CN104333218A - 一种用于dc/dc的跨导与输出电压比较电路 - Google Patents

一种用于dc/dc的跨导与输出电压比较电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于DC/DC的跨导与输出电压比较电路，包括跨导模块和电压比较模块；所述跨导模块的信号输入端与外部信号连接，所述跨导模块的信号输出端与电压比较模块的信号输入端连接，所述电压比较模块输出比较结果。本发明中的跨导模块放大vref与FB(引脚上的电压)电压之差，并提供大约30倍的小信号电压增益，供后面的电压比较模块使用；电压比较模块中的比较器的输出结果参与确定模式的切换。

Description

一种用于DC/DC的跨导与输出电压比较电路
技术领域
本发明涉及电学领域，具体涉及一种用于DC/DC的跨导与输出电压比较电路。
背景技术
由于VLSI技术的飞速进步，CMOS电路向着低压、低功耗、小尺寸方向发展，使得电压低、功率小CMOS电路成为目前研究的热点。跨导放大器是射频集成电路中的一个重要模块，通常在研制高稳定度的电压和电流放大器、滤波器等方面具有重要的作用。跨导放大器的主要用途是在多种现行和非线性模拟电路和系统中进行信号运算和处理，现有的跨导放大器有输入阻抗低、输出阻抗高、电源电压低、功耗小等优点，但是现有的跨导放大器的放大能力都很弱，不能满足后面比较电路的需求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于DC/DC的跨导与输出电压比较电路，该用于DC/DC的跨导与输出电压比较电路通过跨导模块和电压比较模块解决了不能提供比较高的增益的问题。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种用于DC/DC的跨导与输出电压比较电路，包括跨导模块和电压比较模块；所述跨导模块的信号输入端与外部信号连接，所述跨导模块的信号输出端与电压比较模块的信号输入端连接，所述电压比较模块输出比较结果。
所述跨导模块包括开关管M0～M17，电阻R2～R3，所述开关管M2、M16、M17的源级分别与模拟电源vdda端连接，所述开关管M16的栅极和漏极相连后与vbias端连接，所述开关管M2和开关管M17的栅极与开关管M16的漏极连接。
所述开关管M2的漏极分别与开关管M0、M1的源级连接，所述开关管M0的栅极与vn端连接，所述开关管M1的栅极与vp端连接，所述开关管M0的漏极与开关管M3的漏极连接，所述开关管M3的栅极与漏极相连后与GM-ON输出端连接，所述开关管M1的漏极与开关管M4的漏极连接，所述开关管M4的漏极与栅极连接后与GM-OP输出端连接。
所述开关管M17的漏极分别与开关管M5、M6、M7的栅极连接，所述开关管M5的栅极与漏极相连，所述开关管M6的漏极经电阻R2与模拟电源vdda端连接，所述开关管M6的漏极还与vh输出端连接，所述开关管M6的源级与开关管M11的漏极连接，所述开关管M11的栅极与GM-OP输出端连接。
所述开关管M7的漏极经电阻R3与模拟电源vdda端连接，所述开关管M7的源级与开关管M12的漏极连接，所述M12的栅极与GM-ON输出端连接，所述开关管M7的漏极还与vl输出端连接。
所述开关管M8～M10的漏极均与vh输出端连接，栅极分别与控制信号gm-tr1～gm-tr3端对应连接，源级分别与开关管M13～M15的漏极对应连接，所述开关管M13～M15的栅极相连接后与vbias-n端连接。
所述开关管M3、M4、M5、M11、M12、M13、M14和M15的源级均与电源地vssa端连接。
所述电压比较模块包括第一比较器comp-h、第二比较器comp-l、第三比较器comp-l2和开关管M18～M19，所述开关管M19的源级与电源连接，所述开关管M19栅极与漏极连接后分别与第一比较器comp-h、第二比较器comp-l和第三比较器comp-l2反相输入端连接，所述开关管M19的漏极还与开关管M18的漏极连接，所述开关挂M18的栅极与跨导模块的GM-OP输出端连接。
