CN102412824B - 一种差分参考电压缓冲器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种差分参考电压缓冲器，包括控制部分、复制缓冲部分和串接于控制部分和复制缓冲部分之间的主缓冲部分，控制部分包括全差分运算放大器和共模反馈电路，共模反馈电路的输出端接至全差分运算放大器的共模反馈输入端；主缓冲部分包括共用一路偏置电流的第一和第二晶体管，全差分运算放大器的输出端接至第一和第二晶体管的栅极，第一和第二晶体管的源极接至共模反馈电路的输入端；复制缓冲部分包括共用一路偏置电流的第四和第五晶体管，第四和第五晶体管的栅极分别接至第一和第二晶体管的栅极，第四和第五晶体管的源极分别输出参考电压。本发明的差分参考电压缓冲器响应速度快、低噪声且低功耗，能够提高数据转换器的性能和精度。

Description

一种差分参考电压缓冲器

技术领域

本发明涉及集成电路领域，具体涉及一种差分参考电压缓冲器。

背景技术

参考电压(Voltage Reference)，通常是指在电路中用作电压基准的高稳定度的电压，也称为基准电压。在许多集成电路和电路单元中，如数模转换器(DAC)、模数转换器(ADC)、线性稳压器和开关稳压器，都需要精密而稳定的基准电压源。理想的基准电压源不受电源和温度的影响，在电路中能提供稳定的电压。

在数据转换电路中，参考电压作为数据量化的基准，对其速度和精度有着很高的要求。然而，在高速高精度的数据转换器中，由于开关电容电路的大量使用，参考电压和电源线上都将有很大的电压波动，这严重影响了整个数据转换器的性能和精度。

如何保证参考电压在对电容充放电后快速恢复到稳定电平、对小的电压干扰不敏感、并且消耗尽可能少的能量已经成为整个数据转换器设计的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种响应速度快、低噪声且低功耗的差分参考电压缓冲器。

为了实现上述目的，本发明提供一种差分参考电压缓冲器，包括控制部分、主缓冲部分和复制缓冲部分，所述主缓冲部分串接于控制部分和复制缓冲部分之间，其中：

所述控制部分包括全差分运算放大器和共模反馈电路，所述共模反馈电路的输出端接至所述全差分运算放大器的共模反馈输入端；

所述主缓冲部分包括串联的第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管和第二晶体管共用一路偏置电流，所述全差分运算放大器的正负输出端分别接至所述第一晶体管和第二晶体管的栅极，所述第一晶体管和第二晶体管的源极接至所述共模反馈电路的输入端；

所述复制缓冲部分包括串联的第四晶体管和第五晶体管，所述第四晶体管和第五晶体管共用一路偏置电流，所述第四晶体管和第五晶体管的栅极分别接至所述第一晶体管和第二晶体管的栅极，所述第四晶体管和第五晶体管的源极分别输出正负两个参考电压。

作为优选，所述全差分运算放大器的正负输入端用于分别通过第一和第二电阻来接收输入参考电压并分别通过第三和第四电阻连接到所述第一晶体管和第二晶体管的源极以形成负反馈。

作为优选，所述共模反馈电路具有正负两个输入端、一个共模电平输入端，所述共模电平输入端用以接收外部输入的共模电压，所述共模反馈电路强制所述主缓冲部分的所述第一晶体管和第二晶体管的源极输出的第一电压和第二电压的均值等于所述共模电压。

作为优选，所述共模反馈电路包括运算放大器和分别连接到所述运算放大器的正输入端的第五电阻和第六电阻，所述第五电阻和第六电阻的另一端分别为所述共模反馈电路的正负输入端，所述运算放大器的负输入端为所述共模反馈电路的共模电平输入端，所述运算放大器的输出端为所述共模反馈电路的输出端。

作为优选，所述共模反馈电路包括由第七晶体管和第八晶体管构成的第一差分对及由第九晶体管和第十晶体管构成的第二差分对，所述第八晶体管和第九晶体管的栅极相连接且该栅极为共模反馈电路的共模电平输入端，所述第八晶体管和第九晶体管的漏极相连接且连接到第十一晶体管的漏极，所述第十一晶体管的栅极连接到漏极并为共模反馈电路的输出端，所述第七晶体管和第十晶体管的栅极分别为所述共模反馈电路的正负输入端。

