CN110166011B - 基于自偏置跨导运算放大器的参考电路 - Google Patents

基于自偏置跨导运算放大器的参考电路 Download PDF

Info

Publication number
CN110166011B
CN110166011B CN201910107460.7A CN201910107460A CN110166011B CN 110166011 B CN110166011 B CN 110166011B CN 201910107460 A CN201910107460 A CN 201910107460A CN 110166011 B CN110166011 B CN 110166011B
Authority
CN
China
Prior art keywords
current
voltage
ota
input port
bias
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910107460.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110166011A (zh
Inventor
I·C·西卡尔
J·K·詹宁斯
D·柯林斯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xilinx Inc
Original Assignee
Xilinx Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xilinx Inc filed Critical Xilinx Inc
Publication of CN110166011A publication Critical patent/CN110166011A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110166011B publication Critical patent/CN110166011B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/45—Differential amplifiers
    • H03F3/45071—Differential amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/45076—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier
    • H03F3/45179—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier using MOSFET transistors as the active amplifying circuit
    • H03F3/45273—Mirror types
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00—Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02—Regulating voltage or current
    • G05F3/08—Regulating voltage or current wherein the variable is dc
    • G05F3/10—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/20—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
    • G05F3/26—Current mirrors
    • G05F3/262—Current mirrors using field-effect transistors only
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/30—Modifications of amplifiers to reduce influence of variations of temperature or supply voltage or other physical parameters
    • H03F1/301—Modifications of amplifiers to reduce influence of variations of temperature or supply voltage or other physical parameters in MOSFET amplifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/189—High-frequency amplifiers, e.g. radio frequency amplifiers
    • H03F3/19—High-frequency amplifiers, e.g. radio frequency amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/195—High-frequency amplifiers, e.g. radio frequency amplifiers with semiconductor devices only in integrated circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/45—Differential amplifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/45—Differential amplifiers
    • H03F3/45071—Differential amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/45076—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier
    • H03F3/45475—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier using IC blocks as the active amplifying circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
    • H03F2203/20—Indexing scheme relating to power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers
    • H03F2203/21—Indexing scheme relating to power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F2203/211—Indexing scheme relating to power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers with semiconductor devices only using a combination of several amplifiers
    • H03F2203/21148—An output signal of a power amplifier being controlled by controlling current signal, e.g. by controlled current mirror
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
    • H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
    • H03F2203/45031—Indexing scheme relating to differential amplifiers the differential amplifier amplifying transistors are compositions of multiple transistors
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
    • H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
    • H03F2203/45112—Indexing scheme relating to differential amplifiers the biasing of the differential amplifier being controlled from the input or the output signal
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
    • H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
    • H03F2203/45146—At least one op amp being added at the input of a dif amp
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
    • H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
    • H03F2203/45202—Indexing scheme relating to differential amplifiers the differential amplifier contains only resistors in the load
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
    • H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
    • H03F2203/45288—Differential amplifier with circuit arrangements to enhance the transconductance

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Control Of Electrical Variables (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

一种装置，所述装置包括：电压‑电流转换器电路，所述电压‑电流转换器电路包括跨导运算放大器OTA，所述电压‑电流转换器电路用于生成偏置电流，所述偏置电流与所述OTA的参考电压输入端口处的参考电压成比例；以及偏置电流反馈路径，所述偏置电流反馈路径用于向所述OTA的偏置电流输入端口提供所述偏置电流。所述装置还包括启动电流发生器电路，所述启动电流发生器电路耦接至所述OTA的所述偏置电流输入端口，所述启动电流发生器电路可被控制以在所述装置的启动期间向所述偏置电流输入端口提供启动电流并在所述装置启动之后被停用。