所述第一比较器comp-h、第二比较器comp-l、第三比较器comp-l2的同相输入端均与跨导模块的GM-ON输出端连接。
所述第一比较器comp-h和第二比较器comp-l的内部电路结构一样。
第一比较器comp-h包括开关管M20～M25，反相器G1～G2，所述开关管M20、M22、M23、M25的源级均与模拟电源vdda端连接，所述开关管M20的栅极与跨导模块的GM-OP输出端连接，所述开关管M20的漏极与开关管M21的漏极连接，所述开关管M21的栅极与跨导模块的GM-ON输出端连接，源级接地。
所述开关管M22、M23的栅极均与偏置电流ibias端连接，所述开关管M23的漏极与开关管M24的漏极连接，所述开关管M24的栅极与第一比较器comp-h的输出端连接，所述开关管M22的漏极、开关管M24的源级、开关管M25的漏极和反相器G1的信号输入端均与开关管M21的漏极连接，所述开关管M25的栅极与使能信号en端连接。
所述反相器G1的信号输出端与反相器G2的信号输入端连接，所述反相器G2的信号输出端与第一比较器comp-h的输出端连接。
所述第三比较器comp-l2包括开关管M26～M31，所述开关管M26、M27的源级均与模拟电源vdda端连接，所述开关管M26的栅极与跨导模块的GM-OP输出端连接，所述开关管M27的栅极与使能信号en端连接；所述开关管M26的漏极、开关管M27的漏极、开关管M31的漏极、开关管M30的漏极、开关管M28的源级和反相器G3的信号输入端相连接。
所述开关管M31的栅极与跨导模块的GM-ON输出端连接，所述开关管M29和开关管M30的栅极相连接后与偏置电流ibias端连接，所述开关管M29～M31的源级均接地，所述开关管M29的漏极与开关管M28的漏极连接，所述开关管M28的栅极与第三比较器comp-l2的输出端连接。
所述反相器G3的信号输出端与反相器G4的信号输入端连接，所述反相器G4的信号输出端与第三比较器comp-l2的输出端连接。
所述第一比较器comp-h、第二比较器comp-l、第三比较器comp-l2均为电流比较器。
本发明的有益效果在于：跨导模块放大vref与FB(引脚上的电压)电压之差，并提供大约30倍的小信号电压增益，供后面的电压比较模块使用；电压比较模块中的比较器的输出结果参与确定模式的切换，当负载电流变大时，输出电压会变低，comp_l2比较器会输出会连续出现高低电平翻转，系统将进入PWM调制模式，当负载电流变小时，comp_h会连续输出低电平，此时系统将进入PSM调制模式，进入PSM调制模式后，开关MOS管每周期将导通一个固定占空比，当输出电压高于comp_h比较器的阈值电压时，系统将跨过一些时钟周期，功率管将一直处于关断状态，此时输出电压将逐渐下降，直到输出电压下降到低于comp_l比较器的阈值电压时，功率管再次打开。
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是图1中跨导模块的电路图；
图3是图1中电压比较模块的电路图；
图4是图3中第一比较器comp-h的电路图；
图5是图3中第三比较器comp-l2的电路图；
图6是图2的跨导模块的仿真图；
图7是图3的电压比较模块的仿真图。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
如图1所示的一种用于DC/DC的跨导与输出电压比较电路，包括跨导模块和电压比较模块；所述跨导模块的信号输入端与外部信号连接，所述跨导模块的信号输出端与电压比较模块的信号输入端连接，所述电压比较模块输出比较结果。跨导模块的功能是放大vref与FB(引脚上的电压)电压之差，并提供大约30倍的小信号电压增益，供后面的电压比较模块使用。
