CN103365327A - 一种将输入偏置电流减小到微微安级的电路 - Google Patents

Abstract

一种将输入偏置电流减小到微微安级的电路，用于运算放大器，比较器，或有共模输入电压的线性集成电路中。该电路包括一个具有跟随作用的三极管，该三极管不受上述集成电路中有无漏电流的影响。即使在较高温度下，如温度为125℃，漏电流较大时，该三极管仍可正常工作。

Description

一种将输入偏置电流减小到微微安级的电路

技术领域：

本发明涉及一种将输入偏置电流减小到微微安级的电路，用于在运算放大器，比较器，或有共模输入电压的线性集成电路中。

背景技术：

在实际应用中，多集电极三极管Q7和Q8的基极会出现漏电流(外延隔离的漏电流用电流源I17和电流源I18表示)，上述漏电流可以达到几十个纳安在温度升高到125℃时，多集电极PNP三极管Q7的集电极电流将不能准确跟随跟随三极管Q3的基极电流，多集电极PNP三极管Q8的集电极电流将不能准确跟随跟随三极管Q4的基极电流，也就不能准确消除与其相连的输入级三极管的基极电流。然而，当电路中基极电流为纳安级时，多集电极三极管Q7和Q8的漏电流可以忽略，该电路的消除基极电流的功能便可实现。

尽管在基极电流为纳安级时，产生的纳安级的漏电流可以忽略，但当基极电流为微微安级时，上述漏电流则不能被忽略，该电路的消除基极电流的功能不能完全实现。消除偏置电流的原理在美国4068254号专利和乔治.埃尔迪于1972年发表的一篇题为《具有低噪声，低温漂，低偏置电流的运算放大器》的文章中均有提及。上述电路只能将偏置电流减小到纳安级，不能减小到微微安级。

由于现有电路在消除偏置电流方面没有考虑共模电压波动的干扰，故当出现共模电压干扰时，上述电路可能无法正常工作。

发明内容：

本发明的目的是提供一种将输入偏置电流减小到微微安级的电路，用于在运算放大器，比较器，或有共模输入电压的线性集成电路中。

本发明的技术解决方案是：

一种将输入偏置电流减小到微微安级的电路，用于在运算放大器，比较器，或有共模输入电压的线性集成电路中。在上述线性集成电路中常通过消除输入偏置电流的方法来减小偏置电流，本发明电路可承受较高的温度(125℃)。本发明电路的特点是：当有共模输入电压时，上述电路仍可正常工作。上述电路不受电路中有无漏电流的影响，可将偏置电流减小到微微安级。上述电路将偏置电流减小到微微安级，并不会对交流运算放大器的正常工作，上述电路可以在晶圆片测试阶段调整输入偏置电流。本发明电路可将两个输入级三极管的基极偏置电流减少到微微安级，本发明电路包括一个与输入级三极管具有相同增益特性的跟随三极管。本发明电路包括第一个电路，第一个电路对跟随三极管和输入级三极管的作用是：在忽略共模输入电压影响的情况下产生相同的电流分别流入跟随三极管的集电极和输入级三极管的集电极。使跟随三极管的基极电流和上述输入级三极管的基极偏置电流相同。同时，本发明的第二个电路中含有多集电极三极管，各集电极分别连接到跟随三极管和输入级三极管的基极，为跟随三极管提供基极电流，同时将电流引入到输入级三级管的基极来消除基极偏置电流。第二个电路中引入到输入级三极管的基极电流与跟随三极管的基极电流相同，上述电流并不受电路中漏电流的影响。

本发明基本特征包括：第一个电路使跟随三极管饱和，跟随三极管能够迅速消除在三极管逐渐反偏过程中基极产生的电容，跟随三极管能迅速达到反偏状态，以此来保证电路能在交流条件下正常工作。第三个电路用来产生在100mv到200mv之间的上述输入级三极管的基集电压和跟随三极管的基集电压，并使上述跟随三极管的基集电压与输入级三极管的基集电压保持始终相等，减少漏电流对上述电路产生的影响。本发明电路还包括一个有电阻和齐纳二极管构成的网络，在晶圆片测试阶段，齐纳二极管可通过短路方式使电阻网路发生改变来调整跟随三极管的基极偏置电流，使电路能够精确消除输入级三极管基极偏置电流。

附图说明：

图1为现有消除偏置电流的电路示意图。

图2为本发明的将偏置电流减小到微微安级的电路示意图。

具体实施方式：

参照图2，在有共模输入电压(即在输入级三极管Q11和Q12的基极和V-间的电压)，本发明电路可消除具有高增益的输入级三极管Q11和Q12的基极偏置电流，上述电路包括一个和输入级三极管具有相同特性，尤其是电流增益相同的跟随三级管Q10。上述电路还包括用来产生确定电流流入三极管Q10，Q11和Q12的各自集电极的电路。最终使得，跟随三极管Q10的基极电流与个输入级三极管的基极电流相同。参照图2，跟随三极管10的发射极连接到共模电压端，并随共模电压做相应浮动。因此，流入上述三个三级管集电极的电流I也做相应浮动，并保持相同。

