CN100407572C - 场效应管偏置电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种场效应管偏置电路，其包括具有电源的电流变动信息电路，与电流变动信息电路信号输出端连接的电阻，该电阻另一端接于一基准电压源，且该电阻与电流变动信息电路的连接点作为提供电压变动信息的输出端，至少接有一电压源的分压电路连接于该电压变动信息的输出端；通过电压变动信息输出端将电压变动信息提供给分压电路，并从该分压电路中取出一个分压作为该场效应管偏置电路的输出端，用以控制一信号动作场效应管的静态漏极电流。本发明场效应管偏置电路可使被控制信号动作场效应管的静态漏极电流保持稳定，并可减小整枚晶圆内各个芯片的信号动作场效应管静态漏极电流偏差，且成本低、面积小、易集成制造。

Description

场效应管偏置电路
【技术领域】
本发明涉及一种场效应管的偏置电路。
当周围环境温度以及信号动作场效应管自身发热而引起的温度变化时，本电路适合于保持静态漏极电流稳定，并由此可以减少在温度变化时信号动作场效应管的增益和线性特性的变动幅度。同时兼有减小整枚晶圆内各个场效应管静态漏极电流偏差的功能。可用在电子，通讯等各种电子器件和IC电路中，尤其适合用于高频通信电路中。
【背景技术】
环境温度的变化而引起的电子器件特性恶化的抑制，减小整枚晶圆内各个场效应管静态漏极电流偏差，这两大问题一直是含有场效应管的电路设计时要考虑的因素。以往的电路常常靠牺牲场效应管的功率，在漏极或源极上串联一电阻来获取电流变动信息，并以此来控制栅极电压，从而进行补偿。对于需要小信号工作的场效应管器件来讲，人们常用信号动作场效应管上采用自偏压方式，或在场效应管源极和漏极上加上电阻来稳定静态漏极电流。上述解决方案对于器件功率消耗较少或对效率要求不高的信号动作场效应管来讲，是可以容忍的。但对于注重效率的大信号动作场效应管器件来讲，以上的方法是行不通的。因为自偏压方式或在场效应管源极和漏极上加上电阻来稳定静态漏极电流的时候，一旦在源极或漏极串联上电阻，流过电阻上的电流必然引起信号动作场效应管上的电力的损耗。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题在于提供一种场效应管偏置电路，其可克服信号动作场效应管静态漏极电流随温度变化而产生变动的缺点，并可改善整枚晶圆内各个场效应管静态漏极电流偏差。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：提供一种场效应管偏置电路，其包括：具有电源的电流变动信息电路，该电流变动信息电路包括一晶体管及二串联的分压电阻，该晶体管的源极或发射极接地，其漏极或集电极经电阻连接于基准电压源，其栅极或基极连接于二分压电阻之间，该二分压电阻一端接地，另一端连接于电源，与电流变动信息电路的信号输出端连接的电阻，该电阻的另一端上施加基准电压源；电流变动信息电路与该电阻的连接点作为提供电压变动信息的输出端，通过该电压变动信息输出端将电压变动信息提供给至少接有一个电压源的分压电路，并从分压电路中取出一个分压，作为该场效应管偏置电路的输出端，用以控制一信号动作场效应管的静态栅极电流。
本发明的有益效果为：本发明场效应管偏置电路可对被控制信号动作场效应管的静态漏极电流进行温度补偿，使其在温度变化的环境下保持静态漏极电流稳定；此外，还可减少在温度变化时静态漏极电流变动而引发的增益及线性特性的变动幅度；而且，本发明之电路整体电路面积及功耗极小，可与被控制信号动作场效应管集成于同一芯片上，也可不与被控制信号动作场效应管集成于同一芯片上，作为一独立器件制作及使用。另外，本发明之电路除可与被控制信号动作场效应管一起集成于一个IC芯片里，也可与被控制信号动作场效应管一同封装在同一个管壳内，成本较低、易于集成制造。
【附图说明】
图1为本发明场效应管偏置电路的电路原理图。
图2为本发明场效应管偏置电路的第一种实施方式。
