TWI458256B

TWI458256B - 基極偏壓控制裝置及放大器

Info

Publication number: TWI458256B
Application number: TW101100027A
Authority: TW
Inventors: Wen Yen Chen; Ming Hung Chang
Original assignee: Anpec Electronics Corp
Priority date: 2012-01-02
Filing date: 2012-01-02
Publication date: 2014-10-21
Also published as: US8674767B2; US20130169363A1; TW201330492A

Description

基極偏壓控制裝置及放大器

本發明係指一種基極偏壓裝置及放大器，尤指一種可根據放大器中相關於差動輸入訊號之節點電壓，改變放大器中輸入級電路中P型差動對之基極偏壓的基極偏壓裝置與放大器。

放大器(Operational Amplifier)為類比積體電路中常用的基本電路元件。一般而言，習知的放大器電路之輸入級電路在應用上常會採用P型差動對(P-type differential pair)，以獲得較低之雜訊表現、較佳之電壓迴轉率(Slew Rate)以及較高之單位增益頻率(Unity-gain Frequency)。

舉例來說，請參考第1圖，第1圖為習知技術中一應用於正負壓電源供應之放大器10之示意圖，其中正負壓電源供應之電壓範圍係介於V_CC 至-V_CC 之間。為求簡潔，第1圖僅繪示出放大器10之一輸入級電路100、一輸出級電路102以及一電流源CS，其餘如增益級電路、偏壓電路等則略而未示。輸入級電路100包含P型電晶體P_IN、P_IP組成之一P型差動對，用來根據差動輸入訊號V_IN 、V_IP ，輸出差動輸出訊號V_OUTN 、V_OUTP 。輸出級電路102用來接收差動輸出訊號V_OUTN 、V_OUTP ，並據以於一輸出端OUT產生一輸出訊號V_OUT 。電流源CS用來提供輸入級電路100之運作電流。此外，由於積體電路之基板(substrate)通常係P型半導體(P-type Semiconductor)形成之P型基板(P-substrate)，而P型電晶體之基極係自基板中形成之N型井(N-well)，其中N型井係由N型半導體(N-type Semiconductor)所組成。如此一來，P型基板與N型井之間將形成一PN接面(P-N Junction)，也就是說，P型基板與N型井可等效於一二極體。因此，第1圖中另繪示出一寄生二極體Dpar，其係位於地端與P型電晶體P_IN、P_IP之基極之間，用來表示積體電路之P型基板(P-substrate)至N型井(N-well)之寄生效應。

當差動輸入訊號對V_IN 、V_IP 擺幅過大時，寄生二極體Dpar之一順向偏壓V_diode 可能會大於二極體之一PN接面順向導通電壓V_on (forward-bias turn on voltage)，即電晶體P_IN、P_IP之源極電壓V_S 可能會低於PN接面順向導通電壓V_on 之負值(V_S ＜-V_on )，如此一來將會導通寄生二極體Dpar。在此情況下，將會產生一額外電流自基板經由寄生二極體Dpar流入輸入級電路100，而導致輸入級電路100無法正常工作。

一般而言，若放大器10之輸入級電路採用N型差動對，即使用N型金氧半場效電晶體之差動對，將不會產生上述之額外電流造成輸入級電路無法正常工作之問題。然而，若只採用N型差動對，放大器10將無法達到軌至軌(rail-to-rail)架構，進而導致放大器10之輸入共模範圍(input common mode range)縮小。此外，若放大器電路10之輸入級電路採用N型差動對，放大器10之雜訊表現、電壓迴轉率以及單位增益頻率皆會下降。

此外，另一種習知的解決方法為使用高壓元件(High Voltage Device)來實現放大器電路10，並將P型電晶體P_IN、P_IP之基極耦接於放大器10之最高電壓(即電壓V_CC )，即可解決上述之額外電流自基板流入輸入級電路100，進而造成放大器10無法正常工作之問題。然而，使用高壓元件會造成積體電路之製造成本大幅上升。而且，由於高壓元件之效能較差、雜訊較大，也會使放大器10的效能降低。有鑑於此，習知技術實有改進之必要。

