一种高速轨对轨自偏置的电压跟随器

本发明属于集成电路，具体涉及一种高速轨对轨自偏置的电压跟随器。

背景技术：

1、电压跟随器是电力电子电路中不可或缺的基本构成模块，被广泛的应用在dc/dc电路，栅极驱动电路中，它的作用是为读取输入电压，并输出相同电压，起到隔离与增强驱动能力的作用。

2、目前的电压跟随器主要采用共源极接法的电压跟随器，该方法会导致一个阈值电压的损失，不能做到精准的电压跟随。为实现消除阈值损失的精准跟随，一般采用以运放为基础的单位增益电路，通过运放的输入钳位能够消除阈值损失，实现准确的电压追踪，但是也出现了相应的问题：一是其跟随能力严重受到运放的带宽及增益的限制，对于输入电压变化频率快的情况，以运放为基础的单位增益接法的电压跟随器并不能快速响应；二是对于轨对轨输入的情况，受限于运算放大器的输入范围，以其为基础的电压跟随器也无法做到轨对轨的电压跟随；三是对于以运放为基础的电压跟随器，需要提供额外的偏置电压使之工作，对于隔离驱动电路而言，电源和地电位是浮动状态的，难以提供合适的偏置电流，因此无法采用此架构。

3、因此，现有的电压跟随器跟踪频率慢、无法实现轨对轨输入输出且需要额外的偏置电路，应用场合十分局限，不具备广泛的适应性和优秀的电压跟踪性能。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种高速轨对轨自偏置的电压跟随器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、本发明提供了一种高速轨对轨自偏置的电压跟随器包括：pmos输入电路、nmos输入电路、电压钳位及互偏置电路；其中，所述pmos输入电路与所述nmos输入电路构成轨对轨互补输入；所述电压钳位及互偏置电路为所述pmos输入电路、所述nmos输入电路提供自适应偏置电压、钳位输入与输出电压；

3、所述pmos输入电路用于在输入电压位于gnd至vdd-2vthp范围时，根据输入电压与输出电压的压差从而产生调节电压，以调节元件的工作参数或状态，使得输入电压与输出电压相等；

4、所述nmos输入电路用于在输入电压位于2vthn至vdd范围时，根据输入电压与输出电压的压差从而产生调节电压，以调节元件的工作参数或状态，使得输入电压与输出电压相等；

5、所述电压钳位及互偏置电路用于维持输出电压始终与输入电压相等，并通过自身的电流镜分别为所述pmos输入电路、所述nmos输入电路提供相应的偏置电压；

6、其中，vthp为pmos管的阈值电压，vthn为nmos管的阈值电压。

7、可选的，所述pmos输入电路包括第一mos管m1、第六mos管m6、第七mos管m7、第十二mos管m12、第十三mos管m13；

8、其中，所述第一mos管m1的源极连接接入电源vdd，栅极作为vpblas电压端，该端与其他vpblas电压端相连，漏极与第六mos管m6的漏极、第七mos管m7的源极连接；第六mos管m6的栅极作为输入电压端sense，该端与其他输入电压端sense相连，第六mos管m6的漏极与第十三mos管m13的漏极相连，且作为vctrlp电压端，该端与其他vctrlp电压端相连；第七mos管m7的栅极作为输出电压端hold，该端与其他输出电压端hold相连，第七mos管m7的漏极与第十二mos管m12、第十三mos管m13的栅极连接；第十二mos管m12、第十三mos管m13的源极接地gnd。

9、可选的，所述nmos输入电路包括第二mos管m2、第三mos管m3、第五mos管m5、第八mos管m8、第十一mos管m11；

10、其中，所述第二mos管m2的源极、所述第三mos管m3的源极均连接电源vdd；第二mos管m2的栅极与第三mos管m3的栅极、第三mos管m3的漏极、第五mos管m5的漏极均连接；所述第三mos管m3的漏极与第八mos管m8的漏极连接；第五mos管m5的源极、第八mos管m8的源极均连接第十一mos管m11的漏极；第五mos管m5的栅极作为输出电压端hold，该端与其他输出电压端hold相连；第八mos管m8的栅极作为输入电压端sense，该端与其他输入电压端sense相连；第十一mos管m11的源极接地gnd，栅极作为vnblas电压端，该端与其他vnblas电压端相连。

