CN105991002A - Cmos整流二极管电路单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种CMOS整流二极管电路单元，包括一个PMOS晶体管、一个NMOS晶体管、第一偏置电压源和第二偏置电压源；所述PMOS晶体管的源极与所述第二偏置电压源的负端相连，并一起连接到整流二极管单元的正端，所述PMOS晶体管的栅极与所述第一偏置电压源的负端相连，所述PMOS晶体管的漏极和衬底连接在一起，并与所述NMOS晶体管的漏极和衬底相连；所述NMOS晶体管的源极与所述第一偏置电压源的正端相连，并一起连接到整流二极管单元的负端，所述NMOS晶体管的栅极与所述第二偏置电压源的正端相连。本发明提供的CMOS整流二极管电路单元不仅具有较低的开启电压，而且具有非常低的反向漏电，适用于在超低功耗整流电路中，可有效提高整流电路的效率。

Description

CMOS整流二极管电路单元
技术领域
本发明涉及集成电路设计技术领域，尤其涉及一种CMOS整流二极管电路单元。
背景技术
二极管是最常用的基础电子元器件之一，其正向导通和反向截止的特性被广泛应用于各种用途的电路中，尤其是作为整流器件应用于各种电源电路。传统的整流二极管主要有PN结二极管和肖特基二极管两类，PN结二极管的反向漏电较小，但是其正向导通压降很大；肖特基二极管的正向导通压降较小，但是其反向漏电很大，且不与CMOS工艺兼容。为了提高整流电路的性能，减小功耗，应设法降低二极管的正向导通压降和反向漏电，此外，为了使整流电路便于与其他CMOS电路单片集成，二极管应与CMOS工艺兼容。
为了实现高性能的整流二极管，国内外研究机构对此展开了研究，并提出了多种整流二极管电路单元，其中，图2是广泛应用于整流电路的一种整流二极管电路单元。该结构在传统栅漏直接相连的MOS二极管(如图1所示)基础上，在栅漏之间加入补偿电压，当二极管正向偏置时，由于该补偿电压的作用，使其正向导通电流变大，正向导通压降变小，等效为降低了二极管的开启电压。但是该结构在反向偏置时，其反向漏电比传统的栅漏直接相连的MOS二极管还要大一个量级。反向漏电较大会直接导致整流电路效率下降，尤其是在一些超低功耗***中，反向漏电过大带来的效率下降会更明显。
图3是针对超低功耗电路应用提出的一种低反向漏电的CMOS二极管电路单元，该结构包括交叉对称连接的互补的PMOS和NMOS晶体管，具体的，PMOS晶体管的源极与NMOS晶体管的栅极相连，并一起连接到二极管单元的正端，栅极与NMOS晶体管的源极相连，并一起连接到二极管单元的负端，漏极和衬底连接在一起，并与NMOS晶体管的漏极和衬底连接在一起。当正向偏置时，该结构可看作是两个标准的PMOS二极管和NMOS二极管串联，呈现为二极管正向导通特性；当反向偏置时，该结构呈现出PMOS和NMOS晶体管的源极连接在一起，二者的Vgs都为负，随着反向偏置电压的增大，反向漏电流会随之大大降低，呈现为MOS晶体管的反向截止特性。可以看出，这种结构的二极管电路单元的优点是可以把二极管单元的反向漏电降低几个数量级，但是其正向导通特性与传统二极管类似，开启电压并没有减小。
综上所述，可知现有技术中的CMOS二极管电路单元存在着开启电压较低时的反向漏电较大，或者反向漏电较低时的开启电压较高的问题。
发明内容
为克服上述现有技术存在的CMOS二极管电路单元开启电压较低时的反向漏电较大，或者反向漏电较低时的开启电压较高的问题，本发明的目的在于提供一种同时具有低反向漏电和低开启电压的CMOS整流二极管电路单元。
本发明提供一种CMOS整流二极管电路单元，包括：
一个PMOS晶体管Mp、一个NMOS晶体管Mn、第一偏置电压源Vcp和第二偏置电压源Vcn；
所述PMOS晶体管Mp的源极与所述第二偏置电压源Vcn的负端相连，并一起连接到整流二极管单元的正端，所述PMOS晶体管Mp的栅极与所述第一偏置电压源Vcp的负端相连，所述PMOS晶体管Mp的漏极和衬底连接在一起，并与所述NMOS晶体管Mn的漏极和衬底相连；
所述NMOS晶体管Mn的源极与所述第一偏置电压源Vcp的正端相连，并一起连接到整流二极管单元的负端，所述NMOS晶体管Mn的栅极与所述第二偏置电压源Vcn的正端相连。
本发明提供的CMOS整流二极管电路单元，基于现有的降低二极管单元开启电压技术和减小二极管单元反向漏电技术，在低反向漏电CMOS二极管电路单元的基础上，分别在PMOS晶体管的栅极与NMOS晶体管的源极、NMOS晶体管的栅极与PMOS晶体管的源极之间加入补偿电压。这种具有补偿电压的互补型二极管电路单元，在反向偏置时，PMOS和NMOS晶体管都表现为MOS晶体管的反向截止特性，即反向电流非常小，大大减小了二极管单元的反向漏电；而在正向偏置时，PMOS和NMOS晶体管的正向导通压降都很低，等效为二极管单元的开启电压被降低。因此，本发明提供的CMOS整流二极管电路单元同时具有较低的开启电压和非常低的反向漏电，当该整流二极管单元应用于超低功耗的整流电路时，会大大提高整流电路的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为传统的MOS二极管单元电路实例；
图2为现有技术具有低开启电压的二极管单元电路实例；
