TWI792958B

TWI792958B - 源極隨耦電路

Info

Publication number: TWI792958B
Application number: TW111111179A
Authority: TW
Inventors: 黃詩雄
Original assignee: 瑞昱半導體股份有限公司
Priority date: 2022-03-24
Filing date: 2022-03-24
Publication date: 2023-02-11
Also published as: US20230307475A1; TW202339424A

Abstract

本申請揭露一種源極隨耦電路，用來依據輸入信號產生輸出信號，該電路包含：第一電晶體，其汲極耦接第一參考電壓；第二電晶體，其汲極耦接該第一電晶體的源極，且該第一電晶體和該第二電晶體的極性皆為第一類型；第一電容，其中該第一電容的一端選擇性地耦接該輸入信號或該第一電晶體的閘極，該第一電容的另一端選擇性地耦接第二參考電壓或第一偏壓；第二電容，其中該第二電容的一端選擇性地耦接該輸入信號或該第二電晶體的閘極，該第二電容的另一端選擇性地耦接第三參考電壓或第二偏壓。

Description

源極隨耦電路

本申請內容係關於電路，尤指一種源極隨耦電路。

源極隨耦器的輸入信號由電晶體的閘極輸入，使電晶體的源極的電壓會追隨輸入信號電壓而變。源極隨耦器常被用來作為驅動電路，因此如何提升源極隨耦器對電源雜訊的抑制能力，即提高電源抑制比(power supply rejection ratio, PSRR)，以提高源極隨耦器的信號雜訊比(signal-to-noise ratio, SNR)，是至關重要的問題。

本申請提供一種源極隨耦電路，用來依據輸入信號產生輸出信號，該電路包含：第一電晶體，具有汲極耦接第一參考電壓；第二電晶體，具有汲極耦接該第一電晶體的源極，且該第一電晶體和該第二電晶體的極性皆為第一類型；第一電容，其中該第一電容的一端選擇性地耦接該輸入信號或該第一電晶體的閘極，該第一電容的另一端選擇性地耦接第二參考電壓或第一偏壓；第二電容，其中該第二電容的一端選擇性地耦接該輸入信號或該第二電晶體的閘極，該第二電容的另一端選擇性地耦接第三參考電壓或第二偏壓。本申請提供一種源極隨耦電路，用來依據輸入信號產生輸出信號，該電路包含：第一電晶體，具有汲極耦接第一參考電壓；第二電晶體，具有汲極耦接該第一電晶體的源極，且該第一電晶體和該第二電晶體的極性皆為第一類型；第一電容，其中該第一電容的一端耦接該第一電晶體的閘極及選擇性地耦接該輸入信號，該第一電容的另一端選擇性地耦接第二參考電壓或第一偏壓；第二電容，其中該第二電容的一端耦接該第二電晶體的閘極及選擇性地耦接該輸入信號，該第二電容的另一端選擇性地耦接第三參考電壓或第二偏壓。通過本申請，可以提高源極隨耦器的PSRR。

