带有反向电流阻断能力的输出驱动器

摘要

一种输出驱动器(1)，其包括具有栅极节点(GMP0)以施加栅极控制电压(GCV)的驱动器晶体管(MP0)以及用于控制该驱动器晶体管(MP0)的栅极节点(GMP0)的栅极控制电路(30)。该输出驱动器(1)被配置为能够在第一操作模式和第二操作模式下操作，驱动器晶体管(MP0)的电流路径在第一操作模式下的可变电阻低于其在第二操作模式下的可变电阻。栅极控制电路(30)包括可控电阻器(RC)，该可控电阻器(RC)设置在驱动器晶体管(MP0)的栅极节点(GMP0)与输出驱动器(1)的输出节点(QP)之间，并且可控电阻器(RC)的电阻取决于输出驱动器是在第一操作模式还是在第二操作模式下操作。

说明书

技术领域

本公开内容涉及带有反向电流阻断能力的输出驱动器。

背景技术

可以在通信装置(例如传感器装置)中提供输出驱动器作为3线通信接口以提供通信装置的放大的输出信号。关于工业传感器的3线接口的标准正在根据本领域的发展趋势来进行调整和演变。一个方面是，传感器在过去被配置作为NPN开关或者作为PNP开关，而现在由于数字化，传感器越来越多地提供有推挽输出接口，例如在IO链路装置中提供有推挽输出接口。这提供了新的可能性，比如根据需要将推挽级作为可配置的NPN或PNP级来操作。

工业传感器可以包括3线推挽输出驱动器。包括输出驱动器1的传感器装置100的一个实施例如图1所示。无论输出驱动器是通态还是断态，工业传感器的标准都不允许ILoff＝0.5mA以上的电流流过负载电阻器Rload进入传感器信号线以及经由输出驱动器的输出节点QP流过传感器的输出端子Q进入输出驱动器1。

在电源路径中存在反向极性保护二极管D2的情况下，如果信号例如被负载电阻Rload上拉至电位L+，则传感器的输出端子Q或输出驱动器1的输出节点QP被上拉至高于输出驱动器在驱动器的电源节点SN处所得到的高电源电压VHV。在图1所示的示例中，传感器100的输出端子Q或输出驱动器1的输出节点QP被上拉至24V，即高于输出驱动器1在电源节点SN处所得到的23.4V的高电压。在这种情况下，输出驱动器的驱动器晶体管MP反向导通，导致电流流入传感器装置100的输出端子Q或输出驱动器的输出节点QP。

期望提供一种输出驱动器，其被配置为在反向极性条件下，不依赖于输出驱动器通断状态地来防止反向电流流入到输出驱动器的输出节点。

发明内容

权利要求1中指定了一种带有反向电流阻断能力的输出驱动器，该输出驱动器可以不依赖于输出驱动器通断状态地来防止任何电流流入到传感器信号线中。

根据输出驱动器的一个实施例，输出驱动器包括用于施加电源电压的电源节点、用于提供输出信号的输出节点、驱动器晶体管以及栅极控制电路。驱动器晶体管具有用于施加栅极控制电压的栅极节点。驱动器晶体管被配置为在电源节点与输出节点之间提供具有可变电阻的电流路径。栅极控制电路被配置为控制驱动器晶体管的栅极节点。

输出驱动器被配置为能够在第一操作模式(例如通态)以及在第二操作模式(例如断态)下操作。驱动器晶体管的电流路径在第一操作模式下的可变电阻低于其在第二操作模式下的可变电阻。栅极控制电路包括可控电阻器。可控电阻器设置在驱动器晶体管的栅极节点与输出驱动器的输出节点之间。可控电阻器的电阻取决于输出驱动器是在第一操作模式还是在第二操作模式下操作。

当启用(即在通态下操作)以及禁用(即在断态下操作)驱动器晶体管时，输出驱动器使得能够防止反向电流流过输出驱动器中的驱动器晶体管。输出驱动器的启用状态/通态对应于输出驱动器的第一操作模式，并且将输出驱动器的状态指定为其中驱动器晶体管的电流路径的电阻较低。在输出驱动器的启用状态/通态下，可控电阻器在低电阻状态下操作。输出驱动器的禁用状态/断态对应于输出驱动器的第二操作模式，并且将输出驱动器的状态指定为其中驱动器晶体管的电流路径的电阻较高。在输出驱动器的禁用状态/断态下，可控电阻器在高电阻状态下操作。

根据输出驱动器的一个实施例，输出驱动器包括体控制电路，用于将体控制电压施加到驱动器晶体管的体节点。输出驱动器能够在第一条件以及在第二条件下操作，在所述第一条件中，输出节点处的电位低于电源电压，并且在所述第二条件中，输出节点处的电位高于电源电压。体控制电路被配置为根据输出驱动器是在第一条件还是在第二条件下操作来将体控制电压的电平施加到驱动器晶体管的体节点。此外，栅极控制电路被配置为根据输出驱动器是在第一条件还是在第二条件下操作来将栅极控制电压的电平施加到驱动器晶体管的栅极节点。

