專利名稱：一種差分參考電壓緩沖器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及集成電路領(lǐng)域，具體涉及ー種差分參考電壓緩沖器。
背景技術(shù)：
參考電壓(Voltage Reference)，通常是指在電路中用作電壓基準(zhǔn)的高穩(wěn)定度的電壓，也稱為基準(zhǔn)電壓。在許多集成電路和電路單元中，如數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器，都需要精密而穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓源。理想的基準(zhǔn)電壓源不受電源和溫度的影響，在電路中能提供穩(wěn)定的電壓。 在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路中，參考電壓作為數(shù)據(jù)量化的基準(zhǔn)，對其速度和精度有著很高的要求。然而，在高速高精度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中，由于開關(guān)電容電路的大量使用，參考電壓和電源線上都將有很大的電壓波動，這嚴(yán)重影響了整個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的性能和精度。如何保證參考電壓在對電容充放電后快速恢復(fù)到穩(wěn)定電平、對小的電壓干擾不敏感、并且消耗盡可能少的能量已經(jīng)成為整個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種響應(yīng)速度快、低噪聲且低功耗的差分參考電壓緩沖器。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供ー種差分參考電壓緩沖器，包括控制部分、主緩沖部分和復(fù)制緩沖部分，所述主緩沖部分串接于控制部分和復(fù)制緩沖部分之間，其中所述控制部分包括全差分運(yùn)算放大器和共模反饋電路，所述共模反饋電路的輸出端接至所述全差分運(yùn)算放大器的共模反饋輸入端；所述主緩沖部分包括串聯(lián)的第一晶體管和第二晶體管，所述第一晶體管和第二晶體管共用一路偏置電流，所述全差分運(yùn)算放大器的正負(fù)輸出端分別接至所述第一晶體管和第二晶體管的柵極，所述第一晶體管和第二晶體管的源極接至所述共模反饋電路的輸入端;所述復(fù)制緩沖部分包括串聯(lián)的第四晶體管和第五晶體管，所述第四晶體管和第五晶體管共用一路偏置電流，所述第四晶體管和第五晶體管的柵極分別接至所述第一晶體管和第二晶體管的柵極，所述第四晶體管和第五晶體管的源極分別輸出正負(fù)兩個參考電壓。作為優(yōu)選，所述全差分運(yùn)算放大器的正負(fù)輸入端用于分別通過第一和第二電阻來接收輸入?yún)⒖茧妷翰⒎謩e通過第三和第四電阻連接到所述第一晶體管和第二晶體管的源極以形成負(fù)反饋。作為優(yōu)選，所述共模反饋電路具有正負(fù)兩個輸入端、一個共模電平輸入端，所述共模電平輸入端用以接收外部輸入的共模電壓，所述共模反饋電路強(qiáng)制所述主緩沖部分的所述第一晶體管和第二晶體管的源極輸出的第一電壓和第二電壓的均值等于所述共模電壓。作為優(yōu)選，所述共模反饋電路包括運(yùn)算放大器和分別連接到所述運(yùn)算放大器的正輸入端的第五電阻和第六電阻，所述第五電阻和第六電阻的另一端分別為所述共模反饋電路的正負(fù)輸入端，所述運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端為所述共模反饋電路的共模電平輸入端，所述運(yùn)算放大器的輸出端為所述共模反饋電路的輸出端。作為優(yōu)選，所述共模反饋電路包括由第七晶體管和第八晶體管構(gòu)成的第一差分對及由第九晶體管和第十晶體管構(gòu)成的第二差分對，所述第八晶體管和第九晶體管的柵極相連接且該柵極為共模反饋電路的共模電平輸入端，所述第八晶體管和第九晶體管的漏極相連接且連接到第十一晶體管的漏極，所述第十一晶體管的柵極連接到漏極并為共模反饋電路的輸出端，所述第七晶體管和第十晶體管的柵極分別為所述共模反饋電路的正負(fù)輸入端。