CN100452647C - 一种小输出电阻、大输出幅度的电压跟随器 - Google Patents

Abstract

一种小输出电阻、大输出幅度的电压跟随器属于电压跟随器技术领域，其特征在于含有：1个输入管PMOS管M1，第一电流源I2、以及由2个NMOS管M2和M3，一个电流沉I1以及第二电流源I3构成的反馈环路。该反馈环路使电压跟随器的输出电阻显著变小，输出幅度显著变大，同时使电压跟随器的输入管的漏极成为一个低阻抗节点，从而使输入管的漏极电压波动变小，减小了输入管的沟道调制效应。本发明具有小输出电阻，大输出幅度，高线性度，适合低电压工作的优点。

Description

一种小输出电阻、大输出幅度的电压跟随器

技术领域

本发明属于微电子学与固体电子学领域的超大规模集成电路设计，涉及一种新型的电压跟随器电路，可以广泛用于源极衰减结构跨导放大器和管子基于线性区工作的跨导放大器等电路的设计。

背景技术

随着CMOS工艺的特征尺寸开始进入纳米量级，模拟电路需要工作在越来越低的供电电压下以适应工艺的要求。但是晶体管的阈值电压(V_T)和饱和电压(V_Dsat)并没有随着供电电压同步线性减小。这些因素严重限制了模拟电路在低供电电压下的电压幅度。在公开的文献中，已经提出了如管子线性区工作，伪差分结构，衬底驱动等多种让模拟电路可以工作在低电压下，同时保持可接受性能方法。为了更好的满足移动便携设备对低电压低功耗的要求，现在模拟电路设计工程师的首要任务是设计出一些新的单元电路来更好满足技术的发展趋势。

电压跟随器电路是模拟电路的重要单元模块之一，广泛应用于各种模拟信号处理电路中。电压跟随器经常被用作电压缓冲器。它的特点是要求其具有很大的输入电阻，很小的输出电阻，另外还需要具有很大的电压输出幅度。

因此设计一个可以工作在低电压下，同时具有很小的输出电阻和很大的电压幅度的高性能电压跟随器就成了目前模拟电路设计急需解决的主要问题之一。

而目前最简单的电压跟随器就是传统的源极跟随器结构如图2(a)所示。

源级跟随器虽然实现简单，但是存在着一些问题。首先，由于通过输入管M1的电流与输出电流大小有关，因此M1管的栅源电压将不会是一个固定的值，而会随着信号的变化而变化，这会给输出信号带来失真。其次，在一些应用中电压跟随器需要驱动很小的负载，这就要求电压跟随器需要具有极小的输出电阻以达到单位增益。而在源级跟随器中它的输出电阻为1/g_m1，其中g_m1为输入管M1的跨导。因此为了达到小输出电阻，需要增大输入管的跨导值g_m1。这意味着需要使用大的偏置电流和大尺寸的输出管，这将会带来面积和功耗上的增加。

为了解决源级跟随器的这些问题，后来研究者又提出了超级源级跟随器和翻转电压跟随器，如图2(b)和2(c)所示。

这两种改进结构通过加入一个反馈环路使得该种电压跟随器的输出电阻减小到1/g_m2g_m1r_o1，其中g_m1为M1管的跨导，r_o1是M1管的输出电阻，g_m2为M2管的跨导，因此该种结构可以驱动比较小的负载。但是这两种结构还是存在着一些问题。

在低电压下，电路的输出幅度对于各种模拟单元电路具有很重要的意义。但是上述两种电路仍然无法充分满足要求。

翻转电压跟随器的输出幅度被限制在V_GS-2V_Dsat，这大大限制了该种跟随器在高品质电路中的应用。

超级源级跟随器的输出幅度比翻转电压跟随器稍大，为V_DD-V_GS-2V_Dsat。

另外在一些应用如源级衰减跨导放大器中，需要电压跟随器具有极小的输出电阻以达到很好的线性度，上述两种电压跟随器的输出电阻还不能很好的满足此要求。另外由于上述电压跟随器的漏极为高阻抗，因此会在该点带来很大的电压波动，因此输出管的沟道调制效应会比较明显。

针对这种情况，本发明提供了一种具有更小的输出电阻，更大的输出幅度，同时可以减小输入管子沟道调制效应的新型电压跟随器。

发明内容

本发明的目的在于提供能克服上述缺点的同时具有更小输出电阻和更大输出幅度，可低电压工作的电压跟随器电路。

本发明的特征在于含有：

1个P型MOS管M1，作输入管用，栅极接输入电压Vin，源级接节点1，从所述1节点引出输出电压Vout，而漏极接节点3；

第一电流源I2，一端接电源电压V_DD，另一端接所述节点1；

反馈环路，由2个NMOS管M2和M3，电流沉I1，第二电流源I3构成，其中，NMOS管M2的源级与地相连，漏极接所述节点1，栅极接节点2；NMOS管M3的源级接所述节点3，漏极接所述节点2，而栅极接偏置电压Vb；电路沉I1，一端接地，而另一端接节点3；第二电流源I3的一端接所述电源电压V_DD，而另一端接节点2；

