TWI353501B - Circuit and method for canceling input bias curren - Google Patents

Description

1353501 100年3月29日修正替換頁 I國法典第35篇第119條規

本專利申請案主張2006年8月31日所申請的臨時專 利申請案第60/841,889號的優先權，該案的標題為「用於 輸入偏塵電流消除之寬輸入共同模式」，該案已讓與本案 的受讓人，因此，本文以引用的方式將其明確併入。本專 利申請案還主張2006年12月6日所提出的仍㈣ 11/636,348的優先權’該案的標題為「用於輸入偏壓電流消 除之寬輸入共同模式」，本文以引用的方式將其併入 【發明所屬之技術領域】 本發明的實施例大致係關於運算放大器的領域 【先前技術】 在放大器中使用雙載子電晶體係在許多方面優於 C Μ Ο S ’例如大增益、較佳的匹配性、以及較佳的雜訊效能: 不過’因電流的存在而造成@ BJT放大器的有限輸入阻抗 卻可能是一項主要的限制。

九、發明說明·· 為了降低雙極差動對的輸人偏壓電流，已經發展出 輸入偏壓電流消除的概念。一般來說，輸入偏壓電流的消 除係牵"到在内部供應相同的偏壓電流量給該輸入。不 過，習知的輸入偏壓電流消除方法卻需要該電路具有大額 的電壓餘裕（於特定情況中會高彡2v)以便正確地運作；但 是，現今的低電壓應用么 : ’用部不允許有如此龐大的電壓餘裕。 最近已經有人努 力刀降低輸入偏壓電流消除電路所需要 的電壓餘裕。舉例來却 _ , °兄’圖1所示的便係由Linear技術公 5 1353501 100年3月29曰修正替換頁 司所製造的LT1678/LT1769運算放大器 ⑽之中，為了防止輸入電晶體Q1肖Q2進入飽和，輸入 電壓必須不超過供應電壓（圖i中的+Vs)減去Q4與 的集極-射極電壓。換言之’運算放大器1〇〇的高出的電壓 (V〇Uage 〇Verhead)為2VcE(sat)。不過，對低電壓應用來糊 如使用2V電源供應器的應用），仍無法接受此高出的電壓。 再者’ Q4與Q7的VcE的不匹配以及相關電流鏡的基極電 流也會造成大量的額外誤差。於特定的情況中，於應用時 所需要的電壓餘裕會低至〇.iV。 【發明内容】 本發明内容係以簡化的方式來介紹本發明的選定概 J，在實施方式中則會進一步地說明該等概念。本發明内 谷的目的並非是要確認本發明所主張的主要内容的關鍵特 或必要特點’亦並非是要用來限制本發明所主張要 内容的範疇。 、發月來說，本文所述的係一種輸入偏麼電 技術。該項技術包含-雙極差動對，“與―供應電^、 耦接。該雙極差動對包含一第一 ^ 电日日體與—第二電晶體。 該項技術還進一步包含一鈐Λ伯广 ^ 3輸入偏壓電流消除電路，1#盥 該雙極差動對耦接並且包含一 1古一隹拉弟—電日日體。邊苐三電晶體 具有 术極··射極電壓VCE ,且兮雔权¥ & μ 6亥雙極差動對可運作用以接 收一大於VCC-2VCE的輸入電嚴， 作在飽和區之中。 而不會讓该第二電晶體運 因此’本發明的實施例提供偏壓電流消除且所需要的 6 1353501 100年3月29日修正替換頁 電壓餘裕遠小於圖1的運算放大器-- 2VCE(sat)。本發明的某些實施例可讓電壓餘裕低至一個 VCE(sath這會讓本發明的實施例非常有利於使用在低電壓 應用中，該等應用中的電壓餘裕是非常寶貴的。再者，本 發明的特定實施例還能夠藉由降低爾利效應（Eady 以進一步降低誤差。因此，本發明的實施例能夠達成最大 輸入電壓範圍’同時又可最小化誤差。 【實施方式】