作为优选，所述主缓冲部分还包括第三晶体管，所述第一晶体管接于电源和第二晶体管之间，第三晶体管连接在第二晶体管与地之间。

作为优选，所述主缓冲部分还包括去耦电容器，所述去耦电容器分别接于电源和第一晶体管的栅极之间、第一晶体管和第二晶体管的栅极之间以及第二晶体管和地之间。

作为优选，所述主缓冲部分中的第一晶体管和第二晶体管共用一路偏置电流，并且均采用NMOS晶体管实现。

作为优选，所述复制缓冲部分还包括第六晶体管，所述第四晶体管连接在电源和第五晶体管之间，第六晶体管连接在第五晶体管和地之间。

作为优选，所述复制缓冲部分中的第四晶体管和第五晶体管共用一路偏置电流，并且均采用NMOS晶体管实现。

本发明的差分参考电压缓冲器中，控制部分和主缓冲部分根据输入电压大小并优选通过负反馈产生出两个偏置电压，该偏置电压在优选使用大电容去耦后送至复制缓冲部分。复制缓冲部分利用该偏置电压输出两个参考电压。由于复制缓冲部分已经是开环电路，因此具有较快的响应速度和较强的电容驱动能力。每个缓冲部分均包含两个源极跟随器，且其共用一路偏置电流，从而大大节省了功耗开销。

附图说明

附图1为本发明的差分参考电压缓冲器的电路示意图；

附图2为控制部分中的全差分运算放大器10的一个实施例的电路示意图；

附图3为控制部分中的共模反馈电路11的一个实施例的电路示意图；

附图4为控制部分中的共模反馈电路11的另一个实施例的电路示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。

图1为本发明的差分参考电压缓冲器的电路示意图，如图1所示，其包括控制部分1、主缓冲部分2和复制缓冲部分3这三个部分，主缓冲部分2串接于控制部分1和复制缓冲部分3之间。

控制部分1包含了全差分运算放大器10、共模反馈电路11和四个电阻R₁、R₂、R₃和R₄，并且R₁＝R₂，R₃＝R₄，共模反馈电路11的输出端接至全差分运算放大器10的共模反馈输入端以确定其输出共模电平。

电阻R₁和R₂一端接到例如地gnd与参考电压Vr，另一端接至全差分运算放大器10的输入端以形成“虚地”，从而线13与线14上的电压满足下式：

$(V_{13}-0)\frac{R_2}{R_2+R_4}=V_r+(V_{14}-V_r)\frac{R_1}{R_1+R_3}$

从而有：

$V_{13}-V_{14}=\frac{R_4}{R_2}{V}_r$

由于共模反馈电路11的两个输入端分别接到线13和14上，因此共模反馈电路11可强制线13和线14上电压的均值等于线15上所接收到的外部输入共模电平V_cm，因此有：

V₁₃+V₁₄＝2V_cm

因此线13与线14上的电压为：

$V_{13}=V_{\mathrm{cm}}+\frac{1}{2}\frac{R_4}{R_2}{V}_r$

$V_{14}=V_{\mathrm{cm}}-\frac{1}{2}\frac{R_4}{R_2}{V}_r$

主缓冲部分包括三个NMOS晶体管M₁、M₂和M₃。M₁作为源极跟随器来输出线13上的电压，M₂作为源极跟随器输出线14上的电压，M₃是电流源晶体管，采用NMOS晶体管可实现较大的跨导。M₁、M₂的栅端17与16分别接于控制部分1的全差分运算放大器10的正负输出端以形成闭环负反馈，M₁与M₂栅端的电压由控制部分1的全差分运算放大器10的输出而确定，其大小为：

