一种确定MOS管源漏饱和电压的电路及其操作方法技术

本发明专利技术公开了一种确定MOS管源漏饱和电压的电路及其操作方法，所述电路包括4个NMOS管、2个运算放大器、2个电流镜、1个电流减法运算单元、1个电压减法运算单元、1个电流‑电压除法运算单元、1个跨导‑电压转换单元、1个二选一开关、1个电压保持器、1个比较器和1个逐次逼近单元；所述4个NMOS管包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管和第四NMOS管，所述2个运算放大器包括第一运算放大器和第二运算放大器，所述2个电流镜包括第一电流镜和第二电流镜。本发明专利技术还公开一种确定MOS管源漏饱和电压的操作方法。本发明专利技术的技术方案既保证MOS管处于饱和状态又不会浪费电源电压余量。

A circuit for determining source drain saturation voltage of MOS transistor and its operation method

【技术实现步骤摘要】
一种确定MOS管源漏饱和电压的电路及其操作方法
本专利技术属于电学
，涉及一种确定MOS管源漏饱和电压的电路及其操作方法，具体地说，涉及一种基于逐次逼近方式确定MOS管源漏饱和电压的电路及其操作方法。
技术介绍
MOS管的源漏饱和电压VDSAT是表征MOS管工作状态的一个非常重要的参数，具体是指MOS管的栅源电压VGS减去MOS管的阈值电压VTH，即VDSAT=VGS-VTH。当MOS管的漏源电压VDS大于等于源漏饱和电压时MOS管工作在饱和区，即VDS≥VDSAT时MOS管处于饱和区；反之，当VDS<VDSAT时MOS管处于线性区。处于饱和区的MOS管输出阻抗ro较大、跨导gm较大。在模拟CMOS集成电路中，MOS管在实现放大或着有源负载功能时，都要求MOS管必须处于饱和区，如果MOS管落入线性区，将导致MOS管的跨导和输出阻抗变小，从而影响整个电路的性能参数。目前较常用的方法是通过对MOS管进行各种温度和工艺偏差的组合仿真来获得源漏饱和电压VDSAT的变化范围（不是精确值）。然后将MOS管的漏源电压VDS设置成比VDSAT变化范围的上限值略微大一点，使得MOS管处于饱和区。现有技术的缺点：如果MOS管模型不准确、仿真情况不充分，使得获得的源漏饱和电压VDSAT变化范围不准确，若以此为依据设置源漏电压VDS有可能在某些情况下让MOS管落入线性区，从而影响电路性能。由于漏源电压VDS设置成比VDSAT变化范围的上限值略微大一点，但在大部分情况下VDS不需要设置成上限值那么大的电压值，因此浪费了电源电压余量，降低了信号的动态范围。在芯片上精确确定MOS管源漏饱和电压VDSAT存在两个困难。首先，MOS管的的源极、栅极、漏极电压是实际加在MOS管各端的电压，故VDS和VGS的值可以直接获得。但是MOS管的阈值电压VTH是一个工艺参数，它需要通过专门的半导体参数测试仪来测试得到，无法直接获得。因此，要在芯片上直接确定MOS管源漏饱和电压VDSAT的值比较困难。其次，就算事先用半导体参数测试仪测得阈值电压VTH，当整个芯片的环境温度、电源电压发生变化时，MOS管的阈值电压VTH的值也会发生变化，从而导致MOS管的源漏饱和电压VDSAT的值也在发生变化。因此如何在芯片上精确的确定MOS管的源漏饱和电压VDSAT，进而调整MOS管的漏源电压VDS，使得MOS管一直处于饱和区，对电路设计人员来说是比较困难的技术难题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种确定MOS管源漏饱和电压的电路，利用MOS管的V-I输出曲线的特点，通过逐次逼近的方式确定MOS管的源漏饱和电压。