[发明专利]动态体偏置型C类反相器及其应用

说明书

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种C类反相器及其应用电路。

背景技术

在传统的模拟电路设计中，运算放大器是主要的功能模块，它被广泛运用于采样保持、代数运算、共模反馈以及缓冲器电路等。同时，运算放大器也是模拟电路中主要的功耗模块。目前低压低功耗是模拟电路设计发展的主流趋势。因此，如何在低压低功耗环境下来实现符合指标要求的运算放大器成为模拟电路设计的重点和难点。

用C类反相器代替传统的运算放大器是一种新型的低压低功耗电路设计技术。C类反相器中最基本的电路结构包括PMOS(P-Channel Metal Oxide Semiconductor，P沟道金属氧化物半导体)输入管和NMOS(N-Channel Metal Oxide Semiconductor，N沟道金属氧化物半导体)输入管，C类反相器的电源电压VDD略低于PMOS(P-Channel Metal Oxide Semiconductor，P沟道金属氧化物半导体)输入管和NMOS(N-Channel Metal Oxide Semiconductor，N沟道金属氧化物半导体)输入管的阈值电压之和。假设PMOS输入管和NMOS输入管的阈值电压近似相等，当输入信号为共模电压V_CM＝V_DD/2，PMOS输入管和NMOS输入管均处于亚阈值区，此时C类反相器较高的增益和较低的功耗，但带宽和摆率较小，我们称该状态为亚阈值状态。若此时在C类反相器输入端加入额外的激励信号，根据激励信号的极性可以让其中一个输入管进入强反型区，另外一个输入管截止，工作在饱和区的输入管跨导较大，使得C类反相器具有较高的摆率和输出电流，我们称该状态为高摆率状态。在开关电容电路的设计中，可在C类反相器输入端在不同的时钟相位将这两种工作状态结合起来应用。例如，在Youngcheol Chae，Inhee Lee and Gunhee Han的题为“A 0.7V 36μW 85dB-DR AudioΔ∑Modulator Using Class-C Inverter”(2008 IEEE International Solid-State Circuits Conference：p.490-491，630)的文中，公开了一个基于C类反相器的三阶单环Sigma-Delta模数转换器。

现有技术中，常见的C类反相器包括：简单型C类反相器和共源共栅型C类反相器。简单型C类反相器的电路部分是一个推挽式反相器，如附图1(a)所示，结构简单，芯片占用面积小，但增益较低；共源共栅型C类反相器增益略高，结构如附图1(b)所示。由于简单型C类反相器和共源共栅型C类反相器都仅仅由几个单管组成，增益相对传统的运算放大器较低(一般在50dB以下)，难以用于许多对增益要求较高的场合；此外，由于现有技术中C类反相器采用推挽结构，且两输入管在大部分时间内均工作在亚阈值区，导致C类反相器的带宽、摆率、建立时间和功耗等指标在不同的工艺角、电源电压和温度下存在严重偏差，尤其是在SS工艺角、低电源电压和低温情况下，C类反相器两输入管的阈值电压绝对值提高，导致C类反相器带宽、摆率和建立时间等指标的严重退化，从而造成C类反相器应用电路的性能下降甚至功能丧失。

申请号为200910301712.6的中国发明专利公开了一种增益自举型C类反相器，如附图2所示，通过引入第一增益自举模块和第二增益自举模块，提高增益自举型C类反相器的直流增益；通过引入PMOS体电位调制模块和NMOS体电位调制模块，补偿C类反相器在SS工艺角、低电源电压和低温情况下的性能退化，保证C类反相器在不同工艺角、电源电压和温度下正常工作。然而，上述的增益自举型C类反相器的问题在于：为保证增益自举型C类反相器在高摆率状态下有足够的带宽和摆率(尤其是在SS工艺角、低电源电压和低温情况下)，增益自举型C类反相器输入管的尺寸一般比较大，并且PMOS体电位调制模块和NMOS体电位调制模块分别给PMOS输入管M1和NMOS输入管M2施加正向体偏置，而这些措施在增益自举型C类反相器处于亚阈值状态时会带来无谓而且较高的静态功耗。

发明内容

本发明提供了一种动态体偏置型C类反相器，以克服现有技术的增益自举型C类反相器在处于亚阈值状态时静态功耗较高的不足。