图3为场效应管静态漏极电流的温度特性曲线，其显示当温度升高时，无温度补偿状态下，场效应管的静态漏极电流随温度上升而增大的特性。
图4为场效应管静态漏极电流对栅极电压的温度特性曲线，其显示在温度一定时，无温度补偿状态下，场效应管的静态漏极电流随栅极电压减小而减小的特性。
图5显示实施本发明场效应管偏置电路后场效应管静态漏极电流的温度特性曲线，其显示在温度变化情况下场效应管可具有稳定的静态漏极电流。
图6显示了在不同温度条件下，场效应管有着不同的阈值电压，并显示未实施本发明场效应管偏置电路时的场效应管的栅极电压对静态漏极电流的特性曲线。
图7显示了整枚晶圆上不同位置的晶片所制作的场效应管有着不同的阈值电压，并显示未实施本发明场效应管偏置电路时场效应管的栅极电压对静态漏极电流的特性曲线。
图8显示了整枚晶圆中，本发明场效应管偏置电路中的场效应管14和被控制场效应管6静态漏极电流的偏差分布，以及在实施本发明场效应管偏置电路后，被控制场效应管6静态漏极电流的偏差分布。
图9为本发明场效应管偏置电路的第二种实施方式，其中电流变动信息电路由二极管构成。
图10为本发明场效应管偏置电路的第三种实施方式。
图11为本发明场效应管偏置电路的一种改进的实施方式，其通过外部微调整来设定被控制信号动作场效应管静态漏极电流。
图12为本发明场效应管偏置电路的另一种改进的实施方式，其中该场效应管偏置电路中的电阻2是设置在IC芯片的外部。
【具体实施方式】
请参阅图1，本发明场效应管偏置电路包括具有电源18的电流变动信息电路1，与电流变动信息电路1的信号输出端连接的电阻2，电阻2的另一端上施加基准电压源7；电流变动信息电路1与电阻2的连接点作为提供电压变动信息的端子3，通过将端子3的电压变动信息提供给至少接有一个电压源10的分压电路4，并从分压电路4中取出一个分压，作为输出端5，来控制信号动作场效应管6的电流。
该电流变动信息电路1利用功率消耗极小的晶体管组成，用以反映电流的变动信息，该电流变动信息电路1和电阻2构成一个电压变动信息电路，其输出端子3与分压电路4连接，构成一个温度补偿电路作为偏置电路，去控制实际信号动作的信号动作场效应管6。该分压电路4的电压源10可为一个正电源或是一个负电源，其正负是由被控制信号动作场效应管6的栅极需要的电压工作状态来决定；通过计算分压电路4的输出端5的电位和电位变动量，来决定分压电路4的构成。
本发明场效应管偏置电路可以不引起信号动作场效应管6上任何额外损耗，使信号动作场效应管6高效率工作的同时，对信号动作场效应管6的漏极电流起温度补偿的功能。
由于本发明场效应管偏置电路对减小整枚晶圆上各个不同位置所制成的场效应管6的静态漏极电流偏差的说明原理是和温度补偿原理相同的。下文主要以温度补偿原理为例，说明本发明的具体实施方式。
请参考图2，其为本发明场效应管偏置电路的一种实施方式。本实施方式中，电流变动信息电路1包括场效应管14和串联的分压电阻11，12，该场效应管14的源极接地，其漏极经电阻2连接于基准电压源7，其栅极连接于分压电阻11，12之间，该二分压电阻11，12一端接地，另一端连接于电源18。该电源18和电压源10共用一组电源，通过分压电阻11，12加在场效应管14的栅极上，以此设定场效应管14的静态漏极电流。电流变动信息电路1与电阻2的连接点作为提供电压变动信息的输出端3，输出端3接分压电路4，分压电路4包括两只串联电阻8，9，电阻8的一端接电压源10，电阻8的另一端与电阻9相连，电阻9的另一端与输出端3相连，在电阻8和9之间引出一电极输出端5与被控制信号动作场效应管6栅极连接，用来控制信号动作场效应管6的静态漏极电流。信号动作场效应管6的漏极由电源13供电。
上述电流变动信息电路1中采用三极管来代替场效应管14也可达成相同的功效。
请参阅图3，其显示当温度升高时，无温度补偿状态下，信号动作场效应管6的静态漏极电流具有随温度升高而增大的特性。
