CN206757446U - 用于信号放大器的二阶补偿带隙基准电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了用于信号放大器的二阶补偿带隙基准电路,包括PMOS电流镜、VBG生成模块、正温度系数电压差生成模块、以及具有NPN三极管输入对的放大器,其中,正温度系数电压差生成模块包括两条NPN三极管串联支路,VBG生成模块和两条NPN三极管串联支路均与PMOS电流镜连接,放大器的两个输入端一一对应的连接于两条NPN三极管串联支路与PMOS电流镜之间的线路上,放大器设有为其内NPN三极管发射极镜像供电的NMOS电流镜,放大器的两个输入端为放大器中NPN三极管基极构成。本实用新型应用时能提供准确的电压和电流,并能实现全温度范围恒定的增益。
Description
技术领域
本实用新型涉及带隙基准电路,具体是用于信号放大器的二阶补偿带隙基准电路。
背景技术
信号放大器广泛应用于通讯、广播、雷达、电视、自动控制等领域,其是信号处理中的关键部件,作用是将信号放大,以供后端使用。高精度的信号放大器,需要精确的把微弱的信号线性放大,因此需要提供准确的电压和电流。为了减小闭环中放大器随机失调引入的误差,放大器的输入对通常使用NPN三极管,NPN三极管相比于MOS管输入对有更小的失调,低温下NPN三极管的电流增益下降,使低温下VBG通路流过的电流在低温下有所提高,产生二阶补偿效应,得到-40度到150度更准确的电压值。然而,信号放大器的输入对使用NPN三极管后,受到低温下NPN三极管电流增益下降的影响,会导致信号放大器不能实现全温度范围恒定的增益,这一定程度上影响了输入对使用NPN三极管的信号放大器的推广应用。
实用新型内容
本实用新型的目的在于解决输入对使用NPN三极管的信号放大器不能实现全温度范围恒定增益的问题,提供了一种用于信号放大器的二阶补偿带隙基准电路,其应用时能提供准确的电压和电流,并能实现全温度范围恒定的增益。
本实用新型的目的主要通过以下技术方案实现:用于信号放大器的二阶补偿带隙基准电路,包括PMOS电流镜、VBG生成模块、正温度系数电压差生成模块、以及具有NPN三极管输入对的放大器,所述正温度系数电压差生成模块包括两条NPN三极管串联支路,所述VBG生成模块和两条NPN三极管串联支路均与PMOS电流镜连接,所述放大器的两个输入端一一对应的连接于两条NPN三极管串联支路与PMOS电流镜之间的线路上,放大器设有为其内NPN三极管发射极镜像供电的NMOS电流镜,放大器的两个输入端为放大器中NPN 三极管基极构成;
正温度系数电压差生成模块,用于输出PTAT电流;
PMOS电流镜,用于将PTAT电流与放大器两输入端的电流叠加的电流提供给NMOS电流镜和VBG生成模块;
NMOS电流镜,用于接收PMOS电流镜提供的电流,并为放大器中NPN三极管发射极镜像供电;
VBG生成模块,用于接收PMOS电流镜提供的电流,用于生成与温度无关的电压。本实用新型所述的PTAT电流(proportional to absolute temperature)为与绝对温度成正比的电流。本实用新型在低温下,放大器中NPN三极管的电流增益变小,因此输入对的抽取的基极电流变大,流入PMOS电流镜的电流为标准PTAT电流与三极管输入对的基极电流相加,相加后的电流在低温下比标准的PTAT电流大,此电流被PMOS电流镜镜像到VBG生成模块,VBG 被调整成一个与温度无关的电压。本实用新型对放大器的输入对供电时具体对NPN管的发射极端供电,基极端会流入一点电流,这导致的结果是集电极端的电流就会略小一点,因此本实用新型对此进行补偿,目的是让集电极端的电流是标准的PTAT电流。
