專利名稱：Cmos全波整流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種整流器電路，以及更加具體地涉及一種CMOS全 波整流器電路。
背景技術(shù)：
通常，整流器用于AC到DC電壓的轉(zhuǎn)換。圖l示出了包括二極管 電橋105的常規(guī)全波整流器。二極管電橋105可以被認(rèn)為是非線性的 雙端口裝置，其具有輸入電壓Ui (t)，輸出電壓U2 (t)，以及四個(gè)二 極管IOI、 102、 103和104。通常，輸出端口連接到負(fù)載106。如果負(fù) 載106是純阻性負(fù)載107，則輸入電壓iM (t)的符號(hào)定義了通過整流 器105的電流路徑，即電流是否流過二極管101和102，或流過二極管 103和104。然而，通過負(fù)載107的電流在兩種情形中都具有相同的方 向。得到的112 (t)可以由以下給出U2(t)—U!(t)卜2UD 如果|Ul(t)^2uD以及 (la)u2(t) = 0 如果h(t)卜2uo， (lb)其中UD表示跨一個(gè)二極管的電壓降。作為通常的缺點(diǎn)，跨負(fù)載107 的電壓降不是輸入電壓差h(Ol的全部幅度，而是減小了 2uo，也就是說， 減小了兩個(gè)二極管的電壓降(典型地，1.4V)。對(duì)于低功率的應(yīng)用，二極管電壓能夠顯著地影響電路的總體功耗。如圖1所示的二極管電橋通常被用于供應(yīng)電壓(supply voltage) 的產(chǎn)生。在這種情況下，負(fù)載可以是并聯(lián)連接的電阻器108(代表復(fù)雜 電子電路的功耗)和平滑電容器109。對(duì)于輸入信號(hào)u,(t)的給定頻率， 電容器109通常被選擇為足夠大，以確保接近常數(shù)的供應(yīng)電壓U2(t)。發(fā)明內(nèi)容用于整流的整流器和方法包括電橋，其與二極管相對(duì)有益地利用 開關(guān)而實(shí)現(xiàn)。該開關(guān)可以是，但不限于，MOS晶體管。例如，該整流 器可以被用在多種應(yīng)用中，例如醫(yī)學(xué)或汽車應(yīng)用。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種整流器電路，其包括第一和第 二輸入端，用于接收矩形波輸入電壓，以及第一和第二輸出端，用于提供整流的dc輸出電壓。第一開關(guān)連接在第一輸入端和第一節(jié)點(diǎn)之間，該第一節(jié)點(diǎn)連接到第一輸出端。第二開關(guān)連接在第二輸入端和第一節(jié) 點(diǎn)之間。第三開關(guān)連接在第一輸入端和第二節(jié)點(diǎn)之間，該第二節(jié)點(diǎn)連 接到第二輸出端。第四開關(guān)連接在第二輸入端和第二節(jié)點(diǎn)之間。當(dāng)輸入電壓具有第一極性時(shí)，第一開關(guān)和第四開關(guān)被選通(gated);以及當(dāng)輸入電壓具有與第一極性相反的第二極性時(shí)，第二開關(guān)和第三開關(guān) 被選通，從而提供其幅度基本上等于輸入電壓的幅度的輸出電壓。根據(jù)本發(fā)明的有關(guān)實(shí)施例，第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)和第四開關(guān)可以是MOS晶體管。例如，第一開關(guān)、第二開關(guān)可以是PMOS 晶體管，第三開關(guān)和第四開關(guān)可以是NMOS晶體管?？梢酝ㄟ^第一輸 入端和第二輸入端中的一個(gè)選通第一開關(guān)和第四開關(guān)，以及可以通過 第一輸入端和第二輸入端中的另一個(gè)選通第二開關(guān)和第三開關(guān)。電阻 和電容的并聯(lián)負(fù)載組合可以連接到整流器電路在第一和第二輸出端之 間。或者，可以將電阻性負(fù)載連接到整流器電路在第一和第二輸出端 之間，而沒有分立的并聯(lián)電容器。該負(fù)載和整流器電路可以集成在單 個(gè)芯片上。該電路可以用于確保期望的供應(yīng)電壓的極性。根據(jù)另一本發(fā)明的實(shí)施例， 一種極性保護(hù)電路，包括上述實(shí)施例 的整流器電路。在另一實(shí)施例中， 一種植入醫(yī)療器材，例如視網(wǎng)膜植 入物或者耳蝸植入物，包括上述實(shí)施例的整流器電路。