发明内容
基于以上C类反相器存在的问题,本发明提供一种C类反相器的恒定跨导偏置电路,它可以精确调整放大器的工作点,使放大器工作点稳定,提高电源抑制比;互补型恒定跨导电流源的偏置可以使反相器的单位增益带宽和工作点保持恒定,不受温度和工艺偏差的影响。
本发明提供的C类反相器的恒定跨导偏置电路包括:包括基于反相器的开关电容积分器和恒定跨导偏置电路,所述基于反相器的开关电容积分器中OTA和所述恒定跨导偏置电路通过调制信号Vdda连接;其中,
所述基于反相器的开关电容积分器包括第一NMOS晶体管MN11和第一PMOS晶体管MP11组成的反相器;
所述恒定跨导偏置电路包括:镜像工作点感应器件、互补型恒定跨导偏置电流源、运算放大器和输出负载晶体管。
进一步的,所述镜像工作点感应器件包括第二NMOS晶体管MN12和第二PMOS晶体管MP12连接组成的反相器,用于镜像所述开关电容积分器中OTA的工作点,产生反馈信号Vfb;第二NMOS晶体管MN12的栅极和漏极和第二PMOS晶体管MP12的栅极和漏极相连,第二NMOS晶体管MN12的源极接地,第二PMOS晶体管MP12的源极连接调制信号Vdda。
进一步的,所述互补型恒定跨导电流源包括互补型恒定跨导偏置电流源Ibtas和第三NMOS晶体管MN13;第三NMOS晶体管MN13的源极接地,互补型恒 定跨导偏置电流源Ibtas与第三NMOS晶体管MN13的栅极和漏极相连,产生参考信号Vref,并且连接到运算放大器AMP10的负端,运算放大器AMP10的负端Vref和正端Vfb比较的输出端连接到第三PMOS晶体管MPload的栅极,第三PMOS晶体管MPload的源极连接到外部供电电压Vdd,第三PMOS晶体管MPload的漏极连接到第二PMOS晶体管MP12的源极,并产生调制信号Vdda。
其中,第二NMOS晶体管MN12和第二PMOS晶体管MP12的尺寸基于反相器OTA的等比例缩小,通过合适的版图匹配设计,通过它来精确感应基于反相器的OTA的工作点,来产生反馈信号,通过这样的方式避免了使用大电阻,从而节省芯片面积。反馈信号Vfb和恒定跨导电流偏置产生的参考电压Vref作比较,调制反相器的电源电压,反相器电源电压等于第二NMOS晶体管MN12和第二PMOS晶体管MP12的栅源电压之和,即Vdda=VGSN+|VGSP|,使反相器OTA晶体管稳定工作在弱反型区,通过合适的时钟相位控制,具有高增益、高摆率、高跨导效率、低功耗等特点。通过负反馈环路精确调节放大器的电源电压,避免了使用额外调节通路所需的额外电容和信号干扰,使放大器工作点稳定,不受温度和工艺偏差的影响,并且可以提高电源抑制比。
所述互补型恒定跨导偏置电流源可以使偏置的反相器总跨导恒定,不随NMOS晶体管和PMOS晶体管的工艺偏差和温度而变化。采用互补型恒定跨导电流源提供偏置,反相器的跨导保持恒定,不依赖于温度和工艺,因此,反相器的单位增益带宽和建立时间在工艺偏差时也保持恒定,提高电路稳定性。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
图1示出了本发明实施例C类反相器的恒定跨导偏置电路的结构。如图1所示,所述C类反相器的恒定跨导偏置电路包括基于反相器的开关电容积分器和恒定跨导偏置电路;所述基于反相器的开关电容积分器中OTA和所述恒定跨导偏置电路通过调制信号Vdda连接;
其中,所述基于反相器的开关电容积分器包括一个由第一NMOS晶体管MN11和第一PMOS晶体管MP11组成的反相器、采样电容CS、积分电容CI、补偿电容CC、两相不交叠时钟控制开关、输入节点Vin和输出节点VQ;
其中,所述恒定跨导偏置电路包括镜像工作点感应器件、互补型恒定跨导电流源、运算放大器AMP10和第三PMOS晶体管(即:输出负载晶体管)MPload;
所述互补型恒定跨导电流源包括互补型恒定跨导偏置电流源Ibtas和第三NMOS晶体管MN13,产生参考信号Vref;
所述镜像工作点感应器件包括第二NMOS晶体管MN12和第二PMOS晶体管MP12连接组成的反相器,用于镜像所述开关电容积分器中OTA的工作点, 产生反馈信号Vfb;
参考信号Vref与运算放大器AMP10的负端相连,反馈信号Vfb与运算放大器AMP10的正端相连,运算放大器AMP10的输出端连接到输出负载晶体管MPload的栅极,通过它们组成的负反馈环路来调制OTA的电源电压Vdda,使OTA工作点稳定,并且由互补型恒定跨导电流源偏置产生的参考信号Vref不受温度和工艺偏差的影响,使OTA的带宽和建立时间保持恒定,不受温度和工艺偏差的影响,提高电路的稳定性。
所述镜像工作点感应器件的第二NMOS晶体管MN12和第二PMOS晶体管MP12的栅极和漏极相连,第二NMOS晶体管MN12的源极接地,第二PMOS晶体管MP12的源极连接调制信号Vdda;通过第二NMOS晶体管MN12和第二PMOS晶体管MP12感应OTA的工作点,并且通过二级管连接的方式产生反馈信号Vfb,它们的尺寸可以按照反相器OTA的等比例缩小,通过合适的版图匹配设计,通过它来精确感应基于反相器的OTA的工作点,来产生反馈信号,这样避免使用大电阻,从而节省芯片面积。
