TW201822462A - 源極隨耦器 - Google Patents
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Abstract
一種源極隨耦器，具有第一電晶體、第一輸出模組、第二電晶體、第二輸出模組與回授模組。第一電晶體的第一端用以接收第一基準電壓。第一電晶體的第二端電性連接第一輸出端。第一電晶體的控制端用以接收第一控制電壓。第一輸出模組電性連接第一輸出端。第二電晶體的第一端用以接收第一基準電壓。第二電晶體的第二端電性連接第二輸出端。第二電晶體的控制端用以接收第一控制電壓。第二輸出模組電性連接第二輸出端。回授模組電性連接第一電晶體的控制端、第二電晶體的控制端與第二輸出模組中的參考節點。
Description
本發明係關於一種源極隨耦器，特別是一種具有回授電路的源極隨耦器。
在傳統的電路設計上，會設置源極隨耦器（source follower）電路於可程式化增益放大器（programmable gain amplifier, PGA）的前端。相較於不具源極隨耦器的電路，在設置有源極隨耦器的電路中，相對於可程式化增益放大器而言，其前端電路所提供的輸出阻抗會較低。在一種做法中，源極隨耦器會例如使用金屬氧化物半導體場效電晶體（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）當做緩衝器與轉換阻抗。但是，源極隨耦器中的元件容易受到製程、電壓與溫度（process, voltage and temperature, PVT）影響而有程度不一的老化，從而導致源極隨耦器因為這些因素而輸出預期之外的電壓或者是電流，以致於整體電路的效能也會受到影響。
本發明在於提供一種源極隨耦器，以克服製程、電壓與溫度對輸出電壓電流的影響。
本發明揭露了一種源極隨耦器，所述的源極隨耦器具有第一電晶體、第一輸出模組、第二電晶體、第二輸出模組與回授模組。第一電晶體的第一端用以接收第一基準電壓。第一電晶體的第二端電性連接第一輸出端。第一電晶體的控制端用以接收第一控制電壓。第一電晶體用以依據第一控制電壓產生第一電流。第一輸出模組電性連接第一輸出端。第一輸出模組依據輸入訊號與第一電流提供輸出電壓至第一輸出端。第二電晶體的第一端用以接收第一基準電壓。第二電晶體的第二端電性連接第二輸出端。第二電晶體的控制端用以接收第一控制電壓。第二電晶體用以依據第一控制電壓產生第二電流。第二輸出模組電性連接第二輸出端。第二輸出模組依據第二基準電壓與第二電流提供共模電壓至第二輸出端。回授模組電性連接第一電晶體的控制端、第二電晶體的控制端與第二輸出模組中的參考節點。回授模組用以依據參考電壓調整參考節點的電壓準位與第一控制電壓的電壓準位。
綜合以上所述，本發明所提供的源極隨耦器具有回授模組，源極隨耦器係藉由回授模組穩定所輸出的電流。因此，即使受到製程、電壓與溫度的影響，源極隨耦器所輸出的電流仍不至於有太大的偏移，從而克服了製程、電壓與溫度對於源極隨耦器電流的影響。
以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。
以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。
請參照圖1，圖1係為根據本發明一實施例所繪示之源極隨耦器的電路示意圖。如圖1所示，源極隨耦器1具有第一電晶體T1、第一輸出模組12、第二電晶體T2、第二輸出模組14與回授模組16。
