CN101458537B

CN101458537B - 电压调整器电路及电阻偏差补偿方法

Info

Publication number: CN101458537B
Application number: CN2007100944253A
Authority: CN
Inventors: 孟醒
Original assignee: Shanghai Hua Hong NEC Electronics Co Ltd
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2007-12-11
Filing date: 2007-12-11
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2027-12-11
Also published as: CN101458537A

Abstract

本发明公开了一种电压调整器电路，包括一个运算放大器，所述运算放大器的正向输入端接收输入信号，所述运算放大器的输出端连接到一个由NMOS管组成的源跟随器上，所述运算放大器还连接有一个偏置电路，所述偏置电路为所述运算放大器提供偏置信号。本发明还公开了一种电阻偏差补偿方法，所述电路的极点与相应的电阻成同种比例关系，所述电阻采用同一工艺变化方向的电阻或者同种电阻，当电阻发生变化时，所述极点在坐标上向相同的方向移动，对因电阻变化而造成的增益偏差和相位偏差进行补偿。本发明通过上述电路结构和电阻偏差补偿方法，有效的降低了电阻由于工艺偏差或者温度偏差等因素对电路的增益和相位产生的影响，保证电路的性能。

Description

电压调整器电路及电阻偏差补偿方法

技术领域

本发明涉及一种电路，尤其是一种电压调整器电路。本发明还涉及一种电阻偏差补偿方法。

背景技术

深亚微米工艺下，集成电路的生产制造过程存在较大的失配和偏差，其中电阻元件的受工艺影响相当大；通常电路设计中考虑工艺偏差影响值为±20％，当系统的极点与电阻相关时，整个系统极点受各种影响的偏移最大也会达到±20％之多，这样可能会使得原来刚达到系统稳定性要求的相位裕度和增益裕度下降，从而严重影响电路系统性能，也会影响量产产品的成品率。这成为所有电路设计者不得不考虑的问题。

为了解决这一问题，当前主要的技术有：设计时尽量避免使用电阻元件作为系统的主要功能元件；在制定设计参数时预留较大余量；或者在设计电路时采用电阻比例等方法抵消电阻的直接作用等等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电压调整器电路，以及这种电压调整器电路实现的电阻偏差补偿方法，能够有效的降低电阻由于工艺偏差或者温度偏差等因素对电路的增益和相位产生的影响，保证电路的性能。

为解决上述技术问题，本发明电压调整器电路的技术方案是，包括一个运算放大器，所述运算放大器的正向输入端接收输入信号，所述运算放大器的输出端连接到一个NMOS管M1的栅极，所述NMOS管M1的漏极接电源端，衬底端接地，源极通过两个串联的电阻R1和R2接地，所述两个电阻R1和R2之间引出一条反馈线，连接到所述运算放大器的反向输入端，所述运算放大器还连接有一个偏置电路，所述偏置电路为所述运算放大器提供偏置信号，所述偏置电路工作状态为亚阈值区，以满足补偿要求，所述NMOS管M1的源极作为所述电压调整器电路的输出端，所述偏置电路包括第二PMOS管(M2)、第三PMOS管(M3)和第四NMOS管(M4)、第五NMOS管(M5)，所述第二PMOS管(M2)的漏极、衬底端以及第三PMOS管(M3)的漏极、衬底端都连接到电源端，所述第二PMOS管(M2)的栅极、源极、第三PMOS管(M3)的栅极以及第四NMOS管(M4)的漏极连接在一起，所述第四NMOS管(M4)的衬底端、源极、第三电阻(R3)的一端以及第五NMOS管(M5)的衬底端都接地，所述第三电阻(R3)的另一端接到所述第五NMOS管(M5)的源极，所述第三PMOS管(M3)的源极以及第五NMOS管(M5)的栅极和漏极连接在一起，并作为偏置信号输出端连接到所述运算放大器电路，所述第二PMOS管(M2)、第三PMOS管(M3)和第四NMOS管(M4)、第五NMOS管(M5)都工作在亚阈值区。

作为本发明电压调整器电路的进一步改进是，所述偏置电路包括PMOS管M2、M3和NMOS管M4、M5，所述PMOS管M2的漏极、衬底端以及PMOS管M3的漏极、衬底端都连接到电源端，所述PMOS管M2的栅极、源极、PMOS管M3的栅极以及NMOS管M4的漏极连接在一起，所述NMOS管M4的衬底端、源极、一个电阻R3的一端以及NMOS管M5的衬底端都接地，所述电阻R3的另一端接到所述NMOS管M5的源极，所述PMOS管M3的源极以及NMOS管M5的栅极和漏极连接在一起，并作为偏置信号输出端连接到所述运算放大器电路，所述MOS管M2、M3、M4和M5都工作在亚阈值区。