请参阅图4，其显示在温度一定时，无温度补偿状态下，信号动作场效应管6的静态漏极电流随栅极电压减小而减小的特性。
本发明利用图3和图4所说明的特性原理，在温度变化时，通过加在信号动作场效应管6的栅极电压的变化来抑制信号动作场效应管6静态漏极电流的变动。
当温度升高时，本发明场效应管偏置电路中，电压变动信息的输出端3电位降低，分压电路的输出端5的电位也降低，此时降低的电位若施加到信号动作场效应管6栅极上，恰好可以抑制抵消信号动作场效应管6的静态漏极电流增大，达到温度补偿的目的，具体如下：
在室温25℃时，假定想要设定信号动作场效应管6静态漏电流目标值为100mA，此时加到电流变动信息电路1中的场效应管14栅极上的负压为-0.8V。通过设计，与电阻2串联的电流变动信息电路1的电压变动信息输出端3的电压为2V。这时通过分压电路4加到信号动作场效应管6上的电压为-0.6V，对应信号动作场效应管6上的静态漏极电流为我们希望的100mA。
若温度升高时，假定当温度升高为85℃，此时未使用本发明场效应管偏置电路的信号动作场效应管6静态漏电流将升为180mA，而我们希望保持静态漏电流100mA不变。若采用本发明场效应管偏置电路，参照图3和图4的原理，随温度升高，电流变动信息电路1中的场效应管14的静态漏极电流也随之增大，即：电流变动信息电路1的输出电流也增大，因此在电阻2上的电压降增大，而基准电压源7的电压是一定的，于是电压变动信息输出端3的电压降为1.6V，这时通过分压电路4加到信号动作场效应管6栅极上的电压变为-0.8V，温度升高到85℃时引起的信号动作场效应管6栅极上的电压变动ΔV＝-0.8V-(-0.6V)＝-0.2V，也就是说，当温度升高到85℃时，加在信号动作场效应管6栅极上降低了0.2V，其栅极上降低的0.2V恰好能把信号动作场效应管6静态漏电流从180mA拉回到100mA。保证了温度从25℃到85℃变动时，信号动作场效应管6静态漏电流始终保持在100mA附近。
另一方面，假定温度降低为-30℃时，未使用本发明场效应管偏置电路的信号动作场效应管6静态漏电流降到50mA，而我们希望信号动作场效应管6静态漏电流保持在100mA不变。参照前文图3和图4的原理，采用本发明场效应管偏置电路时：随温度降低，电流变动信息电路1中的场效应管14的静态漏极电流也减少，即：电流变动信息电路1的输出电流也减小，因此在电阻2上的电压降减小，而基准电压源7电压是一定的，于是电压变动信息输出端3的电压升为2.4V，这时通过分压电路4加到信号动作场效应管6栅极上的电压变为-0.42V，温度降低到-30℃时引起的信号动作场效应管6栅极上的电压变动ΔV＝-0.42V-(-0.6V)＝0.18V，也就是说，当温度降低到-30℃时，加在信号动作场效应管6栅极上电压上升了0.18V。栅极上升高的0.18V恰好能把信号动作场效应管6静态漏电流从50mA拉回到100mA，保证了温度从25℃到-30℃变动时，信号动作场效应管6静态漏电流始终保持在100mA附近。
综上所述可知本发明场效应管偏置电路可以不引起信号动作场效应管6上任何额外损耗，使信号动作场效应管6高效率工作的同时，对信号动作场效应管6的漏极电流起温度补偿的功能。如图5所示，实施本发明场效应管偏置电路后，信号动作场效应管6在温度变化的环境下仍可具有稳定的静态漏极电流。
此外，可以通过IC芯片的试做或计算机模拟以及温度实验设计出本发明中场效应管14的大小、所需电压和各个电阻值，使其具有对信号动作场效应管6的静态漏极电流进行温度补偿的功能。
请参阅图6，其显示未实施本发明场效应管偏置电路时，信号动作场效应管6的栅极电压对静态漏极电流的曲线，其显示在不同温度条件下，信号动作场效应管6有着不同的阈值电压Vth。
请参阅图7，其显示未实施本发明场效应管偏置电路时，信号动作场效应管6的栅极电压对静态漏极电流的特性曲线，其表明整枚晶圆上不同位置的晶片所制作的场效应管6(FET)有着不同的阈值电压。