根據(jù)本發(fā)明的 又一實(shí)施例， 一種芯片，包括上述實(shí)施例的整流器電路和連接在第一 和第二輸出端之間的電阻和電容的并聯(lián)負(fù)載組合?；蛘?，該負(fù)載可以是電阻性負(fù)載，而沒有分立的并聯(lián)電容器。負(fù)載可以包括信號(hào)處理器。根據(jù)另一本發(fā)明的實(shí)施例，給出了一種整流方法。該方法包括在 第一輸入端和第二輸入端之間施加矩形輸入信號(hào)。第一開關(guān)連接在第 一輸入端和第一節(jié)點(diǎn)之間，第二開關(guān)連接在第二輸入端和第一節(jié)點(diǎn)之 間。第一節(jié)點(diǎn)連接到第一輸出端。第三開關(guān)連接在第一輸入端和第二 節(jié)點(diǎn)之間，第四開關(guān)連接在第二輸入端和第二節(jié)點(diǎn)之間。第二節(jié)點(diǎn)連 接到第二輸出端。當(dāng)輸入信號(hào)具有第一極性時(shí)，第一開關(guān)和第四開關(guān) 被選通；而當(dāng)輸入信號(hào)具有與第一極性相反的第二極性時(shí)，第二開關(guān) 和第三開關(guān)被選通，由此該第一和第二輸出端提供其幅度基本上等于 輸入電壓幅度的整流的dc電壓。根據(jù)本發(fā)明的有關(guān)實(shí)施例，第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)和第四開關(guān)可以是MOS晶體管。第一開關(guān)和第二開關(guān)可以是PMOS晶體管， 而第三開關(guān)和第四開關(guān)可以是NMOS晶體管。可以通過第一輸入端和 第二輸入端中的一個(gè)選通第一開關(guān)和第四開關(guān)，以及可以通過第一輸 入端和第二輸入端的另一個(gè)選通第二開關(guān)和第三開關(guān)。該方法可以進(jìn)一步包括將電阻和電容的并聯(lián)負(fù)載組合連接在第一和第二輸出端之間?；蛘?，該方法可以進(jìn)一步包括，可以將電阻性負(fù)載連接在第一和 第二輸出端之間，而沒有分立的并聯(lián)電容器。在進(jìn)一步的實(shí)施例中， 在開關(guān)被選通之后，可以將輸入信號(hào)從輸入端斷開一段時(shí)間。


圖1示意性地示出了具有變化的負(fù)載的全波電橋整流器(現(xiàn)有技術(shù))；圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有變化的負(fù)載的CMOS電橋；以及圖3示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的對(duì)于方波輸入信號(hào)的用 于供應(yīng)電壓產(chǎn)生的CMOS電橋。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的具有有效(active)以及浮置周期的矩形波輸入信號(hào)。
具體實(shí)施方式
在說明性的實(shí)施例中，整流器包括利用開關(guān)實(shí)現(xiàn)的電橋。該開關(guān) 可以是，例如，MOS晶體管。以下詳細(xì)討論說明性的實(shí)施例。圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的具有變化的負(fù)載的CMOS電橋。如圖2所示的晶體管的布置表示具有輸入電壓m (t) 和輸出電壓U2 (t)的非線性雙端口裝置205。與圖1的二極管電橋相 比，用四個(gè)晶體管，艮卩，利用兩個(gè)PMOS晶體管201和203以及兩個(gè) NMOS晶體管202和204，代替四個(gè)二極管，上述四個(gè)晶體管被操作作 為ON/OFF開關(guān)。將要理解，在各種實(shí)施例中，可以用其他類型的開 關(guān)技術(shù)代替MOS晶體管，例如，所述開關(guān)技術(shù)性質(zhì)上可以是電的、機(jī) 械的、生物的或者分子的，而且本發(fā)明不局限于MOS技術(shù)。如圖2所示，雙端口裝置205的輸出端211和212可以連接到負(fù) 載206。負(fù)載206可以是，例如，電阻性負(fù)載207，或者與電容性負(fù)載 209并聯(lián)的電阻性負(fù)載208。雙端口裝置205和負(fù)載206可以有利地集 成在單個(gè)芯片上。