CN102577105A - 具有用于控制放大器晶体管的小信号跨导的参考源的电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有参考源(12)的电路，参考源用于供给偏置信号以将放大器(10)中的放大器晶体管的小信号跨导设定到预定值。参考源具有至少一个参考晶体管(120a-b，30)。反馈电路(128，129，38)的输入端连接至参考晶体管(120a-b，30)的主电流通道，输出端连接至参考晶体管(120a-b，30)的控制电极。反馈电路控制控制电极处的控制电压，以使流过参考晶体管(120a-b，30)的电流通道的主电流之差与偏移电流相等，所述差是采用和不采用添加至控制电压的小电压偏移获得的。在存在和不存在小电压偏移的情况下流动的主电流可以通过采用彼此匹配的第一和第二参考晶体管(122a，b)以及连接在第一和第二参考晶体管(122a，b)的控制电极之间以在其控制电极之间施加小电压偏移的偏移电压源(126)获得。

Description

具有用于控制放大器晶体管的小信号跨导的参考源的电路
技术领域
本发明涉及包括参考源的电路。
背景技术
集成电路包括晶体管，晶体管以取决于晶体管偏置设定的放大因子来放大信号。已知采用参考源来控制集成电路中晶体管的偏置设定。典型地，参考源是被设计为以对诸如电路温度之类的不可控因素的最小依存性供给电压或电流的电路。
美国专利申请No 2007/0075778公开了参考源的示例，其在控制回路采用两个参考场效应晶体管，控制回路将参考晶体管的漏极电流保持为相等。参考晶体管的尺寸按比例N∶l不同，栅极-源极电压相差与漏极电流成比例的偏移量。结果，漏极电流被调整到传输尺寸比和栅极-源极电压偏移对漏极电流的影响相等且相反的水平。
所得到的栅极-源极电压和/或所得到的漏极电流可以用作设置集成电路中放大晶体管的偏置的参考。以这种方式，外部对参考的影响被最小化。参考取决于参考晶体管的特性、用来从漏极电流中得出偏移量的电阻以及参考晶体管的尺寸比，这些可以被精确地控制。
对于放大器电路，希望控制晶体管的小信号增益。美国专利申请No2007/0075778中的参考源将增益控制到某一程度，因为它提供受控参考电压至放大器。然而，由于以不同方式影响电流和增益的因素，这不能防止小信号增益的不可预测变化。
发明内容
本公开的目的至少是提供一种具有参考源的电路，其中电路中的小信号增益的可预测性得到改善。
提供了根据权利要求1的电路。在这里，一个或多个参考晶体管与反馈电路结合使用，反馈电路调整所述一个或多个参考晶体管的控制电压，使得所述一个或多个参考晶体管呈现预定的差分跨导。在此使用的″差分跨导″是指在小变化界限内漏极电流变化和栅极-源极电压变化之比，即小信号跨导。
通过观察向控制电压添加小电压偏移的结果，监测差分跨导。具有和不具有添加的小电压偏移的控制电压导致通过一个或多个参考晶体管的主电流的基本线性的差异，大小与电压偏移和差分跨导成比例。电流差用作反馈电路的输入以控制控制电压。
例如，参考晶体管可以为NMOS晶体管，或PMOS晶体管，或双极晶体管。在NMOS或PMOS晶体管的示例中，主电流通道为晶体管的沟道，控制电极为栅极，控制电压为栅极-源极电压。在双极晶体管的示例中，发射极和集电极为主电流通道的端子，控制电极为基极。
在一个实施例中，小的时间相关振荡器信号可以用来提供差分电压偏移，将不同时刻的主电流彼此比较以控制控制电压。在该实施例中，单个参考晶体管可能就够了，使得晶体管间差异在控制差分跨导时不起作用。
