单电源低功耗正负电压比较器的制作方法

1.本发明属于电子领域，尤其是电路参数测量技术领域，涉及电池管理系统中的单电源低功耗正负电压比较器。


背景技术：

2.电池管理系统中，为了电池使用过程安全，需要在使用过程中判断电池充电或放电时的电流是否超过额定电流。通用高精度电流测量方法常在电池环路的路径上串联一个mω级别的检测电阻。通过测量检测电阻正负极的电压差，并和设定的参考电压比较，当压差超过设定的参考电压判断此时为过流状态。
3.从检测电阻的接法又可分为高边检测和低边检测。检测电阻串联在电池正极端被称为高边检测，检测电阻串联在电池负极端被称为低边检测。高边检测方法检测的电压是高压，需要耐高压的器件，并且需要一个比电池电压更高的电压来产生参考电压。电路实现较难，高压器件面积较大，成本高。低边检测方法检测的是低电压和负电压，不需要耐高压的器件。电路实现较简单，面积较小，更适合低成本方案。
4.在低边检测系统中电池的负极为芯片地，检测电阻串联在电池负极与负载之间。当电池放电时，电流流过检测电阻流入电池负极，检测电阻接负载的一端是正电压，检测此端电压是否大于正参考电压来判断是否过流。当电池充电时，电流流出电池负极流过检测电阻，检测电阻接负载的一端是负电压，检测此端电压是否低于负参考电压来判断是否过流。
5.一种通用方法是提供正负的电源电压和正负参考电压，使用传统正负双电压比较器比较测量电压与正负参考电压。传统正电压比较器在没有负参考电压的电路环境下无法比较负测量电压。为了比较负测量电压，需要增加负的电源电压及负参考电压的相关电路，增加了芯片成本。
6.另一种通用方法是使用移位电路把负电压移位成正电压，再用传统正电压比较器将移位后的正电压与正参考电压进行比较，如专利公开号cn107291133a发明专利申请，通过电阻和电流移位负电压的做法。移位电路常常需要运放、电阻或电流源等组成。在低功耗工作条件下，电流值很小，为获得合理的移位压差需要大阻值电阻，而大阻值电阻需要很大的芯片面积，增加了成本。另外使用电阻和电流组成的移位电路易被工艺偏差和温度变化影响工作点，降低了电路的精度、速度等性能。