进一步的,所述PMOS电流镜包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管及第六PMOS管,所述第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS 管、第四PMOS管、第五PMOS管及第六PMOS管六者的栅极均与放大器的输出端连接,六者的源极均连接电源,所述正温度系数电压差生成模块的两条NPN三极管串联支路分别与第一PMOS管漏极、第二PMOS管漏极连接,第三PMOS管的漏极与放大器中的NMOS电流镜连接,第四PMOS管的漏极悬空,第五PMOS管的漏极与VBG生成模块连接,第六PMOS 管的漏极用于输出PTAT电流与放大器两输入端的电流叠加的电流。
进一步的,所述正温度系数电压差生成模块的两条NPN三极管串联支路分别为第一NPN 三极管串联支路和第二NPN三极管串联支路,所述第一NPN三极管串联支路包括第一NPN 三极管和第二NPN三极管,所述第一NPN三极管和第二NPN三极管两者的基极均与集电极连接,第一NPN三极管发射极与第二NPN三极管的集电极连接,第二NPN三极管的发射极接地,所述第一NPN三极管集电极与PMOS电流镜,所述放大器的反相输入端连接在PMOS 电流镜与第一NPN三极管集电极之间的线路上;
所述第二NPN三极管串联支路包括第三NPN三极管、第四NPN三极管及第一电阻,所述第三NPN三极管和第四NPN三极管两者的基极均与集电极连接,第三NPN三极管发射极与第四NPN三极管的集电极连接,第四NPN三极管的发射极接地,所述第一电阻一端与第三NPN三极管集电极连接,第一电阻另一端与PMOS电流镜连接,所述放大器的同相输入端连接在PMOS电流镜与第一电阻之间的线路上。本实用新型中第一NPN三极管、第二NPN 三极管、第三NPN三极管及第四NPN三极管四者的基极均与集电极短接,只需要基极对发射极正向导通电压,因此其实是作二极管使用。
进一步的,所述第一NPN三极管串联支路中NPN三极管的发射极面积与第二NPN三极管串联支路中NPN三极管的发射极面积的比例为1:8。本实用新型的正温度系数电压差生成模块中两级串联的1:8比例的三极管,可以生成两倍于单级的1:8比例的PTAT电压差,能提高电路的精度,减小随机失调的影响。
进一步的,所述VBG生成模块包括第五NPN三极管和第二电阻,所述第五NPN三极管的基极与其集电极连接,其发射极接地,第二电阻一端与第五NPN三极管集电极连接,其另一端与PMOS电流镜连接。本实用新型应用时,VBG从第二电阻与PMOS电流镜之间的线路输出。
进一步的,用于信号放大器的二阶补偿带隙基准电路,还包括启动电路,所述启动电路与PMOS电流镜连接,用于电源电压上升到工作电压以后,为PMOS电流镜提供一个下拉电流,促使PMOS电流镜中每个通路生成电流通路。
进一步的,所述启动电路包括第七NMOS管、第十五PMOS管及第十六PMOS管,所述第七NMOS管栅极、第十五PMOS管源极及第十六PMOS管源极均连接电源,第七NMOS 管源极、第十六PMOS管漏极均接地,第七NMOS管漏极与第十五PMOS管漏极连接,第十五PMOS管栅极与放大器的输出端连接,第十六PMOS管栅极连接在第七NMOS管漏极与第十五PMOS管漏极之间的线路上。
综上所述,本实用新型具有以下有益效果:(1)本实用新型通过引入二阶补偿效应,使输出电压在低温度下显示良好的温度特性,并在标准PTAT电流基础上增加二阶补偿电流以实现信号放大器增益不随温度变化,实现全温度范围恒定的增益。
(2)本实用新型能实现精准的带隙基准电压和电流。其中,电压是需要与温度无关的带 2阶补偿恒定电压;电流需要在标准PTAT电流下做补偿,使得放大器的三极管输入对的集电极电流为标准PTAT电流。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解,构成本申请的一部分,并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中:
图1为本实用新型结构示意图;
图2为hall信号放大器的结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下面结合实施例和附图,对本实用新型作进一步的详细说明,本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型,并不作为对本实用新型的限定。