第一電晶體T1的第一端用以接收第一基準電壓VDD。第一電晶體T1的第二端電性連接第一輸出端NO1。第一電晶體T1的控制端用以接收第一控制電壓VC。第一電晶體T1用以依據第一控制電壓VC產生第一電流IB1。第二電晶體T2的第一端用以接收第一基準電壓VDD。第二電晶體T2的第二端電性連接第二輸出端NO2。第二電晶體T2的控制端用以接收第一控制電壓VC。第二電晶體T2用以依據第一控制電壓VC產生第二電流IB2。在此實施例中，第一電晶體T1與第二電晶體T2例如為P型金屬半導體氧化物場效電晶體，但不以此為限。第一基準電壓VDD例如為系統中一個相對高的電壓準位，第二基準電壓GND例如為系統中一個相對低的電壓準位，且第一基準電壓VDD高於第二基準電壓GND。然上述電晶體的類型與基準電壓的相對高低係為所屬技術領域具有通常知識者經詳閱本說明書後可自由設計，在此並不加以限制。
第一輸出模組12電性連接第一輸出端NO1。第一輸出模組12依據輸入訊號VIN與第一電流IB1提供輸出電壓VIN_SF至第一輸出端NO1。第二輸出模組14電性連接第二輸出端NO2。第二輸出模組14依據第二基準電壓GND與第二電流IB2提供共模電壓VCM至第二輸出端NO2。
回授模組16電性連接第一電晶體T1的控制端、第二電晶體T2的控制端與第二輸出模組14中的參考節點N2。回授模組16用以依據參考電壓VREF調整參考節點N2的電壓準位VN與第一控制電壓VC的電壓準位。
更詳細地來說，在圖1所示的實施例中，第一輸出模組12例如具有第三電晶體T3與第一電阻R1。第三電晶體T3的第一端電性連接第一電晶體T1的第二端。第三電晶體T3的控制端用以接收輸入電壓VIN。第一電阻R1的一端電性連接第三電晶體T3的第二端。第一電阻R1的另一端用以接收第二基準電壓GND。
此外，第一輸出模組12例如具有第一二極體D1與第二二極體D2。第一二極體D1的陽極端電性連接第三電晶體T3的控制端。第一二極體D1的陰極端用以接收第二基準電壓GND。第二二極體D2的陽極端用以接收第二基準電壓GND。第二二極體D2的陰極端電性連接第三電晶體T3的控制端。第一二極體D1與第二二極體D2係做為偏壓單元使用，以給定第三電晶體T3的控制端接收到的電壓。需注意的是，以第一二極體D1與第二二極體D2做為偏壓單元係為一種選擇性的設計，源極隨耦器並不必然具有第一二極體D1與第二二極體D2。第一二極體D1與第二二極體D2例如為多晶矽二極體（poly- silicon diode）。
第二輸出模組14例如具有第四電晶體T4與第二電阻R2。第四電晶體T4的第一端電性連接第二電晶體T2的第二端。第四電晶體T4的控制端用以接收第二基準電壓GND。第二電阻R2的一端電性連接第四電晶體T4的第二端。第二電阻R2的另一端用以接收第二基準電壓GND。
於一實施例中，第二輸出模組14包括第三二極體與第四二極體。第三二極體的陽極端電性連接第四電晶體T4的控制端。第三二極體的陰極端用以接收第二基準電壓GND。第四二極體的陽極端用以接收第二基準電壓GND。第四二極體的陰極端電性連接第四電晶體T4的控制端。第三二極體與第四二極體係做為偏壓單元使用，以給定第四電晶體T4的控制端接收到的電壓。另一方面，當第一輸出模組12具有第一二極體D1與第二二極體D2時，第二輸出模組14也具有第三二極體與第四二極體更可提升整體電路的對稱性。第三二極體與第四二極體例如為多晶矽二極體。
