具有公共栅极阶段反馈的翻转电压跟随器的制作方法

1.本技术涉及集成电路技术领域，特别涉及一种具有公共栅极阶段反馈的翻转电压跟随器。


背景技术：

2.翻转电压跟随器的基本结构如图1所示。晶体管m1、m2和电流源ib形成一个反馈回路。如果假设反馈回路被切断，当输入节点vi电压上升时，输出节点vo电压也上升，以保持晶体管m1的ids不变，这就是一个简单的源跟随器的基本操作。现在假设反馈回路打开，除了从vi到vo的直接信号路径，还有一个额外的信号路径从vi到电压节点y，然后到vo。在反馈回路的帮助下，翻转的电压跟随器的有效跨导(gm)和带宽要比简单的源跟随器大得多。基本的翻转电压跟随器在大规模生产和实际应用中存在如下的一些问题。
3.1.电压节点y直接连接到m2的栅极。为了使m1和m2保持在饱和区，应该保持vgs2》vdsat1+vdsat2。这意味着m2的vgs2很大，这意味着m2的w/l比很小，电流密度很大。从现代半导体技术的电磁迁移和老化效应来看，这是不有利的。
4.2.vgs2大致等于vdsat2+vth2。为了保持vgs2》vdsat1+vdsat2，需要在不同的pvt环境下中保持vth2》vdsat1。在实际应用中，vth2可能在不同的pvt环境中波动范围很大，很难在所有情况下保持vth2》vdsat1。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于提供一种具有公共栅极阶段反馈的翻转电压跟随器，为电路的直流偏置点设计提供了更多的设计自由度和鲁棒性。
6.本技术公开了一种具有公共栅极阶段反馈的翻转电压跟随器，包括第一至第十一晶体管、调节电阻，其中：
7.所述第一至第三晶体管的源极连接电源端，所述第一晶体管的漏极及所述第一至第三晶体管的栅极相连并连接所述第一偏置电流源；
8.所述第二晶体管的漏极、所述第四晶体管的漏极、所述第六晶体管的源极及所述调节电阻的一端相连，所述第四晶体管的源极连接所述第八晶体管的漏极，所述第六晶体管的漏极、所述第八晶体管的栅极及所述第十晶体管的漏极和栅极相连；
9.所述第三晶体管的漏极、所述第五晶体管的漏极、所述第七晶体管的源极及所述调节电阻的另一端相连，所述第五晶体管的源极连接所述第九晶体管的漏极，所述第七晶体管的漏极、所述第九晶体管的栅极及所述第十一晶体管的漏极和栅极相连，所述第八至十一晶体管的源极连接地端；
10.其中，所述第六晶体管和第七晶体管的栅极连接偏置电压，其中，所述第四晶体管和第五晶体管的栅极分别接收差分输入信号，所述第四晶体管和第五晶体管的源极分别输出差分输出信号。
11.在一个优选例中，还包括：偏置电压生成电路，包括：第十二至十五晶体管、第一电
阻及第二偏置电流源；其中，所述第十二晶体管的栅极和漏极、所述第十三晶体管的栅极连接所述第二偏置电流源，所述第十三晶体管的漏极、所述第十四晶体管的漏极和栅极相连并输出所述偏置电压，所述第十四晶体管的源极、所述第一电阻的一端及所述第十五晶体管的漏极和栅极相连，所述第一电阻的另一端连接所述电源端，所述第十五晶体管的源极连接所述电源端。
12.在一个优选例中，所述第一偏置电流源与第二偏置电流源具有合适的电流比例关系，且所述第十二和第十三晶体管具有合适的尺寸比例关系，使得所述第十四晶体管的电流密度与所述第六和第七晶体管的源漏电流密度相等。
13.在一个优选例中，所述第一偏置电流源与第二偏置电流源的电流为1:1，所述第十二和第十三晶体管的尺寸为1:1。
14.在一个优选例中，所述第十二晶体管和第十三晶体管为nmos晶体管或者pmos晶体管，所述第十四晶体管和第十五晶体管为pmos晶体管或者nmos晶体管。
15.在一个优选例中，还包括：第一电容，所述第一电容的一端连接所述第四晶体管的源极和所述第八晶体管的漏极，另一端连接地端。
16.在一个优选例中，还包括：第二电容，所述第二电容的一端连接所述第五晶体管的源极和所述第九晶体管的漏极，另一端连接地端。
