CN106527571A - 偏压电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种偏压电路，包含电压产生器及运算放大器。电压产生器包含第一晶体管、第一电阻、第二电阻及电流镜电路。第一晶体管的第一端耦接至电压供应端，第一电阻的第一端耦接至第一晶体管的第二端。第二电阻的第一端耦接至第一晶体管的第二端。电流镜电路的第一端耦接至第一电阻的第二端以在电流镜电路的第一端与接地端之间产生第一电流，且电流镜电路的第二端耦接至第二电阻的第二端以在电流镜电路的第二端与接地端之间产生第二电流。运算放大器依据电流镜电路的第二端的电压电平及电流镜电路的第一端的电压电平提供控制电压至第一晶体管的控制端。
Description
技术领域
本发明是有关于一种偏压电路。
背景技术
现有的偏压电路广泛地应用于集成电路中，其典型的应用，是用以提供一参考电压。此参考电压较外界电源供应的电压更为准确，并且其受温度变化及电源供应的变异的影响也小。偏压电路通常使用一正温度系数的电路补偿一负温度系数的电路来产生实质上不受温度变化影响的参考电压。然而，如果正温度系数的电路与负温度系数的电路不对称，则无法消除温度的影响而不能产生实质上不受温度变化影响的参考电压。另外，通常会使用CMOS的组合来实施参考电路，也就是必须要使用P型晶体管和N型晶体管来实施。然而在高电子移动率晶体管(High-electron-mobility transistor，HEMT)制程的限制下，有需要提供一种只使用N型晶体管的偏压电路。
发明内容
根据本发明的一实施例，提供一种偏压电路。偏压电路包含一电压产生器及一运算放大器。电压产生器包含一第一晶体管、一第一电阻及一第二电阻、及一电流镜电路。第一晶体管的一第一端耦接至一电压供应端，第一电阻的一第一端耦接至第一晶体管的一第二端。第二电阻的一第一端耦接至第一晶体管的一第二端。电流镜电路的一第一端耦接至第一电阻的一第二端以在电流镜电路的第一端与一接地端之间产生一第一电流，且电流镜电路的一第二端耦接至第二电阻的第二端以在电流镜电路的第二端与接地端之间产生一第二电流。运算放大器用以依据电流镜电路的第二端的电压电平及电流镜电路的第一端的电压电平提供一控制电压至第一晶体管的一控制端。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1绘示依据本发明第一实施例的一偏压电路的示意图。
图2绘示依据本发明第一实施例的一偏压电路的电路图。
图3绘示依据本发明第二实施例的一偏压电路的示意图。
图4绘示依据本发明第二实施例的一偏压电路的电路图。
其中，附图标记：
100、200、300、400：偏压电路
110：电压产生器
112、212、334、434：电流镜电路
120、220：运算放大器
330：共模反馈电路
332、432：控制电路
Q1～Q12：晶体管
VDD、VIN、VOUT、N1、N2、N3、N4、N5、N6Vin1、Vin2、Vout1：端点
Vc：控制电压
Vref：参考电压
I1～I5：电流
R1～R9：电阻
具体实施方式
图1绘示依据本发明第一实施例的一偏压电路100的示意图。偏压电路100包含一电压产生器110及一运算放大器120。偏压电路100具有一输入端VIN及一输出端VOUT，输入端VIN接至一电压供应端VDD，输出端VOUT于端点N1提供一输出电压。电压产生器110包含一晶体管Q1、电阻R1～R2、及一电流镜电路112。晶体管Q1的一第一端耦接至一电压供应端VDD，晶体管Q1的一第二端耦接至电阻R1的一第一端以及电阻R2的一第一端，晶体管Q1的一控制端耦接至运算放大器120的输出端Vout1以接收一控制电压Vc。晶体管Q1用以提供电流到电流镜电路112。