一种固定电压差检测电路的制作方法

1.本发明属于集成电路设计技术领域，本发明涉及一种固定电压差检测电路。


背景技术：

2.固定电压差检测电路是集成电路设计中基本的模拟单元电路之一。该电路负责检测两个电压的压差是否大于或者小于一个预设值，例如在电源管理芯片中需要对输入电压和输出电压之间的压差进行判断来切换电路工作模式；在自举升压型电路中，通过判断自举升压电容的电压差，当电压差小于一定值，则需要进行电荷刷新，保证电源管理芯片能够正常工作。因此，固定电压差检测电路是集成电路设计中一个重要内容。
3.如图1所示，其是一种传统电压差检测电路，传统电压差检测电路是利用基本加法器电路实现电压差信号vd和基准电压v
ref
进行比较，通过改变基本减法器电路中四个电阻r1、r2、r3和r4的电阻值可以得到想要的两个输入电压v
l
和vh压差。
4.但是，基本减法器是闭环控制电路，会受到运放性能的影响，例如功耗和增益等，并且当输入电压发生变换时候，输出电压信号的变化也会受到带宽限制，从而影响后级比较器的比较速度。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种固定电压差检测电路。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
6.一种固定电压差检测电路，所述固定电压差检测电路包括：
7.偏置电流产生电路，用于产生固定压差产生电路中所需的固定偏置电流；
8.固定压差产生电路，连接所述偏置电流产生电路，用于接收所述固定偏置电流，且在所述固定偏置电流条件下，产生预设的两个输入电压的电压差，其中，所述固定压差产生电路为开环控制；
9.比较器电路，连接所述固定压差产生电路，用于将所述固定压差产生电路的电压差与预设电压差进行比较，以根据比较结果输出逻辑控制信号。
10.在本发明的一个实施例中，所述偏置电流产生电路包括晶体管mp1、晶体管mp2、晶体管mn1、晶体管mn2、晶体管mn3、电阻r0和运算放大器，其中，
11.所述晶体管mp1的源极和所述晶体管mp2的源极连接电源端vdd，所述晶体管mp1的漏极和所述晶体管mn1的漏极连接形成的连接点连接至所述晶体管mp1的栅极和所述晶体管mp2的栅极连接形成的连接点，所述晶体管mp2的漏极和所述晶体管mn2的漏极连接形成的连接点连接至所述晶体管mn2的栅极和所述晶体管mn3的栅极连接形成的连接点，所述晶体管mn1的源极连接所述电阻r0的第一端和所述运算放大器的反相输入端，所述晶体管mn1的栅极连接所述运算放大器的输出端，所述运算放大器的同相输入端连接基准电压v
ref
端，所述电阻r0的第二端接地，所述晶体管mn2的源极接地，所述晶体管mn3的漏极连接所述固定压差产生电路，所述晶体管mn3的源极接地。
12.在本发明的一个实施例中，所述晶体管mp1和所述晶体管mp2均为pmos管，所述晶体管mn1、所述晶体管mn2和所述晶体管mn3均为nmos管。
13.在本发明的一个实施例中，所述固定压差产生电路包括晶体管mp3、晶体管mp4、晶体管mp5、晶体管mp6、电阻r1、电阻r2、电阻r3和电阻r4，其中，
14.所述电阻r1的第一端连接输入电压v
l
端，所述电阻r1的第二端连接所述晶体管mp3的源极和所述晶体管mp5的源极，所述电阻r2的第一端连接输入电压vh端，所述电阻r2的第二端连接所述晶体管mp4的源极和所述晶体管mp6的源极，所述晶体管mp3的栅极和所述晶体管mp5的栅极连接形成的连接点、所述晶体管mp4的栅极和所述晶体管mp6的栅极连接形成的连接点与所述晶体管mp3的漏极和所述晶体管mp4的漏极连接形成的连接点共同连接至所述偏置电流产生电路，所述晶体管mp5的漏极连接所述电阻r3的第一端和所述比较器电路的同相输入端，所述电阻r3的第二端接地，所述晶体管mp6的漏极连接所述电阻r4的第一端和所述比较器电路的反相输入端，所述电阻r4的第二端接地。
