专利名称：单边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，涉及一种单边迟滞比较器，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单边迟滞比较器，该比较器具有高精 度单边迟滞功能。本实用新型提供的单边迟滞比较器， 一种结构为它包括NM0S管N1 和N2、 PM0S管P1、 P2、 P5和迟滞调节器，迟滞调节器由负载PMOS管 P7、反馈PMOS管P8和反馈开关Sl构成，用于调节比较器的阈值；NMOS 管Nl和N2对称，PMOS管Pl、 P2、 P5和P7的宽长比相等；其中，NMOS 管N1管栅极作为正输入端Vinl， 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Il的正端；电流源Il的负端接地；丽OS 管Nl漏极与PMOS管Pl漏极相连，并连接到迟滞调节器中负载PMOS管 P7漏极以及反馈开关Sl的负极；开关Sl的正极和PMOS管P8的漏极相 连；PMOS管Pl漏级与栅级相连，成二极管连接；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，成二级管连接结构;PMOS管P1与P5栅极相连，迟滞调节器中PMOS 管P7、 P8的栅极与PMOS管P2栅极相连；PMOS管Pl、 P2、 P5、 P7、 P8源极相连， 一起接入电源VoD;比较器的负输出端Vcm从NMOS管NI 的漏极引出，比较器的正输出端V02从NMOS管N2管的漏极引出。本实用新型的单边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。本实用新型中的单边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以内。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0.15uV。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，适用于芯片的集成和使用。
图1为现有的迟滞比较器电路的电路原理图；图2为本实用新型采用NMOS输入的单边迟滞比较器阈值可调的电路 原理图；图3为对应于图2的采用PMOS输入的单边迟滞比较器电路原理图； 图4为对应于图2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。本实用新型单边迟滞比较器包括电流源Il、 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管采用NMOS管。
当输入MOS管为NMOS管、负载MOS管为PMOS管，迟滞调节器 11采用一个负载PMOS管P7、反馈PMOS管P8和反馈开关Sl组成，电 路的具体结构如图2所示。其中，发明中输入管N1、 N2完全对称。Pl、 P2 、 P5 、 P7的宽长比(W/L)P1 、 (W/L)P2 、 (W/L)P5 、 (W/L)P7相等，即 (W/L)P1=(W/L)P2=(W/L)P5=(W/L)P7;且迟滞调制器中P8的宽长比(W/L)ps可 以根据迟滞量调节。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。Vin,为比较器的正端，V^为比较器的负端。当Vi。,远远小于Vi。2时，此时反馈开关S1导通，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。迟滞调节器11中的PMOS管P7 和反馈关P8处于深三级管状态，无电流流过。Vinl逐渐增大，并接近正阈值Vth+吋，Nl饱和导通，迟滞调节器11 中的PMOS管P7和反馈管P8线性导通。当NMOS管Nl的电流iN1与迟 滞调节器11中PMOS管电流&7与反馈管iP8电流和相等时，比较器到达它的正翻转阈值vth+。即当~,=//,7+//,8时，比较器到达它的正翻转阈值vth+。迟滞调节器ll中的PMOS管P7、P8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，艮卩Z尸7 = /tjtTiT 尸2设(W/L)P8/(W/L)p产c'通过NMOS管N2和Nl的总电流应该和尾电流源Il电流i,相同即'们+!wi-ii (2) 由上面的分析可以得出，比较器的正向迟滞vth+为 z =k l = ra (3)K7'W+ — Km2卞、o , Nn2 """" 、"A (2 + C')/2其中A-^c。,(r/丄)w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200620157552.4说明书第5/7页Pl、 P2、 P54 P7的宽长比且知道尾电流的大小，只要调节迟滞调制器11 中P8的宽长比决定了迟滞比较器的迟滞量。当V^远远大于Vin2时，NMOS管N2截止，反馈开关S1关断，此时 PMOS管P2和迟滞量调制器11中的PMOS管P7、 P8;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~2 =/ 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P:;一 (4)此时流过PMOS管Pl上的电流ip,与流过输入管Nl上的电流iw相等，流 过PMOS管P5上的电流ip5与流过输入管N2上的电流iN2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:!们+'w "i 。) 由上面的分析可以得出迟滞比较器的负阈值计算可得-~一=、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 。Vinl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，Vo,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+为迟滞比较器的负阈值VTH-为-A (2 + c')/27
