CN201041642Y - 一种带负反馈的电源偏置电路 - Google Patents

Abstract

带负反馈的电源偏置电路包括偏置产生电路，镜像支路，反馈支路和电流输出支路。偏置产生电路由电流源I1，I2，NMOS管n1，n2组成，用于产生与电源无关的偏置电流。镜像支路由PMOS管p1和NMOS管n3组成，用于镜像偏置产生电路中的电流，并将电流镜像到电流输出支路。反馈支路由电流源I3和等效开关SW组成，用于产生电流反馈量，调整偏置产生电路中的偏置电流大小。电流输出支路由PMOS管p5组成，用于输出稳定的偏置电流。本实用新型将与电源无关的偏置稳定在固定的值，比现有的电源偏置电路能更好的稳定输出的偏置电流，降低对电源电压的敏感度。本实用新型引入负反馈概念，通过对偏置产生电路中的电流的调节使电流保持在一定值，使得输出的偏置电流有更高的精度。

Description

一种带负反馈的电源偏置电路

技术领域

本实用新型属于模拟集成电路领域，具体涉及一种带负反馈的电源偏置电路，该电路能有效地提供与电源无关的偏置电流。

背景技术

随着社会的发展，使得人们对消费电子产品的性能要求也越来越高。这就对相应消费类IC的性能要求也越来越高。其中偏置电路的作用主要是为其他工作模块提供合适的偏置电流以用于确定放大器的静态工作点。在集成电路内部通常需要高质量的偏置电路，以提供稳定的偏置电流。对于多通道的集成运放，由于基本使用共同的偏置电路，甚至还需要考虑相邻通道间的相互串扰。

现有的与电源无关的偏置电路通常采用的是采用尺寸不同的MOS管形成的电源无关偏置电路，用在源极添加电阻的方法唯一确定电流值，并通过额外添加启动管或者启动电路驱使电路摆脱简并偏置点，从原理上说，可以认为是一种带正反馈的与电源无关的偏置电路。这样既对电源无关的抑制能力较低，也引入过多的启动管。

在西安交通大学出版社2003出版，由陈贵灿等人翻译完成的毕查德.拉扎维的经典书籍《模拟CMOS集成电路设计》中，311页讲述一个电源偏置电路，但是其不存在任何反馈电路，所以其电源抑制比无法达到一个较高的精度，使得其在高精度应用时仍将无法满足要求。而且其需要额外的启动电路，整体结构的性价比不高。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种带负反馈的电源偏置电路，本电源偏置电路具有独立工作的能力，电路所占面积小，能够有效地改善电路动态性能。

本实用新型提供的带负反馈的电源偏置电路，该电路包括偏置产生电路，镜像支路，反馈支路和电流输出支路；其中，

偏置产生电路用于产生与电源无关的偏置电流，它由电流源I1，I2，NMOS管n1，n2组成，NMOS管n1、n2组成电流镜结构，两者栅宽和宽长比均相等；电流源I1一端接高电平Vcc，另一端接n1的漏极；电流源I2的一端接高电平Vcc，另一端与NMOS管n2漏极相接，并接入镜像支路；NMOS管n1的栅极接NMOS管n2的栅极，并与NMOS管n2的漏级相接；NMOS管n1和n2的源极接地；镜像支路用于镜像偏置产生电路中的电流，并将电流镜像到电流输出支路；镜像支路由PMOS管p1和NMOS管n3组成；PMOS管p1的源极接高电平Vcc，其栅极与漏极相连，接入电流输出支路，并接到NMOS管n3的漏极；NMOS管n3与NMOS管n2的宽长比相等，NMOS管n3的栅极与NMOS管n2的漏极相接，NMOS管n3源极接地；

反馈支路用于产生电流反馈量，调整偏置产生电路中的偏置电流大小；反馈支路由电流源I3和等效开关SW组成；电流源I3的一端接高电平Vcc，另一端与SW一端相接，SW的另一端与偏置产生电路中NMOS管n2的漏极相接；

电流输出支路用于输出稳定的偏置电流，电流输出支路由PMOS管p2组成；PMOS管p2的源极接高电平Vcc，栅极与镜像支路中PMOS管p1的栅极相接，漏极输出偏置电流。