因此，本發明主要提供一種可根據放大器中相關於輸入訊號之節點電壓，改變放大器中P型差動對之基極偏壓的基極偏壓裝置與放大器。

本發明揭露一種基極偏壓裝置，用於具有一P型差動對之放大器，該放大器用來根據該P型差動對之一差動輸入訊號對，於一輸出端產生一輸出訊號，該基極偏壓裝置包含有一偵測單元，耦接於該放大器，用來偵測相關於該差動輸入訊號對之一偵測電壓，並據以輸出一控制訊號；以及一選擇單元，耦接於該偵測單元與該放大器，用來根據該控制訊號，輸出一基極偏壓至該P型差動對；其中該P型差動對包含有一第一P型電晶體，包含有一閘極耦接於一第一差動輸入端，一源極耦接於一電流源，一汲極耦接於一輸出級電路，以及一基極耦接於該選擇單元；以及一第二P型電晶體，包含有一閘極耦接於一第二差動輸入端，一源極耦接於該電流源，一汲極耦接於該輸出級電路，以及一基極耦接於該選擇單元；其中該偵測單元耦接於該第一P型電晶體之該閘極。

本發明另揭露一種放大器，包含有：一P型差動對，用來接收一差動輸入訊號對，並據以輸出一差動輸出訊號對，該P型差動對包含有：一第一P型電晶體，包含有一閘極耦接於一第一差動輸入端，一源極耦接於一電流源，一汲極耦接於一輸出級電路，以及一基極耦接於一基極偏壓；一第二P型電晶體，包含有一閘極耦接於一第二差動輸入端，一源極耦接於該電流源，一汲極耦接於該輸出級電路，以及一基極耦接於該基極偏壓；一輸出級電路，用來接收該差動輸出訊號對，並據以於一輸出端產生一輸出訊號；一基極偏壓裝置，包含有：一偵測單元，耦接於該第一P型電晶體之該閘極，用來偵測相關於該差動輸入訊號對之一偵測電壓，以輸出一控制訊號；以及一選擇單元，耦接於該偵測單元，用來根據該控制訊號，以輸出該基極偏壓。

請參考第2圖，第2圖為本發明實施例一放大器20之示意圖。放大器20為一運算放大器(Operational Amplifier)，其可接收差動輸入訊號對V_IN 、V_IP ，並據以輸出一輸出電壓V_OUT 。如第2圖所示，放大器20包含一輸入級電路200、一輸出級電路202、一基極偏壓裝置204以及一電流源CS。輸入級電路200、輸出級電路202、電流源CS之運作方式與架構與第1圖之輸入級電路100、輸出級電路102、電流源CS類似，因此沿用相同元件符號。此外，第2圖中另繪示出一寄生二極體Dpar，其位於一地端GND與一P型電晶體P_IN之基極之間，用來表示P型基板(P-substrate)至N型井(N-well)之寄生效應。放大器20與放大器10不同之處在於放大器20增加了基極偏壓裝置204，基極偏壓裝置204可依據相關於差動輸入訊號V_IN 、V_IP 之一偵測電壓V_D ，產生基極偏壓B_bias，從而避免產生額外電流自基板經由寄生二極體Dpar流入輸入級電路200。

詳細來說，如第2圖所示，基極偏壓裝置204耦接於P型電晶體P_IN之源極，並偵測其源極電壓V_S 作為偵測電壓V_D 。因此，當P型電晶體P_IN源極之電壓Vs大於PN接面順向導通電壓V_on 之負值(V_S >-V_on )時，基極偏壓裝置204會輸出P型電晶體P_IN源極之電壓V_S 作為基極偏壓B_bias。在此情況下，寄生二極體Dpar將不會導通，即不會有額外電流自基板經由寄生二極體Dpar流入輸入級電路200。當P型電晶體P_IN源極之電壓V_S 小於PN接面順向導通電壓V_on 之負值(V_S <-V_on )時，基極偏壓裝置204會切換基極偏壓B_bias至一大於PN接面順向導通電壓V_on 負值之電壓，藉此避免寄生二極體Dpar導通。也就是說，隨著P型電晶體P_IN之源極電壓V_S 變化，基極偏壓裝置204會適當地調整基極偏壓B_bias，因此，寄生二極體Dpar將不會導通。如此一來，就可避免額外電流自基板經由寄生二極體Dpar流入輸入級電路200而導致放大器20無法正常工作之情況發生。

