一种高精度多输出电压缓冲器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及集成电路【技术领域】，具体的说是涉及一种高精度多输出电压缓冲器。本发明通过常规的方法将运算放大器的反相输入端与输出端相连，输出了一个高精度电压，然后在该输出电压的基础上加上一个工作在线性区的NMOS管的漏源电压VDS和一个工作在饱和区的NMOS管的栅源电压VGS，然后再减去另外一个工作在饱和区的NMOS管的栅源电压VGS和另外一个工作在线性区的NMOS管的漏源电压VDS，同时使得这两个工作在线性区和饱和区的NMOS管的漏源电压分别相等，这样加上和减去的VGS与VDS可以抵消，实现了另外一个高精度的输出电压。本发明的有益效果为，使用一个运算放大器，实现了输出多个高精度的电压。本发明尤其适用于电压缓冲器。
【专利说明】一种高精度多输出电压缓冲器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及集成电路【技术领域】，具体的说是涉及一种高精度多输出电压缓冲器。
【背景技术】
[0002] 运算放大器是模拟电路领域中一个重要的电路单元，它具有一个正相输入端、一 个反相输入端、以及一个输出端。利用运算放大器，将其输出端与反相输入端相连，可以连 接成单位增益缓冲器。如图1所示为一常规的单位增益缓冲器示意图。该单位增益缓冲器 是将运算放大器0P的反相输入端与输出端相连，运算放大器0P的正相输入端为缓冲器的 输入端，可以连基准电压信号。缓冲器电路在模拟电路和射频电路中被广泛应用。
[0003] 常规的缓冲器结构如果想实现大的电流输出或者多个输出，往往需要使用多个电 压缓冲器或者需要使用共漏极放大器，形成源极跟随器（source follower)。但是使用多个 电压缓冲器，意味着需要使用多个运算放大器，从而导致功耗大。而使用source follower 则会存在阈值电压或者衬偏效应不平衡的问题，导致输出电压产生漂移。如图2所示，常 规利用source follower构成多输出缓冲器的方法通常是采用一个PM0S管构成的source follower级联一个NM0S管构成的source follower。调整管子尺寸，使得MP1和MN1工作 在亚阈区或者饱和区，这样：
[0004] VSG(MP1) ^ I Vthpl | or | Vthpl |+V0Vpl (1)
[0005] VgsOiMI) ^ Vthnl〇r Vthnl+V〇Vnl ⑵
[0006] 式⑴?（2)中Vse(MP1)代表MP1管源极与栅极之间的电压，Ves(MN1)代表MN1管栅 极与源极之间的电压，I Vthpl |代表PM0S管MP1的阈值电压的绝对值，Vthnl代表NM0S管MN1 的阈值电压；VQVpl与V Wnl分别表示MP1与丽1的过驱动电压。即使假设PM0S与NM0S的过 驱动电压相等，但是两管的栅源电压仍然存在阈值电压偏差，这个阈值电压偏差里面包括 了 PM0S和NM0S阈值电压自身的差别以及衬偏效应的影响，使得Vwt2的输出精度较低，难以 控制，且受应用环境及工艺的影响较大。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的，就是针对上述传统缓冲器中功耗和精度不能兼顾的问题，提出了 一种高精度多输出电压缓冲器。
[0008] 本发明的技术方案是，一种高精度多输出电压缓冲器，其特征在于，该缓冲器由输 入电流源，PM0S 管 MP1、MP2、MP3、MP4、MP5、MP6、MP7，NM0S 管 MN1、MN2、MN3、MN4、MN5、MN6、 丽7、]\^8、]\^9、丽10构成；其中，]\^1、]\^2、]\^3、]\^4、]\^7的栅极互连 ；1^1的源极接电源￥〇：， 其栅极和漏极互连，其漏极接输入电流源的正极；输入电流源的负极接地VSS ;MP2的源极 接电源VCC，其漏极接丽1的漏极;丽1的漏极和栅极互连，其源极接地VSS ;丽1、丽2、丽3、 MN9的栅极互连；MP3的源极接电源VCC，其漏极接MP5的源极与MP6的源极的连接点；MP5 的栅极接输入电压，其漏极接地VSS ;MP6的栅极和漏极互连作为缓冲器的第一输出端，其 漏极接丽2的漏极；丽2的源极接地VSS ;MP4的源极接电源VCC，其漏极接丽5的漏极；丽5 的栅极接丽6的栅极，其源极接MN4的漏极；MN4的栅极接电源VCC，其源极接MP6的栅极 和丽3的漏极；丽3的源极接地；MP7的源极接电源VCC，其漏极接MN6的漏极和丽10的栅 极；MN6的源极接丽7的漏极；丽10的漏极接电源VCC，其源极接丽7的漏极；丽7的栅极与 MN8的栅极接控制信号ΕΝ ;MN7的源极接MN8的漏极作为缓冲器的第二输出端；MN8的源极 接MN9的漏极；MN9的源极接地VSS。
[0009] 本发明的有益效果为，使用一个运算放大器，实现了输出多个高精度的电压。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 图1为常规的电压缓冲器结构示意图；
[0011] 图2为常规的一种多输出电压缓冲器结构示意图；
[0012] 图3为本发明的一种高精度多输出电压缓冲器结构示意图。
【具体实施方式】
[0013] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行描述
[0014] 本发明通过常规的方法将运算放大器的反相输入端与输出端相连，输出了一个高 精度电压，然后在该输出电压的基础上加上一个工作在线性区的NM0S管的漏源电压V DS和 一个工作在饱和区的NM0S管的栅源电压Ves，然后再减去另外一个工作在饱和区的NM0S管 的栅源电压V es和另外一个工作在线性区的NM0S管的漏源电压VDS，同时使得这两个工作在 线性区和饱和区的NM0S管的漏源电压分别相等，这样加上和减去的V es与VDS可以抵消，实 现了另外一个高精度的输出电压，利用同样的方法加上和减去的相等的V es和VDS，可以拓展 下去实现多个高精度的输出。
[0015] 如图3所示，本发明的高精度多输出电压缓冲器，由输入电流源，PM0S管MP1、MP2、 1^3、]\^4、]\^5、]\^6、]\^7，匪05管丽1、丽2、丽3、]\^4、丽5、]\^6、丽7、]\^8、]\^9、丽10构成 ；其 中，1^1、1^2、1^3、1^4、1^7的栅极互连；1^1的源极接电源￥0：，其栅极和漏极互连，其漏极 接输入电流源的正极；输入电流源的负极接地VSS ;MP2的源极接电源VCC，其漏极接丽1的 漏极；丽1的漏极和栅极互连，其源极接地VSS ;丽1、丽2、丽3、MN9的栅极互连；MP3的源极 接电源VCC，其漏极接MP5的源极与MP6的源极的连接点；MP5的栅极接输入电压，其漏极 接地VSS ;MP6的栅极和漏极互连作为缓冲器的第一输出端，其漏极接MN2的漏极；MN2的源 极接地VSS ;MP4的源极接电源VCC，其漏极接丽5的漏极；丽5的栅极接MN6的栅极，其源 极接MN4的漏极；MN4的栅极接电源VCC，其源极接MP6的栅极和丽3的漏极；丽3的源极接 地；MP7的源极接电源VCC，其漏极接MN6的漏极和丽10的栅极；MN6的源极接丽7的漏极； 丽10的漏极接电源VCC，其源极接丽7的漏极；丽7的栅极与MN8的栅极接控制信号EN ;丽7 的源极接MN8的漏极作为缓冲器的第二输出端；MN8的源极接MN9的漏极；MN9的源极接地 VSS。
[0016] 与常规的电压缓冲器相比，只用了一个运算放大器，实现了输出多个高精度的电 压，并且该结构可以根据需要不断地拓展下去。通过常规的方法将运算放大器的反相输入 端与输出端相连，输出了一个高精度电压v wtl。当控制EN为低电平时，关断第二条输出支 路，而当控制EN为高电平时，在V。^的基础上往上叠加一个工作在线性区的NM0S管MN4的 漏源电压V DS(MN4)和一个工作在饱和区的NM0S管丽5的栅源电压Ves(W5)，然后再减去另外一 个工作在饱和区的NMOS管丽6的栅源电压Ves(W6)和另外一个工作在线性区的NMOS管丽7 的漏源电压VDS(MN7)，得到另一个高精度输出电压ν_2。由电流镜的镜像原理，很容易做到 ：
[0017] Ids (MP7) - Ids (mp4) - Ids0iM3)⑶
[0018] Ids (μνθ) - 21]^(丽3) (4)
