CN115328245A - 偏置电流产生电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种偏置电流产生电路，包括：输入单元，用于接收电源电压，并跟随该电源电压的电势变化提供第一偏置电压；启动单元，接收第一偏置电压，并在该第一偏置电压达到预设阈值后，开启该启动单元；电流镜单元，与启动单元连接，在启动单元处于开启状态下，镜像流经启动单元的电流，输出稳定的偏置电流。由此可扩展电路的宽输入电源电压的应用工作范围，使电路在高低压下都能正常工作。

Description

偏置电流产生电路

技术领域

本公开涉及集成电路技术领域，具体涉及一种偏置电流产生电路。

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。

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，系统电压的工作范围很大，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。

随着芯片向低压低功耗方向的发展，一般偏置电流产生电路可能无法满足要求，典型的一种结构如图1所示。随着电源电压Vcc升高，晶体管Mn2开启，电源电压Vcc通过晶体管Mp1，Mn2和电阻R2逐渐产生电流，随着电流的增加，电阻R2上的压降大于晶体管Mn1的导通电压时，晶体管Mn1开启并与晶体管Mn2形成负反馈环路，电阻R2两端压降等于Vgs1，不再随电源电压Vcc的变化而线性变化。从电流建立的过程中可以看出，输出电流稳定的电路最小工作电压为Vgs1+Vdsat1+Vgs2，其中Vgs1是晶体管Mn1的GS电压，Vgs2是晶体管Mp1的GS电压，Vdsat1是晶体管Mn2的DS电压。电源的最低工作电压要高于晶体管Mn1的阈值电压和晶体管Mp1阈值电压以及保证晶体管Mn2正常工作电压Vdsat1，才能保证输出正确的偏置电流。这极大地限制了宽输入电源电压范围的电路应用。

发明内容

为了解决上述技术问题，本公开提供了一种偏置电流产生电路，能扩展电路的宽输入电源电压的应用工作范围，使电路在高低压下都能正常工作。

根据本公开提供的一种偏置电流产生电路，其中，包括：

输入单元，用于接收电源电压，并跟随该电源电压的电势变化提供第一偏置电压；

启动单元，接收第一偏置电压，并在该第一偏置电压达到预设阈值后，开启该启动单元；

电流镜单元，与启动单元连接，在启动单元处于开启状态下，镜像流经启动单元的电流，输出成稳定的偏置电流。

可选地，前述的输入单元包括：

第一电阻和第一晶体管，该第一电阻和第一晶体管串联连接在供电端与地之间，接入电源电压，并通过第一电阻与第一晶体管的连接节点提供第一偏置电压。

可选地，前述的启动单元包括：

第二晶体管，该第二晶体管的第一端连接电流镜单元，第二端接地，控制端接入第一偏置电压；以及

第二电阻，该第二电阻的第一端连接第一晶体管的控制端，第二端接地。

可选地，前述的电流镜单元包括：

第三晶体管，该第三晶体管的第一端连接供电端，控制端与其自身的第二端共同连接在第二晶体管的第一端；

第四晶体管，该第四晶体管的第一端与第三晶体管的第一端共同连接供电端，控制端与第三晶体管的控制端连接，其第二端与第二电阻的第一端连接；

第五晶体管，该第五晶体管的第一端与第三晶体管的第一端共同连接供电端，控制端与第四晶体管的控制端连接，其第二端作为该偏置电流产生电路的输出端，用于提供前述的偏置电流。

可选地，在启动单元处于开启状态下，该电流镜单元中的第四晶体管与第二电阻形成的电流路径上，通过二者的连接节点提供第一晶体管的控制电压，跟随电源电压的电势变化，在该控制电压达到第一晶体管的导通阈值后，该第一晶体管切换并维持在导通状态。

