CN111835331A - 参考电压驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种参考电压驱动器，其特征在于，包括：放大器、以及分别与放大器连接的主输出级、从输出级和阱偏置单元；主输出级包括第一晶体管，从输出级包括第二晶体管，阱偏置单元包括第三晶体管；三个晶体管共用一个阱区，且阱连接第三晶体管的源极；第二晶体管的源极电压等于第一晶体管的源极电压，第二晶体管的源极电压为输出参考电压，第三晶体管的源极产生与输出参考电压相等的阱偏置电压。第一晶体管和第二晶体管共用一个阱区从而增加了匹配度，解决了失调电压较大的问题，且没有增加寄生电容。三个晶体管中的每个晶体管的源极电压和衬底电压相等在同一电平，则消除了衬偏效应，从而降低了放大器的输出电平。

Description

参考电压驱动器
技术领域
本发明涉及半导体集成电路技术领域，具体而言涉及一种参考电压驱动器。
背景技术
模数转换器(ADC)广泛应用在电路中，通常模数转换器(ADC)的正常工作需要参考电压驱动器为其提供稳定的参考电压。参考电压驱动器的精度、稳定性及噪声性能等直接影响ADC的性能。
传统的应用在模数转换器中的参考电压驱动器通常采用放大器和主、从输出级结构，存在主、从输出级中晶体管失调电压较大、增加了寄生电容，以及放大器的输出电平较大问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种参考电压驱动器，主、从输出级中的晶体管共用一个阱区，解决了晶体管失调电压较大问题的同时不增加主、从输出级中的晶体管的寄生电容；该参考电压驱动器没有衬偏效应，降低了放大器的输出电平。
为解决上述技术问题，本发明提供一种参考电压驱动器，包括：
放大器、主输出级、从输出级和阱偏置单元，所述主输出级、所述从输出级和所述阱偏置单元均与所述放大器连接；其中，所述主输出级包括第一晶体管，所述从输出级包括第二晶体管，所述阱偏置单元包括第三晶体管；所述第一晶体管、所述第二晶体管和所述第三晶体管共用一个阱区，且所述阱区连接所述第三晶体管的源极；所述第二晶体管的源极电压等于所述第一晶体管的源极电压，所述第二晶体管的源极电压作为输出参考电压，所述第三晶体管的源极产生与所述输出参考电压相等的阱偏置电压。
可选地，所述主输出级还包括检测单元和电流源，所述检测单元用于将所述主输出级的电压和电流复制到所述从输出级。
可选地，所述检测单元包括第四晶体管，所述第一晶体管的漏极用于接入电源电压，所述第一晶体管的源极连接所述第四晶体管的源极；所述第四晶体管的漏极和栅极连接所述电流源的一端，所述电流源的另一端用于接地。
可选地，所述从输出级还包括第一负载，所述阱偏置单元还包括第二负载，所述第一负载和所述第二负载的吸收电流能力均大于所述电流源的吸收电流能力。
可选地，所述第一负载包括第五晶体管，所述第二晶体管的漏极用于接入所述电源电压，所述第二晶体管的源极连接所述第五晶体管的源极，所述第五晶体管的栅极连接所述第四晶体管的栅极，所述第五晶体管的漏极用于接地。
可选地，所述第二负载包括第六晶体管，所述第三晶体管的漏极用于接入所述电源电压，所述第三晶体管的源极连接所述第六晶体管的源极，所述第六晶体管的栅极连接所述第四晶体管的栅极，所述第六晶体管的漏极用于接地。
可选地，所述第二晶体管的栅极与所述第一晶体管的栅极的尺寸比等于所述第五晶体管的栅极与所述第四晶体管的栅极的尺寸比，所述第三晶体管的栅极与所述第一晶体管的栅极的尺寸比等于所述第六晶体管的栅极与所述第四晶体管的栅极的尺寸比。
可选地，所述第一晶体管、所述第二晶体管以及所述第三晶体管均为NMOS晶体管，所述第四晶体管、所述第五晶体管以及所述第六晶体管均为PMOS晶体管。
可选地，所述放大器为负反馈放大器。
可选地，所述放大器的正输入端用于接入参考信号，所述放大器的负输入端连接所述第一晶体管的源极，所述放大器的输出端分别连接所述第一晶体管的栅极、所述第二晶体管的栅极以及所述第三晶体管的栅极。
在本发明提供的参考电压驱动器中，包括：放大器、以及分别与所述放大器连接的主输出级、从输出级和阱偏置单元；所述主输出级包括第一晶体管，所述从输出级包括第二晶体管，所述阱偏置单元包括第三晶体管；三个晶体管共用一个阱区，且所述阱区连接所述第三晶体管的源极。主输出级中的第一晶体管和从输出级中的第二晶体管共用一个阱区，增加了所述第一晶体管和所述第二晶体管的匹配度，解决了失调电压较大的问题，且阱的寄生电容在阱偏置单元中的第三晶体管的源极上，没有增加所述第一晶体管和所述第二晶体管的寄生电容。
