一种自带工艺误差补偿的电压跟随器及方法与流程

本发明涉及一种自带工艺误差补偿的电压跟随器及方法，属于信号调理电路。

背景技术：

1、在模拟电路中，电压跟随器（也称为缓冲放大器、单位增益放大器或隔离放大器）是一种运算放大器电路，其输出电压等于输入电压（它“跟随”输入电压）。因此，电压跟随器运算放大器不会放大输入信号，并且电压增益为 1。它的主要作用是隔离输入信号和输出信号，起到阻抗转换的作用，提升电路的带负载能力。

2、最简单的电压跟随器是负反馈运算放大器。输出电压的反馈直接接到反相输入端，同向输入端接输入电压，这样输出电压就等于输入电压。另一种常见的电压跟随器是一个p型源极跟随器和n型源极跟随器的级联。p型源极跟随器将输入电压抬升，n型源极跟随器再将抬升后的电压降低，实现输入至输出的跟随。但由于mos管的阈值电压受工艺的影响较大，p型源极跟随器或n型源极跟随器对电压的抬升或降低幅度也会发生改变，这使得输出电压不能精确跟随输入电压，影响了输出电压的精度。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：提供一种自带工艺误差补偿的电压跟随器及方法，通过将与工艺角相关的补偿电流流过电压跟随器p型源极跟随器和n型源极跟随器中间的补偿电阻上，补偿电阻两端的压降和工艺角的变化有关，最终使得输出电压和输入电压相等，实现工艺角补偿功能，极大地改善了电压跟随器输出的一致性，保证了电路在不同工艺下的稳定性。

2、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

3、一种自带工艺误差补偿的电压跟随器，所述电压跟随器包括：电压跟随器主电路、补偿产生电路和基准电流源；所述补偿产生电路用于检测工艺角变化，并输出与工艺角变化对应的两股大小相等、方向相反的补偿电流ip和in；补偿电流流过电压跟随器主电路中的补偿电阻产生补偿电压，补偿电压使得电压跟随器主电路的输出电压与输入电压保持相等；基准电流源用于产生p型第一偏置电压、p型第二偏置电压、n型第一偏置电压和n型第二偏置电压，并将n型第一偏置电压和n型第二偏置电压传输至补偿产生电路，为补偿产生电路提供n型电流偏置，将p型第一偏置电压、p型第二偏置电压、n型第一偏置电压和n型第二偏置电压传输至电压跟随器主电路，为电压跟随器主电路提供p型电流偏置和n型电流偏置。

4、作为本发明的一种优选方案，所述补偿产生电路包括：pmos管mp3-mp17、nmos管mn3-mn21以及电阻r1-r4；其中，所述pmos管mp3的源极、pmos管mp4的源极、pmos管mp5的源极、pmos管mp6的源极、pmos管mp7的源极、pmos管mp9的源极、电阻r3的一端、pmos管mp11的源极、pmos管mp12的源极、pmos管mp13的源极、pmos管mp14的源极和pmos管mp16的源极一起接电源；nmos管mn3的源极、nmos管mn7的源极、电阻r1的一端、nmos管mn10的源极、nmos管mn12的源极、电阻r4的一端、nmos管mn16的源极、电阻r2的一端、nmos管mn19的源极和nmos管mn21的源极一起接地； pmos管mp3的栅极与pmos管mp3的漏极、nmos管mn3的漏极、nmos管mn3的栅极以及nmos管mn4的栅极连接在一起，pmos管mp4的栅极与pmos管mp5的栅极、pmos管mp4的漏极以及nmos管mn4的漏极连接在一起，pmos管mp5的漏极与nmos管mn5的漏极以及nmos管mn8的栅极连接在一起；nmos管mn5的栅极与nmos管mn8的源极以及电阻r1的另一端连接在一起，nmos管mn4的源极与nmos管mn5的源极以及nmos管mn6的漏极连接在一起，nmos管mn6的源极和nmos管mn7的漏极连接在一起，pmos管mp6的栅极与pmos管mp7的栅极、pmos管mp9的栅极、pmos管mp6的漏极以及nmos管mn8的漏极连接在一起，pmos管mp7的漏极和pmos管mp8的源极连接在一起，pmos管mp9的漏极和pmos管mp10的源极连接在一起，pmos管mp8的栅极与pmos管mp10的栅极、pmos管mp8的漏极、nmos管mn9的栅极、nmos管mn11的栅极以及nmos管mn9的漏极连接在一起，nmos管mn9的源极与nmos管mn10的漏极、nmos管mn10的栅极以及nmos管mn12的栅极连接在一起，nmos管mn11的源极和nmos管mn12的漏极连接在一起，电阻r3的另一端与电阻r4的另一端以及nmos管mn13的栅极连接在一起，pmos管mp11的栅极与pmos管mp12的栅极、pmos管mp11的漏极以及nmos管mn13的漏极连接在一起，pmos管mp12的漏极与nmos管mn14的漏极以及nmos管mn17的栅极连接在一起，nmos管mn14的栅极与nmos管mn17的源极以及电阻r2的另一端连接在一起，nmos管mn13的源极与nmos管mn14的源极以及nmos管mn15的漏极连接在一起，nmos管mn15的源极和nmos管mn16的漏极连接在一起，pmos管mp13的栅极与pmos管mp14的栅极、pmos管mp16的栅极、pmos管mp13的漏极以及nmos管mn17的漏极连接在一起，pmos管mp14的漏极和pmos管mp15的源极连接在一起，pmos管mp16的漏极和pmos管mp17的源极连接在一起，pmos管mp15的栅极与pmos管mp17的栅极、pmos管mp15的漏极、nmos管mn18的栅极、nmos管mn20的栅极以及nmos管mn18的漏极连接在一起，nmos管mn18的源极与nmos管mn19的漏极、nmos管mn19的栅极以及nmos管mn21的栅极连接在一起，nmos管mn20的源极和nmos管mn21的漏极连接在一起；nmos管mn7的栅极和nmos管mn16的栅极与n型第一偏置电压连接在一起，nmos管mn6的栅极和nmos管mn15的栅极与n型第二偏置电压连接在一起； nmos管mn11的漏极和pmos管mp17的漏极产生补偿电流in，pmos管mp10的漏极和nmos管mn20的漏极产生补偿电流ip。