在圖1所示的實施例中，回授模組16包含運算放大器OP。運算放大器OP的第一輸入端NIN1用以接收參考電壓VREF。運算放大器OP的第二輸入端NIN2電性連接參考節點N2。運算放大器OP的輸出端NO電性連接第一電晶體T1的控制端與第二電晶體T2的控制端。運算放大器OP經由輸出端NO提供第一控制電壓VC。在這樣的架構之下，基於放大器輸入端的虛短路特性，參考節點N2的電壓準位VN大致上會相等於參考電壓VREF，而且第二電阻R2基本上係屬被動元件而較不受到製程、電壓與溫度的影響，因此流經第二電阻R2的電流大致上為定值。另一方面，第一電晶體T1與第二電晶體T2係組成電流鏡，因此流經第一電晶體T1與第三電晶體的第一電流IB1也得以較不受到製程、電壓與溫度的影響。藉由上述的電路結構，源極隨耦器1得以避免了當第四電晶體T4的特性因為製程、電壓與溫度而變動時所造成的電壓電流漂移。
請參照圖2，圖2係為根據本發明另一實施例所繪示之源極隨耦器的電路示意圖。如圖2所示，源極隨耦器2具有第一電晶體T1、第一輸出模組22、第二電晶體T2、第二輸出模組24與回授模組26。其中，第一電晶體T1、第一輸出模組22、第二電晶體T2與第二輸出模組24之間的連接關係與電路架構大致上相仿於圖1所示的實施例，於此不再贅述。於圖2所示的實施例中，第一輸出模組22具有參考節點N1，參考節點N1具有電壓準位VP。回授模組26電性連接參考節點N1，且回授模組26依據參考電壓VREF調整參考節點N1的電壓準位VP。在圖2所示的實施例中，回授模組26具有第一差動對262、第二差動對264與匯流單元266。以下就第一差動對262、第二差動對264與匯流單元266分別進行說明。
第一差動對262具有第一控制端NC1、第二控制端NC2、第一電流端NI1、第二電流端NI2與第三電流端NI3。第一控制端NC1電性連接參考節點N2。第二控制端NC2用以接收參考電壓VREF。第一差動對262用以依據第一控制端NC1的電壓準位與第二控制端NC2的電壓準位控制流經第一電流端NI1的電流、流經第二電流端NI2的電流與流經第三電流端NI3的電流。更詳細地來說，第一差動對262例如具有第五電晶體T5與第六電晶體T6。第五電晶體T5的第一端電性連接第一電流端NI1。第五電晶體T5的第二端電性連接第二電流端NI2。第五電晶體T5的控制端電性連接第一控制端NC1。第六電晶體T6的第一端電性連接第一電流端NI1。第六電晶體T6的第二端電性連接第三電流端NI3。第六電晶體T6的控制端電性連接第二控制端NC2。流經第一電流端NI1的電流大致上為流經第二電流端NI2的電流與流經第三電流端NI3的電流的總和。而第一控制端NC1的電壓準位與第二控制端NC2的電壓準位的相對大小則影響流經第二電流端NI2的電流與流經第三電流端NI3的電流之間的比例。
第二差動對264具有第三控制端NC3、第四控制端NC4、第四電流端NI4、第五電流端NI5與第六電流端NI6。第三控制端NC3用以接收參考電壓VREF。第四控制端NC4電性連接參考節點N1。第二差動對264用以依據第三控制端NC3的電壓準位與第四控制端NC4的電壓準位控制流經第四電流端NI4的電流、流經第五電流端NI5的電流與流經第六電流端NI6的電流。更詳細地來說，第二差動對264例如具有第七電晶體T7與第八電晶體T8。第七電晶體T7的第一端電性連接第四電流端NI4。第七電晶體T7的第二端電性連接第五電流端NI5。第七電晶體T7的控制端電性連接第三控制端NC3。第八電晶體T8的第一端電性連接第四電流端NI4，第八電晶體T8的第二端電性連接第六電流端NI6，第八電晶體T8的控制端電性連接第四控制端NC4。流經第四電流端NI4的電流大致上為流經第五電流端NI5的電流與流經第六電流端NI6的電流的總和。而第三控制端NC3的電壓準位與第四控制端NC4的電壓準位的相對大小則影響流經第五電流端NI5的電流與流經第六電流端NI6的電流之間的比例。