电流镜电路112的一第一端耦接至电阻R1的一第二端(端点N1)以在电流镜电路112的第一端与一接地端之间产生一电流I1，且电流镜电路112的一第二端耦接至电阻R2的第二端(端点N2)以在电流镜电路112的第二端与接地端之间产生一电流I2。电流I1与电流I2实质上相同。在本发明中，运算放大器120的输入端接收电流镜电路112的第二端(端点N2)的电压电平及电流镜电路112的第一端(端点N1)的电压电平，并在输出端Vout1提供控制电压Vc至晶体管Q1的一控制端。在一实施例中，晶体管Q1为一N型金氧半晶体管，晶体管Q1的第一端为漏极端，晶体管Q1的第二端为源极端，晶体管Q1的控制端为栅极端。
在此实施例中，晶体管Q1、电阻R1～R2及运算放大器120形成提供负反馈的一回路以决定晶体管Q1的源极端的电压电平。举例来说，当端点N2的电压电平与端点N1的电压电平不相同时，例如端点N2的电压电平高于端点N1的电压电平，运算放大器120的输出端Vout1的电压电平(即控制电压Vc)会增加。此时，由于控制电压Vc的电压电平增加了，也就是晶体管Q1的栅极端的电压电平增加了，流经晶体管Q1的电流也会增加以使晶体管Q1的源极端的电压电平降低，因此端点N2的电压电平也会随之降低。因此，运算放大器120可调整晶体管Q1的栅极端的电压电平以使端点N1的电压电平接近端点N2的电压电平。在此实施例中，电压供应端VDD的电压电平例如为1.8V，晶体管Q1的栅极端的电压电平例如为1.4V，晶体管Q1的源极端的电压电平例如为1.2V。
以下兹举一例以详细说明本发明的偏压电路的操作。图2绘示依据本发明第一实施例的一偏压电路200的电路图。在此实施例中，偏压电路200包含一电流镜电路212。电流镜电路212包含晶体管Q2～Q3及一电阻R3。晶体管Q2的一第一端耦接至电阻R1的第二端(端点N1)以及晶体管Q2的一控制端，晶体管Q2的一第二端耦接至接地端。晶体管Q2为导通并产生电流I1。晶体管Q3的一第一端耦接至电阻R2的第二端(端点N2)，晶体管Q3的一第二端耦接至电阻R3，晶体管Q3的一控制端耦接至晶体管Q2的一控制端。电阻R3耦接在晶体管Q3的一第二端以及接地端之间。晶体管Q3为导通并产生电流I2。然而，本发明不以此为限，在其他实施例中，可以其他元件的组合来实施电流镜电路212。
在此实施例中，因为电阻R3的跨压为ΔVgs为正温度系数的电压，故流经电阻R3的电流I2(即流经晶体管Q3的电流I2)为ΔVgs/R3，是与绝对温度成正比(proportional toabsolute temperature，PTAT)的电流。而因为晶体管Q1的Vgs为负温度系数的电压，故流经晶体管Q1的电流I1为与绝对温度互补(complementary to absolute temperature，CTAT)的电流。在此实施例中，因为流经晶体管Q2的电流I1与流经晶体管Q3的电流I2为相同，因此流经晶体管Q2与绝对温度互补(CTAT)的电流和流经电阻R3与晶体管Q3与绝对温度成正比(PTAT)的电流可互相补偿，而可在晶体管Q1的源极端提供与温度无关、与温度独立或者不受温度影响的电压。
在此实施例中，晶体管Q2及Q3为一N型金氧半晶体管，晶体管Q2及Q3的第一端为漏极端，晶体管Q2及Q3的第二端为源极端，晶体管Q2及Q3的控制端为栅极端。且由于晶体管Q2的栅极端耦接至晶体管Q2的栅极端(即Vgs相同)，电流I2与电流I1实质上相同。