現在將詳細地說明本發明 施例的範例已圖解在附圖之中 施例來說明本發明，不過，應 非係要將本發明侷限在該些實 涵蓋可能落在申請專利範圍所 内的所有變化例、修正例、以 的詳細說明中係提出許多明確 明。不過，熟習本技術的人士 確細節仍可實行本發明。於其 所热知的方法、程序、組件、 觀點造成不必要的混淆。 的較佳實施例，該等較佳實 。雖然本文將會配合較佳實 該瞭解的是，它們的目的並 施例。相反地，本發明希望 定義之本發明的精神與範疇 及等效例。再者，在本發明 細節，以便徹底地瞭解本發 便會明白’即使沒有前述明 它實例中並不會詳細說明眾 以及電路，以免對本發明的 簡言之，本發明的實施例係關於利用較小的高出的電 壓來消除輸入偏壓電流的方法與電路。在某些實施例中， 了達到低至0.1V或lVcE(sat)之向出的電壓。 圖2所示的係根據本發明各實施例的電路2〇〇的方塊 圖。電路200非常適合用於放大器之中。不過，應該明白 7 1353501 的是，電路200亦可使用在其它應用中。^路200包含 雙極差動對210，其包括一第一電晶體Q1與一第二電晶體 Q2 Q 1與Q2係耗接供應電壓vcc(透過電阻器）。電路2〇〇 還包含一輸入偏壓電流消除電路22(^於其中一實施例中， 電路200係包含一第三電晶體（圖中並未顯示），其係具有一 集極-射極電壓vCE。輸入偏壓電流消除電路22〇係被設計 成用以讓該雙極差動對210可運作用以接收高達Vcc_Vce 的輸入電壓，而不會讓該第三電晶體進入飽和區之中。因 此S正在接收大於VCC-2VCE的輸入電壓時，電路2〇〇仍 可繼續正常運作，這與圖i的運算放大器1〇〇不同，在圖i 的運算放大器1〇〇t，輸入電壓大於Vcc_2VceB寺，電晶體 Q4、Q5以及Q6便會飽和。 圖3所示的係根據本發明的各實施例，用於消除一雙 極差動對210的輸入偏壓電流的電路3〇〇。雙極差動對 系由電桃源3 1 0所產生的電流Iuil來驅動。電流源係 籲產生電流Itail/N，該電流與Itail具有1/N的比你卜電流源 320係驅動電晶體Q3的射極電流。因為的射極電流和 Q 1與Q2的射極電流成比例，所以，其基極電流也會與〇 1 與Q2的基極電流成比例。 Q3和Qp3的基極電流係由一基極電流感測電路來感 測从於實施例中，該基極電流感測電路包括電晶體Qp〇。 接耆，—電流鏡（舉例來說，f曰曰曰體Qpi與Qp2)便會鏡射 :該基極電流感測電路（舉例來說，Qp〇)所感測到的基極電 為達此目的，QPI係針對Q1 #基極來鏡射Q3的基極 8 1353501 100年3月29日修正替換頁 射Q3的基極電流。 QP2必須將q3的基 電流，而QP2則會針對q2的基極來鏡 應該明白的是’電流鏡電晶體QP丨與 極電流再放大N倍。