可选地，前述的偏置电流产生电路适用于低压工艺。

可选地，前述的偏置电流产生电路还包括：

偏置电压生成单元，用于在启动单元处于开启状态下，根据电源电压和第一偏置电压生成第二偏置电压；

控制单元，响应于第二偏置电压调整控制单元中电路的通断状态。

可选地，前述的偏置电压生成单元包括：

第六晶体管和第七晶体管，该第六晶体管和第七晶体管串联连接在供电端与地之间，第六晶体管的第一端接入电源电压，控制端与其自身的第二端共同连接第七晶体管的第一端，该第七晶体管的控制端接入第一偏置电压，第六晶体管的控制端用于在第七晶体管处于导通状态下提供第二偏置电压。

可选地，前述的控制单元包括：

第八晶体管，该第八晶体管的第一端连接第四晶体管的第二端，第二端连接第二电阻的第一端，控制端接入第二偏置电压；

第九晶体管，该第九晶体管的第一端连接第五晶体管的第二端，控制端与第八晶体管的控制端共连，第二端作为该偏置电压产生电路的输出端，用于提供稳定的偏置电流。

可选地，前述的偏置电流产生电路适用于高压工艺。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种偏置电流产生电路，包括：输入单元，用于接收电源电压，并跟随该电源电压的电势变化提供第一偏置电压；启动单元，接收第一偏置电压，并在该第一偏置电压达到预设阈值后，开启该启动单元；电流镜单元，与启动单元连接，在启动单元处于开启状态下，镜像流经启动单元的电流，输出稳定的偏置电流。由此可以在偏置电流的建立过程中，随着电源电压Vcc的升高，晶体管Mn2开启，电源电压Vcc通过晶体管Mp1和Mn2逐渐产生电流，晶体管Mp2镜像晶体管Mp1的电流并通过电阻R2产生压降生成控制电压反馈到晶体管Mn1的控制端，当该控制电压使晶体管Mn1开启后，由晶体管Mn1，Mn2，Mp1，Mp2以及电阻R2构成的闭环形成负反馈，输出相对于电源电压Vcc稳定的偏置电流，相比于现有技术的偏置电流产生电路中，其输出稳定偏置电流的最小工作电压＝晶体管Mn1的GS电压+晶体管Mp1的GS电压+晶体管Mn2的DS电压，本发明提供的偏置电流产生电路中，其输出稳定偏置电流的最小工作电压＝晶体管Mn1的GS电压+晶体管Mp2的DS电压，极大地降低了输出稳定偏置电流的最小工作(电源)电压，扩展电路的低压工作电压范围。

而且，常规的偏置电流产生电路多适用于低压工艺，本发明在上述电路结构的基础上，通过加入高压器件做低压器件的cascode的方式，使该偏置电流产生电路同样适用于高压工艺，进一步提高该偏置电流产生电路在实际应用中的适用性。

同时，本发明提供的偏置电流产生电路的结构简单且实用，用简便的方式控制电路的功耗，从而降低集成电路的功耗。

应了解，依据本文的方法可以包括本文描述的方面和特征的任意组合。也就是说，根据本文的方法不限于本文具体描述的方面和特征的组合，还包括所提供的方面和特征的任意组合。

以下在附图和描述中阐述了本文的一个或多个实施例的细节。根据文和附图以及权利要求，本文的其他特征和优点将显现。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出现有的偏置电流产生电路的结构示意图；

图2示出本公开实施例提供的偏置电流产生电路的结构示意图；

图3示出本公开又一实施例提供的偏置电流产生电路的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本公开，下面将参照相关附图对本公开进行更全面的描述。附图中给出了本公开的较佳实施例。但是，本公开可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本公开的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本公开的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本公开。

应当理解，在以下的描述中，“电路”可包括单个或多个组合的硬件电路、可编程电路、状态机电路和/或能存储由可编程电路执行的指令的元件。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

在本申请中，MOSFET包括第一端、第二端和控制端，在MOSFET的导通状态，电流从第一端流至第二端。P型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为源极、漏极和栅极，N型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为漏极、源极和栅极。

可知的，偏置电流电路作为产生整个电路系统偏置电流的重要部分，广泛应用于消费类电子器件，通信设备，工业控制系统和医疗器件中。随着便携式设备的广泛应用，低电源电压，以及低功耗的电路系统变的越来越重要。一些应用场合，系统电源电压的工作范围很大，对集成电路提出新的要求，相应的偏置电路也必须适应这些新的应用环境。

