仿真 - 新型電流極限比較器分析

　　本文采用TSMC 0.25μm 工藝模型對(duì)圖3 設(shè)定參數(shù)進(jìn)行性能仿真。設(shè)最小極限電流即通過(guò)m5 中的電流為4μA, s0 所控制的極限電流為12μA, s1所控制的極限電流為20μA, s2 所控制的極限電流為36μA.

　　圖4-圖7 給出了極限電流分別為4μA,16μA, 24μA 和40μA 時(shí)電流比較器的工作情況，四種電流所對(duì)應(yīng)的占空比分別為10%, 40%, 60%和100%.圖4-圖7 中橫軸代表檢測(cè)電流， 其從0 慢慢增大， 縱軸代表圖3 中某些關(guān)鍵點(diǎn)的電壓隨檢測(cè)電流變化的情況。

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　　圖4 當(dāng)極限電流為4uA時(shí)電流極限比較器的特性

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　　圖5 當(dāng)極限電流為16uA時(shí)電流極限比較器的特性

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　　圖6 當(dāng)極限電流為24uA時(shí)電流極限比較器的特性

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　　圖7 當(dāng)極限電流為40uA時(shí)電流極限比較器的特性

　　現(xiàn)以圖4 為例闡述電流極限比較器的工作情況。此時(shí)極限電流為4μA, 其虛線(xiàn)代表cascode 結(jié)構(gòu)的輸出電壓波形， 黑色實(shí)線(xiàn)代表反相器的輸出電壓波形即與非門(mén)的輸入電壓波形， 另外兩條點(diǎn)劃線(xiàn)分別代表cascode 結(jié)構(gòu)中Mc3 和Mc4 的柵電壓波形。

　　從虛線(xiàn)即cascode 結(jié)構(gòu)的輸出電壓波形可以看出，電流極限比較器的工作過(guò)程分為五個(gè)階段， 第一階段： 檢測(cè)電流從0 慢慢上升到A, 在此過(guò)程中， 由于檢測(cè)電流遠(yuǎn)小于極限電流， 強(qiáng)迫Mc3 和Mc4 都工作于線(xiàn)性區(qū)。第二階段： 檢測(cè)電流從A 上升到B, cascode結(jié)構(gòu)的輸出電壓也隨著上升， 使Mc4 工作于飽和區(qū)， Mc3 工作于線(xiàn)性區(qū)。但是Mc4 只是剛剛進(jìn)入飽和區(qū)， 還受溝道調(diào)制因素影響， 這可從圖中很清析地看出當(dāng)cascode 結(jié)構(gòu)的輸出電壓隨檢測(cè)電流上升時(shí)， Mc4 中電流慢慢接近所設(shè)定的極限電流。第三階段： 檢測(cè)電流從B 上升到C, 此時(shí)檢測(cè)電流已上升到所設(shè)定的極限電流， Mc3 和Mc4 都工作于飽和區(qū)， 同時(shí)cascode 結(jié)構(gòu)的輸出電壓也上升到后面反相器的中點(diǎn)電壓， 經(jīng)過(guò)后續(xù)控制電路關(guān)斷功率管。第四階段： 檢測(cè)電流從C 上升到D, 此時(shí)檢測(cè)電流大于所設(shè)定的極限電流， 迫使Mc5 工作于線(xiàn)性區(qū)， 雖Mc6 還工作于飽和區(qū)， 但受溝道調(diào)制因素影響， 另外Mc3 和Mc4 工作于飽和區(qū)。第五階段： 檢測(cè)電流從D 繼續(xù)往上升， 迫使Mc5 和Mc6 都工作于線(xiàn)性區(qū)，Mc3 和Mc4 工作于飽和區(qū)。從圖4 中可以看出， 當(dāng)檢測(cè)電流達(dá)到4.1μA 時(shí)， 關(guān)斷功率管， 滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。圖5- - 圖7 的工作情況與圖4 類(lèi)似， 圖5 設(shè)定極限電流為16μA, 可以看出當(dāng)檢測(cè)電流達(dá)到15.97μA 時(shí)， 關(guān)斷功率管。圖6 設(shè)定極限電流為24μA, 可以看出當(dāng)檢測(cè)電流達(dá)到23.82μA 時(shí)， 關(guān)斷功率管。圖7 設(shè)定極限電流為40μA, 可以看出當(dāng)檢測(cè)電流達(dá)到39.6μA 時(shí)， 關(guān)斷功率管。

　　仿真結(jié)果表明， 本文所提出的新結(jié)構(gòu)能使檢測(cè)電流非常精確地達(dá)到所設(shè)定的極限電流值， 滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求。但是圖中顯示檢測(cè)電流與極限電流還是有一定的偏差(最大為0.4μA)， 通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)這是因溝道調(diào)制因素引起電流鏡鏡像的誤差造成的。若將電流鏡的柵寬增大能進(jìn)一步提高精度， 但這會(huì)一定程度上增大芯片的面積， 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)要求折中考慮。

　　結(jié)束

　　采用cascode 結(jié)構(gòu)組成電流比較器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電壓比較器使兩種電流直接比較。此結(jié)構(gòu)不需要開(kāi)關(guān)管和電阻網(wǎng)絡(luò)， 使得芯片面積大幅度降低， 減小了成本， 同時(shí)具有速度快， 功耗低， 精度高的優(yōu)點(diǎn)。