其中<formula>formula see original document page 8</formula>迟滞比较器的负阈值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 。当输入MOS管为PMOS管、负载MOS管为NMOS管，迟滞调节器 11采用NMOS管N7和反馈管N8以及反馈开关SI时，其电路具体结构如 图3所示。电路中输入管P9、 P10完全对称。N3、 N4、 N5、 N7的宽长比 (W/L)N3 、 (W/L)N4 、 (W/L)N5 、 (W/L)N7相等，即(W/L)N3=(W/L)N4气W/L)N5气W/L)N7;且迟滞调制器中N8的宽长比(W/L)N8可以根据迟滞量调节。图3所示电路的工作原理和正、负阈值计算与图2相同，只是电流源 II的正端接电源VDD，所有的NMOS管的源极相连一起接地。图4给出了迟滞比较器电路围绕如图2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。图中由输入引脚4输入VB1为尾电流源 N9提供偏置电压。由于电路中的功耗主要由尾电流源N9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。反馈开关Sl由PMOS管P9和反相器INV3代替，由于PMOS管P9 是开关管，在设计的时应使得P9的宽长比尽可能大，但是太大的宽长比又 会造成驱动不足。因此加入反相器INV3增加驱动能力。反馈管P8的宽长 比由迟滞量决定。与PMOS负载P2的宽长比相比，反馈管P8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P8的宽长比大 小。核心电路中正输入端Vw由V!N代替，负输入端Vin2由电路中的Vw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。Vref的选择要使得输入管N2可以正常导通且工作在饱和区。为了使得核心电路图2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PMOS管PIO、 Pll和NMOS管NIO、Nl组成。此外电路中加入两级放大器INV1、 INV2增加电路的输出驱动 能力。如果ViN端为芯片的一个PAD，那么就需要图中4所示的电阻Rl和 MOS管P18、 P19、 N20来完成ESD保护功能；如果不是，则可以去掉这 四个元件。下面，对本迟滞比较器电路如图4所示的实施方式的电路的动作进行 说明。当Vw从零开始逐渐变化时，输入管Nl截止，则负载管Pl和P5截止; 输入管N2导通，尾电流源电流lN9完全流过输入NMOS管N2管，此时负 载管P2导通，对应的电流镜负载P7处在深线性区，无电流流过。V(M输出 为低电位，Pll导通；而核心电路的另一端输出Vo2差分输出高电位，P10 截止，二级管负载N10截止，相对应的NMOS电流镜N11管截止。由Pll、 Nll组成的支路无电流流过，OUTl输出为高电位，则通过两级推挽输出级 后VouT为高电位。VouT为高经过反相器INV3后使得PMOS反馈开关管 P9导通，P8和P9组成的支路导通。随着V!N逐渐增大，输入NMOS管Nl逐渐导通。当通过输入管N1的 电流等于PMOS管P7和反馈管P8漏极电流之和时，Vw到达正阈值VTH+。 此时输入管N2的电流等于二极管连接的PMOS管P2的电流，PMOS管Pl 和P5没有电流通过。当V输入大于正阈值电压时，核心电路的输出Vo,变为高电位输入到 输出级PMOS管Pll的栅极，Pll截止；而核心电路差分输出Vo2为低电 位输入到输出级PMOS管P10的栅极，P10导通。通过NMOS电流镜负载 Nll、 N13双端变单端的变换，Pll漏极输出OUTl， OUT1为低电位。输 出OUT1经过两级推挽输出级输出VouT为低电位。VouT变低，使得反馈开 关管P9关闭。相反的，当V!N从高到低变化时，反馈开关管P9的断开，P8、 P9支路 不导通。到达负阈值时，Nl管的电流等PMOS管Pl的电流，输入管N2 的电流又与P5的电流相等，设计中PMOS负载电流镜结构的Pl、 P5宽长比相同。因此电路的负阈值电压就与Vref相同。
权利要求1、一种单边迟滞比较器，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)，迟滞调节器(11)由负载PMOS管P7、反馈PMOS管P8和反馈开关S1构成，用于调节比较器的阈值；NMOS管N1和N2对称，PMOS管P1、P2、P5和P7的宽长比相等；其中，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)中负载PMOS管P7漏极以及反馈开关S1的负极；开关S1的正极和PMOS管P8的漏极相连；PMOS管P1漏级与栅级相连，成二极管连接；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，成二级管连接结构；PMOS管P1与P5栅极相连，迟滞调节器(11)中PMOS管P7、P8的栅极与PMOS管P2栅极相连；PMOS管P1、P2、P5、P7、P8源极相连，一起接入电源VDD；比较器的负输出端VO1从NMOS管N1的漏极引出，比较器的正输出端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单边迟滞比较器，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。该电路电流源、二个输入MOS管、三个负载MOS管和迟滞调节器，其中迟滞调节器用于调节比较器的阈值，由负载MOS管、反馈MOS管和反馈开关组成。该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。在此基础上加入提供相应输出电压摆幅和合理输出电阻的输出级电路以及相应的反馈支路。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H03K5/22GK201018463SQ20062015755
公开日2008年2月6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