在一实施例中，使用彼此匹配的第一参考晶体管和第二参考晶体管。在该情况中，第一参考晶体管和第二参考晶体管的驱动条件之间的小差异可以用来评估差分跨导。控制电压馈送至两个晶体管的控制电极，采用偏移电压源在第一晶体管和第二晶体管的控制电极之间施加小的差分电压偏移。反馈电路被配置在反馈回路中供给控制电压，该反馈回路使来自偏移电流源的电流等于参考晶体管的主电流之差。在该实施例中，不需要采用时间相关振荡器来测量差分跨导。
在一实施例中，主电流之一可以经由例如电流镜馈送至电路节点，而另一主电流直接馈送至该电路节点，偏移电流可以供给至该电路节点或在电流镜之前添加。该电路节点可以用作反馈电路的输入端。但在电路节点处合并电流的任何其它方式可以是产生净电流的方式，该净电流等于偏移电流与通过第一参考晶体管和第二参考晶体管的主电流通道的主电流之差之间的差异。
在另一实施例中，使用两个差分放大器将第一参考晶体管和第二参考晶体管的对应端子(如，漏极或集电极)处的电压调整到相同的参考电压。因此，可以消除可能影响差分跨导测量精度的电流对漏极或集电极电压依存性。
在一实施例中，差分电压偏移和偏移电流基于公共参考被彼此成比例地驱动。因此，避免差分电压偏移和偏移电流的变化对所得到的差分跨导的影响。
在一实施例中，参考源的输出电路被配置为输出处于第一参考晶体管和第二参考晶体管的主电流之间的水平的偏置电流。由于非线性，当存在小的主电流差异时，第一参考晶体管和第二参考晶体管的差分跨导可能稍有不同。预定的差分跨导将在第一参考晶体管和第二参考晶体管的主电流之间的某处实现。采用主电流之间的输出偏置电流减小了与预定差分跨导的偏差。例如，可以使用在主电流中间的偏置电流。
在另一实施例中，主电流之间的输出偏置电流通过另一偏移电流源实现，所述另一偏移电流源被配置为供给比偏移电流小的另一偏移电流，所述另一偏移电流添加至输出电流。在另一实施例中，该电流为用来控制差分跨导的偏移电流的一半。
附图说明
根据采用下述附图对示例性实施例的描述，这些和其它目标和有利方面将变得明显。
图1为具有参考电路的电路。
图2示出具有并行电流源的实施例。
图3示出具有单个参考晶体管的参考电路。
具体实施方式
图1示出一种电路，其包括放大器10、参考电路12和偏置源14。参考电路12的输出端连接至偏置源14的控制输入端。偏置源14的输出端连接至放大器10的偏置输入端。参考电路12被设计为调整偏置以便实现预定的小信号增益(差分跨导)。在此使用的″差分跨导″是指在小的变化界限(称为差分变化)内漏极电流变化和栅极-源极电压变化之比，所述差分变化如此之小，使得所述比至少更加接近对应于漏极电流关于栅极-源极电压的导数，而不是对应于总漏极电流变化和栅极-源极电压之比。用来确定差分跨导的电压偏移称为″差分电压偏移″。术语″差分跨导″和″差分电压″不是用来表示或建议必须使用诸如差分放大器之类的差分电路。
在图1的实施例中，这是通过提供匹配参考晶体管对来实现的，其中匹配参考晶体管对的栅极-源极电压相差小的施加电压差。响应于此，参考晶体管的漏极电流之间将存在小量的漏极电流差，对应于栅极-源极电压差乘以小信号增益(差分跨导)的积。小信号增益取决于栅极-源极电压的公共可变分量。参考电路产生如下净电流，该净电流对应于参考晶体管的漏极电流的公共分量减去与小施加电压差成比例的小参考电流。参考电路响应于反馈回路中的该净电流，调整参考晶体管的栅极-源极电压的公共可变分量。这具有下述效果，即漏极电流差的大小对应于预定的小信号增益，小信号增益等于漏极电流差和施加电压差之比。