圖1為本申請的源極隨耦電路的第一實施例的示意圖。源極隨耦電路100用來依據輸入信號VIN產生輸出信號VO以驅動下級負載。源極隨耦電路100包含電晶體M1、電晶體M2、電容C1及電容C2。其中電晶體M1和電晶體M2以疊接(cascode)方式設置，使電晶體M1的源極耦接電晶體M2的汲極，而電晶體M1的汲極耦接參考電壓V1。電晶體M2作為源極隨耦電路100中主要的源極隨耦器，用來依據閘極的輸入信號VIN產生輸出信號VO。電晶體M1的設置可以使電晶體M2的汲極電壓能夠和輸入信號VIN有關，這樣一來，電晶體M2的汲極-源極電壓在輸入信號VIN變動時也能儘量保持不變，使電晶體M2的互導(transconductance)儘量固定，提高輸出信號VO的線性度。此外，限制電晶體M2的汲極-源極電壓同時也可抑制通道長度調變效應。電容C1的一端選擇性地耦接輸入信號VIN的輸入端或電晶體M1的閘極，電容C1的另一端選擇性地耦接參考電壓V2的輸入端或偏壓VB1的輸入端。電容C2的一端選擇性地耦接輸入信號VIN的輸入端或電晶體M2的閘極，電容C2的另一端選擇性地耦接參考電壓V3的輸入端或偏壓VB2的輸入端。電容C1和開關S1、開關S2、開關S3及開關S4構成開關電容電路，用以依據輸入信號VIN來產生電晶體M1的閘極的交流電壓成分，及依據偏壓VB1來產生電晶體M1的閘極的直流電壓成分。電容C2和開關S5、開關S6、開關S7及開關S8構成開關電容電路，用以依據輸入信號VIN來產生電晶體M2的閘極的交流電壓成分，及依據偏壓VB2來產生電晶體M2的閘極的直流電壓成分。具體來說，電容C1的一端通過開關S1耦接電晶體M1的閘極以及通過開關S2耦接輸入信號VIN的輸入端，電容C1的另一端通過開關S3耦接參考電壓V2的輸入端以及通過開關S4耦接偏壓VB1的輸入端。電容C2的一端通過開關S5耦接電晶體M2的閘極以及通過開關S6耦接輸入信號VIN的輸入端，電容C2的另一端通過開關S7耦接參考電壓V3的輸入端以及通過開關S8耦接偏壓VB2的輸入端。其中偏壓VB1和偏壓VB2分別用來決定電晶體M1和電晶體M2的閘極端的直流電壓，偏壓VB1和偏壓VB2可以為不同數值。參考電壓V2和參考電壓V3的數值也會影響電晶體M1和電晶體M2的閘極端的直流電壓，在某些實施例中，參考電壓V2和參考電壓V3相同。但在某些實施例中，參考電壓V2和參考電壓V3可以不相同。源極隨耦電路100操作時，會在取樣階段和保持階段週期性地切換，以實現離散時間操作。其中在該取樣階段，使開關S2、開關S3、開關S6及開關S7導通，開關S1、開關S4、開關S5及開關S8不導通，以使輸入信號VIN的成分進入電容C1和C2；在該保持階段，使開關S1、開關S4、開關S5及開關S8導通，開關S2、開關S3、開關S6及開關S7不導通，以使電容C1中的輸入信號VIN的成分和偏壓VB1的成分進入電晶體M1，以及使電容C2中的輸入信號VIN的成分和偏壓VB2的成分進入電晶體M2。在某些實施例中，亦可以在該取樣階段，使開關S2、開關S4、開關S6及開關S8導通，開關S1、開關S3、開關S5及開關S7不導通，以使輸入信號VIN的成分和偏壓VB1的成分進入電容C1，以及使輸入信號VIN的成分和偏壓VB2的成分進入電容C2；在該保持階段，使開關S1、開關S3、開關S5及開關S7導通，開關S2、開關S4、開關S6及開關S8不導通，以使電容C1中的輸入信號VIN的成分和偏壓VB1的成分進入電晶體M1，以及使電容C2中的輸入信號VIN的成分和偏壓VB2的成分進入電晶體M2。因為電晶體M1的功能在於輔助電晶體M2，即電晶體M2為源極隨耦電路100中主要的源極隨耦器，因此電容C2的電容值會大於電容C1的電容值，使電晶體M2的閘極相較於電晶體M1的閘極來說，受輸入信號VIN影響較大。一般為了提高源極隨耦電路100的操作頻率，電晶體M1和電晶體M2的通道寬長比通常會設計的較大，以提高電流來快速推動下級負載，如此一來，電晶體M1和電晶體M2的寄生電容也相對較大。因此，當參考電壓V1帶有的電源雜訊進入電晶體M1的汲極時，電晶體M1的閘極-汲極耦合電容會將雜訊耦合到電晶體M1的閘極，不過雜訊無法通過電容C1影響到電晶體M2的閘極，因此也就不會反應在輸出電壓VO。即使雜訊仍可能通過其他路徑反應在電晶體M2的閘極，但影響甚微。換句話說，本申請通過確保雜訊無法通過電容C1影響到電晶體M2的閘極，來提高源極隨耦電路100的PSRR和SNR。在某些實施例中，可以在取樣階段時讓輸入信號VIN一併驅動電晶體的閘極端，整體來說可以使輸入信號VIN更有效率地反應到電晶體。具體來說，在該取樣階段，使開關S1、開關S2、開關S3、開關S5、開關S6及開關S7導通，使開關S4及開關S8不導通，以使輸入信號VIN的成分進入電容C1和電容C2以及電晶體M1和電晶體M2；在該保持階段，使開關S1、開關S4、開關S5及開關S8導通，使開關S2、開關S3、開關S6及開關S7不導通，以使電容C1中的輸入信號VIN的成分和偏壓VB1的成分進入電晶體M1，以及使電容C2中的輸入信號VIN的成分和偏壓VB2的成分進入電晶體M2。在某些實施例中，亦可以在該取樣階段，使開關S1、開關S2、開關S4、開關S5、開關S6及開關S8導通，使開關S3及開關S7不導通，以使輸入信號VIN的成分和偏壓VB1的成分進入電容C1，以及使輸入信號VIN的成分和偏壓VB2的成分進入電容C2；在該保持階段，使開關S1、開關S3、開關S5及開關S7導通，使開關S2、開關S4、開關S6及開關S8不導通，以使電容C1中的輸入信號VIN的成分和偏壓VB1的成分進入電晶體M1，以及使電容C2中的輸入信號VIN的成分和偏壓VB2的成分進入電晶體M2。由於上述加強驅動的操作中，開關S1和開關S5在該取樣階段及該保持階段都維持導通，因此在某些實施例中，可以省略圖1當中的開關S1和開關S5，配置如圖2的實施例中的源極隨耦電路200。