作為優(yōu)選，所述主緩沖部分還包括第三晶體管，所述第一晶體管接于電源和第二晶體管之間，第三晶體管連接在第二晶體管與地之間。作為優(yōu)選，所述主緩沖部分還包括去耦電容器，所述去耦電容器分別接于電源和第一晶體管的柵極之間、第一晶體管和第二晶體管的柵極之間以及第ニ晶體管和地之間。作為優(yōu)選，所述主緩沖部分中的第一晶體管和第二晶體管共用一路偏置電流，并且均采用NMOS晶體管實(shí)現(xiàn)。作為優(yōu)選，所述復(fù)制緩沖部分還包括第六晶體管，所述第四晶體管連接在電源和第五晶體管之間，第六晶體管連接在第五晶體管和地之間。作為優(yōu)選，所述復(fù)制緩沖部分中的第四晶體管和第五晶體管共用一路偏置電流，并且均采用NMOS晶體管實(shí)現(xiàn)。本實(shí)用新型的差分參考電壓緩沖器中，控制部分和主緩沖部分根據(jù)輸入電壓大小并優(yōu)選通過負(fù)反饋產(chǎn)生出兩個偏置電壓，該偏置電壓在優(yōu)選使用大電容去耦后送至復(fù)制緩沖部分。復(fù)制緩沖部分利用該偏置電壓輸出兩個參考電壓。由于復(fù)制緩沖部分已經(jīng)是開環(huán)電路，因此具有較快的響應(yīng)速度和較強(qiáng)的電容驅(qū)動能力。每個緩沖部分均包含兩個源極跟隨器，且其共用一路偏置電流，從而大大節(jié)省了功耗開銷。

附圖I為本實(shí)用新型的差分參考電壓緩沖器的電路示意圖；附圖2為控制部分中的全差分運(yùn)算放大器10的一個實(shí)施例的電路示意圖；附圖3為控制部分中的共模反饋電路11的一個實(shí)施例的電路示意圖；附圖4為控制部分中的共模反饋電路11的另ー個實(shí)施例的電路示意具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。圖I為本實(shí)用新型的差分參考電壓緩沖器的電路示意圖，如圖I所示，其包括控制部分I、主緩沖部分2和復(fù)制緩沖部分3這三個部分，主緩沖部分2串接于控制部分I和復(fù)制緩沖部分3之間?？刂撇糠諭包含了全差分運(yùn)算放大器10、共模反饋電路11和四個電阻HR3和R4，并且R1 = R2, R3 = R4，共模反饋電路11的輸出端接至全差分運(yùn)算放大器10的共模反饋輸入端以確定其輸出共模電平。電阻R1和R2 —端接到例如地gnd與參考電壓Vr，另一端接至全差分運(yùn)算放大器、10的輸入端以形成“虛地”，從而線13與線14上的電壓滿足下式
圖(1。)^ -り點(diǎn)從而有Vu-Vl4=^Vr由于共模反饋電路11的兩個輸入端分別接到線13和14上，因此共模反饋電路11可強(qiáng)制線13和線14上電壓的均值等于線15上所接收到的外部輸入共模電平VM，因此有V13+V14 = 2VCffl因此線13與線14上的電壓為 Vu = Vcm + ~~KV14 = Vcm ---^-K主緩沖部分包括三個NMOS晶體管MpM2和M3。M1作為源極跟隨器來輸出線13上的電壓，M2作為源極跟隨器輸出線14上的電壓，M3是電流源晶體管，采用NMOS晶體管可實(shí)現(xiàn)較大的跨導(dǎo)。M1J2的柵端17與16分別接于控制部分I的全差分運(yùn)算放大器10的正負(fù)輸出端以形成閉環(huán)負(fù)反饋，M1與M2柵端的電壓由控制部分I的全差分運(yùn)算放大器10的輸出而確定，其大小為V17 = V13+VGS1V16 — V14+VGS2線16與線17上可接ー組去耦電容20，這組電容將在高頻情況下大大降低線16與線17的阻抗，從而降低噪聲。主緩沖部分2的兩個源極跟隨器M1和M2共享M3提供的偏置電流，從而大幅降低了功耗開銷。復(fù)制緩沖部分3包括三個晶體管M4、M5和M6。M4作為源極跟隨器來輸出線31上的正參考電壓VMfp，M5作為源極跟隨器輸出線30上的負(fù)參考電壓VMfn，M6是電流源晶體管。與主緩沖部分2相同，M4和M5柵端的偏置電壓同樣由控制部分I的全差分運(yùn)算放大器10的正、負(fù)兩個輸出端來提供。然而與主緩沖部分2不同的是復(fù)制緩沖部分3輸出的兩個參考電壓沒有反饋回控制部分I的全差分運(yùn)算放大器10的輸入端。換言之，復(fù)制緩沖部分3工作于開環(huán)狀態(tài)，從而具有較快的響應(yīng)速度。