低功耗高轉換速率CMOS模擬緩沖器

引言：

模擬電壓緩沖器是混合信號設計中非常重要的基本組成部件。它們主要用作信號監聽和驅動負載。在第一種情況下，緩沖器通常連接到測試電路和要求低輸入電容的電路的內部節點，因為這個節點上寄生電容的任何增加可能都是至關重要的。然而，當緩沖器用來驅動負載時，為了在整個電源電壓范圍內盡快地驅動負載，我們希望大范圍輸出信號擺幅內具有高的轉換速率。

　　目前集成電路的電源電壓已經降低了，主要集中在功耗和可靠性問題。這種趨勢已經迫使大部分模擬基本組成部件重新設計，試圖保證它們的整體性能。在這些設計約束下。軌到軌操作在低壓設計中成為強制性的，目的是為了增大信噪比。

　　在這篇文章里，我介紹了一種能達到AB類特性軌到軌CMOS模擬緩沖器的電路技巧，產生了具有低功耗和高的驅動能力的方法。

　　以前的互補：圖1a給出了P溝道AB類差分對，當大的差分信號加到輸入端時，它能夠傳送非常大的電流。在差分對節點A處的阻抗非常低，而且它的電壓即使在的輸入信號下，也近似接近常數。因此，差分電壓V1-V2在M2上產生大的電流變化，在M3上也同樣如此。

　　AB類電壓緩沖器可以通過連結兩個互補差分單元而得到，如圖1c所示。毫無疑問，圖1c中的電路有兩種局限性。第一，M3P和M3N的柵源電壓可以分別迫使驅動晶體管M1P和MlN在三極管區工作，減小了可用的電壓工作范圍。這種缺陷可以通過引進電壓電平移位器來驅動M3P和M3N來克服，這將在后面解釋。第二，當輸出節點接近正向或者負向電源軌時，這種結構的輸出電壓擺幅受到限制。主要是因為P溝道和N溝道差分對分別工作在VDD和VSS受到限制的緣故。

　　圖1 AB類差分輸入單元；對差分信號的直流傳輸特；基于兩對互補AB類差分輸入單元的低功耗緩沖器

　　a AB類差分輸入單元 b DC傳輸特性 c低功耗緩沖器

　　所提出的模擬緩沖器：圖2給出了晶體管級實現所提出的軌到軌MOS模擬緩沖器。這種電路是單增益級。它的輸人支路是由兩個互補的AB類差分對組成。與圖1c中電路的重要區別是，在這種情況下，輸出節點不是由輸入驅動直接驅動，而是由電流鏡M4P-M5P和M4N-M5N分別驅動。因此，M2P和M2N的共柵現在是不倒相輸入端。

　圖2所提出的軌到軌AB類緩沖器

　在中部電源電壓區，PMOS和NMOS輸入對是有效的，而且它們的偏置電流通過電流鏡M4P--M5P和M4N--M5N鏡像到該電路的輸出端。這種結構允許NMOS輸入對驅動在電源電壓區的輸出節點接近VDD．而PMOS控制輸出端的電壓范圍接近VSS．不幸的是，在接近VDD時，P溝道輸入對截止，而且沒有電流被鏡像到輸出端的底部，關閉了緩沖器。類似的情況是VSS時．N溝道差分對不是有效的。為了這個原因，晶體管M1PR-M5PR和MlNR-M5NR已包括在圖2中，維持在整個電壓范圍內是有效的。

　　因此，這種緩沖器的工作過程可以這樣詳細描述如下：當輸入信號Vin,在中部電源電壓區，兩個輸入對MIP～M2P和MlN―M2N是有效的，M4P-M5P和M4N--M5N鏡像一個等于IB的電流到輸出支路。而且，電流IB的復制品通過晶體管MIPR(M1NR)和M2PR―M3PR(MlNR―M2NR)拷貝，給輸出支路底部的附加電路的電流源提供電流。因此，晶體管M4P和M5P(M4N和M5N)關斷，而且對輸出電流沒有任何貢獻。輸入信號接近VDD時，PMOS輸入對關斷，而且反相輸入支路的復制品等等都關斷。MIPR--M3PR不對輸出支路的附加電路發送任何電流。這樣的話，M4PR和M5PR導通，從輸出支路吸收等于IB的電流，維持緩沖器是導通的。當輸入信號Vin接近VSS時，類似的情況也會發生。