参考电路12包括第一参考晶体管120a、第二参考晶体管120b、漏极电流源122a，b、偏移电流源124、电压偏移电路126、第一控制放大器128和第二控制放大器129。第一参考晶体管120a和第二参考晶体管120b为NMOS晶体管，每个晶体管具有将被称为控制电极的栅极、以及由将被称为主电流通道的晶体管沟道连接的源极和漏极。第一参考晶体管120a和第二参考晶体管120b的源极连接至第一电源端Vss。第一参考晶体管120a和第二参考晶体管120b的漏极分别连接至漏极电流源122a，b中的第一个和第二个。漏极电流源122a，b被构造为将相等的电流提供至漏极。第一参考晶体管120a和第二参考晶体管120b是匹配的，即它们由相同的材料制成且具有相等的W/L比。优选地，匹配是通过在两个晶体管中采用相等的栅宽和通过采用相等的栅长，和/或通过在相同的半导体本体中实现彼此靠近的两个晶体管来实现的。
偏移电流源124的输出端分别连接到节点12和电压偏移电路126，其中节点12连接至第二参考晶体管120b的漏极。电压偏移电路126连接至第一参考晶体管120a和第二参考晶体管120b的栅极，并配置为在第一参考晶体管120a和第二参考晶体管120b的栅极电压之间形成偏移量，使得第二参考晶体管120b接收比第一参考晶体管120a大的栅极-源极电压。电压偏移电路126可以包括连接在第一参考晶体管120a和第二参考晶体管120b的栅极之间并连接至偏移电流源124的电阻器，使得来自偏移电流源124的偏移电流流过该电阻器。因此，实现等于偏移电流乘以该电阻器的电阻值的偏移电压。此外，电压偏移电路126可选地包括用于吸收偏移电流或其一部分的电流吸收器。
第一控制放大器128的输入端连接至第一参考晶体管120a的漏极和参考输入VR，输出端连接至漏极电流源122a，b的控制输入端。选择放大的符号，以驱动漏极电流源122a，b趋向如下水平：在该水平处，第一控制放大器128的输入端处的净电流为零。第二控制放大器129的输入端连接至节点121和参考输入VR，其中节点121连接至第二参考晶体管120b的漏极，第二控制放大器129的输出端经由电压偏移电路126连接至第一参考晶体管120a和第二参考晶体管120b的栅极。选择放大的符号，以驱动公共可变分量趋向如下水平：在该水平处，第二控制放大器129的输入端处的净电流为零的水平。
在操作中，偏移电流源124和电压偏移电路126用来在略有不同的条件下操作第一参考晶体管120a和第二参考晶体管120b，以将漏极电流关于栅极-源极电压的导数，即跨导，用作控制回路中的测量参数。
由于电压偏移电路126，第二参考晶体管120b具有略大于第一参考晶体管120a的栅极-源极电压，并且由于偏移电流源124，将比供给到第一参考晶体管120a漏极的漏极电流略大的漏极电流供给至第二参考晶体管120b的漏极。通过略有不同的条件，或电压之间的小差异，意味着差异的影响基本上是线性的，如，与根据对无限小差异的理论响应的线性外插之间的偏差小于如20％，优选小于10％。因此，观察到的电压差基本上对应于差分跨导，即，主通道电流关于控制电压的导数，与针对无限小信号的外插跨导的差异不大于如20％或优选不大于10％。
第一控制放大器128控制漏极电流源122a，b，使得第一参考晶体管120a的漏极电压被驱动至参考电压。第二控制放大器129控制第一参考晶体管120a和第二参考晶体管120b的栅极-源极电压中的公共可变分量，使得第二参考晶体管120b的漏极电压被驱动至参考电压。以这种方式，第一参考晶体管120a和第二参考晶体管120b的栅极-源极电压中的公共可变分量被控制在下述水平，即使得在相等漏极-源极电压的条件下栅极-源极电压之间的预定偏移量导致第一参考晶体管120a和第二参考晶体管120b的漏极电流之间的预定偏移量。因为第一参考晶体管120a和第二参考晶体管120b是匹配的，这对应于第一参考晶体管120a和第二参考晶体管120b的预定差分跨导。