技术实现要素：

7.本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种低功耗低面积高鲁棒性的单电源低功耗正负电压比较器。
8.本发明包括八个nmos管、九个pmos管、两个选择开关和两个反相器。
9.第一pmos管pm1的源极、第二pmos管pm2的源极和第三pmos管pm3的源极连接电源vdd，并连接恒定电流源的正极；第一nmos管nm1的漏极和栅极、第二nmos管nm2的栅极连接
恒定电流源的负极；第二nmos管nm2的漏接连接第一pmos管pm1的漏极和栅极、第四pmos管pm4的栅极和第五pmos管pm5的栅极，第四pmos管pm4的源极和第五pmos管pm5的源极连接电源vdd；第三nmos管nm3的漏极连接第二pmos管pm2的漏极和栅极、第三pmos管pm3的栅极；第四pmos管pm4的漏极连接第六pmos管pm6的源极和第七pmos管pm7的源极；第六pmos管pm6的漏极连接第三nmos管nm3的栅极、第四nmos管nm4的漏极和栅极；第七pmos管pm7的漏极和第八pmos管pm8的漏极连接第五nmos管nm5的漏极和栅极、第六nmos管nm6的漏极和栅极；第六pmos管pm6的栅极作为参考电压v
ref
的输入端，第七pmos管pm7的栅极接地vss；第五pmos管pm5的漏极连接第八pmos管pm8的源极和第九pmos管pm9的源极；第九pmos管pm9的漏接连接第七nmos管nm7的漏极和栅极、第八nmos管nm8的栅极；第八pmos管pm8的栅极连接第一选择开关k1，第九pmos管pm9的栅极连接第二选择开关k2：当开关控制信号sw＝1时，第八pmos管pm8的栅极作为被测电压v
in
的输入端，第九pmos管pm9的栅极接地；当开关控制信号sw＝0时，第九pmos管pm9的栅极作为被测电压v
in
的输入端，第八pmos管pm8的栅极接地；第三pmos管pm3的漏极和第八nmos管nm8的漏极连接第一反相器inv1的输入端，第一反相器inv1的输出端连接第二反相器inv2的输入端，第二反相器inv2的输出端作为比较器的输出端v
out
；所有的nmos管的源极接地vss。
10.以上所有nmos管的参数μn、参数c
ox
和阈值电压相同，所有pmos管的的参数μ
p
、参数c
ox
和阈值电压相同；第一nmos管nm1和第二nmos管nm2的宽长比相同，其他的nmos管的宽长比相同；第一pmos管pm1、第四pmos管pm4和第五pmos管pm5的宽长比相同，第二pmos管pm2和第三pmos管pm3的宽长比相同，第六、第七、第八和第九pmos管的宽长比相同。
11.本发明的有益效果包括：
12.1、只需要正的单电源电压和正参考电压，节省了负电源电压与负参考电压的电路。
13.2、结构简洁，电路中没有电阻，在低功耗需求下不需要大阻值电阻来获得一个合理的移位压差，节省了面积和成本。
14.3、比较测量电压可通过开关切换极性，当sw＝0时可比较正测量电压，当sw＝1时可比较负测量电压。代替一个正比较器和一个负比较器的组合，节省了一半的电路面积与成本。
15.4、主体结构没有电阻，电流源可由带隙基准产生的ptat电流镜像得到，且电流精度不会影响电路的精度。只有晶体管的电路容易实现版图匹配，适应工艺偏差和温度变化，鲁棒性更强。
附图说明
16.图1为本发明的电路示意图。
具体实施方式
17.以下结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚的描述。
18.单电源低功耗正负电压比较器，在只有正参考电压的情况下，仍然可以实现正电压比较和负电压比较，且精度高。
19.如图1所示，该比较器包括八个nmos管、九个pmos管、两个选择开关和两个反相器。
20.第一pmos管pm1的源极、第二pmos管pm2的源极和第三pmos管pm3的源极连接电源vdd，并连接恒定电流源的正极；第一nmos管nm1的漏极和栅极、第二nmos管nm2的栅极连接恒定电流源的负极；第二nmos管nm2的漏接连接第一pmos管pm1的漏极和栅极、第四pmos管pm4的栅极和第五pmos管pm5的栅极，第四pmos管pm4的源极和第五pmos管pm5的源极连接电源vdd；第三nmos管nm3的漏极连接第二pmos管pm2的漏极和栅极、第三pmos管pm3的栅极；第四pmos管pm4的漏极连接第六pmos管pm6的源极和第七pmos管pm7的源极；第六pmos管pm6的漏极连接第三nmos管nm3的栅极、第四nmos管nm4的漏极和栅极；第七pmos管pm7的漏极和第八pmos管pm8的漏极连接第五nmos管nm5的漏极和栅极、第六nmos管nm6的漏极和栅极；第六pmos管pm6的栅极作为参考电压v
ref
的输入端，第七pmos管pm7的栅极接地vss；第五pmos管pm5的漏极连接第八pmos管pm8的源极和第九pmos管pm9的源极；第九pmos管pm9的漏接连接第七nmos管nm7的漏极和栅极、第八nmos管nm8的栅极；第八pmos管pm8的栅极连接第一选择开关k1，第九pmos管pm9的栅极连接第二选择开关k2：当开关控制信号sw＝1时，第八pmos管pm8的栅极作为被测电压v
in
的输入端，第九pmos管pm9的栅极接地；当开关控制信号sw＝0时，第九pmos管pm9的栅极作为被测电压v
in
的输入端，第八pmos管pm8的栅极接地；第三pmos管pm3的漏极和第八nmos管nm8的漏极连接第一反相器inv1的输入端，第一反相器inv1的输出端连接第二反相器inv2的输入端，第二反相器inv2的输出端作为比较器的输出端v
out
；所有的nmos管的源极接地vss。
21.该比较器中，所有nmos管的参数μn、参数c
ox
和阈值电压相同，所有pmos管的的参数μ
p
、参数c
ox
和阈值电压相同。第一nmos管nm1和第二nmos管nm2的宽长比相同，其他的nmos管的宽长比相同。第一pmos管pm1、第四pmos管pm4和第五pmos管pm5的宽长比相同，第二pmos管pm2和第三pmos管pm3的宽长比相同，第六、第七、第八和第九pmos管的宽长比相同。