本发明电路包括电流转换网络14和16，一个多集电极PNP三极管Q14作为镜像电流源，反馈回路由多集电极PNP三极管Q13和跟随三极管Q10构成。数字18标注的电流源为电路提供足够的电流，在实际工作中，18处提供电流是I的8倍，尽管如图中所见只需三倍的电流I即可。电流转换网络14由NPN三极管Q20，和电阻网络R1和R2构成。电流转换网络16由NPN三极管Q21，Q22，和电阻网络R3，R4，R5和R6构成。

本发明电路包括用来产生三极管Q10，Q11和Q12的集电极和发射极组成的电路间的确定的电流。为了产生Q11基极和Q12基极确定电流，必须使三极管Q10的基极电流与上述电流相同。电流转换网络16从多集电极三极管Q14的基极获取上述电流。参照图2，多集电极三极管Q14作为镜像电流源，上述电流从Q14的集电极流出。因此，供电电流18处提供两倍电流I流入Q14的发射极。所有从Q14流出的电流I，除了可忽略的电流(4I/β)之外，流过电阻R_p和三极管Q10。此处忽略的电流将在后面阐述。在12标注的电路处，忽略上述电流后，仍可正常工作，从三极管Q10集电极流到发射极的电流仍为I。

从三极管Q10集电极流到发射极的电流I(除去三极管Q19基极可忽略的电流)流入三极管Q10，Q11和Q12发射极和Q20集电极连接的节点20。如图2所示，三极管Q10产生一倍的电流I，则两倍的电流I需由三极管Q11和Q12提供。图2电路只是本发明电路的一部份，图中电路用来产生相同的电流流过入及三级管Q11和Q12的集电极和发射极。由于Q11和Q12的放大倍数均为β，基极偏置电流应为I/β，同时，三极管Q10集电极流到发射极的电流也为I，基极偏置电流也应为I/β。

跟随三极管Q10的基极偏置电流I/β，使输入级三极管Q11和Q12的基极电流也为I/β，上述电流不受电路中漏电流的影响，能够准确消除输入级三极管的基极偏置电流I/β，即使输入级三极管的基极电流为微微安级。图2中的多集电极PNP三极管Q13，为便于制作，Q13的四个集电极A，B，C和D是互相对称的。

集电极D与Q13的基极相连。上述四个集电极具有相同的几何尺寸。

三极管Q13工作方式如下：参照附图2，Q13的发射极连接到节点22上，节点22与三极管Q14的集电极相连，通过电阻R_p连接到三极管Q10的集电极。如上所述，电流转换网络16从三极管Q14的基极获取电流I，三极管Q14的基极电流与集电极电流相同。当上述电流流入节点22时，总电流将流入三极管Q13的发射极，以此用较大的电流驱动三极管Q10的基极。三极管Q10的集电极将得到β倍的流入节点22的电流。由于反馈的作用，节点22的电流I，除去可忽略的电流4I/β，将流入三极管Q10的集电极。

三极管Q13的集电极C的电流I/β流入三极管Q10的基极，从集电极A，B和D流出的电流也为I/β，上述电流共同组成三极管发射极电流4I/β。参照图2，集电极A与输入级三极管Q11的基极相连，集电极B与输入级三极管Q12的基极相连，将电流I/β引入各自相连的基极。由于输入级三极管的基极偏置电流为I/β，故引入的电流能取代偏置电流。上述电流不受三极管Q13漏电流的影响，上述漏电流在图1中影响较大。三极管Q17在Q13基极产生的漏电流不会影响Q13集电极A，B和C的电流。上述漏电流在温度较高的情况下，如125℃时，在三极管Q10，Q11，和Q12的集电极和基极间会出现。上述漏电流可以通过将上述三极管的基集电压设为100mv到200mv间的方法来解决，使得三极管Q10的基集电压跟随三极管Q11和Q12的基集电压。

综上所述，本发明的首要特点是：本发明电路可以将输入级三极管Q11，Q12的基极偏置电流减少到微微安级，并不受电路中漏电流的影响。另一个特点是，当输入级三极管反偏时，三极管Q10进入饱和状态，三极管Q10饱和状态使得该电路可正常工作。三极管Q10的集电极电流为4微安，为获得2000至8000的电流增益，基极电流应为0.5至2纳安。在基极产生大约0.02pF的电容，电容连接在三级管Q13的集电极C和三极管Q10的基极间。在输入级三极管反偏时，上述电容将三极管Q10基极的电压上升速率限制在0.1v/每微秒。输入电压的速率为0.1V/每微秒。三极管Q10尽可能的获取Q20提供的3I电流，来增加Q10的基极电流，三极管Q11和Q12获得的电流将小于I，导致交流响应出现严重失真。