偏置电路14将得到的通过第一参考晶体管120a的电流的复制电流作为偏置信号供给至放大器10。在放大器10中，该复制电流用来控制增益。放大器10中的二极管连接的晶体管(未示出)例如可以用来将电流转换回放大器10内的栅极-源极电压偏置。可替换地，第一或第二参考晶体管120a，b的栅极-源极电压可以直接或经由缓冲器馈送至放大器10，用作栅极-源极偏置信号。作为另一种替换，其它电流镜可以用来将该电流复制至放大器10。而且，该电流的多个复制电流可以供给至放大器10，以实现多个参考。
放大器10可以包括一个或多个晶体管，所述一个或多个晶体管为第一参考晶体管120a和第二参考晶体管120b的复制晶体管，并由第一或第二参考晶体管120a，b的栅极-源极电压的复制电压来进行偏置。在另一实施例中，放大器10可以包括一个或多个晶体管，所述一个或多个晶体管为第一参考晶体管120a和第二参考晶体管120b的缩放复制晶体管，并由第一或第二参考晶体管120a，b的栅极-源极电压的复制电压来进行偏置。然而，在小晶体管尺寸下，几何缩放可能不能产生缩放的电特性。在这种情况中，优选的是采用这样的参考电路12，该参考电路12具有基本上为放大器10中晶体管的复制晶体管的第一参考晶体管120a和第二参考晶体管120b，使用第一参考晶体管120a和第二参考晶体管120b来为放大器中的晶体管产生偏置。
在一实施例中，除了放大器10，还可以设置至少一个另外的放大器，放大器10和至少一个另外的放大器接收由参考电路12产生的偏置电流。
可以注意到，当栅极-源极电压之间的偏移由通过电阻器的第一偏移电流形成时，针对跨导的参考由电阻器的电阻值以及第一偏移电流和供给至第二参考晶体管120b的漏极的第二偏移电流之比来设定。偏移电流源124在第一和第二偏移电流之间施加预定的比，以便为差分跨导设置预定的参考。
除了该比值之外，第一和第二偏移电流的大小是不起决定性作用的。优选地，该大小被保持为如此之小，使得第一参考晶体管120a和第二参考晶体管120b的非线性响应影响是可忽略的，例如，小于对栅极-源极电压之间的偏移的响应的线性影响的20％。如图所示，偏移电流源124可以独立于由漏极电流源122a，b供给的漏极电流。这具有的优点在于，即使漏极电流改变，也可以将偏移保持固定和较小。在可替换实施例中，偏移电流源124可以被配置为供给与参考晶体管120a，b的漏极电流成比例的偏移电流。
由于差分跨导取决于偏移电压和偏移电流之比，因此在一些电路中，这可能不影响差分跨导的控制。在这种情况中，代替采用漏极偏移电流，可以使参考晶体管120a，b中一个的宽度不同于另一个宽度，使得参考晶体管120a，b的电流密度不同。这可以用于与依赖于漏极电流的栅极-源极电压偏移结合调整差分跨导。在可替换实施例中，电流源122a，b可以是以不等于1的预定比配置的电流。然而，对于小尺寸晶体管，电流密度变化可能并非在所有偏置情况下对匹配晶体管的漏极电流变化都具有相同比例。因此，当调整差分跨导时，漏极电流偏移和匹配晶体管的使用可能是优选的。
图2示出了一实施例，其中偏移电流源124的附加部分20与偏置电路14并行地将并行电流提供至放大器10。该并行电流为供给至第二参考晶体管120b的偏移电流的一半。在该实施例中，供给至第二参考晶体管120b的一半偏移电流添加到供给至放大器10的电流。以这种方式，第一或第二参考晶体管120a，b的非线性行为对放大器10中晶体管(未示出)中实现的差分跨导和跨导的设定值之间偏差的影响被消除。代替一半电流，可以采用零和偏移电流之间的任何其它电流，但预期一半电流在变化的情况下工作最好，从而接近目标差分跨导。
可以注意到，第一控制放大器128和漏极电流源122用作电流镜电路，其输入端连接至第一参考晶体管120a的漏极。如图所示，该电流镜电路被设计为使其输入端处的电压等于第二参考晶体管120b的漏极处维持的参考电压。以这种方式，当控制差分跨导时，漏极电压差对漏极电流之间差异的影响被消除。
