WO2006012784A1 - Circuit de polarisation a transistor a effet de champ - Google Patents

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    • H03F2200/18Indexing scheme relating to amplifiers the bias of the gate of a FET being controlled by a control signal

Description

场效应管偏置电路
技术领域
本发明是关于一种场效应管偏置电路, 旨在提供一种高效率的场效 应管偏置电路, 其可克服因温度变动而引发场效应管静态漏极电流变动 的缺失, 减少在温度变化时场效应管的增益及线性特性的变动幅度, 并 可减小整枚晶圆内各个场效应管静态漏极电流偏差。 背景技术
设计含有场效应管的电路时需考虑如下因素: 一、 抑制由周围环境 温度及场效应管自身发热而产生的温度变化所引发的电子器件特性恶化 现象; 二、 减小整枚晶圆内各个场效应管静态漏极电流的偏差。 现有技 术的电路常常靠牺牲场效应管的功率, 通过在漏极或源极上串联一电阻 以获取电流变动信息, 并以此来控制栅极电压, 从而进行补偿。 对于需 要小信号工作的场效应管器件而言, 人们常用信号动作场效应管上采用 自偏压方式, 或在场效应管源极和漏极上加上电阻来稳定静态漏极电流。 对于器件功率消耗较少或对效率要求不高的场效应管来讲, 上述现有技 术的解决方案尚可容忍。 然而, 对于注重效率的大场效应管器件而言, 以上方法则行不通。 因为自偏压方式或在场效应管源极和漏极上加上电 阻来稳定静态漏极电流的时候, 一旦在源极或漏极串联上电阻, 流过电 阻上的电流必然将引起场效应管上电力的损耗。 发明内容
本发明为克服现有的温度变动时信号动作场效应管静态漏极电流变 动的缺点, 改善整枚晶圆内各个场效应管静态漏极电流偏差而提供一种 高效率场效应管偏置电路。 本发明所采用的技术方案是: 提供一种场效应管偏置电路, 其包括 具有电源的电流变动信息电路; 与该电流变动信息电路信号输出端连接 的电阻, 该电阻另一端接于一基准电压源, 且该电阻与电流变动信息电 路的连接点作为提供电压变动信息的输出端; 以及至少接有一电压源的 分压电路, 其连接于提供电压变动信息的输出端; '通过将该输出端的电 压变动信息提供给分压电路, 并从该分压电路中取出一个分压作为该场 效应管偏置电路的输出端, 用以控制一信号动作场效应管的静态漏极电 流。
本发明的有益效果是为: 采用本发明的场效应管偏置电路除可在温 度变化情况下保持静态漏极电流稳定之外, 还可减少在温度变化时静态 漏极电流变动而引发的增益及线性特性的变动幅度; 而且, 本发明的电- 路可与被控制信号动作场效应管制作集成于同一芯片上, 也可不与被控 ^ 制信号动作场效应管集成于同一芯片上, 作为一独立器件制作及使用。. V 另外, 本发明的电路整体的电路面积及功耗极小, 可与被控制信号动作. 场效应管一起集成于一个 IC芯片里, 也可与被控制信号动作场效应管封、 装在同一个管壳内、 成本较低、 易于集成制造。 附图说明
图 1是本发明场效应管偏置电路的电路图。
图 2是本发明场效应管偏置电路的第一实施例。
图 3是场效应管静态漏极电流的温度特性曲线。
图 4是场效应管静态漏极电流对栅极电压的温度特性曲线, 其显示无 温度补偿状态下, 信号动作场效应管的静态漏极电流随栅极电压减小而 减小的特性。 .
