CN104090626B

CN104090626B - 一种高精度多输出电压缓冲器

Info

Publication number: CN104090626B
Application number: CN201410315712.2A
Authority: CN
Inventors: 王卓; 赵倬毅; 石跃; 张瑜; 孙亚东; 周泽坤; 张波
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2014-07-03
Filing date: 2014-07-03
Publication date: 2016-04-27
Anticipated expiration: 2034-07-03
Also published as: CN104090626A

Abstract

本发明涉及集成电路技术领域，具体的说是涉及一种高精度多输出电压缓冲器。本发明通过常规的方法将运算放大器的反相输入端与输出端相连，输出了一个高精度电压，然后在该输出电压的基础上加上一个工作在线性区的NMOS管的漏源电压V_DS和一个工作在饱和区的NMOS管的栅源电压V_GS，然后再减去另外一个工作在饱和区的NMOS管的栅源电压V_GS和另外一个工作在线性区的NMOS管的漏源电压V_DS，同时使得这两个工作在线性区和饱和区的NMOS管的漏源电压分别相等，这样加上和减去的V_GS与V_DS可以抵消，实现了另外一个高精度的输出电压。本发明的有益效果为，使用一个运算放大器，实现了输出多个高精度的电压。本发明尤其适用于电压缓冲器。

Description

一种高精度多输出电压缓冲器

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，具体的说是涉及一种高精度多输出电压缓冲器。

背景技术

运算放大器是模拟电路领域中一个重要的电路单元，它具有一个正相输入端、一个反相输入端、以及一个输出端。利用运算放大器，将其输出端与反相输入端相连，可以连接成单位增益缓冲器。如图1所示为一常规的单位增益缓冲器示意图。该单位增益缓冲器是将运算放大器OP的反相输入端与输出端相连，运算放大器OP的正相输入端为缓冲器的输入端，可以连基准电压信号。缓冲器电路在模拟电路和射频电路中被广泛应用。

常规的缓冲器结构如果想实现大的电流输出或者多个输出，往往需要使用多个电压缓冲器或者需要使用共漏极放大器，形成源极跟随器(sourcefollower)。但是使用多个电压缓冲器，意味着需要使用多个运算放大器，从而导致功耗大。而使用sourcefollower则会存在阈值电压或者衬偏效应不平衡的问题，导致输出电压产生漂移。如图2所示，常规利用sourcefollower构成多输出缓冲器的方法通常是采用一个PMOS管构成的sourcefollower级联一个NMOS管构成的sourcefollower。调整管子尺寸，使得MP1和MN1工作在亚阈区或者饱和区，这样：

V_SG(MP1)≈|V_thp1|or|V_thp1|+V_OVp1(1)

V_GS(MN1)≈V_thn1orV_thn1+V_OVn1(2)

式(1)～(2)中V_SG(MP1)代表MP1管源极与栅极之间的电压，V_GS(MN1)代表MN1管栅极与源极之间的电压，|V_thp1|代表PMOS管MP1的阈值电压的绝对值，V_thn1代表NMOS管MN1的阈值电压；V_OVp1与V_OVn1分别表示MP1与MN1的过驱动电压。即使假设PMOS与NMOS的过驱动电压相等，但是两管的栅源电压仍然存在阈值电压偏差，这个阈值电压偏差里面包括了PMOS和NMOS阈值电压自身的差别以及衬偏效应的影响，使得V_out2的输出精度较低，难以控制，且受应用环境及工艺的影响较大。

发明内容

本发明的目的，就是针对上述传统缓冲器中功耗和精度不能兼顾的问题，提出了一种高精度多输出电压缓冲器。

本发明的技术方案是，一种高精度多输出电压缓冲器，其特征在于，该缓冲器由输入电流源，PMOS管MP1、MP2、MP3、MP4、MP5、MP6、MP7，NMOS管MN1、MN2、MN3、MN4、MN5、MN6、MN7、MN8、MN9、MN10构成；其中，MP1、MP2、MP3、MP4、MP7的栅极互连；MP1的源极接电源VCC，其栅极和漏极互连，其漏极接输入电流源的正极；输入电流源的负极接地VSS；MP2的源极接电源VCC，其漏极接MN1的漏极；MN1的漏极和栅极互连，其源极接地VSS；MN1、MN2、MN3、MN9的栅极互连；MP3的源极接电源VCC，其漏极接MP5的源极与MP6的源极的连接点；MP5的栅极接输入电压，其漏极接地VSS；MP6的栅极和漏极互连作为缓冲器的第一输出端，其漏极接MN2的漏极；MN2的源极接地VSS；MP4的源极接电源VCC，其漏极接MN5的漏极；MN5的栅极接MN6的栅极，其源极接MN4的漏极；MN4的栅极接电源VCC，其源极接MP6的栅极和MN3的漏极；MN3的源极接地；MP7的源极接电源VCC，其漏极接MN6的漏极和MN10的栅极；MN6的源极接MN7的漏极；MN10的漏极接电源VCC，其源极接MN7的漏极；MN7的栅极与MN8的栅极接控制信号EN；MN7的源极接MN8的漏极作为缓冲器的第二输出端；MN8的源极接MN9的漏极；MN9的源极接地VSS。