匯流單元266電性連接第一電晶體T1的控制端與第二電晶體T2控制端。匯流單元266具有第一匯流端NS1與第二匯流端NS2。第一匯流端NS1電性連接第三電流端NI3與第五電流端NI5。第二匯流端NS2電性連接第二電流端NI2與第六電流端NI6。匯流單元266用以依據流經第二電流端NI2的電流、流經第三電流端NI3的電流、流經第五電流端NI5的電流與流經第六電流端NI6的電流，以控制流經第一電晶體T1的電流與控制流經第二電晶體T2的電流。
更詳細地來說，匯流單元266例如具有第九電晶體T9與第十電晶體T10。第九電晶體T9的第一端電性連接第一匯流端NS1。第九電晶體T9的第二端用以接收第二基準電壓GND。第九電晶體T9的控制端電性連接第一匯流端NS1。第十電晶體T10的第一端電性連接第二匯流端NS2。第十電晶體T10的第二端用以接收第二基準電壓GND。第十電晶體T10的控制端電性連接第二匯流端NS2。從另一個角度來說，第九電晶體T9係用以匯流流經第六電晶體T6的電流與流經第七電晶體T7的電流，第十電晶體T10係用以匯流流經第五電晶體T5的電流與流經第八電晶體T8的電流。
除了如上所述的元件之外，源極隨耦器2具有第十一電晶體T11與第十二電晶體T12。第十一電晶體T1的第二端用以接收第二基準電壓GND。第十一電晶體T1的控制端電性連接第十電晶體T10的控制端。第十二電晶體T12的第一端用以接收第一基準電壓VDD。第十二電晶體T12的第二端電性連接第十一電晶體T11的第一端。第十二電晶體T12的控制端電性連接第十二電晶體T12的第二端。且第十二電晶體T12的控制端電性連接第一電晶體T1的控制端與第二電晶體T2的控制端。其中第十二電晶體T12用以與第一電晶體T1組成電流鏡，且第十二電晶體T12用以與第二電晶體T2組成電流鏡。第十一電晶體T11則用以與匯流單元266中的第十電晶體10組成電流鏡以作為電流源提供相應的電流給第十二電晶體T12。
源極隨耦器2具有第十三電晶體T13、第十四電晶體T14、第十五電晶體T15與電流源IDC。第十三電晶體T13的第一端用以接收第一基準電壓VDD。第十三電晶體T13的第二端電性連接第一電流端NI1。第十四電晶體T14的第一端用以接收第一基準電壓VDD。第十四電晶體T14的第二端電性連接第四電流端NI4。第十五電晶體T15的第一端用以接收第一基準電壓VDD。第十五電晶體T15的第二端電性連接電流源IDC的一端。第十五電晶體T15的控制端電性連接第十三電晶體T13的控制端、第十四電晶體T14的控制端與十五電晶體T15的第二端。電流源IDC的另一端用以接收第二基準電壓GND。其中，第十三電晶體T13、第十四電晶體T4與十五電晶體T15係組成電流鏡，以提供電流給第一差動對262與第二差動對264。
綜合以上所述，本發明所提供的源極隨耦器具有回授模組，且源極隨耦器具有至少一個電阻等被動元件。藉由設置回授模組與電阻等被動元件如前述各實施例的結構，源極隨耦器得以穩定所輸出的電流。即使受到製程、電壓與溫度的影響，而使得元件老化或者是特性有所變異，源極隨耦器所輸出的電流仍不至於有太大的偏移，從而克服了以往製程、電壓與溫度對於源極隨耦器電流的影響。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
1、2‧‧‧源極隨耦器
12、22‧‧‧第一輸出模組
14、24‧‧‧第二輸出模組