Description

基于自偏置跨导运算放大器的参考电路
技术领域
本申请大体涉及含有跨导运算放大器的参考电路。
背景技术
可使用电压-电流转换器(V2I)从参考电压生成偏置电流和电压。V2I的核心架构可包括负反馈环路，以使用跨导运算放大器(OTA)在电阻器上设置限定电流。然而，OTA使用其自身的偏置，其自身的偏置传统上是使用恒定跨导(constant-gm)偏置电路来产生的。这种类型的布置还使用复杂的独立启动电路。
发明内容
在一个示例中，本申请提供了包括自偏置跨导运算放大器(OTA)的第一装置。例如，所述装置包括：电压-电流转换器电路，所述电压-电流转换器电路具有跨导运算放大器(OTA)，所述电压-电流转换器电路用于生成偏置电流，所述偏置电流与所述OTA的参考电压输入端口处的参考电压成比例；以及偏置电流反馈路径，所述偏置电流反馈路径用于向所述OTA的偏置电流输入端口提供所述偏置电流。所述装置还可以包括启动电流发生器电路，所述启动电流发生器电路耦接至所述OTA的所述偏置电流输入端口。在一个示例中，所述启动电流发生器电路可被控制以在所述装置的启动期间向所述偏置电流输入端口提供启动电流并可被控制以在所述装置启动之后被停用。
在一个示例性装置中，所述电压-电流转换器电路还可包括第一p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOS)和电阻器。在一个示例中，所述OTA可包括参考电压输入端口、反馈电压输入端口和输出电压端口。在这样的示例中，所述装置还可包含耦接至所述OTA的所述输出电压端口的所述第一PMOS的栅极、耦接至所述装置的正电源的所述第一PMOS的源极、耦接至所述装置的接地端的所述电阻器的第一端以及在反馈网络中耦接至所述第一PMOS的漏极和所述OTA的所述反馈电压输入端口的所述电阻器的第二端。另外，所述启动电流发生器电路可由所述反馈网络的电压控制。
在一个示例中，所述偏置电流反馈路径可包括第二PMOS，所述第二PMOS具有耦接至所述OTA的所述输出电压端口的栅极、耦接至所述装置的所述正电源的源极以及耦接至所述OTA的所述偏置电流输入端口的漏极。另外，所述第一PMOS和所述第二PMOS可形成电流镜。在一个示例中，通过所述第二PMOS的漏极提供所述偏置电流。在一个示例中，所述偏置电流与通过所述第一PMOS的电流成正比。在一个示例中，所述反馈网络的电压基于通过所述第一PMOS的电流和所述电阻器的电阻。
在另一个示例中，本申请提供了包括自偏置跨导运算放大器OTA的第二装置。例如，所述装置包括跨导运算放大器(OTA)，所述跨导运算放大器具有参考电压输入端口、反馈电压输入端口、偏置电流输入端口以及输出电压端口。所述装置还可以包括：第一p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOS)，所述第一PMOS具有耦接至所述OTA的所述输出电压端口的栅极和耦接至正电源的源极；以及电阻器，所述电阻器具有耦接至接地端的第一端以及在反馈网络中耦接至所述第一PMOS的漏极并耦接至所述OTA的所述反馈电压输入端口的第二端。在一个示例中，所述装置还可以包括第二PMOS，所述第二PMOS具有耦接至所述OTA的所述输出电压端口的栅极、耦接至所述正电源的源极以及耦接至所述OTA的所述偏置电流输入端口的漏极。所述装置还可以包括启动电流发生器电路，所述启动电流发生器电路耦接至所述OTA的所述偏置电流输入端口。在一个示例中，所述启动电流发生器电路用于在所述反馈网络处的电压低于阈值电压时向所述偏置电流输入端口提供电流，并在所述反馈网络处的电压高于所述阈值电压时不向所述偏置电流输入端口提供电流。
在这些装置中的一个或多个装置中，所述启动电流发生器电路可包括与电阻器串联的开关。在另一个示例中，所述启动电流发生器电路可包括负载开关。在另一个示例中，所述启动电流发生器电路可包括与半导体二极管串联的开关。在又一个示例中，所述启动电流发生器电路可包括与电阻器串联的PMOS。另外，在一个示例中，所述启动电流发生器电路可耦接至所述装置的正电源。
在另一个示例中，本申请提供了一种用于提供启动电流的方法。例如，所述方法可包括向装置的电压-电流转换器电路的跨导运算放大器(OTA)的偏置电流输入端口提供启动电流。所述启动电流可在所述装置启动期间通过启动电流发生器电路提供。所述方法还可包括通过所述电压-电流转换器电路生成偏置电流，所述偏置电流与所述OTA的参考电压输入端口处的参考电压成比例；以及向所述OTA的偏置电流输入端口提供所述偏置电流。所述方法还包括在检测到所述电压-电流转换器电路的操作状态时，停用所述启动电流发生器电路以停止向所述OTA的所述偏置电流输入端口提供所述启动电流。
应当注意，尽管上面已经使用了术语“第一”、“第二”等，但是这些术语的使用仅作为标记。因此，在一个示例中使用诸如“第三”的术语不一定意味着该示例必须在每种情况下包括类似元素的“第一”和/或“第二”。换句话说，术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”的使用并不意味着对应于那些数值的那些元素的特定数目。
附图说明
附图示出了根据本申请一个或多个方面的示例性装置和方法；然而，附图不应被视为将本申请限制于所示的示例，附图应仅用于解释和理解。
图1示出了第一示例性电路或装置的框图；
图2示出了第二示例性电路或装置的框图；
图3示出了第三示例性电路或装置的框图；
图4示出了第四示例性电路或装置的框图；以及
图5示出了用于提供启动电流的示例性方法的流程图。