所述第二晶体管的源极电压等于所述第一晶体管的源极电压，所述第二晶体管的源极电压为输出参考电压，所述第三晶体管的源极产生与所述输出参考电压相等的阱偏置电压，即三个晶体管的源极电压相等且都等于所述阱偏置电压；而且三个晶体管共用一个阱区，晶体管的衬底电压即为阱区电压，则三个晶体管的衬底电压相等且都等于所述阱偏置电压；因此，所述第一晶体管、所述第二晶体管以及所述第三晶体管中每个晶体管的源极电压和衬底电压都相等，均为所述阱偏置电压，晶体管的源极电压和衬底电压相等在同一电平，则没有衬偏效应，从而降低了放大器的输出电平。
附图说明
图1是本发明一实施例的参考电压驱动器的模块示意图。
图2是本发明一实施例的参考电压驱动器的电路结构示意图。
其中：附图标记如下：
100-参考电压驱动器；110-放大器；120-主输出级；130-从输出级；140-阱偏置单元。
具体实施方式
如背景介绍，传统的应用在模数转换器中的参考电压驱动器通常采用放大器和主、从输出级结构，存在主、从输出级中晶体管失调电压较大、寄生电容较大问题，以及放大器的输出电平较大问题。
发明人研究发现，主、从输出级结构中的晶体管的衬底通常有三种连接方法。第一种：都接电源；第二种：都接地；第三种：分别接独立的阱。主、从输出级结构中的晶体管的衬底分别接独立的阱，存在主、从输出级结构中晶体管失调电压较大和增加了寄生电容问题。主、从输出级结构中的晶体管的衬底都接电源或者都接地，存在衬偏效应，导致晶体管阈值电压增大，从而增大了放大器的输出电平。
在本发明实施例中，通过主输出级中的第一晶体管和从输出级中的第二晶体管共用一个阱区，增加了所述第一晶体管和所述第二晶体管的匹配度，解决了失调电压较大的问题，且阱区的寄生电容在阱偏置单元中的第三晶体管的源极上，没有增加所述第一晶体管和所述第二晶体管的寄生电容。通过主输出级中的第一晶体管和从输出级中的第二晶体管中的衬底都连接至阱偏置单元中，衬底电压为阱偏置电压，所述第一晶体管、所述第二晶体管以及所述第三晶体管中每个晶体管的源极电压和衬底电压都相等，均为所述阱偏置电压，晶体管的源极电压和衬底电压相等在同一电平，则没有衬偏效应，从而降低了放大器的输出电平。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的参考电压驱动器作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
图1示出了本发明实施例的参考电压驱动器的模块示意图。如图1所示，本发明实施例的参考电压驱动器100，包括：放大器110、以及分别与所述放大器110连接的主输出级120、从输出级130和阱偏置单元140；其中，所述主输出级120包括第一晶体管，所述从输出级130包括第二晶体管，所述阱偏置单元140包括第三晶体管；三个晶体管共用一个阱区，且所述阱连接所述第三晶体管的源极；所述第二晶体管的源极电压等于所述第一晶体管的源极电压，所述第二晶体管的源极电压为输出参考电压，所述第三晶体管的源极产生与所述输出参考电压相等的阱偏置电压。
所述主输出级120包括第一晶体管、检测单元和电流源，所述检测单元用于将所述主输出级120的电压和电流复制到所述从输出级130。所述从输出级130包括第二晶体管和第一负载。所述阱偏置单元140包括第三晶体管和第二负载，所述第一负载和所述第二负载的吸收电流能力均大于所述电流源的吸收电流能力，以提高参考电压驱动器100的吸收电流能力，减少电流消耗。阱偏置单元140用于产生与所述输出参考电压相等的阱偏置电压；所述第一晶体管、所述第二晶体管和所述第三晶体管的共用一个阱区，且所述阱连接到所述第三晶体管的源极。主输出级中的第一晶体管和从输出级中的第二晶体管共用一个阱区，增加了所述第一晶体管和所述第二晶体管的匹配度，解决了失调电压较大的问题，且阱的寄生电容在阱偏置单元中的第三晶体管的源极上，没有增加所述第一晶体管和所述第二晶体管的寄生电容。
检测单元和第一负载可以均为晶体管，例如，检测单元和第一负载可以为同类型的晶体管，以构成电流镜，从而使得检测单元可以将主输出级120的电压和电流复制到从输出级130。
