TWI633410B - 電流鏡裝置及相關放大電路 - Google Patents

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Abstract

電流鏡裝置包含一輸入端、一輸出端、第一至第三電晶體，以及一運算放大器。輸入端用來接收一輸入訊號，而輸出端用來輸出放大後之輸入訊號。第一電晶體於一第一端接收一參考電流，其第二端耦接於一偏壓。第二電晶體之控制端耦接於輸入端。第三電晶體之第一端耦接於輸出端，第二端耦接於第二電晶體之第一端，而控制端耦接於一參考電壓。運算放大器用來將第一電晶體之第一端上之一第一電位以及第二電晶體之第一端上之一第二電位維持實質上相等，以準確地將流經第一電晶體之參考電流放大特定倍而映射成為流經第二電晶體之負載電流。

Description

電流鏡裝置及相關放大電路
本發明相關於一種電流鏡裝置及相關放大電路，尤指一種提升輸出電流的穩定性與準確度之電流鏡裝置及相關放大電路。
電流鏡(current mirror)是類比電路中的基本元件，廣泛地應用在各種的電路的偏壓與放大級的負載上。正因如此，電流鏡的精準映射特性就顯得特別重要，其輸出電流的穩定性與準確度乃是決定電流鏡特性的好與壞。
習知技術之電流鏡裝置通常使用金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)。當MOSFET元件工作於線性區時，其有效的通道長度將會固定不變。但是當其汲極偏壓提升至飽和區時會縮短通道長度，使得飽和區內操作電流與電壓關係式並非如理想狀態下只和電晶體之閘極-源極電壓(VGS)有關，而會因為上述通道長度調變效應(channel length modulation effect)而相關於電晶體之汲極-源極電壓(VDS)。因此，習知技術之電流鏡裝置容易受到MOSFET製程和偏壓變化影響，無法準確穩定地映射出輸出電流。
本發明提供一種放大電路，其包含一輸入端、一輸出端、一第一電晶體、一第二電晶體、一第三電晶體，以及一運算放大器。該輸入端用來接收一輸入訊號，而該輸出端用來輸出放大後之該輸入訊號。該第一電晶體包含一第一端，用來接收一第一參考電流；一第二端，耦接於一第一偏壓；以及一控制端。該第二電晶體包含一第一端；一第二端，耦接於該第一偏壓；以及一控制端，耦接於該輸入端與該第一電晶體之該控制端。該第三電晶體包含一第一端，耦接於該輸出端；一第二端，耦接於該第二電晶體之該第一端；以及一控制端，耦接於一參考電壓。該運算放大器用來將該第一電晶體之該第一端上之一第一電位以及該第二電晶體之該第一端上之一第二電位維持實質上相等。
本發明另提供一種電流鏡裝置，其包含第一至第五電晶體以及一運算放大器。該第一電晶體包含一第一端，用來接收一第一參考電流；一第二端，耦接於一第一偏壓；以及一控制端。該第二電晶體包含一第一端；一第二端，耦接於該第一偏壓；以及一控制端，耦接於該第一電晶體之該控制端。該第三電晶體包含一第一端；一第二端，耦接於該第二電晶體之該第一端；以及一控制端，耦接於一參考電壓。該第四電晶體包含一第一端；一第二端，耦接於該第一偏壓；以及一控制端。該第五電晶體包含一第一端；一第二端，耦接於該第四電晶體之該第一端；以及一控制端，耦接於該第三電晶體之該控制端。該運算放大器包含一第一端，耦接於該第四電晶體之該第一端；一第二 端，耦接於該第一電晶體之該第一端；以及一輸出端，耦接於該第一電晶體之該控制端。
10‧‧‧電流源
15‧‧‧電流源電路
20‧‧‧負載電路
30、40‧‧‧電流鏡裝置
100、200‧‧‧放大電路
N1‧‧‧輸入端
N2‧‧‧輸出端
T1~T6‧‧‧電晶體
R1~R2‧‧‧電阻
C1~C3‧‧‧電容