在此实施例中，偏压电路200更包含一运算放大器220，运算放大器220包含晶体管Q4～Q5及一电阻R4。晶体管Q4的一第一端耦接至晶体管Q1的控制端，晶体管Q4的一控制端耦接至电流镜电路212的第二端(即端点N2)，晶体管Q4的一第二端耦接至电阻R4的一第一端。晶体管Q5的一第一端耦接至电压供应端VDD，晶体管Q5的一第二端耦接至晶体管Q4的一第二端以及电阻R4的第一端，晶体管Q5的一控制端耦接至电流镜电路212的第一端(即端点N1)。电阻R4耦接在晶体管Q4的第二端与接地端之间。在此实施例中，晶体管Q4及Q5为一N型金氧半晶体管，晶体管Q4及Q5的第一端为漏极端，晶体管Q4及Q5的第二端为源极端，晶体管Q4及Q5的控制端为栅极端。然而，本发明不以此为限，在其他实施例中，可以其他元件的组合来实施运算放大器220。
在此实施例中，晶体管Q1、电阻R1～R2及运算放大器220(晶体管Q4～Q5及电阻R4)形成提供负反馈的一回路以决定晶体管Q1的源极端的电压电平。举例来说，当端点N2的电压电平与端点N1的电压电平不相同时，例如端点N2的电压电平高于端点N1的电压电平，也就是当晶体管Q4的栅极端的电压电平高于晶体管Q5的栅极端的电压电平时，流经晶体管Q4的电流会高于流经晶体管Q5的电流以使晶体管Q4的漏极端的电压电平高于晶体管Q5的漏极端的电压电平。又因为晶体管Q4的漏极端(即端点N3)的电压电平增加了，也就是晶体管Q1的栅极端的电压电平增加了，流经晶体管Q1的电流也会增加以使晶体管Q1的源极端的电压电平降低，因此端点N2的电压电平也会随之降低。因此，运算放大器220可调整晶体管Q1的栅极端的电压电平以使端点N1的电压电平接近端点N2的电压电平。在此实施例中，电压供应端VDD的电压电平例如为1.8V，晶体管Q1的栅极端的电压电平例如为1.4V，晶体管Q1的源极端的电压电平例如为1.2V。
在一实施例中，运算放大器220更可包含电阻R5～R8。电阻R5的一第一端耦接至电压供应端VDD，电阻R5的一第二端耦接至电阻R7的一第一端。电阻R6的一第一端耦接至电压供应端VDD，电阻R6的一第二端耦接至电阻R8的一第一端。电阻R7的一第二端耦接至晶体管Q4的第一端。电阻R8的一第二端耦接至晶体管Q5的一第一端。本领域具有通常知识者可视实际应用调整电阻R4～R8的电阻值以决定端点N3的电压电平以及流经晶体管Q4～Q5的电流。
然而，当电压供应端VDD的电压电平由1.8V增加到2.8V时，由于运算放大器220提供负反馈的控制电压(端点N3的电压电平)至晶体管Q1的栅极端，晶体管Q1的栅极端的电压电平保持在约1.4V的电平，且晶体管Q1的源极端的电压电平保持在固定的电平(约1.2V)。并且，在电压供应端VDD的电压电平由1.8V增加到2.8V的情况下，又因为晶体管Q1的栅极端的电压电平必须保持在约1.4V，所以流经晶体管Q4的电压电平的电流会增加，会不同于(也就是大于)流经晶体管Q5的电压电平的电流。也就是说，晶体管Q4的栅极端的电压电平会与晶体管Q5的栅极端的电压电平不相同，因此电阻R1的跨压与电阻R2的跨压为不相同，导致流经晶体管Q2的电流I1与流经晶体管Q2的电流I2为不相同。如果流经晶体管Q2的电流I1与流经晶体管Q3的电流I2为不相同，则流经电阻R3与晶体管Q3与绝对温度成正比(PTAT)的电流和流经晶体管Q2与绝对温度互补(CTAT)的电流在互补偿之后仍无法消除温度的影响，而无法提供与温度无关、与温度独立或者不受温度影响的电压。
因此，在本发明中，更提供一共模反馈电路以控制晶体管Q1的栅极端的电压电平、流经晶体管Q4的电流以及流经晶体管Q5的电流。
