CN116938159A - 差分输入的电路、差分对失配噪声补偿电路及方法 - Google Patents

差分输入的电路、差分对失配噪声补偿电路及方法 Download PDF

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刘海彬
刘兴龙
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Abstract

本发明提供一种差分输入的电路、差分对失配噪声补偿电路及方法，包括：第一、第二MOS管模块构成差分对，均包括a个MOS管，a为大于等于1的自然数；其中，第一MOS管模块中各MOS管并联；第二MOS管模块中各MOS管并联；第一、第二MOS管模块中各MOS管的类型相同；失配检测模块，实时对环境变化导致的第一与第二MOS管模块的失配进行检测，得到失配检测信号；背偏调控模块，输出端连接各MOS管的衬底，基于失配检测信号分别调节各MOS管的背偏电压，进而实现第一、第二MOS管模块的阈值电压的匹配。本发明基于背偏调控改变差分对的阈值电压，实现差分对的精准匹配，从而降低差分对的失配噪声，提高电路的精度。

Description

差分输入的电路、差分对失配噪声补偿电路及方法
技术领域
本发明涉及集成电路设计领域，特别是涉及一种差分输入的电路、差分对失配噪声补偿电路及方法。
背景技术
工艺波动、温度变化和电压变化等严重影响MOS晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor，金属-氧化物半导体场效应晶体管）的电学性能，如阈值电压。阈值电压的波动将导致差分输入的电路的失调电压、基准源电路的电压波动、数据转换器的转换噪声等问题。为了提高模拟集成电路的精度，许多修调技术被提出，如连接修调、数字修调、激光修调、齐纳去除等。然而，这些技术大都是在芯片出厂或者初始使用时进行修调，难以根据芯片后期环境变化进行校准。因此，亟需一种根据环境变化的降低电路失配噪声的方法。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种差分输入的电路、差分对失配噪声补偿电路及方法，用于解决现有技术中环境变化导致电路中产生失配噪声的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种差分对失配噪声补偿单元，所述差分对失配噪声补偿单元至少包括：
第一MOS管模块、第二MOS管模块、失配检测模块及背偏调控模块；
所述第一MOS管模块与所述第二MOS管模块构成差分对，均包括a个MOS管，a为大于等于1的自然数；其中，所述第一MOS管模块中各MOS管的源极连接在一起，栅极连接在一起，漏极连接在一起；所述第二MOS管模块中各MOS管的源极连接在一起，栅极连接在一起，漏极连接在一起；所述第一MOS管模块与所述第二MOS管模块中各MOS管的类型相同；
所述失配检测模块实时对环境变化导致的所述第一MOS管模块与所述第二MOS管模块的失配进行检测，得到失配检测信号；
所述背偏调控模块的输入端连接于所述失配检测模块的输出端，输出端连接所述第一MOS管模块及所述第二MOS管模块中各MOS管的衬底，基于所述失配检测信号分别调节各MOS管的背偏电压，进而实现所述第一MOS管模块的阈值电压与所述第二MOS管模块的阈值电压的匹配。
可选地，所述第一MOS管模块与所述第二MOS管模块中各MOS管为NMOS管。
可选地，所述第一MOS管模块与所述第二MOS管模块中各MOS管为PMOS管。
更可选地，所述失配检测模块包括第一阈值检测单元、第二阈值检测单元及比较器；
所述第一阈值检测单元对所述第一MOS管模块的阈值电压进行检测；
所述第二阈值检测单元对所述第二MOS管模块的阈值电压进行检测；
