专利名称：信号感测放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种信号感测放大器，特别地，一种低压、低功耗、共模输入范围能拓 宽至电源供电电压轨之外的高速感测放大电路，其用来对供电装备电流传输通道的电流状 态进行检测或对通道电流大小进行感测。
背景技术：
目前，许多消费电子、通讯设备、计算机设备电源中，经常需要进行直流转换处理， 以满足不同负载的供电电压需求。在这些应用中，典型的转换器是DC-DC转换器，它占据了 电子设备大量的体积、功耗和成本。电子设备未来的发展趋势是低压、低功耗、小型化以及 低成本化，这就需要DC-DC转换器电路设计朝低压、低功耗、高效率发展，DC-DC转换器的开 关频率朝高频化发展(开关频率为十兆赫兹量级的DC-DC转换器是未来的发展趋势)，制作 工艺方面朝低成本的CMOS工艺发展。由于电流控制型DC-DC转换器具有瞬态响应速度快、 控制简单、易于补偿、高精度的输出电压和内在的对功率开关电流的控制及限制能力，因此 DC-DC转换器多采用电流控制模式，但面对电子设备未来的发展趋势，作为电流控制所必需 的电流检测或电流感测电路在低压、低功耗、高速、高精度方面受到了极大的挑战。在电流控制模式中，控制器需要了解电流通道的电流状态信息后才能确定对功率 开关的控制信号。这就需要对电流通道进行电流大小的实时感测，或对通道电流状态进行 电流检测(如峰值电流状态检测、谷值电流状态检测或零电流状态检测)。对于电流大小的 感测，其输出波形是通道波形按比例常数缩放后的电压或电流波形。而对电流状态的检测， 其输出波形是数字电平，当被检测电流达到预先设定的门限后检测出的波形就跳变为对应 的数字电平状态。以低成本的CMOS工艺为例，理论上讲，电流检测或感测电路有栅极信号输入和源 极信号输入两种方式。采用栅极输入信号的结构受限于共模输入范围窄，不能有效的操作 于其电源供电电压轨以外，其应用场合受限在共模检测或感测电压在供电电压轨以内或是 略宽的场合。通过图Ia可以更好的描述这种情况，在图Ia中描述了具有折叠共源共栅结 构的传统放大器，该放大器增益较高，但是其输入共模范围需保证让差分输入管M1, M2不进 入线性区，也必须要保证其电流偏置源Cb2和Cb3正常工作，从而使得其共模输入范围存在一 个上限，其共模输入范围的最大值为Vcmmax = VDD+VTH-VCB23(1)其中Vdd是电源电压；Vth是差分对管Ml，M2的阈值电压；Vcb23是电流源Cb2和Cb3正常工作时其两端需要的最小电压差。从式(1)可以看出，该电路最高共模输入电压受其供电电压、差分对晶体的阈值 电压以及电流源最小工作压差限制。在速度方面，共源电路大多会由于差分对管的米勒现象而影响其响应速度。
所以对于共模检测或感测电压操作在电源供电电压轨以外的情况，普遍使用由源 极输入信号的共栅极方式，一般的共栅输入方法虽然能产生差模运算且电路简单、功耗低， 但是其结构的不对称性，特别是在CMOS工艺下使得其性能受工艺、供电电压和温度(PVT) 漂移的影响严重，鲁棒性较差，尤其是其结构简单，很难提高其增益带宽积，导致其速度和 精度受限。通过图Ib可以更好的描述这种情况，图Ib中描述采用源极输入信号的双端到 单端差模放大器，其中M1采用二极管连接，将Vin信号耦合到M2的栅极与M2的源极信号Vip 形成差模运算，但由于该结构的不对称性，一方面当该电路作为比较器使用时其门限值受 到PVT漂移的影响严重，另一方面当该结构作为放大器使用时，由于M2的漏极作为输出，使 得输出电压的直流波动会引起礼和礼漏极电压的直流工作点不匹配，这将恶化输入失调电 压。而且该结构输出端到输入端的共模导纳等于M2的跨导，导致其共模抑制比极低。其增 益特性受限于M2的最高增益特性即M2自身跨导8_ (M2)除以其源漏导纳gds(M2)，若是要增 强其增益或共模抑制比或礼和礼的匹配情况则需要在后级连接共源极放大器，但这样会由 于共源极引入的米勒现象而严重限制其带宽。