本发明电阻偏差补偿方法的技术方案是，所述电路的极点与相应的电阻成同种比例关系，所述电阻采用同一工艺变化方向的电阻或者同种电阻，当电阻发生变化时，所述极点在坐标上向相同的方向移动，对因电阻变化而造成的增益偏差和相位偏差进行补偿。

本发明通过上述电路结构和电阻偏差补偿方法，有效的降低了电阻由于工艺偏差或者温度偏差等因素对电路的增益和相位产生的影响，保证电路的性能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明：

图1为本发明电压调整器电路的电路图；

图2为本发明电压调整器电路中偏置电路的电路图；

图3为采用本发明电阻偏差补偿方法的波特图；

图4为本发明两极点系统零极图；

图5为本发明电压调整器电路系统等效节点示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种电压调整器电路，如图1所示，包括一个运算放大器OP，所述运算放大器的正向输入端接收输入信号，所述运算放大器的输出端连接到一个NMOS管M1的栅极，所述NMOS管M1的漏极接电源端，衬底端接地，源极通过两个串联的电阻R1和R2接地，所述两个电阻R1和R2之间引出一条反馈线，连接到所述运算放大器的反向输入端，所述运算放大器还连接有一个偏置电路BAIS，所述偏置电路为所述运算放大器提供偏置信号，所述偏置电路工作状态为亚阈值区，以满足补偿要求，所述NMOS管M1的源极作为所述电压调整器电路的输出端。

所述偏置电路包括PMOS管M2、M3和NMOS管M4、M5，所述PMOS管M2的漏极、衬底端以及PMOS管M3的漏极、衬底端都连接到电源端，所述PMOS管M2的栅极、源极、PMOS管M3的栅极以及NMOS管M4的漏极连接在一起，所述NMOS管M4的衬底端、源极、一个电阻R3的一端以及NMOS管M5的衬底端都接地，所述电阻R3的另一端接到所述NMOS管M5的源极，所述PMOS管M3的源极以及NMOS管M5的栅极和漏极连接在一起，并作为偏置信号输出端连接到所述运算放大器电路，所述MOS管M2、M3、M4和M5都工作在亚阈值区。

本发明还提供了一种上述电压调整器电路实现的电阻偏差补偿方法，所述电路的极点与相应的电阻成同种比例关系，所述电阻采用同一工艺变化方向的电阻或者同种电阻，当电阻发生变化时，所述极点在坐标上向相同的方向移动，对因电阻变化而造成的增益偏差和相位偏差进行补偿。

极点是指电路传输函数中，使此传输函数表达式值取为最大的点。传输函数是指一个电路功能的数学表达式。极点对电路会产生直接的影响，通过传输函数中得到的极点，能在具体电路中找到相应的点，这个点对电路有很大的影响。首先，在两级电路中一般存在两个对电路影响比较大极点，最靠近图3中Y轴的极点称为主极点，另外一个更远一些的表示次极点。电路系统中，从零度开始，信号每传递经过一个极点，相位减少90度。每经过一个极点，信号增益以20dB/dec的斜率下降。电路的稳定性要求，如图3所示，增益曲线和X轴的交点(零增益点)此时对应的相位值与180度相位的差称为相位裕度(Phase Margin，图中的PM)，如果PM越小，电路越不稳定，电路输出就有可能有较大纹波，甚至出现振荡，这不是电路设计想要看到的结果。

由上述理论，如果两个极点靠的太近，电路的0增益点就会很接近-180度相位，甚至低于-180度，这样电路就会不稳定。当然两个极点离得越远越好，但是实际上很难实现距离很远，这需要牺牲其他性能。本发明就是在两个极点在受到外部影响的情况下使距离保持相对固定，不让其离的太近，从而保证系统稳定。

如图2所示，本发明电压调整器电路的偏置电路采用自偏置结构，此结构如果晶体管都工作在饱和区时，经过推导可知其偏置电流由NMOS管M4M5的栅源电压Vgs之差与电阻R3平方的比值得到，得如下关系式：

I_{D} &Proportional; K \frac{1}{R^{2}}

其中K是由电路中的尺寸以及工艺参数决定的常数；由上式可以看出主电路的偏置电流与电阻平方成反比。这样，偏置电流与电阻有极大的相关性，并且与电阻的非线性关系不利于后极电路作补偿。为了使得偏置电流与电阻成线性关系，同时便于减弱电阻与偏置电流的相关性，需要将电流设置成与电阻一次方项成反比：

