一种宽摆幅低功耗的源级跟随器的制作方法

1.本发明涉及模拟集成电路技术领域，更具体的说是涉及一种宽摆幅低功耗的源级跟随器。


背景技术：

2.在模拟集成电路中，源级跟随器具有结构简单，速度快，线性度较好，驱动能力强等特点，因此被广泛地用作电路缓冲驱动级，电平转换单元。然而基本的源级跟随器结构存在拉电流和灌电流能力不同的问题，一般灌电流能力受限于偏置电流大小。而在用作大摆幅输入高速缓冲驱动级并且负载电容较大时，需要较大的偏置电流。基本源级跟随器偏置电流源的输出阻抗有限，大摆幅输出状态下，偏置电流变化范围较大，为满足驱动要求功耗会较大，导致功耗变化范围较大的问题，为了解决这一问题，方法是提升偏置电流源的输出阻抗，一般采用共源共栅电流源，然而这种电路结构问题是，偏执电流的变化并不稳定。
3.本发明为了解决源级跟随器在大摆幅输出的情况下，可以保持偏置电流相对恒定。这样可以在满足驱动能力的前提下，可以降低功耗，提升效率。本发明的结构同时保持了源级跟随器的高速、高稳定性、高线性度的应用要求。
4.因此，如何提出一种宽摆幅低功耗的源级跟随器是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种宽摆幅低功耗的源级跟随器，为了解决源级跟随器在大摆幅输出的情况下，可以保持偏置电流相对恒定。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种宽摆幅低功耗的源级跟随器，包括：基础源极跟随器电路和单极误差放大器电路；所述基础源极跟随器电路包括跟随器输入端、晶体管ma0、晶体管ma2和晶体管mb4并依次连接形成环路，还包括电流源i1，所述电流源i1输入级和输出级分别对应与所述晶体管ma0和所述晶体管mb4相连，跟随器输出端分别与所述晶体管ma0和所述晶体管ma2均相连；所述单极误差放大器电路包括差分对管、晶体管ma1和晶体管mb3并依次相连；且所述差分对管设置于所述晶体管mb4和所述电流源i1输出级之间；其中，所述差分对管包括晶体管mb1和晶体管mb2并依次相连，所述晶体管mb1的输入端连接于所述晶体管ma0的输出端，所述晶体管mb2的漏极与所述晶体管ma1的漏极相连，所述晶体管ma1的源极与所述晶体管mb4的源极相连并接地，所述晶体管mb3的栅极和所述晶体管ma2的栅极均与所述晶体管ma1的栅极相连；所述单极误差放大器中还包括电流源i0，所述电流源i0的输入级与所述晶体管ma0的漏极相连，所述电流源i1的输出级分别与所述晶体管mb2的栅极和所述晶体管mb3的
漏极相连。
7.优选的，所述跟随器输入端连接所述晶体管ma0的栅极，所述晶体管ma0的源极与所述晶体管ma2的漏极相连，所述晶体管ma2的源极分别与所述晶体管mb2、所述晶体管ma1和所述晶体管mb4的源极均相连并接地。
8.优选的，所述电流源i1的输出级分别与所述晶体管mb1和所述晶体管mb2的源极均相连，所述晶体管mb1的漏极与所述晶体管mb4的漏极相连。
9.优选的，所述晶体管ma1的栅极和漏极相连，所述晶体管mb4的栅极和漏极相连。
10.优选的，所述基础源极跟随器电路中还包括电容cload，所述电容cload设置于所述晶体管ma2的源极与所述跟随器输出端之间，所述跟随器输出端分别与所述晶体管ma0的源极和所述晶体管ma2的漏极相连。
11.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种宽摆幅低功耗的源级跟随器，为了解决源级跟随器在大摆幅输出的情况下，可以保持偏置电流相对恒定，本发明中晶体管mb3镜像ma2的电流，跟偏置电流i0比较，引入反馈控制环路，使得ma2栅极电压可以动态调整以适应ma2的漏端电压对输出电流的调制作用，这样可以在满足驱动能力的前提下，可以降低功耗，提升效率，本发明的结构同时保持了源级跟随器的高速、高稳定性、高线性度的应用要求。
附图说明
12.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
13.图1为本发明提供的一种宽摆幅低功耗的源级跟随器的结构示意图；图2为本发明提供的一种宽摆幅低功耗的源级跟随器中基础源极跟随器电路的结构示意图。
具体实施方式
14.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
15.本发明实施例公开了一种宽摆幅低功耗的源级跟随器，如图1所示，包括：基础源极跟随器电路和单极误差放大器电路；基础源极跟随器电路包括跟随器输入端、晶体管ma0、晶体管ma2和晶体管mb4并依次连接形成环路，还包括电流源i1，电流源i1输入级和输出级分别对应与晶体管ma0和晶体管mb4相连，跟随器输出端分别与晶体管ma0和晶体管ma2均相连；单极误差放大器电路包括差分对管、晶体管ma1和晶体管mb3并依次相连；且差分对管设置于晶体管mb4和电流源i1输出级之间；其中，差分对管包括晶体管mb1和晶体管mb2并依次相连，