所提出的输出驱动器的实施例通过将反向电压上移来解决不期望的反向电流流入到IC级输出驱动器中的问题，在该反向电压处，输出驱动器的驱动器晶体管开始反向导通。所提出的电路配置中的体控制电路被实施作为独立的阱/体开关。栅极控制电路提供了智能栅极控制以用于隔离并控制驱动器晶体管的控制/栅极节点。

此外，无论驱动器晶体管/输出驱动器是哪种操作模式(即通态/断态)，输出驱动器都使得能够在IC级上防止反向电流通过负载电阻流入到输出驱动器内部。在第一操作模式(通态)下操作输出驱动器的情况下，这通过以下方式来实现，即首先一旦输出节点处的电位接近电源电压，就禁用驱动器晶体管，并且随后提供驱动器晶体管的适当的栅极和体连接以防止反向电流流动。该禁用解决方案与常规的基于比较器的方法不同，因为那些方法会导致驱动器的通断开关操作发生振荡。

实施反向电流阻断原理是为了最小化高电压晶体管的数量以便进行面积优化。特别是因为不需要浮动电源电位、串联晶体管、电荷泵电路以及浮动阱，所以能够实现小的芯片面积。

输出驱动器可以实施作为高电压或低电压输出驱动器。根据可能的实施例，输出驱动器可以被配置作为3线推挽高电压/低电压输出驱动器。输出驱动器可以被用作为通信接口来与工业传感器进行通信。

包含有附图以提供进一步的理解，并且将附图并入本说明书中并构成本说明的一部分。附图示出了输出驱动器的几个实施例，并与本说明书一起用于解释各种实施例的原理和操作。

附图说明

图1示出了包括输出驱动器的传感器装置的实施例，该输出驱动器具有在反向极性条件下开始反向导通的驱动器晶体管；

图2示出了根据现有技术解决方案的用于传感器装置的具有反向电流保护的输出驱动器的一种可能的实施方式；

图3示出了根据另一现有技术解决方案的用于传感器装置的利用驱动器晶体管的智能栅极控制以具有反向电流保护的输出驱动器的一种可能的实施方式；

图4示出了输出驱动器在反向极性条件下操作时与输出驱动器的通/断操作模式无关地具有反向电流保护的一个实施例；

图5A示出了输出驱动器在反向极性条件下操作时与输出驱动器的通/断操作模式无关地具有反向电流保护的另一实施例；

图5B示出了具有反向电流保护的输出驱动器的可控开关的实施例；

图6示出了具有反向电流保护的输出驱动器在输出驱动器的通/断操作模式下的V-I特性；

图7示出了包含带有反向电流保护的输出驱动器的传感器系统的实施例；以及

图8示出了包括带有反向电流保护的输出驱动器的数字通信系统的实施例。

具体实施方式

图2示出了用于传感器装置的具有反向电流保护的输出驱动器的已知解决方案的电路配置，该反向电流保护采用背靠背连接的PMOS晶体管来隔离任意一方的寄生二极管，如Hao-Ping Hong和Jiin-Chuan Wu(IEEE会员)于2001年1月在IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS第36卷第1期“一种用于MOSFET功率开关的反向电压保护电路(A Reverse-Voltage Protection Circuit for MOSFET Power Switches)”中所述的方式。图2中的附图标记对应于Hao-Ping Hong和Jiin-Chuan Wu的原始文献的图1(a)中的附图标记。

两个晶体管串联连接，其中它们的源极连接在一起(背靠背)。如果驱动器强度必须保持不变，则附加的串联晶体管显著增加了面积。这种解决方案不是面积优化的，这是因为由于两个晶体管的串联连接导致驱动器所需的面积更大(4x面积)。此外，为了控制体电位和栅极电位，还需要附加的电路系统，例如比较器或锁存器。

图2所提出的解决方案允许支持高达正常操作的电压电平(例如24V)的反向电压，这不是解决当前问题所必需的。这种解决方案还允许通过阻断反向电流来使电源电压低于衬底。该特性也不是解决当前问题所需的。

对于上述反向电流问题，唯一符合成本效益的方法是，除了智能栅极控制外的PMOS晶体管的阱开关，以在反向条件下恰当地关断驱动器晶体管。Hao-Ping Hong和Jiin-Chuan Wu在“一种用于MOSFET功率开关的反向电压保护电路”中说明了这种解决方案。