其技术方案如下：一种确定MOS管源漏饱和电压的电路，包括4个NMOS管、2个运算放大器、2个电流镜、1个电流减法运算单元、1个电压减法运算单元、1个电流-电压除法运算单元、1个跨导-电压转换单元、1个二选一开关、1个电压保持器、1个比较器和1个逐次逼近单元；所述4个NMOS管包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管和第四NMOS管，所述2个运算放大器包括第一运算放大器和第二运算放大器，所述2个电流镜包括第一电流镜和第二电流镜；其中：第一NMOS管的源极接VSS端，栅极接第二NMOS管的栅极，漏极接第三NMOS管的源极和第一运算放大器的负输入端。第二NMOS管的源极接VSS端，栅极接第一NMOS管的栅极，漏极接第四NMOS管的源极和第二运算放大器的负输入端。第三NMOS管的源极接第一NMOS管的漏极和第一运算放大器的负输入端，栅极接第一运算放大器的输出端，漏极接第一电流镜的输入端。第四NMOS管的源极接第二NMOS管的漏极和第二运算放大器的负输入端，栅极接第二运算放大器的输出端，漏极接第二电流镜的输入端。第一运算放大器的正输入端接电压减法运算单元的a端和逐次逼近单元的vc1端，负输入端接第一NMOS管的漏极和第三NMOS管的源极，输出端接第三NMOS管的栅极。第一运算放大器和第三NMOS管、第一NMOS管构成一个反馈结构。第二运算放大器的正输入端接电压减法运算单元的b端和逐次逼近单元的vc2端，负输入端接第二NMOS管的漏极和第四NMOS管的源极，输出端接第四NMOS管的栅极。第二运算放大器和第四NMOS管、第二NMOS管构成一个反馈结构。第一电流镜的电流输入端接第三NMOS管的漏极，镜像输出端接电流减法运算单元的a端，电源端接电源VDD。第二电流镜的电流输入端接第四NMOS管的漏极，镜像输出端接电流减法运算单元的b端，电源端接电源VDD。电流减法运算单元的a端接第一电流镜的镜像输出端，b端接第二电流镜的镜像输出端，输出端接电流-电压除法运算单元的a端。电流减法运算单元实现y=a-b的功能。电压减法运算单元的a端接第一运算放大器的正输入端和逐次逼近单元的vc1端，b端接第二运算放大器的正输入端和逐次逼近单元的vc2端，输出端接电流-电压除法运算单元的b端。电流减法运算单元实现y=a-b的功能。电流-电压除法运算单元的a端接电流减法运算单元的y端，b端接电压减法运算单元的y端，输出端接跨导-电压转换单元的输入端。电流-电压除法运算单元实现y=a/b的功能。跨导-电压转换单元的输入端接电流-电压除法运算单元的输出端，输出端接二选一开关的in端。跨导-电压转换单元实现跨导与电压的转换功能，因为后续的比较器和电压保持器都只能处理电压信号。二选一开关的in端接跨导-电压转换单元的out端，o1端接比较器的正输入端和电压保持器的输入端，o2端接比较器的负输入端，c端接逐次逼近单元的vctl端。二选一开关用于基于c端的输入电压信号，选择in和o1或者in和o2连通。电压保持器的输入端接二选一开关的o1端和比较器的正输入端。电压保持器实现将输入端的电压一直保持。比较器的正输入端接二选一开关的o1端和电压保持器的输入端，负输入端接二选一开关的o2端，输出端接逐次逼近单元的cmp端。比较器完成对正、负输入端的电压进行比较，输出端输出比较结果。逐次逼近单元的vc1端接第一运算放大器的正输入端和电压减法运算单元的a端，vc2端接第二运算放大器的正输入端和电压减法运算单元的b端，vctl端接二选一开关的c端，cmp端接比较器的输出端，vout端输出最终的源漏饱和电压VDSAT的值。逐次逼近单元实现了用逐次逼近的方法确定MOS管源漏饱和电压功能。进一步，所述第一NMOS管、第二NMOS管的尺寸完全一样，第三NMOS管和第四NMOS管尺寸完全一样。