因此，輸入偏壓電流消除電路22〇實質上會將相同量 的電流施加至雙極差動對21〇的該等基極處，讓該錐極差 動對的基極使用。電路30。僅需要〜的電壓餘裕；可防 止電晶體ΦΜ與QP2進人飽和。舉例來說，騎止奶進 入飽和’被施加至Q1的基極的輸入電壓必須不超過供應電 壓（VCC)扣除QP1的集極_射極電壓。同樣地，為防止⑽ 進入飽和，被施加至Q2的基極的輸人電壓必須不超過供库 電壓VCC扣除QP2的集極_射極電壓。 、‘β 電路则可加以修正，則更最小化可能的爾利效應。 + ®4所示的係包含爾利效應消除電路410的— 用於消除輸人偏壓電流的電m該爾利效應消除電路 410係用來讓QP0的集極實質上維持在和Qpi的集極盘 Γ的集極相同的電壓處。於一實施例中，爾利效應消除 電路川係在電晶冑州處㈣該雙極差動對 二集極實質上"？1的集極與Qp2的集極具有相同的電 S因為其係位在φ的射極與Q2的射極之上的一個基極 #射極電塵處，而Q1的射極與Q2的射極則係位於_的 木極二、QP2的集極之下的_個基極_射極電塵處。〇ρ4的 由二係耦接一電壓隨動(v〇hage 丨，“)放大器㈣的其 opo的Γ入電壓^動放大器420的另一個輸入則會輕接 ，集極。因此，QP0的集極實質上係維持在和Qpi的 9 1353501 = ------- 100年3月29日修正替換頁 集極與QP2的集極相同的電壓處。 圖5所示的係根據本發明的各實施例，用於進行偏壓 電流消除的流程圖500。流程圖5 〇〇包含本文中所使用的發 明各實施例的示範性過程。雖然在流程圖5〇〇中已經揭示 、 特定的作業，不過，此等作業均為示範性作業。流程圖50〇 可不包含所有圖5中所示的作業。另外，流程圖5〇〇亦可 包含各種其它作業及/或圖5所示作業的變化例。同樣地， • 流程圖5 0 0的作業順序亦可加以修改。 方塊5 1 0包含產生一和第一電流成比例的第二電流， 該第一電流係驅動一雙極差動對。方塊52〇包含利用該第 一電流來偏壓一電晶體。於一實施例中，該第二電流係驅 動該電晶體的射極電流。假設該等電晶體運作在主動區之 中，則施加該第二電流至該電晶體的射極便會產生該電晶 體的對應集極電流與基極電流。因為該電晶體的射極電流 和《•亥雙極差動對的射極電流成比例，所以，該等電晶體的 φ 基極電流同樣會與該雙極差動對的基極電流成比例。 方塊530包含針對該雙極差動對的基極來鏡射該電晶 體的基極電流。應該明白的是，該電流鏡可放大該電晶體 的基極電流，以便考量該第二電流與該第一電流的比例。 因此，藉由施加如同該雙極差動對的該等基極的基極電流 所鴻要之相同1的電流至該雙極差動對的該等基極，則便 會有效地消除該雙極差動對的輸入處的任何外部輸入偏壓 電流情形（也就是，被轉離該雙極差動對）。 方塊5 4 0包含將該電晶體的基極維持在實質上和該雙 10 1353501 、， 10〇年3月29曰修正替換頁 極差動對的該等基極相同 L---- 鹿。热ϋ由 门的電壓處。廷係用來補償爾利效 " ，—第二電晶體（舉例來說，QP0)係感測 弟一 ％晶體（舉例來說，q3 ) 帝 、ώ V )的基極电W。接者便可利用一電 抓叙來鏡射第二電晶體（舉 1牛例米況，QP0)所看到的第一電晶 +歹"4 ’ Q3)的基極電流。為了消除爾利效應，第 晶體（舉例來說，qp〇)應該 心 v 及被偏壓至和忒電流鏡相同的狀態 處。於-實施例令，藉由將第一電晶體（舉例來說，⑼的基 極維持在實質上和該雙極差動對㈣等基極相同的電麼處 (因而也會將第二電晶體(舉例來說，Qp〇)的集極維持在實質 上和該雙極差動對的該等基極相同的電壓處)便可達成此目 的0 因此，本發明的實施例提供偏壓電流消除且所需要的 電壓餘裕遠小於圖i的運算放大器1〇〇所需要的 2VCE(sat)。本發明的某些實施例可讓電壓餘裕低至一個 VCE(sat)。這會讓本發明的實施例非常有利於使用在低電壓 應用之中，s亥等應用中的電壓餘裕是非常寶貴的。再者， 本發明的某些實施例還能夠藉由降低爾利效應以進一步降 低誤差。因此，本發明的實施例能夠達成最大輸入電壓範 圍，同時又可最小化誤差。 本文所揭實施例在前面的說明可讓熟習本技術的任何 人士製造或使用本發明。熟習本技術的人士便會明白前述 實施例的各種修正例’且本文所定義的一般性原理亦可套 用在其它實施例，其並未脫離本發明的精神或範疇。因此， 本發明並不希望侷限在本文所示的實施例，而希望和符合 11 1353501 本文所揭示之为搜Β k 原理及新穎特點的最廣範疇 【圖式簡單說明】 IW附圖式中所不的係本發明的實施例 本說明書之中並且構成本說明書的一部份 面的說明來解釋本發明的原理： 固 大器的示意圖 100年3月29日修正替換頁 致 它們係内含在 它們會連同上 f示的係運用輸入偏壓電流消除的-習知運算放

圖2所示的係根據本發明各實施例 流消除的—電路的方塊圖。 ，運用輸入偏壓電 圖3所示的係根據本發明各實施例，用於 差動對的輸入偏壓電流的電路。 μ X極 圖4所不的係包含爾利效應消除 流消除電路。 輪入偏壓電 用於進行偏壓電 圖5所示的係根據本發明各實施例 流消除的流程圖。

要元件符號說明】 100 運算放大器 VCC 供應電壓 Q1 電晶體 Q2 電晶體 Q4 電晶體 Q5 電晶體 Q6 電晶體 Q7 電晶體 12

1353501 - 100年3月29曰修正替換頁 QP0 電晶體 QP1 電晶體 QP2 電晶體 QP3 電晶體 QP4 電晶體 200 電路 210 雙極差動對 220 輸入偏壓電流消除電路 300 電路 3 10 電流源 320 電流源 400 電路 410 爾利效應消除電路 420 電壓隨動放大器 13