图3示出了根据Hao-Ping Hong和Jiin-Chuan Wu的带有智能栅极控制的反向保护电路的一种可能的实施方式。图3中的附图标记对应于Hao-Ping Hong和Jiin-Chuan Wu的原始文献的图2中的附图标记。该反向保护电路具有阱开关，该阱开关带有栅极控制以关断并隔离栅极驱动器，这两者都是由反向条件比较器来控制的。

然而，该电路仅在低于5V的电压电平下工作。为了在电源电压VDD>5V下操作该电路，状态GND应表示参考上轨VDD的低电压浮动接地。体开关本身防止了损坏(例如由于闭锁等)，但不能解决反向电流阻断问题，因为其不控制驱动器晶体管的栅极。

图4示出了输出驱动器1的实施例，其带有保护，以防止反向电流流入输出驱动器中。输出驱动器1包括用于施加电源电压VHV的电源节点SN以及用于提供输出信号OS的输出节点Q。输出驱动器1还包括驱动器晶体管MP0，该驱动器晶体管具有栅极节点GMP0以施加栅极控制电压GCV。驱动器晶体管MP0被配置为在电源节点SN与输出节点QP之间提供具有可变电阻的电流路径。输出驱动器包括用于控制驱动器晶体管MP0的栅极节点GMP0的栅极控制电路30。

输出驱动器被配置为可以在第一操作模式例如通态以及在第二操作模式例如断态下操作。驱动器晶体管MP0的电流路径在第一操作模式(通态)下的可变电阻低于其在第二操作模式(断态)下的可变电阻。栅极控制电路30包括可控电阻器RC。该可控电阻器RC设置在驱动器晶体管MP0的栅极节点GMP0与输出驱动器1的输出节点QP之间。可控电阻器RC的电阻取决于输出驱动器1是在第一操作模式(通态)还是在第二操作模式(断态)下操作。

输出驱动器1还包括用于将体控制电压Vwell施加到驱动器晶体管MP0的体节点BMP0的体/阱控制电路20。栅极控制电路30被配置为将栅极控制电压GCV施加到驱动器晶体管MP0的栅极节点GMP0。

在反向极性条件下，无论输出驱动器是启用，即在第一操作模式(通态)下操作，还是禁用，即在第二操作模式(断态)下操作，输出驱动器1都使得能够防止反向电流通过输出节点QP和驱动器晶体管MP0流入输出驱动器中。这意味着输出驱动器提供了防止在输出驱动器的通态和断态下反向电流流入输出驱动器中的保护。

特别地，输出驱动器1被配置为防止任何反向电流经由输出节点QP并通过驱动器晶体管MP0流入输出驱动器中，而与驱动器晶体管MP0的电流路径在输出驱动器的第一操作模式下的通态或者驱动器晶体管MP0的电流路径在第二操作模式(断态)下的非通态无关。

输出驱动器1可以在第一条件以及在第二条件下操作，在该第一条件下，输出驱动器的输出节点QP处的电位OS低于电源电压VHV，在该第二条件下，输出驱动器的输出节点QP处的电位OS高于电源电压VHV。体控制电路20被配置为根据输出驱动器是在第一条件还是在第二条件下操作来将体控制电压Vwell的电平施加到驱动器晶体管MP0的体节点BMP0。栅极控制电路30被配置为根据输出驱动器是在第一条件还是在第二条件下操作来将栅极控制电压GCV的电平施加到高侧驱动器晶体管MP0的栅极节点GMP0。

输出驱动器有利地具有被配置为阱开关的独立的体控制电路和栅极控制电路。栅极控制电路被配置为智能栅极控制，并且使得能够隔离并控制驱动器晶体管的栅极节点。这涵盖了以下方面，即在反向操作中提供驱动器晶体管MP0的适当的栅极和体连接，以防止超过指定极限的任何反向电流。

当输出驱动器1在第一条件下操作时，体控制电路20被配置为将电源电压VHV施加到驱动器晶体管MP0的体节点BMP0。当输出驱动器1在第二条件下操作时，体控制电路20被进一步配置为将输出节点QP处的电位OS施加到驱动器晶体管MP0的体节点BMP0。

当输出驱动器1在第二操作模式的第一条件下操作时，栅极控制电路30被配置为将电源电压VHV施加到驱动器晶体管MP0的栅极节点GMP0。当输出驱动器1在第一操作模式的第一条件下操作时，栅极控制电路30被进一步配置为将电压Vg施加到驱动器晶体管MP0的栅极节点GMP0。当输出驱动器1在第二条件下操作时，栅极控制电路30被配置为将输出驱动器的输出节点QP处的电位OS施加到驱动器晶体管MP0的栅极节点GMP0。

这意味着，体节点BMP0和栅极节点GMP0能够有利地由在电源节点和输出节点处所提供的电压电位来控制，以使得不需要附加电路来生成控制信号/电压。因此，输出驱动器能够利用较小的芯片面积来实现。