为了便于理解，在可能的情况下，使用相同的附图标记来表示附图中共有的相同元件。
具体实施方式
可使用电压-电流转换器(V2I)从参考电压生成偏置电流和电压。电压-电流转换器的核心架构可包括负反馈环路，以使用跨导运算放大器(OTA)在电阻器上设置限定电流。然而，OTA可使用其自身的偏置电流输入，其自身的偏置电流输入传统上可使用恒定跨导(constant-gm)偏置电路来产生。这种类型的布置还可能使用复杂的启动电路，这导致更大的装置面积和功耗。这种类型的电压-电流转换器还产生同时是晶体管和电阻器变化函数的电流。产生的偏置电流在工艺、电压和温度(PVT)上的变化高达±50％。
本申请的示例提供了电压-电流转换器装置或电路，其使用本申请所述的自偏置OTA和启动电流发生器电路。特别地，免除了对恒定跨导启动电路的需求。另外，提供启动电流发生器电路，与替代的电压-电流转换器实施方式中的启动电路相比，本申请的启动电流发生器电路使用明显更少的组件。在一个示例中，启动电流发生器电路在电压-电流转换器启动之前提供OTA偏置。在各种示例中，启动电流发生器电路包括负载开关、与电阻器串联的开关、与晶体二极管串联的开关或与电阻器串联的PMOS。在一个示例中，当电压-电流转换器启动时，输出特别是耦接至OTA的反馈电压输入端口的反馈网络开始上升。一旦反馈网络的电压上升到阈值电压以上，则启动电流发生器电路断开。此时，来自反馈至OTA的电压-电流转换器的输出电流使OTA自偏置。
由于消除了恒定跨导偏置电路和相关的启动电路，本申请的示例可以大大地节约面积和功耗。另外，本申请的示例提供的输出偏置电流可以减少高达三倍或更多的PVT变化。具体地，在电阻器上产生偏置电流，使得变化成为纯粹是电阻器扩展(resistorspread)的函数(例如，在PVT上的变化为±15％)。相比于在替代实施方式中看到的±50％的偏置电流变化，这提供了3.3倍的减少。下面结合图1-5的示例更详细地讨论本申请的这些和其他方面。
为了帮助理解本申请，在图1中描绘了本申请的示例性装置100。特别地，装置100可包括电路或集成电路的一部分，其被设计为提供一个或多个偏置电流(也称为参考电流)，该偏置电流与OTA的参考电压输入端口处的参考电压成比例。换句话说，装置100可包括片上系统(system-on-chip，SOC)设计中的较大电路的一部分。如图1所示，装置100包括电压-电流转换器电路105和启动电流发生器电路180。在一个示例中，电压-电流转换器电路105可在输入端口125处接收输入参考电压vref。输入端口125可耦接至跨导运算放大器(OTA)110的参考电压输入端口120。在图1的示例中，输出电压端口135处的OTA 110的输出电压与反馈电压输入端口115处的电压(例如，vfb)和参考电压输入端口120处的电压(例如，vref)之间的差相关。
在本示例中，输出电压端口处的电压vout可由公式1给出，其中(z)是与OTA 110的跨导(gm-ota)成比例的因子：
公式1：vout＝(vfb-vref)*z
应注意，差分OTA(比如OTA 110)可生成由等式2给出的电流iota：
公式2：iota＝(vfb-vref)*gm-ota
另外，用作差分电压放大器的OTA可将内部电阻器上的电流iota降低到接地，以按照公式3提供输出电压，其中(r)是放大器的输出电阻：
公式3：vout＝(vfb-vref)*gm-ota*r
因此，在一个示例中，(z)可等于OTA 110的跨导(gm-ota)乘以输出电阻(r)。
如图1所示，OTA 110的输出电压端口135耦接至第一p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOS)150的栅极。第一PMOS150的源极耦接至具有电压vdda的正电源195。当第一PMOS150的栅极上的电压为零时，PMOS的源极至栅极电压(vsg)为vdda。在本示例中，可选择电阻器170的电阻rbias，使得源极至漏极电压(vsd)供给PMOS150在线性区域中的运行。因此，电流iout可从第一PMOS150的源极流到漏极，这基于第一PMOS150在线性区域中运行的的参数。如图1所示，输出电流iout在电阻器170上下降到接地端199，以根据公式4(欧姆定律)在反馈网络165处提供反馈电压vfb：
公式4：vfb＝iout*rbias
在本示例中，反馈网络165耦接至第一PMOS150的漏极、电阻器170的第一端(其中电阻器170的第二端耦接至接地端199)以及反馈电压输入端口115。OTA 110和反馈网络165被布置为迫使vfb等于vref。例如，如果vref设置为2伏且vfb升高到2.2伏，则vout将根据上面的公式1上升。另外，由于PMOS150的栅极电压上升(同时PMOS在线性区域运行)，所以输出电流iout下降。随着iout的下降，vfb也会根据上面的公式4降低，从而降低了vfb和vref之间的差异。类似地，如果vfb降至1.8伏特，则vout根据上面的公式1将下降，使得iout并导致vfb都升高。因此，根据等式5，输出电流iout是输入参考电压vref和电阻器170的电阻rbias的函数：
公式5：iout＝vref/rbias