進一步來說，請參考第3圖，第3圖為第2圖之基極偏壓裝置204之一實現方式示意圖。如第3圖所示，基極偏壓裝置204包含有一偵測單元300以及一選擇單元302。偵測單元300耦接於P型電晶體P_IN之源極，用來偵測P型電晶體P_IN之源極電壓V_S 作為偵測電壓V_D 。偵測單元300會根據所偵測到之源極電壓V_S ，產生並輸出指示寄生二極體Dpar導通狀態之一控制訊號CON至選擇單元302。選擇單元302耦接於偵測單元300，用來根據控制訊號CON，輸出基極偏壓B_bias。

詳細來說，偵測單元300包含一比較器304以及一反相器306。比較器304於一正輸入端接收一參考電壓V_ref1 ，於一負輸入端接收P型電晶體P_IN源極之電壓Vs，並輸出一比較結果，其中參考電壓V_ref1 係PN接面順向導通電壓V_on 之負值(V_ref1 =-V_on )。反相器306用來接收該比較結果，並產生控制訊號CON至選擇單元302。選擇單元302包含電晶體308與電晶體310。電晶體308係一N型金氧半場效電晶體，用來於控制訊號CON指示一斷開狀態時，輸出P型電晶體P_IN之源極電壓V_S 作為基極偏壓B_bias。電晶體310係一P型金氧半場效電晶體用來於控制訊號CON指示一導通狀態時，輸出一參考電壓V_ref2 作為基極偏壓B_bias參考電壓，其中參考電壓V_ref2 係一大於PN接面順向導通電壓V_on 之負值電壓(V_ref2 >-V_on )。

詳細而言，當P型電晶體P_IN之源極電壓V_S 大於參考電壓V_ref1 時，比較器304會輸出低邏輯電位之比較結果，控制訊號CON則為高邏輯電位。在此情況下，電晶體308會被導通，而電晶體310則被截止，此時基極偏壓B_bias會等於P型電晶體P_IN源極之電壓V_S 。當P型電晶體P_IN源極之電壓V_S 小於參考電壓V_ref1 時，比較器304會輸出高邏輯電位之該比較結果，使控制訊號CON切換為低邏輯電位。此時，電晶體308會被截止，而電晶體310則被導通，基極偏壓B_bias等同於參考電壓V_ref2 ，其中參考電壓V_ref2 係一大於PN接面順向導通電壓V_on 之負值電壓(V_ref2 >-V_on )。簡言之，本發明可藉由偵測單元300偵測P型電晶體P_IN之源極電壓V_S ，來監測差動輸入訊號V_IN 、V_IP 之變化狀況，並控制選擇單元302輸出適當之基極偏壓B_bias，而有效防止寄生二極體Dpar的導通。因此，即使差動輸入訊號V_IN 、V_IP 有過大擺幅時，放大器20仍可正常工作。

進一步地，請參考第4圖，第4圖為第3圖之基極偏壓裝置204運作時相關訊號之時序圖。如第4圖所示，於一時間點T1之前，P 型電晶體P_IN之源極電壓V_S 大於參考電壓V_ref1 ，此時控制訊號CON為高邏輯電位。在此情況下，基極偏壓B_bias之電壓等於P型電晶體P_IN源極之電壓V_S 。於時間點T1後，P型電晶體P_IN之源極電壓V_S 小於參考電壓V_ref1 時，控制訊號CON由高邏輯電位下降至低邏輯電位。此時，基極偏壓B_bias之電壓將由P型電晶體P_IN之源極電壓V_S 切換為參考電壓V_ref2 。