当三极管Q10出现反偏时，Q14产生的镜像电流将Q10的集电极电流大小限制在I，三级管Q10出现饱和状态，基极电流会增大迅速产生0.02pF的电容，从而上述电路出现的交流失真即使不会被消除，也会减至最小。

上述电路提供一种消除漏电流影响的方法，在较高温度，如125℃时，三极管Q11和Q12基集间产生的漏电流可通过将基集电压设为100mv到200mv间的方法来解决。在不考虑温度情况下，三极管Q10的基集电压跟随三极管Q11和Q12的基集电压，漏电流的影响被最小化，即使存在一定的漏电流，由于三个三极管的漏电流是相同的，故电路消除偏置电流的作用不受影响。三极管Q11和Q12的基集电压参照图2，遵循以下公式：

V_CBQ11＝V_BEQ19+V_BEQ9-V_BEQ15-V_BEQ11                (1)

V_BE表示基射电压。

由于流过Q19和Q9的电流为5I，流过Q11和Q15的电流为I，Q11为高增益三极管，其基射电压较低，基集电压在100mv到200mv间。

Q10的基集电压遵循以下公式：

V_CBQ10＝V_BEQ19+V_BEQ9-V_BEQ18-V_BEQ17+V_BEQ13-V_BEQ10-IR_p      (2)

由于Q15和Q17均为NPN三极管且工作电流为I，故

如上所述

。比较等式(1)和(2)得：

$V_{{\mathrm{CB}}_{Q}10}=V_{{\mathrm{CB}}_{Q}11}$ 当 $V_{{\mathrm{BEQ}}_{1}3}=V_{{\mathrm{BEQ}1}_8}+\mathrm{II}$ 时             (3)

三极管Q10的基集电压跟随三级管Q11，Q12的基集电压，在等式(3)保持不变的情况下(不随温度变化)。

由等式三可知：多集电极三极管Q13的基射电压等于高增益三极管基射电压与电阻R_p上的电压之和，因此不能准确的跟随温度变化。然而，Q13的工作电压是4I/β。如果放大倍数β较高，则

较低。同样，Q18是个高增益三极管，Q18的工作电流是I/β，如果放大倍数β较高，则

较低。电阻R_p上的电压与β成比例，补充

下降的电压，使得等式(3)保持不变。

本发明的另一特点是：由电阻网络R1至R6和齐纳二极管Z1和Z2组成的电流转换单元14和16。上述电路单元可在晶圆片测试阶段调整输入偏置电流。齐纳二极管Z1和Z2均可通过短路方式减少输入电流。当输入电流未被完全消除时，当电流流过这些器件时，齐纳二极管Z1和Z2均可被短路，通过电阻R1至R6的作用可获得六倍的上述电流。相反，当电流被消除的超过正常值时，Z1可被短路获得三倍的上述电流。当电路其他部分未能起到准确消除偏置电流的作用时，可通过将齐纳二极管Z1和Z2短路的方式来达到消除偏置电流的作用。当电阻R为4KΩ时，I为4微安，β为2000，-150皮安到+300皮安的输入偏置电流可被减少到+/-50皮安。调整的范围跟随电流增益，当β为4000时，上述所有指标减半。

上述特点可依据β的不同对电路做相应调整。

如上所述。通过电流转换网络14和16，电流I流入跟随三极管Q10的集电极和输入级三极管Q11和Q12的集电极。这样带来的好处是，流入输入级三极管集电极的电流无需和流入跟随三极管的电流一样，只需保持成给定比例即可。本发明电路的包含上述消除偏置电流的电路。流入到输入级三极管集电极的电流可以为0.5I，2I或其它给定值。并与流入跟随三极管Q10的集电极电流成比例。电流转换网路14和16可对上述电流做调整。例如，电流转换网路14可产生2I的电流，电流转换网路16可产生I的电流，

在上述条件下，将有0.5I的电流流入输入级三极管Q11和Q12的集电极。当转换网路14可产生2I的电流时，将有2I的电流流入输入级三极管Q11和Q12的集电极。

本发明电路标注12的部分，可在成比例的电流下工作，并不需要在上述提及的完全相同的电流下工作。需要修改与多集电极三极管Q13相连的电路。如上所述，当流入跟随三极管集电极的电流与流入输入级三级管集电极的电流相同时，它们的基极电流也相同。当上述集电极电流成比例时，上述基极电流也成比例。参照图2，为了消除输入级三极管的基极偏置电流，从三极管Q13集电极A和B流出的电流必须与从集电极C流出的电流成比例但不相等。图2中用虚线框标注的A′和B′用来实现上述电流调整，例如，当流进三级管Q11和Q12的集电极的电流是流入三极管Q10集电极的一半，则从三极管Q13集电极A和B流出的电流将减半。由于三极管Q10的发射极电压随共模输入电压浮动，上述各种电流比例不随共模输入电压的浮动而变化。即当有共模电压输入时，输入级三级管Q11和Q12的电流仍与跟随三极管Q10的集电极电流保持给定的比例。