图 5是实施本发明场效应管偏置电路后信号动作场效应管的静态漏 极电流的温度特性曲线。
图 6是显示不同温度条件下, 场效应管有不同的临界值电压, 其显示 未实施本发明场效应管偏置电路时场效应管栅极电压对静态漏极电流的 特性曲线。
图 7是显示整枚晶圆上不同位置芯片所制成的场效应管有不同的临 界值电压, 其显示未实施本发明场效应管偏置电路时场效应管栅极电压 对静态漏极电流的特性曲线。
图 8是显示整枚晶圆中, 各场效应管偏置电路中之场效应管与被控制 •信号动作场效应管静态漏极电流偏差分布, 以及实施本发明场效应管偏 置电路后, 被控制信号动作场效应管静态漏极电流偏差分布。
图 9是本发明场效应管偏置电路的第二实施方式。
图 10是本发明场效应管偏置电路的第三实施方式。
图 11是本发明场效应管偏置电路的一种改进的实施例。
图 12是本发明场效应管偏置电路的另一种改进的实施例。 具体实施方式
请参照图 1 , 是本发明场效应管偏置电路的方块图。 本发明的场效应 管偏置电路包括由电流变动信息电路 1与电阻 2构成的电压变动信息电路 以及与该电压变动信息电路结合的分压电路 4。 其中, 该电流变动信息电 路 1是利用功率消耗极小的场效应管构成, 其由电源 18供电。 该电阻 2连 接电流变动信息电路 1的信号输出端, 电阻 2另一端上施加基准电压源 7。 电流变动信息电路 1与电阻 2的连接点作为该电压变动信息电路的输出端 3, 通过将该输出端 3的电压变动信息提供给至少接有一个电压源 10的分 压电路 4, 并从分压电路 4中取出一个分压, 作为本发明场效应管偏置电 路的输出端 5, 用以控制实际信号动作的信号动作场效应管 6的电流。 该 分压电路 4的供给电压源 10可选为一正电源或一负电源, 其正负是由场效 应管 6栅极需要的电压工作状态来决定; 其中, 通过计算分压电路 4的输 出端 5的电位与电位变动量, 来决定分压电路 4的构成。
• 本发明的电路中, 减小整枚晶圆上各个不同位置制成的信号动作场 效应管 6的静态漏极电流偏差与温度补偿所依据的原理相同, 因而下文仅 以温度补偿原理为例, 说明本发明的具体实施例。
请参考图 2,为本发明场效应管偏置电路的第一实施例。本实施例中, 该电流变动信息电路 1包括场效应管 14及两个串联的分压电阻 11, 12, 该 场效应管 14源极接地, 其漏极经电阻 2连接于基准电压源 7, 其栅极连接 于二分压电阻 11,12之间, 该二分压电阻 11, 12—端接地, 另一端连接于 电源 18。 该电源 18与电压源 10共享一组电源, 通过分压电阻 11与电阻 12 加在场效应管 14栅极上, 由此设定场效应管 14的静态漏极电流。 电流变 动信息电路 1与电阻 2的连接点作为提供电压变动信息的输出端 3, 该输出. 端 3接分压电路 4, 该分压电路 4包括二串联电阻 8及 9, 电阻 8—端接电 -J5 源 10, 电阻 8的另一端与电阻 9相连, 电阻 9的另一端与电压变动信息电^ 的输出端 3相连, 在电阻 8和 9之间引出一输出端 5与被控制信号动作场效 应管 6栅极连接, 用来控制信号动作场效应管 6的静态漏极电流。 其中, 信号动作场效应管 6漏极由电源 13供电。
另外, 上述电流变动信息电路 1中采用三极管来代替场效应管 14也可 达成相同的功效。
请参照图 3 ,其为场效应管静态漏极电流的温度特性曲线。如图所示, 当温度升高时, 无温度补偿状态下, 信号动作场效应管 6的静态漏极电流 具有随温度升高而增大的特性。