由上述可知，本發明可藉由偵測單元300來偵測相關於差動輸入訊號V_IN 、V_IP 之一偵測電壓V_D ，以監測差動輸入訊號之變化狀況，並據以輸出適當之基極偏壓B_bias至P型電晶體P_IN、P_IP之基極，從而防止寄生二極體Dpar的導通。此外，偵測單元300亦可透過偵測可藉由偵測差動輸入訊號V_IN 、V_IP 之電壓，改變基極偏壓B_bias。舉例來說，請參考第5A圖與第5B圖，第5A圖與第5B圖分別為本發明實施例放大器50及52之示意圖。放大器50、52之架構與第3圖之放大器20類似，不同的是，在第5A圖之放大器50中，偵測單元300耦接於P型電晶體P_IN之閘極，以偵測差動輸入訊號V_IN 作為偵測電壓V_D ；此外比較器304於該正輸入端接收一參考電壓V_ref3 ，其中參考電壓V_ref3 等於參考電壓V_ref1 加上一P型金氧半場效電晶體臨界電壓V_tp (即V_ref3 =V_ref1 +V_tp )。需注意的是，開關308仍然耦接於P型電晶體P_IN之源極電壓V_S 。因此，當差動輸入訊號V_IN 大於參考電壓V_ref3 時，基極偏壓B_bias為P型電晶體P_IN之源極電壓V_S 。而當差動輸入訊號V_IN 小於參考電壓V_ref3 時，基極偏壓B_bias切換為參考電壓V_ref2 ，藉此避免額外電流自基板經由寄生二極體Dpar流入輸入級電路200。另一方面，在第5B圖之放大器52中，偵測單元300耦接於P型電晶體P_IP之閘極，以偵測差動輸入訊號V_IP 作為偵測電壓V_D ，以輸出適當之基極偏壓B_bias至P型電晶體P_IN、P_IP之基極從而防止寄生二極體Dpar導通。詳細運作可參考前述內容，在此不再贅述。

此外，輸出訊號V_OUT 亦相關於差動輸入訊號V_IN 、V_IP ，因此偵測電壓V_D 亦可為輸出訊號V_OUT 。也就是說，基極偏壓裝置204可利用輸出訊號V_OUT 來作為監測差動輸入訊號V_IN 、V_IP 之變化情況之依據。舉例而言，請參考第6圖，第6圖為本發明另一實施例一放大器60之示意圖。放大器60包含一輸入級電路600、一輸出級電路602、一基極偏壓裝置604、一增益控制裝置606、一電流源CS、耦合電容C₁ 、C₂ 以及可變電阻R₁ ~R₄ 。基極偏壓裝置604之偵測單元300耦接於輸出級電路，並以輸出級電路602之輸出訊號V_OUT 作為偵測電壓V_D 。偵測單元300會根據輸出訊號V_OUT ，產生並輸出指示寄生二極體Dpar導通狀態之控制訊號CON至選擇單元302。另一方面，放大器60可利用增益控制裝置606來改變輸出訊號V_OUT 相對於差動輸入訊號V_IN 、V_IP 之增益倍率。詳細來說，增益控制裝置606會接收一增益控制訊號Gcon，以調整可變電阻R₁ ~R₄ 之阻值，從而改變輸出訊號V_OUT 相對於差動輸入訊號V_IN 、V_IP 之增益倍率。在此狀況下，選擇單元302可根據增益控制訊號Gcon以及控制訊號CON，來輸出適當之基極偏壓B_bias至P型電晶體P_IN、P_IP之基極，以避免寄生二極體Dpar之導通。

需注意的是，本發明之精神在於透過偵測相關於放大器差動輸入訊號之電壓，據以產生適當之基極偏壓至放大器中輸入級電路之P型差動對，藉此避免產生額外電流由基板流入輸入級電路而造成放大器無法正常工作。根據不同應用，本領域熟知技藝者可據以做出適當變化或調整。例如，只要確保寄生二極體Dpar不導通，參考電壓V_ref1 可修改為一大於PN接面順向導通電壓V_on 之負值電壓(V_ref1 >V_on )。