17.在一个优选例中，所述第一至第四、第六晶体管及第七晶体管为pmos晶体管或者nmos晶体管，所述第四晶体管、第五晶体管、及第八至第十一晶体管为nmos晶体管或者pmos晶体管。
18.相较于基本的翻转电压跟随器，本发明的改进技术效果包括但不限于：
19.1.增强了电路直流工作点设计的鲁棒性，使其对工艺角和温度波动相对不敏感；
20.2.增强了反馈环路设计的自由度，使电路在不同的偏置电流源以及电源电压下，可以通过调节电阻或电流镜比例的方式，来实现最优的电路稳定性、线性度、带宽和功耗；
21.3.本发明的反馈环路未使用交流耦合电容结构，而采用直流耦合手段。这避免了引入较大的交流耦合电容，在实际集成电路应用中节省了版图面积。
22.本技术的说明书中记载了大量的技术特征，分布在各个技术方案中，如果要罗列出本技术所有可能的技术特征的组合(即技术方案)的话，会使得说明书过于冗长。为了避免这个问题，本技术上述发明内容中公开的各个技术特征、在下文各个实施方式和例子中公开的各技术特征、以及附图中公开的各个技术特征，都可以自由地互相组合，从而构成各种新的技术方案(这些技术方案均应该视为在本说明书中已经记载)，除非这种技术特征的组合在技术上是不可行的。例如，在一个例子中公开了特征a+b+c，在另一个例子中公开了特征a+b+d+e，而特征c和d是起到相同作用的等同技术手段，技术上只要择一使用即可，不可能同时采用，特征e技术上可以与特征c相组合，则，a+b+c+d的方案因技术不可行而应当不被视为已经记载，而a+b+c+e的方案应当视为已经被记载。
附图说明
23.图1是根据现有技术中的翻转电压跟随器的结构示意图。
24.图2是根据本技术一个实施例中的翻转电压跟随器的结构示意图。
25.图3是根据本技术一个实施例中的偏置电路的结构示意图。
26.图4示出了快速nmos、快速pmos、低电源电压、不同温度情况下有无钳位器件输入对漏极的电压。
具体实施方式
27.在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本技术而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本技术所要求保护的技术方案。
28.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术的实施方式作进一步地详细描述。
29.本技术公开了一种具有公共栅极阶段反馈的翻转电压跟随器，图2示出了一个实施例中的翻转电压跟随器的示意图，所述翻转电压跟随器包括第一晶体管m1、第二晶体管m2、第三晶体管m3、第四晶体管m 4、第五晶体管m5、第六晶体管m6、第七晶体管m7、第八晶体管m8、第九晶体管m9、第十晶体管m10、第十一晶体管m11、调节电阻rt。在一个实施例中，所述第一晶体管m1、第二晶体管m2、第三晶体管m3、第四晶体管m4、第六晶体管及第七晶体管为pmos晶体管。所述第四晶体管、第五晶体管、及第八晶体管m8、第九晶体管m9、第十晶体管m10、第十一晶体管m11为nmos晶体管。在另一个实施例中，所述第一晶体管m1、第二晶体管m2、第三晶体管m3、第四晶体管m4、第六晶体管及第七晶体管为nmos晶体管。所述第四晶体管、第五晶体管、及第八晶体管m8、第九晶体管m9、第十晶体管m10、第十一晶体管m11为pmos晶体管。
30.其中，所述第一晶体管m1、第二晶体管m2和第三晶体管m3的源极连接电源端vaa，所述第一晶体管m1的漏极及所述第一晶体管m1、第二晶体管m2和第三晶体管m3的栅极相连并连接所述第一偏置电流源ibias。