本实用新型电源偏置电路将与电源无关的偏置稳定在固定的值，该结构比起现有的电源偏置电路，能更好的稳定输出的偏置电流，降低对电源电压的敏感度。与现有的偏置相比，偏置产生电路没有采用现有的左右支路电流相等的方法，而是通过反馈回路偏置产生电路的支路进行电流补偿，两条支路的电流相等，同时对于支路的失配，反馈回路也能起到抑制作用。本实用新型引入负反馈概念，通过对偏置产生电路中的电流的调节使电流保持在一定值，增强偏置电流的稳定性，使得输出的偏置电流有更高的精度。

附图说明

图1为本实用新型负反馈偏置电路的原理示意图；

图2为本实用新型的具体实现电路图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型带负反馈的电源偏置电路包括偏置产生电路1，镜像支路2，反馈支路3和电流输出支路4，下面说明该电路工作原理。

电流源I1和I2产生的镜像电流分别流经NMOS管n1和NMOS管n2，当NMOS管n1和NMOS管n2中的电流相等时，SW断开，镜像电流通过PMOS管p1，NMOS管n3镜像到PMOS管p2输出；当I1和I2不等时，开关SW导通，I3流入NMOS管n2，补偿流经NMOS管n2的电流使得流经NMOS管n1的电流与流经NMOS管n2的电流相等。NMOS管n2中经过补偿后的电流经PMOS管p1，NMOS管n3镜像到PMOS管p2后输出。

如图2所示，本实用新型带负反馈的偏置电路包括偏置产生电路1，镜像支路2，采样和调节支路共同组成的反馈支路3，电流输出支路4以及输出控制信号5组成。其中，反馈支路的一部分与偏置产生电路的一部分构成启动电路。偏置产生电路1由电阻R1，R2，PMOS管p3，PMOS管p4，NMOS管n1，NMOS管n2构成。R1的一端接高电平Vcc，另一端接PMOS管p3的源极，PMOS管p3为二极管连接，其栅极和漏极相连后又接到PMOS管p4的栅极和NMOS管n1的漏极；R2的一端与高电平Vcc相接，另一端接到PMOS管p4的源极，PMOS管p4的栅极接PMOS管p3的栅极，漏极接到二级管连接的NMOS管n2的栅极和漏极，以及NMOS管n1的栅极、NMOS管n3的栅极和二极管连接的三极管Q1的发射极。

镜像支路2由PMOS管p1和NMOS管n3构成，其中PMOS管p1源极接高电平Vcc，栅极与漏极相连后接NMOS管n3的漏极，并接入电流输出模块的PMOS管p2的栅极。NMOS管n3的栅极与偏置产生电路中NMOS管n2的栅极相连，NMOS管n3的源极接地。

反馈支路3包括采样支路和调节支路二部分，采样支路由PMOS管p5，电阻R4，R5组成，PMOS管p5与PMOS管p1的宽长比为m∶1(m取值范围为2-10，一般取做2或者4)，这里设置为4∶1。PMOS管p5的源极接高电平Vcc，栅极接PMOS管p1的栅极，漏极接电阻R4的一端。电阻R4的另一端与电阻R5一端相接，并接到调节支路中NMOS管n4的栅极，R5的另一端接地。调节支路由电阻R3，NMOS管n4和三极管Q1组成。电阻R3的一端接高电平Vcc，另一端与NMOS管n4的漏极和三极管Q1的基极及集电极相接，并接入输出控制信号模块。NMOS管n4的栅极接采样支路中电阻R5和电阻R4相连的一端，NMOS管n4的源极接地。三极管Q1的发射极接偏置产生模块中NMOS管n2的栅极，其集电极与基极相连，接到输出控制信号模块和R3的一端。

电流输出模块4由PMOS管p2组成，PMOS管p2的源极接高电平Vcc，栅极与镜像支路中PMOS管p1的栅极和漏极相接，PMOS管p2的漏极输出偏置电流。

控制信号模块5由反向器INV1组成，其输入端与NMOS管n4的漏极，R3的一端和Q1的基极及集电极相连，反相器INV1输出端输出控制信号CTRL_OUT。

电阻R3，三极管Q1，NMOS管n2形成启动回路，在电源刚上电时，在通路电阻R3，三极管Q1，NMOS管n2中流经电流，电路开始工作。PMOS管p4中的电流流经NMOS管n2，该电流并由二极管连接的NMOS管n2镜像n2中的漏端电流In2到NMOS管n1中，由于NMOS管n1，NMOS管n2的宽长比相同，In1＝In2。Id2由二级管连接的PMOS管p3将In1再次镜像到PMOS管p4中，由于PMOS管p3，PMOS管p4的宽长比相同，而R1电阻大小并不等于R2，Ip3不等于Ip4，Ip3与Ip4的电流大小由下式给出

