CN105469818A - 读出放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种读出放大器，包括第一级比较器、第二级比较器与电源弱相关偏置电压产生电路，该电源弱相关偏置电压产生电路分别连接该第一级比较器与该第二级比较器的电流偏置电路，以产生一与阈值电压相关而与电源电压弱相关的偏置电压给该第一级比较器与该第二级比较器的电流偏置电路。本发明通过将读出放大器的比较器的电流偏置电路的管子栅极固定在一个跟阈值电压相关、跟电源电压弱相关的电位上，减少了读出放大器在电源电压和工艺变化下的功耗。

Description

读出放大器
技术领域
本发明涉及一种读出放大器，特别是涉及一种可减少功耗的读出放大器。
背景技术
图1为现有技术中一种读出放大器的电路结构图。如图1所示，NMOS管NM0－2、PMOS管PM0－PM1组成第一级比较器，NMOS管NM1和NM2组成第一级比较器的差分放大电路，PMOS管PM0和PM1为第一级比较器的差分放大电路的有源负载，NMOS管NM0是第一级比较器的电流偏置电路；NMOS管NM3、PMOS管PM2组成第二级比较器，PMOS管PM2为第二级比较器的放大电路，NMOS管NM3是第二级比较器的电流偏置电路。
NMOS管NM0和NM3的源极均接地，其栅极均接电源电压VDD，NMOS管NM0的漏极接NMOS管NM1－2的源极形成节点C，NMOS管NM1栅极接参考电压VREF，NMOS管NM2栅极E为读出放大器的输入，一般接位线BL(未示出)，NMOS管NM1漏极与PMOS管PM0的漏极、栅极以及PMOS管PM1的栅极相接组成节点B，NMOS管NM2漏极与PMOS管PM1的漏极和PM2的栅极相接组成节点A，PMOS管PM0、PM1的源极相接电源电压VDD；PMOS管PM2的源极接电源电压VDD，其漏极和NMOS管NM3的漏极相接组成输出节点OUT。
由于两级比较器的电流偏置电路的栅极直接接电源电压VDD，则其输出电流直接和电源电压正相关，同时由于工艺参数的变化，MOS管的阈值电压有较大差别，这进一步导致电流源的输出电流差异增大，在0.18umIBG工艺下，VDD范围是1.8V±0.25V，即1.55～2.05V，再计入工艺角影响，读出电路电流比达到近5倍，难以取得良好的产品性能和一致性。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之一目的在于提供一种读出放大器，其通过将读出放大器的比较器的电流偏置电路的管子栅极固定在一个跟阈值电压相关、跟电源电压弱相关的电位上，减少了读出放大器在电源电压和工艺变化下的功耗。
为达上述及其它目的，本发明提出一种读出放大器，包括第一级比较器、第二级比较器，该读出放大器还包括一电源弱相关偏置电压产生电路，该电源弱相关偏置电压产生电路分别连接该第一级比较器与该第二级比较器的电流偏置电路，以产生一与阈值电压相关而与电源电压弱相关的偏置电压给该第一级比较器与该第二级比较器的电流偏置电路。
进一步地，该电源弱相关偏置电压产生电路包括一源极跟随器及一钳位电路，该钳位电路用于产生一与电源弱相关而与工艺相关的基准电压，该源极跟随器用于对该基准电压进行微调并增加电路的带负载能力。
进一步地，该钳位电路包括第四PMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管及第一电阻，该第四PMOS管源极与该第五NMOS管漏极接电源电压，该第五NMOS管栅极与该第四PMOS管的漏极、该第四NMOS管的漏极相接形成第一节点，该第五NMOS管源极与该第四PMOS管栅极、该第四NMOS管栅极以及第一电阻相接形成第二节点，该第一电阻的另一端接地。
进一步地，该源极跟随器包括第六NMOS管和第二电阻，该第六NMOS管漏极接电源电压，栅极接该第一节点，源极与该第二电阻一端相接形成输出节点，该第二电阻另一端接地。
进一步地，该输出节点与该第一级比较器及该第二级比较器的电流偏置电路连接以提供一与阈值电压相关而与电源电压弱相关的偏置电压。
进一步地，该第一级比较器与该第二级比较器的电流偏置电路为一NMOS管，该输出节点连接该NMOS管栅极。
与现有技术相比，本发明一种读出放大器通过利用电源弱相关偏置电压产生电路提供一与阈值电压相关而与电源电压弱相关的偏置电压给第一比较器与第二比较器的电流偏置电路，使得两个比较器的电流偏置电路的管子栅极固定在一个跟阈值电压相关、跟电源电压弱相关的电位上，减少了读出放大器在电源电压和工艺变化下的功耗。
附图说明
图1为现有技术中一种读出放大器的电路结构图；
图2为本发明一种读出放大器的电路结构示意图；
图3为本发明较佳实施例中电源弱相关偏置电压产生电路22的电路示意图；
图4为单级源跟随器的电路和其小信号图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图2为本发明一种读出放大器的电路结构示意图。如图2所示，本发明一种读出放大器，至少包括：第一级比较器20、第二级比较器21以及电源弱相关偏置电压产生电路22。
其中第一级比较器20与第二级比较器21的结构与现有技术一样，第一级比较器20包括NMOS管NM0－NM2及PMOS管PM0－PM1，第二级比较器21包括NMOS管NM3、PMOS管PM2，与现有技术不同的是，第一级比较器20的电流偏置电路的NMOS管NM0与第二级比较器21的电流偏置电路的NMOS管NM3的栅极接电源弱相关偏置电压产生电路22，该电源弱相关偏置电压产生电路22用以产生一与阈值电压相关而与电源电压弱相关的偏置电压提供给第一级比较器20与第二级比较器21的电流偏置电路。
图3为本发明较佳实施例中电源弱相关偏置电压产生电路22的电路示意图。如图3所示，该电源弱相关偏置电压产生电路22包括源极跟随器221及钳位电路222，钳位电路222用于产生一电源弱相关而与工艺相关的基准电压，源极跟随器221用于对基准电压进行微调并增加电路的带负载能力。
具体的说，PMOS管PM4(可称之为第四PMOS管)、NMOS管NM4-NM5(可分别称之为第四NMOS管、第五NMOS管)和电阻R1组成钳位电路，钳位电路用于产生一电源弱相关的基准电压，NMOS管NM6和电阻R2组成源极跟随器以微调基准电压并增加电路的带负载能力。PMOS管PM4的源极、NMOS管NM5-NM6的漏极接电源电压VDD，NMOS管NM5-NM6的栅极与PMOS管PM4的漏极、NMOS管NM4的漏极相接形成节点F(称为第一节点)，NMOS管NM6的源极与电阻R2一端相接形成输出节点VB，电阻R2另一端接地，NMOS管NM5的源极与PMOS管PM4的栅极、NMOS管NM4的栅极以及电阻R1的一端相接形成节点D(称为第二节点)，电阻R1的另一端接地。
本发明的工作原理如下：
当节点D的电压很低时，PMOS管PM4栅极电压为低而开启，PMOS管PM4开启将电源电压VDD接至节点F从而拉高节点F的电压，当节点F和节点D电压差大于NMOS管NM5的阈值电压时，NMOS管NM5开启，NM5开启形成的电流拉高节点D的电压，当节点D的电压达到NMOS管NM4的阈值电压时，NMOS管NM4开启，NM4开启导致节点F的电压下降，电路持续负反馈使得节点D的电压稳定在略大于NMOS管NM4的阈值电压。当节点D电压较高时，负反馈同样会将节点D的电压钳位至略大于NMOS管NM4的阈值电压。
由于NMOS管NM6的栅极接NMOS管NM5的栅极节点F，如果NMOS管NM6和NMOS管NM5相同，R2和R1相同，则输出节点VB的电压与节点D的电压一致，但节点VB的电压接近阈值电压时，会导致读出放大器SA比较器电流源管子物理尺寸(即管子的宽长比)变大而浪费芯片面积。通过改变NMOS管NM6的物理尺寸和电阻R2的阻值，使输出节点VB的电压高出阈值电压Vth一个固定值△V(在本发明较佳实施例中，△V约为0.2V)，即VB＝Vth+△V，即与电源弱相关但和工艺参数相关。因为VB与Vth相关，其可在不同工艺参数(corner)下保证电路正常工作。
单级源跟随器的电路和其小信号图如图4所示，根据小信号分析可知，输出点的电压变化远远低于电源电压变化。因此，本发明中，输出节点电压VB跟电源电压是弱相关的。
将图1中节点E连接到VREF，分别将NMOS管NM0和NM3的栅极接至VDD和图3中的节点VB，两种情况下面的仿真电流对比列表如下：
现有技术将NM0和NM3的栅极接至VDD时，FF工艺角使用最高电压2.05V时，NMOS管NM0电流为31.1uA，NMOS管NM3电流为28.2uA，SS工艺角使用最低电压1.55V时，NMOS管NM0电流为6.74uA，NMOS管NM3电流为5.74uA，最大最小电流比4.61，而本发明中NMOS管NM0和NM3的栅极接至节点电压VB时，FF工艺角使用最高电压2.05V时，NMOS管NM0电流为20uA，NM3电流为17.2uA，SS工艺角使用最低电压1.55V时，NMOS管NM0电流为6.79uA，NM3电流为5.73uA，最大最小电流比仅2.95，明显优于现有技术，和典型情况(工艺角TT，电源电压1.8V)相比，极端条件下本发明的电流波动较现有技术的波动小，从而使读出放大器性能更好。
可见，本发明一种读出放大器通过利用电源弱相关偏置电压产生电路提供一与阈值电压相关而与电源电压弱相关的偏置电压给第一级比较器与第二级比较器的电流偏置电路，使得两个比较器的电流偏置电路的管子栅极固定在一个跟阈值电压相关、跟电源电压弱相关的电位上，减少了读出放大器在电源电压和工艺变化下的功耗。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (6)

1.一种读出放大器，包括第一级比较器、第二级比较器，其特征在于：该读出放大器还包括一电源弱相关偏置电压产生电路，该电源弱相关偏置电压产生电路分别连接该第一级比较器与该第二级比较器的电流偏置电路，以产生一与阈值电压相关而与电源电压弱相关的偏置电压给该第一级比较器与该第二级比较器的电流偏置电路。
2.如权利要求1所述的一种读出放大器，其特征在于：该电源弱相关偏置电压产生电路包括一源极跟随器及一钳位电路，该钳位电路用于产生一与电源弱相关而与工艺相关的基准电压，该源极跟随器用于对该基准电压进行微调并增加电路的带负载能力。
3.如权利要求2所述的一种读出放大器，其特征在于：该钳位电路包括第四PMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管及第一电阻，该第四PMOS管源极与该第五NMOS管漏极接电源电压，该第五NMOS管栅极与该第四PMOS管的漏极、该第四NMOS管的漏极相接形成第一节点，该第五NMOS管源极与该第四PMOS管栅极、该第四NMOS管栅极以及第一电阻相接形成第二节点，该第一电阻的另一端接地。
4.如权利要求3所述的一种读出放大器，其特征在于：该源极跟随器包括第六NMOS管和第二电阻，该第六NMOS管漏极接电源电压，栅极接该第一节点，源极与该第二电阻一端相接形成输出节点，该第二电阻另一端接地。
5.如权利要求4所述的一种读出放大器，其特征在于：该输出节点与该第一级比较器及该第二级比较器的电流偏置电路连接以提供一与阈值电压相关而与电源电压弱相关的偏置电压。
6.如权利要求5所述的一种读出放大器，其特征在于：该第一级比较器与该第二级比较器的电流偏置电路为一NMOS管，该输出节点连接该NMOS管栅极。
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