例如，雙端口裝置205可以與其他電路電連接，所 述其他電路例如信號(hào)處理器，雙端口裝置205和信號(hào)處理電路集成在 單個(gè)芯片上。晶體管的柵極可以直接連接到輸入電壓軌。假設(shè)純電阻性負(fù)載207和理想開關(guān)性能的晶體管，則滿足以下條件u"t)叫u,(t)l如果lu,(t)^u孤，以及 (2a)H2(t) = 0 如果ju!(t)卜U鵬， (2b)其中電壓UTHR表示MOS閾值電壓，這里假設(shè)對(duì)于PMOS和NMOS 晶體管來說，其MOS閾值電壓相等。対于u,Uthr，晶體管201和 202被導(dǎo)通(低阻抗)，而晶體管203和204被關(guān)斷(高阻抗)，反之 亦然，對(duì)于W(t)《-Utm，晶體管203和204被導(dǎo)通，而晶體管201和202被關(guān)斷。由此，在電阻負(fù)載的特殊情況下，圖2的CMOS電橋表 示全波整流器，類似于圖1的二極管電橋。注意，在這里，全輸入電 壓幅度施加在負(fù)載207處，而沒有由于二極管電壓降而引起的減小。 典型地，MOS閾值電壓為Uthr 0.7V。對(duì)于實(shí)現(xiàn)圖2的電橋，可以使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)。例如，利用N 阱技術(shù)，P硅襯底材料連接到負(fù)電位211，而N阱連接到輸出端口的正 電位212。在多種實(shí)施例中，四個(gè)晶體管可以足夠大，從而確保開關(guān)導(dǎo) 通狀態(tài)期間較小的電壓降。如果這些電壓降過大(典型地，大于約 0.7V)，則寄生襯底PN二極管變得導(dǎo)通，不利地影響了例如包括雙端 口 205和負(fù)載206的芯片的操作。假設(shè)正弦輸入電壓，圖2中的CMOS電橋205并不是對(duì)所有類型 負(fù)載都完全用作整流器。其原因是，和二極管對(duì)比，在導(dǎo)通狀態(tài)中操 作的晶體管允許電流雙向流動(dòng)。例如，如果負(fù)載206由并聯(lián)的電阻器 208和平滑電容器209構(gòu)成，那么電容器通過處于開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)中的晶 體管部分放電。假定Ui(t)〉uiHR，則晶體管201和202被導(dǎo)通，且在該 狀態(tài)中，電壓u2 (t)簡(jiǎn)單地跟隨輸入電壓Ul (t)。這意味著電容器 209不僅通過電阻器208放電，而且還通過輸入線放電。然而，如果將 二極管210串聯(lián)連接到電阻器208和電容器209，則再次獲得了真正的 整流器特性。與圖1的二極管電橋相比，優(yōu)點(diǎn)在于，僅僅出現(xiàn)一個(gè)二 極管電壓降，而不是兩個(gè)。圖3示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的與方波或矩形波輸入信 號(hào)(但并不僅限于此) 一起使用的CMOS電橋302。如圖3所示，如 果輸入電壓不是正弦的而是具有兩種電平iU,的方波或者矩形波301， 則即使負(fù)載由電阻器304和電容器303構(gòu)成，CMOS電橋302也可以 操作為全波整流器而無需額外二極管。在這種情況下，輸出電壓為 u2(t) Ul。電阻器304可以表示復(fù)雜電子電路的功耗。同時(shí)圖3示出了應(yīng)用到實(shí)施例的矩形波信號(hào)，該輸入可以更有用 地為更通常的矩形波信號(hào)。在矩形波輸入信號(hào)的通常情形中，實(shí)施例 不一定需要分立的電容元件，例如輸出電容器303，由此使得輸出電容 可以僅僅是來自元件和引線的相對(duì)小的寄生電容。此外，對(duì)于圖3所示的電路，當(dāng)輸入端具有跨輸入端的高阻抗時(shí)， 如在它們未連接的情況下，該電橋電路可以具有吸引人的特性，即在其現(xiàn)有的邏輯狀態(tài)中保持穩(wěn)定。例如，如圖4所示，假定在左邊標(biāo)記 為"有效"的時(shí)間周期期間，+5VdC輸入被施加到輸入端。隨后，相同 的+5vdc將被傳送到輸出端以及跨輸出電阻器304和輸出電容器303。 假定隨后輸入信號(hào)從輸入端斷開，則該電路的左上的PMOS開關(guān)和右 下的NMOS開關(guān)將保持低阻抗?fàn)顟B(tài)，以及，假定電阻器304和電容器 303的RC時(shí)間常數(shù)足夠大，則由于電容器303， put電壓將繼續(xù)浮置在 +5乂^處。