11、可选的，所述电压钳位及互偏置电路包括第四mos管m4、第九mos管m9、第十mos管m10、第十四mos管m14、第十五mos管m15、第十六mos管m16；

12、其中，第四mos管m4的栅极、漏极、第十mos管m10的源极连接在一起，并作为vpblas电压端，该端与其他vpblas电压端相连；第四mos管m4的源极、第九mos管m9的源极均接入电源vdd；第九mos管m9的栅极与第十五mos管m15的栅极连接，并作为vctrln电压端，该端与其他vctrln电压端相连；第九mos管m9的漏极与第十mos管m10连接，并作为输出电压端hold，该端与其他输出电压端hold连接；第十五mos管m15的源极与第十四mos管m14的漏极、第十四mos管m14的栅极连接，并作为vnblas电压端，该端与其他vnblas电压端连接；第十mos管m10的栅极与第十六mos管m16连接，并作为vctrlp电压端，该端与其他vctrlp电压端连接；第十四mos管m14、第十六mos管m16的源极均接地gnd。

13、本发明的有益效果：

14、本发明的高速轨对轨自偏置电压跟随器电路能够实现高频率的精准电压跟随，不再受限于运放的性能；能够实现轨对轨的电压输入输出追踪，不产生阈值损失；另外，由于采用自偏置结构为输入电路提供偏置电压，本电路无需提供额外的偏置电压，可以工作在电源电压与地电压快速波动的电路中，因此本发明能够广泛应用于dc/dc变换器及隔离式驱动电路的各个场景内。

15、以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

技术特征：

1.一种高速轨对轨自偏置的电压跟随器，其特征在于，包括：pmos输入电路、nmos输入电路、电压钳位及互偏置电路；其中，所述pmos输入电路与所述nmos输入电路构成轨对轨互补输入；所述电压钳位及互偏置电路为所述pmos输入电路、所述nmos输入电路提供自适应偏置电压、钳位输入与输出电压；

2.根据权利要求1所述的高速轨对轨自偏置的电压跟随器，其特征在于，所述pmos输入电路包括第一mos管(m1)、第六mos管(m6)、第七mos管(m7)、第十二mos管(m12)、第十三mos管(m13)；

3.根据权利要求1所述的高速轨对轨自偏置的电压跟随器，其特征在于，所述nmos输入电路包括第二mos管(m2)、第三mos管(m3)、第五mos管(m5)、第八mos管(m8)、第十一mos管(m11)；

4.根据权利要求1所述的高速轨对轨自偏置的电压跟随器，其特征在于，所述电压钳位及互偏置电路包括第四mos管(m4)、第九mos管(m9)、第十mos管(m10)、第十四mos管(m14)、第十五mos管(m15)、第十六mos管(m16)；

技术总结
本发明涉及一种高速轨对轨自偏置电压跟随器，包括：PMOS输入电路、NMOS输入电路、电压钳位及互偏置电路。该高速轨对轨自偏置电压跟随器可以高速精确追踪输入电压的变化产生轨对轨的输出信号，且采用自偏置设计为输入电路提供偏置电压，无需额外输入偏置电压，减小了电压设计的复杂度。本发明可广泛应用在正负压或电压轨道快速变化的单电感双极输出或隔离式栅驱动电路中，为电路提供稳定精确的电压跟随。

技术研发人员：张艺蒙,储子元,张玉明,孙乐嘉,汤晓燕,宋庆文
受保护的技术使用者：西安电子科技大学重庆集成电路创新研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14