如图2所示，跨导模块包括开关管M0～M17和电阻R2～R3，所述开关管M2、M16、M17的源级分别与模拟电源vdda端连接，所述开关管M16的栅极和漏极相连后与vbias端连接，所述开关管M2和开关管M17的栅极与开关管M16的漏极连接；所述开关管M2的漏极分别与开关管M0、M1的源级连接，所述开关管M0的栅极与vn端连接，所述开关管M1的栅极与vp端连接，所述开关管M0的漏极与开关管M3的漏极连接，所述开关管M3的栅极与漏极相连后与GM-ON输出端连接，所述开关管M1的漏极与开关管M4的漏极连接，所述开关管M4的漏极与栅极连接后与GM-OP输出端连接；所述开关管M17的漏极分别与开关管M5、M6、M7的栅极连接，所述开关管M5的栅极与漏极相连，所述开关管M6的漏极经电阻R2与模拟电源vdda端连接，所述开关管M6的漏极还与vh输出端连接，所述开关管M6的源级与开关管M11的漏极连接，所述开关管M11的栅极与GM-OP输出端连接；所述开关管M7的漏极经电阻R3与模拟电源vdda端连接，所述开关管M7的源级与开关管M12的漏极连接，所述M12的栅极与GM-ON输出端连接，所述开关管M7的漏极还与vl输出端连接；所述开关管M8～M10的漏极均与vh输出端连接，栅极分别与控制信号gm-tr1～gm-tr3端对应连接，源级分别与开关管M13～M15的漏极对应连接，所述开关管M13～M15的栅极相连接后与vbias-n端连接；所述开关管M3、M4、M5、M11、M12、M13、M14和M15的源级均与电源地vssa端连接。所述的vn端为比较器的反向输入端，vp端为比较器的正向输入端。
如图3所示，电压比较模块包括第一比较器comp-h、第二比较器comp-l、第三比较器comp-l2和开关管M18～M19，所述开关管M19的源级与电源连接，所述开关管M19栅极与漏极连接后分别与第一比较器comp-h、第二比较器comp-l和第三比较器comp-l2反相输入端连接，所述开关管M19的漏极还与开关管M18的漏极连接，所述开关挂M18的栅极与跨导模块的GM-OP输出端连接；所述第一比较器comp-h、第二比较器comp-l、第三比较器comp-l2的同相输入端均与跨导模块的GM-ON输出端连接。第一比较器comp-h、第二比较器comp-l和第三比较器comp-l2的输入相同，GM-ON和GM-OP均为跨导模块中输出电压反馈FB和DAC输出电压转换而来的与电压成比例的电流。
电压比较模块包括第一比较器comp-h、第二比较器comp-l和第三比较器comp-l2，这三个比较器的输出结果参与确定模式的切换。当负载电流变大时，输出电压会变低，第三比较器comp-l2会输出会连续出现高低电平翻转，系统将进入PWM调制模式，当负载电流变小时，第一比较器comp-h会连续输出低电平，此时系统将进入PSM调制模式，进入PSM调制模式后，开关MOS管每周期将导通一个固定占空比，当输出电压高于第一比较器comp-h的阈值电压时，系统将跨过一些时钟周期，功率管将一直处于关断状态，此时输出电压将逐渐下降，直到输出电压下降到低于第二比较器comp-l的阈值电压时，功率管再次打开。
所述第一比较器comp-h和第二比较器comp-l的内部电路结构一样。
如图4所示，第一比较器comp-h包括开关管M20～M25，反相器G1～G2，所述开关管M20、M22、M23、M25的源级均与模拟电源vdda端连接，所述开关管M20的栅极与跨导模块的GM-OP输出端连接，所述开关管M20的漏极与开关管M21的漏极连接，所述开关管M21的栅极与跨导模块的GM-ON输出端连接，源级接地；所述开关管M22、M23的栅极均与偏置电流ibias端连接，所述开关管M23的漏极与开关管M24的漏极连接，所述开关管M24的栅极与第一比较器comp-h的输出端连接，所述开关管M22的漏极、开关管M24的源级、开关管M25的漏极和反相器G1的信号输入端均与开关管M21的漏极连接，所述开关管M25的栅极与使能信号en端连接；所述反相器G1的信号输出端与反相器G2的信号输入端连接，所述反相器G2的信号输出端与第一比较器comp-h的输出端连接。
