[实用新型]一种高线性度宽摆幅CMOS电压跟随器

说明书

本实用新型公开了一种高线性度宽摆幅CMOS电压跟随器，当输入电压低至0V时，所有MOS管都能够充分工作在饱和区，因而能够保证电压跟随器能够正常工作；随着输入电压增高，PMOS管P9漏端电压会迫近电源电压VDD，此时PMOS管P9进入线性区，导致PMOS管P9的栅极电压急剧下降，但是只要没有下降到迫使NMOS管N3进入线性区，电压跟随器仍能正常工作。因此PMOS管P9栅极电压可以低至小于2Vdsat，PMOS管P9的栅极电压允许摆幅得到较大的扩展。

技术领域

本实用新型属于集成电路设计技术领域，尤其是涉及一种高线性度宽摆幅CMOS电压跟随器。

背景技术

源极跟随器是CMOS电压跟随器的基本实现途径。一种传统的超级源极跟随器的电路如图1所示，其输入端为MOS管栅极(高输入阻抗)，输出电阻等于由于P2管引入的负反馈，输入管P1的等效跨导被放大了，因而能够提供更低的输出电阻。这种超级源极跟随器的戴维南等效模型如图2所示，可知其电压增益等于对于电压跟随器来说，我们希望输出电阻Rout越小越好，使得电压增益Av接近1。

先进CMOS工艺下的电源电压已越来越低，电压裕度对于模拟电路来说十分紧张，对于电压跟随器这种需要大的电压输出摆幅的模拟电路来说，情况更加严峻，保证每个MOS管都始终充分工作在饱和区已越来越困难。

如图1所示，当输入电压增大时，P2管的漏端电压(即输出电压)迫近电源电压，P2管容易进入线性区，导致g_m2下降；同时，P2管的栅极电压急剧下降，电流源IB进入线性区，导致r_oB减小，叠加效应之下，输出电阻Rout增大。根据电压增益公式可知Av减小，电压跟随效果变差。从另一个角度看，IB进入线性区，不再能提供恒定的电流，那么，P1管的栅源电压不再保持恒定，因此，P1管源极电压(即输出电压)跟随栅极电压(即输入电压)的效果变差。

CMOS工艺节点的推进迫使我们去充分利用线性区以获得更多的电压空间，即：当P2管进入线性区后，电压跟随器仍然能够正常工作的条件能维持多久。

由上述分析，可知：(1)P1、P2、IB均在饱和区时，g_m2恒定，r_oB也几乎不变，自然能够实现电压跟随作用。(2)随着输入电压的增高，P2管开始进入线性区，g_m2不再恒定，随输入电压的升高(亦即输出电压的升高)而线性降低(线性区g_m2＝βV_DS)，因此，输出阻抗不会立刻显著升高，即：超级源极跟随器的电压跟随作用不会立刻消失。(3)第(2)阶段伴随的效应是P2管栅极电压下降，会导致IB进入线性区，因而r_oB急剧降低，这会导致输出阻抗急剧升高，超级源极跟随器就会失去电压跟随作用。

由此，我们知道，超级源极跟随器的电压跟随作用是由恒流源IB保障的，也就是说：如果P2管栅极有更宽的允许电压摆幅，那么超级源极跟随器的输入电压上限就越高。但是图1所示结构存在一个固有矛盾：为了扩大P2栅极电压的允许摆幅，希望P2栅极(即P1漏极)偏置在较高电压；但是，为了保障输入管P1始终工作在饱和区，要求P2栅极(即P1漏极)偏置在较低电压。

现有技术采用如图3所示结构的超级源极跟随器实现电压跟随器，能够解决固有矛盾。相较于图1，加入了IB2和P3管构成的源极跟随器，保障了各MOS管工作在饱和区，但是这种结构的电压跟随器牺牲了P2管的栅极允许电压范围，因为P2管的栅极允许电压的最小值是Vdsat(IB 1)+VGS(P3)。总之，传统结构难以通过利用P2管初步进入线性区的阶段拓展电压摆幅。

发明内容

本实用新型目的是提供一种高线性度宽摆幅CMOS电压跟随器结构，能够在较宽输入电压范围内精确的实现电压的跟随，同时较传统结构而言能够在更宽的电压输入范围内保证较高的线性度。