一种确定MOS管源漏饱和电压的操作方法，包括以下步骤：步骤1、在第一NMOS管和第二NMOS管栅源电压相同的情况下，逐次逼近单元通过第二运算放大器和第四NMOS管形成的反馈回路将第二NMOS管的漏源电压设置到较低的电压值（确保任何情况下都低于源漏饱和电压），逐次逼近单元通过第一运算放大器和第三NMOS管形成的反馈回路将第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种确定MOS管源漏饱和电压的电路，其特征在于：包括4个NMOS管、2个运算放大器、2个电流镜、1个电流减法运算单元、1个电压减法运算单元、1个电流-电压除法运算单元、1个跨导-电压转换单元、1个二选一开关、1个电压保持器、1个比较器和1个逐次逼近单元；所述4个NMOS管包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管和第四NMOS管，所述2个运算放大器包括第一运算放大器和第二运算放大器，所述2个电流镜包括第一电流镜和第二电流镜；/n其中：/n第一NMOS管的源极接VSS端，栅极接第二NMOS管的栅极，漏极接第三NMOS管的源极和第一运算放大器的负输入端；/n第二NMOS管的源极接VSS端，栅极接第一NMOS管的栅极，漏极接第四NMOS管的源极和第二运算放大器的负输入端；/n第三NMOS管的源极接第一NMOS管的漏极和第一运算放大器的负输入端，栅极接第一运算放大器的输出端，漏极接第一电流镜的输入端；/n第四NMOS管的源极接第二NMOS管的漏极和第二运算放大器的负输入端，栅极接第二运算放大器的输出端，漏极接第二电流镜的输入端；/n第一运算放大器的正输入端接电压减法运算单元的a端和逐次逼近单元的vc1端，负输入端接第一NMOS管的漏极和第三NMOS管的源极，输出端接第三NMOS管的栅极；第一运算放大器和第三NMOS管、第一NMOS管构成一个反馈结构；/n第二运算放大器的正输入端接电压减法运算单元的b端和逐次逼近单元的vc2端，负输入端接第二NMOS管的漏极和第四NMOS管的源极，输出端接第四NMOS管的栅极；第二运算放大器和第四NMOS管、第二NMOS管构成一个反馈结构；/n第一电流镜的电流输入端接第三NMOS管的漏极，镜像输出端接电流减法运算单元的a端，电源端接电源VDD；/n第二电流镜的电流输入端接第四NMOS管的漏极，镜像输出端接电流减法运算单元的b端，电源端接电源VDD；/n电流减法运算单元的a端接第一电流镜的镜像输出端，b端接第二电流镜的镜像输出端，输出端接电流-电压除法运算单元的a端；电流减法运算单元实现y=a-b的功能；/n电压减法运算单元的a端接第一运算放大器的正输入端和逐次逼近单元的vc1端，b端接第二运算放大器的正输入端和逐次逼近单元的vc2端，输出端接电流-电压除法运算单元的b端；电流减法运算单元实现y=a-b的功能；/n电流-电压除法运算单元的a端接电流减法运算单元的y端，b端接电压减法运算单元的y端，输出端接跨导-电压转换单元的输入端；电流-电压除法运算单元实现y=a/b的功能；/n跨导-电压转换单元的输入端接电流-电压除法运算单元的输出端，输出端接二选一开关的in端；跨导-电压转换单元实现跨导与电压的转换功能，因为后续的比较器和电压保持器都只能处理电压信号；/n二选一开关的in端接跨导-电压转换单元的out端，o1端接比较器的正输入端和电压保持器的输入端，o2端接比较器的负输入端，c端接逐次逼近单元的vctl端；二选一开关用于基于c端的输入电压信号，选择in和o1或者in和o2连通；/n电压保持器的输入端接二选一开关的o1端和比较器的正输入端；电压保持器实现将输入端的电压一直保持；/n比较器的正输入端接二选一开关的o1端和电压保持器的输入端，负输入端接二选一开关的o2端，输出端接逐次逼近单元的cmp端；比较器完成对正、负输入端的电压进行比较，输出端输出比较结果；/n逐次逼近单元的vc1端接第一运算放大器的正输入端和电压减法运算单元的a端，vc2端接第二运算放大器的正输入端和电压减法运算单元的b端，vctl端接二选一开关的c端，cmp端接比较器的输出端，vout端输出最终的源漏饱和电压VDSAT的值；逐次逼近单元实现了用逐次逼近的方法确定MOS管源漏饱和电压功能。/n...

