄放电路；所述的电荷泄放电路接收外部设备提供的第二控制信号，并在第二控制信号的作用下对晶体管寄生电容上的电荷进行泄放，将晶体管的输入端电位拉低至参考电位。2.根据权利要求I所述的具备快速泄放晶体管寄生电容电荷的开关电路，其特征在于所述的电荷泄放电路为一 NMOS管，其漏极与晶体管的输入端相连，源极接参考电位，栅极接收所述的第二控制信号。3.根据权利要求I所述的具备快速泄放晶体管寄生电容电荷的开关电路，其特征在于所述的电荷泄放电路由一 CMOS传输门和一反相器组成；其中，CMOS传输门的输入端与晶体管的输入端相连，CMOS...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵一尘，卢晓冬，何乐年，
申请(专利权)人：苏州永健光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：