Claims (9)

1.一种将输入偏置电流减小到微微安级的电路，其特征是：在NPN输入晶体管的基极减小输入偏置电流的电路，用于运算放大器，比较器，或具有共模输入电压的集成电路中，该电路包括：具有和上述的输入级三极管特性相同的NPN型跟随三极管。

2.根据权利要求1所述的一种将输入偏置电流减小到微微安级的电路，其特征是：第一个子电路对跟随三极管和输入级三极管的作用是：在忽略共模输入电压影响的情况下产生给定比例的电流分别流入跟随三极管的集电极和输入级三极管的集电极，上述输入级三级管和跟随三极管具有相同的集电极电流，使跟随三极管的基极电流和上述输入级三极管的基极偏置电流成给定的比例，以此补偿输入级三极管的基极偏置电流，该电路包括一个电阻网络和一个齐纳二极管，齐纳二极管通过短路方式来提供上述微调。

3.根据权利要求1所述的一种将输入偏置电流减小到微微安级的电路，其特征是：第二个子电路包括上述跟随三极管和输入级三极管，该电路用来提供跟随三极管基极的电流，同时为输入级三极管的基极提供与上述基极电流成给定比例的第二路电流，以此来消除输入级三极管的基极偏置电流，上述第二个电路中包括PNP三极管的一个集电极和上述跟随三极管构成的反馈回路，PNP三极管的该集电极与跟随三极管的基极相连为上述三极管提供基极电流，PNP三极管的第二个集电极与输入级三极管的基极相连用来提供上述第二路电流，以此使得跟随三极管的电流和第二路电流维持给定的比例不受电路中漏电流的影响。

4.根据权利要求2所述的一种将输入偏置电流减小到微微安级的电路，其特征是：上述PNP三极管的第一个集电极只与跟随三极管的基极直接相连，第二个集电极与输入及三极管的基极直接相连，给定的比例是指上述互相成比例的电流大小相等。

5.根据权利要求3所述的一种将输入偏置电流减小到微微安级的电路，其特征是：上述电路包括两个输入级三极管，上述输入级三极管和跟随三极管产生相同的电流流入输入级三极管的集电极和跟随三极管的集电极，上述多集电极的三极管中的第三个集电极与第二个输入级三极管的基极相连，以此来消除第二个输入级三极管的基极偏置电流。

6.根据权利要求3所述的一种将输入偏置电流减小到微微安级的电路，其特征是：第一个子电路含有的第一个电流源和三极管构成镜像电流源为跟随三极管集电极提供确定的电流，第二个电流源为每个输入级三极管的集电极提供确定的电流，跟随三极管的发射极和输入三极管的发射极连接到同一节点，上述第二个电流源与该节点相连，上述电流源输出的电流是该节点个支路电流的三倍，上述输入级三极管两倍的电流流入到该节点，该电路用来为输入级三极管集电极提供相同的电流，上述确定的电流从输入级三极管的集电极流到发射极。

7.根据权利要求1所述的一种将输入偏置电流减小到微微安级的电路，其特征是：第一个子电路包括：该电路是使跟随三极管饱和，使跟随三极管能够迅速消除在三极管逐渐反偏过程中基极产生的电容，跟随三极管能迅速达到反偏状态。

8.根据权利要求3所述的一种将输入偏置电流减小到微微安级的电路，其特征是：第三个子电路包括：该电路用来产生在100mv到200mv之间的上述输入级三极管的基极电压和跟随三极管的基极电压，并使上述跟随三极管的基极电压保持始终相等，具有抑制温漂的作用。

9.根据权利要求3所述的一种将输入偏置电流减小到微微安级的电路，其特征是：电路包括一个多集电极的PNP型三极管与上述跟随三极管构成反馈回路，PNP三极管的第一个集电极，第二个集电极和第三个集电极特性完全相同，上述第一个集电极与上述跟随三极管的基极相连，以此将从第一个集电极，第二个集电极和第三个集电极流出的电流限制在上述跟随三极管的基极电流，并与输入级三极管的基极电流相同，上述第二个集电极和第三个集电极各自与上述输入级三极管的基极相连，使得从第二个集电极和第三个集电极流出的电流取代输入级三极管各自的基极电流，上述电路的集电极均为PNP三极管的集电极，上述集电极与输入级三极管的基极相连。

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