CN115037118B - 一种高精度高速电流比较器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于集成电路技术领域，具体的说是涉及一种高精度高速电流比较器。本发明的方案通过两个电阻连接到两个基极相连且流过电流相同的NPN管的发射极上，比较两个电阻另一端的电压以实现比较功能，通过外部加入流过连接在NPN管发射极的电阻上的电流实现比较器阈值电压的调整。本发明的有益效果为，高速高精度且方便实现前沿消隐功能且结构简单，输入范围可正可负方便多种控制模式使用。

Description

一种高精度高速电流比较器
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体的说是涉及一种高精度高速电流比较器。
背景技术
近年来，电子技术发展越来越快，对开关电源性能的要求越来越高。开关电源主要由开关变换器和控制器组成。开关变换器主要有降压(Buck)、升压(Boost)、升降压(Buck-Boost)、半桥、全桥、正激、反激等多种拓扑结构。控制器用于监测开关变换器的工作状态和输出信号，同时产生控制脉冲信号控制开关管，以调节输出和稳定输出。
开关变换器通过工作在重复开关模式，利用具有储能能力且自身不消耗能量的电抗元件进行能量的传输，从而降低功耗，获得稳定的输出。但是一个工作在开环上的系统无法对输出偏差和扰动做出相应调整，也无法应对不同的应用环境。这样的系统没有太多实用价值，故需要对开关变换器系统加入反馈控制环路，使其工作在闭环工作模式，从而能更好的满足不同的需求。
最为简单的控制环路为电压控制模式，该模式将输出电压采样后通过误差放大器放大，然后和固定锯齿波比较从而产生PWM波去控制开关管的占空比，从而形成反馈环路。但是电压控制模式在输出节点会产生一对共轭极点，从而导致环路补偿设计较为复杂，在此基础上诞生了电流控制模式，电流控制模式在电压控制模式的基础上加入了另一个电流控制环路，电流控制环路通过采样电感电流去和被误差放大器放大的输出反馈电压转成的电流进行比较，从而产生PWM信号控制开关管。该控制模式相当于通过误差放大器输出电压控制的受控电流源对负载充能，从而使得输出节点只有一个极点，使得补偿变得更加容易。而在电流控制模式中，将采样电感电流和误差放大器输出进行比较的电流比较器则至关重要。要求该比较器具有高速且高精度的特性。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种高精度高速电流比较器。
本发明的技术方案为：
一种高精度高速电流比较器，包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管、第八PMOS管、第九PMOS管、第十PMOS管、第十一PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第一NPN管、第二NPN管、第三NPN管；其中，第一PMOS管的源极接电源，其栅极接第十PMOS管的漏极和栅极、第九PMOS管的栅极，第一PMOS管的漏极接第一NPN管的集电极和基极、第二NPN管的基极、第三NPN管的基极；第一NPN管的发射极接第二NPN管的发射极和第二NMOS管的源极，连接点为比较器的正输入端；第二NPN管的集电极接第三PMOS管的漏极和栅极、第二PMOS管的栅极、第四PMOS管的栅极、第五PMOS管的栅极、第六PMOS管的漏极；第二PMOS管的源极接电源，其漏极接第三PMOS管的源极；第四PMOS管的源极接电源，其漏极接第五PMOS管的源极；第五PMOS管的漏极接第六PMOS管的源极、第三NPN管的集电极、第七PMOS管的栅极、第八PMOS管的源极；第三NPN管的发射极接第二NMOS管的漏极，连接点为比较器的负输入端；第七PMOS管的源极接电源，其漏极接第三NMOS管的漏极、第四NMOS管的漏极，第三NMOS管的栅极接第九PMOS管的漏极、第一NMOS管的漏极和栅极，第三NMOS管的源极接地，第四NMOS管的源极接地；第九PMOS管的源极接电源，其漏极接第一NMOS管的栅极和漏极，第一NMOS管的源极接地；第十PMOS管的源极接电源，其漏极接第十一PMOS管的源极；第十一PMOS管的栅极和漏极互连，其漏极接第八PMOS管的栅极，第十一PMOS管的漏极接偏置电流；第七PMOS管漏极、第三NMOS管漏极、第四NMOS管漏极的连接为比较器的输出端；第二NMOS管的栅极接第一外部控制信号，第六PMOS管的栅极接第二外部控制信号，第四NMOS管的栅极接第三外部控制信号，第一外部控制信号、第二外部控制信号和第三外部控制信号用于将比较器的输入强制至同电位、输出强制拉至低电位，使比较器进入禁止使能状态。