图3绘示依据本发明第二实施例的一偏压电路300的示意图。图3的偏压电路300与图2的偏压电路200的区别在于，偏压电路更包含一共模反馈电路330。共模反馈电路330包含一控制电路332及一电流镜电路334。在此实施例中，控制电路332依据电阻R7的第一端(端点N5)的电压电平、电阻R8的第一端(端点N6)的电压电平、及电压供应端VDD的电压电平提供一参考电压Vref。电流镜电路334的一第一端接收控制电路332提供的参考电压Vref以在电流镜电路334的第一端与接地端之间产生一电流I3，电流镜电路334依据参考电压Vref决定电流I3的大小。电流镜电路334的一第二端耦接至电阻R7的第二端(端点N3)以在电流镜电路334的第二端与接地端之间产生一电流I4，且电流镜电路334的一第三端耦接至电阻R8的第二端(端点N4)以在电流镜电路334的第三端与接地端之间产生一电流I5。电流镜电路334依据参考电压Vref产生电流I4及电流I5，电流I4与电流I5实质上相同。
因此，在此实施例中，共模反馈电路330和电阻R7～R8形成提供共模反馈的一回路以控制晶体管Q3的栅极端(即端点N3)的电压电平。举例来说，当电压供应端VDD的电压电平由1.8V增加到2.8V时，端点N5和端点N6的电压电平也由1.5V增加到2.5V，也就是说，控制电路332所接收的端点N5的电压电平、端点N6的电压电平、及电压供应端VDD的电压电平都增加了，则控制电路332提供的参考电压Vref的电压电平也会增加。由于控制电路332提供的参考电压Vref的电压电平增加了，电流镜电路334依据参考电压Vref所产生的电流I4及电流I5也因此增加了。又因为从端点N3及端点N4流出的电流I4及电流I5增加了，因此端点N3及端点N4的电压电平会下降，也因此端点N3的电压电平可保持在一固定的电压电平，例如1.4V。另一方面，因为有电流I4及电流I5分别从端点N3及N4流入电流镜电路334，流经晶体管Q4的电压电平的电流不会增加。并且，端点N3及N4的电压电平也会接近，流经晶体管Q4的电压电平的电流也会相近于流经晶体管Q5的电压电平的电流，因此仍可提供与温度无关、与温度独立或者不受温度影响的电压。
图4绘示依据本发明第二实施例的一偏压电路400的电路图。在此实施例中，偏压电路400包含一共模反馈电路，共模反馈电路包含一控制电路432及一电流镜电路434。电流镜电路434包含晶体管Q6～Q8及一电阻R9。晶体管Q6的一第一端耦接至晶体管Q6的一控制端，晶体管Q6的一第二端耦接至电阻R9。晶体管Q6为导通并依据参考电压Vref产生电流I3。晶体管Q7的一第一端耦接至电阻R7的第二端(即端点N3)，晶体管Q7的一第二端端耦接至接地端，且晶体管Q7的一控制端耦接至晶体管Q6的一控制端。晶体管Q7为导通并依据参考电压Vref产生电流I4。晶体管Q8的一第一端耦接至电阻R8的第二端(即端点N4)，晶体管Q8的一第二端端耦接至接地端，且晶体管Q8的一控制端耦接至晶体管Q6的控制端。晶体管Q8为导通并依据参考电压Vref产生电流I5。因为晶体管Q7的栅极端的电压电平与晶体管Q8的栅极端的电压电平相同(又等于参考电压Vref)，电流I4与电流I5实质上相同。电阻R9耦接在晶体管Q6的一第二端以及接地端之间。在此实施例中，晶体管Q6～Q8为一N型金氧半晶体管，晶体管Q6～Q8的第一端为漏极端，晶体管Q6～Q8的第二端为源极端，晶体管Q6～Q8的控制端为栅极端。然而，本发明不以此为限，在其他实施例中，可以其他元件的组合来实施电流镜电路434。
在此实施例中，控制电路432包含晶体管Q9～Q10。晶体管Q9和晶体管Q10耦接在电压供应端VDD与电流镜电路434之间。晶体管Q9的一控制端耦接至电阻R7的第一端(即端点N5)。晶体管Q10的一控制端耦接至电阻R8的第一端(即端点N6)。然而，本发明不以此为限，在其他实施例中，可以其他元件的组合来实施控制电路432。
在一实施例中，控制电路432更包含晶体管Q11。晶体管Q11的一第一端耦接至晶体管Q11的一控制端，晶体管Q11的一第二端耦接至晶体管Q9的第一端以及晶体管Q10的第一端。