而且可以注意到，多种可替换配置是可行的。例如，代替由第一控制放大器128和漏极电流源122形成的电流镜电路，该电流镜电路可以由输入端连接至第二参考晶体管120b的漏极以及输出端连接至第二参考晶体管120b的电流镜代替，在该情况中，第一控制放大器128的输入端可以连接至第一参考晶体管120a的漏极。第一控制放大器128在其输入阻抗不是太低的情况下可以将其输入端连接至电流镜的输入端。类似地，可以以多种方式在漏极电流之间引入偏差，例如，采用与第一参考晶体管120a并联的电流源。另外，例如可以通过连接在参考晶体管120a，b的源极和电源导体Vss之间的可控电压源，来控制栅极电压之间的公共可变偏移。然而，在一些应用中，这可能是不利的，因为它引入可变反向栅极偏置。类似地，可以通过参考晶体管120a，b中一个的源极和电源导体Vss之间的电压源来引入电压偏移。然而，在一些应用中，这可能是不利的，因为它引入可变反向栅极偏置。
图3示出具有单个参考晶体管30的参考电路的实施例。该参考电路包括检测器/负载电路32、交流信号发生器34、加法器36和控制放大器38。参考晶体管30的漏极连接至检测器/负载电路32的输入端。加法器36的输出端连接至参考晶体管30的栅极，输入端连接至交流信号发生器34的输出端且经由控制放大器38连接至检测器32的输出端。检测器32的另一输入端连接至交流信号发生器34。
在操作中，加法器36将从控制放大器38得到的偏置电压和来自交流信号发生器34的交流电压的总和施加至参考晶体管30的栅极。作为响应，参考晶体管30的漏极电流具有交流分量，该交流分量由检测器32检测。检测器32可以被配置为将参考晶体管30的漏极处的电压保持为基本恒定。响应于检测到的交流电流分量，控制放大器38将偏置电压驱动到如下水平：在该水平，漏极电流的交流分量具有预定的检测幅度。
因此实现参考晶体管30的交流差分跨导的控制。在一实施例中，可以采用输入端与参考晶体管30的漏极串联的电流镜(未示出)复制参考晶体管30的漏极电流的直流漏极电流分量，以将偏置提供至放大器(未示出)。检测器32可以具有连接至该电流镜(未示出)的输入端的输入端。在另一实施例中，控制放大器38可以具有处于电流输出端的二极管连接的晶体管，以在二极管连接的晶体管的栅极处形成偏置电压。在该情况中，二极管连接的晶体管可以用作提供偏置至放大器(未示出)的电流镜的输入端。
可以注意到，图3的电路具有的缺点在于，它需要交流信号产生装置以产生参考，这可能导致干扰。另一方面，它具有的优点在于，单个参考晶体管确定差分跨导设定，使得参考晶体管之间可能存在的差异没有影响。
虽然已经示出了采用NMOS参考晶体管的示例性实施例，但应当认识到，可以采用其它类型的参考晶体管，如PMOS晶体管或双极晶体管。在后一种情况中，集电极-发射极连接代替NMOS晶体管的沟道起参考晶体管的主电流通道的作用，基极代替栅极起控制电极的作用。
根据对附图、公开内容和随附权利要求的研究，本领域技术人员在实践要求保护的发明时可以理解和实现所公开的实施例的其它变形。在权利要求中，措词″包括″不排除其它元件或步骤，不定冠词″一″或″一个″不排除多个。在彼此不同的从属权利要求中描述某些措施的事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制保护范围。

Claims (10)

1.一种电路，包括参考源(12)，该参考源(12)用于供给偏置信号以将放大器(10)中的放大器晶体管的差分跨导设置到预定值，该参考源包括：
至少一个参考晶体管(120a-b，30)，包括控制电极和主电流通道；
反馈电路(128，129，38)，具有连接至所述参考晶体管(120a-b，30)的主电流通道的输入端和连接至所述参考晶体管(120a-b，30)的控制电极的输出端，该反馈电路被配置为控制控制电极处的控制电压，该反馈电路(128，129，38)被配置为使流过所述参考晶体管(120a-b，30)的电流通道的主电流之差和偏移电流相等，所述差是采用和不采用添加至控制电压的差分电压偏移获得的；