22.第一nmos管nm1和第二nmos管nm2实现1比1电流镜，复制恒定电流源的电流至第二nmos管nm2支路。第一pmos管pm1、第四pmos管pm4和第五pmos管pm5同样为1比1电流镜结构，复制第二nmos管nm2支路电流至第四pmos管pm4和第五pmos管pm5支路。电流镜可使用共源公栅管来提高输出阻抗，提高电路复制精度。
23.第四pmos管pm4、第六pmos管pm6、第七pmos管pm7、第四nmos管nm4和第五nmos管nm5组成一个跨导放大器a；第五pmos管pm5、第八pmos管pm8、第九pmos管pm9、第六nmos管nm6和第七nmos管nm7组成另一个跨导放大器b；两个放大器的作用就是把输入电压转换为电流。
24.第三nmos管nm3栅极连接第四nmos管nm4栅极，就是放大器a的反相输出端，实现1比1电流镜，复制第四nmos管nm4的漏极电流i1的电流到第三nmos管nm3支路。第七nmos管nm7栅极连接第八nmos管nm8栅极，就是放大器b的同相输出端，实现1比1电流镜，复制第七nmos管nm7的漏极电流i4到第八nmos管nm8支路。第二pmos管pm2的栅极连接第三pmos管pm3的栅极，实现1比1电流镜，复制第二pmos管pm2支路的电流到第三pmos管pm3支路，比较第三pmos管pm3支路电流和第八nmos管nm8支路电流，取小的支路电流最终流过第三pmos管pm3和第八nmos管nm8，该电流控制第三pmos管pm3与第八nmos管nm8漏极电压v
op
，电压v
op
再通过两个反相器，最终输出高电平或低电平。
25.以下详细阐述该比较器的工作原理。
26.对于跨导放大器a，第六pmos管pm6的漏极电流i1和第七pmos管pm7的漏极电流i2分
别为：
[0027][0028]
其中，μ
p
和c
ox
为pmos管工艺参数，为第六、第七pmos管的宽长比；v
sg6
和v
sg7
分别是第六pmos管pm6和第七pmos管pm7源极与栅极的压差，v
th6
和v
th7
分别是第六pmos管pm6和第七pmos管pm7的阈值电压。
[0029]
因为只有v
sg6
和v
sg7
不同，且第六pmos管pm6和第七pmos管pm7的源极连接在一起，所以i1和i2只和pm6和pm7各自的栅极电压vg相关，pm7的栅极接地vss，pm6的栅极参考电压v
ref
的输入端，而参考电压v
ref
是正参考电压，v
sg6
＜v
sg7
，所以i1＜i2。i2与i1的差值为：
[0030][0031]
对于跨导放大器b，第八pmos管pm8的漏极电流i3和第九pmos管pm9的漏极电流i4分别为：
[0032][0033]
其中，为第八、第九pmos管的宽长比；v
sg8
和v
sg9
分别是第八pmos管pm8和第九pmos管pm9源极与栅极的压差，v
th8
和v
th9
分别是第八pmos管pm8和第九pmos管pm9的阈值电压。
[0034]
因为只有v
sg8
和v
sg9
不同，且第八pmos管pm8和第九pmos管pm9的源极连接在一起，所以i3和i4只和pm8和pm9各自的栅极电压vg相关。
[0035]
当开关控制信号sw＝1时，比较器为负电压比较状态，第八pmos管pm8的栅极作为被测电压v
in
的输入端，第九pmos管pm9的栅极接地，被测电压v
in
为负电压，v
sg8
＞v
sg9
，所以i3＞i4。i3与i4的差值为：
[0036]
第二pmos管pm2和第三pmos管pm3组成1比1电流镜，当i1＞i4时，电压v
op
节点的寄生电容充电，电压v
op
升高，pm3慢慢进入线性区，直到pm3的电流和nm8电流相等。此时电压v
op
为较高电压，经过两级反相器输出端v
out
为高电平。当i1＜i4时，电压v
op
节点的寄生电容放电，电压v
op
降低，nm8慢慢进入线性区，直到nm8的电流和pm3电流相等。此时电压v
op
为较低电压，经过两级反相器输出端v
out
为低电平。
[0037]
假设i1＝i4，那么比较器处于比较零点处，i1比i4大一点输出即为高电平，小一点输出即为低电平。那么此时的v
in
的推导公式如下：
[0038]
i1+i2＝i3+i4；
[0039]
因为i1＝i4，则i2＝i3，即
[0040]
得到即v
ref-vss＝vss-v
in
，vss＝0，得到v
in
＝-v
ref
。
[0041]
由上述公式可得，当v
in
＞-v
ref
时，i1＜i4，输出即为低电平。当v
in
＜-v
ref
时，i1＞i4，
输出即为高电平。
[0042]
本发明也可以切换为正电压比较：当开关控制信号sw＝0时，第九pmos管pm9的栅极作为被测电压v
in
的输入端，第八pmos管pm8的栅极接地。此时的v
in
的推导公式如下：
[0043]
得到v
in
＝v
ref
。
[0044]
由上述公式可得，当v
in
＞v
ref
时，i1＞i4，输出即为高电平。当当v
in
＜v
ref
时，i1＜i4，输出即为低电平。
[0045]
另外本发明还进一步优化了结构。连接了nm5与nm6的栅极，提升了比较精度，具体原理如下：
[0046]
负电压判决的情况下，当v
in
略微大于-v
ref
时，所以i1＜i4，i3＜i2。第五nmos管nm5源极与栅极的压差v
gs5
大于第六nmos管nm6源极与栅极的压差v
gs6
。由于连接了nm5和nm6的栅极，所以v
gs5
会下降，v
gs6
会上升，最终相等。同时v
gs5
下降会导致第七pmos管pm7源极与漏极的压差v
sd7
上升，从而增大i2、减小i1，增大
[0047]
另一边v
gs6
上升会导致第八pmos管pm8源极与漏极的压差v
sd8
下降，从而减小i3、增大i4，减小
[0048]
该结构有效的正反馈使得的差值增大，进一步提高了小信号下的增益。