请参照图 4, 其显示当温度一定时, 无温度补偿状态下, 信号动作场 效应管 6的静态漏极电流具有随栅极电压减小而减小的特性。 本发明利用图 3与图 4所说明的特性原理, 在温度变化时, 通过加在 信号动作场效应管 6栅极上电压的高低变化来抑制信号动作场效应管 6静 态漏极电流的变动。
根据图 3所示的静态漏极电流的温度特性曲线, 当温度升高时, 本实 施例中电流变动信息电路 1中的场效应管 14静态漏极电流增大, 其电阻变 小, 因而电压变动信息输出端 3电位降低, 分压电路 4的输出端 5的电位也 随之降低。 因而, 根据图 4显示的信号动作场棼应管 6的静态漏极电流随 栅极电压减小而减小的特性, 此时降低的电位若施加至信号动作场效应 管 6栅极上则恰可抑制抵消信号动作场效应管 6静态漏极电流的增大, 达 成温度补偿的目的, 具体如下:
在室温 25°C时, 假定要设定信号动作场效应管 6静态漏电流的目标值」- 为 100mA, 此时加到电流变动信息电路 1中的场效应管 14的栅极上的负压; -0.8V。 通过本发明的电路设计, 与电阻 2串联的电流变动信息电路 1中 提供电压变动信息的输出端 3电压将为 2V, 此时通过分压电路 4加到信号: ί 动作场效应管 6上的电压为 -0.6V, 对应信号动作场效应管 6上的静态漏极:., 电流为我们希望的 100mA。
若温度升高时, 假定温度升为 85Ό, 此时未使用本发明场效应管偏 置电路的信号动作场效应管 6的静态漏电流将上升为 180mA, 而我们希望 保持静态漏电流为 100mA不变。 若采用本发明场效应管偏置电路, 参照 图 3及图 4的原理, 随温度增大, 场效应管 14的静态漏极电流也随温度增 大, 电流变动信息电路 1的输出电流也增大 4, 因此在电阻 2上的电压 降增大, 而基准.电压源 7电压是一定的, 因而电压变动信息的输出端 3电 压降为 1.6V, 此时经由分压电路 4加到信号动作场效应管 6栅极上的电压 变为 -0.8V,温度升高到 85°C时引起的信号动作场效应管 6栅极上的电压变 动 Δ V=-0.8V-(-0.6V)=-0.2V, 即.. 当温度升高到 85°C时, 加在信号动作场 效应管 6栅极上的电压降低了 0.2V, 其栅极上降低的 0.2V电压恰好能把信 号动作场效应管 6静态漏电流从 lSOmA拉回到 100mA, 从而保证温度从 25 °C到 85°C变动时, 该信号动作场效应管 6的静态漏电流始终保持在 100mA 左右。
另一方面, 假定当温度降低到 -30°C时, 未使用本发明场效应管偏置 电路的信号动作场效应管 6静态漏电流降为 50mA, 而我们希望信号动作 场效应管 6静态漏电流保持在 100mA不变。 参照前文图 3及图 4的原理, 采 用本发明的偏置电路时: 随温度降低, 电流变动信息电路 1中的场效应管 14静态漏极电流也减少, gP': 电流变动信息电路 1的输出电流也减小, 因 此在电阻 2上的电压降减小, 而基准电压源 7电压是一定的, 于是电压变 动信息的输出端 3电压升为 2.4V, 此时经由分压电路 4加到信号动作场效.. 应管 6栅极上的电压变将为 -0.42V,温度降低到 -30°C时引起的信号动作场 5 效应管 6栅极上的电压变动 A V=-0.42V-(-0.6V)=0.18V, 即: 当温度降低到 -30Ό时, 加在信号动作场效应管 6栅极上电压上升了 0.18V。 栅极上升的 0.18V电压提供至信号动作场效应管 6栅极时恰可能把信号动作场效应管 ^ - 6静态漏电流从 50mA拉回到 100mA,从而保证温度从 25°C至 -30°C变动时, 信号动作场效应管 6静态漏电流始终保持在 100mA附近。