穩(wěn)定狀態(tài)下Vrefp和Vrefn的值為Vrefp — V17-Vgs4 — V13+VGS1-VGS4Vrefn = V16+VGS5 = V14+VGS2-VGS5在設(shè)計(jì)吋，復(fù)制緩沖部分3和主緩沖部分2的源極跟隨器晶體管的尺寸比例會與電流源晶體管的尺寸比例相同，因此Vffil = VGS4, Vgs2 = Vgs5,從而輸出的兩個參考電壓V_和VMfn的值與線13、線14上的電壓值相等，即Kefp =廠13 = Km + Yp~Vr[0046]Kefn =廠14 = Km ~另外一方面，復(fù)制緩沖部分3的兩個源極跟隨器M4和M5共享M6提供的偏置電流，從而大幅降低了功耗開銷。圖2是控制部分I中的全差分運(yùn)算放大器10的一個實(shí)施例的電路示意圖。該放大器采用經(jīng)典的電流鏡型結(jié)構(gòu)，其正負(fù)輸入端為差分對M'2的柵端。輸入電壓由差分對M' 1,M/ 2轉(zhuǎn)為電流后被電流鏡M' 5、M' 6鏡像輸出。該全差分運(yùn)算放大器的共模反饋輸入端為輸出部分的電流源晶體管M' 7、M' 8的柵端。圖3是控制部分I中的共模反饋電路11的一個實(shí)施例的電路示意圖。如圖3所示，共模反饋電路11包括運(yùn)算放大器113和分別連接到運(yùn)算放大器113的正輸入端的第一電阻110和第二電阻111，第一電阻110和第二電阻111取值相同，其另 一端將分別接收控制部分I的中線13和線14上的電壓并對其求平均值送至線112。運(yùn)算放大器113的負(fù)輸入端為共模反饋電路11的共模電平輸入端，所述運(yùn)算放大器113的輸出端為所述共模反饋電路11的輸出端，運(yùn)算放大器113將線112上的電壓與外部輸入的共模電壓V 比較，并通過輸出端控制全差分運(yùn)算放大器10的共模反饋端。在環(huán)路穩(wěn)定后，線112上的電壓將和V 相等。圖4是控制部分I中的共模反饋電路11的另外ー個實(shí)施例的電路示意圖。如圖4所示，共模反饋電路包括由第七晶體管M":和第八晶體管M" 2構(gòu)成的第一差分及由第九晶體管M" 3和第十晶體管M" 4構(gòu)成的第二差分對，第八晶體管M" 2和第九晶體管M" 3的柵極相連接且該柵極為共模反饋電路11的共模電平輸入端，第八晶體管M" 2和第九晶體管M" 3的漏極相連接且連接到第十一晶體管M" 5的漏極，第十一晶體管M" 5的柵極連接到漏極并為共模反饋電路11的輸出端。第七晶體管M":和第十晶體管M" 4的柵極分別為共模反饋電路11的正負(fù)輸入端，M":和M" 4將接收來自控制部分中線13和線14上的電壓并通過差分對M" pM" 2和M" 3、M" 4對接收到的電壓求均值并與外部輸入的共模電壓Vm比較，然后通過輸出端控制全差分運(yùn)算放大器10的共模反饋端。在環(huán)路穩(wěn)定后，線13和線14上電壓的平均值等于 vCD1。以上所述僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例，本實(shí)用新型不局限于上述特定實(shí)施例子，在不背離本實(shí)用新型精神及其實(shí)質(zhì)情況下，熟悉本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)本實(shí)用新型作出各種相應(yīng)改變和變形，但這些相應(yīng)改變和變形都應(yīng)屬于本實(shí)用新型所附權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.ー種差分參考電壓緩沖器，其特征在于，包括控制部分(I)、主緩沖部分(2)和復(fù)制緩沖部分(3)，所述主緩沖部分(2)串接于控制部分(I)和復(fù)制緩沖部分(3)之間，其中， 所述控制部分(I)包括全差分運(yùn)算放大器(10)和共模反饋電路(11)，所述共模反饋電路(11)的輸出端接至所述全差分運(yùn)算放大器(10)的共模反饋輸入端； 所述主緩沖部分(2)包括串聯(lián)的第一晶體管和第二晶體管，所述第一晶體管和第二晶體管共用一路偏置電流，所述全差分運(yùn)算放大器(10)的正負(fù)輸出端分別接至所述第一晶體管和第二晶體管的柵極，所述第一晶體管和第二晶體管的源極接至所述共模反饋電路(11)的輸入端； 所述復(fù)制緩沖部分(3)包括串聯(lián)的第四晶體管和第五晶體管，所述第四晶體管和第五晶體管共用一路偏置電流，所述第四晶體管和第五晶體管的柵極分別接至所述第一晶體管和第二晶體管的柵極，所述第四晶體管和第五晶體管的源極分別輸出正負(fù)兩個參考電壓。