技术特征：
1.单电源低功耗正负电压比较器，包括八个nmos管、九个pmos管、两个选择开关和两个反相器；其特征在于：第一pmos管pm1的源极、第二pmos管pm2的源极和第三pmos管pm3的源极连接电源vdd，并连接恒定电流源的正极；第一nmos管nm1的漏极和栅极、第二nmos管nm2的栅极连接恒定电流源的负极；第二nmos管nm2的漏接连接第一pmos管pm1的漏极和栅极、第四pmos管pm4的栅极和第五pmos管pm5的栅极，第四pmos管pm4的源极和第五pmos管pm5的源极连接电源vdd；第三nmos管nm3的漏极连接第二pmos管pm2的漏极和栅极、第三pmos管pm3的栅极；第四pmos管pm4的漏极连接第六pmos管pm6的源极和第七pmos管pm7的源极；第六pmos管pm6的漏极连接第三nmos管nm3的栅极、第四nmos管nm4的漏极和栅极；第七pmos管pm7的漏极和第八pmos管pm8的漏极连接第五nmos管nm5的漏极和栅极、第六nmos管nm6的漏极和栅极；第六pmos管pm6的栅极作为参考电压v
ref
的输入端，第七pmos管pm7的栅极接地vss；第五pmos管pm5的漏极连接第八pmos管pm8的源极和第九pmos管pm9的源极；第九pmos管pm9的漏接连接第七nmos管nm7的漏极和栅极、第八nmos管nm8的栅极；第八pmos管pm8的栅极连接第一选择开关k1，第九pmos管pm9的栅极连接第二选择开关k2：当开关控制信号sw＝1时，第八pmos管pm8的栅极作为被测电压v
in
的输入端，第九pmos管pm9的栅极接地；当开关控制信号sw＝0时，第九pmos管pm9的栅极作为被测电压v
in
的输入端，第八pmos管pm8的栅极接地；第三pmos管pm3的漏极和第八nmos管nm8的漏极连接第一反相器inv1的输入端，第一反相器inv1的输出端连接第二反相器inv2的输入端，第二反相器inv2的输出端作为比较器的输出端v
out
；所有的nmos管的源极接地vss。2.如权利要求1所述的单电源低功耗正负电压比较器，其特征在于：所有nmos管的参数μ
n
、参数c
ox
和阈值电压相同，所有pmos管的的参数μ
p
、参数c
ox
和阈值电压相同；第一nmos管nm1和第二nmos管nm2的宽长比相同，其他的nmos管的宽长比相同；第一pmos管pm1、第四pmos管pm4和第五pmos管pm5的宽长比相同，第二pmos管pm2和第三pmos管pm3的宽长比相同，第六、第七、第八和第九pmos管的宽长比相同。

技术总结
本发明公开了单电源低功耗正负电压比较器。本发明包括八个NMOS管、九个PMOS管、两个选择开关和两个反相器。MOS管形成电流镜电路，三个PMOS和两个NMOS组成跨导放大器、由另三个PMOS和两个NMOS组成另一个跨导放大器。由跨导放大器转换输入的电压为电流，比较两者的电流，判断比较器的输出结果。本发明只需要正的单电源电压和正参考电压，节省了负电源电压与负参考电压的电路。本发明没有电阻，在低功耗需求下不需要大阻值电阻来获得一个合理的移位压差，节省了面积和成本，电流精度不会影响电路的精度。比较测量电压可通过开关切换极性，代替一个正比较器和一个负比较器的组合，节省了一半的电路面积与成本。节省了一半的电路面积与成本。节省了一半的电路面积与成本。


技术研发人员：杨智健 梁骏 章南 陈余浪 李俊立 赵丹 郭屹粟 王晓虎
受保护的技术使用者：杭州国芯科技股份有限公司
技术研发日：2023.08.29
技术公布日：2023/10/15