Claims (1)

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十、申請專利範圍： 1.一種用於消除雙極差動對的輸入偏壓電流的電路，盆 係包括： 雙極差動對，其係耗接—供應電壓（D並且包括1 -電晶體與-第二電晶體，纟中該第一電晶體與該第二電 晶體的集極電流並不t要相等於該電4中的其它電晶體的 集極電流，以及 ’

一輸入偏壓電流消除電4，其係輕接該雙極差動對並 且包括-第三電晶體’其中’該第三電晶體具有一集極射 極電壓vCE，其中，該雙極差動對更可運作用以接收一大於 的輪人而不會讓該第三電晶體運作在飽和 區之中，且其中，該輸入偏壓電流消除電路進一步包括： 士一電流源，其係用以產生一和第二電流成比例的第一 電流，其中，該第二電流係驅動該雙極差動對； 第四電晶體’其係耦接該電流源，纟中，該電流源 係驅動該第一電晶體； —基極電流感測電路，其係耦接該第四電晶體並且用 以感測該第四電晶體的基極電流；以及 一電流鏡，其係耦接該基極電流感測電路與該雙極差 動對’該電流鏡係將該第四電晶體的該基極電流鏡射至該 雙極差動對的基極。 、2.如申請專利範圍第"員之電路，其中，該基極電流感 測電路係包括一第五電晶體。 3.如申請專利範圍第丨項之電路，其巾，該電流鏡係包 14 括 WO年3月29日修正替換頁 運作/ I Β曰體其係耦接該基極電流感測電路並且可 體a::雙極差動對的其中-者來鏡射該第四電晶 J成基極電流；以及 運作:第五電晶體，其係々接該基極電流感測電路並且可 的該基椏電流。 對的另-者來鏡射該第四電晶體 .如申明專利fc圍第！項之電路，其進一步包括： —爾利效應消除電路，立 路維持在和W N曰门將该基極電流感測電 窀"丨L鏡相同的狀態之中。 5. 如申請專利範圍第 除雷敗貝之電路，其中，該爾利效應消 除電路係包括—電壓隨動電路。 6. 如申請專利範圍第 除電路係包括：…之電路’其中’該爾利效應消 及帛五電晶體’其係福接該雙極差動對的一射極；以 放大器，其係耦接該第四電晶體、第五電晶體 :極電流感測電路、以及該電流鏡，其中，該放二； 曰：以將違第四電晶體的該基極維持在實質上和該 日日體的射極相同的電壓處。 在勺拉.種用於'肖除雙極差動對的輸人偏®電流的電路，其 一番：極差動對，其係耦接一供應電壓(Vcc)並且包括-第 一電晶體與一第二雷a_g* # , —θ曰體’其中s亥弟-電晶體與該第二電 I5 1353501 100年3月29曰修正替換頁 晶體的集極電流並不需要相等於該電路中^其它電晶$-- 集極電流；以及 輸入偏壓電流消除電路，其係耦接該雙極差動對並 且包括一第三電晶體，其中，該第三電晶體具有一集極射 極電壓VCE’且其中該雙極差動對更可運作用以接收一高達 Vcc-VCE的輸入電壓，而不會讓該第三電晶體運作在飽和區 之中且其中，該輸入偏壓電流消除電路係包括： 電流源，其係用以產生一和第二電流成比例的第一 電*11·其中，该第二電流係驅動該雙極差動對； /一第四電晶體’其係耗接該電流源，其中，該電流源 係驅動該第四電晶體； 一基極電流感測電路，其係耦接該第四電晶體並且用 以感測該第四電晶體的基極電流；以及 電机鏡，其係耦接該基極電流感測電路與該雙極差 動對’該電流鏡係將該第四電晶體的該基極電流鏡射至該 雙極差動對的基極。 8.如申請專利範圍第7項之電路，其中，該基極電流感 測電路係包括一第五電晶體。 申1專利圍f 7項之電路，其中’該電流鏡係包 括： 外電sa體，其係耦接該基極電流感測電路並且可 運作用以針對該雙極#叙 極差動對的其中一者來鏡射該第四電晶 體的17亥基極電流；以及 電曰a體’其係輕接該基極電流感測電路並且可 16 丄 100年3月29日修正替換頁 ^ 以針對該雙極差動對的另一者來鏡身"四 的邊基極電流。 1〇.如申請專利範圍第7項之電路，其進一步包括： 爾牙】效應消除電路，其係用以將該基極電流感測雷 路維持力 ' 牙在和该電流鏡相同的狀態之中》 、、,1 ’如申晴專利範圍第1 〇項之電路，其中，該爾利效應 肖除免路係包括一電壓隨動電路。 “ 12.如申请專利範圍第丨〇項之電路，其中，該爾利效應 消除電路係包括： 第五電晶體，其係耦接該雙極差動對的一射極；以 及 放大器’其係耦接該第四電晶體、第五電晶體、該 基極電流感測電路、以及該電流鏡，其中，該放大器可運 作用以將該第φ B , 電Β曰體的該基極維持在實質上和該第五電 日日體的射極相同的電壓處。 13.—種用於消除雙極差動對的輸入偏壓電流的電路， 其中，該雙極差叙#丄 ^ 產動對係由一第一電流源所產生的第一電流 來驅動’該電路係包括： L源’其係用以產生一和該第一電流成比例 的第二電流； 第電曰曰體’其係耦接該第二電流源，其中，該第 二電流源係驅動該第一電晶體； 土。電爪感冽電路，其係耦接該第一電晶體並且用 以感測該第-電晶體的基極電流；以及 17 100年3月29日修正替換頁 一電流鏡，其係耦接該基極電流感測極差- 動對，垓電流鏡係將該第一電晶體的該基極電流鏡射至該 雙極差動對的基極， 其中，該雙極差動對可運作用以接收一大於Vcc_2VcE 的輸入電壓’而不會讓該電流鏡的電晶體運作在各自的飽 ^區：中’且其令該雙極差動對的該等電晶體的集極電流 ”不而要相等於用於消除輪入偏壓的該電路之 晶體的集極電流。 Θ & 如申凊專利圍帛1 3項之電路，其中，該基極電流 感測電路係包括一第二電晶體。 •如申5月專利範圍第1 3項之電路，其中，該電流鏡係 . —電晶體’其係輕接該基極電流感測電路並且 娜作用以針對δ亥雙極差動對的第一基極來鏡射該第—電 體的該基極電流；以及

