[發明專利]采用體電位調制器的C類反向器

無效

• 申請號: 200910301327.1
• 申請日: 2009-04-03
• 公開（公告）號: CN101510769A
• 公開（公告）日: 2009-08-19
• 發明（設計）人: 羅豪;韓雁;黃小偉;蔡坤明;張昊;韓曉霞
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H03K3/01
• 分類號: H03K3/01;H03K3/356
• 代理公司: 貴陽中新專利商標事務所
• 代理人: 吳無懼;劉思寧

技術領域

本發明涉及一種體電位調制器及其包含該調制器的C類反向器，屬于集成電路技術領域。

背景技術

在傳統的模擬電路設計中，運算放大器往往是不可或缺的電路模塊，它被廣泛運用于采樣保持、代數運算、共模反饋以及緩沖器電路等。同時運算放大器也是模擬電路中主要的功耗模塊。如今，低壓低功耗是模擬電路設計發展的主流趨勢，因此如何在低壓低功耗環境下來實現符合指標要求的運算放大器成為模擬電路設計的重點。然而，電源電壓的降低意味著動態范圍的減小、輸入共模范圍的減小、電容的增加及不能打開或關閉浮動開關等等，我們需要采用更精巧的電路設計來克服這些困難。正因為如此，低壓低功耗運算放大器設計往往成為模擬電路設計者的研究熱點。

為了解決低壓低功耗設計難題，許多新的技術被廣泛應用于模擬電路設計中，特別是運算放大器的設計中，比如亞閾值技術、體驅動技術、浮柵技術和電荷棒技術等等。然而，這些方法都有各自的局限性，相對于工作在飽和區的MOS管，亞閾值技術和體驅動技術中MOS管的跨導和頻率特性都不大好；浮柵技術需增加一層版來制作浮柵，不能和標準CMOS工藝兼容，成本較高；電荷棒技術適用于在局部區域提升電壓，但這個“高壓”并不精準，而且會增大功耗。

用C類反向器代替傳統的運算放大器是一種新型的低壓低功耗電路設計技術。如附圖1所示，簡單型C類反向器的主體部分就是一個推挽式反向器，結構相當簡單，功耗極低，芯片占用面積小。其中“C類”是指該反向器處于飽和導通狀態的時間小于50％，這意味著在實際應用中C類反向器采用了動態偏置技術，即它的工作狀態是通過對輸入管柵電位的調制而不斷變化的。在模擬電路設計中，C類反向器可以在以下兩種狀態間進行切換：

1)當PMOS輸入管M1和NMOS輸入管M2均處于弱反型區時，反向器具有較高的增益和極低的功耗，但是跨導和帶寬相對較小，該狀態我們稱之為高增益低功耗狀態；

2)當M1處于強反型區，M2處于截止區(或M2處于強反型區，M1處于截止區)時，工作在強反型區的MOS管跨導較大，這使得反向器具有較大的擺率和輸出電流，而且由于另一個輸入管處于截止區，整個反向器由電源到地的導通電流極小，避免了無謂的靜態功耗，該狀態我們稱之為高擺率大電流狀態。

在開關電容電路的設計中，若C類反向器采用合適的動態偏置，在不同的時鐘相位將這兩種工作狀態結合起來，可以代替傳統的運算放大器實現一些新型的極低功耗開關電容電路。例如，Youngcheol?Chae，Inhee?Lee?and?Gunhee?Han，“A?0.7V?36uW?85dB-DR?AudioΔ∑Modulator?Using?Class-C?Inverter.”2008IEEE?International?Solid-StateCircuits?Conference：p.490-491，630。文中作者用C類反向器電路實現了一個三階單環結構的Sigma-Delta模數轉換器。其中，為了提高穩態增益，反向器采用了如附圖2所示的共源共柵結構，其中PMOS管M3和NMOS管M4的偏置電位分別是地電位GND和電源電位VDD。

但是，當現有技術的推挽式C類反向器(包括簡單型和共源共柵型C類反向器)工作在弱反型狀態時，其跨導受工藝偏差影響很大(尤其是MOS管尺寸較大的時候)，導致C類反向器的增益、帶寬和靜態功耗等穩態特性在不同的工藝角下存在嚴重偏差，當C類反向器切換至高擺率大電流狀態時，工藝偏差對于C類反向器的擺率和建立時間等動態參數指標的影響同樣不能忽略，從而造成C類反向器在實際運用中穩定性和魯棒性較差。

發明內容

本發明要解決的技術問題是，提供一種體電位調制器，以克服現有技術存在的工藝偏差和溫度等因素對MOS器件的不利影響的不足。

本發明要解決的另一個技術問題是，提供一種包含該體電位調制器的C類反向器，以克服現有技術的C類反向器工作在弱反型狀態時，其跨導受工藝偏差影響大，導致C類反向器的增益、帶寬和靜態功耗等穩態特性在不同的工藝角下存在嚴重偏差，當C類反向器切換至高擺率大電流狀態時，工藝偏差對于C類反向器的擺率和建立時間等動態參數指標的影響同樣不能忽略，從而造成C類反向器在實際運用中穩定性和魯棒性較差的不足。