本发明的有益效果为：高速高精度且方便实现前沿消隐功能且结构简单，输入范围可正可负方便多种控制模式使用。
附图说明
图1为本发明实施方案的典型应用电路图。
图2为本发明比较器电路图。
图3为使用本发明实施方案的升压变换器的仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述；
如图1所示，为本发明的典型应用电路示意，典型应用电路中包括第一功能模块组成的比较器模块、第一电阻、第二电阻、第四电阻、第一NLDMOS管、第一外置电流源、第二外置电流源。其中第一电阻的一端与第一外置电流源输出端、比较器正向输入端相连；第二电阻的一端与第二外置电流源输出端、比较器反向输入端相连；第一电阻的一端与第四电阻、第一NLDMOS管的源极相连；第二电阻的一端与第四电阻相连并接地。
如图2所示，为本发明比较器的电路结构示意图。两个相同的NPN三极管流过相同的偏置电流时，其具有相同的Vbe电压，此时将Q1、Q2管的基极相连，Q1、Q2管的发射级电压就可以用等式V(Q1管发射极)+V(Q1管Vbe)＝V(Q2管发射极)+V(Q2管Vbe)联系起来。这样就能将两个电平进行比较。
将Q1管用二极管形式连接，这样当Q1管发射极电压上升时，由于Q1管流过电流不变且集电极与基极连接，其Vbe不会发生改变，但基极电压会上升。而Q2管的Vbe电压会上升，由于Q2管流过的偏置电流未发生改变且三极管集电极电流和Vbe、Vce关系式为Ic＝Is(1+Vce/VA)*exp(Vbe/Vt)，所以只有Vce电压降低才能满足该表达式。所以当Q1管发射极电压上升时，会使Q2管集电极电压降低，直至翻转，这样就完成了比较器的比较功能。同时Q1和Q2管的发射极为比较器的输入。
在Q1、Q2管的发射极即输入端连接上相同阻值的电阻，以Q1管发射极连接电阻的另一端为正向输入端，Q2管发射极连接电阻的另一端为负向输入端。这样就可以列出表达式V(正向输入端)+R(Q1管发射极连接电阻)*I(Q1管发射极连接电阻)+V(Q1管Vbe)＝V(负向输入端)+R(Q2管发射极连接电阻)*I(Q2管发射极连接电阻)+V(Q2管Vbe)，这样通过改变两个电阻上流过的电流大小即可以很方便地设置比较器阈值大小。
图2所示左边部分是比较器的偏置电流镜像模块，IBIAS_IN接入外部偏置电流，经过第十一PMOS管产生一个钳位电压VCLAMP供第一功能模块使用，然后经过第十PMOS电流镜镜像后产生一个电压VBIAS1，供第一、九PMOS电流镜使用并分别产生对应的镜像电流；其中第九PMOS的镜像电流经过第一NMOS管产生VBIAS2供第一功能模块的第三NMOS管作为负载电流源使用。
如图2所示剩余部分为电流比较器部分，第一PMOS管的镜像电流分别通过第一、二、三NPN管和第二、三、四、五PMOS管组成的伪共源共栅电流镜后获得两股平衡的镜像电流分别流过第二、三NPN管，上述电路组成了本发明的电流比较器的第一级，第二、三NPN管为输入管，上述伪共源共栅电流镜为第一级的负载。
本发明的电流比较器第二级为第七PMOS管为输入管的共射级电路，第三NMOS作为第二级的电流镜负载。最后输出接入后续数字逻辑电路生成PWM波。
本发明中由于第一级采用了伪共源共栅电流镜作为负载，具有较高的增益。同时由于第一级接入了第一、二电阻作为源极负反馈，第三NPN管电流随VIN+电压的变化会更加线性，由于三极管电流和Vbe为指数关系，使得第二、三NPN管的Vbe在VIN+电压变化时也近似相等，上述措施使电流比较器功能实现变得更加精准。之后加入第二级共射级从而获得一个更高的增益以满足比较器开环增益要求。
由于本发明中采用BJT作为输入对管，匹配性能较好，第一电阻和第二电阻一般都会做匹配处理，并且这样也使比较器阈值的温度系数能得到补偿，第四电阻为外置的采样电阻，具有很小的温度系数，因此可以认为比较器阈值温度系数非常低，并且具有很高的精度。
