专利名称：直流电平转换器的制作方法
技术领域：
本发明属于模拟信号处理和通信技术领域，特别涉及适合于控制电路中直流电平转换器的设计。
一般要求直流电平转换器的输出电压也要是线性的，同时，能够适合于一个大的输入电压的范围。
进行电平移动，可以是叠加的电平移动Vout＝Vin+δ，δ是需要进行的电平移动大小。
也可以是减小的电平移动Vout＝Vin-δ，δ是需要进行的电平移动大小。
在集成电路中，实现叠加的电平移动，使用PNP型双极管或者PMOS管的电压跟随器；实现减小的电平移动，使用NPN型双极管或者NMOS管的电压跟随器。下面描述以叠加的电平移动为主，相同的原理和拓扑结构适合于减小的电平移动。
为了实现电平转换，传统的用CMOS工艺实现的电路是采用源级跟随器来实现。这种电路有两种形式电阻作为负载以及处于饱和区的MOS管作为负载。下面将分别描述一下这两种电路的结构以及不足的地方。
处于饱和区的MOS管作为负载的CMOS工艺实现的源级跟随器的电路如
图1所示，由两个PMOS管M1和M2组成，其连接关系为输入信号Vin接到PMOS管M1的栅级上，PMOS管M1的漏级连接到地，PMOS管M1的源级就是输出Vout，同时该节点连接PMOS管M2的漏极，M2的源级连接到电源Vdd，M2的栅极连接偏置电压VB。
从等效电阻的角度来看，PMOS管M2相当于负载电阻。当输出电压变化的时候，M2管的漏端电压发生变化，从而导致其等效电阻发生变化。更重要的是由于输入直流信号的范围很宽0～Vdd，所以，处于饱和区的MOS管在整个0～Vdd之间都保持饱和状态是不可能的，所以其等效的负载电阻阻值就会发生明显的改变，从而使得输出曲线不线性，参考图2所示，图中的不同的曲线表示在不同的偏置电压VB下的输出。
电阻作为负载的CMOS工艺实现的源级跟随器的电路如图3所示，由PMOS管M1和负载电阻RL组成，其连接关系为输入信号Vin接到PMOS管M1的栅级上，PMOS管M1的漏级连接到地，PMOS管M1的源级就是输出Vout，同时该节点连接负载电阻RL的一端，RL的另一端连接到电源Vdd。
因为电阻阻值不会改变，所以负载不会发生变化，从而形成一条线性的控制曲线。所以经常使用该电路来实现的直流电平移动。但是改变不同的负载电阻值，可以得到图4的不同输出电压曲线，图中表明输出电压曲线不能互相平行，而是会聚到一点。
但是上述两种电路的输出电压和输入电压的差值不可能小于MOS管阈值电压，因为输入电压和输出电压的差值为M1管的栅源电压，而M1管处于饱和状态，因此源级输出也就比栅极输入电压大至少一个阈值电压。典型的阈值电压值为0.8V，这样，进行的电平移动差值至少就为0.8V；如果要进行0.5V这样小于阈值电压的电平移动，利用上述两种电路就不能实现。同时，输出曲线不和输入控制电压的曲线平行。
总之，上述传统电路存在以下不足第一、不能移动小于阈值电压的电平；第二、输出曲线不和输入控制电压平行。
本发明设计的一种的直流电压转换器，由两个PMOS管M1和M2组成，其连接关系为输入信号Vin接到PMOS管M1的栅级上，PMOS管M1的漏级连接到地，PMOS管M1的源级就是输出Vout，同时该节点连接PMOS管M2的漏极，M2的源级连接到电源Vdd，M2的栅极连接偏置电压VB，其特征在于，所说的M2管工作在弱反型区，偏置电压VB小于M2管的阈值电压。
本发明设计的另一种的直流电压转换器，由两个NMOS管M1和M2组成，其连接关系为输入信号Vin接到NMOS管M1的栅级上，NMOS管M1的漏级连接到电源Vdd，NMOS管M1的源级就是输出Vout，同时该节点连接NMOS管M2的漏极，M2的源级连接到地，M2的栅极连接偏置电压VB，其特征在于，所说的M2管工作在弱反型区，偏置电压VB小于M2管的阈值电压。
本发明的CMOS可变增益放大器的设计方案与传统设计方案相比具有以下几个明显的优点1)能够进行移动小于阈值电压的电平转换；2)增大了控制电压输入范围，可以达到0～Vdd；
3)输出曲线基本上平行于输入控制电压曲线。
图2为图1的输出电压和输入电压的曲线图，设置不同的偏置电压VB。
图3为传统的利用电阻作为负载的直流电平转换器。
图4为图3的输出电压和输入电压的曲线图，设置不同的电阻值。
图5为本发明的用于叠加的电平移动的直流电平转换器。
图6为图5的输出电压和输入电压的曲线图，设置不同的偏置电压VB。