发明内容
鉴于现有技术的弊端，本发明的目的在于提供一种能优先支持CMOS工艺的宽共 模输入范围，特别是能宽于供电电压轨的高速、高精度、低压、低功耗的感测放大器，该电路 不受工艺、供电电压、温度(PVT)漂移的影响，既能作为比较器功能来实现电流检测电路又 能作为放大器功能来实现电流感测电路。因此，本发明感测放大器的技术方案如图2所示，包括差分跨导输入电路、差分共 源共栅转导放大电路和有源负载电路。所述差分跨导输入电路为一个具有对称结构能实 现宽共模输入范围的电压到电流差分输入级，包括(MpM2)构成的产生差分电流的一支，和 (M3, M4)构成的产生差分电流的另一支，M1 M4为相同类型的晶体管，其中，M1与M4的尺寸 相同，M2和M3的尺寸相同。且M1和M4均采用二极管连接并分别由Cbi和Cb2提供直流电流 偏置，M1与M3的源极(或发射极)连接在一起，构成差分输入级的一个输入端，M4与M2的 源极(或发射极)连接在一起，构成差分输入级的另一个输入端，M2和M3的漏极(或集电 极)作为差分电流的输出端与下一级输入端相连；所述差分共源共栅转导放大电路包括相 同类型和尺寸的晶体管M5和M6, Cb3和Cb4分别与M5和M6的源极(或发射极)连接并提供 直流电流偏置，该连接点作为本级的差分电流输入端，M5和M6栅极(或基极)具有共同的 直流电压偏置Vb，M5和M6各自的漏极与有源负载电路相连形成信号放大作为本发明感测放 大器的输出端。本发明利用源极(或发射极)输入差分信号，具有宽范围的共模输入电压，电路采用对称结构具有较好的鲁棒性，内部信号以电流方式传输，能以小功率实现高增益带宽积， 响应速度快。以下以具体实施例配合附图详细加以说明，以便于更容易了解本发明的目的、 技术内容、特点及其功效。
图Ia传统栅极输入信号的折叠式共源共栅放大器图Ib传统源极输入信号的感测放大器
图2本发明感测放大器框图
图3a本发明感测放大器的一个实例电路3b本发明感测放大器另一个能作为比较器使用的实例电路4a采用图3a实例电路的电流感测电路的其中一个典型应用 图4b采用图3a实例电路的电流感测电路的其中一个典型应用的仿真波形本发明 的
具体实施例方式(1)发明框图技术阐述本发明感测放大器的技术方案如图2所示，包括差分跨导输入电路、差分共源共 栅转导放大电路和有源负载电路。所述差分跨导输入电路为一个具有对称结构能实现宽共 模输入范围的电压到电流差分输入级，包括(M1;M2)构成的产生差分电流的一支，和(M3，M4) 构成的产生差分电流的另一支，M1 M4为相同类型的晶体管，其中，M1与M4的尺寸相同，M2 和M3的尺寸相同，M1或M4与M2或M3的等效宽长比为M N。且M1和M4均采用二极管连 接并分别由Cbi和Cb2提供直流电流偏置，M1与M3的源极(或发射极)连接在一起，构成差 分输入级的一个输入端VIP，M4与M2的源极(或发射极)连接在一起，构成差分输入级的另 一个输入端Vin，这时Vip的交流部分通过M1直接耦合到M2的栅(或基极)，Vin的交流部分 通过M4直接耦合到M3的栅(或基极)，M2和M3的漏极(或集电极)作为差分电流(Δ iD1， Ai112)的输出端，并满足 其中⑷为M2和M3的跨导；Δ ν为输入端的压差。该输入级采用源极(发射极)输入信号的优点是可以得到理论上没有上限的共模 输入范围，其最小共模输入电压为 其中&( 4)是礼，114的源-栅(或发射极-基极)驱动电压；&,2是电流源Cbi和Cb2正常工作时其两端需要的最小电压差。