所述比较器连接于所述第一阈值检测单元及所述第二阈值检测单元的输出端，将所述第一MOS管模块的阈值电压与所述第二MOS管模块的阈值电压进行比较，并将比较结果作为所述失配检测信号。
更可选地，所述失配检测模块包括失调电压检测单元，所述失调电压检测单元对所述差分对的失调电压进行检测，并将检测到的失调电压作为所述失配检测信号。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种差分输入的电路，所述差分输入的电路至少包括：
负载及上述差分对失配噪声补偿单元；
所述差分对结构中的第一MOS管模块及第二MOS管模块的信号输入端分别接收差分输入信号，源极接地，漏极经由负载连接电源。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种差分输入的电路，所述差分输入的电路至少包括：
负载及上述差分对失配噪声补偿单元；
所述差分对结构中的第一MOS管模块及第二MOS管模块的信号输入端分别接收差分输入信号，源极接电源，漏极经由负载接地。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种差分对失配噪声补偿方法，基于上述差分对失配噪声补偿单元实现，所述差分对失配噪声补偿方法至少包括：
1）实时检测环境变化导致的所述第一MOS管模块与所述第二MOS管模块的失配，基于失配检测信号对所述第一MOS管模块及所述第二MOS管模块中MOS管的背偏电压进行调控；
2）循环执行步骤1），直至所述第一MOS管模块的阈值电压与所述第二MOS管模块的阈值电压匹配。
可选地，获取所述失配检测信号的方法包括：分别对所述第一MOS管模块及所述第二MOS管模块的阈值电压进行检测，将所述第一MOS管模块的阈值电压与所述第二MOS管模块的阈值电压进行比较，并将比较结果作为所述失配检测信号。
可选地，获取所述失配检测信号的方法包括：对差分对的失调电压进行检测，并将检测到的失调电压作为所述失配检测信号。
更可选地，所述第一MOS管模块及所述第二MOS管模块的阈值电压均满足：
；
其中，为MOS管模块的总阈值电压，/>…/>分别为MOS管模块中各MOS管的调控制参数，/>…/>分别为MOS管模块中各MOS管的阈值电压。
更可选地，各MOS管的背偏电压与阈值电压正相关。
更可选地，各MOS管的背偏电压与阈值电压成正比。
如上所述，本发明的差分输入的电路、差分对失配噪声补偿电路及方法，具有以下有益效果：
本发明的差分输入的电路、差分对失配噪声补偿电路及方法基于背偏调控改变差分对的阈值电压，实现差分对的精准匹配，从而降低差分对的失配噪声，提高电路的精度。
附图说明
图1显示为本发明的差分对失配噪声补偿单元的结构示意图。
图2显示为本发明的失配检测模块的一种结构示意图。
图3显示为本发明的差分输入的电路的结构示意图。
图4显示为本发明的差分对失配噪声补偿方法的流程示意图。
图5显示为本发明的背偏电压与阈值电压的关系示意图。
元件标号说明
1-差分对失配噪声补偿单元；11-第一MOS管模块；12-第二MOS管模块；13-失配检测模块；131-第一阈值检测单元；132-第二阈值检测单元；133-比较器；14-背偏调控模块；2-负载。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1~图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本发明提供一种差分对失配噪声补偿单元1，所述差分对失配噪声补偿单元1包括：
第一MOS管模块11、第二MOS管模块12、失配检测模块13及背偏调控模块14。
如图1所示，所述第一MOS管模块11与所述第二MOS管模块12构成差分对，均包括a个MOS管，a为大于等于1的自然数。