图7为本发明的用于减小的电平移动的直流电平转换器。
与传统型的直流电平转换器有本质区别的是，M2管工作在弱反型区，就是说，偏置电压VB和电源电压的差值小于M2管的阈值电压。而传统型的直流电平转换器的M2管处于饱和区或者线性区。同时，偏置电压VB的值还同时由所需要的偏移量决定，比如需要的偏移量为0.2V，那么偏置电压VB和电源电压的差值取为0.2V，就可以实现0.2V的偏移量。
本实施例的电路的工作原理为本发明人通过对工艺厂家提供的MOS管模型进行分析，得到当MOS管的栅极电压小于阈值电压的时候，MOS管的源漏电流并不是等于零，而是一个相对小的一个值，比如纳安的量级。这个时候由于MOS管没有处于理论上的开启状态，而是处于弱反型状态，从而其栅极和源级的电压差就不会是相差一个阈值，于是就提供了实现小于阈值电压改变的可能。参考图3，首先设置作为负载管的M2管处于截止区，于是通路上的电流就很小；由于M1管和M2管具有相同的漏电流，所以M2管不可能处于开启状态，因为开启状态时候的漏电流比较大；至少是微安的数量级。所以M1管和M2管都处于理论上的截止区，物理上是弱反型区。当栅极电压变化的时候，M1管的漏电流为了维持该电流(由的栅极电压M2管决定)，其源级输出也要保持相应的变化，从而使得输出和输入呈一致的变化。利用EDA工具如Cadence进行仿真，可以得到图7的仿真结果，图中的不同的曲线表示在不同的偏置电压VB下的输出。仿真结果表明1).输出和输入电压呈很好的线性关系；2).输出和输入相差的电压值可以由M2管的栅极电压决定；3).输出电压在不同的偏置电压VB下能够保持平行。
也就是说，改变M2管的栅极电压，同时保持栅源电压小于M2管的阈值电压，M2管处于弱反型区，那么从源级就可以得到相差一定电压值的线性电压输出。
本实施例中各元器件的参数如表1所示阈值电压为0.8V，实现叠加0.5V的电平转换。
表1
实施例2为用于减小的电平移动的直流电平转换器，其电路结构如图7所示，该电路是图5的NMOS管版本。外部输入信号是输入控制信号Vcon、偏置电压VB和电源信号Vdd。各部分的具体电路结构和连接关系详细说明如下本实施例由两个NMOS管M1和M2组成，其连接关系为输入信号Vin接到NMOS管M1的栅级上，NMOS管M1的漏级连接到电源Vdd，NMOS管M1的源级就是输出Vout，同时该节点连接NMOS管M2的漏极，M2的源级连接到地，M2的栅极连接偏置电压VB。
同样，与传统型的直流电平转换器的本质区别是，M2管工作在弱反型区，就是说，偏置电压VB小于M2管的阈值电压。工作原理以及VB的选择和图5的PMOS版本一样。
权利要求
1.一种的直流电压转换器，由两个PMOS管M1和M2组成，其连接关系为输入信号Vin接到PMOS管M1的栅级上，PMOS管M1的漏级连接到地，PMOS管M1的源级就是输出Vout，同时该节点连接PMOS管M2的漏极，M2的源级连接到电源Vdd，M2的栅极连接偏置电压VB，其特征在于，所说的M2管工作在弱反型区，偏置电压VB小于M2管的阈值电压。
2.一种的直流电压转换器，由两个NMOS管M1和M2组成，其连接关系为输入信号Vin接到NMOS管M1的栅级上，NMOS管M1的漏级连接到电源Vdd，NMOS管M1的源级就是输出Vout，同时该节点连接NMOS管M2的漏极，M2的源级连接到地，M2的栅极连接偏置电压VB，其特征在于，所说的M2管工作在弱反型区，偏置电压VB小于M2管的阈值电压。
全文摘要
本发明属于模拟信号处理和通信技术领域，涉及直流电平转换器，由两个PMOS管M1和M2组成，其连接关系为输入信号Vin接到PMOS管M1的栅级上，PMOS管M1的漏级连接到地，PMOS管M1的源级就是输出Vout，同时该节点连接PMOS管M2的漏极，M2的源级连接到电源Vdd，M2的栅极连接偏置电压VB，其特征在于，所说的M2管工作在弱反型区，偏置电压VB小于M2管的阈值电压。本发明具有能够移动小于阈值电压、输入控制电压范围大、输出电压和输入电压曲线平行的优点。
文档编号H03K17/687GK1416219SQ02159978
公开日2003年5月7日 申请日期2002年12月31日 优先权日2002年12月31日
发明者李永明, 郑吉华, 廖青 申请人:清华大学, 上海清华晶芯微电子有限公司