31.进一步的，所述第二晶体管m2的漏极、所述第四晶体管m4的漏极、所述第六晶体管m6的源极及所述调节电阻rt的一端相连于第一节点s1，所述第四晶体管m4的源极连接所述第八晶体管m8的漏极，所述第六晶体管m6的漏极、所述第八晶体管m8的栅极及所述第十晶体管m10的漏极和栅极相连。类似的，所述第三晶体管m3的漏极、所述第五晶体管m5的漏极、所述第七晶体管m7的源极及所述调节电阻rt的另一端相连于第二节点s2，所述第五晶体管m5的源极连接所述第九晶体管m9的漏极，所述第七晶体管m7的漏极、所述第九晶体管m9的栅极及所述第十一晶体管m11的漏极和栅极相连，所述第八晶体管m8、第九晶体管m9、第十晶体管m10、第十一晶体管m11的源极连接地端。其中，所述第六晶体管m6和第七晶体管m7的栅极连接偏置电压vg。本技术使得晶体管m4与晶体管m2都处于饱和工作区。
32.所述第四晶体管m4和第五晶体管m5的栅极分别接收差分输入信号，所述第四晶体管m5和第五晶体管m5的源极分别输出差分输出信号。具体的，所述第四晶体管m4的栅极接收正输入信号inp，第四晶体管m4的源极输出正差分输出信号outp，第五晶体管m5的栅极接收负输入信号inn，第五晶体管m5的源极输出负差分输出信号outn。
33.在一个实施例中，所述翻转电压跟随器还包括：第一电容c1，所述第一电容c1的一端连接所述第四晶体管m4的源极和所述第八晶体管m8的漏极，另一端连接地端。
34.在一个优选例中，所述翻转电压跟随器还包括：第二电容c2，所述第二电容c2的一端连接所述第五晶体管m5的源极和所述第九晶体管m9的漏极，另一端连接地端。
35.在一个实施例中，所述翻转电压跟随器还包括偏置电压生成电路。图3示出了一个实施例中的偏置电压生成电路的示意图。所述偏置电压生成电路包括：第十二晶体管m12、第十三晶体管m13、第十四晶体管m14、第十五晶体管m15、第一电阻r1及第二偏置电流源ibias2。在一个实施例中，所述第十二晶体管m12和第十三晶体管m13为nmos晶体管，所述第十四晶体管m14和第十五晶体管m14为pmos晶体管。在另一个实施例中，所述第十二晶体管m12和第十三晶体管m13为pmos晶体管，所述第十四晶体管m14和第十五晶体管m14为nmos晶体管。
36.晶体管m6和m7的栅极电压来源于优选例中的偏置电压生成电路。该偏置电压生成电路具有工艺角以及温度补偿功能，使得晶体管m6的栅极电压对于不同的工艺角和工作温度不敏感，增强主电路的鲁棒性。
37.其中，所述第十二晶体管m12的栅极和漏极、所述第十三晶体管m13的栅极连接所述第二偏置电流源ibias2，所述第十三晶体管m13的漏极、所述第十四晶体管m14的漏极和栅极相连并输出所述偏置电压vg，所述第十四晶体管m14的源极、所述第一电阻r1的一端及所述第十五晶体管m15的漏极和栅极相连，所述第一电阻r1的另一端连接所述电源端vaa，所述第十五晶体管m15的源极连接所述电源端vaa。
38.在一个实施例中，所述第一偏置电流源ibias与第二偏置电流源ibias2具有合适的电流比例关系，且所述第十二晶体管m12和第十三晶体管m13具有合适的尺寸比例关系，使得所述第十四晶体管m14的电流密度与所述第六晶体管m6和第七晶体管m7的源漏电流密度相等。例如，所述第一偏置电流源与第二偏置电流源的电流为1:1，所述第十二和第十三晶体管的尺寸为1:1，使得所述第六晶体管m6、第七晶体管m7和第十四晶体管m14的源漏电流密度(ids/w)相等。
39.主电路中的反馈环路由调节电阻rt、晶体管m6、晶体管m10以及晶体管m8组成。其中晶体管m10和晶体管m8构成一组电流镜。可以通过调节rt的电阻值，或者晶体管m10/m8构成的电流镜镜像比例(晶体管m10/m8的w/l比例)，来调节反馈环路的环路增益。通常设计中会在保证稳定性的前提下，将环路增益调节至一个较大数值，使得主电路具有高带宽，高线性度，稳定性可控的特点。
40.为了能够更好地理解本技术的技术方案，下面结合一个具体的例子来进行说明，该例子中罗列的细节主要是为了便于理解，不作为对本技术保护范围的限制。
41.本技术提出的电路是一个全差分电路，如图2所示。一对差分输入信号输入至晶体管m4和m5的栅极节点。晶体管m4和m5的源节点输出一对差分输出信号。