V₁₇＝V₁₃+V_GS1

V₁₆＝V₁₄+V_GS2

线16与线17上可接一组去耦电容20，这组电容将在高频情况下大大降低线16与线17的阻抗，从而降低噪声。

主缓冲部分2的两个源极跟随器M₁和M₂共享M₃提供的偏置电流，从而大幅降低了功耗开销。

复制缓冲部分3包括三个晶体管M₄、M₅和M₆。M₄作为源极跟随器来输出线31上的正参考电压V_refp，M₅作为源极跟随器输出线30上的负参考电压V_refn，M₆是电流源晶体管。与主缓冲部分2相同，M₄和M₅栅端的偏置电压同样由控制部分1的全差分运算放大器10的正、负两个输出端来提供。然而与主缓冲部分2不同的是：复制缓冲部分3输出的两个参考电压没有反馈回控制部分1的全差分运算放大器10的输入端。换言之，复制缓冲部分3工作于开环状态，从而具有较快的响应速度。稳定状态下V_refp和V_refn的值为：

V_refp＝V₁₇-V_GS4＝V₁₃+V_GS1-V_GS4

V_refn＝V₁₆+V_GS5＝V₁₄+V_GS2-V_GS5

在设计时，复制缓冲部分3和主缓冲部分2的源极跟随器晶体管的尺寸比例会与电流源晶体管的尺寸比例相同，因此V_GS1＝V_GS4，V_GS2＝V_GS5，从而输出的两个参考电压V_refp和V_refn的值与线13、线14上的电压值相等，即：

$V_{\mathrm{refp}}=V_{13}=V_{\mathrm{cm}}+\frac{1}{2}\frac{R_4}{R_2}{V}_r$

$V_{\mathrm{refn}}=V_{14}=V_{\mathrm{cm}}-\frac{1}{2}\frac{R_4}{R_2}{V}_r$

另外一方面，复制缓冲部分3的两个源极跟随器M₄和M₅共享M₆提供的偏置电流，从而大幅降低了功耗开销。

图2是控制部分1中的全差分运算放大器10的一个实施例的电路示意图。该放大器采用经典的电流镜型结构，其正负输入端为差分对M′₁、M′₂的栅端。输入电压由差分对M′₁、M′₂转为电流后被电流镜M′₅、M′₆镜像输出。该全差分运算放大器的共模反馈输入端为输出部分的电流源晶体管M′₇、M′₈的栅端。

图3是控制部分1中的共模反馈电路11的一个实施例的电路示意图。

如图3所示，共模反馈电路11包括运算放大器113和分别连接到运算放大器113的正输入端的第一电阻110和第二电阻111，第一电阻110和第二电阻111取值相同，其另一端将分别接收控制部分1的中线13和线14上的电压并对其求平均值送至线112。运算放大器113的负输入端为共模反馈电路11的共模电平输入端，所述运算放大器113的输出端为所述共模反馈电路11的输出端，运算放大器113将线112上的电压与外部输入的共模电压V_cm比较，并通过输出端控制全差分运算放大器10的共模反馈端。在环路稳定后，线112上的电压将和V_cm相等。

图4是控制部分1中的共模反馈电路11的另外一个实施例的电路示意图。

如图4所示，共模反馈电路包括由第七晶体管M″₁和第八晶体管M″₂构成的第一差分及由第九晶体管M″₃和第十晶体管M″₄构成的第二差分对，第八晶体管M″₂和第九晶体管M″₃的栅极相连接且该栅极为共模反馈电路11的共模电平输入端，第八晶体管M″₂和第九晶体管M″₃的漏极相连接且连接到第十一晶体管M″₅的漏极，第十一晶体管M″₅的栅极连接到漏极并为共模反馈电路11的输出端。

第七晶体管M″₁和第十晶体管M″₄的栅极分别为共模反馈电路11的正负输入端，M″₁和M″₄将接收来自控制部分中线13和线14上的电压并通过差分对M″₁、M″₂和M″₃、M″₄对接收到的电压求均值并与外部输入的共模电压V_cm比较，然后通过输出端控制全差分运算放大器10的共模反馈端。在环路稳定后，线13和线14上电压的平均值等于V_cm。