15.在本发明的一个实施例中，所述晶体管mp3、所述晶体管mp4、所述晶体管mp5和所述晶体管mp6均为pmos管。
16.在本发明的一个实施例中，所述比较器电路包括晶体管mp7、晶体管mp8、晶体管mp9、晶体管mp
10
、晶体管mp
11
、晶体管mn4、晶体管mn5、晶体管mn6、晶体管mn7、晶体管mn8和晶体管mn9，其中，
17.所述晶体管mp7的栅极连接至所述晶体管mp4的漏极和所述电阻r4的第一端连接形成的连接点处，所述晶体管mp8的栅极连接至所述晶体管mp3的漏极和所述电阻r3的第一端连接形成的连接点处，所述晶体管mp7的源极和所述晶体管mp8的源极连接至所述晶体管mp
11
的漏极，所述晶体管mp
11
的源极连接电源端vdd，所述晶体管mp
11
的栅极连接所述晶体管mp1的栅极和所述晶体管mp1的栅极连接形成的连接点处，所述晶体管mp7的漏极连接所述晶体管mn8的栅极、所述晶体管mp6的漏极、所述晶体管mp6的栅极、所述晶体管mp4的漏极和所述晶体管mp5的栅极，所述晶体管mp8的漏极连接所述晶体管mp4的栅极、所述晶体管mp5的漏极、所述晶体管mp7的栅极、所述晶体管mp7的漏极和所述晶体管mp9的栅极，所述晶体管mp4的源极、所述晶体管mp5的源极、所述晶体管mp6的源极、所述晶体管mp7的源极、所述晶体管mp8的源极和所述晶体管mp9的源极均接地，所述晶体管mp8的漏极连接所述晶体管mp9的漏极、所述晶体管mp9的栅极和所述晶体管mp
10
的栅极，所述晶体管mp9的漏极和所述晶体管mp
10
的漏极连接形成的连接点连接输出端vout。
18.在本发明的一个实施例中，所述比较器电路包括所述晶体管mp7、所述晶体管mp8、所述晶体管mp9、所述晶体管mp
10
和所述晶体管mp
11
均为pmos管，所述晶体管mn4、所述晶体管mn5、所述晶体管mn6、所述晶体管mn7、所述晶体管mn8和所述晶体管mn9均为nmos管。
19.本发明的有益效果：
20.本发明的偏置电流产生电路只是为了产生一个直流偏置电流，所以该偏置电流产生电路不需要很快的速度，所以可以做成低功耗设计；在固定压差产生电路中，由于电压差的产生为开环结构，能够瞬速响应输入的变化，从而产生合适的比较信号；并且本发明的比较器电路的采用更进一步加快了比较速度。因此本发明的固定压差检测电路不会受到传统闭环控制的环路带宽限制，能实现较快的比较速度。
21.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
22.图1为本发明实施例提供的一种传统固定电压差检测电路的结构示意图；
23.图2为本发明实施例提供的一种固定电压差检测电路的结构框图；
24.图3为本发明实施例提供的一种偏置电流产生电路的结构示意图；
25.图4为本发明实施例提供的一种固定压差产生电路的结构示意图；
26.图5为本发明实施例提供的一种比较器电路的结构示意图；
27.图6为本发明实施例提供的一种仿真结果。
具体实施方式
28.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
29.实施例一
30.请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种固定电压差检测电路的结构框图。本实施例提供一种固定电压差检测电路，该固定电压差检测电路包括：
31.偏置电流产生电路10，用于产生固定压差产生电路20中所需的固定偏置电流；
32.固定压差产生电路20，连接偏置电流产生电路10，用于接收固定偏置电流，且在固定偏置电流条件下，产生预设的两个输入电压的电压差，其中，固定压差产生电路20为开环控制；
33.比较器电路30，连接固定压差产生电路20，用于将固定压差产生电路20的电压差与预设电压差进行比较，以根据比较结果输出逻辑控制信号。