基于此，本发明实施例提供的一种偏置电流产生电路，能扩展电路的宽输入电源电压的应用工作范围，使电路在高低压下都能正常工作。

下面，参照附图对本公开进行详细说明。

图2示出本公开实施例提供的偏置电流产生电路的结构示意图。

参考图2，本公开实施例提供的一种偏置电流产生电路200，包括：输入单元210、启动单元220和电流镜单元230。

在本实施例中，输入单元210，用于接收电源电压Vcc，并跟随该电源电压Vcc的电势变化提供第一偏置电压Vb1。

启动单元220，用于接收第一偏置电压Vb1，并在该第一偏置电压Vb1达到预设阈值后，开启该启动单元220。

电流镜单元230，与启动单元220连接，在启动单元220处于开启状态下，镜像流经启动单元220的电流，输出成稳定的偏置电流Ibias。

在一些实施例中，前述的输入单元210包括：

电阻R1和晶体管Mn1，该电阻R1和晶体管Mn1串联连接在供电端与地之间，接入电源电压Vcc，并通过电阻R1与晶体管Mn1的连接节点提供第一偏置电压Vb1。

在一些实施例中，前述的启动单元220包括：

晶体管Mn2，该晶体管Mn2的第一端连接电流镜单元230，第二端接地，控制端接入第一偏置电压Vb1；以及

电阻R2，该电阻R2的第一端连接晶体管Mn1的控制端，第二端接地。

在一些实施例中，前述的电流镜单元230包括：

晶体管Mp1，该晶体管Mp1的第一端连接供电端，控制端与其自身的第二端共同连接在晶体管Mn2的第一端；

晶体管Mp2，该晶体管Mp2的第一端与晶体管Mp1的第一端共同连接供电端，控制端与晶体管Mp1的控制端连接，其第二端与电阻R2的第一端连接；

晶体管Mp3，该晶体管Mp3的第一端与晶体管Mp1的第一端共同连接供电端，控制端与晶体管Mp2的控制端连接，其第二端作为该偏置电流产生电路200的输出端，用于提供前述的偏置电流Ibias。

在一些实施例中，在启动单元220处于开启状态下，该电流镜单元230中的晶体管Mp2与电阻R2形成的电流路径上，通过二者的连接节点提供晶体管Mn1的控制电压Vctrl，跟随电源电压Vcc的电势变化，在该控制电压Vctrl达到晶体管Mn1的导通阈值(GS电压)后，该晶体管Mn1切换并维持在导通状态。

在本实施例中，前述的晶体管Mn1，Mn2，Mp1，Mp2，Mp3的其中任一为金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET，以下简称为MOS管)。

进一步的，前述的晶体管Mn1和Mn2均为NMOS管，且前述的晶体管Mp1，Mp2和Mp3均为PMOS管。

一般的偏置电流产生电路(如图1所示)也是力求低压低功耗的基础上，输出正确的偏置电流，但分析其电路原理：随着电源电压Vcc升高，晶体管Mn2开启，电源电压Vcc通过晶体管Mp1，Mn2和电阻R2逐渐产生电流，随着电流的增加，电阻R2上的压降大于晶体管Mn1的导通电压时，晶体管Mn1开启并与晶体管Mn2形成负反馈环路，电阻R2两端压降等于Vgs1，不再随电源电压Vcc的变化而线性变化。从其偏置电流Ibias建立的过程中可以看出，输出电流稳定的电路工作最小电压为Vgs1+Vdsat1+Vgs2，其中Vgs1是晶体管Mn1的GS电压，Vgs2是晶体管Mp1的GS电压，Vdsat1是晶体管Mn2的DS电压，其电源电压Vcc的最低工作电压要高于晶体管Mn1的阈值电压和晶体管Mp1阈值电压以及保证晶体管Mn2正常工作电压Vdsat1，这极大地限制了宽输入电源电压范围的电路应用。