以上所述仅为本发明的优选实施例，本发明不局限于上述特定实施例子，在不背离本发明精神及其实质情况下，熟悉本领域技术人员可根据本发明作出各种相应改变和变形，但这些相应改变和变形都应属于本发明所附权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种差分参考电压缓冲器，包括：控制部分(1)、主缓冲部分(2)和复制缓冲部分(3)，所述主缓冲部分(2)串接于控制部分(1)和复制缓冲部分(3)之间，其中，

所述控制部分(1)包括全差分运算放大器(10)和共模反馈电路(11)，所述共模反馈电路(11)的输出端接至所述全差分运算放大器(10)的共模反馈输入端；

所述主缓冲部分(2)包括串联的第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管和第二晶体管共用一路偏置电流，所述全差分运算放大器(10)的正负输出端分别接至所述第一晶体管和第二晶体管的栅极，所述第一晶体管和第二晶体管的源极接至所述共模反馈电路(11)的输入端；

所述复制缓冲部分(3)包括串联的第四晶体管和第五晶体管，所述第四晶体管和第五晶体管共用一路偏置电流，所述第四晶体管和第五晶体管的栅极分别接至所述第一晶体管和第二晶体管的栅极，所述第四晶体管和第五晶体管的源极分别输出正负两个参考电压。

2.如权利要求1所述的差分参考电压缓冲器，其特征在于，所述全差分运算放大器(10)的正负输入端用于分别通过第一和第二电阻来接收输入参考电压并分别通过第三和第四电阻连接到所述第一晶体管和第二晶体管的源极以形成负反馈。

3.如权利要求1所述的差分参考电压缓冲器，其特征在于，所述共模反馈电路(11)具有正负两个输入端、一个共模电平输入端，所述共模电平输入端用以接收外部输入的共模电压，所述共模反馈电路(11)强制所述主缓冲部分的所述第一晶体管和第二晶体管的源极输出的第一电压和第二电压的均值等于所述共模电压。

4.如权利要求3所述的差分参考电压缓冲器，其特征在于，所述共模反馈电路(11)包括运算放大器(113)和分别连接到所述运算放大器(113)的正输入端的第五电阻和第六电阻，所述第五电阻和第六电阻的另一端分别为所述共模反馈电路(11)的正负输入端，所述运算放大器(113)的负输入端为所述共模反馈电路(11)的共模电平输入端，所述运算放大器(113)的输出端为所述共模反馈电路(11)的输出端。

5.如权利要求3所述的差分参考电压缓冲器，其特征在于，所述共模反馈电路(11)包括由第七晶体管和第八晶体管构成的第一差分对及由第九晶体管和第十晶体管构成的第二差分对，所述第八晶体管和第九晶体管的栅极相连接且该栅极为共模反馈电路(11)的共模电平输入端，所述第八晶体管和第九晶体管的漏极相连接且连接到第十一晶体管的漏极，所述第十一晶体管的栅极连接到漏极并为共模反馈电路(11)的输出端，所述第七晶体管和第十晶体管的栅极分别为所述共模反馈电路(11)的正负输入端。

6.如权利要求1所述的差分参考电压缓冲器，其特征在于，所述主缓冲部分(2)还包括第三晶体管，所述第一晶体管接于电源和第二晶体管之间，第三晶体管连接在第二晶体管与地之间。

7.如权利要求1所述的差分参考电压缓冲器，其特征在于，所述主缓冲部分(2)还包括去耦电容器(20)，所述去耦电容器分别接于电源和第一晶体管的栅极之间、第一晶体管和第二晶体管的栅极之间以及第二晶体管和地之间。

8.如权利要求1所述的差分参考电压缓冲器，其特征在于，所述主缓冲部分(2)中的第一晶体管和第二晶体管共用一路偏置电流，并且均采用NMOS晶体管实现。

9.如权利要求1所述的差分参考电压缓冲器，其特征在于，所述复制缓冲部分(3)还包括第六晶体管，所述第四晶体管连接在电源和第五晶体管之间，第六晶体管连接在第五晶体管和地之间。

10.如权利要求1所述的差分参考电压缓冲器，其特征在于，所述复制缓冲部分(3)中的第四晶体管和第五晶体管共用一路偏置电流，并且均采用NMOS晶体管实现。

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