体控制电路20包括设置在电源节点SN与驱动器晶体管MP0的体节点BMP0之间的晶体管MP5。晶体管MP5的体节点连接到晶体管MP5的源极节点。晶体管MP5的控制节点经由第一电阻器R1耦接至输出节点QP。晶体管MP5的控制节点还经由串联连接的二极管D10和D20连接到体节点BMP0。

有利地，提供二极管D10和D20以使得能够进行对晶体管MP5的VGS保护。能够将二极管D10和D20实施作为例如LV(低电压)PMOS晶体管，其中该晶体管的体节点连接到体节点BMP0或体控制电压Vwell。

体控制电路20还包括设置在驱动器晶体管MP0的体节点BMP0与输出驱动器1的输出节点QP之间的晶体管MP6。晶体管MP6的体节点连接到晶体管MP5的源极节点或驱动器晶体管MP0的体节点BMP0。体控制电路20包括设置在电源节点SN与驱动器晶体管MP0的体节点BMP0之间的电阻器R2。

有利地，当输出驱动器的输出节点QP处的电位接近于来自电源电位VHV的阈值电压时，电阻器R2能够上拉体节点BMP0。此外，在正常操作期间，仅有可忽略的电流在朝着输出驱动器的输出节点QP的方向上流动。

如图4所示，输出驱动器包括用于施加基准电压GND的基准节点RN，以及布置在电源节点SN与基准节点RN之间的电流路径CP。该电流路径CP包括电流源50、电阻器R3和二极管MP2。电流源50连接到基准节点RN。电阻器R3连接到第一电流源50。二极管MP2设置在电源节点SN与电阻器R3之间。二极管MP2是由具有彼此连接的栅极节点和漏极节点的晶体管来实现的。晶体管MP2的栅极节点连接到晶体管MP6的栅极节点。晶体管MP2的体节点连接到晶体管MP2的源极节点并且连接到电源节点SN。

高电压输出驱动器1包括连接到基准节点RN的电流源60。高电压输出驱动器1还包括用于检测输出驱动器1的第一条件和第二条件的检测电路40。检测电路40包括晶体管MP3和晶体管MP4。晶体管MP3设置在驱动器晶体管MP0的体节点BMP0与电流源60之间。晶体管MP3的体节点连接到晶体管MP4的源极节点。晶体管MP4设置在电源节点SN与电流源60之间。晶体管MP3的漏极节点连接到晶体管MP4的漏极节点。晶体管MP4的体节点连接到晶体管MP4的漏极节点。晶体管MP3的栅极节点连接到晶体管MP4的栅极节点。晶体管MP4的漏极节点连接到其栅极节点。

电流源60有利地为栅极控制电路30和检测电路40提供恒定电流。根据检测电路的配置，检测电路40实施作为比较器，该比较器有利地使得能够通过监测体控制电压来检测第一条件和第二条件。

栅极控制电路30包括晶体管MP7和晶体管MP8。晶体管MP7的源极节点连接到电源节点SN。晶体管MP7的体节点连接到电源节点SN。晶体管MP8的源极节点连接到晶体管MP7的漏极节点，并且晶体管MP8的漏极节点连接到驱动器晶体管MP0的栅极节点GMP0。晶体管MP8的体节点连接到电源节点SN。

晶体管MP7的栅极节点能够经由可控开关来连接到晶体管MP2的栅极节点和电源节点SN中的一个。晶体管MP8的栅极节点连接到晶体管MP3和晶体管MP4的相应漏极节点以及电流源60。

晶体管MP7和MP8有利地使得在正常操作期间能够将驱动器晶体管MP0的栅极节点连接到电源电位VHV。为此目的，只需将晶体管MP7和MP8关断即可。

高电压输出驱动器1还包括连接到基准节点RN的电流源70。输出驱动器1还包括连接在电源节点SN与电流源70之间的晶体管MP9。晶体管MP9的体节点连接到晶体管MP9的源极节点。此外，晶体管MP9的体节点能够经由可控开关来连接到电流源70或晶体管MP9的漏极节点。

栅极控制电路30包括设置在晶体管MP9的栅极节点与驱动器晶体管MP0的栅极节点GMP0之间的晶体管MN0。晶体管MN0的体节点连接到晶体管MP9的栅极节点。栅极控制电路30被配置为当输出驱动器1在第一操作模式的第一条件下操作时将晶体管MP9的栅极节点处的栅极电压施加到驱动器晶体管MP9的栅极节点GMP0。