差分电流(Ai111，Ai112)的输出端与所述差分共源共栅转导放大电路的输入端相 连，包括相同类型和尺寸的晶体管M5和M6, Cb3和Cb4分别与M5和M6的源极(或发射极，优 选FET)连接并提供直流电流偏置，该连接点作为本级的差分电流输入端，M5和M6栅极(或 基极)具有共同的直流电压偏置Vb，尤其是当Vb采用增益增强的共源共栅结构时，使得M5 和M6的有源极所在的节点阻抗较低，使得该点的次极点在高频处，从而获得好的频率响应。 M5和M6各自的漏极与有源负载电路相连形成信号放大作为本发明感测放大器的输出端。有 源负载一般采用电流镜方式，尤其是共源共栅结构或增益增强的共源共栅接口可以得到高 的输出阻抗从而获得高的输出增益，其每支直流偏置电流为 其中-Jc町为Cbi和Cb2的偏置电流D Cb3和Cb4的偏置电流所以Cb3和Cb4的偏置电流必须足够大，以满足有源负载的直流偏置需求。
偏置电压Vb必须足够高以满足共源共栅转导放大器正常工作，相对于电源轨VPS2， Vb需要满足的条件为厂β > KGS(M5’6)+「cB5.4⑶其中VGS(M5j6)为M5, M6的栅源(基极-发射极)驱动电压
K:叫为Cb3，Cb4的最小工作电压 同时，感测放大器的模拟输出范围受到Vb和有源负载电路结构的限制，其最小输
出电压由Vb限制为 其中Vth为MOSFET的阈值电压。(2)图3a所示感测放大器及其在电流感测中的一个典型应用(图4)的实例阐述图3a所示为感测放大器的一个实例，图3a中尺寸相同的PMOS晶体管M13, M14, M15 为基础的电流偏置部分，其偏置电流为luA，M16分别和M5, M6, M7, M8配对后构成图2中的偏 置电流源Cbi，Cb2，CB3, Cb4，其中M16、M5、M6尺寸相同，M7和M8等效宽长比是M16的2倍以便为 后面的有源负载提供IuA的电流偏置；PMOS晶体管M1 M4对应图2中M1 M4,其尺寸全 部相同，输入端分别为vip和vin。尺寸相同的NMOS管M9和Mltl构成图2中的M5和M6，其 栅极偏置由NMOS管M17提供，M17的等效宽比为M16的1/12 ；尺寸相同的PMOS管M11和M12构 成电流镜负载。该电路为单端输出，输出范围最高只比电源电压低0.2V，其直流增益等于2gm(M2, 3) Xr。_，其中gffl(M2,3)为M2和M3的跨导，r。_为M12的输出阻抗。图4a为采用该图3a放大器的在电流感测中的一个典型应用的实例，其中虚线框s 内与图3a放大器相同；电源电压Vdd为5V，Msw为电流开关，Mpi为电流感测管，Mpi的尺寸与 Msw之比为2 IO5,他们有驱动信号Vdev控制，当Vdev = 5V时电流关闭，当Vdev = 0时电流 込通过。放大器的静态输入电流为Ib = 2uA,MP2与放大器的输出相连后与放大器的负端输 Λ vin相连构成负反馈，Mp2也能使图3a中M11和M12更对称，当Vdev = 0时，强制Mpi和Msff 两端电压相同，通过Ic的补偿，从而感测出的电流Isms为l·的2/105，该电流作用到滤波器 Rs和Cs后的输出电压Vsense如图4b所示，波形建立时间不到50ns，能满足高频开关电源的 需求。(3)图3b所示感测放大器实例阐述图3b所示为感测放大器的另一个实例，图3b中尺寸相同的PMOS晶体管M15，M16， M17为基础的电流偏置部分，其偏置电流为1UA，M18分别和M5,M6,M7,M8配对后构成图2中的 偏置电流源Cbi，Cb2，Cb3，Cb4，其中M18、M5、M6尺寸相同，M7和M8等效宽长比是M16的2倍以便 为后面的有源负载提供IuA的电流偏置；PMOS晶体管M1 M4对应图2中M1 M4,其尺寸全 部相同，输入端分别为vip和vin。