OTA 110还可包括耦接至正电源195的正电源端口140、耦接至接地端199的负电源端口145以及偏置电流输入端口130。在一个示例中，电压-电流转换器电路105还包括在反馈网络165(例如，自第一PMOS150的漏极)和OTA 110之间的稳定电容器175。在一个示例中，稳定电容器175耦接至输出端口135(然而，耦接可包括OTA 110的其他内部组件(未示出))。另外，由于根据本申请可使用具有各种内部设计的OTA，因此OTA110的具体内部结构在图1中被省略了。仅作为一个示例，OTA结构可基于n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOS)132。
在本示例中，通过偏置电流输入端口130来控制OTA 110的跨导。在其他实施方式中，使用恒定跨导电路提供OTA偏置电流。产生的偏置电流变化是恒定跨导电路内晶体管和电阻器变化的函数。这种类型的电路可能涉及较大的面积和功率要求，并可能导致偏置电流变化高达±50％。相反，本装置100使用电压-电流转换器电路105的输出来自偏置OTA110。例如，如图1所示，提供第二PMOS155，其具有耦接至输出电压端口135(以及至第一PMOS150的栅极)的栅极。第二PMOS155的源极耦接至正电源195(vdda)。第二PMOS155的漏极耦接至OTA 110的偏置电流输入端口130。第一PMOS150和第二PMOS155形成电流镜。因此，通过反馈路径190的电流ibias与iout成比例。在一个示例中，PMOS150和PMOS155可相对于彼此来确定尺寸，以提供ibias和iout之间的特定比例。例如，可能需要OTA 110的特定跨导值。可选择电阻器170的电阻以及PMOS150和PMOS155的尺寸以提供期望的跨导gm-ota，例如，同时考虑电源电压vdda和其他参数。
可扩展电流镜以提供与iout成比例的额外电流。例如，提供第三PMOS160，其具有耦接至输出电压端口135(以及至第一PMOS150和第二PMOS155的栅极)的栅极。第三PMOS160的源极同样耦接至正电源195(Vdda)。第三PMOS160的漏极可利用与iout成比例的电流iref来驱动装置100的另一部分。例如，如上所述，装置100可包括作为片上系统(SOC)设计中较大电路的一部分的参考电路，其可以具有使用稳定参考电流的其他部件。可进一步扩展电流镜以使用类似的联动PMOS来提供具有参考电流的附加路径。
装置100还包括启动电流生成器电路180，以提供启动电流istartup从而在装置110启动时建立OTA 110的跨导gm-ota，同时启动电流生成器电路180在自偏置电流ibias处于足够水平时被断开。例如，当vfb超过阈值时(其中阈值对应于期望的自偏置电流ibias)，启动电流发生器电路180可以断开。
在图1的示例中，启动电流发生器电路180包括与电阻器186串联的开关184，电阻器186耦接至具有电压Vdda的正电源195。开关184可配置有阈值电压，并可由来自反馈网络165的vfb控制。当开关184闭合时(例如，当vfb低于开关184的阈值电压时)，启动电流发生器电路180可经由路径192向OTA 110的偏置电流输入端口130提供启动电流istartup。因此，OTA110的跨导(gm-ota)最初在装置100启动时可基于启动电流istartup。随着vfb朝向vref倾斜上升，OTA 110的跨导(gm-ota)可基于启动电流istartup加上偏置电流ibias。当vfb达到阈值电压时，开关184可断开(打开)，并切断经由路径192至OTA 110的偏置电流输入端口130的启动电流istartup。此时，OTA 110可仅利用来自反馈路径190的偏置电流ibias进行自偏置。
在一个示例中，可设置阈值电压以在偏置电流ibias达到装置100设计的运行水平时断开启动电流发生器电路180。在另一个示例中，可设置阈值电压以在偏置电流ibias不处于装置100设计的完全运行水平但偏置电流ibias仍足够的水平时断开启动电流发生器电路180，从而避免装置100的亚稳态状态，例如，其中OTA 110和反馈网络165可自稳定并可驱动vfb等于vref。应注意，可选择电阻器186的电阻rstartup以将启动电流istartup限制到安全运行水平。在一个示例中，电阻器186的rstartup可提供小于或等于装置100的完全正常运行期间(例如，在启动阶段之后，此时OTA 110完全自偏置)的期望ibias值的istartup。例如，istartup可具有ibias目标值的一半、ibias目标值的75％等。
为了进一步帮助理解本申请，在图2中描绘了本申请的示例性装置200。特别地，装置200可包括电路或集成电路的一部分，其被设计为提供偏置电流，该偏置电流与OTA的参考电压输入端口处的参考电压成比例。换句话说，装置200可包括片上系统(SOC)设计中的较大电路的一部分。装置200的至少一部分包括与图1的示例性装置100相同或相似的组件。例如，电压-电流转换器电路105(及其所有组件)、第二PMOS155、反馈路径190和第三PMOS160可以是与图1中所示和上文所述的组件相同或基本相似的组件。另外，这些组件可具有与上面结合图1的示例所描述的相同或基本相似的操作。