栅极控制电路30还包括晶体管MP10和晶体管MN1。该晶体管MP10和MN1串联设置在电源节点SN与晶体管MP9的栅极节点之间。晶体管MP10的源极节点连接到电源节点SN，晶体管MP10的漏极节点连接到晶体管MN1的漏极节点，并且晶体管MP10的栅极节点连接到晶体管MP4的栅极节点。晶体管MP10的体节点连接到驱动器晶体管MP0的体节点BMP0。晶体管MN1的漏极节点连接到晶体管MN0的栅极节点，并且晶体管MN1的栅极节点连接到晶体管MN0的栅极节点。晶体管MN1的体节点连接到晶体管MP9的栅极节点。

这种电路配置有利地使得能够将晶体管MP10和MP4作为电流镜来操作。在反向条件下，该电流镜关断。电流镜的关断操作使得能够降低晶体管MN1的栅源电压，并因此关断晶体管MN0。

图5A示出了输出驱动器1的另一实施例，其中可控电阻元件RC包括晶体管MP1或者被实施为晶体管MP1。晶体管MP1设置在驱动器晶体管MP0的栅极节点GMP0与输出驱动器的输出节点QP之间。

所提出的配置使得能够借助于晶体管MP1来禁用驱动器晶体管MP0。驱动器晶体管的控制有利地由一个元件来执行，该元件可以被配置作为相匹配的晶体管并且该元件基于与反向地导通驱动器晶体管MP0相同的机制来上拉驱动器晶体管MP0的栅极。这确保了不存在高于电源电压VHV的范围，在该范围中驱动晶体管MP0可以反向导通，从而导致电流流入到输出节点QP中。

根据输出驱动器1的可能的实施例，晶体管MP1具有栅极节点GMP1以施加栅极控制信号GCS来控制晶体管MP1。该栅极控制信号GCS取决于是在第一操作模式(通态)或是在第二操作模式(断态)下操作输出驱动器。

输出驱动器通过使用晶体管MP1以控制驱动器晶体管MP0的栅极节点GMP0处的栅极控制电压GCV的配置使得无论是在输出驱动器的何种操作模式(即通态或断态)下都能够通过在输出驱动器的输出节点QP处模拟反向保护肖特基二极管来解决反向电流的问题。与外部肖特基二极管相比，该模拟的二极管的优点在于其不会导致与驱动器尺寸不相关的任何附加的电压降。

这涵盖了以下方面，即当输出驱动器的输出节点QP处的电位接近电源电位VHV时，禁用输出驱动器1/驱动器晶体管MP0。在这个方面，参考输出驱动器的V-I特性，特别是图6所示的正常操作区。

通过晶体管MP1来控制驱动器晶体管MP0的栅极节点GMP0，使得可以在电源节点SN与输出节点QP之间的电压差变为零之前，完全禁用驱动器晶体管MP0，即切换到非导通或高阻抗状态。否则，电源节点SN将由驱动器晶体管MP0本身来上拉，并且将不再检测到反向条件。

驱动器晶体管MP0的禁用以一种平滑的方式发生，如同在输出节点QP与驱动器晶体管的栅极节点GMP0之间存在有串联连接的反向保护肖特基二极管。与常规的基于比较器的方法相比，对驱动器晶体管MP0的稳步禁用确保了在检测到电位QP接近于电源电位VHV之后不会由于硬通断开关而发生振荡。

驱动器晶体管MP0被禁用使得电压差OS-VHV发生在合理的电压范围内，以便应对输出驱动器的其它主要要求，例如给定输出电流处的导通电阻、短路检测电路等。

根据图5A所示的输出驱动器的实施例，栅极控制信号GCS以不同的电压电平施加到晶体管MP1的栅极节点GMP1。在第一操作模式(通态)下，栅极控制信号GCS以低于电源电压VHV的电压电平的电压电平施加到晶体管MP1的栅极节点GMP1。在第二操作模式(断态)下，栅极控制信号GCS以电源电压VHV的电压电平施加到晶体管MP1的栅极节点GMP1。

通过为栅极控制信号使用从电源电压导出的电压电平来配置输出驱动器使得能够通过在可用电路结构处容易地分接栅极控制信号来生成栅极控制信号。因此，不需要附加的外部组件，使得输出驱动器可以利用面积优化的设计来实现。

根据图5A所示的输出驱动器1的实施例，栅极控制电路30包括可控开关CS以将栅极控制信号GCS的电压电平施加到晶体管MP1的栅极节点GMP1。可控开关CS连接到晶体管MP1的栅极节点GMP1。

所提出的通过使用可控开关将栅极控制信号施加到晶体管MP1的栅极节点来配置输出驱动器，使得能够实现将栅极控制信号通过面积优化的电子组件来施加到晶体管MP1。图5B示出了可控开关CS的可能的实施例，该可控开关能够通过串联连接的晶体管MP11和MP12来实现。晶体管MP11布置在用于施加电源电位VHV的电源节点与栅极节点GMP1之间。晶体管MP12布置在提供低于电源电位VHV的电位的内部节点N与栅极节点GMP1之间。晶体管MP11和MP12的栅极节点由必须由例如控制器或电平移位器提供的控制信号SCS根据可控开关CS所期望的开关状态来控制。