实施例
如图1所示,用于信号放大器的二阶补偿带隙基准电路,包括PMOS电流镜、VBG生成模块、启动电路、正温度系数电压差生成模块、以及具有NPN三极管输入对的放大器A1,其中,正温度系数电压差生成模块包括两条NPN三极管串联支路,VBG生成模块、启动电路、以及两条NPN三极管串联支路均与PMOS电流镜连接。本实施例的放大器A1的两个输入端一一对应的连接于两条NPN三极管串联支路与PMOS电流镜之间的线路上,放大器A1 设有为其内NPN三极管发射极镜像供电的NMOS电流镜,放大器A1的两个输入端为放大器 A1中NPN三极管基极构成。本实施例的正温度系数电压差生成模块,用于输出PTAT电流; PMOS电流镜,用于将PTAT电流与放大器A1两输入端的电流叠加的电流提供给NMOS电流镜和VBG生成模块;NMOS电流镜,用于接收PMOS电流镜提供的电流,并为放大器A1 中NPN三极管发射极镜像供电;VBG生成模块,用于接收PMOS电流镜提供的电流,用于生成与温度无关的电压;启动电路,用于电源电压上升到工作电压以后,为PMOS电流镜提供一个下拉电流,促使PMOS电流镜中每个通路生成电流通路。
本实施例的PMOS电流镜包括第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5及第六PMOS管MP6,其中,第一PMOS 管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5 及第六PMOS管MP6六者的栅极均与放大器A1的输出端连接,六者的源极均连接电源VDD,正温度系数电压差生成模块的两条NPN三极管串联支路分别与第一PMOS管MP1漏极、第二PMOS管MP2漏极连接,第三PMOS管MP3的漏极与放大器A1中的NMOS电流镜连接,第四PMOS管MP4的漏极悬空,第五PMOS管MP5的漏极与VBG生成模块连接,第六PMOS 管MP6的漏极用于输出PTAT电流与放大器A1两输入端的电流叠加的电流。
本实施例的正温度系数电压差生成模块的两条NPN三极管串联支路分别为第一NPN三极管串联支路和第二NPN三极管串联支路,其中,第一NPN三极管串联支路包括第一NPN 三极管Q1和第二NPN三极管Q2,第一NPN三极管Q1和第二NPN三极管Q2两者的基极均与集电极连接,第一NPN三极管Q1发射极与第二NPN三极管Q2的集电极连接,第二 NPN三极管Q2的发射极接地。本实施例的第一NPN三极管Q1集电极与PMOS电流镜,放大器A1的反相输入端连接在PMOS电流镜与第一NPN三极管Q1集电极之间的线路上。本实施例的第一NPN三极管串联支路与PMOS电流镜的具体连接结构为:第一PMOS管MP1 的漏极通过连接在第一NPN三极管Q1集电极上与第一NPN三极管串联支路连接。
本实施例的第二NPN三极管串联支路包括第三NPN三极管Q3、第四NPN三极管Q4 及第一电阻R1,其中,第三NPN三极管Q3和第四NPN三极管Q4两者的基极均与集电极连接,第三NPN三极管Q3发射极与第四NPN三极管Q4的集电极连接,第四NPN三极管 Q4的发射极接地,第一电阻R1一端与第三NPN三极管Q3集电极连接,第一电阻R1另一端与PMOS电流镜连接,放大器A1的同相输入端连接在PMOS电流镜与第一电阻R1之间的线路上。本实施例的第二NPN三极管串联支路与PMOS电流镜的具体连接结构为:第二 PMOS管MP1的漏极通过连接在第一电阻R1相对连接第三NPN三极管Q3端的另一端与第二NPN三极管串联支路连接。本实施例在具体设置时,第一NPN三极管串联支路中NPN三极管的发射极面积与第二NPN三极管串联支路中NPN三极管的发射极面积的比例为1:8。