从图6和图7可以看出，两图非常相似。因此，对减小整枚晶圆上不同位置所制造的场效应管6静态漏极电流偏差而言，其所依据的原理和图3、4、5的温度补偿原理相同，不再赘述。
请参阅图8，其显示整枚晶圆中，各个场效应管14(FET)和信号动作场效应管6静态漏极电流偏差分布，以及在实施发明电路后，信号动作场效应管6静态漏极电流的偏差分布。
如图8所示，对于本发明场效应管偏置电路中的场效应管14而言，即使在同一温度时，一定的栅极电压下，整枚晶片中各个场效应管14(小功率管)的静态漏极电流会出现偏差，呈现分布曲线a；同理，即使在同一温度时，一定的栅极电压下，整枚晶片中各个信号动作场效应管6的静态漏极电流也会出现偏差，呈现分布曲线b。在实施本发明场效应管偏置电路后，可以减小整枚晶片中各个场效应管6静态漏极电流出现的偏差，呈现分布曲线c。例如，整枚晶圆的不同位置所制成的两只大功率场效应管6A和6B，在未使用本发明时，在一定栅压下，其静态漏极电流分别为100mA和130mA。使用本发明偏置电路后，将大功率场效应管6A的静态漏极电流同样设定为100mA时，与大功率场效应管6A在同一芯片内的偏置电路中的场效应管14A的静态漏极电流为1mA，电压变动信息的输出端3的电压为Vax，输出端5的电压为Vao。同样的方法制作的电路，由于大功率场效应管6B的偏置电路中的场效应管14B的电流比场效应管14A的电流大，为1.3mA。大功率场效应管6B的偏置电路中的电压变动信息输出端3的电压为Vbx，输出端5的电压为Vbo。此时，由于Vbx＜Vax，因此输出端5的电压Vbo＜Vao，意味着加在大功率场效应管6B栅极上的电压要比加在大功率场效应管6A栅极上的电压低。因此，大功率场效应管6B的静态漏极电流就会变小，要小于130mA。因而，本发明场效应管偏置电路除了具备温度补偿功能之外，也可以减小各个大功率场效应管的静态漏极电流的偏差。
请参阅图9，其为本发明场效应管偏置电路的第二种实施方式，其电路原理与图2的实施方式相同。其中，其电流变动信息的电路1是采用二极管构成。该二极管一端接地，另一端连接电阻2，该电阻另一端接于基准电压源7，该电阻2与二极管的连接点作为提供电压变动信息的输出端3。
由于二极管上的电流的变动也是与场效应管的电流变动近似，因此，配合分压电路的设定，也可以实现本发明的功能。这时，电源18上不必加电，呈开放状态。
请参阅图10，其为本发明场效应管偏置电路的第三种实施方式，其电路构造与图2揭示的实施方式相似，区别在于此实施例中，电源18为独立电源。在此例子中，功耗极小的场效应管14的栅极负电压通过一负电压源18来提供的，场效应管14的漏极电压是加在通过电阻2上的正电压源7来提供的。
请参考图11，由于IC芯片的制作工艺的偏差，图11显示了在图10中的电路基础上，可进行外部微调整来设定信号动作场效应管6静态漏极电流的方式。虚线内的可以集成到IC内部，虚线外的电阻15，电阻16不必集成在IC内。由于IC制作工艺的偏差，当信号动作场效应管6静态漏极电流与理想设计值有偏差时，可通过设定在IC外部的调整电阻来进行微调整。另外IC内部的电阻17的作用是增加隔离度，当电阻9较小时，防止信号动作场效应管6的信号对电流变动信息的电路1的干扰。
请参考图12，其显示了偏置电路中的电阻2设置在IC芯片里外部的情况。我们知道，IC内部的电阻除了制造中的偏差外，其温度变化时的偏差也较大，而我们希望电阻2尽可能是偏差比较小的电阻。为此将电阻2设置到IC外部，不采用IC电阻，这样的话，电压变动信息的输出端3的电压偏差也会较小，控制防止信号动作场效应管6的输出端5电压的偏差也会较小。
本发明的整个的电路面积和功耗极小，可与被控制功率管一起集成在一个IC芯片里。也可以与被控制功率管相邻并分别装在同一支管壳内。且成本低，易集成制造。解决了场效应管功率器件尤其是负电压控制大信号动作场效应管在环境温度变化时的静态漏极电流变化而引起器件的特性变动及恶化的问题，并可减少诸如在温度变化时静态漏极电流变动带来的增益和线性特性的变动幅度。

