CN100449447C - 电流源的单电流偏置电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电流源的单电流偏置电路，包括数个相串接的MOS管，在两只相邻的MOS管中，一只MOS管的源极与另一只MOS管的漏极相接，位于最上端的MOS管的漏极接恒流源，最上端的MOS管与其相邻的MOS管的栅极相并接后也接至恒流源，位于最下端的MOS管的源极接公共端，该MOS管的栅极接至与其相邻的MOS管的漏极，与最下端MOS管相邻的MOS管的栅极接至最上端的MOS管的源极，同时，与最上端的MOS管相邻的MOS管为输出管，其漏源极作为偏置电路的输出。该偏置电路既克服了传统的偏置电路中存在的两路偏置存在的损耗大缺点，又克服了采用单路的偏置电路中存在的输出节点电压动态范围小的缺点。

Description

电流源的单电流偏置电路
技术领域
本发明涉及基于MOS元件的Cascode模拟电流源，更具体地指一种电流源的单电流偏置电路。
背景技术
在模拟电子电路中广泛采用电流源为模拟电流电压信号的传递媒介。衡量电流源性能的指标包括电流源的输出阻抗、输出节点电压动态范围和电流跟踪特性等。由于Cascode电流源能够提供非常高的输出阻抗和良好的电流跟踪特性而受到了广泛的应用，但是它的输出节点的电压动态范围受限于Cascode电流源结构的偏置电压，因此需要正确地偏置Cascode电流源来提高它的输出节点电压动态范围。
图1给出了一种最简单的Cascode电流源的偏置电路，因为它的简单，使得它得到了非常广泛的应用，该偏置电路的缺点是输出节点的电压动态范围较小。在这种Cascode电流源中，输出节点N2的最小电压为：
VN2(min)＝Vgs3+Vgs4-Vth＝Vgs3+Vdsat4＝Vdsat3+Vdsat4+Vth3
图2给出了另一种Cascode电流源的偏置电路，如果N4点的电压为M1的Vdsat1，那么M5的栅电压Vg5＝Vdsat1+Vgs5。如果M2和M6的宽长比相等，则：Vgs2＝Vgs6，所以VN2的最小值为：
VN2(min)＝Vg2-Vth＝Vdsat1+Vgs2-Vth＝Vdsat1+Vdsat2
和前面的电路相比N2点的摆幅增大了Vth。但它的缺点是采用了两路电流偏置电路。
图3又给出了一种Cascode电流源的偏置电路，M2的栅电压Vg2为Vgs4+Vds5，如果Vgs4等于Vgs2，Vds5等于Vdsat1那么N2点的最小电压为：
VN2(min)＝Vg2-Vth＝Vgs4+Vds5-Vth＝Vgs2-Vth2+Vds5＝Vdsat1+Vdsat2
该电路缺点同样也是采用了两路电流偏置电路，而且该电路结构有两个限制条件Vgs4等于Vgs2、Vds5等于Vdsat1。
发明内容
本发明的目的是针对传统的Cascode电流源偏置电路存在的缺点，提出一种摆幅大、功耗低的电流源的单电流偏置电路。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：该电流源的单电流偏置电路包括数个相串接的MOS管，在两只相邻的MOS管中，一只MOS管的源极与另一只MOS管的漏极相接，位于最上端的MOS管的漏极接恒流源，最上端的MOS管与其相邻的MOS管的栅极相并接后也接至恒流源，位于最下端的MOS管的源极接公共端，该MOS管的栅极接至与其相邻的MOS管的漏极，与最下端MOS管相邻的MOS管的栅极接至最上端的MOS管的源极，同时，与最上端的MOS管相邻的MOS管为输出管，其漏源极作为偏置电路的输出。