输出电路(122a，14)，该输出电路连接至所述至少一个参考晶体管(120a-b，30)，并被配置为将从所述参考晶体管(120a-b，30)引出的偏置信号供给至参考源的输出端(122a，14)。
2.根据权利要求1所述的电路，包括：
彼此匹配的第一参考晶体管和第二参考晶体管(122a，b)；
连接在第一参考晶体管和第二参考晶体管(122a，b)的控制电极之间的偏移电压源(126)，用于在第一参考晶体管和第二参考晶体管(122a，b)的控制电极之间施加差分电压偏移；
用于供给偏移电流的偏移电流源(122a，b)；
反馈电路(128)被配置为通过调整控制电压，将通过第一参考晶体管和第二参考晶体管(120a，b)的主电流通道的主电流之差与偏移电流与之间的差异调整到零。
3.根据权利要求2所述的电路，包括：
第一可控电流源和第二可控电流源(122a，122b)，具有分别连接至第一参考晶体管和第二参考晶体管(120a，b)的主电流通道的对应端子的输出端；
第一差分放大器(128)，具有第一输入端和第二输入端以及连接至第一可控电流源和第二可控电流源(122a，b)的控制输入端的输出端，第一输入端连接至第一参考晶体管(120a)的主电流通道的端子；
反馈电路(128，129)包括第二差分放大器(129)，第二差分放大器具有第一输入端和第二输入端以及连接至第一参考晶体管和第二参考晶体管(120a，b)的控制电极的输出端，第一输入端连接至电路节点(121)，该电路节点被配置为接收等于通过第一参考晶体管和第二参考晶体管(120a，b)的主电流通道的主电流之差与偏移电流之间的差异的净电流，第一差分放大器和第二差分放大器的第二输入端被连接为接收相同的参考电压。
4.根据权利要求2所述的电路，包括偏移电路(124)，该偏移电路包括偏移电压源和偏移电流源，并被配置为基于公共参考彼此成比例驱动差分电压偏移和偏移电流。
5.根据权利要求2所述的电路，其中输出电路(14)被配置将处于第一参考晶体管和第二参考晶体管(120a，b)的主电流之间水平的偏置电流输出至参考源的输出端。
6.根据权利要求5所述的电路，其中参考源的输出电路包括另一偏移电流源(122a)，所述另一偏移电流源被配置为供给比偏移电流小的另一偏移电流，输出电路被配置为将所述另一偏移电流添加至第一晶体管的主电流的复制电流以形成输出电流。
7.根据权利要求2所述的电路，其中所述另一偏移电流源被配置供给等于偏移电流一半的所述另一偏移电流。
8.根据权利要求1所述的电路，包括连接至至少一个参考晶体管(30)的控制电极的振荡器电路(34)，反馈电路(38)被配置为根据响应于来自振荡器电路(34)、添加至控制电压的振荡器信号而获得的瞬时电流差，确定所述主电流之差。
9.根据权利要求1所述的电路，包括放大器(10)，该放大器(10)具有连接至电流镜(122a，14)的输出端的放大器晶体管，该放大器晶体管具有接收来自参考电路的输出电路的输出端的电流的输入端。
10.一种放大信号的方法，其中放大器(10)的放大晶体管的差分跨导被控制，该方法包括：
控制反馈回路的至少一个参考晶体管(120a，b，30)的控制电极处的控制电压，以使得流过所述一个或多个参考晶体管(120a，b，30)的电流通道的主电流之差与偏移电流相等，其中所述差在将差分电压偏移添加至控制电压时获得；
采用从所述至少一个参考晶体管(120a，b，30)引出的电流和/或电压来偏置放大晶体管。
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