具体地，所述第一MOS管模块11中各MOS管并联，即各MOS管的源极连接在一起，栅极连接在一起，漏极连接在一起。所述第二MOS管模块12中各MOS管并联，即各MOS管的源极连接在一起，栅极连接在一起，漏极连接在一起。所述第一MOS管模块11与所述第二MOS管模块12中各MOS管的类型相同；作为一示例，所述第一MOS管模块11与所述第二MOS管模块12中各MOS管均为NMOS管；作为另一示例，所述第一MOS管模块11与所述第二MOS管模块12中各MOS管均为PMOS管。
如图1所示，所述失配检测模块13实时对环境变化导致的所述第一MOS管模块11与所述第二MOS管模块12的失配进行检测，得到失配检测信号。
具体地，作为本发明的一种实现方式，如图2所示，所述失配检测模块13包括第一阈值检测单元131、第二阈值检测单元132及比较器133。所述第一阈值检测单元131对所述第一MOS管模块11的阈值电压进行检测，得到第一阈值电压。所述第二阈值检测单元132对所述第二MOS管模块12的阈值电压进行检测，得到第二阈值电压。所述比较器133连接于所述第一阈值检测单元131及所述第二阈值检测单元132的输出端，将所述第一MOS管模块11的阈值电压与所述第二MOS管模块12的阈值电压进行比较，并将比较结果作为所述失配检测信号；根据所述比较结果获取所述第一阈值电压与所述第二阈值电压的差值，并根据所述比较结果确定所述第一阈值电压与所述第二阈值电压的相对大小关系。
具体地，作为本发明的另一种实现方式，所述失配检测模块13包括失调电压检测单元。所述失调电压检测单元对所述第一MOS管模块与所述第二MOS管模块构成的差分对的失调电压进行检测，并将检测到的失调电压作为所述失配检测信号；根据所述失调电压的数值获取所述第一阈值电压与所述第二阈值电压的差值，并根据所述失调电压的符号确定所述第一阈值电压与所述第二阈值电压的相对大小关系。
需要说明的是，任意能反映所述第一MOS管模块11与所述第二MOS管模块12失配的参数均可作为失配检测的对象，不以本实施例为限。
如图1所示，所述背偏调控模块14的输入端连接于所述失配检测模块13的输出端，输出端连接所述第一MOS管模块11及所述第二MOS管模块12中各MOS管的衬底，基于所述失配检测信号分别调节各MOS管的背偏电压，进而实现所述第一MOS管模块11的阈值电压与所述第二MOS管模块12的阈值电压的匹配。
具体地，所述背偏调控模块14产生各MOS管的背偏电压，基于所述失配检测信号调整各MOS管的背偏电压，进而实现对所述第一MOS管模块11的阈值电压与所述第二MOS管模块12的阈值电压的调整。
需要说明的是，本发明中所说的“匹配”是指所述第一MOS管模块11的阈值电压与所述第二MOS管模块12的阈值电压相等，或者差值在预设范围内。
如图3所示，本发明还提供一种差分输入的电路，所述差分输入的电路包括：
所述差分对失配噪声补偿单元1及负载2。
具体地，在本实施例中，所述第一MOS管模块11与所述第二MOS管模块12中各MOS管均为PMOS管，则所述差分对结构中的第一MOS管模块11及第二MOS管模块12的信号输入端分别接收差分输入信号In+及In-，源极接电源，漏极经由所述负载2接地。作为另一示例，当所述第一MOS管模块11与所述第二MOS管模块12中各MOS管均为NMOS管时，所述差分对结构中的第一MOS管模块11及第二MOS管模块12的信号输入端分别接收差分输入信号In+及In-，源极接地，漏极经由所述负载2连接电源。
需要说明的是，本发明的差分对失配噪声补偿单元1适用于任意具有差分对结构的电路中，包括但不限于放大器、比较器，且所述差分对失配噪声补偿单元1于其他器件的连接关系也不限于本实施例。
如图4所示，本发明还提供一种差分对失配噪声补偿方法，所述差分对失配噪声补偿方法包括：
1）实时检测环境变化导致的所述第一MOS管模块11与所述第二MOS管模块12的失配，基于失配检测信号对所述第一MOS管模块11及所述第二MOS管模块12中MOS管的背偏电压进行调控。
