同時(shí)實(shí)現(xiàn)高增益和寬輸出擺幅的c類(lèi)反相器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種采用對(duì)工藝要求較低的普通閾值電 壓的M0S管，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高增益和寬輸出擺幅的C類(lèi)反相器。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)今社會(huì)以電池作為電源的微型電子產(chǎn)品應(yīng)用廣泛，逐漸成為了人們生活中不可 或缺的一部分，而為了使電子產(chǎn)品的性能更優(yōu)異，滿(mǎn)足人們長(zhǎng)時(shí)間使用的需求，除了集成電 路工藝技術(shù)加工改進(jìn)外，還需要采用低電源電壓的電路來(lái)降低功耗，低壓低功耗技術(shù)己成 為微電子行業(yè)發(fā)展的重要領(lǐng)域。
[0003] 運(yùn)算放大器作為模擬集成電路和ADC/DAC混合信號(hào)系統(tǒng)中最基本的電路單元，其 重要性自然無(wú)可比擬。運(yùn)放可以產(chǎn)生直流偏置、實(shí)現(xiàn)高速放大、濾波、加減等功能。運(yùn)放性 能的提高可以改善整個(gè)系統(tǒng)的性能，故而設(shè)計(jì)低壓低功耗的運(yùn)算放大器至關(guān)重要，但設(shè)計(jì) 一款性能優(yōu)良的運(yùn)算放大器，不只是簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)低壓低功耗的目標(biāo)，必須兼顧運(yùn)放的其它 各項(xiàng)主要指標(biāo)，如增益、輸出擺幅等。
[0004] 隨著電源電壓的減小，由于CMOS閾值電壓不能同比例下降，所以，傳統(tǒng)運(yùn)放的增 益，擺幅，單位增益帶寬也會(huì)隨之下降。因此，設(shè)計(jì)適應(yīng)低電源電壓的新的結(jié)構(gòu)的運(yùn)放變得 尤為重要。體驅(qū)動(dòng)技術(shù)和多閾值電壓技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)寬的擺幅，但是由于體端低的輸入跨導(dǎo)， 導(dǎo)致增益和單位增益帶寬下降；采用共源共柵輸入級(jí)以及推挽輸出級(jí)的運(yùn)放可以提高增益 和增加輸出擺幅，但是功耗和單位增益帶寬受到限制。而單級(jí)運(yùn)放高增益、寬擺幅是很難實(shí) 現(xiàn)的。
[0005] C類(lèi)反相器由于靜態(tài)工作于亞閾值區(qū)，所以靜態(tài)功耗低，另外，C類(lèi)反相器的電源 電壓略低于兩個(gè)輸入管的閾值電壓，故C類(lèi)反相器代替?zhèn)鹘y(tǒng)運(yùn)放，可以實(shí)現(xiàn)低壓低功耗的 設(shè)計(jì)要求。簡(jiǎn)單的C類(lèi)反相器的結(jié)構(gòu)如附圖1所示，結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡(jiǎn)單，面積小。C類(lèi)反相器根 據(jù)輸入管不同的狀態(tài)，可以分為靜態(tài)工作和動(dòng)態(tài)工作。靜態(tài)工作時(shí)，兩個(gè)輸入管處于亞閾值 區(qū)，功耗低；動(dòng)態(tài)工作時(shí)，兩個(gè)輸入管中的一個(gè)處于導(dǎo)通，另一個(gè)截止，推挽式的結(jié)構(gòu)使得動(dòng) 態(tài)電流大，因此擺幅大，而截止的M0S管使得反相器從電源到地的電流極小，避免了無(wú)謂的 功耗。
[0006] 對(duì)于C類(lèi)反相器電路的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，高增益是其主要的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)之一。附圖1的簡(jiǎn) 單型C類(lèi)反相器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是由于動(dòng)態(tài)輸出電阻小，增益只有30dB左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿(mǎn) 足運(yùn)放對(duì)增益的要求。為了提高增益，簡(jiǎn)單型C類(lèi)反相器可以改進(jìn)成為共源共柵C類(lèi)反相 器，如附圖2所示。通過(guò)采用共源共柵結(jié)構(gòu)，增加了動(dòng)態(tài)輸出電阻，提高了增益，增益可以達(dá) 到48dB左右，但是這個(gè)增益，在很多高增益運(yùn)放的應(yīng)用場(chǎng)合，仍然無(wú)法滿(mǎn)足應(yīng)用要求。為了 進(jìn)一步提高增益，可以采用增益自舉電路，如附圖3所示。增益自舉C類(lèi)反相器采用電流電 壓負(fù)反饋，大大提高輸出阻抗，故增益也得到了較大的改善，直流增益一般是在60dB以上。