装置200还包括启动电流发生器电路280。在图2的示例中，启动电流发生器电路280包括负载开关284，负载开关284耦接至具有电压Vdda的正电源195。负载开关284可配置有阈值电压，并可由来自反馈网络165的vfb控制。当负载开关284闭合时(例如，当vfb低于负载开关284的阈值电压时)，启动电流发生器电路280可经由路径192向OTA 110的偏置电流输入端口130提供启动电流istartup。因此，OTA 110的跨导(gm-ota)最初在装置200启动时可基于启动电流istartup。随着vfb朝向vref倾斜上升，OTA 110的跨导(gm-ota)可基于启动电流istartup加上偏置电流ibias。当vfb达到阈值电压时，负载开关284可断开(打开)并切断经由路径192至OTA 110的偏置电流输入端口130的启动电流istartup。此时，OTA 110可仅利用来自反馈路径190的偏置电流ibias进行自偏置。在一个示例中，可设置阈值电压以在偏置电流ibias达到装置200设计的运行水平时断开启动电流发生器电路280。在另一个示例中，可设置阈值电压以在偏置电流ibias不处于装置200设计的完全运行水平但偏置电流ibias仍足够的水平时断开启动电流发生器电路280，从而避免装置200的亚稳态状态。
应注意，可选择负载开关284的闭合状态电阻rstartup以将启动电流istartup限制到安全运行水平。在一个示例中，负载开关284的rstartup可提供小于或等于装置200的完全正常操作期间(例如，在启动阶段之后，此时OTA 110完全自偏置)的期望ibias值的istartup，例如，ibias的目标值的一半、ibias的目标值的75％等。负载开关284的闭合状态电阻rstartup可通过布局和/或制造工艺的特定设计或自然产生的因素来提供。例如，键合线电阻、引线框电阻、硅工艺电阻等可能是自然产生的因素，和/或可通过在制造期间增强和/或减少负载开关284的特定物理特征来进行专门设计。
为了进一步帮助理解本申请，在图3中描绘了本申请的示例性装置300。特别地，装置300可包括电路或集成电路的一部分，其被设计为提供偏置电流，该偏置电流与OTA的参考电压输入端口处的参考电压成比例。换句话说，装置300可包括片上系统(SOC)设计中的较大电路的一部分。装置300的至少一部分包括与图1和图2的示例型装置100和200相同或相似的组件。例如，电压-电流转换器电路105(及其中所有的组件)、第二PMOS155、反馈路径190以及第三PMOS160可以是与图1和图2中所示和上文所述的组件相同或基本相似的组件。另外，这些组件可具有与上面结合图1和图2的示例所描述的相同或基本相似的操作。
装置300还包括启动电流发生器电路380。在图3的示例中，启动电流发生器电路380包括与晶体二极管386串联的开关384，晶体二极管386耦接至具有电压Vdda的正电源195。晶体二极管386可包括漏极到栅极短路的PMOS。开关384可配置有阈值电压，并可由来自反馈网络165的vfb控制。当开关384闭合时(例如，当vfb低于开关184的阈值电压时)，启动电流发生器电路380可经由路径192向OTA 110的偏置电流输入端口130提供启动电流istartup。因此，OTA 110的跨导(gm-ota)最初在装置300启动时可基于启动电流istartup。随着vfb朝向vref倾斜上升，OTA 110的跨导(gm-ota)可基于启动电流istartup加上偏置电流ibias。当vfb达到阈值电压时，开关384可断开(打开)并切断经由路径192至OTA 110的偏置电流输入端口130的启动电流istartup。此时，OTA 110可仅利用来自反馈路径190的偏置电流ibias进行自偏置。在一个示例中，设置阈值电压以在偏置电流ibias达到装置300设计的运行水平时断开启动电流发生器电路380。在另一个示例中，可设置阈值电压以在偏置电流ibias不处于装置300设计的完全运行水平但偏置电流ibias仍足够的水平时断开启动电流发生器电路380，从而避免装置300的亚稳态状态。
值得注意的是，晶体二极管386是自限制的并可被设计成将启动电流istartup保持在安全运行水平以下。例如，晶体二极管386可足够小以将电流istartup限制到晶体二极管386在饱和区域运行时的最大水平。在一个示例中，晶体二极管386的大小可提供小于或等于装置300的完全正常运行期间(例如，在启动阶段之后，此时OTA 110完全自偏置)的期望ibias值的istartup，例如，ibias的目标值的一半、ibias的目标值的75％等。
为了进一步帮助理解本申请，在图4中描绘了本申请的示例性装置400。特别地，装置400可包括电路或集成电路的一部分，其被设计为提供偏置电流，该偏置电流与OTA的参考电压输入端口处的参考电压成比例。换句话说，装置400可包括片上系统(SOC)设计中的较大电路的一部分。装置400的至少一部分包括与图1、图2和/或图3的示例型装置100、200和/或300相同或相似的组件。例如，电压-电流转换器电路105(及其所有组件)、第二PMOS155、反馈路径190和第三PMOS160可以是与图1-3中所示和上文所述的组件相同或基本相似的组件。另外，这些组件可具有与上面结合图1-3的示例所描述的相同或基本相似的操作。