在源極隨耦電路100和源極隨耦電路200的實施例中，皆採用N型電晶體，但本申請不以此為限。例如圖3的源極隨耦電路300和圖4的源極隨耦電路400皆採用P型電晶體。源極隨耦電路300包含電晶體M3、電晶體M4、電容C3及電容C4。其中電晶體M3和電晶體M4以疊接方式設置，使電晶體M3的源極耦接電晶體M4的汲極，而電晶體M3的汲極耦接參考電壓V4。電晶體M4作為源極隨耦電路300中主要的源極隨耦器，用來依據閘極的輸入信號VIN產生輸出信號VO。電晶體M3的設置可以使電晶體M4的汲極電壓能夠和輸入信號VIN有關。電容C3的一端選擇性地耦接輸入信號VIN或電晶體M3的閘極，電容C3的另一端選擇性地耦接參考電壓V5或偏壓VB3。電容C4的一端選擇性地耦接輸入信號VIN或電晶體M4的閘極，電容C4的另一端選擇性地耦接參考電壓V6或偏壓VB4。電容C3和開關S9、開關S10、開關S11及開關S12構成開關電容電路，用以依據輸入信號VIN來產生電晶體M3的閘極的交流電壓成分，及依據偏壓VB3來產生電晶體M3的閘極的直流電壓成分。電容C4和開關S13、開關S14、開關S15及開關S16構成開關電容電路，用以依據輸入信號VIN來產生電晶體M4的閘極的交流電壓成分，及依據偏壓VB4來產生電晶體M4的閘極的直流電壓成分。具體來說，電容C3的一端通過開關S9耦接電晶體M3的閘極以及通過開關S10耦接輸入信號VIN的輸入端，電容C3的另一端通過開關S11耦接參考電壓V5的輸入端以及通過開關S12耦接偏壓VB3的輸入端。電容C4的一端通過開關S13耦接電晶體M4的閘極以及通過開關S14耦接輸入信號VIN的輸入端，電容C4的另一端通過開關S15耦接參考電壓V6的輸入端以及通過開關S16耦接偏壓VB4的輸入端。其中偏壓VB3和偏壓VB4分別用來決定電晶體M3和電晶體M4的閘極端的直流電壓，偏壓VB3和偏壓VB4可以為不同數值。參考電壓V5和參考電壓V6的數值也會影響電晶體M3和電晶體M4的閘極端的直流電壓，在某些實施例中，參考電壓V5和參考電壓V6相同。但在某些實施例中，參考電壓V5和參考電壓V6可以不相同。源極隨耦電路300操作時，會在取樣階段和保持階段週期性地切換，以實現離散時間操作。其中在該取樣階段，開關S10、開關S11、開關S14及開關S15導通，開關S9、開關S12、開關S13及開關S16不導通，以使輸入信號VIN的成分進入電容C3和電容C4；在該保持階段，開關S9、開關S12、開關S13及開關S16導通，使開關S10、開關S11、開關S14及開關S15不導通，以使電容C3中的輸入信號VIN的成分和偏壓VB3的成分進入電晶體M3，以及使電容C4中的輸入信號VIN的成分和偏壓VB4的成分進入電晶體M4。在某些實施例中，亦可以在該取樣階段，使開關S10、開關S12、開關S14及開關S16導通，使開關S9、開關S11、開關S13及開關S15不導通，以使輸入信號VIN的成分和偏壓VB3的成分進入電容C3，以及使輸入信號VIN的成分和偏壓VB4的成分進入電容C4；在該保持階段，使開關S9、開關S11、開關S13及開關S15導通，使開關S10、開關S12、開關S14及開關S16不導通，以使電容C3中的輸入信號VIN的成分和偏壓VB3的成分進入電晶體M3，以及使電容C4中的輸入信號VIN的成分和偏壓VB4的成分進入電晶體M4。因為電晶體M3的功能在於輔助電晶體M4，即電晶體M4為源極隨耦電路300中主要的源極隨耦器，因此電容C4的電容值會大於電容C3的電容值，使電晶體M4的閘極相較於電晶體M3的閘極來說，受輸入信號VIN影響較大。相似地，源極隨耦電路300和源極隨耦電路400中，參考電壓V4的雜訊無法通過電容C3影響到電晶體M4的閘極，因此PSRR和SNR得以被提升。在某些實施例中，可以在取樣階段時讓輸入信號VIN一併驅動電晶體的閘極端，整體來說可以使輸入信號VIN更有效率地反應到電晶體。具體來說，在該取樣階段，使開關S9、開關S10、開關S11、開關S13、開關S14及開關S15導通，使開關S12及開關S16不導通，以使輸入信號VIN的成分進入電容C3和電容C4以及電晶體M3和電晶體M4；在該保持階段，使開關S9、開關S12、開關S13及開關S16導通，使開關S10、開關S11、開關S14及開關S15不導通，以使電容C3中的輸入信號VIN的成分和偏壓VB3的成分進入電晶體M3，以及使電容C4中的輸入信號VIN的成分和偏壓VB4的成分進入電晶體M4。在某些實施例中，亦可以在該取樣階段，使開關S9、開關S10、開關S12、開關S13、開關S14及開關S16導通，使開關S11及開關S15不導通，以使輸入信號VIN的成分和偏壓VB3的成分進入電容C3，以及使輸入信號VIN的成分和偏壓VB4的成分進入電容C4；在該保持階段，使開關S9、開關S11、開關S13及開關S15導通，使開關S10、開關S12、開關S14及開關S16不導通，以使電容C3中的輸入信號VIN的成分和偏壓VB3的成分進入電晶體M3，以及使電容C4中的輸入信號VIN的成分和偏壓VB4的成分進入電晶體M4。由於上述加強驅動的操作中，開關S9和開關S13在該取樣階段及該保持階段都維持導通，因此在某些實施例中，可以省略圖3當中的開關S9和開關S13，如圖4的實施例中的源極隨耦電路400。在某些實施例中，可將源極隨耦電路100/200和源極隨耦電路300/400結合。舉例來說，將源極隨耦電路100和將源極隨耦電路300結合可得到圖5的源極隨耦電路500；將源極隨耦電路200和將源極隨耦電路400結合可得到圖6的源極隨耦電路600。在這些實施例中，因應輸入信號VIN的數值、輸出信號VO的數值以及電晶體M1、電晶體M2、電晶體M3以及電晶體M4的臨界電壓不同，偏壓VB1、VB2、VB3、VB4可為相同或不同數值。參考電壓V2、參考電壓V3、參考電壓V5及參考電壓V6可為相同或不同數值。

