CN1206809C - 直流电平转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于模拟信号处理和通信技术领域，涉及直流电平转换器，由两个PMOS管M1和M2组成，其连接关系为：输入信号Vin接到PMOS管M1的栅极上，PMOS管M1的漏极连接到地，PMOS管M1的源极就是输出Vout，同时该节点连接PMOS管M2的漏极，PMOS管M2的源极连接到电源Vdd，PMOS管M2的栅极连接偏置电压VB，其特征在于，所说的PMOS管M2工作在弱反型区，即偏置电压VB与电源电压的差值小于PMOS管M2的阈值电压。本发明具有能够移动小于阈值电压、输入控制电压范围大、输出电压和输入电压曲线平行的优点。

Description

直流电平转换器
技术领域
本发明属于模拟信号处理和通信技术领域，特别涉及适合于控制电路中直流电平转换器的设计。
背景技术
直流电平转换器广泛应用于模拟信号处理电路中，特别是控制电压发生器这些电路中。直流电平转换器的输入一般是一个范围较大的直流电压，比如从零到电源电压，要求输出电压在输入电压的基础上增加或者减少一个固定的电压δ。
一般要求直流电平转换器的输出电压也要是线性的，同时，能够适合于一个大的输入电压的范围。
进行电平移动，可以是叠加的电平移动：
Vout＝Vin+δ，δ是需要进行的电平移动大小。
也可以是减小的电平移动：
Vout＝Vin-δ，δ是需要进行的电平移动大小。
在集成电路中，实现叠加的电平移动，使用PNP型双极管或者PMOS管的电压跟随器；实现减小的电平移动，使用NPN型双极管或者NMOS管的电压跟随器。下面描述以叠加的电平移动为主，相同的原理和拓扑结构适合于减小的电平移动。
为了实现电平转换，传统的用CMOS工艺实现的电路是采用源极跟随器来实现。这种电路有两种形式：电阻作为负载以及处于饱和区的MOS管作为负载。下面将分别描述一下这两种电路的结构以及不足的地方。
处于饱和区的MOS管作为负载的CMOS工艺实现的源极跟随器的电路如图1所示，由两个PMOS管M1和M2组成，其连接关系为：输入信号Vin接到PMOS管M1的栅极上，PMOS管M1的漏极连接到地，PMOS管M1的源极就是输出Vout，同时该节点连接PMOS管M2的漏极，PMOS管M2的源极连接到电源Vdd，PMOS管M2的栅极连接偏置电压VB。
从等效电阻的角度来看，PMOS管M2相当于负载电阻。当输出电压变化的时候，PMOS管M2的漏端电压发生变化，从而导致其等效电阻发生变化。更重要的是由于输入直流信号的范围很宽：0～Vdd，所以，处于饱和区的MOS管在整个0～Vdd之间都保持饱和状态是不可能的，所以其等效的负载电阻阻值就会发生明显的改变，从而使得输出曲线不线性，参考图2所示，图中的不同的曲线表示在不同的偏置电压VB下的输出。
电阻作为负载的CMOS工艺实现的源极跟随器的电路如图3所示，由PMOS管M1和负载电阻RL组成，其连接关系为：输入信号Vin接到PMOS管M1的栅极上，PMOS管M1的漏极连接到地，PMOS管M1的源极就是输出Vout，同时该节点连接负载电阻RL的一端，RL的另一端连接到电源Vdd。
因为电阻阻值不会改变，所以负载不会发生变化，从而形成一条线性的控制曲线。所以经常使用该电路来实现的直流电平移动。但是改变不同的负载电阻值，可以得到图4的不同输出电压曲线，图中表明：输出电压曲线不能互相平行，而是会聚到一点。
但是上述两种电路的输出电压和输入电压的差值不可能小于MOS管阈值电压，因为输入电压和输出电压的差值为PMOS管M1的栅源电压，而PMOS管M1处于饱和状态，因此源极输出也就比栅极输入电压大至少一个阈值电压。典型的阈值电压值为0.8V，这样，进行的电平移动差值至少就为0.8V；如果要进行0.5V这样小于阈值电压的电平移动，利用上述两种电路就不能实现。同时，输出曲线不和输入控制电压的曲线平行。
总之，上述传统电路存在以下不足：
第一、不能移动小于阈值电压的电平；
第二、输出曲线不和输入控制电压平行。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种直流电平转换器，可以用CMOS工艺制备。具有能够移动小于阈值电压、输入控制电压范围大、输出电压和输入电压曲线平行的优点。
本发明设计的一种的直流电平转换器，由两个PMOS管M1和M2组成，其连接关系为：输入信号Vin接到PMOS管M1的栅极上，PMOS管M1的漏极连接到地，PMOS管M1的源极就是输出Vout，同时该节点连接PMOS管M2的漏极，PMOS管M2的源极连接到电源Vdd，PMOS管M2的栅极连接偏置电压VB，其特征在于，所说的PMOS管M2工作在弱反型区，即偏置电压VB与电源电压的差值小于PMOS管M2的阈值电压。
本发明设计的另一种的直流电平转换器，由两个NMOS管M1和M2组成，其连接关系为：输入信号Vin接到NMOS管M1的栅极上，NMOS管M1的漏极连接到电源Vdd，NMOS管M1的源极就是输出Vout，同时该节点连接NMOS管M2的漏极，NMOS管M2的源极连接到地，NMOS管M2的栅极连接偏置电压VB，其特征在于，所说的NMOS管M2工作在弱反型区，即偏置电压VB小于NMOS管M2的阈值电压。
本发明的直流电平转换器的设计方案与传统设计方案相比具有以下几个明显的优点：
1)能够进行移动小于阈值电压的电平转换；
2)增大了控制电压输入范围，可以达到0～Vdd；