装置400还包括启动电流发生器电路480。在图4的示例中，启动电流发生器电路480包括与PMOS 484串联的电阻器486。在一个示例中，PMOS 484的源极可耦接至具有电压Vdda的正电源195，PMOS 484的漏极可耦接至电阻器486。PMOS 484的栅极可由来自反馈网络165的vfb控制。当PMOS 484导通/闭合时(例如，源极至栅极电压Vsg高于PMOS484的截止电压)，启动电流发生器电路480可经由路径192向OTA 110的偏置电流输入端口130提供启动电流istartup。因此，OTA 110的跨导(gm-ota)最初在装置100启动时可基于启动电流istartup。随着vfb朝向vref倾斜上升，OTA 110的跨导(gm-ota)可基于启动电流istartup加上偏置电流ibias。当vfb增加使得Vsg低于PMOS 484的截止电压时，PMOS 484可断开(打开)并切断经由路径192至OTA 110的偏置电流输入端口130的启动电流istartup。此时，OTA 110可仅利用来自反馈路径190的偏置电流ibias进行自偏置。在一个示例中，可设置vfb的阈值电压和/或PMOS 484的截止电压以在偏置电流ibias达到装置400设计的运行水平时断开启动电流发生器电路480。在另一个示例中，可设置vfb的阈值电压和/或PMOS 484的截止电压以在偏置电流ibias不处于装置400设计的完全运行水平但偏置电流ibias仍足够的水平时时断开启动电流发生器电路480，从而避免装置400的亚稳态状态。
应注意，可选择电阻器486的电阻rstartup以将启动电流istartup限制到安全运行水平，例如，当vfb为零且PMOS 484的Vsg处于最大值时。在一个示例中，电阻器486的rstartup可提供小于或等于装置400的完全正常运行期间(例如，在启动阶段之后，此时OTA 110完全自偏置)的期望ibias值的istartup，例如，ibias的目标值的一半、ibias的目标值的75％等。在一个示例中，可选择电阻器486的rstartup和PMOS 484的参数(例如，大小、饱和电流、阈值电压等)以提供vfb为零时(例如，在初始启动时)的istartup等于装置400的完全正常操作期间的期望ibias值。在这样的示例中，istartup可随着ibias的斜升而斜降直到vfb达到阈值时(例如，当PMOS484的Vsg达到PMOS 484的截止电压时)istartup截止。
为了进一步帮助理解本申请，图5示出了用于提供启动电流的示例性方法500的流程图。例如，方法500的任何一个或多个步骤、操作或功能可由上面结合图1-4描述的装置或电路或其任何一个或多个组件来实现。出于说明性目的，以下将方法500描述为由这些示例性装置中的一个执行。方法500在步骤505开始并进行到步骤510。
在步骤510处，装置(例如，包括电压-电流转换器电路)向电压-电流转换器电路的跨导运算放大器(OTA)的偏置电流输入端口提供启动电流。在一个示例中，通过装置的启动电流发生器电路提供启动电流。在一个示例中，在装置的启动期间在步骤510处提供启动电流。在各种示例中，启动电流发生器电路包括负载开关、与电阻器串联的开关、与晶体二极管串联的开关或与电阻器串联的PMOS。在一个示例中，启动电流发生器电路被耦接至OTA的偏置电流输入端口。另外，在一个示例中，启动电流发生器电路是可控制的以在装置启动期间向偏置电流输入端口提供启动电流并在装置启动之后被停用(例如，通过开关或使用PMOS截止电压)。
在步骤520处，装置通过电压-电流转换器电路生成偏置电流，其中该偏置电流与OTA的参考电压输入端口处的参考电压成比例。例如，以上描述了示例性电压-电流转换器电路的各个方面，其建立了等式5的关系，将输出电流iout相关至输入参考电压vref。另外，还如上所述，包括第一PMOS和第二PMOS的电流镜可提供与输出电流iout成比例的偏置电流ibias。在一个示例中，偏置电流与通过第一PMOS的电流成比例(例如，基于电流镜的第一PMOS与第二PMOS的尺寸比)。
在步骤530处，装置向OTA的偏置电流输入端口提供偏置电流。例如，如上图1-4中的任何示例所述，偏置电流ibias可反馈到OTA 110的偏置电流输入端口130，例如，以控制OTA的跨导(gm-ota)。在一个示例中，通过电流镜的第二PMOS的漏极提供偏置电流。
在步骤540处，装置在检测到电压-电流转换器电路的运行状态时停用启动电流发生器电路以停止向偏置电流输入端口提供启动电流。例如，运行状态可以是检测到电压高于阈值的特定状态，例如，当电压-电流转换器电路的反馈网络处的vfb超过阈值时。在一个示例中，可使用启动电流发生器电路的开关来停用或断开启动电流发生器电路。在一个示例中，当电压(例如，驱动PMOS栅极的电压vfb)使得PMOS的源极至栅极电压下降到PMOS的截止电压以下时，可停用启动电流发生器电路。换句话说，启动电流发生器电路由反馈网络的电压控制，以在反馈网络的电压低于阈值电压时向OTA的偏置电流输入端口提供电流，并在反馈网络的电压高于阈值电压时不向OTA的偏置电流输入端口提供电流。
步骤540后，方法500继续至步骤595，方法500结束。
应注意，在本申请的各个示例中，方法500可包括除了上述那些步骤之外的其他、进一步和不同的步骤。例如，方法500可包括根据本申请描述的示例性装置的任何一个或多个组件或电路的功能的步骤或操作。例如，方法500可包括针对启动电流发生器电路、电压-电流转换器电路、OTA、反馈路径、电流镜等任何一个或多个附加功能的步骤。
另外，虽然没有具体说明，但是方法500的一个或多个步骤、功能或操作可包括特定应用所需的存储、显示和/或输出步骤。换句话说，可根据特定应用的需要将在各个方法中讨论的任何数据、记录、字段和/或中间结果存储、显示和/或输出到另一个装置。此外，图5中描述决定操作或涉及决定的步骤或框图不一定要求实施决定操作的两个分支。换句话说，决定操作的一个分支可被视为可选步骤。
虽然前面描述了根据本申请的一个或多个方面的各种示例，但在不脱离本申请的范围的情况下，可设计根据申请的一个或多个方面的其他和进一步的实施例，这取决于下列权利要求及其等效物。列出步骤的权利要求并不意味着步骤的任何顺序。商标是其各自所有者的财产。