本发明的有益效果为，使用一个运算放大器，实现了输出多个高精度的电压。

附图说明

图1为常规的电压缓冲器结构示意图；

图2为常规的一种多输出电压缓冲器结构示意图；

图3为本发明的一种高精度多输出电压缓冲器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述

本发明通过常规的方法将运算放大器的反相输入端与输出端相连，输出了一个高精度电压，然后在该输出电压的基础上加上一个工作在线性区的NMOS管的漏源电压V_DS和一个工作在饱和区的NMOS管的栅源电压V_GS，然后再减去另外一个工作在饱和区的NMOS管的栅源电压V_GS和另外一个工作在线性区的NMOS管的漏源电压V_DS，同时使得这两个工作在线性区和饱和区的NMOS管的漏源电压分别相等，这样加上和减去的V_GS与V_DS可以抵消，实现了另外一个高精度的输出电压，利用同样的方法加上和减去的相等的V_GS和V_DS，可以拓展下去实现多个高精度的输出。

如图3所示，本发明的高精度多输出电压缓冲器，由输入电流源，PMOS管MP1、MP2、MP3、MP4、MP5、MP6、MP7，NMOS管MN1、MN2、MN3、MN4、MN5、MN6、MN7、MN8、MN9、MN10构成；其中，MP1、MP2、MP3、MP4、MP7的栅极互连；MP1的源极接电源VCC，其栅极和漏极互连，其漏极接输入电流源的正极；输入电流源的负极接地VSS；MP2的源极接电源VCC，其漏极接MN1的漏极；MN1的漏极和栅极互连，其源极接地VSS；MN1、MN2、MN3、MN9的栅极互连；MP3的源极接电源VCC，其漏极接MP5的源极与MP6的源极的连接点；MP5的栅极接输入电压，其漏极接地VSS；MP6的栅极和漏极互连作为缓冲器的第一输出端，其漏极接MN2的漏极；MN2的源极接地VSS；MP4的源极接电源VCC，其漏极接MN5的漏极；MN5的栅极接MN6的栅极，其源极接MN4的漏极；MN4的栅极接电源VCC，其源极接MP6的栅极和MN3的漏极；MN3的源极接地；MP7的源极接电源VCC，其漏极接MN6的漏极和MN10的栅极；MN6的源极接MN7的漏极；MN10的漏极接电源VCC，其源极接MN7的漏极；MN7的栅极与MN8的栅极接控制信号EN；MN7的源极接MN8的漏极作为缓冲器的第二输出端；MN8的源极接MN9的漏极；MN9的源极接地VSS。

与常规的电压缓冲器相比，只用了一个运算放大器，实现了输出多个高精度的电压，并且该结构可以根据需要不断地拓展下去。通过常规的方法将运算放大器的反相输入端与输出端相连，输出了一个高精度电压V_out1。当控制EN为低电平时，关断第二条输出支路，而当控制EN为高电平时，在V_out1的基础上往上叠加一个工作在线性区的NMOS管MN4的漏源电压V_DS(MN4)和一个工作在饱和区的NMOS管MN5的栅源电压V_GS(MN5)，然后再减去另外一个工作在饱和区的NMOS管MN6的栅源电压V_GS(MN6)和另外一个工作在线性区的NMOS管MN7的漏源电压V_DS(MN7)，得到另一个高精度输出电压V_out2。由电流镜的镜像原理，很容易做到：

I_DS(MP7)＝I_DS(MP4)＝I_DS(MN3)(3)

I_DS(MN9)＝2I_DS(MN3)(4)

式(3)～(4)中I_DS(MP7)和I_DS(MP4)分别代表MP7管和MP4管的漏源电流，I_DS(MN3)、I_DS(MN9)和I_DS(MN3)分别代表MN3、MN9、MN3管的漏源电流。

结合图3和式(3)～(4)可得：

I_DS(MN5)＝I_DS(MN6)＝I_DS(MN10)(5)

式(5)中I_DS(MN5)、I_DS(MN6)、I_DS(MN10)分别代表MN5、MN6、MN10管的漏源电流。

由式(5)可知流过MN5、MN6、MN10管的电流相等，这样可以保证：

V_DS(MN6)＝V_GS(MN10)＝V_GS(MN5)＝V_DS(MN5)(6)