本实施例的VBG生成模块包括第五NPN三极管Q5和第二电阻R2,其中,第五NPN 三极管Q5的基极与其集电极连接,其发射极接地,第二电阻R2一端与第五NPN三极管Q5 集电极连接,其另一端与PMOS电流镜连接,第二电阻R2连接PMOS电流镜的一端具体与第五PMOS管MP5漏极连接。本实用新型在PTAT电流流入VBG生成模块后,第二电阻R2 两端为PATA电压,第五NPN三极管Q5两端电压为NTAT电压,其中,PATA电压为随温度升高而增大的电压,NTAT电压为随温度升高而减小的电压,两者按一定比例相加,配成刚好不随温度变化而变化的电压,即为带隙基准电压。
如图2所示,本实施例的放大器A1为hall信号放大器,其用于对微弱的hall信号进行放大,其中,Hall信号是指根据霍尔原理,电流通过导体产生的uV级别的电压信号。放大器A1包括第六NPN三极管Q6、第七NPN三极管Q7、第一NMOS管MN1、第二NMOS 管MN2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5、第六NMOS管 MN6、第七PMOS管MP7、第八PMOS管MP8、第九PMOS管MP9、第十PMOS管MP10、第十一PMOS管MP11、第十二PMOS管MP12、第十三PMOS管MP13及第十四PMOS管 MP14,其中,第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3及第四NMOS 管MN4四者的源极均接地,第一NMOS管MN1的栅极与第二NMOS管MN2的栅极连接,第一NMOS管MN1的漏极与第三PMOS管M93的漏极连接,用于接收PMOS电流镜输出的电流。本实施例中第六NPN三极管Q6的基极作为放大器A1的同相输入端,第七NPN三极管Q7的基极作为放大器A1的反相输入端,第六NPN三极管Q6的发射极与第七NPN三极管Q7的发射极连接,第二NMOS管MN2的漏极连接在第六NPN三极管Q6的发射极与第七NPN三极管Q7的发射极之间的线路上。本实施例的第一NMOS管MN1和第二NMOS 管MN2构成放大器A1的NMOS电流镜,第六NPN三极管Q6和第七NPN三极管Q7构成放大器A1的NPN三极管输入对。第六NPN三极管Q6的集电极与第十一PMOS管MP11 的漏极连接,第七NPN三极管Q7的集电极与第十二PMOS管MP12的漏极连接,第十一 PMOS管MP11的栅极与第十二PMOS管MP12的栅极连接。第七PMOS管MP7、第八PMOS 管MP8、第九PMOS管MP9及第十PMOS管MP10四者的源极均连接电源VDD,第七PMOS 管MP7的栅极连接在第六NPN三极管Q6集电极与第十一PMOS管MP11漏极之间的线路上,第七PMOS管MP7的漏极与第十一PMOS管MP11的源极连接。第八PMOS管MP8的栅极连接在第七NPN三极管Q7集电极与第十二PMOS管MP12漏极之间的线路上,第八 PMOS管MP8的漏极与第十二PMOS管MP12的源极连接。第三NMOS管MN3的栅极与第四NMOS管MN4的栅极连接,第五NMOS管MN5的栅极与第六NMOS管MN6的栅极连接,第五NMOS管MN5的源极与第三NMOS管MN3的漏极连接,第六NMOS管MN6的源极与第四NMOS管MN4的漏极连接。第十三PMOS管MP13的漏极与第五NMOS管MN5 的漏极连接,第十三PMOS管MP13的源极与第九PMOS管MP9的漏极连接,第十三PMOS 管MP13的栅极连接在第十一PMOS管MP11栅极与第十二PMOS管MP12栅极之间的线路上,第九PMOS管MP9栅极连接第七NPN三极管Q7集电极与第十二PMOS管MP12漏极之间的线路上。第十四PMOS管MP14的漏极与第六NMOS管MN6的漏极连接,放大器A1 的输出端设置在第十四PMOS管MP14漏极与第六NMOS管MN6漏极之间的线路上。第十四PMOS管MP14的源极与第十PMOS管MP10的漏极连接,第十四PMOS管MP14的栅极连接在第十一PMOS管MP11栅极与第十二PMOS管MP12栅极之间的线路上,第十PMOS 管MP10栅极连接在第六NPN三极管Q6集电极与第十一PMOS管MP11漏极之间的线路上。本实施例的放大器A1在闭环状态下,两个输入端是同电压的,这是通过放大器A1的输出来调整的。