关于图5B所示的可控开关CS的实施例，晶体管MP11和MP12的相应栅极节点可以连接到电源节点SN以施加带有高电压电平的控制信号SCS，例如电源电压VHV。在这种开关状态下，可控开关将节点N的电位提供到晶体管MP1的栅极节点GMP1。另一方面，晶体管MP11和MP12的栅极节点可以耦接到低于电源电压VHV的控制电压，以便在晶体管MP1的栅极节点GMP1处提供电源电位VHV。

如图5A所示，可控开关CS至少具有第一开关状态S1on和第二开关状态S1off。可控开关CS被配置为使得在第一开关状态S1on下，将低于电源电压VHV的电压电平的电压电平施加到晶体管MP1的栅极节点GMP1。在可控开关CS的第二开关状态S1off下，将电源电压VHV的电压电平施加到晶体管MP1的栅极节点GMP1。

根据输出驱动器1的可能的实施例，可控开关CS被配置为使得在第一开关状态S1on下，晶体管MP1的栅极节点GMP1连接到其电压电平低于电源节点SN电压电平的节点N。节点N可以是电流源50与电阻器R3之间的电流路径CP的内部节点。可控开关CS被配置为使得在第二开关状态S1off下，晶体管MP1的栅极节点GMP1连接到电源节点SN。

所提出的电路配置使得能够通过将可控开关CS仅在两个开关状态之间切换，来为栅极控制信号GCS提供来自可用电路结构的内部节点的电压电平。以最简单的方式，低于电源电位VHV的电压电平可以由分压器来生成。在这种情况下，可控开关CS将处于第一开关状态S1on下的晶体管MP1的栅极节点GMP1连接到分压器的内部节点。

根据输出驱动器1的可能的实施例，输出驱动器可以包括控制器80，以根据输出驱动器1是在第一操作模式还是在第二操作模式下操作来控制可控开关CS的第一开关状态S1on和第二开关状态S1off。

输出驱动器1的完整功能可以仅由一个控制器部件来有利地控制。控制器80可以生成控制信号，以通过数字信号来控制输出驱动器的可控开关的开关状态，从而使得不需要复杂的电路结构。

当输出驱动器1在第一操作模式(通态)下操作时，控制器80可以被配置为控制可控开关CS在第一开关状态S1on下开关。当输出驱动器1在第二操作模式(断态)下操作时，控制器80被进一步配置为控制可控开关CS在第二开关状态S1off下开关。这意味着控制器80有利地实施为仅生成两个控制信号以控制可控开关CS。

以下描述高电压输出驱动器的实施例的操作。

输出驱动器1的主高侧驱动晶体管是输出驱动器级10的晶体管MP0。在输出驱动器1的第二条件下，即在输出节点QP处的电位OS高于电源节点SN处的电源电位VHV(OS>VHV)的反向极性条件下，驱动器晶体管MP0的体节点BMP0和栅极节点GMP0都必须连接到输出节点QP以将电位OS施加到驱动器晶体管MP0的体节点BMP0和栅极节点GMP0，以便防止任何电流流入到输出节点或引脚QP中。否则所提到的电流会流过晶体管MP0的主体二极管或者晶体管MP0会开始反向导通。

驱动器晶体管MP0的体节点BMP0的连接由包括晶体管MP5、MP6和电阻器R1的体控制电路或阱开关20来提供。在输出驱动器1的第一条件期间，即在输出节点QP处的电位OS低于电源节点SN处的电源电位VHV(OS

当输出节点QP处的电位OS接近于电源节点SN处的电源电位VHV时，特别是当电位OS接近来自电源电位VHV的阈值电压时，驱动器晶体管MP0的体节点BMP0处的电压电位Vwell被电阻器R2上拉。晶体管MP6的栅极由偏置电压Vb来进行偏置，以使得在第一(正常)条件(OS

一旦输出节点QP处的电位OS高于电源节点SN处的电源电位VHV(第二条件：OS>VHV)，晶体管MP5的栅极就被上拉至电位OS以禁用晶体管MP5。同时，其栅极电压在低于电源电位VHV的阈值电压处被偏置的晶体管MP6开始导通，以将体节点BMP0处的电位Vwell上拉至施加到输出节点QP的电位OS。该过程隔离了驱动器晶体管MP0的漏-体二极管，并防止了任何电流流过它，但由电阻器R2的电阻所提供的电流除外。