式(6)中V_DS(MN6)和V_DS(MN5)分别代表MN6和MN5管的漏源电压，V_GS(MN10)代表MN10管的栅源电压。

这样使得沟道调制效应对MN5与MN6几乎没有影响。由式(3)～(4)可知流过MN7的电流是流过MN4电流的一倍。由于MN5与MN6的衬底都接地，这样使得这两个个管子的衬偏条件都相同，MN5与MN6的尺寸相等。又因为流过MN7的电流是流过MN4电流的两倍，所以设置MN7的宽长比是MN4的两倍，因此可以得到：

V_GS(MN5)＝V_GS(MN6)(7)

V_DS(MN4)＝V_DS(MN7)(8)

又因为：

V_out2＝V_out1+V_DS(MN4)+V_GS(MN5)-V_GS(MN6)-V_DS(MN7)(9)

由式(7)～(9)可得：

V_out2＝V_out1(10)

通过拓展，可以实现输出多个类似V_out2的电压。这样本发明通过一个运放实现了多输出电压缓冲器的同时，还保证了电压缓冲器具有很高的输出精度。如图3所示，无需额外的运算放大器，仅需两条额外支路就可以独立地实现具有大电流输出能力的高精度电压缓冲。同时避免了对运算放大器大的尾电流的需求，节省了功耗。此外，利用本发明提出的方法，可以根据系统的需要，不断地拓展电压缓冲器，并且每个电压输出都可以进行独立的开启与关断控制，提升了应用的便捷性。因此，本发明提出的多输出电压缓冲器，在低功耗与小的面积消耗下，实现了多个可以独立工作的高精度电压缓冲单元，为应用提供了便利性。

Claims

1.一种高精度多输出电压缓冲器，其特征在于，该缓冲器由输入电流源，第一PMOS管(MP1)、第二PMOS管(MP2)、第三PMOS管(MP3)、第四PMOS管(MP4)、第五PMOS管(MP5)、第六PMOS管(MP6)、第七PMOS管(MP7)，第一NMOS管(MN1)、第二NMOS管(MN2)、第三NMOS管(MN3)、第四NMOS管(MN4)、第五NMOS管(MN5)、第六NMOS管(MN6)、第七NMOS管(MN7)、第八NMOS管(MN8)、第九NMOS管(MN9)、第十NMOS管(MN10)构成；其中，第一PMOS管(MP1)、第二PMOS管(MP2)、第三PMOS管(MP3)、第四PMOS管(MP4)、第七PMOS管(MP7)的栅极互连；第一PMOS管(MP1)的源极接电源(VCC)，其栅极和漏极互连，其漏极接输入电流源的正极；输入电流源的负极接地(VSS)；第二PMOS管(MP2)的源极接电源(VCC)，其漏极接第一NMOS管(MN1)的漏极；第一NMOS管(MN1)的漏极和栅极互连，其源极接地(VSS)；第一NMOS管(MN1)、第二NMOS管(MN2)、第三NMOS管(MN3)、第九NMOS管(MN9)的栅极互连；第三PMOS管(MP3)的源极接电源(VCC)，其漏极接第五PMOS管(MP5)的源极与第六PMOS管(MP6)的源极的连接点；第五PMOS管(MP5)的栅极接输入电压，其漏极接地(VSS)；第六PMOS管(MP6)的栅极和漏极互连作为缓冲器的第一输出端，其漏极接第二NMOS管(MN2)的漏极；第二NMOS管(MN2)的源极接地(VSS)；第四PMOS管(MP4)的源极接电源(VCC)，其漏极接第五NMOS管(MN5)的漏极；第五NMOS管(MN5)的栅极接第六NMOS管(MN6)的栅极，其源极接第四NMOS管(MN4)的漏极；第四NMOS管(MN4)的栅极接电源(VCC)，其源极接第六PMOS管(MP6)的栅极和第三NMOS管(MN3)的漏极；第三NMOS管(MN3)的源极接地；第七PMOS管(MP7)的源极接电源(VCC)，其漏极接第六NMOS管(MN6)的漏极和第十NMOS管(MN10)的栅极；第六NMOS管(MN6)的源极接第七NMOS管(MN7)的漏极；第十NMOS管(MN10)的漏极接电源(VCC)，其源极接第七NMOS管(MN7)的漏极；第七NMOS管(MN7)的栅极与第八NMOS管(MN8)的栅极接控制信号(EN)；第七NMOS管(MN7)的源极接第八NMOS管(MN8)的漏极作为缓冲器的第二输出端；第八NMOS管(MN8)的源极接第九NMOS管(MN9)的漏极；第九NMOS管(MN9)的源极接地(VSS)。