第一比较器comp-h的GM-ON端和GM-OP端均为前级模块中输出电压反馈FB和DAC输出电压转换而来的与电压成比例的电流，分别流过开关管M20和开关管M21，开关管M22为镜像的基准电流，为第一比较器comp-h的GM-OP端引入一个偏置，开关管M23和开关管M24构成迟滞功能，开关管M24为开关管，当比较器输出out为高电平时，开关管M24管打开，则上面PMOS管流过的电流之和增大，形成迟滞。
如图5所示，第三比较器comp-l2包括开关管M26～M31，所述开关管M26、M27的源级均与模拟电源vdda端连接，所述开关管M26的栅极与跨导模块的GM-OP输出端连接，所述开关管M27的栅极与使能信号en端连接；所述开关管M26的漏极、开关管M27的漏极、开关管M31的漏极、开关管M30的漏极、开关管M28的源级和反相器G3的信号输入端相连接；所述开关管M31的栅极与跨导模块的GM-ON输出端连接，所述开关管M29和开关管M30的栅极相连接后与偏置电流ibias端连接，所述开关管M29～M31的源级均接地，所述开关管M29的漏极与开关管M28的漏极连接，所述开关管M28的栅极与第三比较器comp-l2的输出端连接；所述反相器G3的信号输出端与反相器G4的信号输入端连接，所述反相器G4的信号输出端与第三比较器comp-l2的输出端连接。第三比较器comp-l2的GM-ON端和GM-OP端均为前级模块中输出电压反馈FB和DAC输出电压转换而来的与电压成比例的电流，分别流过开关管M31和开关管M26，开关管M30为镜像的基准电流，开关管M29和开关管M28构成迟滞功能，当比较器输出为低时，开关管M28管打开，流过N管的电流增大，比较器设定的阈值电压增大。
所述第一比较器comp-h、第二比较器comp-l、第三比较器comp-l2均为电流比较器。
对跨导模块进行仿真，仿真图如图6所示。由仿真曲线和测量结果可得：不同电压下和不同温度下，跨导模块都能对电路提供大约30倍的小信号增益。
三个比较器的内部结构相同，不同的地方在于比较器阈值电压的不同，所以不同的反馈电压输入到比较器时，比较器的比较结果不尽相同。对三个电压比较器进行仿真，仿真图如图7所示。仿真条件：V(dac-out)为1.26V的固定电压，直流扫描V(FB)从1V到1.5V。比较器的输出结果如图所示，comp-h比较器在1.2795V时发生翻转，comp-l比较器在1.2695V时发生翻转，comp-l2比较器在1.2544V时发生翻转。再次扫描V(FB)从1.5V到1V时，comp_h比较器在1.2725V时发生翻转，迟滞区间为7mV，comp-l比较器在1.2665V时发生翻转，迟滞区间为3mV，comp-l2比较器在1.2506V时发生翻转，迟滞区间约为4mV。由此可见，comp-h比较器的阈值电压比输出电压高1.5％左右，comp-l比较器的阈值电压比输出电压高0.8％左右，comp_h比较器的阈值电压比输出电压低0.8％左右。

Claims (7)

1.一种用于DC/DC的跨导与输出电压比较电路，包括跨导模块和电压比较模块，其特征在于：所述跨导模块的信号输入端与外部信号连接，所述跨导模块的信号输出端与电压比较模块的信号输入端连接，所述电压比较模块输出比较结果。
2.如权利要求1所述的用于DC/DC的跨导与输出电压比较电路，其特征在于：所述跨导模块包括开关管M0～M17，电阻R2～R3，所述开关管M2、M16、M17的源级分别与模拟电源vdda端连接，所述开关管M16的栅极和漏极相连后与vbias端连接，所述开关管M2和开关管M17的栅极与开关管M16的漏极连接；
所述开关管M2的漏极分别与开关管M0、M1的源级连接，所述开关管M0的栅极与vn端连接，所述开关管M1的栅极与vp端连接，所述开关管M0的漏极与开关管M3的漏极连接，所述开关管M3的栅极与漏极相连后与GM-ON输出端连接，所述开关管M1的漏极与开关管M4的漏极连接，所述开关管M4的漏极与栅极连接后与GM-OP输出端连接；
