一种迟滞比较器的制作方法

专利名称：一种迟滞比较器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于模拟集成电路领域，涉及一种迟滞比较器，尤其适用 于集成电路芯片中使用。
背景技术：
在集成芯片的应用领域中，为保证芯片在正常和非正常使用情况下的 可靠性，其控制电路中应包括保护和检测电路。保护电路具备自身保护和 负载保护两方面的功能， 一旦出现故障，立即使芯片电路停止工作比较器。 检测电路是检测电路不同的工作状态，使芯片可以针对不同的工作状态做 出合适的反应。
传统的带有内部正反馈的迟滞比较器如图1所示。它是在高增益开环
比较器的输入级使用内部正反馈实现迟滞的比较器。该比较器由N沟道 MOS晶体管Nl、 N2构成差动输入对；二极管连接的P沟道MOS晶体管 Pl、 P2作负载；恒定电流源Il作为电流源和内部P沟道MOS晶体管P3、 P4构成正反馈回路组成迟滞比较器。
此电路中共有两条反馈路径，第一条是通过晶体管Nl和N2的共源节 点的串联电流反馈，这条反馈通路是负反馈；第二条是连接P3和P4源一 漏极的并联电压反馈，这条反馈通路是正反馈。当此正反馈系数小于负反 馈系数时，整个电路将表现为负反馈，同时失去迟滞效果；当正反馈系数 大于负反馈系数时，整个电路将表现为正反馈，同时在电压传输曲线中将 出现迟滞。
这种比较器由于决定级四个管子是两两对称的，即Pl和P2管宽长比相 同，P3和P4管宽长比相同，则比较器的阈值电压对于输入参考电压来说是 对称分布的；而实际中特别是低电压低功耗条件下可能要求比较器的阈值
电压对于参考电压不一定对称。其次，图1所示的比较器正阈值和负阈值 都与器件的宽长比有关，受到工艺和温度的影响，而在实际中可能要求比 较器的正/负阈值和参考电压完全相同，且具有一定的迟滞效果。因此需要 单边迟滞比较器。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种迟滞比较器，该比较器具有高精度单 边迟滞功能。
本实用新型提供的迟滞比较器，它包括NMOS管Nl和N2、 PMOS管 Pl、 P2、 P5和迟滞调节器，其中，迟滞调节器由PMOS管P6构成，用于 调节比较器的阈值；NMOS管Nl、 N2对称，PMOS管Pl、 P2、 P5的宽长 比相等，PMOS管P6的宽长比大于PMOS管Pl的宽长比；NMOS管Nl 管栅极作为正输入端V^， NMOS管N2管的栅极作为负输入端Vin2，它们 的源极相连，同时接尾电流源II的正端，电流源II的负端接地；NMOS 管Nl漏极与PMOS管Pl漏极相连，并连接到迟滞调节器中PMOS管P6 漏极；PMOS管Pl的漏级与栅级相连，成二极管连接；NMOS管N2的漏 极与PMOS管P2漏极相连，同时连接到PMOS管P5的漏极；PMOS管P2 漏极与其栅极相连，PMOS管Pl与P5的栅极相连，PMOS管P6与PMOS 管P2的栅极相连；PMOS管Pl、 P2、 P5、 P6的源极相连， 一起接入电源 VDD; PMOS管P6的负输出端VQ1从NMOS管Nl的漏极引出，PMOS管 的正输出端Vo2从NMOS管N2管的漏极引出。
本实用新型的迟滞比较器电路是由内部正反馈实现迟滞的比较器改进 而成，由不对称结构的正反馈回路构成本迟滞比较器电路的阈值电压产生 部分，再加提供相应输出电压摆幅和合理输出电阻的输出级电路，共同组 成了本迟滞比较器电路的核心部分。通过对阈值电压调节器的调节，则可 以实现一个阈值固定为基准电压Vref，另一阈值电压可调的效果。因此可以
实现不同大小的迟滞电压VHYS。