在本发明的上述偏置电路中，仍然采用了单电流偏置方式，cascode MOS管的偏置电压由最下端MOS管的栅源偏置电压加上次上端MOS管的漏源偏置电压，该漏源电压用来保证最下端MOS管具有一定的漏源电压使其工作在饱和区，用来产生该电压的MOS管工作在线性区，它的漏源电压能够及时跟踪偏置电流的变化。本发明的偏置电路既克服了传统的偏置电路中存在的两路偏置存在的功耗大缺点，又克服了采用单路的偏置电路中存在的输出节点电压动态范围小的缺点。
附图说明
图1为传统最简单的Cascode电流源偏置电路及电流源示意图。
图2为另一种传统的Cascode电流源偏置电路及电流源示意图。
图3为又一种传统的Cascode电流源偏置电路及电流源示意图。
图4为采用本发明单电流偏置电路及电流源示意图。。
图5为采用本发明偏置电路的Cascode电流源作为运算放大器的负载的一个电路实例。
具体实施方式
为了能够对本发明偏置电路有更深刻的了解，下面结合上述附图对本发明作一较为详细地说明。
请参阅图4所示，本发明的偏置电路包括数个相串接的MOS管M3、M4、M5、M6，在该实施例中，MOS管的数量采用了四只。在两只相邻的MOS管中，一只MOS管的源极与另一只MOS管的漏极相接。位于最上端的MOS管M6的漏极接恒流源，最上端的MOS管M6与其相邻的MOS管M5的栅极相并接后也接至恒流源，位于最下端的MOS管M3的源极接公共端，该MOS管M3的栅极接至与其相邻的MOS管M4的漏极，与最下端MOS管M3相邻的MOS管M4的栅极接至最上端的MOS管M6的源极，同时，与最上端的MOS管M6相邻的MOS管M5为输出管，其漏源极作为偏置电路的输出。
本发明的偏置电路中的各MOS管的电压关系描述如下，在图4所示的电路中，MOS管M4的栅电压可以表示为：
Vg4＝Vds3+Vgs4＝Vgs3+Vds5
所以Vds3可以表示如下：
Vds3＝Vds5+Vgs3-Vgs4
通过调节MOS管M5Vds5能够方便地使Vds5-Vgs4＝-Vth3成立。所以在这种条件下，有下面的关系满足：
Vds3＝Vgs3-(Vds5-Vgs4)＝Vgs3-Vth3＝Vdsat3
MOS管M4的栅电压就是M2的栅电压，所以输出节点N2的最小电压为：
VN2(min)＝Vg4-Vth2
如果MOS管M4的开启电压和MOS管M2的开启电压相同，则：
VN2(min)＝Vg4-Vth2＝Vg4-Vth4＝Vds3+Vgs4-Vth4＝Vdsat4+Vds3＝Vdsat4+Vdsat3＝Vdsat1+Vdsat2
显然它的输出电压的摆幅和图2、图3所示意的偏置电路是相同的，但是该偏置电路却只用了一路偏置电流。
采用本发明偏置电路的电流源具有非常高的输出阻抗和良好的电流跟踪特性，可以广泛地应用在模拟集成电路中，极大地提高了模拟电路的性能。如图5就给出了采用本发明偏置电路的Cascode电流源作为运算放大器的负载的一个电路实例，在图5中，虚框部分即为带有本发明偏置电路的Cascode电流源。

Claims (1)

1、一种电流源的单电流偏置电路，其特征在于：该偏置电路包括4个相串接的MOS管，在两两相邻的MOS管中，一只MOS管的源极与另一只MOS管的漏极相接，位于最上端的MOS管的漏极接恒流源，最上端的MOS管与其相邻的MOS管的栅极相并接后也接至恒流源，位于最下端的MOS管的源极接公共端，该MOS管的栅极接至与其相邻的MOS管的漏极，与最下端MOS管相邻的MOS管的栅极接至最上端的MOS管的源极，同时，与最上端的MOS管相邻的MOS管为输出管，其漏源极作为偏置电路的输出。
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