綜上所述，不同於習知技術於放大器之差動輸入訊號擺幅過大時，一額外電流會自基板流入放大器中輸入級電路之P型差動對，造成放大器無法正常工作，本發明所揭露之基極偏壓裝置可透過偵測相關於放大器之差動輸入訊號之電壓，據以調整輸入級電路之基極偏壓，從而避免導通P型基板(P-substrate)與N型井(N-well)之間的寄生二極體。換句話說，使用本發明揭露之基極偏壓裝置，放大器不必使用高壓元件，即可達到避免一額外電流自基板流入放大器輸入級電路之P型差動對之目的，不但可有效提昇放大器之工作效能，且可大幅降低積體電路之製造成本。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10、20、50、52、60‧‧‧放大器

100、200、600‧‧‧輸入級電路

102、202、602‧‧‧輸出級電路

204、604‧‧‧基極偏壓裝置

300‧‧‧偵測單元

302‧‧‧選擇單元

304‧‧‧比較器

306‧‧‧反相器

308、310‧‧‧電晶體

606‧‧‧增益控制裝置

B_bias‧‧‧基極偏壓

CON‧‧‧控制訊號

CS‧‧‧電流源

Dpar‧‧‧寄生二極體

P_IN、P_IP‧‧‧P型電晶體

V_on ‧‧‧PN接面順向導通電壓

V_D ‧‧‧偵測電壓

V_IN 、V_IP ‧‧‧差動輸入訊號

V_OUTN 、V_OUTP ‧‧‧差動輸出訊號

V_OUT ‧‧‧輸出訊號

V_S ‧‧‧源極電壓

V_diode ‧‧‧順向偏壓

V_tp ‧‧‧P型金氧半場效電晶體臨界電壓

第1圖為一習知放大器的示意圖。

第2圖為本發明實施例一放大器的示意圖。

第3圖為第2圖中之放大器之一實現方式的示意圖。

第4圖為第2圖中放大器之一基極偏壓裝置運作時相關訊號之波形圖。

第5A圖與第5B圖分別為第3圖中基極偏壓裝置另一實現方式之示意圖。

第6圖為第2圖中之放大器另一實現方式的示意圖。

200．．．輸入級電路

202．．．輸出級電路

204．．．基極偏壓裝置

B_bias．．．基極偏壓

CS．．．電流源

Dpar．．．寄生二極體

IN、IP．．．輸入端

OUT．．．輸出端

P_IN、P_IP．．．P型電晶體

V_IN 、V_IP ．．．差動輸入訊號

V_OUTN 、V_OUTP ．．．差動輸出訊號

V_OUT ．．．輸出訊號

Vs．．．源極電壓

Claims

一種基極偏壓裝置，用於具有一P型差動對之放大器，該放大器用來根據該P型差動對之一差動輸入訊號對，於一輸出端產生一輸出訊號，該基極偏壓裝置包含有：一偵測單元，耦接於該放大器，用來偵測相關於該差動輸入訊號對之一偵測電壓，並據以輸出一控制訊號；以及一選擇單元，耦接於該偵測單元與該放大器，用來根據該控制訊號，輸出一基極偏壓至該P型差動對；其中該P型差動對包含有：一第一P型電晶體，包含有一閘極耦接於一第一差動輸入端，一源極耦接於一電流源，一汲極耦接於一輸出級電路，以及一基極耦接於該選擇單元；以及一第二P型電晶體，包含有一閘極耦接於一第二差動輸入端，一源極耦接於該電流源，一汲極耦接於該輸出級電路，以及一基極耦接於該選擇單元；其中該偵測單元耦接於該第一P型電晶體之該閘極。
如請求項1所述之基極偏壓裝置，其中該偵測單元耦接於該放大器之該輸出端，用來偵測相關於該差動輸入訊號對之該偵測電壓，以輸出該控制訊號。
如請求項1所述之基極偏壓裝置，其中該放大器之電源供應係介於一正電壓與一負電壓之間。