在一实施例中，控制电路432更包含晶体管Q12。晶体管Q12的一第一端耦接至电压供应端VDD，晶体管Q12的一第二端耦接至晶体管Q11的第一端，晶体管Q12的一控制端耦接至晶体管Q12的第一端。
在此实施例中，晶体管Q9～Q12为一N型金氧半晶体管，晶体管Q9～Q12的第一端为漏极端，晶体管Q9～Q12的第二端为源极端，晶体管Q9～Q12的控制端为栅极端。
在此实施例中，共模反馈电路330(即晶体管Q6～Q10及电阻R9)和电阻R7～R8形成提供共模反馈的一回路以控制晶体管Q3的栅极端(即端点N3)的电压电平。举例来说，当电压供应端VDD的电压电平由1.8V增加到2.8V时，端点N5和端点N6的电压电平也由1.5V增加到2.5V，也就是说，晶体管Q9的栅极端的电压电平、晶体管Q10的栅极端的电压电平都增加了。并且因为电压供应端VDD的电压电平增加了，晶体管Q9的漏极端的电压电平和晶体管Q10的漏极端的电压电平也增加了。因此流经晶体管Q9的电流和流经晶体管Q10的电流也会随之增加，使得晶体管Q9的源极端的电压电平和晶体管Q10的源极端(即参考电压Vref)的电压电平也会增加。由于控制电路332提供的参考电压Vref的电压电平(即晶体管Q6～Q8的栅极端的电压电平)增加了，也就是说晶体管Q7和晶体管Q8的Vgs增加了，电流镜电路334产生的电流I4及电流I5也因此增加了。又因为从端点N3及端点N4流出的电流I4及电流I5增加了，因此端点N3及端点N4的电压电平会下降，故端点N3的电压电平可保持在一固定电压电平，例如1.4V。另一方面，因为有电流I4及电流I5分别从端点N3及N4流入电流镜电路334，流经晶体管Q4的电压电平的电流不会增加。并且，端点N3及N4的电压电平也会接近，流经晶体管Q4的电压电平的电流也会相近于流经晶体管Q5的电压电平的电流，因此仍可提供与温度无关、与温度独立或者不受温度影响的电压。
在一实施例中，偏压电路400全部的晶体管Q1～Q12都以N型高电子移动率晶体管(High-electron-mobility transistor，HEMT)来实施，可在高电子移动率晶体管的制程限制下，不需要使用高电子移动率晶体管仍可提供与温度无关、与温度独立或者不受温度影响的电压。
根据上述实施例，提供了多种偏压电路。本发明的偏压电路包含一运算放大器藉由检测电流镜电路的两端点的电压电平提供负反馈的控制电压至晶体管Q1的栅极端而能可控制晶体管Q1的源极端的电压电平，并且使电流镜电路的两路电流互相补偿而使晶体管Q1的源极端的电压电平为与温度无关、与温度独立或者不受温度影响的电压电平。并且，本发明更可在制程的限制下，全部使用N型晶体管取代P型晶体管来实施一偏压电路。
综上所述，虽然本发明已以多个实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。
Claims (9)
1.一种偏压电路，其特征在于，包含：
一电压产生器，包含：
一第一晶体管，其中该第一晶体管的一第一端耦接至一电压供应端；
一第一电阻，该第一电阻的一第一端耦接至该第一晶体管的一第二端；
一第二电阻，该第二电阻的一第一端耦接至该第一晶体管的该第二端；及
一第一电流镜电路，其中该第一电流镜电路的一第一端耦接至该第一电阻的一第二端以在该第一电流镜电路的该第一端与一接地端之间产生一第一电流，且该第一电流镜电路的一第二端耦接至该第二电阻的该第二端以在该第一电流镜电路的该第二端与该接地端之间产生一第二电流；以及
一运算放大器，用以依据该第一电流镜电路的该第二端的电压电平及该第一电流镜电路的该第一端的电压电平提供一控制电压至该第一晶体管的一控制端。
2.根据权利要求1所述的偏压电路，其特征在于，该第一电流镜电路包含：