所述开关管M17的漏极分别与开关管M5、M6、M7的栅极连接，所述开关管M5的栅极与漏极相连，所述开关管M6的漏极经电阻R2与模拟电源vdda端连接，所述开关管M6的漏极还与vh输出端连接，所述开关管M6的源级与开关管M11的漏极连接，所述开关管M11的栅极与GM-OP输出端连接；
所述开关管M7的漏极经电阻R3与模拟电源vdda端连接，所述开关管M7的源级与开关管M12的漏极连接，所述M12的栅极与GM-ON输出端连接，所述开关管M7的漏极还与vl输出端连接；
所述开关管M8～M10的漏极均与vh输出端连接，栅极分别与控制信号gm-tr1～gm-tr3端对应连接，源级分别与开关管M13～M15的漏极对应连接，所述开关管M13～M15的栅极相连接后与vbias-n端连接；
所述开关管M3、M4、M5、M11、M12、M13、M14和M15的源级均与电源地vssa端连接。
3.如权利要求1所述的用于DC/DC的跨导与输出电压比较电路，其特征在于：所述电压比较模块包括第一比较器comp-h、第二比较器comp-l、第三比较器comp-l2和开关管M18～M19，所述开关管M19的源级与电源连接，所述开关管M19栅极与漏极连接后分别与第一比较器comp-h、第二比较器comp-l和第三比较器comp-l2反相输入端连接，所述开关管M19的漏极还与开关管M18的漏极连接，所述开关挂M18的栅极与跨导模块的GM-OP输出端连接；
所述第一比较器comp-h、第二比较器comp-l、第三比较器comp-l2的同相输入端均与跨导模块的GM-ON输出端连接。
4.如权利要求3所述的用于DC/DC的跨导与输出电压比较电路，其特征在于：所述第一比较器comp-h和第二比较器comp-l的内部电路结构一样。
5.如权利要求3或4所述的用于DC/DC的跨导与输出电压比较电路，其特征在于：第一比较器comp-h包括开关管M20～M25，反相器G1～G2，所述开关管M20、M22、M23、M25的源级均与模拟电源vdda端连接，所述开关管M20的栅极与跨导模块的GM-OP输出端连接，所述开关管M20的漏极与开关管M21的漏极连接，所述开关管M21的栅极与跨导模块的GM-ON输出端连接，源级接地；
所述开关管M22、M23的栅极均与偏置电流ibias端连接，所述开关管M23的漏极与开关管M24的漏极连接，所述开关管M24的栅极与第一比较器comp-h的输出端连接，所述开关管M22的漏极、开关管M24的源级、开关管M25的漏极和反相器G1的信号输入端均与开关管M21的漏极连接，所述开关管M25的栅极与使能信号en端连接；
所述反相器G1的信号输出端与反相器G2的信号输入端连接，所述反相器G2的信号输出端与第一比较器comp-h的输出端连接。
6.如权利要求3所述的用于DC/DC的跨导与输出电压比较电路，其特征在于：所述第三比较器comp-l2包括开关管M26～M31，所述开关管M26、M27的源级均与模拟电源vdda端连接，所述开关管M26的栅极与跨导模块的GM-OP输出端连接，所述开关管M27的栅极与使能信号en端连接；所述开关管M26的漏极、开关管M27的漏极、开关管M31的漏极、开关管M30的漏极、开关管M28的源级和反相器G3的信号输入端相连接；
所述开关管M31的栅极与跨导模块的GM-ON输出端连接，所述开关管M29和开关管M30的栅极相连接后与偏置电流ibias端连接，所述开关管M29～M31的源级均接地，所述开关管M29的漏极与开关管M28的漏极连接，所述开关管M28的栅极与第三比较器comp-l2的输出端连接；
所述反相器G3的信号输出端与反相器G4的信号输入端连接，所述反相器G4的信号输出端与第三比较器comp-l2的输出端连接。
7.如权利要求3所述的用于DC/DC的跨导与输出电压比较电路，其特征在于：所述第一比较器comp-h、第二比较器comp-l、第三比较器comp-l2均为电流比较器。
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