CN103092252B - 一种与电源无关的偏置电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于集成电子电路领域，公开了一种与电源无关的偏置电路。所述偏置电路可应用于工作电压变化范围大，最低工作电压低的电路。所述偏置电路消耗很小的电流适合应用于低功耗电路。所述偏置电路在电源电压变化范围大的低功耗应用中，能保持输出偏置电流的稳定性。

Description

一种与电源无关的偏置电路

技术领域

本发明涉及一种集成电子电路领域，特别涉及一种与电源无关的偏置电路。

背景技术

偏置电路为电路中的器件提供偏置，使其工作在器件的特定区域，实现电路预定功能。偏置电路必须保证被偏置的电路在工艺、电源电压、温度发生变化后仍然维持在可以接受的工作区，同时不能给电路带来明显的额外电流消耗。偏置器件与被偏置器件之间的失配也会给电路带来极大的影响，这些失配通常包括器件尺寸、阈值电压以及迁移率等。因此，设计一种消耗电流最小而性能最优的偏置电路至关重要。

随着半导体工艺技术的飞速发展，将更多的元件、模块集成到一款芯片中已经成为集成电路设计的不二选择，集成电路设计以及进入SoC时代。SoC对芯片的功耗提出了更高的要求，低电压已成为集成电路发展的主流方向之一。另一方面，随着集成电路的快速发展，集成电路的应用领域不断拓展。一些应用场合，系统电压的波动很大，对集成电路提出新的要求。偏置电路也必须适应这些新的应用环境。

本发明针对以上所述现状，发明了一种可应用工作电压波动大，最低工作电压低，电流消耗小的偏置电路，所述偏置电路在上述工作环境下，能保持稳定的偏置电流或偏置电压输出。

针对偏置电路，早就对其有深入的研究，提出了多种偏置电路，这些偏置电路的应用范围各异。其中，US2007/0236202A1公布了一种偏置发生器(BIASGENERATOR)，如附图2。US2007/0236202A1公布的偏置发生器改进了常用偏置电路(如附图2)的尺寸，从而使偏置电路消耗的电流降低，偏置电路的性能未有降低，把常用偏置电路的应用拓展到低功耗芯片中。该发明虽然一定程度上改善了偏置电路的性能，但是随着工艺尺寸的降低和集成电路应用领域的拓宽，已不能完全满足要求。

200910303373.5公布了一种恒定跨导偏置电路，如附图3，通过偏置模块和反馈模块，使得由该恒定跨导偏置电路偏置的主跨导单元得到非常准确、稳定的跨导，大幅度提高了跨导精度，大大拓宽了电路使用范围。本发明改善了偏置电路的性能，但是由于加入了反馈模块，所以增加了电路的功耗，同时，随着工艺尺寸的缩小，性能下降明显。

发明内容

偏置电路为电路中的器件提供偏置，使其工作在器件的特定区域，实现电路预定功能。偏置电路必须保证被偏置的电路在工艺、电源电压、温度发生变化以及器件之间的失配后仍然维持在可以接受的工作区，同时不能给电路带来明显的额外电流消耗。目前存在的一些偏置电路，但不能完全满足性能和功耗这两方面的要求。针对这一技术难题，本发明引入了共源共栅结构来改善现有偏置电路(如附图2)。然而，集成电路的工作电压不断降低极大的限制了共源共栅结构的应用，所以必须采取低压共源共栅结构。如何将低压共源共栅结构应用于现有偏置电路(如附图2)中，也是一项技术难题。本发明采用一种特殊的电路结构将低压共源共栅结构引入到现有的偏置电路。极大地降低偏置电路产生的偏置电流对电源电压的敏感程度，提高了电路的共模抑制比。在附图2中，场效应管M2和场效应管M1的源极位于不同的电位，所以两场效应管的阈值电压存在较大的差别，相当于两场效应管之间存在很大的失配，导致偏置电流I1或I2偏离理想值。本发明公布的偏置电路消除了体效应，不存在这一缺陷。