34.在一个具体实施例中，请参见图3，偏置电流产生电路10包括晶体管mp1、晶体管mp2、晶体管mn1、晶体管mn2、晶体管mn3、电阻r0和运算放大器，其中，
35.晶体管mp1的源极和晶体管mp2的源极连接电源端vdd，晶体管mp1的漏极和晶体管mn1的漏极连接形成的连接点连接至晶体管mp1的栅极和晶体管mp2的栅极连接形成的连接点，晶体管mp2的漏极和晶体管mn2的漏极连接形成的连接点连接至晶体管mn2的栅极和晶体管mn3的栅极连接形成的连接点，晶体管mn1的源极连接电阻r0的第一端和运算放大器的反相输入端，晶体管mn1的栅极连接运算放大器的输出端，运算放大器的同相输入端连接基准电压v
ref
端，电阻r0的第二端接地，晶体管mn2的源极接地，晶体管mn3的漏极连接固定压差产生电路20，晶体管mn3的源极接地。
36.进一步地，晶体管mp1和晶体管mp2均为pmos管，晶体管mn1、晶体管mn2和晶体管mn3均为nmos管。
37.如图3所示，偏置电流产生电路10采用v-i转换结构，利用负反馈原理将外部基准电压v
rfe
钳位到电阻r0上，从而产生固定偏置电流ib，表达式如下：
[0038][0039]
该固定偏置电流ib经过晶体管mp1和晶体管mp2、晶体管mn2和晶体管mn3电流镜，为固定压差产生电路20提供固定偏置电流ib，并且电流镜比例为1:1。
[0040]
在一个具体实施例中，请参见图4，固定压差产生电路20包括晶体管mp3、晶体管
mp4、晶体管mp5、晶体管mp6、电阻r1、电阻r2、电阻r3和电阻r4，其中，
[0041]
电阻r1的第一端连接输入电压v
l
端，电阻r1的第二端连接晶体管mp3的源极和晶体管mp5的源极，电阻r2的第一端连接输入电压vh端，电阻r2的第二端连接晶体管mp4的源极和晶体管mp6的源极，晶体管mp3的栅极和晶体管mp5的栅极连接形成的连接点、晶体管mp4的栅极和晶体管mp6的栅极连接形成的连接点与晶体管mp3的漏极和晶体管mp4的漏极连接形成的连接点共同连接至偏置电流产生电路10，晶体管mp5的漏极连接电阻r3的第一端和比较器电路30的同相输入端，电阻r3的第二端接地，晶体管mp6的漏极连接电阻r4的第一端和比较器电路30的反相输入端，电阻r4的第二端接地。
[0042]
进一步地，晶体管mp3、晶体管mp4、晶体管mp5和晶体管mp6均为pmos管。
[0043]
如图4所示，在固定压差产生电路20中，电阻r1和r2用于产生固定压差。晶体管mp3和晶体管mp4的漏级都连接在固定偏置电流ib上，因此当v1＝v2时，晶体管mp3和晶体管mp4的漏电流为：
[0044][0045]
其中，i
d,p3
为晶体管mp3的漏电流，i
d,p4
为晶体管mp4的漏电流。
[0046]
由于晶体管mp5和晶体管mp3、晶体管mp4和晶体管mp6组成1:1的电流镜，所以晶体管mp5和晶体管mp6的电流也为1/2
×
ib，所以流过电阻r1和电阻r2的电流分别为：
[0047]ir1
＝i
d,p3
+i
d,p5
＝ibꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0048]ir2
＝i
d,p4
+i
d,p6
＝ibꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0049]
其中，i
r1
为流过电阻r1的电流，i
r2
为流过电阻r2的电流，i
d,p5
为晶体管mp5的漏电流，i
d,p6
为晶体管mp6的漏电流。
[0050]
此时，输入电压v
l
和vh为：
[0051][0052]
将公式(1)和公式(5)结合，可得两个输入电压的电压差为：
[0053][0054]
