新型电流极限比较器分析

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。

　　图4 当极限电流为4uA时电流极限比较器的特性

　　图5 当极限电流为16uA时电流极限比较器的特性

　　图6 当极限电流为24uA时电流极限比较器的特性

　　图7 当极限电流为40uA时电流极限比较器的特性

　　现以图4 为例阐述电流极限比较器的工作情况。此时极限电流为4μA, 其虚线代表cascode 结构的输出电压波形， 黑色实线代表反相器的输出电压波形即与非门的输入电压波形， 另外两条点划线分别代表cascode 结构中Mc3 和Mc4 的栅电压波形。

　　从虚线即cascode 结构的输出电压波形可以看出，电流极限比较器的工作过程分为五个阶段， 第一阶段： 检测电流从0 慢慢上升到A, 在此过程中， 由于检测电流远小于极限电流， 强迫Mc3 和Mc4 都工作于线性区。第二阶段： 检测电流从A 上升到B, cascode结构的输出电压也随着上升， 使Mc4 工作于饱和区， Mc3 工作于线性区。但是Mc4 只是刚刚进入饱和区， 还受沟道调制因素影响， 这可从图中很清析地看出当cascode 结构的输出电压随检测电流上升时， Mc4 中电流慢慢接近所设定的极限电流。第三阶段： 检测电流从B 上升到C, 此时检测电流已上升到所设定的极限电流， Mc3 和Mc4 都工作于饱和区， 同时cascode 结构的输出电压也上升到后面反相器的中点电压， 经过后续控制电路关断功率管。第四阶段： 检测电流从C 上升到D, 此时检测电流大于所设定的极限电流， 迫使Mc5 工作于线性区， 虽Mc6 还工作于饱和区， 但受沟道调制因素影响， 另外Mc3 和Mc4 工作于饱和区。第五阶段： 检测电流从D 继续往上升， 迫使Mc5 和Mc6 都工作于线性区，Mc3 和Mc4 工作于饱和区。从图4 中可以看出， 当检测电流达到4.1μA 时， 关断功率管， 满足系统要求。图5- - 图7 的工作情况与图4 类似， 图5 设定极限电流为16μA, 可以看出当检测电流达到15.97μA 时， 关断功率管。图6 设定极限电流为24μA, 可以看出当检测电流达到23.82μA 时， 关断功率管。图7 设定极限电流为40μA, 可以看出当检测电流达到39.6μA 时， 关断功率管。

　　仿真结果表明， 本文所提出的新结构能使检测电流非常精确地达到所设定的极限电流值， 满足系统的要求。但是图中显示检测电流与极限电流还是有一定的偏差(最大为0.4μA)， 通过仿真分析发现这是因沟道调制因素引起电流镜镜像的误差造成的。若将电流镜的栅宽增大能进一步提高精度， 但这会一定程度上增大芯片的面积， 设计时应根据系统指标要求折中考虑。

　　结束

　　采用cascode 结构组成电流比较器代替传统的电压比较器使两种电流直接比较。此结构不需要开关管和电阻网络， 使得芯片面积大幅度降低， 减小了成本， 同时具有速度快， 功耗低， 精度高的优点。