在本实施例中，前述晶体管Mn1，Mn2，Mp1，Mp2，Mp3均为低压器件，故前述的偏置电流产生电路200适用于低压工艺。

本实施例提供的偏置电流产生电路200，在偏置电流Ibias的建立过程中，随着电源电压Vcc的升高，晶体管Mn2开启，电源电压Vcc通过晶体管Mp1和Mn2逐渐产生电流，晶体管Mp2镜像晶体管Mp1的电流并通过电阻R2产生压降生成控制电压Vctrl反馈到晶体管Mn1的控制端，当该控制电压Vctrl使晶体管Mn1开启后，由晶体管Mn1，Mn2，Mp1，Mp2以及电阻R2构成的闭环形成负反馈，输出相对于电源电压Vcc稳定的偏置电流，相比于现有技术的偏置电流产生电路中，其输出稳定偏置电流的最小工作电压＝晶体管Mn1的GS电压+晶体管Mp1的GS电压+晶体管Mn2的DS电压，本发明提供的偏置电流产生电路中，其输出稳定偏置电流的最小工作电压＝晶体管Mn1的GS电压+晶体管Mp2的DS电压。本实施例通过改变环路的反馈方式降低电源电压Vcc的最小工作电压，极大地降低了输出稳定偏置电流Ibias的最小工作(电源)电压，扩展了电路的低压工作电压范围。

在一些事实施例中，本发明提供的偏置电流产生电路300同样可适用于高压工艺，只需要在原有偏置电流产生电路200的基础上加入高压器件做低压器件的cascode，具体的如图3所示。

图3示出本公开又一实施例提供的偏置电流产生电路的结构示意图。

参考图3，本公开又一实施例提供了一种适用于高压工艺的偏置电流产生电路300，其基本结构及低压工作是的电路原理与前述实施例中的偏置电流产生电路200完全相同，其区别之处在于：

该偏置电流产生电路300还包括：偏置电压生成单元240和控制单元250。

在本实施例中，偏置电压生成单元240，用于在启动单元220处于开启状态下，根据电源电压Vcc和第一偏置电压Vb1生成第二偏置电压Vb2。

控制单元250，响应于第二偏置电压Vb2调整该控制单元250中电路的通断状态。

在一些实施例中，前述的偏置电压生成单元240包括：

晶体管Mp4和晶体管Mn3，该晶体管Mp4和晶体管Mn3串联连接在供电端与地之间，晶体管Mp4的第一端接入电源电压Vcc，控制端与其自身的第二端共同连接晶体管Mn3的第一端，该晶体管Mn3的控制端接入第一偏置电压Vb1，晶体管Mp4的控制端用于在晶体管Mn3处于导通状态下提供第二偏置电压Vb2。

在一些实施例中，前述的控制单元250包括：

晶体管Mp5，该晶体管Mp5的第一端连接晶体管Mp2的第二端，第二端连接电阻R2的第一端，控制端接入第二偏置电压Vb2；

晶体管Mp6，该晶体管Mp6的第一端连接晶体管Mp3的第二端，控制端与晶体管Mp5的控制端共连，第二端作为该偏置电压产生电路300的输出端，用于提供稳定的偏置电流Ibias。

在本实施例中，前述的晶体管Mp4，Mn3，Mp5，Mp6的其中任一为MOS管。

进一步的，在本实施例中，前述的晶体管Mn3为NMOS管，且前述的晶体管Mp4，Mp5和Mp6均为PMOS管。

在本实施例中，晶体管Mn2，Mn3，Mp4，Mp5，Mp6均是高压器件，且晶体管Mp5和Mp6作为低压器件Mp2和Mp3的cascode结构，以适应在电源电压Vcc的高压范围内输出偏置电流Ibias的稳定性，以及增加晶体管Mn3和Mp4，以在启动单元220处于开启状态下，通过该晶体管Mn4的控制端提供cascode器件(晶体管Mp2和Mp3)的偏置电压。