Claims (20)

1.一种用于提供启动电流的装置，其特征在于，所述装置包括：
电压-电流转换器电路，所述电压-电流转换器电路包括跨导运算放大器OTA，所述电压-电流转换器电路用于生成偏置电流，所述偏置电流与所述OTA的参考电压输入端口处的参考电压成比例；
偏置电流反馈路径，所述偏置电流反馈路径用于向所述OTA的偏置电流输入端口提供所述偏置电流；以及
启动电流发生器电路，所述启动电流发生器电路耦接至所述OTA的所述偏置电流输入端口，其中所述启动电流发生器电路能够被控制以在所述装置的启动期间向所述偏置电流输入端口提供启动电流并能够被控制以在所述装置启动之后被停用。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述启动电流发生器电路包括与电阻器串联的开关。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述启动电流发生器电路包括负载开关。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述启动电流发生器电路包括与晶体二极管串联的开关。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述启动电流发生器电路包括与电阻器串联的p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述启动电流发生器电路耦接至所述装置的正电源。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电压-电流转换器电路还包括：
第一p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管；以及
电阻器。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述OTA包括：
参考电压输入端口；
反馈电压输入端口；以及
输出电压端口；
其中所述第一p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极耦接至所述OTA的所述输出电压端口，所述第一p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管的源极耦接至所述装置的正电源，所述电阻器的第一端耦接至所述装置的接地端，所述电阻器的第二端在反馈网络中耦接至所述第一p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极并耦接至所述OTA的所述反馈电压输入端口。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述启动电流发生器电路由所述反馈网络的电压控制。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述偏置电流反馈路径包括：
第二p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，其中所述第二p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极耦接至所述OTA的所述输出电压端口，所述第二p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管的源极耦接至所述装置的正电源，所述第二p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极耦接至所述OTA的所述偏置电流输入端口。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述第一p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管和所述第二p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管组成电流镜。
12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，通过所述第二p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极提供所述偏置电流。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述偏置电流与通过所述第一p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管的电流成比例。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述反馈网络的电压是基于通过所述第一p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管的电流以及所述电阻器的电阻。
15.一种用于提供启动电流的装置，其特征在于，所述装置包括：
跨导运算放大器OTA，所述OTA包括：
参考电压输入端口；
反馈电压输入端口；
偏置电流输入端口；以及
输出电压端口；
第一p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，其中所述第一p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极耦接至所述OTA的所述输出电压端口，所述第一p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管的源极耦接至正电源；以及
电阻器，其中所述电阻器的第一端耦接至接地端，所述电阻器的第二端在反馈网络中耦接至所述第一p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极并耦接至所述OTA的所述反馈电压输入端口；
第二p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，其中所述第二p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极耦接至所述OTA的所述输出电压端口，所述第二p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管的源极耦接至所述正电源，所述第二p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极耦接至所述OTA的所述偏置电流输入端口；以及
启动电流发生器电路，所述启动电流发生器电路耦接至所述OTA的所述偏置电流输入端口，所述启动电流发生器电路用于在所述反馈网络处的电压低于阈值电压时向所述偏置电流输入端口提供电流，并在所述反馈网络处的电压高于所述阈值电压时不向所述偏置电流输入端口提供电流。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述启动电流发生器电路包括与电阻器串联的开关。
17.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述启动电流发生器电路包括负载开关。
18.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述启动电流发生器电路包括与晶体二极管串联的开关。
19.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述启动电流发生器电路包括与电阻器串联的p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管。
20.一种用于提供启动电流的方法，其特征在于，所述方法包括：
通过含有电压-电流转换器电路的装置的启动电流发生器电路，向所述电压-电流转换器电路的跨导运算放大器OTA的偏置电流输入端口提供启动电流，其中在所述装置的启动期间提供所述启动电流；
通过所述电压-电流转换器电路生成偏置电流，所述偏置电流与所述OTA的参考电压输入端口处的参考电压成比例；
向所述OTA的所述偏置电流输入端口提供所述偏置电流；以及
在检测到所述电压-电流转换器电路的运行状态时，停用所述启动电流发生器电路以停止向所述偏置电流输入端口提供所述启动电流。
CN201910107460.7A 2018-02-13 2019-02-02 基于自偏置跨导运算放大器的参考电路 Active CN110166011B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/895,829 US10243526B1 (en) 2018-02-13 2018-02-13 Self-biased operational transconductance amplifier-based reference circuit
US15/895,829 2018-02-13