当本迟滞比较电路的各个参数设定后，电路即可在低压电源供电的情 况下工作在芯片内部。例如当本迟滞比较电路应用于开关电源管理芯片中， 在软启动过程中对输出电压检测，在输出电压低于本电路所设定的翻转阈 值时，本电路输出相应的控制信号将使得电路继续处于软启动阶段；在输 出电压高于本电路所设定的翻转阈值时，本电路输出相应的控制信号将使 得电路处于正常工作阶段。本实用新型中的迟滞比较器还可以工作在低电 压保护模块中，在输出电压低于本电路所设定的翻转阈值时，电路输出相 应的控制信号将关断芯片中的大部分模块，以起到保护作用。由于本电路 中的负阈值只与输入电压有关，因此单边阈值可以精确确定而不受电路器 件工艺的影响。而另一阈值电压只受反馈管的宽长比而确定，使得迟滞电 路迟滞量可精确控制在10mV左右。电路中加入了正反馈回路使得电路有 加速作用，而且使比较器的增益变大，精度可达到0.2uV。本电路减少了电 路中的静态功耗，大概为50uW左右。电路可以工作在低压低功耗模式下， 适用与芯片的集成和使用。


图1为现有的迟滞比较器电路的电路原理图2为本实用新型采用NMOS输入的迟滞比较器阈值可调的电路原理图3为对应于图2的采用PMOS输入的迟滞比较器电路原理图； 图4为对应于图3的一种实施方式的电路图。
具体实施方式
下面将通过典型的应用实例结合附图加以说明。
本实用新型迟滞比较器包括电流源II、 二个输入MOS管、三个负载 MOS管和迟滞调节器11，其中迟滞调节器11用于调节比较器的阈值。当 输入MOS管为NMOS管时，负载MOS管采用PMOS管；当输入MOS管 为PMOS管时，负载MOS管釆用NMOS管。
当输入MOS管为NMOS管、负载MOS管为PMOS管，迟滞调节器 11采用PMOS管P6实现时，电路的具体结构如图2所示。电路中NMOS 管N1、 N2完全对称。Pl、 P2、 P5的宽长比(W/L)tM、 (W/L)P2、 (W/L)ps相 等，l!P(W/L)P1=(W/L)P2=(W/L)P5=A;且迟滞调制器P6的宽长比(W/L)p6大于 Pl、 P2、 P5的宽长比，艮口(W/L)P6-B〉A， A、 B为常数。
本实用新型的实施电路具体工作原理详细叙述如下。本电路可通过迟
滞调节器的作用而产生单边迟滞的效果。V^为比较器的正端，V^为比较
器的负端。当Vim远远小于Vj。2时，NMOS管Nl截止，此时PMOS管Pl 和P5截止；由于Vin2比较大使得NMOS管N2导通，尾电流源II的电流 完全流过N2管。PMOS管P6和PMOS管P5处于深三级管状态，无电流 流过。
V^逐渐增大，并接近正阈值Vth+吋，Nl饱和导通，迟滞调节器PMOS 管P6线性导通。当NMOS管Nl的电流iN1与迟滞调节器P6上的电流iP6 电流相等时，比较器到达它的正翻转阈值vth+。即当^=/,)6时，比较器到
达它的正翻转阈值vto+。
PMOS管P6与P2成电流镜结构，则由电流镜结构电路的特性可知处 于饱和状态的MOS管流过的电流与其宽长比成正比，即
<formula>formula see original document page 6</formula> (1)
设(W/L)p6/(W/L)p2＝c， c为常数且小于1
通过NMOS管Nl和N2的总电流应该和尾电流源II电流h相同即
<formula>formula see original document page 6</formula>(2) 由上面的分析可以得出，比较器的正向迟滞vth+为
<formula>formula see original document page 6</formula>
由式(3)可知比较器的正向阈值与参数c有紧密关系，设计中固定了P1、 P2、 P5的宽长比且知道尾电流的大小，只要调节迟滞调制器11中P6的宽 长比决定了迟滞比较器的迟滞量。
当Vinl远远大于Vin2时，NMOS管N2截止，此时PMOS管P2和迟滞 量调制器11的P6截止；由于Vinl比较大使得NMOS管Nl导通，尾电流 源Il的电流完全流过N1管。同时PMOS管P5深三极管状态，无电流流过。