【技术特征摘要】
1.一种确定MOS管源漏饱和电压的电路，其特征在于：包括4个NMOS管、2个运算放大器、2个电流镜、1个电流减法运算单元、1个电压减法运算单元、1个电流-电压除法运算单元、1个跨导-电压转换单元、1个二选一开关、1个电压保持器、1个比较器和1个逐次逼近单元；所述4个NMOS管包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管和第四NMOS管，所述2个运算放大器包括第一运算放大器和第二运算放大器，所述2个电流镜包括第一电流镜和第二电流镜；
其中：
第一NMOS管的源极接VSS端，栅极接第二NMOS管的栅极，漏极接第三NMOS管的源极和第一运算放大器的负输入端；
第二NMOS管的源极接VSS端，栅极接第一NMOS管的栅极，漏极接第四NMOS管的源极和第二运算放大器的负输入端；
第三NMOS管的源极接第一NMOS管的漏极和第一运算放大器的负输入端，栅极接第一运算放大器的输出端，漏极接第一电流镜的输入端；
第四NMOS管的源极接第二NMOS管的漏极和第二运算放大器的负输入端，栅极接第二运算放大器的输出端，漏极接第二电流镜的输入端；
第一运算放大器的正输入端接电压减法运算单元的a端和逐次逼近单元的vc1端，负输入端接第一NMOS管的漏极和第三NMOS管的源极，输出端接第三NMOS管的栅极；第一运算放大器和第三NMOS管、第一NMOS管构成一个反馈结构；
第二运算放大器的正输入端接电压减法运算单元的b端和逐次逼近单元的vc2端，负输入端接第二NMOS管的漏极和第四NMOS管的源极，输出端接第四NMOS管的栅极；第二运算放大器和第四NMOS管、第二NMOS管构成一个反馈结构；
第一电流镜的电流输入端接第三NMOS管的漏极，镜像输出端接电流减法运算单元的a端，电源端接电源VDD；
第二电流镜的电流输入端接第四NMOS管的漏极，镜像输出端接电流减法运算单元的b端，电源端接电源VDD；
电流减法运算单元的a端接第一电流镜的镜像输出端，b端接第二电流镜的镜像输出端，输出端接电流-电压除法运算单元的a端；电流减法运算单元实现y=a-b的功能；
电压减法运算单元的a端接第一运算放大器的正输入端和逐次逼近单元的vc1端，b端接第二运算放大器的正输入端和逐次逼近单元的vc2端，输出端接电流-电压除法运算单元的b端；电流减法运算单元实现y=a-b的功能；
电流-电压除法运算单元的a端接电流减法运算单元的y端，b端接电压减法运算单元的y端，输出端接跨导-电压转换单元的输入端；电流-电压除法运算单元实现y=a/b的功能；
跨导-电压转换单元的输入端接电流-电压除法运算单元的输出端，输出端接二选一开关的in端；跨导-电压转换单元实现跨导与电压的转换功能，因为后续的比较器和电压保持器都只能处理电压信号；
二选一开关的in端接跨导-电压转换单元的out端，o1端接比较器的正输入端和电压保持器的输入端，o2端接比较器的负输入端，c端接逐次逼近单元的vctl端；二选一开关用于基于c端的输入电压信号，选择in和o1或者in和o2连通；
电压保持器的输入端接二选一开关的o1端和比较器的正输入端；电压保持器实现将输入端的电压一直保持；
比较器的正输入端接二选一开关的o1端和电压保持器的输入端，负输入端接二选一开关的o2端，输出端接逐次逼近单元的cmp端；比较器完成对正、负输入端的电压进行比较，输出端输出比较结果；
逐次逼近单元的vc1...

【专利技术属性】
技术研发人员：张俊安，李彦，刘钦晓，
申请(专利权)人：重庆理工大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50