帶遲滯功能的電流比較器的製作方法

2023-10-09 00:06:04 1

本實用新型屬於集成電路下電流比較器技術領域。

背景技術：

在光纖通信集成電路的接收端，需要將光信號通過光電二極體轉換為電流信號，再通過跨阻放大器將電流信號轉換為電壓信號。跨阻放大器性能要求是高帶寬，低噪聲，中等增益和較快的響應速度，其輸出信號夾雜著噪聲將一併傳遞給高增益的限幅放大器。為了使得限幅放大器放大符合電平標準的電信號，在限幅放大器中增加對輸入信號噪聲的判決電路，該判決電路中將包含電流比較器，精確地判別輸入的是噪聲還是符合電平標準的電信號，實現對限幅放大器主通路的關閉和開啟控制。

圖1給出了傳統的電流比較器的電路結構。圖1中，電流比較器由PMOS電晶體MP1、NMOS電晶體MN1、NMOS電晶體MN3構成三個電流鏡；PMOS電晶體MP2、NMOS電晶體MN2、NMOS電晶體MN4和電阻R0構成兩對共源極放大器；和三對反相器組合成電流比較器。

電流比較器的原理和結構：電流源I0向電路輸入電流I0(＝閾值電流IH)，電流源Ipeak_current向電路輸入由數據電平轉換成的尖峰電流Ipeak，兩者進行比較。閾值電流IH和尖峰電流Ipeak分別被NMOS電晶體MN1和PMOS電晶體MP1鏡像到NMOS電晶體MN2和PMOS電晶體MP2的漏極。當Ipeak>IH時，多餘的電流流入NMOS電晶體MN3的漏極並鏡像到NMOS電晶體MN4的漏極，NMOS電晶體MN4的漏源電壓VMN4,DS可以表示為：

VMN4，DS＝VDD-R0(Ipeak-IH) (1)

其中R0為電阻R0的阻值，VDD為直流工作電源。

則NMOS電晶體MN4的漏極在輸入尖峰電流Ipeak大於閾值電流IH情況下為低電平，通過三對反相器整型輸出電壓Vout為高電平。

當IpeakR0狀況時，PMOS電晶體MP2支路電流大於NMOS電晶體MN7支路電流，使得NMOS電晶體MN9、MN10有電流流過；當晶片使用人員將外部引入電阻選擇為Rset<R0狀況時，PMOS電晶體MP2支路電流小於NMOS電晶體MN7支路電流使得NMOS電晶體MN9、MN10無電流流過。下面分別介紹這兩種選擇的工作原理，介紹閾值電流的切換方案，及電流比較器延時輸出的工作過程：

第一種情況：晶片使用人員選擇RsetIH時，電流比較器延時輸出高電平，且閾值電流IH切換為IH＝IMN2。

當尖峰電流Ipeak小於MN2支路電流(切換後的閾值電流IH＝IMN2)，MN2支路缺少的電流將從MOS電容MN5抽取，MN5的柵電位下降。反相器INV0的輸入為低電位的柵電壓，INV0輸出為高電平並控制NMOS電晶體MN4開啟，MN4支路有電流。將閾值電流由MN2支路電流值改變為MN2、MN4支路電流之和(IH＝IMN2+IMN4)，閾值電流IH上升，同時INV1輸出Vout＝0。綜上，當IpeakR0，尖峰電流Ipeak大於NMOS電晶體MN2、MN4支路電流與NMOS電晶體MN10流過電流之和(三者之和作為閾值電流IH，即IH＝IMN2+IMN4+IMN10)，多餘電流將對NMOS電晶體MN5的MOS電容的柵端充電，其電荷不斷積累，延時一段時間後柵電壓升為高電平。反相器INV0的輸入為高電位的柵電壓，INV0輸出為低電平並控制NMOS電晶體MN4關斷，MN4支路電流為零。將閾值電流由MN2、MN4支路電流與NMOS電晶體MN10流過電流之和，改變為MN2與NMOS電晶體MN10流過電流之和，閾值電流IH下降。綜上，當Ipeak>IH時，電流比較器延時輸出高電平，且閾值電流IH切換為IH＝IMN2+IMN10。

當尖峰電流Ipeak小於MN2支路電流與NMOS電晶體MN10流過電流之和(切換後的閾值電流)，MN2支路和MN10支路缺少的電流將從MOS電容MN5抽取，MN5的柵電位下降。反相器INV0的輸入為低電位的柵電壓，INV0輸出為高電平並控制NMOS電晶體MN4開啟，MN4支路有電流。將閾值電流由MN2支路電流與MN10流過電流之和，改變為MN2、MN4支路電流與MN10流過電流之和，閾值電流IH上升。綜上，當Ipeak<IH時，電流比較器延時輸出低電平，且閾值電流IH切換為IH＝IMN2+IMN4+IMN10。

帶遲滯功能的電流比較器，當輸出為低電平或者高電平時，自動切換另一個值作為下一次尖峰電流比較對象的閾值電流，避免了尖峰電流夾帶的噪聲對輸出電平的影響。

圖2給出了傳統電流比較器瞬態仿真結果。圖中曲線peak_current為尖峰電流曲線，曲線OUT為輸出電平。從圖2可以看出傳統電流比較器的尖峰電流上升到19.137uA輸出電平由低電平翻轉為高電平，尖峰電流下降到18.975uA輸出電平由高電平翻轉為低電平，兩尖峰電流差值為0.162uA。圖4給出了帶遲滯功能的電流比較器瞬態仿真結果。圖中曲線peak_current為尖峰電流曲線，曲線OUT為輸出電平。從圖4可以看出帶遲滯功能的電流比較器的尖峰電流上升到8.427uA輸出電平由低電平翻轉為高電平，尖峰電流下降到3.467uA輸出電平由高電平翻轉為低電平，兩尖峰電流差值為4.96uA。兩圖數據對比得出結論，當尖峰電流夾雜噪聲時，傳統電流比較器將會較快的翻轉電平，而帶遲滯功能的電流比較器會較慢的對尖峰電流變化做出響應。