本实施例在具体应用时,在电源电压VDD上升到工作电压以后,启动电路对PMOS电流镜中的PMOS管的栅极提供一个下拉电流,促使每个通路生成电流通路,放大器A1开始工作并通过闭环反馈让两个输入端电压一致,电路进入正常工作状态后,启动电路关断,不影响环路工作。
本实施例的启动电路包括第七NMOS管MN7、第十五PMOS管MP15及第十六PMOS 管MP16,其中,第七NMOS管MN7栅极、第十五PMOS管MP15源极及第十六PMOS管 MP16源极均连接电源VDD,第七NMOS管MN7源极、第十六PMOS管MP16漏极均接地,第七NMOS管MN7漏极与第十五PMOS管MP15漏极连接,第十五PMOS管MP15栅极与放大器A1的输出端连接,第十六PMOS管MP16栅极连接在第七NMOS管MN7漏极与第十五PMOS管MP15漏极之间的线路上。本实施例的第七NMOS管MN7的栅极接电源VDD,一直处于导通状态,并且M/L很小,约为0.6um/50um,可以认为是一个很大的粗糙的电阻,当VDD上电以后,环路并没建立,因此第十五PMOS管MP15没有电流通过,同时第十五 PMOS管MP15的栅极电压也是VDD,此时第十六PMOS管MP16的栅极被第七NMOS管 MN7下拉到GND,第七NMOS管MN7导通,把PMOS电流镜中的PMOS管的栅极和第十五PMOS管MP15栅极下拉,产生启动电流,让放大器A1的两个输入端电压一致。
本实施例应用时,第一NPN三极管串联支路生成标准PTAT电流I1,第二NPN三极管串联支路生成标准PTAT电流I2,放大器A1的同相输入端的基极电流为I5,放大器A1的反相输入端的基极电流为I6,第一PMOS管MP1漏极输出电流I3为I1与I6之和,第二PMOS 管MP2漏极输出电流I4为I2与I5之和。本实施例的PMOS电流镜镜像输出ib1,提供给放大器A1中的预放大器,预放大器的输入管为NPN管,此电流ib1通过NMOS电流镜镜像供电,等于NPN输入管的发射极电流,此时预放大器输入NPN三极管的基极电流正好等于增加的带隙基准输入对产生的基极电流,集电极电流正好是标准的PTAT电流,因此得到的跨导为不随温度变化的常数。
本实施例使用与预放大器一样的NPN三极管做输入对,在本实施例应用时通过配置好输入对电流,让预放大器的输入对管集电极电流是标准PTAT电流;通过根据2级串联的三极管的结构增大PTAT电压,减小随机电压失配;通过配置VBG生成模块的电阻,和放大器A1的输入NPN三极管的基极电流,实现0温度系数的2阶带隙基准电压。
以上所述的具体实施方式,对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已,并不用于限定本实用新型的保护范围,凡在本实用新型的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.用于信号放大器的二阶补偿带隙基准电路,其特征在于,包括PMOS电流镜、VBG生成模块、正温度系数电压差生成模块、以及具有NPN三极管输入对的放大器(A1),所述正温度系数电压差生成模块包括两条NPN三极管串联支路,所述VBG生成模块和两条NPN三极管串联支路均与PMOS电流镜连接,所述放大器(A1)的两个输入端一一对应的连接于两条NPN三极管串联支路与PMOS电流镜之间的线路上,放大器(A1)设有为其内NPN三极管发射极镜像供电的NMOS电流镜,放大器(A1)的两个输入端为放大器(A1)中NPN三极管基极构成;
正温度系数电压差生成模块,用于输出PTAT电流;
PMOS电流镜,用于将PTAT电流与放大器(A1)两输入端的电流叠加的电流提供给NMOS电流镜和VBG生成模块;
NMOS电流镜,用于接收PMOS电流镜提供的电流,并为放大器(A1)中NPN三极管发射极镜像供电;
VBG生成模块,用于接收PMOS电流镜提供的电流,用于生成与温度无关的电压。