对晶体管MP0的栅极节点GMP0处的电位GCV进行的上拉是由与主驱动器晶体管MP0类型相同的晶体管MP1来提供的。在输出驱动器的第二操作模式(断态)下，只要输出节点QP处的电位OS高于在其反向操作中的阈值电压，主驱动器晶体管MP0就会开始向电源节点SN传导灌电流。晶体管MP1在与晶体管MP0开始导通的环境相同的环境下开始导通，因此在输出节点QP处具有相同的电压OS。这是有效的，因为晶体管MP0的栅极电压GCV在第二操作模式(断态)下被上拉至电源电位VHV，以提供与晶体管MP1所示相同的栅极-漏极电压。

在前述操作模式(断态)下，晶体管MP1开始导通以将晶体管MP0的栅极节点GMP0处的电压电位GCV上拉至输出节点QP的电位OS。这确保了晶体管MP0永远不会反向导通。此外，这确保了不存在电源电压VHV以上的电压范围或间隙，在其中晶体管MP0是反向导通的。

在输出驱动器的第一操作模式(通态)下，为了防止过量反向电流流动，在正常操作区(图6)中必须关断晶体MP0。必须确保这样，否则晶体管会将节点RN上拉至输出节点QP的电位，从而使流过二极管D2的电源电流失活并引导整个电源电流都通过MP0，这是工业传感器标准所不允许的。

为了防止这种情况，在输出驱动器的第一操作模式(通态)下，晶体管MP1的栅极连接到低于VHV的电位。这确保了当输出节点QP接近电源节点RN处的电源电位VHV(例如100mV)时，晶体管MP1开始导通。一旦晶体管MP1开始导通，主驱动器MP0的栅极就被上拉至节点QP处的电位，从而使主驱动器MP0失活。由于栅极控制电路系统30仍在对晶体管MP1进行反作用，因此由电流源70在晶体管MP9上所提供的电流将导致在这种条件下的主反向电流，只要电流保持低于工业传感器的标准所指定的电平，这就是可以接受的。主驱动器MP0失活将使得节点QP的电位能够升高到VHV以上，以相应地稳定如针对主驱动器的第二操作模式(断态)所描述的反向条件。

在第二操作模式(断态)下，为了使得晶体管MP1能够在反向条件下将晶体管MP0的栅极电压GCV上拉至输出节点QP处的电位OS，在第二操作模式/正常断态期间将晶体管MP0的栅极节点GMP0连接到电源电位VHV的晶体管MP7和MP8必须关断。这是通过借助于比较器/检测电路40检测反向操作来实现的。

比较器/检测电路40包括晶体管MP3和MP4。在第二操作模式(正常操作/断态模式)下，晶体管MP4生成栅极-源极电压，该栅极-源极电压使得晶体管MP8能够将晶体管MP0的栅极节点GMP0处的电位GCV通过晶体管MP7上拉至电源电位VHV。只要输出节点QP处的电压电位OS高于电源电位VHV，体/阱电位Vwell就会被体控制电路/阱开关20上拉至电位OS。这也启用了晶体管MP3，其将晶体管MP8的栅极节点处的电位上拉至体电位Vwell，以将其与晶体管MP7相隔离。

所提出的比较器/检测电路40的特性在于其在电流模式下操作。另外，其不会直接感测驱动器的输出节点QP处的电位，而是只要实现了反向条件，其就感测晶体管MP0的体/阱电位Vwell，该体/阱电位代表输出驱动器1的输出节点QP处的电位OS。

这使得能够使用隔离的LV(低电压)晶体管，因为比较器40看不到正常操作期间的高电压。关于图5A的电路配置，具有双漏极连接的晶体管为HV(高电压)晶体管，而其他晶体管为LV(低电压)晶体管。

在第二操作模式期间，晶体管MP0在非导通/关断状态下操作。在第二操作模式(断态模式)中，晶体管MP8以及晶体管MN0必须被关断，即在非通态下操作，以使得晶体管MP1能够将晶体管MP0的栅极电压GCV上拉至输出节点QP处的电位OS。这是由与通过晶体管MP10和MN1上拉晶体管MN0的栅极电压GCV的同一比较器/检测电路40来提供的。

在反向条件状态下，当晶体管MP3将晶体管MP4的栅极上拉至体/阱电位Vwell，包括晶体管MP10和MP4的镜也将关断。这导致了晶体管MN1的栅源电压变得小于其阈值电压，并因此也关断了晶体管MN0。与此相似，晶体管MP1能够上拉晶体管MP0的栅极节点GMP0处的电位GCV，同时所有的其他晶体管/开关都关断。

如果在电源节点SN与输出节点QP之间没有ESD二极管，则必须解除对工业传感器标准所需的反向电流进行的隔离。否则阱电位Vwell将会被上拉至相对于电源电压VHV超过LV晶体管的安全操作电压的电压。