42.与基本的翻转电压跟随器相比，本技术提出的翻转电压跟随器在差分电路的半边有三个额外的器件。这些额外的器件是晶体管m6、m10和rt(或m7、m11和rt)。晶体管m6被连接作为公共栅极级，其电连接的晶体管m10作为其负载。晶体管m10和m8形成一个电流镜。调节电阻rt是一个可调电阻，用于控制反馈回路的环路增益。
43.反馈回路中的两个额外的晶体管(例如，晶体管m6和m10)为电路的直流偏置点设计提供了更多的自由。通过调整晶体管m6的栅极电压(vg)，晶体管m4的漏极电压可以得到相应的调整。调整栅极电压vg对晶体管m8的vgs影响不大。
44.总之，所提出的翻转电压跟随器打破了vgs_m8和vds_m8+vds_m4之间的耦合(在基本的翻转电压跟随器中，vgs_m8＝vds_m8+vds_m4)。
45.此外，所提出的电路提供了一种产生偏置电压vg(晶体管m6和m7的栅极偏置电压)的方法。如图3所示，假设晶体管m12和m13的电流镜像比为1:1，那么
46.vg＝vaa-r1*ibias2-|vgs_m14|。
47.其中，电流源ibias2与ibias成比例，晶体管m14是晶体管m6和m7的比例副本。在第一阶近似下，vgs_m14＝vgs_m6＝vgs_m7。
48.调整ibias2*r1决定了晶体管m14和m6、m7的源电压。如果ibias2*r1太小，晶体管m6和m7的源极电压太高，使晶体管m2和m3的vds太小，把它们推向线性区域。如果ibias2*r1太大，晶体管m6和m7的源极电压太低，使晶体管m4和m5的vds太小，把它们推到线性区域。因此，正确设计ibias2*r1以使晶体管m2、m3、m4和m5同时有足够的电压余量或电压裕度(headroom)是至关重要的。
49.在ff_ht_lv(快速nmos/快速pmos，高温，低电源电压)情况下，ibias2*r1可能变得比它的标称值大，使vg变得更低，以挤压晶体管m4和m5的电压余量。
50.为了改善晶体管m4和m5在ff_ht_lv(快速nmos/快速pmos，高温，低电源电压)情况下的电压余量，本技术增加了一个与r1并联的钳位器件(m15)。在ff_ht(快速nmos/快速pmos，高温)情况下，钳位器件m15的阈值电压vth变低，它的ids在这个情况下变大，拉高了偏置电压vg以补偿r1的影响。总之，电阻r1具有正的温度系数，而晶体管m15的vth具有负的一阶温度系数，它们可以相互补偿，以获得一个相对稳定的偏置电压。图4示出了ff_lv(快速nmos/快速pmos，低电源电压)在不同温度情况下有无钳位器件输入对的电压vd(即，节点s1、s2的电压)，从图中可以看出，采用钳位器件后，晶体管电压在温度变化时维持稳定。
51.需要说明的是，在本专利的申请文件中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本专利的申请文件中，如果提到根据某要素执行某行为，则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。多个、多次、多种等表达包括2个、2次、2种以及2个以上、2次以上、2种以上。
52.本说明书包括本文所描述的各种实施例的组合。对实施例的单独提及(例如“一个实施例”或“一些实施例”或“优选实施例”)不一定是指相同的实施例；然而，除非指示为是互斥的或者本领域技术人员很清楚是互斥的，否则这些实施例并不互斥。应当注意的是，除非上下文另外明确指示或者要求，否则在本说明书中以非排他性的意义使用“或者”一词。
53.在本说明书提及的所有文献都被认为是整体性地包括在本技术的公开内容中，以便在必要时可以作为修改的依据。此外应理解，以上所述仅为本说明书的较佳实施例而已，并非用于限定本说明书的保护范围。凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例的保护范围之内。