一种CMOS功放的过压保护电路及过压保护方法技术

本发明专利技术公开了一种CMOS功放的过压保护电路及过压保护方法，该电路包括叠管电路、电压传感器、电压限幅器以及减法器；所述叠管电路的一端分别与所述电压传感器和所述电压限幅器连接，所述叠管电路的另一端与所述减法器连接。该电路通过在原有的叠管电路的基础上增设电压传感器电压限幅器以及减法器，保护叠管电路中的两个MOS管在极限工作条件下不被击穿，通过负反馈调节原理可以将整个CMOS功放电路在极限情况下的电压调节至安全范围内，电路设计简单合理，安全可靠。同时，该方法可以提高CMOS功放的安全性和可靠性，保证了CMOS功放在过压条件下仍可以安全工作。

An overvoltage protection circuit and method of CMOS power amplifier

【技术实现步骤摘要】
一种CMOS功放的过压保护电路及过压保护方法
本专利技术涉及集成电路设计
，更具体的说是涉及一种CMOS功放的过压保护电路及过压保护方法。
技术介绍
目前，CMOS工艺由于其高集成度、高良率、低成本，且器件可以进一步随着工艺进步而获益等特点，已经成为数字电路、模拟电路甚至射频集成电路、毫米波集成电路的主流工艺，但是在功率放大器领域，CMOS工艺一直未得到很好的应用效果，主要原因在于和传统的GaAsHBT(砷化镓异质结双极晶体管)相比，CMOS的击穿电压比较低，在CMOS工艺中，如果需要设计功放，通常结构如图1所示，图1中，M1是功放的主要放大管，Vin为输入信号，输出信号为Vout，其和输入时反相的，这样就导致两个主要的MOS器件的可靠性问题：第一，栅氧的反相击穿电压，也就是TDDB，由于输入和输出相位相反，这样就导致MOS管的G和D之间在输入达到最低时，输出达到最大，Vgd就最大，这时是PA工作的最大输出功率的时候，它将直接引起MOS管失效；第二，Vds摆动最大还会引入热载流子效应，也就是HCI，它引入了器件的退化，PA的性能也就越来越恶化。为解决CMOS功放的击穿问题，最为常见的方法是叠管，如图2所示，通过叠加一个管子M2后，通过M1、M2分压，从而将之前M1所承担的电压差分为两个管子M1、M2分别承担，从而大大降低管子的击穿风险。但是，这种方法存在下面几个问题：1.虽然增加管子可以增加耐压大小，但是每往上增加一个管子，就会从整体上降低功放的效率；2.针对可靠性，PA的负载很有可能不是很好的50ohm，相反，PA直接连着天线，天线的阻抗会随着外部环境的变化而显著变化，这样可能出现两个最差情况，一是电流最大而电压最小，这一点问题相对容易解决，因为大电流情况下，CMOS电路中很容易监测并反馈至偏置端进行降低；二是电压最大而电流最小，可以参见附图3，这种情况很难预测，且不易解决。这样，在高电压情况下，CMOS功放无法保证功放仍能在极端条件下完好无损，功放的可靠性低、工作安全性难以保证。因此，如何提供一种可以提高功放安全性和可靠性的保护电路是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种CMOS功放的过压保护电路及过压保护方法，该电路通过在原有的叠管电路的基础上增设电压传感器电压限幅器以及减法器，保护叠管电路中的两个MOS管在极限工作条件下不被击穿，通过负反馈调节原理可以将整个CMOS功放电路在极限情况下的电压调节至安全范围内，解决了现有的CMOS功放在高电压情况下无法保证仍能在极端条件下完好无损，功放的可靠性低、工作安全性难以保证的问题。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一方面，本专利技术提供了一种CMOS功放的过压保护电路，包括叠管电路、电压传感器、电压限幅器以及减法器；所述叠管电路的一端分别与所述电压传感器和所述电压限幅器连接，所述叠管电路的另一端与所述减法器连接。进一步地，所述叠管电路包括MOS管M1、MOS管M2和电感L1；所述MOS管M1的栅极与所述减法器连接，所述MOS管M1的源极接地，所述MOS管M1的漏极与所述MOS管M2的源极连接；所述MOS管M2的栅极与所述电压限幅器连接，所述MOS管M2的漏极与所述电感L1连接，所述电压传感器的一端与所述MOS管M2的漏极连接，其另一端与所述MOS管M2的栅极连接。进一步地，所述电压限幅器包括多个二极管，多个所述二极管串联连接。另一方面，本专利技术还提供了一种CMOS功放的过压保护方法，该方法包括以下步骤：步骤1：实时采集CMOS功放的输出电压Vout，并将采集到的输出电压Vout与预设的电压阈值进行比较，当输出电压Vout超过电压阈值时，输入电压V1至MOS管M2的栅极；步骤2：将输入MOS管M2栅极的电压VCAS与限幅电压VLIM1实时对比，控制输入MOS管M2栅极的电压在限幅电压VLIM1的范围内；步骤3：将电压V1与限幅电压VLIM2实时比对，通过反馈调节CMOS功放的电流，进而对CMOS功放的输出电压进行调节。进一步地，所述步骤2具体包括：步骤201：当输入MOS管M2栅极的电压VCAS小于或等于限幅电压VLIM1时，VCAS由电压V1和其偏置电压VB2决定；步骤202：当输入MOS管M2栅极的电压VCAS大于限幅电压VLIM1时，VCAS由限幅电压VLIM1决定。进一步地，所述限幅电压VLIM1的计算过程为：计算M2的击穿电压，计算公式为：VM1＝(VCC+VP)-(VCAS+VGP)<VBK计算M1的击穿电压，计算公式为：VM2＝VCAS-VGS2-Vin<VBK计算限幅电压VLIM1，计算公式为：VLIM1＝MIN(VM1,VM2)式中，VCC表示电源电压，VP表示输出峰值电压，VCAS表示MOS管M2的栅极电压，VGP表示MOS管M2的栅极上随着输出摆动的同相电压，VBK表示MOS管M2的反相击穿电压，VGS2表示MOS管M2的栅源极电压。进一步地，所述步骤3具体包括：步骤301：提取电压V1和电压V2，当电压V1超过限幅电压VLIM2时，计算电压V1分压后的电压V11与电压V2分压后的电压V22的差值，输出差值电压；步骤302：将差值电压叠加至MOS管M1的栅极偏置电压VB1的输入端，降低MOS管M1的电流；步骤303：CMOS功放的功率随MOS管M1的电流降低而减小，进而CMOS功放的输出电压降低。进一步地，所述限幅电压VLIM2的计算过程为：计算M2的击穿电压，计算公式为：VM1＝(VCC+VP)-(VCAS+VGP)<VBK计算M1的击穿电压，计算公式为：VM2＝VCAS-VGS2-Vin<VBK计算限幅电压VLIM2，计算公式为：VLIM2＝MAX(VM1,VM2)式中，VCC表示电源电压，VP表示输出峰值电压，VCAS表示MOS管M2的栅极电压，VGP表示MOS管M2的栅极上随着输出摆动的同相电压，VBK表示MOS管M2的反相击穿电压，VGS2表示MOS管M2的栅源极电压。经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术公开提供了一种CMOS功放的过压保护电路及过压保护方法，该电路通过在原有的叠管电路的基础上增设电压传感器电压限幅器以及减法器，保护叠管电路中的两个MOS管在极限工作条件下不被击穿，通过负反馈调节原理可以将整个CMOS功放电路在极限情况下的电压调节至安全范围内，电路设计简单合理，安全可靠。同时，该方法可以提高CMOS功放的安全性和可靠性，保证了CMOS功放在过压条件下仍可以安全工作。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种CMOS功放的过压保护电路，其特征在于，包括叠管电路、电压传感器、电压限幅器以及减法器；/n所述叠管电路的一端分别与所述电压传感器和所述电压限幅器连接，所述叠管电路的另一端与所述减法器连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种CMOS功放的过压保护电路，其特征在于，包括叠管电路、电压传感器、电压限幅器以及减法器；
所述叠管电路的一端分别与所述电压传感器和所述电压限幅器连接，所述叠管电路的另一端与所述减法器连接。