一第二晶体管，用以产生该第一电流，其中该第二晶体管的一第一端耦接至该第一电阻的该第二端以及该第一晶体管的一控制端，该第二晶体管的一第二端耦接至该接地端；
一第三晶体管，用以产生该第二电流，其中该第三晶体管的一第一端耦接至该第二电阻的该第二端，该第三晶体管的一控制端耦接至该第二晶体管的一控制端；以及
一第三电阻，耦接在该第三晶体管的一第二端以及该接地端之间。
3.根据权利要求1所述的偏压电路，其特征在于，该运算放大器包含：
一第四晶体管，其中该第四晶体管的一第一端耦接至该第一晶体管的该控制端，该第四晶体管的一控制端耦接至该第一电流镜电路的该第二端；
一第五晶体管，其中该第五晶体管的一第二端耦接至该第四晶体管的一第二端，该第五晶体管的一控制端耦接至该第一电流镜电路的该第一端；以及
一第四电阻，耦接在该第四晶体管的该第二端与该接地端之间。
4.根据权利要求3所述的偏压电路，其特征在于，该运算放大器更包含：
一第五电阻，其中该第五电阻的一第一端耦接至该电压供应端；
一第六电阻，其中该第六电阻的一第一端耦接至该电压供应端；
一第七电阻，其中该第七电阻的一第一端耦接至该第五电阻的一第二端，该第七电阻的一第二端耦接至该第四晶体管的该第一端；以及
一第八电阻，其中该第八电阻的一第一端耦接至该第六电阻的一第二端，该第八电阻的一第二端耦接至该第五晶体管的一第一端。
5.根据权利要求4所述的偏压电路，其特征在于，更包含：
一共模反馈电路，包含：
一控制电路，用以依据该第七电阻的该第一端的电压电平、该第八电阻的该第一端的电压电平、及该电压供应端的电压电平提供一参考电压；以及
一第二电流镜电路，其中该第二电流镜电路的一第一端接收该控制电路提供的该参考电压以在该第二电流镜电路的该第一端与该接地端之间产生一第三电流，该第二电流镜电路的一第二端耦接至该第七电阻的该第二端以在该第二电流镜电路的该第二端与该接地端之间产生一第四电流，且该第二电流镜电路的一第三端耦接至该第八电阻的该第二端以在该第二电流镜电路的该第三端与该接地端之间产生一第五电流。
6.根据权利要求5所述的偏压电路，其特征在于，该第二电流镜电路包含：
一第六晶体管，用以产生该第三电流，其中该第六晶体管的一第一端耦接至该第六晶体管的一控制端；
一第七晶体管，用以产生该第四电流，其中该第七晶体管的一第一端耦接至该第七电阻的该第二端，该第七晶体管的一第二端端耦接至该接地端，且该第七晶体管的一控制端耦接至该第六晶体管的一控制端；
一第八晶体管，用以产生该第五电流，其中该第八晶体管的一第一端耦接至该第八电阻的该第二端，该第八晶体管的一第二端端耦接至该接地端，且该第八晶体管的一控制端耦接至该第六晶体管的该控制端；以及
一第九电阻，耦接在该第六晶体管的一第二端以及该接地端之间。
7.根据权利要求5所述的偏压电路，其特征在于，该控制电路包含：
一第九晶体管，其中该第九晶体管的一控制端耦接至该第七电阻的该第一端；以及
一第十晶体管，其中该第十晶体管的一控制端耦接至该第八电阻的该第一端；
其中该第九晶体管耦接在该电压供应端与该第二电流镜电路之间，该第十晶体管耦接在该电压供应端与该第二电流镜电路之间。
8.根据权利要求7所述的偏压电路，其特征在于，该控制电路包含：
一第十一晶体管，其中该第十一晶体管的一第一端耦接至该第十一晶体管的一控制端，该第十一晶体管的一第二端耦接至该第九晶体管的一第一端以及该第十晶体管的一第一端。
9.根据权利要求8所述的偏压电路，其特征在于，该共模反馈电路更包含：
一第十二晶体管，其中该十二晶体管的一第一端耦接至该电压供应端，该十二晶体管的一第二端耦接至该第十一晶体管的该第一端，该第十二晶体管的一控制端耦接至该第十二晶体管的该第一端。
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