为了克服这种操作状态，晶体管MP7和MP8的体连接对于电源电压VHV是紧密的。这允许大约一个二极管电压加上晶体管MP0的反向阈值电压的约为1.5V的反向操作。在反向操作的一个二极管电压以上，MP7和MP8的主体二极管钳位将开始再次导通以上拉至电源电位VHV的晶体管MP0的栅极节点。这确保了电位OS与VHV之间的差异不会太高以致损坏LV晶体管。

图6示出了针对输出驱动器在第一操作模式(通态)和第二操作模式(断态)下操作的输出驱动器1的V-I特性。在正常操作区中，输出节点QP处的电位OS低于电源电位VHV。在第一操作模式(通态)下，在输出节点QP处生成输出电流ILoff。如果输出驱动器在第二操作模式(断态)下操作，则不生成输出电流。如图6进一步所示，当电位QP接近电源电压VHV时，会发生小电流ILoff流入到输出驱动器中。在反向操作区中，当输出节点QP处的电位OS大于电源电压VHV时，能够显著地避免输入电流ILoff。

当与图2和图3所示的电路配置相比时，所提出的电路配置不需要任何附加的外部二极管，因为该问题在高电压输出驱动器1中借助于体控制电路/阱开关20结合智能栅极控制电路30来解决。

与图2所示的电路配置相比，图4和图5A所示的输出驱动器1的实施例没有显著增加芯片面积，这是因为不需要与主驱动晶体管串联连接的晶体管。

与图3所示的电路配置相比，图4和图5A的输出驱动器1的实施例具有以下特性。

由栅极控制电路30产生的栅极控制和由比较器/检测电路40进行的反向检测是在距上轨约3.6V以内的电压范围内发生的。这使得能够使用在上轨VHV处操作的隔离的LV(低电压)晶体管，除了一个晶体管，即晶体管MP1。由于HV(高电压)晶体管占用了大的面积，从而这节省了面积。

主驱动器晶体管MP0的禁用是借助于相匹配的晶体管MP1来提供的，该相匹配的晶体管基于与反向开启主驱动器晶体管相同的机制来上拉主驱动器的栅极GMP0。这确保了不存在电源电压VHV以上的范围，在该范围中，主驱动器晶体管MP0反向开启以使得电流流入到输出节点/引脚QP。由于临界条件下的反向电压约为0.6V，接近于输出驱动器的电源电压，因此该电路特别适用于结合反向极性保护二极管D2的标准所提供的要求。

图4和图5A的电路配置不一定需要参考上轨的浮动低电压电源，因为不需要逻辑(例如逆变器)来控制晶体管。这显著节省了芯片面积和功耗。

输出驱动器1的实施例提供了选择必须确保输入电流ILoff的隔离必须达到哪个反向电压的灵活性。在ESD事件情况下，特别是在IC制造期间，当外部保护电路系统不可用时，就需要上述选择灵活性来对控制晶体管的栅极进行自保护。电路被动地解除输入电流的隔离特性。

此外，根据输出驱动器1的实施例，从驱动器晶体管的漏极到其栅极连接的环路增益保持较低以避免任何的不稳定性。

下面描述了输出驱动器可能使用的一些可能应用。

输出驱动器1可以例如用于传感器系统中，如图7所示。图7的传感器系统100包括输出驱动器1和传感器装置2。输出驱动器1耦接到传感器装置2以放大传感器装置的输入信号。输出驱动器可以被配置作为高电压或低电压的输出驱动器。特别地，输出驱动器1能够实施作为三线推挽高电压/低电压输出驱动器。基本上，图4和图5A所示的输出驱动器的实施例适用于带有外部电源反向极性保护二极管的三线输出接口。

输出驱动器1还可以用于数字通信系统中，如图8所示。数字通信系统可以包括IO链路主装置3和IO链路装置4。IO链路装置耦接到IO链路主装置。特别地，IO链路装置4可以包括包含输出驱动器1和传感器装置2的传感器系统100。根据图8所示的数字通信系统，输出驱动器1可以被配置作为IO链路装置4的数字通信接口。传感器装置可以是任何工业传感器，例如光电传感器、接近度传感器、回射传感器或直通光束传感器。

附图标记说明

1 输出驱动器

2 传感器装置

3 IO链路主装置

4 IO链路装置

10 输出驱动器级

20 体控制电路

30 栅极控制电路

40 比较器/检测电路

50 电流源

60 电流源

70 电流源

80 控制器

100 传感器系统

MP0 驱动器晶体管

MP1、MP3、MP4、MP7、MP8、MP10、MN0、MN1 栅极控制电路的晶体管

MP5、MP6 体控制电路的晶体管

MP2、MP9 晶体管

GCV 栅极控制电压

GCS 栅极控制信号

CS 可控开关

S1on、S1off 可控开关的开关状态

SN 电源节点

QP、Q 输出节点

RN 基准节点

VHV 电源电位

OS 输出节点处的电位。