图2示出了本发明实施例的参考电压驱动器的电路结构示意图。结合图1和图2所示，本发明实施例的参考电压驱动器，包括：放大器AMP、第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6以及电流源I1。其中，第一晶体管M1、第四晶体管M4和电流源I1构成参考电压驱动器的主输出级120。第二晶体管M2和第五晶体管M5构成参考电压驱动器的从输出级130。对于从输出级130来说，就是包括两个源极跟随器，一个N型源极跟随器(即第二晶体管M2)，一个P型源极跟随器(即第五晶体管M5)，这样参考电压驱动器有很强的输出电流能力和吸收电流能力。第三晶体管M3和第六晶体管M6构成参考电压驱动器的阱偏置单元140。第四晶体管M4作为主输出级120的检测单元。第二晶体管M2作为从输出级130的输出单元，第五晶体管M5作为从输出级130的第一负载，第六晶体管M6作为阱偏置单元140的第二负载。第一晶体管M1、第二晶体管M2和第三晶体管M3例如为NMOS晶体管。第四晶体管M4、第五晶体管M5和第六晶体管M6例如为PMOS晶体管。使用PMOS晶体管的第四晶体管M4与第五晶体管M5构成电流镜，从而使得检测单元可以将主输出级120的电压和电流复制到从输出级130。第五晶体管M5和第六晶体管M6使用PMOS晶体管分别作为从输出级130的第一负载和阱偏置单元140的第二负载，可以提高参考电压驱动器的吸收电流能力。
本发明实施例的参考电压驱动器具体连接方式为：第一晶体管M1的漏极连接电源电压AVDD，第一晶体管M1的源极连接第四晶体管M4的源极。第二晶体管M2的漏极连接电源电压AVDD，第二晶体管M2的源极连接第五晶体管M5的源极。第四晶体管M4的漏极和栅极连接电流源I1的一端，电流源I1的另一端接地AVSS。第五晶体管M5的栅极连接第四晶体管M4的栅极，第五晶体管M5的漏极接地AVSS。所述第三晶体管M3的漏极用于连接所述电源电压AVDD，所述第三晶体管M3的源极连接所述第六晶体管M6的源极，所述第六晶体管M6的栅极连接所述第四晶体管M4的栅极，所述第六晶体管M6的漏极用于接地地AVSS。
放大器AMP例如为负反馈放大器，以使其更为稳定。其正输入端上连接输入参考信号，正输入端的电压为输入参考信号电压Vref，负输入端上连接来自主输出级的反馈信号，即连接到第一晶体管M1的源极，负输入端的电压为反馈信号电压Vref_FB。放大器AMP的输出端分别连接第一晶体管M1的栅极、第二晶体管M2的栅极和第三晶体管M3的栅极。主输出级120上的第一晶体管M1和从输出级130上的第二晶体管M2作为输出单元，其中从输出级130上的第二晶体管M2的源极电压(或第五晶体管M5的源极电压)为该参考电压驱动器最终生成的输出参考电压Vref_out。
在一个实施例中，所述第二晶体管的栅极与所述第一晶体管的栅极的尺寸比等于所述第五晶体管的栅极与所述第四晶体管的栅极的尺寸比，所述第三晶体管的栅极与所述第一晶体管的栅极的尺寸比等于所述第六晶体管的栅极与所述第四晶体管的栅极的尺寸比。
下面描述参考电压驱动器的工作原理。首先，电流源I1确定了主输出级的偏置电流，通过放大器AMP就可以确定第一晶体管M1的栅极电压和源极电压以及第四晶体管M4的栅极电压；然后，由于第一晶体管M1的栅极电压、第二晶体管M2的栅极电压以及第三晶体管M3的栅极电压都相同，第四晶体管M4的栅极电压、第五晶体管M5的栅极电压以及第六晶体管M6的栅极电压都相同，通过设置第二晶体管M2与第一晶体管M1的栅极尺寸比例和第五晶体管M5与第四晶体管M4的栅极尺寸比例相同，且第三晶体管M3与第一晶体管M1的尺寸比和第六晶体管M6与第四晶体管M4的尺寸比相同，则反馈信号电压Vref_FB、输出参考电压Vref_out以及阱偏置电压Vp的电压相等，即第一晶体管M1的源极电压、第二晶体管M2的源极电压以及第三晶体管M3的源极电压相等且都等于所述阱偏置电压Vp；而且三个晶体管共用一个阱区，则三个晶体管的阱电压相等，晶体管的衬底电压即为阱电压，则三个晶体管的衬底电压相等且都等于所述阱偏置电压Vp；因此，所述第一晶体管M1、所述第二晶体管M2以及所述第三晶体管M3中每个晶体管的源极电压和衬底电压都相等，均为所述阱偏置电压Vp，晶体管的源极电压和衬底电压相等在同一电平，则没有衬偏效应，从而降低了放大器AMP的输出电平V1。