所以，在本实施例中，该偏置电流产生电路300通过加入高压器件做低压器件的cascode结构的方式，使该偏置电流产生电路300同样适用于高压工艺，进一步提高该偏置电流产生电路300在实际应用中的适用性。

同时，本发明提供的偏置电流产生电路的结构简单且实用，用简便的方式控制电路的功耗，从而降低集成电路的功耗。

应当说明的是，在本公开的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

此外，在本文中，所含术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本公开所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本公开的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种偏置电流产生电路，其中，包括：

输入单元，用于接收电源电压，并跟随所述电源电压的电势变化提供第一偏置电压；

启动单元，接收所述第一偏置电压，并在所述第一偏置电压达到预设阈值后，开启所述启动单元；

电流镜单元，与所述启动单元连接，在所述启动单元处于开启状态下，镜像流经所述启动单元的电流，输出稳定的偏置电流。

2.根据权利要求1所述的偏置电流产生电路，其中，所述输入单元包括：

第一电阻和第一晶体管，所述第一电阻和所述第一晶体管串联连接在供电端与地之间，接入所述电源电压，并通过所述第一电阻与所述第一晶体管的连接节点提供所述第一偏置电压。

3.根据权利要求2所述的偏置电流产生电路，其中，所述启动单元包括：

第二晶体管，所述第二晶体管的第一端连接所述电流镜单元，第二端接地，控制端接入所述第一偏置电压；以及

第二电阻，所述第二电阻的第一端连接所述第一晶体管的控制端，第二端接地。

4.根据权利要求3所述的偏置电流产生电路，其中，所述电流镜单元包括：

第三晶体管，所述第三晶体管的第一端连接供电端，控制端与其自身的第二端共同连接在所述第二晶体管的第一端；

第四晶体管，所述第四晶体管的第一端与所述第三晶体管的第一端共同连接供电端，控制端与所述第三晶体管的控制端连接，其第二端与所述第二电阻的第一端连接；

第五晶体管，所述第五晶体管的第一端与所述第三晶体管的第一端共同连接供电端，控制端与所述第四晶体管的控制端连接，其第二端作为所述偏置电流产生电路的输出端，用于提供所述偏置电流。

5.根据权利要求4所述的偏置电流产生电路，其中，在所述启动单元处于开启状态下，所述电流镜单元中的第四晶体管与所述第二电阻形成的电流路径上，通过二者的连接节点提供所述第一晶体管的控制电压，跟随所述电源电压的电势变化，在所述控制电压达到所述第一晶体管的导通阈值后，所述第一晶体管切换并维持在导通状态。

6.根据权利要求5所述的偏置电流产生电路，其中，所述偏置电流产生电路适用于低压工艺。

7.根据权利要求5所述的偏置电流产生电路，其中，还包括：

偏置电压生成单元，用于在所述启动单元处于开启状态下，根据所述电源电压和所述第一偏置电压生成第二偏置电压；

控制单元，响应于所述第二偏置电压调整所述控制单元中电路的通断状态。

8.根据权利要求7所述的偏置电流产生电路，其中，所述偏置电压生成单元包括：

第六晶体管和第七晶体管，所述第六晶体管和所述第七晶体管串联连接在供电端与地之间，所述第六晶体管的第一端接入所述电源电压，控制端与其自身的第二端共同连接所述第七晶体管的第一端，所述第七晶体管的控制端接入所述第一偏置电压，所述第六晶体管的控制端用于在所述第七晶体管处于导通状态下提供所述第二偏置电压。

9.根据权利要求8所述的偏置电流产生电路，其中，所述控制单元包括：

第八晶体管，所述第八晶体管的第一端连接所述第四晶体管的第二端，第二端连接所述第二电阻的第一端，控制端接入所述第二偏置电压；

第九晶体管，所述第九晶体管的第一端连接所述第五晶体管的第二端，控制端与所述第八晶体管的控制端共连，第二端作为所述偏置电压产生电路的输出端，用于提供所述稳定的偏置电流。

10.根据权利要求8所述的偏置电流产生电路，其中，所述偏置电流产生电路适用于高压工艺。

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