CN110336546A

CN110336546A - 一种低功耗高速度电流比较器电路

Info

Publication number: CN110336546A
Application number: CN201910654777.2A
Authority: CN
Inventors: 周泽坤; 王佳文; 金正扬; 王韵坤; 张波
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2019-07-19
Filing date: 2019-07-19
Publication date: 2019-10-15
Anticipated expiration: 2039-07-19
Also published as: CN110336546B

Abstract

一种低功耗高速度电流比较器电路，采用两个阈值电压不同的NMOS管即第一低阈值NMOS管和第一NMOS管作为比较器的输入对管，输入电流流进第一低阈值NMOS的源极电阻，当输入电流达到门限值时，使第一NMOS管NM1打开从而将第一NMOS管NM1的漏极拉低，比较器产生的比较信号V_OUT1翻转，其中输入电流的门限值通过输入对管的阈值电压之差和修调电阻确定；本发明将输入电流的电压转换、参考电平的产生和信号比较在一个组合结构中实现，从而节省了功耗，并且实现了随温度零漂移。另外为了进一步提高速度，还设置了辅助钳位模块，利用钳位效应将比较器的输出电压钳位在一个比电源低的电压使得比较器的翻转速度加快。

Description

一种低功耗高速度电流比较器电路

技术领域

本发明属于模拟电路比较器技术领域，具体涉及一种低功耗高速度的源输入电流比较器电路。

背景技术

在模拟电源开关电源领域，电流模控制方式的电路相对于电压模控制方式的电路具有以下几方面的优势：(1)高速；(2)较小的芯片面积；(3)低的电源电压和功耗；(4)与数字集成电路工艺兼容。而作为电流模信号处理电路的基本单元，电流比较器在集成电路的设计中有着重要的意义。对于开关电源的过流保护设计，过流比较器作为过流保护电路的一部分，其性能直接影响系统的稳定性和可靠性。由于在不同输入输出和电感大小的情况下电感电流的上升斜率和下降斜率是不一样的，所以如果过流比较器的速度、精度不够或延时过大时，会存在较大的失调电压导致系统过流后的门限值会与理论值存在较大偏差。故设计一款高速、高精度、低延时的电流比较器是非常必要的。

Traff H.Novel approach to high speed CMOS current comparators[J].Electronics Letters,1992, 28(3):310-312.中提出了一种基于源随级的电流比较器，该结构的优点是延迟时间短并且精度比较高，但是该结构在输入电压动态范围内小信号工作时存在死区，这是一个比较严重的缺点。为了改善了这个问题，Banks D.ToumazouC.Low-power high-speed current comparator design [J].Electronics Letters,2008,44(3):171-172.中提出了输入级用多级级联的方式构成电流比较器，但是这种结构随温度的漂移较大且功耗很大。还有一种电流比较器通常由差分结构组成，这种结构常用到差分放大器，差分放大器可以抑制共模噪声并且提高电路的信号处理精度，但该电路提高了电路的复杂性并且增加了芯片面积与成本，通常该结构适用于并行的ADC。

发明内容

针对上述传统电流比较器在速度、精度和功耗等方面的不足之处，本发明提出一种电流比较器，能实现高速度、低功耗、低延时、随温度变化零漂移，满足在开关电源领域或其他模拟电路领域的高速高精度低延时电流比较器电路需求。

本发明的技术方案是：

一种低功耗高速度电流比较器电路，包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS 管、第四NMOS管、第一低阈值NMOS管、第一PMOS管、第二PMOS管、第一低阈值PMOS 管、第二低阈值PMOS管、第一电流源、第一修调电阻和第二修调电阻，其中第一低阈值 NMOS管是耗尽型晶体管；

第一低阈值NMOS管的源极作为所述电流比较器电路的输入端并通过第一修调电阻后接地，其栅极连接第一NMOS管的栅极和第四NMOS管的源极并通过第一电流源后接地，其漏极连接第二NMOS管的源极和第四NMOS管的栅极；

第一NMOS管的漏极连接第三NMOS管的源极，其源极通过第二修调电阻后接地；

第一PMOS管的栅极连接第二PMOS管、第一低阈值PMOS管和第二低阈值PMOS管的栅极并连接偏置电压，其源极连接第二PMOS管的源极和第四NMOS管的漏极并连接电源电压，其漏极连接第一低阈值PMOS管的源极；

第二NMOS管的栅漏短接并连接第三NMOS管的栅极和第一低阈值PMOS管的漏极；

第二低阈值PMOS管的源极连接第二PMOS管的漏极，其漏极连接第三NMOS管的漏极并输出比较信号。

具体的，所述电流比较器电路还包括辅助钳位模块，所述辅助钳位模块包括第三PMOS 管、第四PMOS管、第三低阈值PMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管和第七NMOS 管，