F1~F3‧‧‧濾波電路
OP‧‧‧運算放大器
IREF、IREF1、IREF2、IREF3‧‧‧參考電流
ILOAD‧‧‧負載電流
VDS1、VDS2、VDS3‧‧‧源極電位
VREF‧‧‧參考電壓
VDD、GND‧‧‧偏壓
RFIN‧‧‧輸入訊號
RFOUT‧‧‧輸出訊號
第1圖為本發明實施例中放大電路之示意圖。
第2圖為本發明實施例中放大電路之應用的示意圖。
第3圖為本發明另一實施例中電流鏡裝置之示意圖。
第4圖為本發明另一實施例中電流鏡裝置之應用的示意圖。
第1圖為本發明實施例中一放大電路100之示意圖。第2圖為本發明實施例中放大電路100之應用的示意圖。放大電路100耦接到一電流源10，且放大電路100包含一輸入端N1、一輸出端N2、以及一電流鏡裝置30。電流鏡裝置30包含電晶體T1~T3、以及一運算放大器OP。在本發明另一實施例中，放大電路100更耦接到一負載電路20；電流鏡裝置40更包含電阻R1~R2、以及電容C1~C2。VDD和GND為放大電路100運作所需之偏壓。偏壓VDD例如是電源電壓、偏壓GND例如是接地端(ground)、公共端(common)或回流端(return)。負載電路20例如是耦接於偏壓VDD與電晶體T3之間的電感。電流鏡裝置30可將電流源10所提供之參考電流IREF放大成流經負載電路20之負載電流ILOAD。放大電路100可於輸入端N1接收一輸入訊號RFIN，將輸入訊號RFIN放大成一輸出訊號RFOUT，並於輸出端N2提供輸出訊號RFOUT。
在電流鏡裝置30中，運算放大器OP和電晶體T1~T3為三端元件。運算放大器OP之第一端為正輸入端，第二端為負輸入端，第三端為輸出端，其電氣特性為極高輸入電阻和極低輸出電阻。電晶體T1之第一端耦接至電流源10以接收參考電流IREF，第二端耦接於偏壓GND，而控制端耦接於運算放大器OP之輸出端。電晶體T2之第一端耦接於電晶體T3之第二端，第二端耦接於偏壓GND，而控制端耦接於輸入端N1。電晶體T3之第一端耦接於輸出端N2，第二端耦接於電晶體T2之第一端，而控制端耦接於一參考電壓VREF。電阻R1之第一端耦接於運算放大器OP之第二端，而第二端耦接於電晶體T2之第一端和電晶體T3之第二端之間。電阻R2之第一端耦接於電晶體T1之控制端和運算放大器OP之輸出端，而第二端耦接輸入端N1和電晶體T2之控制端。電容C1之第一端耦接於運算放大器OP之第二端和電阻R1之間，而第二端耦接於偏壓GND。電容C2之第一端耦接於電阻R2和電晶體T1之控制端之間，而第二端耦接於偏壓GND。運算放大器OP用來將電晶體T1之第一端上之第一電位以及電晶體T2之第一端上之第二電位維持實質上相等。
在本發明放大電路100中，電阻R1~R2和電容C1~C2可組成濾波電路F1、F2，進而允許特定頻率通過。舉例來說，電阻R1和電容C1可組成一低通濾波器F1，而電阻R2和電容C2可組成一低通濾波器F2，進隔絕輸入訊號RFIN中的交流訊號(例如是高頻成分)傳送到運算放大器OP以影響其運作。在本發明其它實施例中，電阻R1或R2可以由一電感或一電感-電容並聯電路來取代。然而，放大電路100中濾波電路之實施方式並不限定本發明之範疇。
當在一個晶圓上製作電晶體時，不同位置的電子漂移速度可能不一樣，而在不同電壓或溫度之下電晶體的特性也會不同，因此需要考慮很多製程/電壓/溫度(process/voltage/temperature,PVT)的製程臨界角落(corner)。例如，相關於電子漂移速度的製程臨界角落包含SS、S、TT、F和FF等參數。當兩電晶體位於相同或鄰近的製程臨界角落時，代表彼此間的製程變異不大；當兩電晶體位於不同的製程臨界角落時，代表彼此間的製程變異大。
