[发明专利]单阈值和单传导类型放大器/缓存器

说明书

技术领域

本发明涉及一种放大器/缓存器，具体地，本发明涉及具有单阈值和单传导类型的电路元件的放大器/缓存器。

背景技术

在大电路中，在长距离上传输并驱动很多电路的时钟信号和其它关键信号需要缓存/放大，以克服由容性负载和串联电阻引起的信号恶化。

为了实现放大器/缓存器，一般使用互补金属氧化物半导体(CMOS)，这是由于他们的很多优点，例如，高输入阻抗、低输出阻抗、可忽略的静态功耗和轨到轨输出摆幅等。图1示出了一个这样的放大器/缓存器，所述放大器/缓存器利用传统的CMOS技术，其具有两个串联的反相器。该电路的操作简单，选择反相器的晶体管特性以便放大器/缓存器可以提供高输入阻抗和非常低的输出阻抗从而提供缓存后的/放大后的输出。如图1所示以及如名字所暗示的，CMOS逻辑电路采用N传导型(NMOS)晶体管以及P传导型(PMOS)晶体管两种。在很多应用中，逻辑电路例如聚合体或塑料电子学和类硬盘固态存储器应用中，希望只采用单传导型晶体管。

单传导型逻辑电路具有这样的优势，其通过减少在制造过程中的掩膜或光刻工艺的数目来降低芯片的生产/制造成本。典型地，单传导型逻辑采用耗尽型晶体管作为负载器件。在图2中示出了采用耗尽型晶体管的单传导型缓存器/放大器。在这个示例中，通过用具有负阈值电压的耗尽型NMOS晶体管来代替传统CMOS的PMOS晶体管，可以实现单传导型缓存器/放大器。将耗尽型晶体管的栅极连接至它的源极。在底部的两个NMOS晶体管具有正的阈值电压，并起开关的作用。在顶部的两个NMOS晶体管具有负的阈值电压，并起电流源的作用。通过适当地规定这些部件的尺寸，输出信号Out提供了缓冲后的输入信号。所述电路具有高的静态功耗。另外，由于在芯片上制造耗尽型或增强型晶体管需要更多次数的掩膜和光刻工艺，所述电路仍然不能提供制造成本优势。而且，由于两个顶端的器件不传导任何实质的电流，所以当在工艺中不能得到负阈值的器件时，电路将不工作。

如图3所示，用以二极管模式连接的传统晶体管代替耗尽型/增强型晶体管，可以解决关于耗尽型/增强型制造成本的问题。二极管形式连接的晶体管可以具有与其配对物一样的正阈值，于是反相器被配置成单阈值单传导类型逻辑。限定反相器上半部的两个晶体管的尺寸使之具有显著地弱于对应的下部晶体管的传导性，这允许输出达到接近电路接地电压的充分低电压。将反相器的顶部晶体管连接成二极管模式，这就允许在芯片上制造具有类似特性的晶体管。于是提供了一种单阈值和单传导类型的电路，其需要减少制造工艺中的掩膜步骤的数目。

这种电路的轨到轨输出是一个问题。从图3可以清楚地看到，反相器的输出将达到V_dd-V_T的最大值，其中V_T是反相器中的二极管形式连接的晶体管的阈值电压。按照通常的工业标准和技术要求，阈值电压大概被选择为V_dd的1/4。为了将在晶体管被关闭时的亚阈值泄漏电流减小到足够低的水平，这个阈值电压是最低程度的要求。这意味着输出可以达到的最大值只是在3/4V_dd左右，这个电压不足以完全打开与至图3的输出耦合的下一个逻辑门中的晶体管。从而，相对更小的输出范围限制了这种类型电路的级联，这是一个主要的缺点。另外，该电路具有非常大的功耗，这是因为在输入信号In和输出信号Out都低时，第二级形成大的静态电流，并且在输入信号In和输出信号Out都高时，第一级形成大的静态电流。

可以通过向如图4所示的电路中的两个晶体管提供互补输入信号来解决相对大的静态电流的问题。这种安排确实将静态电流减小至只剩下泄漏电流。需要互补输入信号是该电路的一个缺点。在这种情况下，不能获得输出信号的全摆幅。这种安排提供了电压高达输入信号In减去阈值电压(被背栅效应放大)的输出摆幅。这甚至进一步地减小了该电路的实用性并使它几乎不可能级联。

另外，显著的是，所有上述放大器/缓存器具有很长的上升时间和下降时间，从而不提供陡峭的上升沿和下降沿。

从而，需要提供功耗减小的和轨到轨输出的单阈值和单传导类型的缓存器/放大器。

发明内容

为了实现这个目的，本发明提供了一种由单阈值和单传导类型的电路元件组成的放大器/缓存器，包括：接收用于缓存/放大的一个或多个输入信号并提供中间信号以控制所述放大器/缓存器的输出的输入级；被配置成在所述信号超过了预定值时对所述中间信号进行升压的升压电路；以及用以根据至少中间信号提供已放大/已缓存输出的输出级。