如請求項1所述之基極偏壓裝置，其中該偵測單元包含有：一比較器，用來將該偵測電壓與一第一參考電壓比較，以輸出一比較結果；以及一反相器，用來接收該比較結果，以輸出該控制訊號。
如請求項4所述之基極偏壓裝置，其中該第一參考電壓係大於一二極體PN接面順向導通電壓之負值。
如請求項4所述之基極偏壓裝置，其中當該偵測電壓小於該第一參考電壓時，該偵測單元輸出指示一導通狀態之該控制訊號選擇單元。
如請求項4所述之基極偏壓裝置，其中當該偵測電壓大於該第一參考電壓時，該偵測單元輸出指示一斷開狀態之該控制訊號。
如請求項1所述之基極偏壓裝置，其中該選擇單元包含有：一第一電晶體，包含有一閘極耦接於該控制訊號，一源極，耦接於該偵測電壓，以及一汲極，耦接於該基極偏壓；以及一第二電晶體，包含有一閘極耦接於該控制訊號，一源極，耦接於一第二參考電壓，以及一汲極，耦接於該基極偏壓。
如請求項8所述之基極偏壓裝置，其中該第二參考電壓係大於一二極體PN接面順向導通電壓之負值。
如請求項8所述之基極偏壓裝置，其中於該控制訊號指示一斷開狀態時，該第一電晶體導通，使該基極偏壓等於該P型差動對之一第一電晶體之源極電壓。
如請求項8所述之基極偏壓裝置，其中於該控制訊號指示一導通狀態時，該第二電晶體導通，使該基極偏壓等於該第二參考電壓。
一種放大器，包含有：一P型差動對，用來接收一差動輸入訊號對，並據以輸出一差動輸出訊號對，該P型差動對包含有：一第一P型電晶體，包含有一閘極耦接於一第一差動輸入端，一源極耦接於一電流源，一汲極耦接於一輸出級電路，以及一基極耦接於一基極偏壓；一第二P型電晶體，包含有一閘極耦接於一第二差動輸入端，一源極耦接於該電流源，一汲極耦接於該輸出級電路，以及一基極耦接於該基極偏壓；一輸出級電路，用來接收該差動輸出訊號對，並據以於一輸出端產生一輸出訊號；一基極偏壓裝置，包含有：一偵測單元，耦接於該第一P型電晶體之該閘極，用來偵測相關於該差動輸入訊號對之一偵測電壓，以輸出一控制訊號；以及一選擇單元，耦接於該偵測單元，用來根據該控制訊號，以輸出該基極偏壓。
如請求項12所述之放大器，其中該偵測單元耦接於該放大器之該輸出端，用來偵測相關於該差動輸入訊號對之該偵測電壓，並據以輸出該控制訊號。
如請求項12所述之放大器，其中該放大器之電源供應係介於一正電壓與一負電壓之間。
如請求項12所述之放大器，其中該偵測單元包含有：一比較器，用來將該偵測電壓與一第一參考電壓比較，以輸出一比較結果；以及一反相器，用來接收該比較結果，以輸出該控制訊號。
如請求項15所述之放大器，其中該第一參考電壓係大於一二極體PN接面順向導通電壓之負值。
如請求項15所述之放大器，其中當該偵測電壓小於該第一參考電壓時，該偵測單元輸出指示一導通狀態之該控制訊號。
如請求項15所述之放大器，其中當該偵測電壓大於該第一參考電壓時，該偵測單元輸出指示一斷開狀態之該控制訊號。
如請求項12所述之放大器，其中該選擇單元包含有：一第一電晶體，包含有一閘極耦接於該控制訊號，一源極，耦接於該第一P型電晶體之源極，以及一汲極，耦接於該基極偏壓；以及一第二電晶體，包含有一閘極耦接於該控制訊號，一源極，耦接於一第二參考電壓，以及一汲極，耦接於該基極偏壓。
如請求項19所述之放大器，其中該第二參考電壓係大於一二極體PN接面順向導通電壓之負值。
如請求項19所述之放大器，其中於該控制訊號指示一斷開狀態時，該第一電晶體導通，使該基極偏壓等於該第一P型電晶體之源極電壓。
如請求項19所述之放大器，其中於該控制訊號指示一導通狀態時，該第二電晶體導通，使該基極偏壓等於該第二參考電壓。