2.如權(quán)利要求I所述的差分參考電壓緩沖器，其特征在于，所述全差分運(yùn)算放大器(10)的正負(fù)輸入端用于分別通過第一和第二電阻來接收輸入?yún)⒖茧妷翰⒎謩e通過第三和第四電阻連接到所述第一晶體管和第二晶體管的源極以形成負(fù)反饋。
3.如權(quán)利要求I所述的差分參考電壓緩沖器，其特征在于，所述共模反饋電路(11)具有正負(fù)兩個輸入端、一個共模電平輸入端，所述共模電平輸入端用以接收外部輸入的共模電壓，所述共模反饋電路(11)強(qiáng)制所述主緩沖部分的所述第一晶體管和第二晶體管的源極輸出的第一電壓和第二電壓的均值等于所述共模電壓。
4.如權(quán)利要求3所述的差分參考電壓緩沖器，其特征在于，所述共模反饋電路(11)包括運(yùn)算放大器(113)和分別連接到所述運(yùn)算放大器(113)的正輸入端的第五電阻和第六電阻，所述第五電阻和第六電阻的另一端分別為所述共模反饋電路(11)的正負(fù)輸入端，所述運(yùn)算放大器(113)的負(fù)輸入端為所述共模反饋電路(11)的共模電平輸入端，所述運(yùn)算放大器(113)的輸出端為所述共模反饋電路(11)的輸出端。
5.如權(quán)利要求3所述的差分參考電壓緩沖器，其特征在于，所述共模反饋電路(11)包括由第七晶體管和第八晶體管構(gòu)成的第一差分對及由第九晶體管和第十晶體管構(gòu)成的第ニ差分對，所述第八晶體管和第九晶體管的柵極相連接且該柵極為共模反饋電路(11)的共模電平輸入端，所述第八晶體管和第九晶體管的漏極相連接且連接到第十一晶體管的漏極，所述第十一晶體管的柵極連接到漏極并為共模反饋電路(11)的輸出端，所述第七晶體管和第十晶體管的柵極分別為所述共模反饋電路(11)的正負(fù)輸入端。
6.如權(quán)利要求I所述的差分參考電壓緩沖器，其特征在于，所述主緩沖部分(2)還包括第三晶體管，所述第一晶體管接于電源和第二晶體管之間，第三晶體管連接在第二晶體管與地之間。
7.如權(quán)利要求I所述的差分參考電壓緩沖器，其特征在于，所述主緩沖部分(2)還包括去耦電容器(20)，所述去耦電容器分別接于電源和第一晶體管的柵極之間、第一晶體管和第二晶體管的柵極之間以及第ニ晶體管和地之間。
8.如權(quán)利要求I所述的差分參考電壓緩沖器，其特征在于，所述主緩沖部分(2)中的第一晶體管和第二晶體管共用一路偏置電流，并且均采用NMOS晶體管實(shí)現(xiàn)。
9.如權(quán)利要求I所述的差分參考電壓緩沖器，其特征在于，所述復(fù)制緩沖部分(3)還包括第六晶體管，所述第四晶體管連接在電源和第五晶體管之間，第六晶體管連接在第五晶體管和地之間。
10.如權(quán)利要求I所述的差分參考電 壓緩 沖器，其特征在于，所述復(fù)制緩沖部分(3)中的第四晶體管和第五晶體管共用一路偏置電流，并且均采用NMOS晶體管實(shí)現(xiàn)。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種差分參考電壓緩沖器，包括控制部分、復(fù)制緩沖部分和串接于控制部分和復(fù)制緩沖部分之間的主緩沖部分，控制部分包括全差分運(yùn)算放大器和共模反饋電路，共模反饋電路的輸出端接至全差分運(yùn)算放大器的共模反饋輸入端；主緩沖部分包括共用一路偏置電流的第一和第二晶體管，全差分運(yùn)算放大器的輸出端接至第一和第二晶體管的柵極，第一和第二晶體管的源極接至共模反饋電路的輸入端；復(fù)制緩沖部分包括共用一路偏置電流的第四和第五晶體管，第四和第五晶體管的柵極分別接至第一和第二晶體管的柵極，第四和第五晶體管的源極分別輸出參考電壓。本實(shí)用新型的差分參考電壓緩沖器響應(yīng)速度快、低噪聲且低功耗，能夠提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的性能和精度。
文檔編號H03K19/003GK202395750SQ20112049859
公開日2012年8月22日 申請日期2011年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月2日
發(fā)明者丁學(xué)欣, 劉巖海, 呂海峰, 張輝, 李旦 申請人:上海貝嶺股份有限公司