100,200,300,400,500,600:源極隨耦電路 C1,C2,C3,C4:電容 M1,M2,M3,M4:電晶體 S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8,S9,S10,S11,S12,S13,S14,S15,S16:開關 V1,V2,V3,V4,V5,V6:參考電壓 VB1,VB2,VB3,VB4:偏壓 VIN:輸入電壓 VO:輸出電壓

在閱讀了下文實施方式以及附隨圖式時，能夠最佳地理解本揭露的多種態樣。應注意到，根據本領域的標準作業習慣，圖中的各種特徵並未依比例繪製。事實上，為了能夠清楚地進行描述，可能會刻意地放大或縮小某些特徵的尺寸。圖1為本申請的源極隨耦電路的第一實施例的示意圖。圖2為本申請的源極隨耦電路的第二實施例的示意圖。圖3為本申請的源極隨耦電路的第三實施例的示意圖。圖4為本申請的源極隨耦電路的第四實施例的示意圖。圖5為本申請的源極隨耦電路的第五實施例的示意圖。圖6為本申請的源極隨耦電路的第六實施例的示意圖。

500:源極隨耦電路

C1,C2,C3,C4:電容

M1,M2,M3,M4:電晶體

S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8,S9,S10,S11,S12,S13,S14,S15,S16:開關