3)输出曲线基本上平行于输入控制电压曲线。
附图说明
图1为传统的利用工作在饱和区的MOS管为负载的直流电平转换器。
图2为图1的输出电压和输入电压的曲线图，设置不同的偏置电压VB。
图3为传统的利用电阻作为负载的直流电平转换器。
图4为图3的输出电压和输入电压的曲线图，设置不同的电阻值。
图5为本发明的用于叠加的电平移动的直流电平转换器。
图6为图5的输出电压和输入电压的曲线图，设置不同的偏置电压VB。
图7为本发明的用于减小的电平移动的直流电平转换器。
具体实施方式
本发明提出的能够移动小于阈值电压的CMOS直流电平转换器结合附图及实施例详细说明如下：
实施例1为用于叠加的电平移动的直流电平转换器，其电路结构如图5所示，该电路元器件和传统型的直流电平转换器的图1所示结构一样。外部输入信号是输入控制信号Vcon、偏置电压VB和电源信号Vdd。各部分的具体电路结构和连接关系详细说明如下：
本实施例由两个PMOS管M1和M2组成，其连接关系为：输入信号Vin接到PMOS管M1的栅极上，PMOS管M1的漏极连接到地，PMOS管M1的源极就是输出Vout，同时该节点连接PMOS管M2的漏极，PMOS管M2的源极连接到电源Vdd，PMOS管M2的栅极连接偏置电压VB。
与传统型的直流电平转换器有本质区别的是，PMOS管M2工作在弱反型区，就是说，偏置电压VB和电源电压的差值小于PMOS管M2的阈值电压。而传统型的直流电平转换器的PMOS管M2处于饱和区或者线性区。同时，偏置电压VB的值还同时由所需要的偏移量决定，比如需要的偏移量为0.2V，那么偏置电压VB和电源电压的差值取为0.2V，就可以实现0.2V的偏移量。
本实施例的电路的工作原理为：
本发明人通过对工艺厂家提供的MOS管模型进行分析，得到：当MOS管的栅极电压小于阈值电压的时候，MOS管的源漏电流并不是等于零，而是一个相对小的一个值，比如纳安的量级。这个时候由于MOS管没有处于理论上的开启状态，而是处于弱反型状态，从而其栅极和源极的电压差就不会是相差一个阈值，于是就提供了实现小于阈值电压改变的可能。参考图5，首先设置作为负载管的PMOS管M2处于截止区，于是通路上的电流就很小；由于PMOS管M1和M2具有相同的漏电流，所以PMOS管M2不可能处于开启状态，因为开启状态时候的漏电流比较大：至少是微安的数量级。所以PMOS管M1和M2都处于理论上的截止区，物理上是弱反型区。当栅极电压变化的时候，PMOS管M1的漏电流为了维持该电流(由PMOS管M2的栅极电压决定)，其源极输出也要保持相应的变化，从而使得输出和输入呈一致的变化。利用EDA工具如Cadence进行仿真，可以得到图7的仿真结果，图中的不同的曲线表示在不同的偏置电压VB下的输出。仿真结果表明：
1).输出和输入电压呈很好的线性关系；
2).输出和输入相差的电压值可以由M2管的栅极电压决定；
3).输出电压在不同的偏置电压VB下能够保持平行。
也就是说，改变PMOS管M2的栅极电压，同时保持栅源电压小于PMOS管M2的阈值电压，PMOS管M2处于弱反型区，那么从源极就可以得到相差一定电压值的线性电压输出。
本实施例中各元器件的参数如表1所示：阈值电压为0.8V，实现叠加0.6V的电平转换。
                               表1
              MOS器件尺寸(um)(W，L)     偏置电压(V)
    M2     M1     VB
    20     10 2.4V(电源电压为3V)
    0.35     0.35
实施例2为用于减小的电平移动的直流电平转换器，其电路结构如图7所示，该电路是图5的NMOS管版本。外部输入信号是输入控制信号Vcon、偏置电压VB和电源信号Vdd。各部分的具体电路结构和连接关系详细说明如下：
本实施例由两个NMOS管M1和M2组成，其连接关系为：输入信号Vin接到NMOS管M1的栅极上，NMOS管M1的漏极连接到电源Vdd，NMOS管M1的源极就是输出Vout，同时该节点连接NMOS管M2的漏极，NMOS管M2的源极连接到地，NMOS管M2的栅极连接偏置电压VB。
同样，与传统型的直流电平转换器的本质区别是，NMOS管M2工作在弱反型区，就是说，偏置电压VB小于NMOS管M2的阈值电压。工作原理以及VB的选择和图5的PMOS版本一样。

Claims (2)

1、一种的直流电平转换器，由两个PMOS管M1和M2组成，其连接关系为：输入信号Vin接到PMOS管M1的栅极上，PMOS管M1的漏极连接到地，PMOS管M1的源极就是输出Vout，同时该节点连接PMOS管M2的漏极，PMOS管M2的源极连接到电源Vdd，PMOS管M2的栅极连接偏置电压VB，其特征在于，所说的PMOS管M2工作在弱反型区，即偏置电压VB与电源电压的差值小于PMOS管M2的阈值电压。
2、一种的直流电平转换器，由两个NMOS管M1和M2组成，其连接关系为：输入信号Vin接到NMOS管M1的栅极上，NMOS管M1的漏极连接到电源Vdd，NMOS管M1的源极就是输出Vout，同时该节点连接NMOS管M2的漏极，NMOS管M2的源极连接到地，NMOS管M2的栅极连接偏置电压VB，其特征在于，所说的NMOS管M2工作在弱反型区，即偏置电压VB小于NMOS管M2的阈值电压。
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