CN109546996A - 低功耗轨到轨衬底驱动比较器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及集成电路领域，为提出一种低功耗轨到轨衬底驱动比较器，在电源电压较低以保证低功耗的同时，能够轨到轨输入以保证较大的输入摆幅，以用于能量收集系统。为此，本发明采取的技术方案是，低功耗轨到轨衬底驱动比较器，结构如下：PMOS管Min+的衬底是正输入端IN+，其栅极和漏极接地，源极接PMOS管M1的漏极，M1的栅漏极相连，源极接电源VDD，M1的栅极接PMOS管M2和M3的栅极，M2源极接VDD，漏极接NMOS管M4的漏极、栅极和NMOS管M5的栅极，M4和M5的源极接地，M5的漏极命名为diff并接到PMOS管M6的漏极。本发明主要应用于集成电路设计制造场合。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路领域，尤其涉及比较器领域，在能量收集系统中，作为其中电荷泵模块的一部分。具体讲,涉及低功耗轨到轨衬底驱动比较器。
背景技术
在能量收集系统中，收集到的能量以电荷的形式储存在电容中，然后电荷泵电路将电容中的电荷转换成比电源电压更高的电压。这个转换过程对功耗要求非常严格。作为电荷泵中的积分模块，比较器要求有极低的功耗。
低功耗电路一般具有较低的电源电压，使得比较器的输入摆幅较小，这就使轨到轨输入，即允许输入信号的值在0和电源电压之间变化十分必要，以使输入摆幅最大化。传统的比较器输入信号加到MOS管的栅极，阈值电压的存在导致输入摆幅受到限制，因此提出的比较器采用衬底驱动的方案，即输入信号加到衬底，以实现轨到轨输入。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种低功耗轨到轨衬底驱动比较器，在电源电压较低以保证低功耗的同时，能够轨到轨输入以保证较大的输入摆幅，以用于能量收集系统。为此，本发明采取的技术方案是，低功耗轨到轨衬底驱动比较器，结构如下：PMOS管Min+的衬底是正输入端IN+，其栅极和漏极接地，源极接PMOS管M1的漏极，M1的栅漏极相连，源极接电源VDD，M1的栅极接PMOS管M2和M3的栅极，M2源极接VDD，漏极接NMOS管M4的漏极、栅极和NMOS管M5的栅极，M4和M5的源极接地，M5的漏极命名为diff并接到PMOS管M6的漏极，M6源极接VDD，M6栅极接PMOS管M7的栅极和PMOS管M8的栅极和漏极，M7和M8的源极接电源VDD，M8的漏极接PMOS管Min-的源极，Min-的栅极和漏极接地，衬底是负输入端IN-，M7的漏极接NMOS管M10的栅极、漏极和NMOS管M9的栅极，M9和M10的源极接地，M9的漏极接M3的漏极，diff节点，即M5和M6的漏极，接两个串联的缓冲器，得到正输出端OUT+；后一个缓冲器接到反相器，得到负输出端OUT-。
输入信号IN+和IN-的差别导致输入管Min+和Min-的衬源电压的不同，从而阈值电压不同，IN+更高，则Min+的阈值电压的绝对值更大，而其栅源电压不变，从而过驱动电压，即栅源电压的绝对值与阈值电压的绝对值的差更小，所以Min+的漏电流更小，该电流通过M1和M2、M1和M3、M4和M5组成的电流镜复制到MOS管M3和M5；同理Min-的稍大些的电流复制到M6和M9。M5和M6电流的差异导致diff节点的电压不得不上升以使M5的漏源电压上升，M6的漏源电压下降，从而强制二者电流相等，diff节点上升的电压通过缓冲器和反相器得到高电平和低电平，并通过输出端OUT+和OUT-输出，当输入情况相反时，亦然。
本发明的特点及有益效果是：
本发明提出的比较器采用衬底驱动的方式，在电源电压较低(0.6V)从而功耗较低的情况下实现轨到轨输入，得到最大化的输入摆幅，可以应用于对功耗要求较为苛刻的电源收集系统中，并可以在-20～85℃的温度范围内正常工作。
附图说明：
图1本发明提出的比较器的结构。
具体实施方式