晶体管mb1的输入端连接于晶体管ma0的输出端，晶体管mb2的漏极与晶体管ma1的漏极相连，晶体管ma1的源极与晶体管mb4的源极相连并接地，晶体管mb3的栅极和晶体管ma2的栅极均与晶体管ma1的栅极相连；单极误差放大器中还包括电流源i0，电流源i0的输入级与晶体管ma0的漏极相连，电流源i1的输出级分别与晶体管mb2的栅极和晶体管mb3的漏极相连。
16.为了进一步实施上述技术方案，跟随器输入端连接晶体管ma0的栅极，晶体管ma0的源极与晶体管ma2的漏极相连，晶体管ma2的源极分别与晶体管mb2、晶体管ma1和晶体管mb4的源极均相连并接地。
17.为了进一步实施上述技术方案，电流源i1的输出级分别与晶体管mb1和晶体管mb2的源极均相连，晶体管mb1的漏极与晶体管mb4的漏极相连。
18.为了进一步实施上述技术方案，晶体管ma1的栅极和漏极相连，晶体管mb4的栅极和漏极相连。
19.为了进一步实施上述技术方案，基础源极跟随器电路中还包括电容cload，电容cload设置于晶体管ma2的源极与跟随器输出端之间，跟随器输出端分别与晶体管ma0的源极和晶体管ma2的漏极相连。
20.需要说明的是：如图2所示，在基础源极跟随器电路中，nmos管ma0的栅极作为信号输入，源级作为输出端。nmos管ma2产生偏置电流。源级跟随器的传递增益近似为1，并且带宽正比于ma0的跨导。根据负载电容cload的大小，调整ma0的跨导，可以得到目标带宽，因此常用作高速缓冲器。另外vout电压对vin电压平移一个栅源电压，可以用作电平转换。然而由于是nmos的源端输出，其拉电流能力较强，而电流源ma2是固定电流源，其灌电流能力受限于偏置电流大小。在用作大摆幅输入高速缓冲驱动级并且负载电容较大时，需要较大的偏置电流。基本源级跟随器偏置电流源的输出阻抗有限，大摆幅输出状态下，偏置电流变化范围较大，为满足驱动要求存在功耗较大的问题。具体在图2结构中，当vout接近地时，偏置电流会较小，驱动能力会减弱，当vout接近电源时，偏置电流会较大，功耗会增大，可见需要对图2中的基础源极跟随器电路进行改进。
21.nmos源极跟随器有较大的拉电流能力，驱动能力的受限于灌电流能力。也就是vout的下拉能力受限于ma2的偏置电流。特别是vout接近地时ma2接近线性工作区，电流会大幅度降低。本实施例中晶体管mb3镜像ma2的电流，跟偏置电流i0比较，引入反馈控制环路，ma1的栅极作为输出端控制ma2栅极，使得ma2栅极电压可以动态调整以适应ma2的漏端电压对输出电流的调制作用。
22.图1中mb1，mb2，ma1，mb3，i0构成单级误差放大器，其中mb1和mb2为放大器的输入差分对管，mb3的漏端vx为放大器的输出端，mb1的栅极vout作为误差放大器的正向输入端。经过误差放大器环路的调整，vx近似等于vout，晶体管mb3的电流近似等于源极跟随器ma2的电流。根据输入信号的带宽，反馈控制环路带宽大于3倍信号带宽。反馈控制环路的带宽取决于偏置电流i0和i1的取值。放大器的偏置电流i0和i1按照一定比例小于ma2的偏置电流，这样i1和i0电流受端电压调制产生的变化在总功耗中占比较小可以忽略。
23.电流源有限输出阻抗，电流源两端电压变化会调制电流变化。考虑到电流源i0和i1同样也存在受vx和vy电压的调制作用，以下按输出电压vout三个可能的工作区间分别讨
论 ：1.当vout电压较低时，如果栅极保持不变，ma2的电流会大幅度降低。同时vx和vy的电压也较低，偏置电流i0和i1电流也变大。vout电压略低于vx的电压，ma1的电流增大，ma1，mb3和ma2的栅极电压抬升，ma2的电流变大。此时下拉能力可以保持不变，甚至在i0变大的情况下增强。
24.2.当vout在中间电压段时，i0和i1处于典型工作状态，ma2的工作电流由晶体管的比例决定。
25.3.当vout电压较高时，ma2受沟道长度效应影响，栅极不变的情况下，电流会大幅度增大。此时vx和vy的电压也较高，偏置电流i0和i1端电压变小，电流减小。vout电压略高于vx的电压，ma1的电流减小，ma1，mb3和ma2的栅极电压降低，ma2的电流变小。此时下拉能力可以保持不变，甚至在i0变小的情况下减小。但是由于vout输出为高时，电路处于输出拉电流状态，nmos管ma0提供输出电流，偏置电流大小对驱动能力没有影响。
26.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
27.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。