[實用新型]一種高線性度寬擺幅CMOS電壓跟隨器

有效

• 申請號: 201922308617.0
• 申請日: 2019-12-16
• 公開（公告）號: CN211089632U
• 公開（公告）日: 2020-07-24
• 發明（設計）人: 白春風;劉天宇;郭澤濤;喬東海
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: H03K19/003
• 分類號: H03K19/003;H03K19/0185
• 代理公司: 蘇州翔遠專利代理事務所(普通合伙) 32251
• 代理人: 陸金星

本實用新型公開了一種高線性度寬擺幅CMOS電壓跟隨器，當輸入電壓低至0V時，所有MOS管都能夠充分工作在飽和區，因而能夠保證電壓跟隨器能夠正常工作；隨著輸入電壓增高，PMOS管P9漏端電壓會迫近電源電壓VDD，此時PMOS管P9進入線性區，導致PMOS管P9的柵極電壓急劇下降，但是只要沒有下降到迫使NMOS管N3進入線性區，電壓跟隨器仍能正常工作。因此PMOS管P9柵極電壓可以低至小于2Vdsat，PMOS管P9的柵極電壓允許擺幅得到較大的擴展。

技術領域

本實用新型屬于集成電路設計技術領域，尤其是涉及一種高線性度寬擺幅CMOS電壓跟隨器。

背景技術

源極跟隨器是CMOS電壓跟隨器的基本實現途徑。一種傳統的超級源極跟隨器的電路如圖1所示，其輸入端為MOS管柵極(高輸入阻抗)，輸出電阻等于由于P2管引入的負反饋，輸入管P1的等效跨導被放大了，因而能夠提供更低的輸出電阻。這種超級源極跟隨器的戴維南等效模型如圖2所示，可知其電壓增益等于對于電壓跟隨器來說，我們希望輸出電阻Rout越小越好，使得電壓增益Av接近1。

先進CMOS工藝下的電源電壓已越來越低，電壓裕度對于模擬電路來說十分緊張，對于電壓跟隨器這種需要大的電壓輸出擺幅的模擬電路來說，情況更加嚴峻，保證每個MOS管都始終充分工作在飽和區已越來越困難。

如圖1所示，當輸入電壓增大時，P2管的漏端電壓(即輸出電壓)迫近電源電壓，P2管容易進入線性區，導致g_m2下降；同時，P2管的柵極電壓急劇下降，電流源IB進入線性區，導致r_oB減小，疊加效應之下，輸出電阻Rout增大。根據電壓增益公式可知Av減小，電壓跟隨效果變差。從另一個角度看，IB進入線性區，不再能提供恒定的電流，那么，P1管的柵源電壓不再保持恒定，因此，P1管源極電壓(即輸出電壓)跟隨柵極電壓(即輸入電壓)的效果變差。

CMOS工藝節點的推進迫使我們去充分利用線性區以獲得更多的電壓空間，即：當P2管進入線性區后，電壓跟隨器仍然能夠正常工作的條件能維持多久。

由上述分析，可知：(1)P1、P2、IB均在飽和區時，g_m2恒定，r_oB也幾乎不變，自然能夠實現電壓跟隨作用。(2)隨著輸入電壓的增高，P2管開始進入線性區，g_m2不再恒定，隨輸入電壓的升高(亦即輸出電壓的升高)而線性降低(線性區g_m2＝βV_DS)，因此，輸出阻抗不會立刻顯著升高，即：超級源極跟隨器的電壓跟隨作用不會立刻消失。(3)第(2)階段伴隨的效應是P2管柵極電壓下降，會導致IB進入線性區，因而r_oB急劇降低，這會導致輸出阻抗急劇升高，超級源極跟隨器就會失去電壓跟隨作用。

由此，我們知道，超級源極跟隨器的電壓跟隨作用是由恒流源IB保障的，也就是說：如果P2管柵極有更寬的允許電壓擺幅，那么超級源極跟隨器的輸入電壓上限就越高。但是圖1所示結構存在一個固有矛盾：為了擴大P2柵極電壓的允許擺幅，希望P2柵極(即P1漏極)偏置在較高電壓；但是，為了保障輸入管P1始終工作在飽和區，要求P2柵極(即P1漏極)偏置在較低電壓。

現有技術采用如圖3所示結構的超級源極跟隨器實現電壓跟隨器，能夠解決固有矛盾。相較于圖1，加入了IB2和P3管構成的源極跟隨器，保障了各MOS管工作在飽和區，但是這種結構的電壓跟隨器犧牲了P2管的柵極允許電壓范圍，因為P2管的柵極允許電壓的最小值是Vdsat(IB 1)+VGS(P3)?？傊?，傳統結構難以通過利用P2管初步進入線性區的階段拓展電壓擺幅。

發明內容

本實用新型目的是提供一種高線性度寬擺幅CMOS電壓跟隨器結構，能夠在較寬輸入電壓范圍內精確的實現電壓的跟隨，同時較傳統結構而言能夠在更寬的電壓輸入范圍內保證較高的線性度。