为了进一步减低偏置电路的工作电压，本发明公布的偏置电路中的电流镜同样采用低压共源共栅电流镜(如附图4)。

本发明公布的偏置电路包括：第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第一电流镜、第一电阻、第二电阻。所述第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管和第四场效应管具有相同的沟道类型，所述第一电流镜的沟道类型与第一场效应管类型相反。

所述第一场效应管的源极接地，漏极连接所述第三场效应管的源极，栅极接所述第一电阻的第二端，同时连接所述第二电阻的第一端。

所述第二场效应管的源极接地，漏极连接第四场效应管的源极，栅极连接第三场效应管的漏极和第一电阻的第一端。

所述第三场效应管的源极接第一场效应管的漏极，漏极接第一电阻的第一端，栅极连接第四场效应管的栅极，同时接第二电阻的第二端。

所述第四场效应管的源极接第二场效应管的漏极，漏极接第三电阻的第一端，栅极连接第三场效应管的栅极和第二电阻的第二端。

所述电流镜可以是普通电流镜、共源共栅电流镜、低压共源共栅电流镜。所述低压共源共栅电流镜由第五场效应管、第六场效应管、第七场效应管、第八场效应管、第三电阻构成，所述第五场效应管的源极接电源，漏极接第七场效应管的源极，栅极与第六场效应管的栅极连在一起接第三电阻的第二端。所述第六场效应管的源极接电源，漏极接第八场效应管的源极，栅极也第五场效应管连一起，同时连接至第三电阻的第二端。所述第七场效应管的源极接第五场效应管的漏极，漏极接第二电阻的第二端，栅极与第八场效应管的栅极连在一起接第三电阻的第一端，同时接第四场效应管的漏极。第八场效应管的源极接第六场效应管的漏极，第八场效应管的漏极接第三电阻的第二端，同时接第五、六场效应管的栅极，第八场效应管的栅极与第七场效应管连在一起接第三电阻的第一端和第四场效应管的漏极。

所述第二场效应管的尺寸为所述第一场效应管的K倍，K大于等于4。所述第三场效应管的尺寸为所述第四场效应管的m倍，所述第五场效应管的尺寸为所述第六场效应管的m倍，所述第七场效应管的尺寸为所述第八场效应管的m倍，m大于等于1。

附图说明

图1为本发明的一种电路图

图2为一种已知偏置电路结构图

图3为一种已知恒定跨导偏置电路

图4为典型低压共源共栅电流镜的电路图

图5为本发明的第一种具体实施例的电路图

图6为本发明的第二种具体实施例的电路图

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。可以看出，本发明提供了的发明可以有多种的实施例。

【第一实施例】

其中附图5所示为本发明的一个具体的实施例。

在本实施例中，第一场效应管101、第二场效应管102、第三场效应管103、第四场效应管104均为N型场效应管(FET)。其中第二场效应管102的宽长比(W/L)为第一场效应管101的K倍。第三场效应管的W/L是第四场效应管的W/L的m倍，本实施例中，m＝1。

在本实施例中，第五场效应管105、第六场效应管106、第七场效应管107、第八场效应管108均为P型场效应管(FET)，四个场效应管一起构成P型低压电流镜，第三电阻110用于电流镜的自偏置，产生第七场效应管107与第八场效应管108的栅极电压。第五场效应管的W/L是第六场效应管的W/L的m倍，第七场效应管的W/L是第八场效应管的W/L的m倍，本实施例中，m＝1。

第二电阻109用于共源共栅结构的自偏置，产生共源共栅结构中共栅场效应管第三场效应管103和第四场效应管104的栅极电压。

本实施例中，由于P型低压电流镜的W/L相等，所以偏置电路产生的偏置电流等于第一电流I1，也等于第二电流I2，即I＝I1＝I2。

在本实施例中，第一电阻111的阻值为R，于是第一场效应管101的栅源电压Vgs1与第二场效应管102的栅源电压Vgs2的关系为：

Vgs1＝Vgs2+I2×R(1)

结合场效应管的模型方程，可以求得：

$I_1=\frac{2}{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}{(W/L)}_{101}}\frac{1}{R^2}{(1-\frac{1}{\sqrt{K}})}^2---\left(2\right)$

