[發明專利]動態體偏置型C類反相器及其應用

有效

• 申請號: 201110186904.4
• 申請日: 2011-07-05
• 公開（公告）號: CN102291103A
• 公開（公告）日: 2011-12-21
• 發明（設計）人: 羅豪;韓雁;張澤松;梁國;廖璐;虞春英
• 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: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發明屬于集成電路技術領域，具體涉及一種C類反相器及其應用電路。

背景技術

在傳統的模擬電路設計中，運算放大器是主要的功能模塊，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。目前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和難點。

用C類反相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。C類反相器中最基本的電路結構包括PMOS(P-Channel?Metal?Oxide?Semiconductor，P溝道金屬氧化物半導體)輸入管和NMOS(N-Channel?Metal?Oxide?Semiconductor，N溝道金屬氧化物半導體)輸入管，C類反相器的電源電壓VDD略低于PMOS(P-Channel?Metal?Oxide?Semiconductor，P溝道金屬氧化物半導體)輸入管和NMOS(N-Channel?Metal?Oxide?Semiconductor，N溝道金屬氧化物半導體)輸入管的閾值電壓之和。假設PMOS輸入管和NMOS輸入管的閾值電壓近似相等，當輸入信號為共模電壓V_CM＝V_DD/2，PMOS輸入管和NMOS輸入管均處于亞閾值區，此時C類反相器較高的增益和較低的功耗，但帶寬和擺率較小，我們稱該狀態為亞閾值狀態。若此時在C類反相器輸入端加入額外的激勵信號，根據激勵信號的極性可以讓其中一個輸入管進入強反型區，另外一個輸入管截止，工作在飽和區的輸入管跨導較大，使得C類反相器具有較高的擺率和輸出電流，我們稱該狀態為高擺率狀態。在開關電容電路的設計中，可在C類反相器輸入端在不同的時鐘相位將這兩種工作狀態結合起來應用。例如，在Youngcheol?Chae，Inhee?Lee?and?Gunhee?Han的題為“A?0.7V?36μW?85dB-DR?AudioΔ∑Modulator?Using?Class-C?Inverter”(2008?IEEE?International?Solid-State?Circuits?Conference：p.490-491，630)的文中，公開了一個基于C類反相器的三階單環Sigma-Delta模數轉換器。

現有技術中，常見的C類反相器包括：簡單型C類反相器和共源共柵型C類反相器。簡單型C類反相器的電路部分是一個推挽式反相器，如附圖1(a)所示，結構簡單，芯片占用面積小，但增益較低；共源共柵型C類反相器增益略高，結構如附圖1(b)所示。由于簡單型C類反相器和共源共柵型C類反相器都僅僅由幾個單管組成，增益相對傳統的運算放大器較低(一般在50dB以下)，難以用于許多對增益要求較高的場合；此外，由于現有技術中C類反相器采用推挽結構，且兩輸入管在大部分時間內均工作在亞閾值區，導致C類反相器的帶寬、擺率、建立時間和功耗等指標在不同的工藝角、電源電壓和溫度下存在嚴重偏差，尤其是在SS工藝角、低電源電壓和低溫情況下，C類反相器兩輸入管的閾值電壓絕對值提高，導致C類反相器帶寬、擺率和建立時間等指標的嚴重退化，從而造成C類反相器應用電路的性能下降甚至功能喪失。

申請號為200910301712.6的中國發明專利公開了一種增益自舉型C類反相器，如附圖2所示，通過引入第一增益自舉模塊和第二增益自舉模塊，提高增益自舉型C類反相器的直流增益；通過引入PMOS體電位調制模塊和NMOS體電位調制模塊，補償C類反相器在SS工藝角、低電源電壓和低溫情況下的性能退化，保證C類反相器在不同工藝角、電源電壓和溫度下正常工作。然而，上述的增益自舉型C類反相器的問題在于：為保證增益自舉型C類反相器在高擺率狀態下有足夠的帶寬和擺率(尤其是在SS工藝角、低電源電壓和低溫情況下)，增益自舉型C類反相器輸入管的尺寸一般比較大，并且PMOS體電位調制模塊和NMOS體電位調制模塊分別給PMOS輸入管M1和NMOS輸入管M2施加正向體偏置，而這些措施在增益自舉型C類反相器處于亞閾值狀態時會帶來無謂而且較高的靜態功耗。

發明內容

本發明提供了一種動態體偏置型C類反相器，以克服現有技術的增益自舉型C類反相器在處于亞閾值狀態時靜態功耗較高的不足。