低功耗轨到轨衬底驱动比较器的制作方法

本发明涉及集成电路领域，尤其涉及比较器领域，在能量收集系统中，作为其中电荷泵模块的一部分。具体讲,涉及低功耗轨到轨衬底驱动比较器。

背景技术：

在能量收集系统中，收集到的能量以电荷的形式储存在电容中，然后电荷泵电路将电容中的电荷转换成比电源电压更高的电压。这个转换过程对功耗要求非常严格。作为电荷泵中的积分模块，比较器要求有极低的功耗。

低功耗电路一般具有较低的电源电压，使得比较器的输入摆幅较小，这就使轨到轨输入，即允许输入信号的值在0和电源电压之间变化十分必要，以使输入摆幅最大化。传统的比较器输入信号加到mos管的栅极，阈值电压的存在导致输入摆幅受到限制，因此提出的比较器采用衬底驱动的方案，即输入信号加到衬底，以实现轨到轨输入。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种低功耗轨到轨衬底驱动比较器，在电源电压较低以保证低功耗的同时，能够轨到轨输入以保证较大的输入摆幅，以用于能量收集系统。为此，本发明采取的技术方案是，低功耗轨到轨衬底驱动比较器，结构如下：pmos管min+的衬底是正输入端in+，其栅极和漏极接地，源极接pmos管m1的漏极，m1的栅漏极相连，源极接电源vdd，m1的栅极接pmos管m2和m3的栅极，m2源极接vdd，漏极接nmos管m4的漏极、栅极和nmos管m5的栅极，m4和m5的源极接地，m5的漏极命名为diff并接到pmos管m6的漏极，m6源极接vdd，m6栅极接pmos管m7的栅极和pmos管m8的栅极和漏极，m7和m8的源极接电源vdd，m8的漏极接pmos管min-的源极，min-的栅极和漏极接地，衬底是负输入端in-，m7的漏极接nmos管m10的栅极、漏极和nmos管m9的栅极，m9和m10的源极接地，m9的漏极接m3的漏极，diff节点，即m5和m6的漏极，接两个串联的缓冲器，得到正输出端out+；后一个缓冲器接到反相器，得到负输出端out-。

输入信号in+和in-的差别导致输入管min+和min-的衬源电压的不同，从而阈值电压不同，in+更高，则min+的阈值电压的绝对值更大，而其栅源电压不变，从而过驱动电压，即栅源电压的绝对值与阈值电压的绝对值的差更小，所以min+的漏电流更小，该电流通过m1和m2、m1和m3、m4和m5组成的电流镜复制到mos管m3和m5；同理min-的稍大些的电流复制到m6和m9。m5和m6电流的差异导致diff节点的电压不得不上升以使m5的漏源电压上升，m6的漏源电压下降，从而强制二者电流相等，diff节点上升的电压通过缓冲器和反相器得到高电平和低电平，并通过输出端out+和out-输出，当输入情况相反时，亦然。

本发明的特点及有益效果是：

本发明提出的比较器采用衬底驱动的方式，在电源电压较低(0.6v)从而功耗较低的情况下实现轨到轨输入，得到最大化的输入摆幅，可以应用于对功耗要求较为苛刻的电源收集系统中，并可以在-20～85℃的温度范围内正常工作。

附图说明：

图1本发明提出的比较器的结构。

具体实施方式

本发明提出的比较器的电路图如图1所示。pmos管min+的衬底是正输入端in+，其栅极和漏极接地，源极接pmos管m1的漏极，m1的栅漏极相连，源极接电源vdd，电源电压为0.6v。m1的栅极接pmos管m2和m3的栅极。m2源极接vdd，漏极接nmos管m4的漏极、栅极和nmos管m5的栅极，m4和m5的源极接地，m5的漏极命名为diff并接到pmos管m6的漏极，m6源极接vdd，栅极接pmos管m7的栅极和pmos管m8的栅极和漏极。m7和m8的源极接vdd。m8的漏极接pmos管min-的源极，min-的栅极和漏极接地，衬底是负输入端in-。m7的漏极接nmos管m10的栅极、漏极和nmos管m9的栅极，m9和m10的源极接地，m9的漏极接m3的漏极。diff节点，即m5和m6的漏极，接两个串联的缓冲器，得到正输出端out+。后一个缓冲器接到反相器，得到负输出端out-。

输入信号in+和in-的差别导致输入管min+和min-的衬源电压的不同，从而阈值电压不同。如果in+更高，则min+的阈值电压的绝对值更大，而其栅源电压不变，从而过驱动电压，即栅源电压的绝对值与阈值电压的绝对值的差更小，所以min+的漏电流更小。该电流通过m1和m2、m1和m3、m4和m5组成的电流镜复制到mos管m3和m5。同理min-的稍大些的电流复制到m6和m9。m5和m6电流的差异导致diff节点的电压不得不上升以使m5的漏源电压上升，m6的漏源电压下降，从而强制二者电流相等。diff节点上升的电压通过缓冲器和反相器得到高电平和低电平，并通过输出端out+和out-输出。当输入情况相反时，亦然。

提出的是主要应用于能量收集系统的轨到轨低功耗比较器，由于采用衬底驱动的方式，可以实现最大化的输入摆幅。而为了能够实现衬底驱动，必须采用双阱工艺。电源电压设定在0.6v，设计工作频率为1mhz，负载为10pf。

电路中各mos管的尺寸为：m1、m2、m7、m8的宽长比为0.3um/3um，m3、m6的宽长比为0.6um/3um，min+、min-的宽长比为10um/0.2um，m4、m10的宽长比为0.3um/5um，m5、m9的宽长比为0.6um/5um。

技术特征：

技术总结
本发明涉及集成电路领域，为提出一种低功耗轨到轨衬底驱动比较器，在电源电压较低以保证低功耗的同时，能够轨到轨输入以保证较大的输入摆幅，以用于能量收集系统。为此，本发明采取的技术方案是，低功耗轨到轨衬底驱动比较器，结构如下：PMOS管Min+的衬底是正输入端IN+，其栅极和漏极接地，源极接PMOS管M1的漏极，M1的栅漏极相连，源极接电源VDD，M1的栅极接PMOS管M2和M3的栅极，M2源极接VDD，漏极接NMOS管M4的漏极、栅极和NMOS管M5的栅极，M4和M5的源极接地，M5的漏极命名为diff并接到PMOS管M6的漏极。本发明主要应用于集成电路设计制造场合。

技术研发人员：徐江涛;赵希阳;高静;史再峰;聂凯明
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2018.09.30
技术公布日：2019.03.29