在本發明之放大電路100中，電晶體T1~T3可為金屬半氧化電晶體，或其它具備類似功能之元件。在電晶體T1~T3所組成的電流鏡裝置30中，電晶體T2之寬長比(W/L ration)為電晶體T1寬長比的m倍(m為正數)。此外，電晶體T1和T2具有一致的製程變異方向，亦即位於相同或鄰近的製程臨界角落。為了說明目的，接下來以N型金屬半氧化電晶體之實施例來說明電流鏡裝置30之運作，其中電晶體之第一端為汲極(drain)，第二端為源極(source)，且控制端為閘極(gate)。然而，但電晶體T1~T3之種類並不限定本發明之範疇。
如前所述，電流鏡裝置容易因為電晶體之通道長度調變效應而無法準確穩定地映射出輸出電流。因此，本發明之放大電路100使用運算放大器OP之電氣特性(極高輸入電阻和極低輸出電阻)來鎖住電晶體T1和T2的汲極端電壓，及利用反饋方式來控制電晶體T1和T2的閘極端電壓。更詳細地說，當接收到參考電流IREF時會在電晶體T1之汲極端產生電壓VDS1，而電晶體T2之汲極端電壓VDS2則由負載電路20和電晶 體T3所提供，此時運算放大器OP會推動電晶體T1和T2之閘極端以鎖住電晶體T1和T2之汲極端電壓(VDS1=VDS2)。透過將兩電晶體之汲極端電位維持實質上相等，本發明可降低電晶體偏壓電流變化對PVT製程臨界角落造成的影響。由於電晶體T2之寬長比為電晶體T1寬長比的m倍，流經電晶體T1之參考電流IREF被映射m倍而成為流經電晶體T2之負載電流ILOAD(ILOAD=m×IREF)。
第3圖為本發明另一實施例中一電流鏡裝置40之示意圖。第4圖為本發明電流鏡裝置40應用在一放大電路200時之示意圖。電流鏡裝置40包含電晶體T1~T5以及一運算放大器OP。放大電路200另包含一輸入端N1、以及一輸出端N2。在本發明另一實施例中，電流鏡裝置40更包含電晶體T6、電阻R2、以及電容C2~C3；放大電路200更耦接至一電流源電路15、以及一負載電路20。VDD和GND為電流鏡裝置40運作所需之偏壓。電流源電路15可提供三組參考電流IREF1、IREF2、IREF3，電流鏡裝置40可將電流源電路15所提供之參考電流放大成流經電晶體T3之負載電流ILOAD。在本發明另一實施例中，流經電晶體T3之負載電流ILOAD亦即負載電路20之負載電流ILOAD。放大電路200可於輸入端N1接收一輸入訊號RFIN，將輸入訊號RFIN放大成一輸出訊號RFOUT，並於輸出端N2提供輸出訊號RFOUT。
在電流鏡裝置40中，運算放大器OP和電晶體T1~T6為三端元件。運算放大器OP之第一端為正輸入端，第二端為負輸入端，第三端為輸出端，其電氣特性為極高輸入電阻和極低輸出電阻。電晶體T1之第一端耦接至電流源10以接收參考電流IREF1，第二端耦接於偏壓GND， 而控制端耦接於運算放大器OP之輸出端。電晶體T2之第一端耦接於電晶體T3之第二端，第二端耦接於偏壓GND，而控制端耦接於輸入端N1。電晶體T3之第一端耦接於輸出端N2，第二端耦接於電晶體T2之第一端，而控制端耦接於一參考電壓VREF。電晶體T4之第一端耦接至運算放大器OP之第一端，第二端耦接於偏壓GND，而控制端耦接於電晶體T6之控制端。電晶體T5之第一端耦接至電流源電路15以接收參考電流IREF2，第二端耦接於電晶體T4之第一端，而控制端耦接於參考電壓VREF。電晶體T6之第一端耦接至電流源電路15以接收參考電流IREF3，第二端耦接於偏壓GND，而控制端耦接於電晶體T6之第一端。電阻R2之第一端耦接於電晶體T1之控制端和運算放大器OP之輸出端，而第二端耦接輸入端N1和電晶體T2之控制端。電容C2之第一端耦接於電阻R2和電晶體T1之控制端之間，而第二端耦接於偏壓GND。電容C3之第一端耦接於電晶體T3之控制端和電晶體T5之控制端之間，而第二端耦接於偏壓GND。
