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新型电流极限比较器分析

作者: 时间:2012-10-22 来源:网络 收藏
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  图3 一种

  M0 通过电流镜引入基准电流, M2,M3,M4,M5通过M1 以一定的比例产生四种大小不同的基准电流, 然后分别通过电流镜传到M7, M9, M11 及M5,四种电流以不同的组合产生电源所需的各种极限电流。检测电源输出电压的状态机通过对输出电压的检测, 产生相应的高低电平信号去设定所需的极限电流[4].此电路巧妙地用状态机的输出电压作为电流镜的电源电压, 分别接到s0,s1,s2, 直接控制电流镜导通或关断, 产生所需要的极限电流, 从而不需要占芯片面积非常大的开关管。

  由于采用电流镜网络代替电阻网络, 工艺上MOS 管的匹配性远高于电阻的匹配性, 从而避免了电阻网络为保证精确度而采用的激光修调技术, 大大降低了成本。并且电流镜所占的芯片面积大大小于电阻网络所占的面积, 进一步降低成本。另外本文非常巧妙地利用状态机输出的控制信号直接作电流镜的电源, 从而使不需要占版图面积非常大的开关管。例如, s0,s2 接高电平, s1 接低电平时, M9 中没有电流, M7,M8 和M5 中的电流之和Mc1 和Mc2 作为极限电流。在传统的中, 为保证开关管导通电阻非常小, 其宽长比非常大, 从而占比较大的版图面积。本结构巧妙地省去开关管, 进一步减少芯片面积, 降低成本。为满足低功耗设计, 本文设定M5 中的电流作为几种极限电流的最小值, 并且始终存在电流。当功率管关断时, 控制信号s0,s1,s2 为低电平, 则电流镜网络中只有M5中存在电流, 由于其静态电流非常小, 从而保证电路低功耗。而在带电阻网络的电流极限比较器(其实为电压比较器)中, 一般需要产生大约1V 以上的参考电压, 从而开关管关断时静态电流相对比较大。M5中的电流既可以作为正常工作时的极限电流, 又可以防止由于状态机和电流镜的延时或噪声引起的误动作。

  Mc3- -Mc6 组成cascode 结构作为电流比较器。

  检测电流引入到Mc8, 这可采用中的结构完成。然后镜像到Mc5.当主功率管开始导通时, Mc5 和Mc6中的电流镜像检测电流缓缓上升, 只要检测电流小于此时所设定的极限电流, Mc3 和Mc4 就至少有一个工作在线性区, Mc3 和Mc4 作为一个整体呈电阻特性。因为若Mc3 和Mc4 已工作于饱和区, 则其电流一定会镜像Mc1 和Mc2 中的电流即极限电流。这就会出现Mc3 和Mc4 中的电流与Mc5 和Mc6 中的电流不等的矛盾。因此, 只有当Mc3 和Mc4 中的电流与Mc5 和Mc6 中的电流相等时, Mc3 和Mc4 才工作于饱和区。

  当检测电流与极限电流相等时, cascode 输出电源电压与地的平均值给反相器, 此时正好达到反相器的中转电压, 反相器开始翻转电平, 从而关断功率管。由于比较器采用cascode 结构, 其输出电阻非常大, 则只要检测电流刚上升到极限电流时, 即可马上使反相器电平翻转, 关断功率管, 具有非常高的精度。cascode 结构代替电压比较器使检测电流与极限电流直接比较, 也避免了由电压比较器的失调电压引起的不精确性。例如, 假设失调电压为20mV, 电阻网络的最小值为5kΩ, 则失调电压会引起4μA的检测电流误差, 极大地影响了系统的性能。总之,本文所提出的电流极限比较器结构无论是电流镜部分还是电流比较器部分比之相应的传统结构都具有较大的改进。

3.仿真

  本文采用TSMC 0.25μm 工艺模型对图3 设定参数进行性能仿真。设最小极限电流即通过m5 中的电流为4μA, s0 所控制的极限电流为12μA, s1所控制的极限电流为20μA, s2 所控制的极限电流为36μA.

  图4-图7 给出了极限电流分别为4μA,16μA, 24μA 和40μA 时电流比较器的工作情况,四种电流所对应的占空比分别为10%, 40%, 60%和100%.图4-图7 中横轴代表检测电流, 其从0 慢慢增大, 纵轴代表图3 中某些关键点的电压随检测电流变化的情况。



关键词:新型电流极限比较器

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