2）循环执行步骤1），直至所述第一MOS管模块11的阈值电压与所述第二MOS管模块12的阈值电压匹配。
作为本发明的一种实现方式，具体包括：分别对所述第一MOS管模块11及所述第二MOS管模块12的阈值电压进行检测，将所述第一MOS管模块11的阈值电压与所述第二MOS管模块12的阈值电压进行比较，并将比较结果作为所述失配检测信号。基于比较结果调整各MOS管的背偏电压，通过背偏电压的调整实现对MOS管阈值电压的调整，然后基于实时更新的所述第一MOS管模块11及所述第二MOS管模块12的阈值电压产生新的比较结果，再对各MOS管的背偏电压进行调整，直至所述第一MOS管模块11的阈值电压与所述第二MOS管模块12的阈值电压匹配。
作为本发明的另一种实现方式，具体包括：对差分对的失调电压进行检测，并将检测到的失调电压作为所述失配检测信号。基于失调电压调整各MOS管的背偏电压，通过背偏电压的调整实现对MOS管阈值电压的调整，然后基于实时更新的所述第一MOS管模块11及所述第二MOS管模块12的阈值电压产生新的失调电压，再对各MOS管的背偏电压进行调整，直至失调电压减小或趋近于0（此时，认为所述第一MOS管模块11的阈值电压与所述第二MOS管模块12的阈值电压匹配）。
具体地，通过对所述第一MOS管模块11中各MOS管的背偏电压的调节调控整个所述第一MOS管模块11的阈值电压；同理，通过对所述第二MOS管模块12中各MOS管的背偏电压的调节调控整个所述第二MOS管模块12的阈值电压。所述第一MOS管模块11及所述第二MOS管模块12的阈值电压均满足：
其中，为MOS管模块的总阈值电压，/>…/>分别为MOS管模块中各MOS管的调控制参数，/>…/>分别为MOS管模块中各MOS管的阈值电压。
具体地，在本实施例中，各MOS管的背偏电压与阈值电压正相关，即各MOS管的阈值电压随背偏电压的增大而增大，包括线性增大及非线性增大；作为示例，各MOS管的背偏电压与阈值电压成正比，如图5所示。
综上所述，本发明提供一种差分输入的电路、差分对失配噪声补偿电路及方法，包括：第一MOS管模块、第二MOS管模块、失配检测模块及背偏调控模块；所述第一MOS管模块与所述第二MOS管模块构成差分对，均包括a个MOS管，a为大于等于1的自然数；其中，所述第一MOS管模块中各MOS管的源极连接在一起，栅极连接在一起，漏极连接在一起；所述第二MOS管模块中各MOS管的源极连接在一起，栅极连接在一起，漏极连接在一起；所述第一MOS管模块与所述第二MOS管模块中各MOS管的类型相同；所述失配检测模块实时对环境变化导致的所述第一MOS管模块与所述第二MOS管模块的失配进行检测，得到失配检测信号；所述背偏调控模块的输入端连接于所述失配检测模块的输出端，输出端连接所述第一MOS管模块及所述第二MOS管模块中各MOS管的衬底，基于所述失配检测信号分别调节各MOS管的背偏电压，进而实现所述第一MOS管模块的阈值电压与所述第二MOS管模块的阈值电压的匹配。本发明基于背偏调控改变差分对的阈值电压，实现差分对的精准匹配，从而降低差分对的失配噪声，提高电路的精度。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (13)

1.一种差分对失配噪声补偿单元，其特征在于，所述差分对失配噪声补偿单元至少包括：
第一MOS管模块、第二MOS管模块、失配检测模块及背偏调控模块；
所述第一MOS管模块与所述第二MOS管模块构成差分对，均包括a个MOS管，a为大于等于1的自然数；其中，所述第一MOS管模块中各MOS管的源极连接在一起，栅极连接在一起，漏极连接在一起；所述第二MOS管模块中各MOS管的源极连接在一起，栅极连接在一起，漏极连接在一起；所述第一MOS管模块与所述第二MOS管模块中各MOS管的类型相同；
所述失配检测模块实时对环境变化导致的所述第一MOS管模块与所述第二MOS管模块的失配进行检测，得到失配检测信号；