本发明提出的比较器的电路图如图1所示。PMOS管Min+的衬底是正输入端IN+，其栅极和漏极接地，源极接PMOS管M1的漏极，M1的栅漏极相连，源极接电源VDD，电源电压为0.6V。M1的栅极接PMOS管M2和M3的栅极。M2源极接VDD，漏极接NMOS管M4的漏极、栅极和NMOS管M5的栅极，M4和M5的源极接地，M5的漏极命名为diff并接到PMOS管M6的漏极，M6源极接VDD，栅极接PMOS管M7的栅极和PMOS管M8的栅极和漏极。M7和M8的源极接VDD。M8的漏极接PMOS管Min-的源极，Min-的栅极和漏极接地，衬底是负输入端IN-。M7的漏极接NMOS管M10的栅极、漏极和NMOS管M9的栅极，M9和M10的源极接地，M9的漏极接M3的漏极。diff节点，即M5和M6的漏极，接两个串联的缓冲器，得到正输出端OUT+。后一个缓冲器接到反相器，得到负输出端OUT-。
输入信号IN+和IN-的差别导致输入管Min+和Min-的衬源电压的不同，从而阈值电压不同。如果IN+更高，则Min+的阈值电压的绝对值更大，而其栅源电压不变，从而过驱动电压，即栅源电压的绝对值与阈值电压的绝对值的差更小，所以Min+的漏电流更小。该电流通过M1和M2、M1和M3、M4和M5组成的电流镜复制到MOS管M3和M5。同理Min-的稍大些的电流复制到M6和M9。M5和M6电流的差异导致diff节点的电压不得不上升以使M5的漏源电压上升，M6的漏源电压下降，从而强制二者电流相等。diff节点上升的电压通过缓冲器和反相器得到高电平和低电平，并通过输出端OUT+和OUT-输出。当输入情况相反时，亦然。
提出的是主要应用于能量收集系统的轨到轨低功耗比较器，由于采用衬底驱动的方式，可以实现最大化的输入摆幅。而为了能够实现衬底驱动，必须采用双阱工艺。电源电压设定在0.6V，设计工作频率为1MHz，负载为10pF。
电路中各MOS管的尺寸为：M1、M2、M7、M8的宽长比为0.3um/3um，M3、M6的宽长比为0.6um/3um，Min+、Min-的宽长比为10um/0.2um，M4、M10的宽长比为0.3um/5um，M5、M9的宽长比为0.6um/5um。
Claims (2)
1.一种低功耗轨到轨衬底驱动比较器，其特征是，结构如下：PMOS管Min+的衬底是正输入端IN+，其栅极和漏极接地，源极接PMOS管M1的漏极，M1的栅漏极相连，源极接电源VDD，M1的栅极接PMOS管M2和M3的栅极，M2源极接VDD，漏极接NMOS管M4的漏极、栅极和NMOS管M5的栅极，M4和M5的源极接地，M5的漏极命名为diff并接到PMOS管M6的漏极，M6源极接VDD，M6栅极接PMOS管M7的栅极和PMOS管M8的栅极和漏极，M7和M8的源极接电源VDD，M8的漏极接PMOS管Min-的源极，Min-的栅极和漏极接地，衬底是负输入端IN-，M7的漏极接NMOS管M10的栅极、漏极和NMOS管M9的栅极，M9和M10的源极接地，M9的漏极接M3的漏极，diff节点，即M5和M6的漏极，接两个串联的缓冲器，得到正输出端OUT+；后一个缓冲器接到反相器，得到负输出端OUT-。
2.如权利要求1所述的低功耗轨到轨衬底驱动比较器，其特征是，输入信号IN+和IN-的差别导致输入管Min+和Min-的衬源电压的不同，从而阈值电压不同，IN+更高，则Min+的阈值电压的绝对值更大，而其栅源电压不变，从而过驱动电压，即栅源电压的绝对值与阈值电压的绝对值的差更小，所以Min+的漏电流更小，该电流通过M1和M2、M1和M3、M4和M5组成的电流镜复制到MOS管M3和M5；同理Min-的稍大些的电流复制到M6和M9。M5和M6电流的差异导致diff节点的电压不得不上升以使M5的漏源电压上升，M6的漏源电压下降，从而强制二者电流相等，diff节点上升的电压通过缓冲器和反相器得到高电平和低电平，并通过输出端OUT+和OUT-输出，当输入情况相反时，亦然。
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| US20150061729A1 (en) * | 2013-08-30 | 2015-03-05 | Brookhaven Science Associates, Llc | Method and Apparatus for Sub-Hysteresis Discrimination |
| CN106257836A (zh) * | 2015-06-16 | 2016-12-28 | 飞思卡尔半导体公司 | 具有内建恒定滞后的轨到轨比较器 |
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