在本發明電流鏡裝置40中，電阻R2和電容C2、以及電容C3可組成濾波電路F2、F3，進而允許特定頻率通過。舉例來說，電阻R2和電容C2可組成一低通濾波器F2，而電容C3可組成一低通濾波器F3，進隔絕輸入訊號RFIN中的交流訊號(例如是高頻成分)傳送到運算放大器OP或是電晶體T5以影響其運作。在本發明其它實施例中，電阻R2可以由一電感或一電感-電容並聯電路來取代。然而，電流鏡裝置40中濾波電路之實施方式並不限定本發明之範疇。
在本發明之電流鏡裝置200中，電晶體T1~T6可為金屬半氧化 電晶體，或其它具備類似功能之元件。電晶體T1~T6組成一電流鏡單元，其中電晶體T2之寬長比為電晶體T1寬長比的m倍(m為正數)。為了說明目的，接下來以N型金屬半氧化電晶體之實施例來說明電流鏡裝置40之運作，其中電晶體之第一端為汲極，第二端為源極，且控制端為閘極。然而，但電晶體T1~T6之種類並不限定本發明之範疇。
在本發明之電流鏡裝置40中，電晶體T4之功能是為了讓電晶體T5之第一端具浮動電位。亦即在金屬半氧化電晶體之實施例中，電晶體T5之源極電位(VDS3)會隨著其閘極-源極電壓而變化。此外，電晶體T1、T2和T4具有一致的製程變異方向，亦即位於相同或鄰近的製程臨界角落。而電晶體T3和T5具有一致的製程變異方向，亦即位於相同或鄰近的製程臨界角落。
如前所述，電流鏡裝置容易因為電晶體之通道長度調變效應而無法準確穩定地映射出輸出電流。本發明之電流鏡裝置40使用運算放大器OP之電氣特性(極高輸入電阻和極低輸出電阻)來鎖住電晶體T1、T2和T4的汲極端電壓，及利用反饋方式來控制電晶體T1和T2的閘極端電壓。更詳細地說，當接收到參考電流IREF1時會在電晶體T1之汲極端產生電壓VDS1，而由參考電流IREF2驅動之電晶體T4和由參考電流IREF3驅動之電晶體T6會在電晶體T4之汲極端提供電壓VDS3。此時運算放大器OP會推動電晶體T1和T2之閘極端以鎖住電晶體T1和T2之汲極端電壓(VDS1=VDS2=VDS3)。透過將兩電晶體之閘極端電位維持實質上相等，本發明可進而降低電晶體偏壓電流變化對PVT製程臨界角落造成的影響。由於電晶體T2之寬長比為電晶體T1寬長比的n倍，流經電 晶體T1之參考電流IREF被映射m倍而成為流經電晶體T2之負載電流ILOAD(ILOAD=m×IREF)。
綜上所述，本發明使用運算放大器之電氣特性來鎖住兩電晶體的閘極端電壓，改善因電晶體製程或偏壓變化形成的通道長度調變效應所造成的波動，進而使得流經電晶體T1之參考電流IREF能被精準地映射m倍而成為流經電晶體T2之負載電流ILOAD。因此，本發明之放大電路和電流鏡裝置能提升輸出電流的穩定性與準確度。
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。

Claims (16)

  1. 一種放大電路，其包含：一輸入端，用來接收一輸入訊號；一輸出端，用來輸出放大後之該輸入訊號；一第一電晶體，其包含：一第一端，用來接收一第一參考電流；一第二端，耦接於一第一偏壓；以及一控制端；一第二電晶體，其包含：一第一端；一第二端，耦接於該第一偏壓；以及一控制端，耦接於該輸入端與該第一電晶體之該控制端；一第三電晶體，其包含：一第一端，耦接於該輸出端；一第二端，耦接於該第二電晶體之該第一端；以及一控制端，耦接於一參考電壓；以及一運算放大器，用來將該第一電晶體之該第一端上之一第一電位以及該第二電晶體之該第一端上之一第二電位維持實質上相等。