第三PMOS管的栅极连接第三低阈值PMOS管、第六NMOS管和第七NMOS管的栅极并连接所述偏置电压，其源极连接电源电压，其漏极连接第三低阈值PMOS管的源极；

第五NMOS管的栅极连接第四PMOS管的源极并连接所述比较信号，其漏极连接第四PMOS管的栅极和第三低阈值PMOS管的漏极并作为所述电流比较器电路的输出端，其源极连接第七NMOS管的漏极；

第六NMOS管的漏极连接第四PMOS管的漏极，其源极连接第七NMOS管的源极并接地。

具体的，所述第一修调电阻和第二修调电阻具有相同的内部结构，所述第一修调电阻包括第八NMOS管、第九NMOS管、第十NMOS管、一个第一电阻、一个第二电阻、两个第三电阻和四个第四电阻，

第八NMOS管的栅极连接第一控制信号，其漏极通过第一电阻后连接所述第一修调电阻的一端，其源极连接第九NMOS管的漏极；

第九NMOS管的栅极连接第二控制信号，其源极连接第十NMOS管的漏极；

第十NMOS管的栅极连接第三控制信号，其源极连接所述第一修调电阻的另一端；

第二电阻接在第八NMOS管的漏极和源极之间；

两个第三电阻并联后接在第九NMOS管的漏极和源极之间；

四个第四电阻并联后接在第十NMOS管的漏极和源极之间。

本发明的工作原理为：采用两个阈值电压不同的NMOS管即第一低阈值NMOS管N_LM1和第一NMOS管NM1作为比较器的输入对管，输入电流I_IN流进低阈值NMOS管的源极电阻，当电流达到门限值时，使高阈值的NMOS管即第一NMOS管NM1打开从而将第一NMOS 管NM1的漏极拉低，即比较器产生的比较信号V_OUT1翻转。一些实施例中还设置了钳位辅助模块，在比较部分利用输入对管的阈值电压之差和修调电阻确定电流的门限值，在辅助钳位模块利用钳位效应将比较器的输出电压钳位在一个比电源低的电压使得比较器的翻转速度加快。

本发明的有益效果是：本发明提出一种源输入比较器结构，将输入电流的电压转换、参考电平的产生和信号比较在一个组合结构中实现，从而节省了功耗，并且实现了随温度零漂移和高速；且利用修调电阻可减少随工艺的偏差；另外设置了电压钳位进一步提高了比较器的速度，减小了延时。

附图说明

图1本发明提出的一种低功耗高速度电流比较器电路的架构图。

图2本发明提出的一种低功耗高速度电流比较器电路在实施例中的具体结构示意图，其中(a)为电流比较模块；(b)为辅助钳位模块。

图3本发明提出的一种低功耗高速度电流比较器电路中对修调电阻在对不同工艺角下的修调电路图。

注：名字以PM开头的晶体管为PMOS(P-Metal-Oxide-Semiconductor)管；名字以NM开头的晶体管为NMOS(N-Metal-Oxide-Semiconductor)管；名字以N_LM开头的晶体管为低阈值NMOS(LowVTN-Metal-Oxide-Semiconductor)管；名字以P_LM开头的晶体管为低阈值 PMOS(LowVTP-Metal-Oxide-Semiconductor)管。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。

如图2所示是本发明提出的一种低功耗高速度电流比较器电路的结构示意图，包括第一 NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第一低阈值NMOS管N_LM1、第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第一低阈值PMOS管P_LM1、第二低阈值PMOS管P_LM2、第一电流源I1、第一修调电阻R_trim1和第二修调电阻R_trim2，其中第一低阈值NMOS管N_LM1是耗尽型晶体管；第一低阈值NMOS管N_LM1的源极作为电流比较器电路的输入端并通过第一修调电阻R_trim1后接地，其栅极连接第一NMOS管NM1的栅极和第四NMOS管NM4的源极并通过第一电流源I1后接地，其漏极连接第二NMOS管NM2 的源极和第四NMOS管NM4的栅极；第一NMOS管NM1的漏极连接第三NMOS管NM3 的源极，其源极通过第二修调电阻R_trim2后接地；第一PMOS管PM1的栅极连接第二PMOS 管PM2、第一低阈值PMOS管P_LM1和第二低阈值PMOS管P_LM2的栅极并连接偏置电压V_B，其源极连接第二PMOS管PM2的源极和第四NMOS管NM4的漏极并连接电源电压VDD，其漏极连接第一低阈值PMOS管P_LM1的源极；第二NMOS管NM2的栅漏短接并连接第三 NMOS管NM3的栅极和第一低阈值PMOS管P_LM1的漏极；第二低阈值PMOS管P_LM2的源极连接第二PMOS管PM2的漏极，其漏极连接第三NMOS管NM3的漏极并输出比较信号 V_OUT1。