一第三電晶體， 運作用以針對該雙極 體的該基極電流。 其係輕接該基極電流感測電路 差動對的第二基極來鏡射該第 並且可 一觉曰 电Β曰 16. 如申請專利範圍第13項之電路，其進一步包括 -爾利效應消除電路1以將該第一電晶體的… 、准持在實質上和該雙極差 i動對的該等基極相同的電壓肩 17. 如申請專利範圍第 田乐項之電路，其中，該爾利$ 消除電路係包括一電壓隨動電路。 18·如申請專利範圍第16 >雨 員之電路，其中，該爾利； 18 1353501 100年3月29日修正替換頁 >肖除電路係包括： --------- -第二電晶體，其係耦接該雙極差動對的一射極；以 及 -放大器，其係耦接該第一電晶體、第二電晶體、該 基極電流感測電路、以及該電流鏡，纟中，該放大器可運 作用以將該第-電晶體的該基極維持在實質上和該第二電 晶體的射極相同的電壓處。

19·-種用於消除雙極差動對的輸入偏壓電流的方法， 其係包括： 產生一和第一電流成比例的第二電流，其中，該第一 電流係驅動該雙極差動對； 利用該第二電流來偏壓一電晶體；以及 針對該雙極差動對的基極來鏡射該電晶體的基極電 流； 其中，該雙極差動對可運作用以接收一大於Vcc_2Vc£ 的輸入電壓，而不會讓用於鏡射該電晶體的基極電流的至 ^ 一電晶體運作在飽和區之t，且其中該雙極差動對的電 曰曰體的集極電流並不需要相等於其他電晶體的集極電流。 20.如申請專利範圍第19項之方法，其進一步包括： ^將該電晶體的基極維持在實質上和該雙極差動對的該 等基極相同的電壓處。 十一、圖式： 如次頁 19 1353501 m 4 003 --.,!-Vi's 2*Q^, 月 7?.^

i 1353501 - 100年3月29日修正替換頁 ； 七、指定代表圖： / (一）本案指定代表圖為：第（2 )圖。 (二）本代表圖之元件符號簡單說明： Vcc 供應電壓 Q1 電晶體 Q2 電晶體 200 電路 210 雙極差動對

220 輸入偏壓電流消除電路 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：