衬偏电压调整稳定输入翻转电平的接收器的制作方法

本发明涉及集成电路技术。

背景技术：

接收器电路应用于各种数字信号的输入端，其翻转电平往往在芯片设计中不太被重视，但在长距离信号传输、环境温度变化、电源电压变化等应用环境中，翻转电平值的稳定性成为了电路系统中举足轻重的电学性能，其较大的漂移会导致数据传输误码甚至接收器无法正常工作。

经典接收器结构：

以VCC＝5V的TTL/CMOS信号接收器为例，由于大部分接收系统规定其输入判别电平为：VIL(输入判定为低的电平)≤0.8V，VIH(输入判定为高的电平)≥2.4V，故其输入翻转电平通常在1.4V～1.8V范围内，经典的接收器电路为单一的CMOS反相器结构，该结构仅能通过调整NMOS与PMOS的宽长比来改变输入判别电平值，故该结构几乎没有对温度和电源电压变化的抑制能力。

如图1所示为经典接收器电路，以输出中间电平VCC/2＝2.5V作为输出翻转点电压，借助辅助运放构成输出到输入的反馈环路，使反相器输出电平恒为VCC/2，在电源电压VCC恰好等于5V，室温27℃环境下，通过调整MOS管宽长比，将图1中反相器的输入电平设置为1.6V，该值即为此条件下的输入翻转电平，改变环境变量(电源值与温度值)，观测输入电平的变化。

如图2所示在‐55℃～125℃范围内，输入电平变化幅度约100mV。

如图3所示在4V～6V的电源电压范围内，输入电平变化幅度超过400mV。

由前述对经典CMOS反相器型的接收器输入端口分析可知，在电源电压与温度变化范围较大的应用环境下，接收器输入翻转电平漂移较大，在一定情况下易逼近VIL或VIH，使得接收器对高低电平的判别出现错误，另一方面也大幅度降低了接收器抗噪能力，在长距离传输应用下容易出现数据误码的情况。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提出一种带闭环控制的接收器输入端口电路结构，该结构在以较小的功耗和芯片面积为代价下，使输入翻转电平不随电源电压、环境温度的变化而变化。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，衬偏电压调整稳定输入翻转电平的接收器，包括输入端VIN、输出端VOUT和反相器，所述反相器由串联于高电平VCC和地电平之间的第一MOS管和第二MOS管构成，第一MOS管和第二MOS管的串联连接点即为输出端VOUT，两个MOS管栅极连接到输入端，其特征在于，还包括一个从反相器和第一运放OP1，所述从反相器由串联于高电平VCC和地电平之间的第三MOS管和第四MOS管构成，第三MOS管与第一MOS管相同，第四MOS管与第二MOS管相同，第三MOS管的衬底和第一MOS管的衬底皆连接到第一运放OP1的输出端，第三MOS管的栅极和第四MOS管的栅极皆连接到参考电压源，第三MOS管和第四MOS管的串联连接点连接第一运放OP1的正性输入端，第一运放OP1的负性输入端连接电平值为VCC/2的第二参考电压源。

所述第一MOS管和第三MOS管皆为PMOS管，接高电平；第二MOS管和第四MOS管皆为NMOS管，接地电平。

本发明的有益效果是，在增添少量芯片面积及功耗的条件下，通过负反馈控制环路使得输入翻转电平稳定，不受电源电压和温度的影响。

附图说明

图1为现有技术接收器输入端，借助辅助运放对输入翻转电平进行仿真

图2为现有技术接收器输入翻转电平与温度关系。

图3为现有技术接收器输入翻转电平与电源电压关系。

图4为本发明提出的接收器结构。

图5为本发明采用的VREF产生电路图。

图6为本发明接收器结构的输入翻转电平与温度关系曲线。

图7为本发明接收器结构的输入翻转电平与电源电压关系曲线。

具体实施方式

参考图4。

本发明包括输入端VIN、输出端VOUT和反相器，所述反相器由串联于高电平VCC和地电平之间的第一MOS管MP2和第二MOS管MN2构成，两个MOS管栅极连接到输入端，其特征在于，还包括一个从反相器和第一运放OP1，所述从反相器由串联于高电平VCC和地电平之间的第三MOS管MP1和第四MOS管MN1构成，第三MOS管MP1与第一MOS管MP2相同，第四MOS管MN1与第二MOS管MN2相同，第三MOS管MP1的衬底和第一MOS管MP2的衬底皆连接到第一运放OP1的输出端，第三MOS管MP1的栅极和第四MOS管MN1的栅极皆连接到参考电压源，第三MOS管MP1和第四MOS管MN1的串联连接点连接第一运放OP1的正性输入端，第一运放OP1的负性输入端连接电平值为VCC/2的第二参考电压源。

所述第一MOS管和第三MOS管皆为PMOS管，接高电平；第二MOS管和第四MOS管皆为NMOS管，接地电平。

本文所称的串联是基于电流的流向而言，如图4中，电流从高电平VCC经第三MOS管MP1的源极和漏极，再经过第四MOS管的源极和漏极至地电平点，第三MOS管和第四MOS管即为串联。

本发明利用MOS管源-衬反偏电压值影响MOS开启阈值这一效应，通过含运算放大器OP1的闭环控制电路对图4中的MP2管的阈值电压进行调整，进而对接收器输入翻转电平的漂移进行补偿，使得翻转电平在不同电源电压及温度条件下保持恒定。

图4的具体工作原理为，第三MOS管MP1和第四MOS管MN1构成的从反相器与第一MOS管MP2、第二MOS管MN2构成的主反相器尺寸完全相同，该从反相器与运放OP1构成负反馈环对第三MOS管MP1的衬底电压V_BP1进行控制，调整第三MOS管MP1的阈值电压V_thP1使得在VREF输入条件下，从反相器输出电压与第一运放OP1反向输入端的VCC/2电压相等。VREF为由芯片内部提供的基准电压，该电压设定为接收器输入端口所需要的翻转电平值。通过闭环控制，第一MOS管MP2的衬底电压值V_BP2＝V_BP1，由于两反相器尺寸、电源电压、衬底电压都相等，故最终所得到的主反相器输入翻转电平为所设定的VREF值。VREF可由简易的一阶温度补偿电压基准源经过倍压后得到，以图5结构为例，调整电阻R3、R4比值使VREF＝1.6V，该结构VREF温度系数约为12ppm/℃，如图6。

与图1的方法类似，借助辅助运放稳定接收器输出电压在VCC/2，对其输入电压进行温度扫描仿真，可看出输入电平的温度系数与VREF近似，在-55℃～125℃范围内仅变化了3.2mV，则对比图2与图6仿真结果，接收器结构A在全温范围内的输入翻转电平变化幅度仅为经典结构的32％。对电源电压进行扫描，仿真结果如图7所示，在4V～6V范围内输入电平变化幅度仅为2.4mV，为图3所示的6％。