综上所述可知本发^场效应管偏置电路不会导致信号动作场效应管 6的额外损耗, 其使信号动作场效应管 6高效率工作的同时, 可对信号动 作场效应管 6漏极电流起温度补偿的功用。 如图 5所示, 实施本发明上述 电路的信号动作场效应管 6于温度变化的环境下仍可保持稳定的静态漏 极电流。
此外, 可通过 IC芯片试做或计算机模拟以及温度实验设计出本发明 中场效应管 14的尺寸大小、 所需电压及各个电阻值, 使其可对信号动作 场效应管 6的静态漏极电流进行温度补偿。 请参照图 6, 其显示未实施本发明场效应管偏置电路时, 信号动作场 效应管 6在不同温度条件下的栅极电压对静态漏极电流的曲线 ·, 其表明信 号动作场效应管 6在不同温度条件下有着不同的临界值电压 Vth, 且该临 界值电压 Vth具有随着温度升高而减小的特性。
图 7显示未实施本发明场效应管偏置电路时, 信号动作场效应管
(FET) 6的栅极电压对静态漏极电流的特性曲线, 其表明整枚晶圆上不 同位置芯片所制作的信号动作场效应管 6有着不同的临界值电压。
经比较可知图 6与图 7非常相似, 因而, 对减小整枚晶圆上不同位置 所制造的信号动作场效应管 6的静态漏极电流的偏差而言, 其所依据的原 理是与图 3、 图 4及图 5的温度补偿原理相同, 不再赘述。
请参照图 8, 其显示整枚晶圆中各个场效应管 (FET) 14与信号动作 . 场效应管 6静态漏极电流偏差分布, 以及实施本发明场效应管偏置电路 后, 信号动作场效应管 6静态漏极电流的偏差分布。 - - . 参照图 8所示, 对于偏置电路中的场效应管 14而言, 即使在同一温度^: 及一定的栅极电压下,整枚芯片中各个场效应管 14(小功率管)的静态漏极 电流也会出现偏差, 呈现分布曲线 a; 同样, 对信号动作场效应管 6而言, · 即使在同一温度及一定的栅极电压下, 整枚芯片中各个信号动作场效应 管 6的静态漏极电流也会出现偏差, 呈现分布曲线 b。 实施本发明场效应 管偏置电路后可减小整枚芯片中各个场效应管 6静态漏极电流出现的偏 差, 呈现分布曲线 c。例如, 二大功率信号动作场效应管 6A及 6B为整枚晶 圆不同位置所制成的场效应管, 未使用本发明场效应管偏置电路时, 在 一定栅极电压下, 其静态漏极电流分别为 100mA与 130mA。 使用本发明 的偏置电路后, 将大功率信号动作场效应管 6A的静态漏极电流同样设定 为 100mA时, 与大功率信号动作场效应管 6A在同一芯片内的偏置电路中 的场效应管 14A的静态漏极电流为 lmA, 电压变动信息的输出端 3电压为 N2005/000516
Vax, 输出端 5的电压为 Vao。 同样方法制作的电路, 大功率信号动作场效 应管 6B的偏置电路中的场效应管 MB的电流比场效应管 14A的电流大,:为 1.3mA。 大功率信号动作场效应管 6B的偏置电路中的电压变动信息的输 出端 3电压为 Vbx, 输出端 5的电压为 Vbo。 此时, 由于 Vbx<Vax, 因此输 出端 5的电压 Vbc Vao, 意味着加在大功率信号动作场效应管 6B栅极上的 电压要比加在大功率信号动作场效应管 6A栅极上的电压低。 因此, 大功 率信号动作场效应管 6B的静态漏极电流就会变小, 要小于 130mA。 因而, 本发明场效应管偏置电路除温度补偿功能之外, 也可减小各个大功率场 效应管静态漏极电流的偏差。
请参照图 9, 其为本发明场效应管偏置电路的第二实施例, 其电路构 造与图 2揭示的实施例相似。 但是, 其电流变动信息电路 1是采用二极管 · 构成。 该二极管一端接地, 另一端连接电阻 2, 该电阻 2另一端接于基准 电压源 7, 且该电阻 2与该二极管的连接点作为提供电压变动信息之输出 端3。 由于二极管的电流变动特性与场效应管电流变动特性近似, 因此',― 配合分压电路 4的设定, 也可实现本发明的功能。 此时, 电源 18上不必加 电, 呈开放状态。