对于PMOS管p3，-V_gs3＝V_dd-I_n1·R₁-V_x

对于PMOS管p4，-V_gs4＝V_dd-I_n2·R₂-V_x

而PMOS管p3，p4都工作在饱和区，

对于PMOS管p3， $I_{p3}=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_p{C}_{\mathrm{ox}}\frac{W}{L}{(-V_{\mathrm{gs}3}+V_{\mathrm{Tp}})}^2$

对于PMOS管p4， $I_{p4}=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_p{C}_{\mathrm{ox}}\frac{W}{L}{(-V_{\mathrm{gs}4}+V_{\mathrm{Tp}})}^2$

所以Ip4＜Ip3。如果Q1不存在，In2＝Ip4，In2又被镜像到In1，In1减小，如此下去，NMOS管n1，PMOS管p3，NMOS管n2，PMOS管p4中的电流会逐渐减小，最后接近零。为避免这种情况发生，Q1能给NMOS管n2的漏端电流In2提供一个电流分量进行补偿，使I_n2＝I_p4+I_B1，维持偏置主体中的电流稳定。

镜像支路中，NMOS管n3与偏置产生支路中NMOS管n2的宽长比的比值为1∶1，NMOS管n2中的电流被镜像到NMOS管n3中，并进一步通过二极管连接的PMOS管p1将NMOS管n2中的电流镜像到PMOS管p5中，由于PMOS管p5与PMOS管p1的宽长比的比值为4∶1，PMOS管p5中的电流大小为NMOS管n2管中的四倍。

反馈支路中，PMOS管p5中电流大小为NMOS管n2中的四倍，增大调节的灵敏度。由于NMOS管n2中的电流变化会引起PMOS管p5中的电流变化，从而造成R5上的压降变化，使NMOS管n4的栅压发生变化。NMOS管n4的栅压发生变化后，NMOS管n4中的电流In4发生变化，而R3中电流基本保持不变，因为R3中的电流大小为

$I_{R3}=\frac{V_{\mathrm{cc}}-(V_p+V_{\mathrm{gs}\left(n2\right)}+V_{\mathrm{be}})}{R_3}$

NMOS管n4中的电流变化会引起补偿的电流分量I_B1的变化，从而引起NMOS管n2中电流变化。

控制信号模块的反相器中，PMOS管的宽长比很大，4-6倍于反相器中的NMOS管n管的宽长比，这样使得反相器的翻转阈值较小，在NMOS管n4导通时NMOS管n4的漏级电压较小时就能发生翻转，输出高电平的控制信号，反之，NMOS管n4不工作时，反相器输出为零电平，关断其他模块。

如图2所示，当In2相对于In1增大一个不期望的分量ΔI，

I_n2′＝I_n2+ΔI

I_n2′经NMOS管n3，PMOS管p1，PMOS管p2镜像到PMOS管p2中

I_p4＝4I_n2′，

因此，n4的栅级电压增加ΔV＝ΔI·R5，n4中的电流增加

ΔI_n4＝ΔV·g_m(n4)

因为

I_B1+I_n4＝I_R3

$I_{R3}=\frac{V_{\mathrm{cc}}-(V_p+V_{\mathrm{gs}\left(n2\right)}+V_{\mathrm{be}})}{R_3}$

I_B1减小ΔI_n4，NMOS管n2中的电流变为

ΔI_n2＝I_n2+ΔI-ΔI_n3

＝I_n2+ΔI-ΔI_n3

＝I_n2+ΔI-4ΔI·R₅·g_m(n4)