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110166011A CN110166011A (zh) 2019-08-23
CN110166011B true CN110166011B (zh) 2024-01-19

Family

ID=65811842

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910107460.7A Active CN110166011B (zh) 2018-02-13 2019-02-02 基于自偏置跨导运算放大器的参考电路

Country Status (2)

Country Link
US (1) US10243526B1 (zh)
CN (1) CN110166011B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4498053A (en) * 1982-06-28 1985-02-05 Sony Corporation Current amplifier
JP2003243947A (ja) * 2002-02-20 2003-08-29 Mitsubishi Electric Corp オペレーショナルトランスコンダクタンスアンプ
US6642791B1 (en) * 2002-08-09 2003-11-04 Lsi Logic Corporation Self-biased amplifier circuit and method for self-basing amplifier circuit
CN102006057A (zh) * 2009-09-01 2011-04-06 杭州中科微电子有限公司 可编程调整起振条件的低功耗、快速起振晶体振荡器模块
CN102165687A (zh) * 2008-09-25 2011-08-24 莫斯卡德设计及自动控制有限公司 生成误差电压的系统及方法
CN104321964A (zh) * 2012-05-17 2015-01-28 美高森美公司 用于动态误差向量大小加强的集成启动偏置增强

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100259335A1 (en) * 2009-04-13 2010-10-14 Microchip Technology Incorporated Resistorless feedback biasing for ultra low power crystal oscillator
US8427130B2 (en) * 2010-12-16 2013-04-23 Integrated Device Technology, Inc. Methods and apparatuses for combined frequency compensation and soft start processes
US9746862B2 (en) * 2015-12-03 2017-08-29 Texas Instruments Incorporated Voltage-to-current converter

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4498053A (en) * 1982-06-28 1985-02-05 Sony Corporation Current amplifier
JP2003243947A (ja) * 2002-02-20 2003-08-29 Mitsubishi Electric Corp オペレーショナルトランスコンダクタンスアンプ
US6642791B1 (en) * 2002-08-09 2003-11-04 Lsi Logic Corporation Self-biased amplifier circuit and method for self-basing amplifier circuit
CN102165687A (zh) * 2008-09-25 2011-08-24 莫斯卡德设计及自动控制有限公司 生成误差电压的系统及方法
CN102006057A (zh) * 2009-09-01 2011-04-06 杭州中科微电子有限公司 可编程调整起振条件的低功耗、快速起振晶体振荡器模块
CN104321964A (zh) * 2012-05-17 2015-01-28 美高森美公司 用于动态误差向量大小加强的集成启动偏置增强

Also Published As

Publication number Publication date
CN110166011A (zh) 2019-08-23
US10243526B1 (en) 2019-03-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10481625B2 (en) Voltage regulator
US7615977B2 (en) Linear voltage regulator and method of limiting the current in such a regulator
US6989659B2 (en) Low dropout voltage regulator using a depletion pass transistor
US9645594B2 (en) Voltage regulator with dropout detector and bias current limiter and associated methods
US9058048B2 (en) Voltage regulator having error amplifier
TWI489241B (zh) 電壓調整器
US10298127B2 (en) Startup clamp circuit for non-complimentary differential pair in DCDC converter system
KR20080019540A (ko) 정전류회로
JP6354720B2 (ja) 保護回路付きのレギュレータ回路
US7554313B1 (en) Apparatus and method for start-up circuit without a start-up resistor
JP2008537405A (ja) 適応トリップ点検出のための装置および方法
TWI665542B (zh) Voltage Regulator
JP2008217203A (ja) レギュレータ回路
US7245165B2 (en) Turn-on bus transmitter with controlled slew rate
TWI794345B (zh) 逆流防止電路以及電源電路
US8581569B2 (en) Supply independent current reference generator in CMOS technology
EP3308240B1 (en) Start-up circuit
CN110166011B (zh) 基于自偏置跨导运算放大器的参考电路
US9960762B2 (en) Startup circuit
US20080007299A1 (en) Power generation circuit
US6753724B2 (en) Impedance enhancement circuit for CMOS low-voltage current source
CN115023619A (zh) 电压监控器
US9836073B2 (en) Current source, an integrated circuit and a method
US7358804B2 (en) Amplifier turn-on speedup technique
JP2003273672A (ja) 差動増幅回路

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant