CN106571808B - 负载电流反馈稳定输入翻转电平的接收器 - Google Patents

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Abstract

负载电流反馈稳定输入翻转电平的接收器，涉及集成电路技术。本发明包括输入端VIN、输出端VOUT和主反相器，还包括：串联于高电平VCC和地电平之间的第三MOS管和第四MOS管，串联于高电平VCC和地电平之间的第五MOS管和第六MOS管；从反相器，由串联于高电平VCC和地电平之间的第七MOS管和第八MOS管构成，二者的串联连接点连接到第一运放OP1的正性输入端，二者的栅极连接到参考电压源VREF；第一MOS管、第三MOS管、第五MOS管和第七MOS管结构相同，衬底皆连接到电流输入端；第二MOS管、第四MOS管、第六MOS管和第八MOS管结构相同，衬底皆连接到电流输出端。本发明在增添少量芯片面积及功耗的条件下，通过负反馈控制环路使得输入翻转电平稳定，不受电源电压和温度的影响。

Description

负载电流反馈稳定输入翻转电平的接收器
技术领域
本发明涉及集成电路，特别涉及数模混合类电路。
背景技术
接收器电路应用于各种数字信号的输入端，其翻转电平往往在芯片设计中不太被重视，但在长距离信号传输、环境温度变化、电源电压变化等应用环境中，翻转电平值的稳定性成为了电路系统中举足轻重的电学性能，其较大的漂移会导致数据传输误码甚至接收器无法正常工作。
经典接收器结构：
以VCC＝5V的TTL/CMOS信号接收器为例，由于大部分接收系统规定其输入判别电平为：VIL(输入判定为低的电平)≤0.8V，VIH(输入判定为高的电平)≥2.4V，故其输入翻转电平通常在1.4V～1.8V范围内，经典的接收器电路为单一的CMOS反相器结构，该结构仅能通过调整NMOS与PMOS的宽长比来改变输入判别电平值，故该结构几乎没有对温度和电源电压变化的抑制能力。
如图1所示为经典接收器电路，以输出中间电平VCC/2＝2.5V作为输出翻转点电压，借助辅助运放构成输出到输入的反馈环路，使反相器输出电平恒为VCC/2，在电源电压VCC恰好等于5V，室温27℃环境下，通过调整MOS管宽长比，将图1中反相器的输入电平设置为1.6V，该值即为此条件下的输入翻转电平，改变环境变量(电源值与温度值)，观测输入电平的变化。
如图2所示在-55℃～125℃范围内，输入电平变化幅度约100mV。
如图3所示在4V～6V的电源电压范围内，输入电平变化幅度超过400mV。
由前述对经典CMOS反相器型的接收器输入端口分析可知，在电源电压与温度变化范围较大的应用环境下，接收器输入翻转电平漂移较大，在一定情况下易逼近VIL或VIH，使得接收器对高低电平的判别出现错误，另一方面也大幅度降低了接收器抗噪能力，在长距离传输应用下容易出现数据误码的情况。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提出带闭环控制的接收器输入端口电路结构，该结构在以较小的功耗和芯片面积为代价下，使输入翻转电平不随电源电压、环境温度的变化而变化。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：负载电流反馈稳定输入翻转电平的接收器，包括输入端VIN、输出端VOUT和主反相器，所述主反相器由串联于高电平VCC和地电平之间的第一MOS管和第二MOS管构成，串联连接点即为输出端，两个MOS管栅极连接到输入端，其特征在于，还包括：
串联于高电平VCC和地电平之间的第三MOS管和第四MOS管，二者的串联连接点连接到输出端VOUT，二者的栅极连接到第一运放OP1的输出端；
串联于高电平VCC和地电平之间的第五MOS管和第六MOS管，二者的串联连接点连接到第一运放OP1的正性输入端，二者的栅极连接到第一运放OP1的输出端；
从反相器，由串联于高电平VCC和地电平之间的第七MOS管和第八MOS管构成，二者的串联连接点连接到第一运放OP1的正性输入端，二者的栅极连接到参考电压源VREF；
第一MOS管、第三MOS管、第五MOS管和第七MOS管结构相同，衬底皆连接到电流输入端；
第二MOS管、第四MOS管、第六MOS管和第八MOS管结构相同，衬底皆连接到电流输出端。
进一步的，第一MOS管、第三MOS管、第五MOS管和第七MOS管皆为PMOS管，第二MOS管、第四MOS管、第六MOS管和第八MOS管皆为NMOS管。
本文所称的串联是基于电流的流向而言，如图4中，电流从高电平VCC经第三MOS管MP1的源极和漏极，再经过第四MOS管的源极和漏极至地电平点，第三MOS管和第四MOS管即为串联。
本发明的有益效果是，在增添少量芯片面积及功耗的条件下，通过负反馈控制环路使得输入翻转电平稳定，不受电源电压和温度的影响。
附图说明
图1为现有技术的接收器输入端，借助辅助运放对输入翻转电平进行仿真
图2为现有技术接收器输入翻转电平与温度关系。
图3为现有技术接收器输入翻转电平与电源电压关系。
图4为本发明的接收器电路图。
图5为参考电压VREF产生电路图。
图6为本发明接收器结构的输入翻转电平与温度关系曲线。
图7为本发明接收器结构的输入翻转电平与电源电压关系曲线。
具体实施方式
参见图4。
负载电流反馈稳定输入翻转电平的接收器，包括输入端VIN、输出端VOUT和主反相器，所述主反相器由串联于高电平VCC和地电平之间的第一MOS管MP2和第二MOS管MN2构成，串联连接点即为输出端，两个MOS管栅极连接到输入端，还包括：
串联于高电平VCC和地电平之间的第三MOS管MP4和第四MOS管MN4，二者的串联连接点连接到输出端VOUT，二者的栅极连接到第一运放OP1的输出端；
串联于高电平VCC和地电平之间的第五MOS管MP3和第六MOS管MN3，二者的串联连接点连接到第一运放OP1的正性输入端，二者的栅极连接到第一运放OP1的输出端；
从反相器，由串联于高电平VCC和地电平之间的第七MOS管MP1和第八MOS管MN1构成，二者的串联连接点连接到第一运放OP1的正性输入端，二者的栅极连接到参考电压源VREF；
第一MOS管、第三MOS管、第五MOS管和第七MOS管结构相同，皆为PMOS管，且衬底皆连接到电流输入端；
第二MOS管、第四MOS管、第六MOS管和第八MOS管结构相同，皆为NMOS管，且衬底皆连接到电流输出端。
本发明利用闭环控制电路调整接收器负载电流大小，使得接收器输入翻转电平等于设定值，且具有较高的温度和电源电压抑制能力。具体工作原理为，第一运放OP1与第五MOS管MP3、第六MOS管MN3组成闭环控制，使得第七MOS管MP1、第八MOS管MN1构成的从反相器的电流负载根据电源电压及温度的变化进行调整，故从反相器在输入VREF电压下，输出电压恒为VCC/2，同时将第八MOS管MN4、第七MOS管MP4的尺寸设置为各自与第六MOS管MN3、第五MOS管MP3相同，使得二者提供的负载电流值相等。由于主、从反相器尺寸相同，电流负载一致，故主反相器的输入翻转电平与VREF相等。
第一运放OP1最大输出电压不会超过VCC，所以第一运放OP1在与反相器相同的电源VCC下便可以正常工作，无需添加额外的电源；另一方面具有更宽的电源电压抑制范围。
本发明利用反相器负载电流影响反相器翻转电平这一效应，通过含运算放大器OP1的闭环控制电路调整对图4中的第一MOS管MP2和第二MOS管MN2所构成的接收器主反相器的负载电流大小进行调整，进而对接收器输入翻转电平的漂移进行补偿，使得翻转电平在不同电源电压及温度条件下保持恒定。
图4的具体工作原理为，第一运放OP1与第五MOS管MP3、第六MOS管MN3组成闭环控制，使得第七MOS管MP1、第八MOS管MN1构成的从反相器的电流负载根据电源电压及温度的变化进行调整，故从反相器在输入VREF电压下，输出电压恒为VCC/2，同时将第八MOS管MN4、第七MOS管MP4的尺寸设置为各自与第六MOS管MN3、第五MOS管MP3相同，使得二者提供的负载电流值相等。由于主、从反相器尺寸相同，电流负载一致，故主反相器的输入翻转电平与VREF相等。VREF为由芯片内部提供的基准电压，该电压设定为接收器输入端口所需要的翻转电平值。通过闭环控制，第一MOS管MP2和第二MOS管MN2所构成的接收器主反相器的负载电流大小等于第七MOS管MP1、第八MOS管MN1构成的从反相器的电流负载，由于两反相器尺寸、电源电压、电流负载都相等，故最终所得到的主反相器输入翻转电平为所设定的VREF值。VREF可由简易的一阶温度补偿电压基准源经过倍压后得到，以图5结构为例，调整电阻R3、R4比值使VREF＝1.6V，该结构VREF温度系数约为12ppm/℃，如图6。
与图1的方法类似，借助辅助运放稳定接收器输出电压在VCC/2，对其输入电压进行温度扫描仿真，可看出输入电平的温度系数与VREF近似，在-55℃～125℃范围内仅变化了5.4mV，则对比图2与图6仿真结果，接收器结构A在全温范围内的输入翻转电平变化幅度仅为经典结构的54％。对电源电压进行扫描，仿真结果如图7所示，在4V～6V范围内输入电平变化幅度仅为1mV，为图3所示的2.5％。

Claims (2)

1.负载电流反馈稳定输入翻转电平的接收器，包括输入端VIN、输出端VOUT和主反相器，所述主反相器由串联于高电平VCC和地电平之间的第一MOS管和第二MOS管构成，串联连接点即为输出端，两个MOS管栅极连接到输入端，其特征在于，还包括：
串联于高电平VCC和地电平之间的第三MOS管和第四MOS管，二者的串联连接点连接到输出端VOUT，二者的栅极连接到第一运放OP1的输出端；
串联于高电平VCC和地电平之间的第五MOS管和第六MOS管，二者的串联连接点连接到第一运放OP1的正性输入端，二者的栅极连接到第一运放OP1的输出端；
从反相器，由串联于高电平VCC和地电平之间的第七MOS管和第八MOS管构成，二者的串联连接点连接到第一运放OP1的正性输入端，二者的栅极连接到参考电压源VREF；
第一MOS管、第三MOS管、第五MOS管和第七MOS管结构相同，衬底皆连接到电流输入端；
第二MOS管、第四MOS管、第六MOS管和第八MOS管结构相同，衬底皆连接到电流输出端；
第一MOS管和第二MOS管的串联连接点连接至输出端VOUT，第三MOS管和第四MOS管的串联连接点连接至输出端VOUT，输出端VOUT连接第二运放OP_ASS的正性输入端，第二运放OP_ASS的负性输入端接一个电平值为VCC/2的电压源，第二运放OP_ASS的输出端连接输入端VIN。
2.如权利要求1所述的负载电流反馈稳定输入翻转电平的接收器，其特征在于，第一MOS管、第三MOS管、第五MOS管和第七MOS管皆为PMOS管，第二MOS管、第四MOS管、第六MOS管和第八MOS管皆为NMOS管。
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