2.根据权利要求1所述的一种CMOS功放的过压保护电路，其特征在于，所述叠管电路包括MOS管M1、MOS管M2和电感L1；
所述MOS管M1的栅极与所述减法器连接，所述MOS管M1的源极接地，所述MOS管M1的漏极与所述MOS管M2的源极连接；
所述MOS管M2的栅极与所述电压限幅器连接，所述MOS管M2的漏极与所述电感L1连接，所述电压传感器的一端与所述MOS管M2的漏极连接，其另一端与所述MOS管M2的栅极连接。


3.根据权利要求2所述的一种CMOS功放的过压保护电路，其特征在于，所述电压限幅器包括多个二极管，多个所述二极管串联连接。


4.一种CMOS功放的过压保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：实时采集CMOS功放的输出电压Vout，并将采集到的输出电压Vout与预设的电压阈值进行比较，当输出电压Vout超过电压阈值时，输出电压V1作用至MOS管M2的栅极；
步骤2：将输入MOS管M2栅极的电压VCAS与限幅电压VLIM1实时对比，控制输入MOS管M2栅极的电压在限幅电压VLIM1的范围内；
步骤3：将电压V1与限幅电压VLIM2实时比对，通过反馈调节CMOS功放的电流，进而对CMOS功放的输出电压进行调节。


5.根据权利要求4所述的一种CMOS功放的过压保护方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：
步骤201：当输入MOS管M2栅极的电压VCAS小于或等于限幅电压VLIM1时，VCAS由电压V1和其偏置电压VB2决定；
步骤202：当输入MOS管M2栅极的电压VCAS大于限幅电压VLIM1时，VCAS由限幅电压VLIM1决定。


6.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：李露露，高自立，邹亮，
申请(专利权)人：珠海复旦创新研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44