Vin2逐渐增大，并接近负阈值VTH-时，N2饱和导通，PMOS管P5线 性导通。当NMOS管N2的电流与PMOS管P5上的电流相等时，比较器到
达它的负翻转阈值VTH-。即当^^^时，比较器到达它的负翻转阈值VTH-。
PMOS管Pl与P5成电流镜结构，则由电流镜结构电路的特性可知处 于饱和状态的MOS管流过的电流与它们的宽长比成正比，艮卩
<formula>formula see original document page 7</formula> (4)
此时流过PMOS管Pl上的电流iP1与流过NMOS管Nl上的电流iN1相等， 流过PMOS管P5上的电流iP5与流过NMOS管N2上的电流&2相等，而通 过NMOS管N2和Nl的总电流应该和尾电流源Il电流il相同，艮P:
'W2+'W, =il (5) 由上面的分析可以得出迟滞比较器的负阈值计算可得-
~—《2 (6) 迟滞比较器的正阈值VTH+=Vin2+ a ,负阈值VTH_=Vin2;因此整个电路完 成了单边迟滞的效果，且迟滞量为a 。
V^为也可以作为比较器输入负端，Vin2为也可以作为比较器输入正端。
此时，VcM为比较器的输出正端，Vo2为比较器的输出负端。同理可得此时 比较器的正阈值为迟滞比较器的正阈值VTH+为
<formula>formula see original document page 7</formula> (7)
迟滞比较器的负阈值VTH-为
其中<formula>formula see original document page 7</formula>
迟滞比较器的负阀值VTH—=Vin2+ a ,负阈值VTH=Vin2;因此整个电路完 成了单边迟滞的效果，且迟滞量为a 。
' 当输入MOS管为PMOS管、负载MOS管为NMOS管时，迟滞调节 器11由NMOS管N6构成，本实用新型的电路图如图3所示。电路中PMOS 管P9、 P10对称，NMOS管N3、 N4、 N5的宽长比相等，NMOS管N6 的宽长比大于NMOS管N3的宽长比。所不同的是电流源Il的正端接电源 VDD，所有的NMOS管的源极相连一起接地。图3所示结构的电路与图2 的电路工作原理和正、负阈值计算相同。
图4给出了迟滞比较器电路围绕如图3所示的本实用新型迟滞比较器1 所构建的一种典型的实施电路图。图中由引脚7输入VB1为尾电流源P7 提供偏置电压。由于电路中的功耗主要由尾电流源Pll决定，那么这个偏 置VB1的大小直接决定电路的功耗。所以应该设置该电流源的大小为"纳 安"量级，以减小本迟滞比较器电路的功耗。因此可以根据芯片允许分配给 该模块的功率来估算能分配给该支路的尾电流大小。
NMOS管N6的宽长比由迟滞量决定。与NMOS负载N4的宽长比相 比，NMOS管N6的宽长比越大，迟滞越大。在设计电路时，选定合适的迟 滞就可以确定N6的宽长比大小。
核心电路中输入电压Vinl由V!N代替，Vin2由电路中的Vref代替。则比 较器的阈值电压VTH与Vref有关。选择合适的Vref不仅和芯片中要比较的电
平有关，还要使得比较器正常工作。VKf要使得PMOS输入管P2可以正常
导通且工作在饱和区。
为了使得核心电路图3可以提供合理的输出电压摆幅和输出电阻，本 迟滞比较器电路增加了输出级，由NMOS管N7、 N8和PMOS管P12、 P13 组成。此外电路中加入器件2施密特触发器进行波形整形，器件2由PMOS 管P14、 P15禾BNMOS管N9、 N10组成。图4中加入反相器INV1增加电
路的输出驱动能力。
如果Vw端为芯片的一个PAD，那么就需要图中3所示的电阻Rl和 PMOS管P17、 P18和NMOS管N12来完成ESD保护功能；如果不是，则