在第二有效及浮置周期期間，相反地在圖4的右側(cè)出現(xiàn)了相 同的情況。這在某些情況下是很有用的特性，例如當(dāng)可能對(duì)于相對(duì)較 短的有效周期施加輸入信號(hào)并且使電路在隨后的無效周期內(nèi)浮置時(shí)的 低功率應(yīng)用。具有有效和浮置周期的上述信號(hào)并不必需是周期性的， 而是在某些應(yīng)用中，其可以是非周期性的信號(hào)，例如數(shù)據(jù)信號(hào)。上述實(shí)施例中的CMOS電橋可以有益地用在多種應(yīng)用中。例如， 在各種領(lǐng)域中，例如但不限于，汽車或者醫(yī)療領(lǐng)域，該CMOS電橋可 以用于提供整流和/或確保期望的供應(yīng)電壓極性。例如，包含上述CMOS 電橋的芯片可以是可植入的醫(yī)療器材例如視網(wǎng)膜植入系統(tǒng)或者耳蝸植 入系統(tǒng)的一部分。實(shí)施例還可以包括利用上述電路作為極性保護(hù)電路 的基礎(chǔ)，該極性保護(hù)電路允許與dc源的任意輸入連接，而不管極性。盡管已經(jīng)公開了本發(fā)明的多種示例性實(shí)施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人 員應(yīng)當(dāng)明白，可以做出實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的某些優(yōu)點(diǎn)的各種變化和改型，而 不背離本發(fā)明的真實(shí)保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種整流器電路，包括第一和第二輸入端，用于接收矩形波輸入電壓；第一和第二輸出端，用于提供整流的dc輸出電壓；第一開關(guān)，連接在第一輸入端和第一節(jié)點(diǎn)之間，該第一節(jié)點(diǎn)連接到第一輸出端；第二開關(guān)，連接在第二輸入端和第一節(jié)點(diǎn)之間；第三開關(guān)，連接在第一輸入端和第二節(jié)點(diǎn)之間，該第二節(jié)點(diǎn)連接到第二輸出端；以及第四開關(guān)，連接在第二輸入端和第二節(jié)點(diǎn)之間，其中當(dāng)輸入電壓具有第一極性時(shí)第一開關(guān)和第四開關(guān)選通；以及其中當(dāng)輸入電壓具有與第一極性相反的第二極性時(shí)，第二開關(guān)和第三開關(guān)選通，從而提供其幅度基本上等于輸入電壓幅度的輸出電壓。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的整流器電路，其中第一開關(guān)、第二開關(guān)、第 三開關(guān)和第四開關(guān)是MOS晶體管。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的整流器電路，其中第一開關(guān)和第二開關(guān)是 PMOS晶體管，以及其中第三開關(guān)和第四開關(guān)是NMOS晶體管。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的整流器電路，其中通過第一輸入端和第二輸 入端中的一個(gè)選通第一開關(guān)和第四開關(guān)，以及其中通過第一輸入端和 第二輸入端中的另一個(gè)選通第二開關(guān)和第三開關(guān)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的整流器電路，其中對(duì)電阻和電容的并聯(lián)負(fù)載 組合提供輸出電壓。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的整流器電路，其中該并聯(lián)負(fù)載和整流器電路 被集成在單個(gè)芯片上。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的整流器電路，其中對(duì)不帶分立的并聯(lián)電容器 的電阻性負(fù)載提供輸出電壓。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的整流器電路，其中該電阻性負(fù)載和該整流器電路被集成在單個(gè)芯片上。
9. 一種包括根據(jù)權(quán)利要求1的整流器電路的極性保護(hù)電路。