[0019] 式（3)?⑷中IDS(MP7)和IDS(MP4)分别代表MP7管和MP4管的漏源电流，I DS(MN3)、 IDS(_和Ids(mn：s分别代表丽3、MN9、丽3管的漏源电流。
[0020] 结合图3和式⑶?⑷可得：
[0021] Ids (mns) - Ids (μνθ) - Ids(mnio)⑶
[0022] 式（5)中 IDS(MN5)、IDS(MN6)、IDS(_ 分别代表 MN5、MN6、MN10 管的漏源电流。
[0023] 由式（5)可知流过丽5、MN6、丽10管的电流相等，这样可以保证：
[0024] VDS (MN6) - VGS (MN1〇) - VGS (MN5) - VDS(MN5) (6)
[0025] 式（6)中VDS(_和VDS(MNS分别代表MN6和MN5管的漏源电压，V es(_代表MN10管 的栅源电压。
[0026] 这样使得沟道调制效应对MN5与MN6几乎没有影响。由式（3)?（4)可知流过MN7 的电流是流过MN4电流的一倍。由于丽5与MN6的衬底都接地，这样使得这两个个管子的 衬偏条件都相同，丽5与MN6的尺寸相等。又因为流过丽7的电流是流过MN4电流的两倍， 所以设置丽7的宽长比是MN4的两倍，因此可以得到：
[0027] VGS (MN5) - VGS(MN6) (7)
[0028] VDS (MN4) - ⑶
[0029] 又因为：
[0030] Vout2 - V0Utl+VDS (MN4) +VGS (MN5) ~VGS (MN6) ~VDS (MN7) (9)
[0031] 由式（7)?（9)可得：
[0032] Vout2 = Voutl (10)
[0033] 通过拓展，可以实现输出多个类似ν_2的电压。这样本发明通过一个运放实现了 多输出电压缓冲器的同时，还保证了电压缓冲器具有很高的输出精度。如图3所示，无需额 外的运算放大器，仅需两条额外支路就可以独立地实现具有大电流输出能力的高精度电压 缓冲。同时避免了对运算放大器大的尾电流的需求，节省了功耗。此外，利用本发明提出的 方法，可以根据系统的需要，不断地拓展电压缓冲器，并且每个电压输出都可以进行独立的 开启与关断控制，提升了应用的便捷性。因此，本发明提出的多输出电压缓冲器，在低功耗 与小的面积消耗下，实现了多个可以独立工作的高精度电压缓冲单元，为应用提供了便利 性。
【权利要求】
1. 一种高精度多输出电压缓冲器，其特征在于，该缓冲器由输入电流源，PMOS管MP1、 MP2、MP3、MP4、MP5、MP6、MP7，NM0S 管 MN1、MN2、MN3、MN4、MN5、MN6、MN7、MN8、MN9、MN10 构 成；其中，MP1、MP2、MP3、MP4、MP7的栅极互连；MP1的源极接电源VCC，其栅极和漏极互连， 其漏极接输入电流源的正极；输入电流源的负极接地VSS ;MP2的源极接电源VCC，其漏极接 丽1的漏极；丽1的漏极和栅极互连，其源极接地VSS ;丽1、丽2、丽3、MN9的栅极互连；MP3 的源极接电源VCC，其漏极接MP5的源极与MP6的源极的连接点；MP5的栅极接输入电压，其 漏极接地VSS ;MP6的栅极和漏极互连作为缓冲器的第一输出端，其漏极接MN2的漏极;MN2 的源极接地VSS ;MP4的源极接电源VCC，其漏极接丽5的漏极；丽5的栅极接MN6的栅极， 其源极接MN4的漏极；MN4的栅极接电源VCC，其源极接MP6的栅极和丽3的漏极；丽3的源 极接地；MP7的源极接电源VCC，其漏极接MN6的漏极和丽10的栅极；MN6的源极接丽7的 漏极；丽10的漏极接电源VCC，其源极接丽7的漏极；丽7的栅极与MN8的栅极接控制信号 ΕΝ ;MN7的源极接MN8的漏极作为缓冲器的第二输出端；MN8的源极接MN9的漏极;MN9的源 极接地VSS。
【文档编号】G05F3/26GK104090626SQ201410315712
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月3日 优先权日:2014年7月3日
【发明者】王卓, 赵倬毅, 石跃, 张瑜, 孙亚东, 周泽坤, 张波 申请人:电子科技大学