所述电压跟随器的输出电阻r_L为：

$r_L\≈\frac{1}{g_{m2}{g}_{m1}{r}_{o1}{g}_{m3}{r}_{o3}},$

其中g_mi和r_oi分别为所述Mi管的跨导和输出电阻，i＝1，2，3；

所述电压跟随器在所述节点1的输出电压净空高度为V_DD-3V_Dsat，其中V_Dsat是晶体管的饱和电压。

发明的电压跟随器通过加入一个新型反馈环路，克服了电压跟随器输出电阻过大，输出幅度过小，不适合低电压工作等缺点。本电路经仿真测试，在0.18微米CMOS工艺下，在1.5V供电电压下。输入0.8V峰到峰幅度和1MHz频率信号，其总谐波失真THD约为0.1％左右。

附图说明

图1.本发明的电压跟随器电路原理图。

图2.(a)传统源级跟随器电路原理图，(b)翻转电压跟随器电路原理图，(c)超级源级跟随器电路原理图。

本发明使用了一个新型反馈环路，从而使得输出电阻进一步减小至

$r_L\≈\frac{1}{g_{m2}{g}_{m1}{r}_{o1}{g}_{m3}{r}_{o3}}$

其中g_mi和r_oi分别代表Mi管的跨导和输出电阻。另外这种新型电压跟随器带来的另一个优点是使得输出节点的电压净空高度增加到V_DD-3V_Dsat，这与翻转电压跟随器，超级源级跟随器相比要大的多。因此该种结构具有更大的输出幅度。此外该结构中输出管子的漏极为一个低阻抗节点，因此该节点上的电压波动很小，这显著减轻了沟道调制效应对输入管子M1管的影响。

通过引入反馈环路使电压跟随器的输出节点电阻显著变小，输出幅度显著变大。同时使输入管子的漏极为低阻抗节点，从而电压波动较小，减小沟道调制效应对输入管的影响，另外在关键路径上的最大压降小于传统结构电路，从而显示出在更低电压下工作的潜力。

具体实施方式

本发明的技术解决方案参阅图1。图1是小输出电阻大输出幅度的电压跟随器电路结构图。

整个小输出电阻大输出幅度的电压跟随器具体连接关系为：M1管其源级与节点1相连，漏极与节点3相连，栅极接输入信号Vin。 M2管，M3管，电流沉I1和电流源I3构成了一个反馈环路。节点1外接输出端口Vout。M2管源级与地相连，漏极与节点1相连。栅极连接节点2。M3管的源级与节点3相连，漏极与节点2相连，栅极接偏置电压Vb，Vb电压由偏置电路提供。电流沉I1一端接地，另一端接节点3。电流源I2一端接V_DD，另一端接节点1。电流源I3一端接V_DD，另一端接节点2。

所述电压跟随器采用标准CMOS工艺实现。

另外本电路在关键路径上的最大压降仅为V_GS+2V_Dsat，从而显示出在更低电压下工作的潜力。经测试，本电路在0.18微米CMOS工艺1.5V供电电压下能很好的工作。并且本电路的供电电压还有进一步降低的空间。

Claims (1)

1.一种小输出电阻、大输出幅度的电压跟随器其特征在于，含有：

1个PMOS管(M1)，作输入管用，栅极接输入电压(Vin)，源级接第一节点1，从所述第一节点(1)引出输出电压(Vout)，而漏极接第三节点(3)；

第一电流源(I2)，一端接电源电压(V_DD)，另一端接所述第一节点(1)；

反馈环路，由第一NMOS管(M2)和第二NMOS管(M3)，电流沉(I1)，第二电流源(I3)构成，其中，第一NMOS管(M2)的源级与地相连，漏极接所述第一节点(1)，栅极接第二节点(2)；第二NMOS管(M3)的源级接所述第三节点(3)，漏极接所述第二节点(2)，而栅极接偏置电压(Vb)；电路沉(I1)一端接地，而另一端接第三节点(3)；第二电流源(I3)的一端接所述电源电压(V_DD)，而另一端接第二节点(2)；

所述电压跟随器的输出电阻r_L为：

$r_L\≈\frac{1}{g_{m2}{g}_{m1}{r}_{o1}{g}_{m3}{r}_{o3}},$

其中g_m1和r_o1分别为Mi管的跨导和输出电阻，i＝1，2，3；

所述电压跟随器在所述第一节点(1)的输出电压净空高度为V_DD-3V_Dsat，其中V_Dsat是晶体管的饱和电压。

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