Claims (14)

1.一种场效应管偏置电路，其特征在于：其包括具有电源(18)的电流变动信息电路(1)，该电流变动信息电路包括一晶体管及二串联的分压电阻，该晶体管的源极或发射极接地，其漏极或集电极经电阻(2)连接于基准电压源(7)，其栅极或基极连接于二分压电阻之间，该二分压电阻一端接地，另一端连接于电源(18)，与电流变动信息电路(1)的信号输出端连接的电阻(2)，该电阻(2)的另一端接于基准电压源(7)；电流变动信息电路(1)与该电阻(2)的连接点作为提供电压变动信息的输出端(3)，通过该电压变动信息输出端(3)将电压变动信息提供给至少接有一个电压源(10)的分压电路(4)，并从分压电路(4)中取出一个分压，作为该场效应管偏置电路的输出端(5)，用以控制一信号动作场效应管(6)的静态漏极电流。
2.根据权利要求1所述的场效应管偏置电路，其特征在于：该场效应管偏置电路的输出端(5)连接于该被控制信号动作场效应管(6)的栅极。
3.根据权利要求2所述的场效应管偏置电路，其特征在于：在该场效应管偏置电路的输出端(5)与被控制信号动作场效应管(6)的栅极间接入一个增加隔离度的电阻(17)。
4.根据权利要求1所述的场效应管偏置电路，其特征在于：所述晶体管为场效应管(14)，该电流变动信息电路包括一场效应管(14)及二串联的分压电阻，该场效应管的源极接地，其漏极经电阻连接于基准电压源，其栅极连接于二分压电阻之间，该二分压电阻一端接地，另一端连接于电源(18)。
5.根据权利要求4所述的场效应管偏置电路，其特征在于：该电流变动信息电路选用小尺寸低损耗的场效应管，该场效应管可选为与被控制信号动作场效应管相同类型或与其具有相近的静态漏极电流变动特性的场效应管。
6.根据权利要求1所述的场效应管偏置电路，其特征在于：所述晶体管为三极管，该电流变动信息电路包括三极管及二串联的分压电阻，该三极管发射极接地，其集电极经电阻连接于基准电压源，其基极连接于二分压电阻之间，该二分压电阻一端接地，一端连接于电源。
7.根据权利要求1所述的场效应管偏置电路，其特征在于：该场效应管偏置电路与该被控制信号动作场效应管一同集成于同一个集成电路芯片中。
8.根据权利要求7所述的场效应管的偏置电路，其特征在于：该电阻单独设置于该集成电路芯片外部电路。
9.根据权利要求1所述的场效应管偏置电路，其特征在于：该场效应管偏置电路与该被控制信号动作场效应管制作于不同芯片上；或是封装于同一支管壳内。
10.根据权利要求1所述的场效应管偏置电路，其特征在于：接于分压电路(4)的电压源(10)可为一个正电源或是一个负电源，其正负是由被控制信号动作场效应管(6)的栅极需要的电压工作状态来决定；通过计算分压电路(4)的输出端(5)的电位和电位变动量，来决定分压电路(4)的构成。
11.根据权利要求1至10项中任一项所述的场效应管偏置电路，其特征在于：该分压电路可为电阻回路、晶体管回路或电阻与晶体管的复合回路。
12.根据权利要求1至10项中任一项所述的场效应管偏置电路，其特征在于：在电压源与分压电路之间接入一可调电阻；且该可调电阻设置在该偏置电路芯片外部。
13.根据权利要求1所述的场效应管偏置电路，其特征在于：该基准电压源、电压源、信号动作场效应管的漏极供电电源与电源相互独立；或者，该基准电压源、电压源、信号动作场效应管的漏极供电电源与电源之间相互连接，接入共同电源。
14.一种场效应管偏置电路，其特征在于：其包括一电流变动信息电路，该电流变动信息电路为二极管，该二极管一端接地，另一端连接一电阻，该电阻另一端接于一基准电压源，且该电阻与该二极管的连接点作为提供电压变动信息的输出端；以及一至少接有一电压源的分压电路，其连接于提供电压变动信息的输出端；通过该电压变动信息输出端将电压变动信息提供给分压电路，并从该分压电路中取出一个分压作为该场效应管偏置电路的输出端，用以控制一信号动作场效应管的静态漏极电流。
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Assignee: Shenzhen Yantel High-Frequency Technology Co., Ltd.

Assignor: Yan Yuejun

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Denomination of invention: Biasing circuit for field-effect transistor

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License type: Exclusive License

Open date: 20050921

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