尺寸相同的NMOS管M9和Mltl构成图2中的M5和M6，其 栅极偏置由NMOS管M19提供，M19的等效宽比为M18的1/12 ；尺寸相同的PMOS管M11和M12, M13、M14A、M14B构成共源共栅负载，M14a和M14b的偏置电路为luA。该电路为单端输出，具有对称结构，增益达“…！^^成^!·。—，适合作为比较器在电流检测如峰值电流检测、谷值电流检测、过零检测中应用。以上可知该电路的有益结果包括(a)、共模输入范围大，在理论上共模输入电压的最小值为VTH+2VW，没有上限值， 可以达到工艺支持的任何高压，其中Vth为晶体管的阈值电压(0. 7V左右)，Vov为其过驱动 电压(模拟设计一般取0. IV 0. 2V)；(b)、整个信号流均由差分方式的源极或发射级输入，减少了米勒现象，响应速度快，能在小功率下实现大的增益带宽积，且差分方式能使输入直流偏移电压受工艺、供电电 压、温度(PVT)漂移的影响小，也使整个电路具有较强的共模抑制能力。
权利要求
一种信号感测放大器，用于对电流通道进行电流大小的实时感测，或对通道电流状态进行电流检测，包括差分跨导输入电路、差分共源共栅转导放大电路和有源负载电路；所述差分跨导输入电路为一个具有对称结构能实现宽共模输入范围的电压到电流差分输入级，包括由晶体管M1及M2构成的产生差分电流的一支，和由M3及M4构成的产生差分电流的另一支，M1和M4均采用二极管连接并分别由电流源CB1和CB2提供直流电流偏置，M1与M3的源极连接在一起，构成差分输入级的一个输入端，M4与M2的源极连接在一起，构成差分输入级的另一个输入端，M2和M3的漏极作为差分电流的输出端与下一级输入端相连；所述差分共源共栅转导放大电路包括相同类型和尺寸的晶体管M5和M6，CB3和CB4分别与M5与M6的源极连接并提供直流电流偏置，该连接点作为本级的差分电流输入端，M5和M6栅极具有共同的直流电压偏置VB，M5和M6各自的漏极与有源负载电路相连形成信号放大作为所述感测放大器的输出端。
2.根据权利要求1所述之信号感测放大器，其特征在于，所述晶体管M1,M2, M3, M4为相 同类型的晶体管讽与M4的尺寸相同，M2和M3的尺寸相同。
3.根据权利要求1所述之信号感测放大器，其特征在于，所述差分跨导输入电路中，M1 与礼的发射极连接在一起，构成差分输入级的一个输入端，M4与M2的发射极连接在一起，构 成差分输入级的另一个输入端，M2和M3的集电极作为差分电流的输出端与下一级输入端相 连。
4.根据权利要求1或3所述之信号感测放大器，其特征在于，所述差分共源共栅转导放 大电路中，Cb3和Cb4分别与M5与M6的发射极连接并提供直流电流偏置，该连接点作为本级 的差分电流输入端，M5和M6基极具有共同的直流电压偏置Vb，M5和M6各自的漏极与有源负 载电路相连形成信号放大作为所述感测放大器的输出端。
全文摘要
本发明公开了一种信号感测放大器，包括差分跨导输入电路、差分共源共栅转导放大电路和有源负载电路；差分跨导输入电路为一个具有对称结构能实现宽共模输入范围的电压到电流差分输入级；差分共源共栅转导放大电路包括相同类型和尺寸的晶体管M5和M6，CB3和CB4分别与M5与M6的源极连接并提供直流电流偏置。本发明提供了一种能优先支持CMOS工艺的宽共模输入，特别是能宽于供电电压轨的高速、高精度、低压、低功耗的感测放大器，该电路不受工艺、供电电压、温度(PVT)漂移的影响，既能作为比较器功能又能作为放大器功能来实现电流检测或感测电路。
文档编号G01R19/00GK101839941SQ20101019043
公开日2010年9月22日 申请日期2010年6月2日 优先权日2010年6月2日
发明者冯全源, 向乾尹 申请人:西南交通大学