5、作为本发明的一种优选方案，所述电压跟随器主电路包括：pmos管mp0-mp2、nmos管mn0-mn2以及电阻r0；其中，所述pmos管mp0的源极和nmos管mn0的漏极一起接电源，pmos管mp2的漏极和nmos管mn2的源极一起接地；pmos管mp0的漏极和pmos管mp1的源极连接在一起，pmos管mp1的漏极与pmos管mp2的源极、电阻r0的一端以及补偿电流in连接在一起；nmos管mn2的漏极和nmos管mn1的源极连接在一起，nmos管mn0的栅极与电阻r0的另一端以及补偿电流ip连接在一起；nmos管mn1的栅极与n型第二偏置电压连接在一起，nmos管mn2的栅极与n型第一偏置电压连接在一起；pmos管mp1的栅极与p型第二偏置电压连接在一起, pmos管mp0的栅极与p型第一偏置电压连接在一起；pmos管mp2的栅极连接输入电压vin，nmos管mn0的源极和nmos管mn1的漏极用于输出电压vout。

6、作为本发明的一种优选方案，所述基准电流源包括：pmos管mp18-mp27、nmos管mn22-mn29以及电阻r5；其中，所述pmos管mp18的源极、pmos管mp20的源极、pmos管mp22的源极、pmos管mp24的源极和pmos管mp26的源极一起接电源，nmos管mn23的源极、nmos管mn25的源极、nmos管mn26的源极、电阻r5的下端和nmos管mn29的源极一起接地；pmos管mp18的栅极与pmos管mp18的漏极以及pmos管mp19的源极连接在一起，产生p型第一偏置电压；pmos管mp19的栅极与pmos管mp19的漏极以及nmos管mn22的漏极连接在一起，产生p型第二偏置电压；nmos管mn22的源极和nmos管mn23的漏极连接在一起，nmos管mn22的栅极与nmos管mn24的栅极、nmos管mn24的漏极以及pmos管mp21的漏极连接在一起，nmos管mn23的栅极与nmos管mn25的栅极、nmos管mn25的漏极以及nmos管mn24的源极连接在一起；pmos管mp20的漏极和pmos管mp21的源极连接在一起，pmos管mp20的栅极与pmos管mp22的栅极、pmos管mp24的栅极、pmos管mp24的漏极、pmos管mp26的栅极以及pmos管mp25的源极连接在一起，pmos管mp21的栅极与pmos管mp23的栅极、pmos管mp25的栅极、pmos管mp25的漏极、pmos管mp27的栅极以及nmos管mn27的漏极连接在一起，pmos管mp22的漏极和pmos管mp23的源极连接在一起，pmos管mp23的漏极与nmos管mn26的漏极、nmos管mn26的栅极以及nmos管mn27的栅极连接在一起，nmos管mn27的源极和电阻r5的一端连接在一起，pmos管mp26的漏极和pmos管mp27的源极连接在一起；pmos管mp27的漏极与nmos管mn28的栅极以及nmos管mn28的漏极连接在一起，产生n型第二偏置电压，nmos管mn28的源极与nmos管mn29的栅极以及nmos管mn29的漏极连接在一起，产生n型第一偏置电压。

7、一种基于所述的自带工艺误差补偿的电压跟随器的电压跟随方法，所述电压跟随方法具体如下：

8、利用补偿产生电路检测工艺角变化，并输出与工艺角变化对应的两股大小相等、方向相反的补偿电流ip和in，补偿电流ip由pmos管mp10和nmos管mn20生成，补偿电流in由pmos管mp17和nmos管mn11生成，且得到补偿电流ip和in的大小为：

9、，

10、式中，分别为流过电阻r1和r2的电流，为nmos管mn4的栅极电压，为nmos管mn13的栅极电压；

11、在电压跟随器主电路中，引入补偿电阻r0，并将补偿电流ip从r0一端流入，将补偿电流in从r0另一端流入，由于ip与in相等，电路中其他mos管的电流值不会发生变化，电路原有的工作状态不变，令补偿电阻r0与电阻r1和电阻r2相等，电阻r3和电阻r4相等，实现输入电压至输出电压的跟随，输出电压不受工艺角变化的影响，即vin至vout的电压变化满足：

12、，

13、式中，为pmos管mp2的源极和栅极之间的电压差，为nmos管mn0的栅极和源极之间的电压差，为补偿电阻r0两端压降，和分别为所有pmos管和所有nmos管的阈值电压，且为负值，为正值。

14、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

15、本发明提出的自带工艺误差补偿的电压跟随器由三个部分组成：电压跟随器主电路、补偿产生电路和基准电流源，基准电流源为电路正常工作提供偏置，补偿产生电路用于检测工艺角变化，并输出与工艺角变化对应的两股大小相等、方向相反的补偿电流；补偿电流流过电压跟随器主电路中的补偿电阻产生补偿电压，补偿电压使得电压跟随器主电路的输出电压与输入电压保持严格相等，极大的改善了电压跟随器电路输出的一致性，保证了电路在不同工艺下的稳定性。