[0007] C類(lèi)反相器代替?zhèn)鹘y(tǒng)運(yùn)放的另一個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題在于需要達(dá)到一定的輸出擺幅。附圖 3所示的電路，雖然增益較大，但是增益自舉電路限制了輸出電壓擺幅，為了減小增益自舉 電路對(duì)擺幅的影響，M5、M6、M7、M8可以采用低閾值電壓的MOS管。但是，低閾值電壓的管對(duì) 工藝要求高，漏電流大；另外，為了增加輸出擺幅，通常要讓M5、M6工作于亞閾值區(qū)，在電流 相同的情況下，與導(dǎo)通的M0S管相比，減小了增益自舉電路的輸入跨導(dǎo)，從而導(dǎo)致增益的降 低。
[0008] 綜上所述，傳統(tǒng)C類(lèi)反相器可以達(dá)到低壓低功耗，但是難以用對(duì)工藝要求較低的 普通閾值電壓的M0S管同時(shí)實(shí)現(xiàn)高增益和寬輸出擺幅。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明提供了一種采用對(duì)工藝要求較低的普通閾值電壓的M0S管，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高增 益和寬輸出擺幅的C類(lèi)反相器。
[0010] 一種同時(shí)實(shí)現(xiàn)高增益和寬輸出擺幅的c類(lèi)反相器，包括：共源共柵電路、PM0S共源 共柵增益自舉電路、NM0S共源共柵增益自舉電路： 所述的共源共柵電路包括PM0S器件Ml，M3和NM0S器件M2,M4 ;其中，Ml和M2的柵極 相連到輸入IN;M1的漏極與M3的源極相連；M3的漏極和M4的漏極相連到輸出OUT;M4的 源極和M2的漏極相連；Ml的源極與電源電壓VDD相連；M2的源極與地GND相連； 所述的PM0S共源共柵增益自舉電路包括電流電壓負(fù)反饋輸入管NM0S器件M5和負(fù)載 管PM0S器件M7 ;其中，M5的柵極與所述的共源共柵電路中的Ml的漏極相連；M5的漏極分 別與M7的漏極、所述的共源共柵電路中的M3的柵極相連；M7的柵極與偏置電壓VBP相連； M7的源極與電源電壓VDD相連；M5的源極與地GND相連。
[0011] 所述的NM0S共源共柵增益自舉電路包括電流電壓負(fù)反饋輸入管PM0S器件M6和 負(fù)載管NM0S器件M8 ;其中，M6的柵極與所述的共源共柵電路中的M2的漏極相連；M6的漏 極分別與M8的漏極、所述的共源共柵電路中的M4的柵極相連；M8的柵極與偏置電壓VBN相 連；M6的源極與電源電壓VDD相連；M8的源極與地GND相連。
[0012] 所述的PM0S器件M1、M3、M6、M7和NM0S器件M2、M4、M5、M8均為具有源極、漏極、 柵極以及體端的四端口結(jié)構(gòu)；其中，11、10、116^7的體端均接電源電壓^2^4^5^8的體 端均接地。
[0013] 所述的PM0S器件和NM0S器件均采用普通閾值的晶體管。
[0014] 所述的PM0S器件M1、M3、M6、M7和NM0S器件M2、M4、M5、M8均為金屬氧化物半導(dǎo) 體M0S晶體管。
[0015] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益的技術(shù)效果： PM0S共源共柵管Ml、M3采用NM0S管M5作為電流電壓負(fù)反饋的輸入管，消除了PM0S共 源共柵端的增益自舉電路對(duì)輸出電壓的最大輸出電壓的限制；NM0S共源共柵管M2、M4采用 PM0S管M6作為電流電壓負(fù)反饋的輸入管，消除了NM0S共源共柵端的增益自舉電路對(duì)輸出 電壓的最小輸出電壓的限制。故輸出擺幅和共源共柵C類(lèi)反相器相同。增益自舉電路采用 電流電壓負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)，提高了輸出阻抗，增加了增益；另外，增益自舉電路的輸入M0S管M5、 M6工作于臨界飽和狀態(tài)，相同電流，相同面積的情況下，跨導(dǎo)大于工作于亞閾值區(qū)的M0S 管，因此增益自舉電路的增益增加，使得整個(gè)C類(lèi)反相器的輸出阻抗增加，提高了整個(gè)電路 的增益。用普通閾值電壓的M0S管代替低閾值電壓的M0S管組成增益自舉電路，減小了漏 電流，降低了C類(lèi)反相器對(duì)工藝的要求，提高了C類(lèi)反相器對(duì)工藝的適應(yīng)性。
[0016] 本發(fā)明的C類(lèi)反相器電路能夠在1. 2V低工作電壓和158. 2uW的低功耗下，直流增 益達(dá)到83. 2dB。直流增益大于60dB的輸出電壓的擺幅達(dá)到了 0. 8V。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1是簡(jiǎn)單型C類(lèi)反相器電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖2是共源共柵C類(lèi)反相器電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 圖3是傳統(tǒng)的增益自舉C類(lèi)反相器電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖4是本發(fā)明中的增益自舉C類(lèi)反相器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 圖5是本發(fā)明中C類(lèi)反相器電路的Spectre模擬仿真結(jié)果示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 以下結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明，但是所做示例不作為對(duì) 本發(fā)明的限制。
[0023] 如圖1所示的簡(jiǎn)