16、26‧‧‧回授模組
262‧‧‧第一差動對
264‧‧‧第二差動對
266‧‧‧匯流單元
D1、D2‧‧‧二極體
VDD、GND‧‧‧基準電壓
IB1、IB2‧‧‧電流
IDC‧‧‧電流源
NC1~NC4、NI1~NI6、NIN1、NIN2‧‧‧端點
NO、NO1、NO2、NS1、NS2‧‧‧端點
N1、N2‧‧‧參考節點
OP‧‧‧運算放大器
R1、R2‧‧‧電阻
T1~T15‧‧‧電晶體
VC‧‧‧控制電壓
VCM‧‧‧共模電壓
VIN‧‧‧輸入電壓
VIN_SF‧‧‧輸出電壓
VREF‧‧‧參考電壓
圖1係為根據本發明一實施例所繪示之源極隨耦器的電路示意圖。 圖2係為根據本發明另一實施例所繪示之源極隨耦器的電路示意圖。
Claims (13)
- 一種源極隨耦器，包括：一第一電晶體，該第一電晶體的第一端用以接收一第一基準電壓，該第一電晶體的第二端電性連接一第一輸出端，該第一電晶體的控制端用以接收一第一控制電壓，該第一電晶體用以依據該第一控制電壓產生一第一電流；一第一輸出模組，電性連接該第一輸出端，該第一輸出模組依據一輸入訊號與該第一電流提供一輸出電壓至該第一輸出端；一第二電晶體，該第二電晶體的第一端用以接收該第一基準電壓，該第二電晶體的第二端電性連接一第二輸出端，該第二電晶體的控制端用以接收該第一控制電壓，該第二電晶體用以依據該第一控制電壓產生一第二電流；一第二輸出模組，電性連接該第二輸出端，該第二輸出模組依據一第二基準電壓與該第二電流提供一共模電壓至該第二輸出端；以及一回授模組，電性連接該第一電晶體的控制端、該第二電晶體的控制端與該第二輸出模組中的一參考節點，該回授模組用以依據一參考電壓調整該參考節點的電壓準位與該第一控制電壓的電壓準位。
- 如請求項1所述之源極隨耦器，其中該第一輸出模組具有另一參考節點，該回授模組電性連接該另一參考節點，且該回授模組依據該參考電壓調整該另一參考節點的電壓準位，該回授模組包括：一第一差動對，具有一第一控制端、一第二控制端、一第一電流端、一第二電流端與一第三電流端，該第一控制端電性連接該參考節點，該第二控制端用以接收該參考電壓，該第一差動對用以依據該第一控制端的電壓準位與該第二控制端的電壓準位控制流經該第一差動對的該些電流端的電流；一第二差動對，具有一第三控制端、一第四控制端、一第四電流端、一第五電流端與一第六電流端，該第三控制端用以接收該參考電壓，該第四控制端電性連接該另一參考節點，該第二差動對用以依據該第三控制端的電壓準位與該第四控制端的電壓準位控制流經該第二差動對的該些電流端的電流；以及一匯流單元，該匯流單元電性連接該第一電晶體與該第二電晶體，且該匯流單元具有一第一匯流端與一第二匯流端，該第一匯流端電性連接該第三電流端與該第五電流端，該第二匯流端電性連接該第二電流端與該第六電流端，該匯流單元用以依據流經該第三電流端的電流、流經該第四電流端的電流、流經該第五電流端的電流與流經該第六電流端的電流控制流經該第一電晶體的電流與流經該第二電晶體的電流。
- 如請求項2所述之源極隨耦器，其中，該第一差動對包含一第五電晶體與一第六電晶體，該第二差動對包含一第七電晶體與一第八電晶體，該第五電晶體的第一端電性連接該第一電流端，該第五電晶體的第二端電性連接該第二電流端，該第五電晶體的控制端電性連接該第一控制端，該第六電晶體的第一端電性連接該第一電流端，該第六電晶體的第二端電性連接該第三電流端，該第六電晶體的控制端電性連接該第二控制端，該第七電晶體的第一端電性連接該第四電流端，該第七電晶體的第二端電性連接該第五電流端，該第七電晶體的控制端電性連接該第三控制端，該第八電晶體的第一端電性連接該第四電流端，該第八電晶體的第二端電性連接該第六電流端，該第八電晶體的控制端電性連接該第四控制端。