V1,V2,V3,V4,V5,V6:參考電壓

VB1,VB2,VB3,VB4:偏壓

VIN:輸入電壓

VO:輸出電壓

Claims

一種源極隨耦電路，用來依據輸入信號產生輸出信號，該源極隨耦電路包含：一第一電晶體，具有一汲極耦接一第一參考電壓；一第二電晶體，具有一汲極耦接該第一電晶體的一源極，且該第一電晶體和該第二電晶體的極性皆為一第一類型；一第一電容，其中該第一電容的一端選擇性地耦接該輸入信號或該第一電晶體的一閘極，該第一電容的另一端選擇性地耦接一第二參考電壓或一第一偏壓；一第二電容，其中該第二電容的一端選擇性地耦接該輸入信號或該第二電晶體的一閘極，該第二電容的另一端選擇性地耦接一第三參考電壓或一第二偏壓。
如請求項1的源極隨耦電路，其中：該第一電容的一端通過一第一開關耦接該第一電晶體的該閘極以及通過一第二開關耦接該輸入信號，該第一電容的另一端通過一第三開關耦接該第二參考電壓以及通過一第四開關耦接該第一偏壓；及該第二電容的一端通過一第五開關耦接該第二電晶體的該閘極以及通過一第六開關耦接該輸入信號，該第二電容的另一端通過一第七開關耦接該第三參考電壓以及通過一第八開關耦接該第二偏壓。
如請求項2的源極隨耦電路，其中當該第一開關、該第四開關、該第五開關及該第八開關導通時，該第二開關、該第三開關、該第六開關及該第七開關不導通；當該第二開關、該第三開關、該第六開關及該第七開關導通時，該第一開關、該第四開關、該第五開關及該第八開關不導通。
如請求項2的源極隨耦電路，其中當該第一開關、該第三開關、該第五開關及該第七開關導通時，該第二開關、該第四開關、該第六開關及該第八開關不導通；當該第二開關、該第四開關、該第六開關及該第八開關導通時，該第一開關、該第三開關、該第五開關及該第七開關不導通。
如請求項1的源極隨耦電路，其中該第二電容的一電容值大於該第一電容的一電容值。
如請求項1的源極隨耦電路，還包括：一第三電晶體，具有一汲極耦接一第四參考電壓；一第四電晶體，具有一汲極耦接該第三電晶體的一源極，且該第三電晶體和該第四電晶體的極性皆為不同於該第一類型的一第二類型；一第三電容，其中該第三電容的一端選擇性地耦接該輸入信號或該第三電晶體的一閘極，該第三電容的另一端選擇性地耦接一第五參考電壓或一第三偏壓；及一第四電容，其中該第四電容的一端選擇性地耦接該輸入信號或該第四電晶體的一閘極，該第四電容的另一端選擇性地耦接一第六參考電壓或一第四偏壓。
一種源極隨耦電路，用來依據一輸入信號產生一輸出信號，該源極隨耦電路包含：一第一電晶體，具有一汲極耦接一第一參考電壓；一第二電晶體，具有一汲極耦接該第一電晶體的一源極，且該第一電晶體和該第二電晶體的極性皆為一第一類型；一第一電容，其中該第一電容的一端耦接該第一電晶體的一閘極及選擇性地耦接該輸入信號，該第一電容的另一端選擇性地耦接一第二參考電壓或一第一偏壓；一第二電容，其中該第二電容的一端耦接該第二電晶體的一閘極及選擇性地耦接該輸入信號，該第二電容的另一端選擇性地耦接一第三參考電壓或一第二偏壓。
如請求項7的源極隨耦電路，其中：該第一電容的一端通過一第二開關耦接該輸入信號，該第一電容的另一端通過一第三開關耦接該第二參考電壓以及通過一第四開關耦接該第一偏壓；及該第二電容的一端通過一第六開關耦接該輸入信號，該第二電容的另一端通過一第七開關耦接該第三參考電壓以及通過一第八開關耦接該第二偏壓。
如請求項8的源極隨耦電路，其中當該第四開關及該第八開關導通時，該第二開關、該第三開關、該第六開關及該第七開關不導通；當該第二開關、該第三開關、該第六開關及該第七開關導通時，該第四開關及該第八開關不導通。
如請求項7的源極隨耦電路，還包括：一第三電晶體，具有一汲極耦接一第四參考電壓；一第四電晶體，具有一汲極耦接該第三電晶體的一源極，且該第三電晶體和該第四電晶體的極性皆為不同於該第一類型的一第二類型；一第三電容，其中該第三電容的一端耦接該第三電晶體的一閘極及選擇性地耦接該輸入信號，該第三電容的另一端選擇性地耦接一第五參考電壓或一第三偏壓；及一第四電容，其中該第四電容的一端耦接該第四電晶體的一閘極及選擇性地耦接該輸入信號，該第四電容的另一端選擇性地耦接一第六參考電壓或一第四偏壓。