适当的选取R₅，g_m(n4)的值，可以使反馈达到最佳效果。

本实用新型的偏置电路采用四个MOS管和两个电阻构成偏置电路的主体，它们产生与电源无关的偏置电流，镜像回路与反馈回路为电源无关的偏置主体电路提供一个电流分量，对偏置产生电路产生的偏置电流起到一个稳定作用。通过调整R4，R5和R3的大小，可以控制反馈回的电流分量大小，稳定输出。

当本偏置电路的各个参数设定后，电路既可在电源供电的情况下独立的工作在芯片内部。一般该偏置电路都用于芯片上电之初给其他模块提供偏置电流，因此其性能的稳定对芯片至关重要。当启动电路启动偏置电路工作后，电路通过电流镜很快进入正常工作状态。

Claims (4)

1.一种带负反馈的电源偏置电路，其特征在于：该电路包括偏置产生电路(1)，镜像支路(2)，反馈支路(3)和电流输出支路(4)；

偏置产生电路(1)用于产生与电源无关的偏置电流，它由电流源I1、I2和NMOS管n1、n2组成，NMOS管n1、n2组成电流镜结构，两者栅宽和宽长比均相等；电流源I1一端接高电平Vcc，另一端接n1的漏极；电流源I2的一端接高电平Vcc，另一端与NMOS管n2漏极相接，并接入镜像支路(2)；NMOS管n1的栅极接NMOS管n2的栅极，并与NMOS管n2的漏级相接；NMOS管n1和n2的源极接地；

镜像支路(2)用于镜像偏置产生电路(1)中的电流，并将电流镜像到电流输出支路(4)；镜像支路(2)由PMOS管p1和NMOS管n3组成；PMOS管p1的源极接高电平Vcc，其栅极与漏极相连，接入电流输出支路(4)，并接到NMOS管n3的漏极；NMOS管n3与NMOS管n2的宽长比相等，NMOS管n3的栅极与NMOS管n2的漏极相接，NMOS管n3源极接地；

反馈支路(3)用于产生电流反馈量，调整偏置产生电路(1)中的偏置电流大小；反馈支路(3)由电流源I3和等效开关SW组成；电流源I3的一端接高电平Vcc，另一端与SW一端相接，SW的另一端与偏置产生电路(1)中NMOS管n2的漏极相接；

电流输出支路(4)用于输出稳定的偏置电流，电流输出支路(4)由PMOS管p2组成PMOS管p2的源极接高电平Vcc，栅极与镜像支路(2)中PMOS管p1的栅极相接，漏极输出偏置电流。

2.根据权利要求1所述的带负反馈的电源偏置电路，其特征在于：偏置产生电路(1)由电阻R1、R2，PMOS管p3、p4和NMOS管n1、n2构成，PMOS管p3、p4的宽长比相同；电阻R1的一端接高电平Vcc，另一端接PMOS管p3的源极，PMOS管p3为二极管连接，其栅极和漏极相连后又接到PMOS管p4的栅极和NMOS管n1的漏极；电阻R2的一端与高电平Vcc相接，另一端接到PMOS管p4的源极，PMOS管p4的栅极接PMOS管p3的栅极，漏极接到二级管连接的NMOS管n2的栅极和漏极，以及NMOS管n1的栅极、NMOS管n3的栅极和二极管连接的三极管Q1的发射极。

3.根据权利要求1或2所述的带负反馈的电源偏置电路，其特征在于：反馈支路(3)包括采样支路和调节支路，采样支路由PMOS管p5，电阻R4，R5组成，PMOS管p5与PMOS管p1的宽长比为m：1，m取值范围为2-10；PMOS管p5的源极接高电平Vcc，栅极接PMOS管p1的栅极，漏极接电阻R4的一端；电阻R4的另一端与电阻R5一端相接，并接到调节支路中NMOS管n4的栅极，R5的另一端接地；调节支路由电阻R3，NMOS管n4和三极管Q1组成；电阻R3的一端接高电平Vcc，另一端与NMOS管n4的漏极和三极管Q1的基极及集电极相接，并接入输出控制信号模块；NMOS管n4的栅极接采样支路中电阻R5和电阻R4相连的一端，NMOS管n4的源极接地；三极管Q1的发射极接偏置产生模块中NMOS管n2的栅极，其集电极与基极相连，接到输出控制信号模块和R3的一端。

4.根据权利要求3所述的带负反馈的电源偏置电路，其特征在于：m取值为2或者4。