图3为现有技术具有低反向漏电的二极管单元电路实例；
图4为本发明所提供的具有低反向漏电和低开启电压的CMOS整流二极管电路单元的电路实施例；
图5为本发明所提供的CMOS整流二极管电路单元与传统MOS二极管、现有技术具有低开启电压的整流二极管单元、以及现有技术具有低反向漏电的二极管单元的I-V曲线对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种CMOS整流二极管电路单元，不仅具有较低的开启电压，而且具有很低的反向漏电，可应用于超低功耗整流电路中，提高整流电路的效率。
如图4所示，本发明实施例提供的CMOS整流二极管电路单元包括：一个PMOS晶体管Mp、一个NMOS晶体管Mn、第一偏置电压Vcp、第二偏置电压Vcn和二极管单元的正端“+”和负端“-”。
所述PMOS晶体管Mp的源极与所述第二偏置电压源Vcn的负端相连，并一起连接到二极管单元的正端“+”，所述PMOS晶体管Mp的栅极与所述第一偏置电压源Vcp的负端相连，所述PMOS晶体管Mp的漏极和衬底连接在一起，并与所述NMOS晶体管Mn的漏极和衬底相连；
所述NMOS晶体管Mn的源极与所述第一偏置电压源Vcp的正端相连，并一起连接到二极管单元的负端“-”，所述NMOS晶体管Mn的栅极与所述第二偏置电压源Vcn的正端相连。
本发明实施例提供的CMOS整流二极管电路单元的工作原理为：
基于现有的降低二极管单元开启电压技术和减小二极管单元反向漏电技术，在低反向漏电CMOS二极管电路单元的基础上，分别在PMOS晶体管的栅极与NMOS晶体管的源极、NMOS晶体管的栅极与PMOS晶体管的源极之间加入补偿电压Vcp和Vcn。
具体的，结合图4，当二极管单元的两端施加正向偏置电压VD时，Mp的栅源电压Vgs,p＝-Vcp-VD，Mn的栅源电压Vgs,n＝Vcn+VD。即，与传统PMOS二极管相比，PMOS晶体管的Vgs,p更负，与传统的NMOS二极管相比，NMOS晶体管的Vgs,n更正。这就意味着，PMOS晶体管和NMOS晶体管导通的更完全，二者的导通压降也更小，等效为二极管单元的开启电压变低。
当二极管单元的两端施加反向偏置电压VD时，Mp的栅源电压Vgs,p＝Vcp+VD，Mn的栅源电压Vgs,n＝Vcn-VD。即，PMOS晶体管的Vgs,p更正，且随着偏置电压VD的增大，PMOS晶体管被关断的更彻底，其反向漏电更小；而NMOS晶体管的Vgs,n并没有实现更负，NMOS晶体管不能被彻底关断，因此其反向漏电流会稍大一些。也就是说，与图3所示的具有低反向漏电的二极管电路单元反偏时相比，本发明所提供的二极管电路单元的反向漏电会稍大一些，但是仍然比图1和图2所示的传统MOS二极管和具有低开启电压的整流二极管电路单元的反向漏电要小。
具体的，可以结合图5得到更直观的结论。图5是分别对图1所示的传统PMOS二极管、图2所示的具有低开启电压的二极管电路单元、图3所示的具有低反向漏电的二极管电路单元、以及本发明所提供的CMOS整流二极管电路单元进行直流扫描仿真得到的各二极管电路单元的I-V特性曲线。很容易看出，本发明所提供的CMOS整流二极管电路单元，其正向导通曲线与图2所示的具有低开启电压的二极管电路单元的一致，开启电压都非常小，只有几十mV；其反向截止曲线介于图2所示的具有低开启电压的二极管电路单元和图3所示的具有低反向漏电的二极管电路单元之间，随着反向偏压的增大，本发明所提供的CMOS整流二极管电路单元的反向漏电流急剧下降，最后达到MOS具体的物理极限。可以看出，当反向偏压为0.5V时，本发明所提供的CMOS整流二极管电路单元的反向漏电流比图2所示的具有低开启电压的二极管电路单元的反向漏电流低2个数量级；当反向偏压增大到1V时，本发明所提供的CMOS整流二极管电路单元的反向漏电流比图2所示的具有低开启电压的二极管电路单元的反向漏电流低5个数量级。
本发明所提供的CMOS整流二极管电路单元，在正向偏置时，导通电流较大，导通压降很小，等效为降低了二极管单元的开启电压；在反向偏置时表现为MOS晶体管的反向截止特性，使二极管单元的反向漏电降低几个数量级，有效抑制了反向漏电。从而，不仅可以降低二极管单元的开启电压，而且同时可以有效抑制二极管单元的反向漏电，当其应用于超低功耗的整流电路时，可以提高整流电路的效率。
此外，本发明所提供的CMOS整流二极管电路单元还具有较短的反向恢复时间，开关速度较快，也适用于高频整流电路。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种CMOS整流二极管电路单元，其特征在于，包括：
一个PMOS晶体管、一个NMOS晶体管、第一偏置电压源和第二偏置电压源；
所述PMOS晶体管的源极与所述第二偏置电压源的负端相连，并一起连接到整流二极管单元的正端，所述PMOS晶体管的栅极与所述第一偏置电压源的负端相连，所述PMOS晶体管的漏极和衬底连接在一起，并与所述NMOS晶体管的漏极和衬底相连；
所述NMOS晶体管的源极与所述第一偏置电压源的正端相连，并一起连接到整流二极管单元的负端，所述NMOS晶体管的栅极与所述第二偏置电压源的正端相连。
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