第三NMOS晶体管MN13的源极接地,互补型恒定跨导偏置电流源Ibtas与第三NMOS晶体管MN13的栅极和漏极相连,产生参考信号Vref,并且连接到运算放大器AMP10的负端,运算放大器AMP10的负端Vref和正端Vfb比较的输出端连接到第三PMOS晶体管MPload的栅极,第三PMOS晶体管MPload的源极连接到外部供电电压Vdd,第三PMOS晶体管MPload的漏极连接到第二PMOS晶体管MP12的源极,并产生调制信号Vdda,与所述开关电容积分器相连,控制OTA的电源电压,使OTA工作点稳定,使OTA的带宽和建立时间保持恒定,不受温度和工艺偏差的影响。
图2示出的是传统恒定跨导偏置电路结构图。如图2所示,第四PMOS晶 体管MP21、第五PMOS晶体管MP22和第六PMOS晶体管MP23组成电流镜结构,使电流I21、I22、Ibtas相等,第四NMOS晶体管MN21的尺寸为第五NMOS晶体管MN22的N倍,第四NMOS晶体管MN21的栅极连接到第五NMOS晶体管MN22的漏极,第五NMOS晶体管MN22的漏极通过一个电阻R20连接到它的栅极,第四NMOS晶体管MN21和第五NMOS晶体管MN22的源极接地。第四NMOS晶体管MN21的尺寸为W/L,第五NMOS晶体管MN22的尺寸为N×W/L,NMOS晶体管的阈值电压为VTH,工艺参数其中,un为电子迁移率,Cox为单位面积栅氧化层电容,由于电流镜要求Ibtas=I21=I22,我们可以得到VGSN22=VGSN21+Ibias·R20,其中,VGSN22为第五NMOS晶体管MN22的栅源电压,VGSN21为第四NMOS晶体管MN21的栅源电压,
即:
进而可以得到:
根据 可以得到:
其中,gm,N23表示第六NMOS晶体管MN23的跨导。
从上面公式知道,NMOS晶体管得出的跨导只与片外电阻有关,可以得到恒定的跨导,不随着温度和工艺的变化而改变。
但是本偏置的反相器中NMOS晶体管和PMOS晶体管同时贡献跨导,总跨 导为:
总跨导正比于Kn和Kp的比值,也会受到NMOS晶体管和PMOS晶体管不匹配和温度的影响。
本发明提出一种互补型恒定跨导电流源电路,可以使偏置的反相器总跨导恒定,不随NMOS和PMOS的工艺偏差和温度而变化。
图3示出的是本发明的互补型恒定跨导电流源电路结构图。如图3所示,MN35和MP35组成反相器OTA,第八NMOS晶体管MN32的栅极和漏极之间连接第二参考电阻R32,第七NMOS晶体管MN31的栅极与第八NMOS晶体管MN32的漏极相连,第七PMOS晶体管MP31的栅极和漏极之间连接第一参考电阻R31,第八PMOS晶体管MP32的栅极与第七PMOS晶体管MP31的漏极相连;第九NMOS晶体管MN33的栅极和第七NMOS晶体管MN31的栅极相连,组成电流镜结构,Iaa=Ia1,第十NMOS晶体管MN34的栅极和第八NMOS晶体管MN32的栅极相连,组成电流镜结构,Ia4=Ia2,第九PMOS晶体管MP33的栅极和漏极相连且与第十PMOS晶体管MP34的栅极相连,组成电流镜结构,第九PMOS晶体管MP33的栅极和漏极与第九NMOS晶体管MN33的漏极和第十NMOS晶体管MN34的漏极相连。
第八NMOS晶体管MN32、第八PMOS晶体管MP32、第十NMOS晶体管MN34和第十PMOS晶体管MP34的尺寸为W/L,第七NMOS晶体管MN31、第七PMOS晶体管MP31和第九NMOS晶体管MN33的尺寸为N×W/L,第九PMOS晶体管MP33的尺寸为2×W/L,令Ra0=Ra1=Ra2。
由公式(1)可以得出第二参考电流式子,VGSNa2-VGSNa1=Ia2·Ra0
其中,VGSNa2表示第八NMOS晶体管MN32的栅源电压,VGSNa1表示第七NMOS晶体管MN31的栅源电压。
同理,得出第一参考电流式子,|VGSP31|-|VGSP32|=I31·R30,
其中,VGSPa1表示第七PMOS晶体管MP31的栅源电压,VGSPa2表示第八PMOS晶体管MP32的栅源电压。
电流镜结构保证Ia1=Ia2,一阶近似可以得到偏置电流和反相器总跨导分别为:
图4示出的是互补型恒定跨导电流源偏置下的反相器跨导随工艺偏差的关系图。41、42分别为反相器中NMOS晶体管跨导gmN和PMOS晶体管跨导gmP随工艺偏差的曲线,43为反相器总跨导(gmTOT=gmN+gmP)随工艺偏差的曲线,虽然gmN,gmP会受工艺偏差的影响,但是反相器总跨导对于工艺的灵敏度迅速降低,即使在Kn、Kp相差20%的情况下也能保持恒定。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。