从以上(2)可以看出，偏置电路产生的偏置电流I＝I1与电源电压没有关系，然而，由于在此没有考虑器件的一些二次效应，所以在常用的偏置电路中，实测偏置电流与(2)式所示值偏离较大。本发明考虑到了这些二次效应，引入了共栅管第三场效应管103和第四场效应管104构成共源共栅结构，降低器件的沟道调整效应的影响；将第一场效应管101和第二场效应管102的源极都接地，消除了体效应。从而，使得本发明公布的偏置电路产生的偏置电流与理论值消除较小，具有更高的稳定性。

【第二实施例】

其中附图6所示为本发明的另一个具体的实施例。

在本实施例中，第一场效应管101、第二场效应管102、第三场效应管103、第四场效应管104均为P型场效应管(FET)。其中第二场效应管102的宽长比(W/L)为第一场效应管101的K倍。第三场效应管的W/L是第四场效应管的W/L的m倍，本实施例中，m＝4。

在本实施例中，第五场效应管105、第六场效应管106、第七场效应管107、第八场效应管108均为N型场效应管(FET)，四个场效应管一起构成P型低压电流镜，第三电阻110用于电流镜的自偏置，产生第七场效应管107与第八场效应管108的栅极电压。第五场效应管的W/L是第六场效应管的W/L的m倍，第七场效应管的W/L是第八场效应管的W/L的m倍，本实施例中，m＝4。

第二电阻109用于共源共栅结构的自偏置，产生共源共栅结构中共栅场效应管第三场效应管103和第四场效应管104的栅极电压。

本实施例中，由于N型低压电流镜的W/L的比例为4，所以偏置电路产生的偏置电流等于第一电流I1，等于4倍的第二电流4×I2，即I＝I1＝4×I2。

$I=I_1=\frac{8}{{\mathrm{\μ}}_p{C}_{\mathrm{ox}}{(W/L)}_{101}}\frac{1}{R^2}{(2-\frac{1}{\sqrt{K}})}^2---\left(3\right)$

从以上(3)可以看出，偏置电路产生的偏置电流I＝I1与电源电压没有关系，x与第一实施例的理论结果(2)式相比，在第一场效应管μCox(W/L)₁₀₁的相同的条件下，第二实施例产生的偏置电流更大。由于电流镜采用一定的比例，相应的可以适当的缩小第二场效应管102与第一场效应管101的比例K。

Claims (3)

1.一种与电源无关的偏置电路由四个场效应管、两个电阻和一个电流镜构成，其特征是：

四个场效应管均为半导体有源元件，具有相同的沟道类型；

第一场效应管和第二场效应管的源极连接至电源一端，第一场效应管的宽长比至少为第二场效应管的四倍；

第三场效应管源极连接第一场效应管漏极；

第四场效应管源极连接第二场效应管漏极，其栅极连接第三场效应管栅极；

第一电阻的第一端连接至第三场效应管漏极以及第二场效应管栅极，第一电阻的第二端连接至第一场效应管栅极；

第二电阻的第一端连接至第一电阻的第二端以及第一场效应管栅极，第二电阻的第二端连接至第三场效应管栅极以及第四场效应管栅极；

第一电流镜由与第一、第二、第三、第四场效应管沟道类型相反的场效应管构成，其参考电流输入端连接第四场效应管漏极，其复制电流输出端连接至第二电阻第二端，其电源输入端连接至电源另一端。

2.如权利要求1所述一种与电源无关的偏置电路，其特征在于，所述第一电流镜为低压共源共栅电流镜。

3.如权利要求2所述一种与电源无关的偏置电路，其特征在于，所述低压共源共栅电流镜由四个场效应管和一个电阻构成，其特征是：

第五场效应管和第六场效应管的源极连接至所述共源共栅电流镜电源输入端，第五场效应管和第六场效应管的栅极连接在一起；

第七场效应管源极接第五场效应管漏极，其漏极连接至所述共源共栅电流镜的复制电路输出端；

第八场效应管源极接第六场效应管漏极；其栅极与第七场效应管栅极连在一起；

第三电阻的第一端连接第七、第八场效应管的栅极以及所述共源共栅电流镜的参考电流输入端，第三电阻的第二端连接第八场效应管的漏极以及第五、第六场效应管的栅极。