所述背偏调控模块的输入端连接于所述失配检测模块的输出端，输出端连接所述第一MOS管模块及所述第二MOS管模块中各MOS管的衬底，基于所述失配检测信号分别调节各MOS管的背偏电压，进而实现所述第一MOS管模块的阈值电压与所述第二MOS管模块的阈值电压的匹配。
2.根据权利要求1所述的差分对失配噪声补偿单元，其特征在于：所述第一MOS管模块与所述第二MOS管模块中各MOS管为NMOS管。
3.根据权利要求1所述的差分对失配噪声补偿单元，其特征在于：所述第一MOS管模块与所述第二MOS管模块中各MOS管为PMOS管。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的差分对失配噪声补偿单元，其特征在于：所述失配检测模块包括第一阈值检测单元、第二阈值检测单元及比较器；
所述第一阈值检测单元对所述第一MOS管模块的阈值电压进行检测；
所述第二阈值检测单元对所述第二MOS管模块的阈值电压进行检测；
所述比较器连接于所述第一阈值检测单元及所述第二阈值检测单元的输出端，将所述第一MOS管模块的阈值电压与所述第二MOS管模块的阈值电压进行比较，并将比较结果作为所述失配检测信号。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的差分对失配噪声补偿单元，其特征在于：所述失配检测模块包括失调电压检测单元，所述失调电压检测单元对所述差分对的失调电压进行检测，并将检测到的失调电压作为所述失配检测信号。
6.一种差分输入的电路，其特征在于，所述差分输入的电路至少包括：
负载及如权利要求2、4-5任意一项所述的差分对失配噪声补偿单元；
所述差分对结构中的第一MOS管模块及第二MOS管模块的信号输入端分别接收差分输入信号，源极接地，漏极经由负载连接电源。
7.一种差分输入的电路，其特征在于，所述差分输入的电路至少包括：
负载及如权利要求3-5任意一项所述的差分对失配噪声补偿单元；
所述差分对结构中的第一MOS管模块及第二MOS管模块的信号输入端分别接收差分输入信号，源极接电源，漏极经由负载接地。
8.一种差分对失配噪声补偿方法，基于如权利要求1-3任意一项所述的差分对失配噪声补偿单元实现，其特征在于，所述差分对失配噪声补偿方法至少包括：
1）实时检测环境变化导致的所述第一MOS管模块与所述第二MOS管模块的失配，基于失配检测信号对所述第一MOS管模块及所述第二MOS管模块中MOS管的背偏电压进行调控；
2）循环执行步骤1），直至所述第一MOS管模块的阈值电压与所述第二MOS管模块的阈值电压匹配。
9.根据权利要求8所述的差分对失配噪声补偿方法，其特征在于：获取所述失配检测信号的方法包括：分别对所述第一MOS管模块及所述第二MOS管模块的阈值电压进行检测，将所述第一MOS管模块的阈值电压与所述第二MOS管模块的阈值电压进行比较，并将比较结果作为所述失配检测信号。
10.根据权利要求8所述的差分对失配噪声补偿方法，其特征在于：获取所述失配检测信号的方法包括：对差分对的失调电压进行检测，并将检测到的失调电压作为所述失配检测信号。
11.根据权利要求8-10任意一项所述的差分对失配噪声补偿方法，其特征在于：所述第一MOS管模块及所述第二MOS管模块的阈值电压均满足：
；
其中，为MOS管模块的总阈值电压，/>…/>分别为MOS管模块中各MOS管的调控制参数，/>…/>分别为MOS管模块中各MOS管的阈值电压。
12.根据权利要求8-10任意一项所述的差分对失配噪声补偿方法，其特征在于：各MOS管的背偏电压与阈值电压正相关。
13.根据权利要求12所述的差分对失配噪声补偿方法，其特征在于：各MOS管的背偏电压与阈值电压成正比。
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