第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第一低阈值PMOS管P_LM1和第二低阈值PMOS 管P_LM2组成的电流镜结构将外部的电流源I_S镜像过来为比较器内部提供偏置电流I_S。通过设置第一低阈值NMOS管N_LM1为低阈值晶体管，第一NMOS管NM1为普通阈值晶体管，使得第一低阈值NMOS管N_LM1和第一NMOS管NM1是两个不同的阈值晶体管，其中第一低阈值NMOS管N_LM1是耗尽型晶体管，这样不仅可以实现了比较器内置参考电平而无需额外功耗，还消除了温度的影响。当电流比较器电路的输入电流I_IN较小时，第一低阈值NMOS 管N_LM1将在饱和区域内工作而第一NMOS管NM1关断，比较器产生的比较信号V_OUT1将为高电平，当电流比较器电路的输入电流I_IN达到门限值时，第一NMOS管NM1将在饱和区运行，比较器产生的比较信号V_OUT1将从高电平变为低电平。第四NMOS管NM4工作在饱和区使得第一低阈值NMOS管N_LM1的漏端电压始终比栅端电压高一个V_{GS_NM4}，使得第一低阈值NMOS管N_LM1始终工作在饱和区。根据基尔霍夫定律得：

(I_S+I_{IN_TH})R_trim+V_{GS_NLM1}＝I_SR_trim+V_{GS_NM1} (1)

其中，I_S为外部电流源提供的电流；R_trim为第一修调电阻R_trim1和第二修调电阻R_trim2的修调电阻值，用来改变门限电流值；I_{IN_TH}为使得比较器输出翻转的门限电流值，V_{GS_NLM1}为第一低阈值NMOS管N_LM1的栅源电压，V_{GS_NM1}为第一NMOS管NM1的栅源电压。公式(1)可化简为：

I_{IN_TH}R_trim＝V_{GS_NM1}-V_{GS_NLM1} (2)

根据MOS管饱和区电流公式可得：

V_{OV_NLM1}＝V_{GS_NLM1}-V_{TH_NLM1} (3)

V_{OV_NM1}＝V_{GS_NM1}-V_{TH_NM1} (4)

V_{TH_NM1}是第一NMOS管NM1的阈值电压，V_{TH_NLM1}是第一低阈值NMOS管N_LM1的阈值电压，V_{OV_NM1}是第一NMOS管NM1的过驱动电压，V_{OV_NLM1}是第一低阈值NMOS管N_LM1的过驱动电压。

根据(2)(3)(4)式可得比较器输出翻转的门限电流值为：

其中ΔV_TH＝V_{TH_NM1}-V_{TH_NLM1}。在本发明中，V_{OV_NM1}和V_{OV_NLM1}设定为大致相等，实现不受温度影响更精确的电流值。因此，等式(5)可以由下式给出：

由于V_{TH_NM1}和V_{TH_NLM1}有相等的温度系数，故ΔV_TH具有相当小的温度系数，假设第一修调电阻R_trim1和第二修调电阻R_trim2是阻值不随温度变化而变化的理想电阻，则通过(6)式可知本发明中的门限电流值具有零温度漂移特性，提高了比较器精度。同时，通过这种方法，实现了内置参考电平而无需额外的功耗。

本实施例中第一修调电阻R_trim1和第二修调电阻R_trim2具有相同的内部结构，以第一修调电阻R_trim1为例进行说明，具有工艺变化的比较器的微调如图3所示，第一修调电阻R_trim1包括第八NMOS管NM8、第九NMOS管NM9、第十NMOS管NM10、一个第一电阻R1、一个第二电阻R2、两个第三电阻R3和四个第四电阻R4，第八NMOS管NM8的栅极连接第一控制信号C1，其漏极通过第一电阻R1后连接第一修调电阻R_trim1的一端，其源极连接第九 NMOS管NM9的漏极；第九NMOS管NM9的栅极连接第二控制信号C2，其源极连接第十 NMOS管NM10的漏极；第十NMOS管NM10的栅极连接第三控制信号C3，其源极连接第一修调电阻R_trim1的另一端；第二电阻R2接在第八NMOS管NM8的漏极和源极之间；两个第三电阻R3并联后接在第九NMOS管NM9的漏极和源极之间；四个第四电阻R4并联后接在第十NMOS管NM10的漏极和源极之间。