I_{D} &Proportional; K^{'} \frac{1}{R}

上述关系的实现并不需要对电路结构进行改变，只需要调整各晶体管的尺寸，使其所有晶体管的工作状态进入亚阈值区，推导得出偏置电流的表达式为：

I_{D} = ξ_{1} V_{t} \cdot \log N \cdot \frac{1}{R}

其中ξ₁为表面势，N为主电路两支路的尺寸之比，

(k为波尔兹曼常数，T温度，q电荷；Vt常温下约等于常数0.026)。这样即得到一个完全与电阻成反比的电流关系。此关系体现在后级的主极点也将是一个一次比例的关系。下面分析一下电压调整器的极点。

如图5所示为电压调整器的等效节点示意图，其输入极点由于Ro和Cm的乘积比较小而忽略不计，主极点为A1、Ro和Cm的公共连接点，有效负载为运放的输出电阻Ro和用于补偿的米勒电容Cm；次极点是电压调整器的输出端，即等效A2、Rs和CL的公共连接点，其等效电阻是由串联分压电阻Rs、第二级A2的输出电阻Ro′以及负载电阻RL共同作用(假设开环情况下等效负载电阻大于输出分压电阻)；两个极点的表达式如下所示：

ω_{1} &Proportional; \frac{1}{R_{o} C_{m}}

ω_{2} &Proportional; \frac{1}{{R_{o}}^{'} | | R_{L} | | 1 / g_{m} \cdot C_{m}}

由于运放的输出电阻与运放的支路电流成反比，再由偏置电流表达式可以得到主极点与偏置级的主电阻成反比关系；而从次极点的表达式可以看出，在假设负载电阻大于R_o′的情况下且由于源跟随器的等效阻抗也比较大，这样可以近似认为后级输出电阻R_o′反比于次极点ω₂。

综上所述，主极点反比于电流偏置电路的电阻，次极点近似反比于电压调节器的输出端电阻。当工艺发生偏差的时候，电阻绝对值发生一定的偏移，这样会导致主次极点向同一方向偏移，由图3和图4可见，极点同方向的偏移会使得系统的相位裕度以及增益裕度变化很小，相应抵消了一部分工艺偏差对整个系统稳定性的影响，提高芯片的成品率。

Claims

1.一种电压调整器电路，其特征在于，包括一个运算放大器，所述运算放大器的正向输入端接收输入信号，所述运算放大器的输出端连接到一个第一NMOS管(M1)的栅极，所述第一NMOS管(M1)的漏极接电源端，衬底端接地，源极通过两个串联的第一电阻(R1)和第二电阻(R2)接地，所述第一电阻(R1)和第二电阻(R2)之间引出一条反馈线，连接到所述运算放大器的反向输入端，所述运算放大器还连接有一个偏置电路，所述偏置电路为所述运算放大器提供偏置信号，所述偏置电路工作状态为亚阈值区，以满足补偿要求，所述第一NMOS管(M1)的源极作为所述电压调整器电路的输出端，所述偏置电路包括第二PMOS管(M2)、第三PMOS管(M3)和第四NMOS管(M4)、第五NMOS管(M5)，所述第二PMOS管(M2)的漏极、衬底端以及第三PMOS管(M3)的漏极、衬底端都连接到电源端，所述第二PMOS管(M2)的栅极、源极、第三PMOS管(M3)的栅极以及第四NMOS管(M4)的漏极连接在一起，所述第四NMOS管(M4)的衬底端、源极、第三电阻(R3)的一端以及第五NMOS管(M5)的衬底端都接地，所述第三电阻(R3)的另一端接到所述第五NMOS管(M5)的源极，所述第三PMOS管(M3)的源极以及第五NMOS管(M5)的栅极和漏极连接在一起，并作为偏置信号输出端连接到所述运算放大器电路，所述第二PMOS管(M2)、第三PMOS管(M3)和第四NMOS管(M4)、第五NMOS管(M5)都工作在亚阈值区。

2.一种如权利要求1所述的电压调整器电路实现的电阻偏差补偿方法，其特征在于，所述电路的极点与相应的电阻成同种比例关系，所述第一电阻(R1)、第二电阻(R2)和第三电阻(R3)都采用同一工艺变化方向的电阻或者同种电阻，当电阻发生变化时，所述极点在坐标上向相同的方向移动，对因电阻变化而造成的增益偏差和相位偏差进行补偿。