  2. 如請求項1所述之放大電路，其中該運算放大器包含：一第一端，耦接於該第一電晶體之該第一端；一第二端，耦接於該第二電晶體之該第一端；以及一輸出端，耦接於該第一電晶體之該控制端。
  3. 如請求項2所述之放大電路，其另包含：一第一濾波電路，耦接於該第二電晶體之該第一端和該運算放大器之該第二端之間。
  4. 如請求項2所述之放大電路，其另包含：一第二濾波電路，耦接於該第一電晶體之該控制端和該輸入端之間。
  5. 如請求項1所述之放大電路，其中該第一電晶體和該第二電晶體具有一致的製程變異方向。
  6. 如請求項1所述之放大電路，其另包含：一第四電晶體，其包含：一第一端；一第二端，耦接於該第一偏壓；以及一控制端；以及一第五電晶體，其包含：一第一端，用來接收一第二參考電流；一第二端，耦接於該第四電晶體之該第一端；以及一控制端，耦接於該第三電晶體之該控制端；其中，該運算放大器包含：一第一端，耦接於該第四電晶體之該第一端； 一第二端，耦接於該第一電晶體之該第一端；以及一輸出端，耦接於該第一電晶體之該控制端和該第二電晶體之該控制端。
  7. 如請求項6所述之放大電路，其中該第一電晶體、該第二電晶體和該第四電晶體具有一致的一第一製程變異方向，而該第三電晶體和該第五電晶體具有一致的一第二製程變異方向。
  8. 如請求項6所述之放大電路，其另包含：一第六電晶體，其包含：一第一端，用來接收一第三參考電流；一第二端，耦接於該第一偏壓；以及一控制端，耦接於該第四電晶體之該控制端和該第六電晶體之該第一端。
  9. 如請求項8所述之放大電路，其中該第一電晶體、該第二電晶體、該第四電晶體和該第六電晶體具有一致的製程變異方向。
  10. 如請求項1所述之放大電路，其另包含一負載電路，耦接於該第三電晶體之該第一端和一第二偏壓之間，用來依據流經該第三電晶體之電流來提供放大後之該輸入訊號。
  11. 一種電流鏡裝置，其包含：一第一電晶體，其包含：一第一端，用來接收一第一參考電流；一第二端，耦接於一第一偏壓；以及一控制端；一第二電晶體，其包含：一第一端；一第二端，耦接於該第一偏壓；以及一控制端，耦接於該第一電晶體之該控制端；一第三電晶體，其包含：一第一端；一第二端，耦接於該第二電晶體之該第一端；以及一控制端，耦接於一參考電壓；一第四電晶體，其包含：一第一端；一第二端，耦接於該第一偏壓；以及一控制端；以及一第五電晶體，其包含：一第一端，用來接收一第二參考電流；一第二端，耦接於該第四電晶體之該第一端；以及一控制端，耦接於該第三電晶體之該控制端；以及一運算放大器，其包含：一第一端，耦接於該第四電晶體之該第一端；一第二端，耦接於該第一電晶體之該第一端；以及 一輸出端，耦接於該第一電晶體之該控制端和該第二電晶體之該控制端。
  12. 如請求項11所述之電流鏡裝置，其另包含：一第六電晶體，其包含：一第一端，用來接收一第三參考電流；一第二端，耦接於該第一偏壓；以及一控制端，耦接於該第四電晶體之該控制端和該第六電晶體之該第一端。
  13. 如請求項11所述之電流鏡裝置，其另包含：一輸入端，耦接於該第二電晶體之該控制端，用來接收一輸入訊號；以及一輸出端，耦接於該第三電晶體之該第一端，用來輸出放大後之該輸入訊號。
  14. 如請求項11所述之放大電路，其另包含：一第二濾波電路，耦接於該第一電晶體之該控制端和該輸入端之間。
  15. 如請求項11所述之放大電路，其另包含：一第三濾波電路，耦接於該第三電晶體之該控制端和該第五電晶體之該控制端之間。
  16. 如請求項11所述之電流鏡裝置，其另包含一負載電路，耦接於該第三電晶體之該第一端和一第二偏壓之間，用來依據流經該第三電晶體之電流來提供放大後之該輸入訊號。
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