通过这种修调工艺可以确保门限电流在不同工艺角下都能达到适当的值，其中ff是fast corner，tt是typical corner，ss是slow corner。当在ff corner下时，电阻值比较小，此时通过修调第一修调电阻R_trim1和第二修调电阻R_trim2即增大其阻值以弥补工艺所带来的误差，图3 中第一控制信号C1和第三控制信号C3为低电平，则其所控制的第八NMOS管NM8和第十 NMOS管NM10关闭，第一修调电阻R_trim1和第二修调电阻R_trim2就等于R1+R2+R4//R4//R4//R4。同理，tt corner下第二控制信号C2和第三控制信号C3为低电平，则其所控制的第九NMOS 管NM9和第十NMOS管NM10关闭，第一修调电阻R_trim1和第二修调电阻R_trim2就等于 R1+R3//R3+R4//R4//R4//R4；ss corner下为R1+R3//R3。

图2中(a)所示是电流比较模块，实现高速高精度的电流比较，为了进一步提高比较器电路的速度，一些实施例中还设置了图2中(b)所示的辅助钳位模块，辅助钳位模块用于将比较模块产生的比较信号V_OUT1进行钳位，使得最终得到的电流比较器电路的最终输出信号V_OUT从高翻低时速度更快。辅助钳位模块包括第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第三低阈值PMOS管P_LM3、第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6和第七NMOS管NM7，第三PMOS管PM3的栅极连接第三低阈值PMOS管P_LM3、第六NMOS管NM6和第七NMOS 管NM7的栅极并连接偏置电压V_B，其源极连接电源电压VDD，其漏极连接第三低阈值PMOS 管P_LM3的源极；第五NMOS管NM5的栅极连接第四PMOS管PM4的源极并连接比较信号，其漏极连接第四PMOS管PM4的栅极和第三低阈值PMOS管P_LM3的漏极并作为电流比较器电路的输出端，其源极连接第七NMOS管NM7的漏极；第六NMOS管NM6的漏极连接第四PMOS管PM4的漏极，其源极连接第七NMOS管NM7的源极并接地。

第四PMOS管PM4、第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6和第七NMOS管NM7 组成的电路起到钳位的作用，在比较器产生的比较信号V_OUT1为高时电流全部流入第四PMOS 管PM4，第五NMOS管NM5打开电流比较器电路的输出信号V_OUT为低电平(由于PMOS 管的阈值电压V_THP>NMOS管的阈值电压V_THN，如果PMOS管开启，则NMOS管也开启)，这将使比较信号V_OUT1不会被拉到电源电压VDD，而是钳位到比第四PMOS管PM4的栅端高一个栅源电压VGS的电压，使得电流比较器电路的输出信号V_OUT从高翻低时速度更快，从而加快了比较器的响应速度。

从图1可以得到本实施例的电路原理图。其中参考电流值I_REF由比较器内部提供，外部提供的电流源(如近似PTAT电流源)为比较器提供静态偏置电流I_S，当输入电流I_IN大于参考电流I_REF时，通过辅助钳位模块的加速，比较器很快从低电平翻转到高电平。本发明中比较器内置电平的产生减小了功耗和门限电流值零温度漂移特性的实现，另外，辅助钳位模块加快了比较器的速度减小了延时，实现了一款高速、高精度、低功耗、低延时的电流比较器。

本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种低功耗高速度电流比较器电路，其特征在于，包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第一低阈值NMOS管、第一PMOS管、第二PMOS管、第一低阈值PMOS管、第二低阈值PMOS管、第一电流源、第一修调电阻和第二修调电阻，其中第一低阈值NMOS管是耗尽型晶体管；

2.根据权利要求1所述的低功耗高速度电流比较器电路，其特征在于，所述电流比较器电路还包括辅助钳位模块，所述辅助钳位模块包括第三PMOS管、第四PMOS管、第三低阈值PMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管和第七NMOS管，

3.根据权利要求1或2的低功耗高速度电流比较器电路，其特征在于，所述第一修调电阻和第二修调电阻具有相同的内部结构，所述第一修调电阻包括第八NMOS管、第九NMOS管、第十NMOS管、一个第一电阻、一个第二电阻、两个第三电阻和四个第四电阻，

第二电阻接在第八NMOS管的漏极和源极之间；

两个第三电阻并联后接在第九NMOS管的漏极和源极之间；

四个第四电阻并联后接在第十NMOS管的漏极和源极之间。