- 如請求項2所述之源極隨耦器，其中，該匯流單元包括一第九電晶體與一第十電晶體，該第九電晶體的第一端電性連接該第一匯流端，該第九電晶體的第二端用以接收該第二基準電壓，該第九電晶體的控制端電性連接該第一匯流端，該第十電晶體的第一端電性連接該第二匯流端，該第十電晶體的第二端用以接收該第二基準電壓，該第十電晶體的控制端電性連接該第二匯流端。
- 如請求項4所述之源極隨耦器，包含一第十一電晶體與一第十二電晶體，該第十一電晶體的第二端用以接收該第二基準電壓，該第十一電晶體的控制端電性連接該第十電晶體的控制端，該第十二電晶體的第一端用以接收該第一基準電壓，該第十二電晶體的第二端電性連接該第十一電晶體的第一端，該第十二電晶體的控制端電性連接該第十二電晶體的第二端，且該第十二電晶體的控制端電性連接該第一電晶體的控制端與該第二電晶體的控制端。
- 如請求項5所述之源極隨耦器，包含一第十三電晶體、第十四電晶體、一第十五電晶體與一電流源，該第十三電晶體的第一端用以接收該第一基準電壓，該第十三電晶體的第二端電性連接該第一電流端，該第十四電晶體的第一端用以接收該第一基準電壓，該第十四電晶體的第二端電性連接該第四電流端，該第十五電晶體的第一端用以接收該第一基準電壓，該第十五電晶體的第二端電性連接該電流源的一端，該第十五電晶體的控制端電性連接該第十三電晶體的控制端、第十四電晶體的控制端與該十五電晶體的第二端，該電流源的另一端用以接收該第二基準電壓。
- 如請求項1所述之源極隨耦器，其中，該回授模組包含一放大器，該放大器的第一輸入端用以接收該參考電壓，該放大器的第二輸入端電性連接該參考節點，該放大器的輸出端電性連接該第一電晶體的控制端與該第二電晶體的控制端，該放大器經由輸出端提供該第一控制電壓。
- 如請求項1至請求項7中任一所述之源極隨耦器，其中該第一輸出模組包括：一第三電晶體，該第三電晶體的第一端電性連接該第一電晶體的第二端，該第三電晶體的控制端用以接收該輸入電壓；以及一第一電阻，該第一電阻的一端電性連接該第三電晶體的第二端，該第一電阻的另一端用以接收該第二基準電壓。
- 如請求項8所述之源極隨耦器，其中該第一輸出模組包括一第一二極體與一第二二極體，該第一二極體的陽極端電性連接該第三電晶體的控制端，該第一二極體的陰極端用以接收該第二基準電壓，該第二二極體的陽極端用以接收該第二基準電壓，該第二二極體的陰極端電性連接該第三電晶體的控制端。
- 如請求項9所述之源極隨耦器，其中該第一二極體與該第二二極體為多晶矽二極體（poly- silicon diode）。
- 如請求項8所述之源極隨耦器，其中該第二輸出模組包括：一第四電晶體，該第四電晶體的第一端電性連接該第二電晶體的第二端，該第四電晶體的控制端用以接收該第二基準電壓；以及一第二電阻，該第二電阻的一端電性連接該第四電晶體的第二端，該第二電阻的另一端用以接收該第二基準電壓。
- 如請求項11所述之源極隨耦器，其中該第二輸出模組包括一第三二極體與一第四二極體，該第三二極體的陽極端電性連接該第四電晶體的控制端，該第三二極體的陰極端用以接收該第二基準電壓，該第四二極體的陽極端用以接收該第二基準電壓，該第四二極體的陰極端電性連接該第四電晶體的控制端。
- 如請求項12所述之源極隨耦器，其中該第三二極體與該第四二極體為多晶矽二極體。
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