10. —種包括如權(quán)利要求1的整流器電路的植入醫(yī)療器材。
11. 一種根據(jù)權(quán)利要求1的植入的醫(yī)療器材，其中所述醫(yī)療器材 是視網(wǎng)膜植入物。
12. —種根據(jù)權(quán)利要求1的植入的醫(yī)療器材，其中所述醫(yī)療器材 是耳蝸植入物。
13. —種芯片，包括根據(jù)權(quán)利要求1的整流器電路；以及連接在第一和第二輸出端之間的電阻和電容的并聯(lián)負(fù)載組合。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的芯片，其中所述負(fù)載包括信號(hào)處理器。
15. —種芯片，包括 根據(jù)權(quán)利要求1的整流器電路；以及連接在第一和第二輸出端之間的不具有分立的并聯(lián)電容器的電阻 性負(fù)載。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的芯片，其中所述負(fù)載包括信號(hào)處理器。
17. —種整流方法，所述方法包括在第一輸入端和第二輸入端之間施加矩形波輸入信號(hào)，第一開關(guān) 連接在第一輸入端和第一節(jié)點(diǎn)之間，第二開關(guān)連接在第二輸入端和第 一節(jié)點(diǎn)之間，第一節(jié)點(diǎn)連接到第一輸出端，第三開關(guān)連接在第一輸入 端和第二節(jié)點(diǎn)之間，第四開關(guān)連接在第二輸入端和第二節(jié)點(diǎn)之間；所 述第二節(jié)點(diǎn)連接到第二輸出端；其中當(dāng)輸入信號(hào)具有第一極性時(shí)，所述第一開關(guān)和第四開關(guān)選通； 以及其中當(dāng)輸入信號(hào)具有與第一極性相反的第二極性時(shí)，第二開關(guān)和 第三開關(guān)選通，由此第一和第二輸出端提供其幅度基本上等于輸入電壓幅度的整流的dc電壓。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開 關(guān)和第四開關(guān)是MOS晶體管。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中第一開關(guān)和第二開關(guān)是PMOS 晶體管，以及其中第三開關(guān)和第四開關(guān)是NMOS晶體管。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中通過第一輸入端和第二輸入端 中的一個(gè)選通第一開關(guān)和第四開關(guān)，以及其中通過第一輸入端和第二 輸入端中的另一個(gè)選通第二開關(guān)和第三開關(guān)。
21. 根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中對(duì)電阻和電容的并聯(lián)負(fù)載組合 提供輸出電壓。
22. 根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中對(duì)不帶分立的并聯(lián)電容器的電 阻性負(fù)載提供輸出電壓。
23. 根據(jù)權(quán)利要求17的方法，進(jìn)一步包括 在開關(guān)被選通之后，將輸入信號(hào)從輸入端斷開一段時(shí)間。
24.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中該矩形波輸入信號(hào)是非周期性的。
全文摘要
全波整流器(CMOS橋，205)包括兩個(gè)PMOS和兩個(gè)NMOS開關(guān)。該整流器(205)可用于極性保護(hù)，適于與帶有或不帶有并聯(lián)連接的平滑電容器的阻性負(fù)載一起集成在單一芯片上，且可以是醫(yī)療設(shè)備的一部分，所述醫(yī)療設(shè)備諸如視網(wǎng)膜或耳蝸植入裝置。
文檔編號(hào)H02M7/219GK101232916SQ200680024814
公開日2008年7月30日 申請(qǐng)日期2006年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月8日
發(fā)明者克萊門斯·M·齊爾霍費(fèi)爾 申請(qǐng)人:Med-El電氣醫(yī)療器械有限公司