2.根据权利要求1所述的用于信号放大器的二阶补偿带隙基准电路,其特征在于,所述PMOS电流镜包括第一PMOS管(MP1)、第二PMOS管(MP2)、第三PMOS管(MP3)、第四PMOS管(MP4)、第五PMOS管(MP5)及第六PMOS管(MP6),所述第一PMOS管(MP1)、第二PMOS管(MP2)、第三PMOS管(MP3)、第四PMOS管(MP4)、第五PMOS管(MP5)及第六PMOS管(MP6)六者的栅极均与放大器(A1)的输出端连接,六者的源极均连接电源(VDD),所述正温度系数电压差生成模块的两条NPN三极管串联支路分别与第一PMOS管(MP1)漏极、第二PMOS管(MP2)漏极连接,第三PMOS管(MP3)的漏极与放大器(A1)中的NMOS电流镜连接,第四PMOS管(MP4)的漏极悬空,第五PMOS管(MP5)的漏极与VBG生成模块连接,第六PMOS管(MP6)的漏极用于输出PTAT电流与放大器(A1)两输入端的电流叠加的电流。
3.根据权利要求1所述的用于信号放大器的二阶补偿带隙基准电路,其特征在于,所述正温度系数电压差生成模块的两条NPN三极管串联支路分别为第一NPN三极管串联支路和第二NPN三极管串联支路,所述第一NPN三极管串联支路包括第一NPN三极管(Q1)和第二NPN三极管(Q2),所述第一NPN三极管(Q1)和第二NPN三极管(Q2)两者的基极均与集电极连接,第一NPN三极管(Q1)发射极与第二NPN三极管(Q2)的集电极连接,第二NPN三极管(Q2)的发射极接地,所述第一NPN三极管(Q1)集电极与PMOS电流镜,所述放大器(A1)的反相输入端连接在PMOS电流镜与第一NPN三极管(Q1)集电极之间的线路上;
所述第二NPN三极管串联支路包括第三NPN三极管(Q3)、第四NPN三极管(Q4)及第一电阻(R1),所述第三NPN三极管(Q3)和第四NPN三极管(Q4)两者的基极均与集电极连接,第三NPN三极管(Q3)发射极与第四NPN三极管(Q4)的集电极连接,第四NPN三极管(Q4)的发射极接地,所述第一电阻(R1)一端与第三NPN三极管(Q3)集电极连接,第一电阻(R1)另一端与PMOS电流镜连接,所述放大器(A1)的同相输入端连接在PMOS电流镜与第一电阻(R1)之间的线路上。
4.根据权利要求1所述的用于信号放大器的二阶补偿带隙基准电路,其特征在于,所述第一NPN三极管串联支路中NPN三极管的发射极面积与第二NPN三极管串联支路中NPN三极管的发射极面积的比例为1:8。
5.根据权利要求1所述的用于信号放大器的二阶补偿带隙基准电路,其特征在于,所述VBG生成模块包括第五NPN三极管(Q5)和第二电阻(R2),所述第五NPN三极管(Q5)的基极与其集电极连接,其发射极接地,第二电阻(R2)一端与第五NPN三极管(Q5)集电极连接,其另一端与PMOS电流镜连接。
6.根据权利要求1~5中任意一项所述的用于信号放大器的二阶补偿带隙基准电路,其特征在于,还包括启动电路,所述启动电路与PMOS电流镜连接,用于电源电压上升到工作电压以后,为PMOS电流镜提供一个下拉电流,促使PMOS电流镜中每个通路生成电流通路。
7.根据权利要求6所述的用于信号放大器的二阶补偿带隙基准电路,其特征在于,所述启动电路包括第七NMOS管(MN7)、第十五PMOS管(MP15)及第十六PMOS管(MP16),所述第七NMOS管(MN7)栅极、第十五PMOS管(MP15)源极及第十六PMOS管(MP16)源极均连接电源(VDD),第七NMOS管(MN7)源极、第十六PMOS管(MP16)漏极均接地,第七NMOS管(MN7)漏极与第十五PMOS管(MP15)漏极连接,第十五PMOS管(MP15)栅极与放大器(A1)的输出端连接,第十六PMOS管(MP16)栅极连接在第七NMOS管(MN7)漏极与第十五PMOS管(MP15)漏极之间的线路上。
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