可以去掉这四个元件。同时Vref端加入了一阶滤波电路4，电路4由电阻
R2和NMOS管电容N13组成，消除V^上的噪声。
下面，对如图4所示的迟滞比较器电路的动作进行说明。
当尾电流源Pll加入合适的偏置VB1，电路开始正常工作。当VrN从 高开始逐渐变小时，输入管P9关断，贝U负载管N3和N5截止；输入管P2 导通，尾电流Ipn完全流过输入PMOS管P10管，此时负载管N4导通，对 应的电流镜负载N6处在深线性区，无电流流过。V01输出为低电位，N7 关断；而核心电路的另一端输出Vo2差分输出高电位，N8导通。OUTl输 出为低电位，则通过施密特触发器和反相器INV1后VouT为低电位。
随着V!N逐渐减小，输入PMOS管P9逐渐导通。当通过输入管P1的 电流等于NMOS管N6电流时，V!N到达负阈值VTH—，由于N6的宽长比与 N4不同，因此造成了迟滞效果。此时输入管P10的电流等于二极管连接的 NMOS管N4的电流，NMOS负载管N3和N5没有电流通过。
当Vw输入小于负阈值电压VTH—时，核心电路的输出Vo,变为高电位 输入到输出级NMOS管N7的栅极，N7导通；而核心电路差分输出Vo2为 低电位输入到输出级画OS管N8的栅极，N8关断。通过PMOS电流镜负 载P12、 P13双端变单端的变换，N8漏极输出OUTl， OUTl为高电位。输 出OUT1经过施密特触发器和反相器V(XJT为高电位。
相反的，当Vw从零到高变化，到达正阈值时，P9管的电流等NMOS 管N3的电流，输入管P10的电流又与N5的电流相等，设计中NMOS负载 电流镜结构的N3、 N5宽长比相同。因此电路的正阈值电压就与V^相同。 整体电路完成了单边迟滞效果。
权利要求1、一种迟滞比较器，其特征在于它包括NMOS管N1和N2、PMOS管P1、P2、P5和迟滞调节器(11)，其中，迟滞调节器(11)由PMOS管P6构成，用于调节比较器的阈值；NMOS管N1、N2对称，PMOS管P1、P2、P5的宽长比相等，PMOS管P6的宽长比大于PMOS管P1的宽长比；NMOS管N1管栅极作为正输入端Vin1，NMOS管N2管的栅极作为负输入端Vin2，它们的源极相连，同时接尾电流源I1的正端，电流源I1的负端接地；NMOS管N1漏极与PMOS管P1漏极相连，并连接到迟滞调节器(11)中PMOS管P6漏极；PMOS管P1的漏级与栅级相连，成二极管连接；NMOS管N2的漏极与PMOS管P2漏极相连，同时连接到PMOS管P5的漏极；PMOS管P2漏极与其栅极相连，PMOS管P1与P5的栅极相连，PMOS管P6与PMOS管P2的栅极相连；PMOS管P1、P2、P5、P6的源极相连，一起接入电源VDD；PMOS管P6的负输出端VO1从NMOS管N1的漏极引出，PMOS管的正输出端VO2从NMOS管N2管的漏极引出。
专利摘要本实用新型公开了一种迟滞比较器，该电路是为低压低功耗芯片中的保护电路或者是检测电路专门设计。它包括电流源I1、二个输入MOS管、三个负载MOS管和用于调节比较器的阈值的迟滞调节器。当输入MOS管为NMOS管时，负载MOS管采用PMOS管，反之亦然。电路单边阈值与电路器件参数无关，即只要固定了比较器一个输入端电压就可以精确确定单边阈值。电路具有不对称的正反馈回路构成迟滞比较器的迟滞电路，能产生阈值电压并能完成比较功能。电路本身是一个相对独立的部分。电路中还设置了合适的正反馈支路以及输出级支路，以及提供了静电保护作用的MOS管和电阻。
文档编号H03K5/24GK201011715SQ20062015755
公开日2008年1月23日 申请日期2006年11月24日 优先权日2006年11月24日
发明者刘政林, 璐 尹, 熙 涂, 潇 王, 欢 田, 邹雪城, 郑朝霞, 骞海荣 申请人:华中科技大学