并且本发明中比较器工作在开环状态因而不需要稳定性补偿，第八PMOS管的加入使得其源极所连接的节点不会高于VCLAMP+Vth电压，避免伪共源共栅电流镜进入线性区的同时也加速了翻转速度，因此具有较高的带宽，能满足高开关频率DC-DC变换器的应用。
本发明的电流比较器的比较功能实现原理如下：假设图1、图2中电路处于平衡状态，可以列出VIN+和VIN-的关系表达式：V(VIN+)+R1*I(R1)+V(Q2-Vbe)＝V(VIN-)+R2*I(R2)+V(Q3-Vbe)。由于第二、三NPN管上流过的电流相等，VIN+电压加上第一电阻上的压降，再加上第二NPN管的Vbe电压，其值等于VIN-的电压加上第二电阻上的压降再加上第三NPN管的Vbe电压。由于第二、三、四、五PMOS组成的电流镜以及第一、二、三NPN管组成的电流镜的原因，VIN+与VIN-上方第一、二电阻上的电流比例为2：1，第一电阻和第二电阻的电阻比为1：2的关系，所以第一、第二电阻上压降相等。从而得到V(VIN+)＝V(VIN-)为平衡条件。而通过第一、第二外置电流源输入电流可以改变第一、二电阻上的电流从而改变电阻上的压降，通过这种方法就能设置比较器的阈值电压大小，平衡条件为V(VIN+)+R1*I(R1)＝V(VIN-)+R1*I(R1)，从式中可以看出设置阈值可正可负，因此对于谷值电流模和峰值电流模DC-DC变换器都非常适用。
本发明的电流比较器通过引入第二、四NMOS与第六PMOS管通过时序信号输入可以在需要的时候将比较器的输入强制至同电位、输出强制拉至低电位，从而对电路进行置位，使比较器进入禁止使能状态，所以可以很方便的实现前沿消隐功能。
通过图3所示仿真结果可以看出采用了本发明的电流比较器的升压变换器在500kHz开关频率下正常工作，并且在负载下阶跃时响应迅速，其阈值很精准的跟随了控制电压，并且电感电流在下管开启瞬间的电流尖峰并未出发电流比较器的反转，电路并且很好实现了前沿消隐功能。
综上所述，本发明电流比较器输入可正可负方便多种控制模式使用、可实现前沿消隐且结构简单的同时有着较好的精度和较高的速度。

Claims (1)

1.一种高精度高速电流比较器，其特征在于，包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管、第八PMOS管、第九PMOS管、第十PMOS管、第十一PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第一NPN管、第二NPN管、第三NPN管；其中，第一PMOS管的源极接电源，其栅极接第十PMOS管的漏极和栅极、第九PMOS管的栅极，第一PMOS管的漏极接第一NPN管的集电极和基极、第二NPN管的基极、第三NPN管的基极；第一NPN管的发射极接第二NPN管的发射极和第二NMOS管的源极，连接点为比较器的正输入端；第二NPN管的集电极接第三PMOS管的漏极和栅极、第二PMOS管的栅极、第四PMOS管的栅极、第五PMOS管的栅极、第六PMOS管的漏极；第二PMOS管的源极接电源，其漏极接第三PMOS管的源极；第四PMOS管的源极接电源，其漏极接第五PMOS管的源极；第五PMOS管的漏极接第六PMOS管的源极、第三NPN管的集电极、第七PMOS管的栅极、第八PMOS管的源极；第三NPN管的发射极接第二NMOS管的漏极，连接点为比较器的负输入端；第七PMOS管的源极接电源，其漏极接第三NMOS管的漏极、第四NMOS管的漏极，第三NMOS管的栅极接第九PMOS管的漏极、第一NMOS管的漏极和栅极，第三NMOS管的源极接地，第四NMOS管的源极接地；第九PMOS管的源极接电源，其漏极接第一NMOS管的栅极和漏极，第一NMOS管的源极接地；第十PMOS管的源极接电源，其漏极接第十一PMOS管的源极；第十一PMOS管的栅极和漏极互连，其漏极接第八PMOS管的栅极，第十一PMOS管的漏极接偏置电流；第七PMOS管漏极、第三NMOS管漏极、第四NMOS管漏极的连接为比较器的输出端；第二NMOS管的栅极接第一外部控制信号，第六PMOS管的栅极接第二外部控制信号，第四NMOS管的栅极接第三外部控制信号，第一外部控制信号、第二外部控制信号和第三外部控制信号用于将比较器的输入强制至同电位、输出强制拉至低电位，使比较器进入禁止使能状态。
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