而根据放大器的工作原理，为使其稳定，其正负输入端的电压相等，即反馈信号电压Vref_FB等于输入参考信号电压Vref，从而可得输出参考电压Vref_out(即第二晶体管M2的源极电压)等于输入参考信号电压Vref，从而该参考电压驱动器可以输出精确稳定的参考电压。
综上所述，在本发明实施例提供的参考电压驱动器中，包括：放大器、以及分别与所述放大器连接的主输出级、从输出级和阱偏置单元；所述主输出级包括第一晶体管，所述从输出级包括第二晶体管，所述阱偏置单元包括第三晶体管；三个晶体管共用一个阱区，且所述阱区连接所述第三晶体管的源极。主输出级中的第一晶体管和从输出级中的第二晶体管共用一个阱区，增加了所述第一晶体管和所述第二晶体管的匹配度，解决了失调电压较大的问题，且阱的寄生电容在阱偏置单元中的第三晶体管的源极上，没有增加所述第一晶体管和所述第二晶体管的寄生电容。
三个晶体管(第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管)的源极电压相等且都等于所述阱偏置电压；而且三个晶体管共用一个阱区，晶体管的衬底电压即为阱电压，则三个晶体管的衬底电压相等且都等于所述阱偏置电压；因此，所述第一晶体管、所述第二晶体管以及所述第三晶体管中每个晶体管的源极电压和衬底电压都相等，均为所述阱偏置电压，晶体管的源极电压和衬底电压相等在同一电平，则没有衬偏效应，从而降低了放大器的输出电平，可以输出精确稳定的参考电压。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种参考电压驱动器，其特征在于，包括：
放大器、主输出级、从输出级和阱偏置单元，所述主输出级、所述从输出级和所述阱偏置单元均与所述放大器连接；其中，所述主输出级包括第一晶体管，所述从输出级包括第二晶体管，所述阱偏置单元包括第三晶体管；所述第一晶体管、所述第二晶体管和所述第三晶体管共用一个阱区，且所述阱区连接所述第三晶体管的源极；所述第二晶体管的源极电压等于所述第一晶体管的源极电压，所述第二晶体管的源极电压作为输出参考电压，所述第三晶体管的源极产生与所述输出参考电压相等的阱偏置电压。
2.如权利要求1所述的参考电压驱动器，其特征在于，所述主输出级还包括检测单元和电流源，所述检测单元用于将所述主输出级的电压和电流复制到所述从输出级。
3.如权利要求2所述的参考电压驱动器，其特征在于，所述检测单元包括第四晶体管，所述第一晶体管的漏极用于接入电源电压，所述第一晶体管的源极连接所述第四晶体管的源极；所述第四晶体管的漏极和栅极连接所述电流源的一端，所述电流源的另一端用于接地。
4.如权利要求3所述的参考电压驱动器，其特征在于，所述从输出级还包括第一负载，所述阱偏置单元还包括第二负载，所述第一负载和所述第二负载的吸收电流能力均大于所述电流源的吸收电流能力。
5.如权利要求4所述的参考电压驱动器，其特征在于，所述第一负载包括第五晶体管，所述第二晶体管的漏极用于接入所述电源电压，所述第二晶体管的源极连接所述第五晶体管的源极，所述第五晶体管的栅极连接所述第四晶体管的栅极，所述第五晶体管的漏极用于接地。
6.如权利要求4所述的参考电压驱动器，其特征在于，所述第二负载包括第六晶体管，所述第三晶体管的漏极用于接入所述电源电压，所述第三晶体管的源极连接所述第六晶体管的源极，所述第六晶体管的栅极连接所述第四晶体管的栅极，所述第六晶体管的漏极用于接地。
7.如权利要求6所述的参考电压驱动器，其特征在于，所述第二晶体管的栅极与所述第一晶体管的栅极的尺寸比等于所述第五晶体管的栅极与所述第四晶体管的栅极的尺寸比，所述第三晶体管的栅极与所述第一晶体管的栅极的尺寸比等于所述第六晶体管的栅极与所述第四晶体管的栅极的尺寸比。
8.如权利要求6所述的参考电压驱动器，其特征在于，所述第一晶体管、所述第二晶体管以及所述第三晶体管均为NMOS晶体管，所述第四晶体管、所述第五晶体管以及所述第六晶体管均为PMOS晶体管。
9.如权利要求1至6任意一项所述的参考电压驱动器，其特征在于，所述放大器为负反馈放大器。
10.如权利要求9所述的参考电压驱动器，其特征在于，所述放大器的正输入端用于接入参考信号，所述放大器的负输入端连接所述第一晶体管的源极，所述放大器的输出端分别连接所述第一晶体管的栅极、所述第二晶体管的栅极以及所述第三晶体管的栅极。
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