通过调节电阻r2、电阻r1和电阻r0的比值，便可以设置不同的电压差，并且当输入电压v
l
和vh满足公式(6)时候，电阻r3和电阻r4上的电压也相等,即v+＝v-，其中，电阻r3和电阻r4的阻值相等。
[0055]
在一个具体实施例中，请参见图5，比较器电路30包括晶体管mp7、晶体管mp8、晶体管mp9、晶体管mp
10
、晶体管mp
11
、晶体管mn4、晶体管mn5、晶体管mn6、晶体管mn7、晶体管mn8和晶体管mn9，其中，
[0056]
晶体管mp7的栅极连接至晶体管mp4的漏极和电阻r4的第一端连接形成的连接点处，晶体管mp8的栅极连接至晶体管mp3的漏极和电阻r3的第一端连接形成的连接点处，晶体管mp7的源极和晶体管mp8的源极连接至晶体管mp
11
的漏极，晶体管mp
11
的源极连接电源端vdd，晶体管mp
11
的栅极连接晶体管mp1的栅极和晶体管mp1的栅极连接形成的连接点处，晶体管mp7的漏极连接晶体管mn8的栅极、晶体管mp6的漏极、晶体管mp6的栅极、晶体管mp4的漏极和晶体管mp5的栅极，晶体管mp8的漏极连接晶体管mp4的栅极、晶体管mp5的漏极、晶体管
mp7的栅极、晶体管mp7的漏极和晶体管mp9的栅极，晶体管mp4的源极、晶体管mp5的源极、晶体管mp6的源极、晶体管mp7的源极、晶体管mp8的源极和晶体管mp9的源极均接地，晶体管mp8的漏极连接晶体管mp9的漏极、晶体管mp9的栅极和晶体管mp
10
的栅极，晶体管mp9的漏极和晶体管mp
10
的漏极连接形成的连接点连接输出端vout。
[0057]
如图5所示，本发明实施例的比较器采用的是两级开环放大器结构，其中第一级为负阻放大器结构，当晶体管mn4～晶体管mn7的尺寸相等的时候，第一级的输出阻抗极大，从而实现了极高的增益。该比较器的第二级采用推挽电流比较器，可以加快比较速度。
[0058]
当输入电压vh与v
l
的差值大于预设电压差时，v2大于v1，从而在相同电流偏置ib下，晶体管mp4的漏电流i
d,p4
大于晶体管mp3的漏电流i
d,p3
，因此电压v+小于v-，该比较器发生翻转输出为低电平逻辑。当输入电压vh与v
l
的差值小于预设电压差时，v2小于v1，从而在相同电流偏置ib下，晶体管mp4的漏电流i
d,p4
小于晶体管mp3的漏电流i
d,p3
，因此电压v+大于v-，该比较器发生翻转输出为高电平逻辑。
[0059]
请参见图6，本发明在固定压差为3v条件下进行仿真验证，本发明实施例在cadence spectre上采用0.18μm bcd工艺进行了仿真。由图6可以看出，当输入电压vh与v
l
的差值大于预设电压差时，比较器输出为低电平逻辑；当输入电压vh与v
l
的差值小于预设电压差时，比较器输出为高电平逻辑。
[0060]
本发明的偏置电流产生电路只是为了产生一个直流偏置电流，所以该偏置电流产生电路不需要很快的速度，所以可以做成低功耗设计；在固定压差产生电路中，由于电压差的产生为开环结构，能够瞬速响应输入的变化，从而产生合适的比较信号；并且本发明的比较器电路的采用更进一步加快了比较速度。因此本发明的固定压差检测电路不会受到传统闭环控制的环路带宽限制，能实现较快的比较速度。
[0061]
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0062]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特数据点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特数据点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
[0063]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。