图 10为本发明场效应管偏置电路的第三实施例, 其电路构造与图 2揭 示的实施例相似。 此实施例不同之处在于: 电源 18为独立电源。
请参考图 11, 其显示在图 10中的电路基础上, 通过进行外部微调整 来设定信号动作场效应管 6静态漏极电流的方式。 图中所示虚线内的部分 可集成于 IC内部, 虚线外的电阻 15、 电阻 16不必集成在 IC内。 由于 IC制 作工艺的偏差, 当信号动作场效应管 6静态漏极电流与理想设计值有偏差 时, 可通过设定在 IC外部的调整电阻 15,16来进行微调整。 此外, IC内部 的电阻 17是用以增加隔离度, 防止当电阻 9较小时, 信号动作场效应管 6 的信号对电流变动信息电路 1的干扰。 请参考图 12, 其显示偏置电路中电阻 2设置于 IC芯片外部的情况。 IC 内部的电阻除了制造中的偏差外, 其温度 $化时偏差也较大, 而我们希 望电阻 2尽可能是偏差比较小的电阻。 为此将电阻 2设置于 IC外部, 不采 用 IC电阻, 由此电压变动信息的输出端 3电压偏差也会较小, 信号动作场 效应管 6的输出端 5的电压偏差也会较小。
本发明提供的电路可用于电子、 通讯等各种电子器件及 IC电路中, 尤其是适用于高频通信电路。 采用本发明的场效应管偏置电路具有如下 的优点:
a. 可以对信号动作场效应管的部分特性进行高效率的温度补偿; -; b. 可以减小整枚晶圆内各个芯片的信号动作场效应管静态漏极电流 偏差;
c 整个电路面积小, 可与被控制信号动作场效应管一起集成在 个 IC芯片里, 工艺简单、 成本低、 可靠性高; · d. 可以与被控制信号动作场效应管封装在同一支管壳内; ··
- e.可以控制单一正电源信号动作场效应管, 也可控制具有负栅极电 源的信号动作场效应管;
f. 可以通过 IC外部的电阻及施加电压对信号动作场效应管的静态漏 极电流进行微调整。

Claims

权利要求书
1.——种场效应管偏置电路, 其特征在于: 其包括具有电源的电流变 动信息电路; 与该电流变动信息电路信号输出端连接的电阻, 该电阻另 一端接于一基准电压源, 且该电阻与电流变动信息电路的连接点作为提 供电压变动信息的输出端; 以及至少接有一电压源的分压电路, 其连接 于提供电压变动信息的输出端; 通过将该输出端的电压变动信息提供给 分压电路, 并从该分压电路中取出一个分压作为该场效应管偏置电路的 输出端, 用以控制一信号动作场效应管的电流。
2. 根据权利要求 1所述的场效应管偏置电路, 其特征在于:其中该分 压电路的输出端连接该被控制信号动作场效应管的栅极。
3. 根据权利要求 1所述的场效应管偏置电路, 其特征在于: 该分压电 路的输出端与被控制信号动作场效应管的栅极之间接入一增加隔离度的 电阻。
4. ·根据权利要求 1所述的场效应管偏置电路, 其特征在于: 其中该电 流变动信息电路包括场效应管及两个串联的分压电阻, 该场效应管源极 接地, 其漏极经电阻连接于基准电压源, 其栅极连接于两个分压电阻之 间, 该二分压电阻一端接地, 另一端连接于电源; 或者, 该电流变动信 息电路包括三极管及两个串联的分压电阻, 该三极管发射极接地, 其集 电极经电阻连接于基准电压源, 其基极连接于二分压电阻之间, 该二分 压电阻一端接地, 一端连接于电源。
5. 根据权利要求 1所述的场效应管偏置电路, 其特征在于: 该场效应 管偏置电路与被控制的信号动作场效应管是封装在同一支管壳内; 或是 一同集成在同一个集成电路芯片中; 或是制作在不同的晶片上。
6. 根据权利要求 1至 5中任意一项所述的场效应管偏置电路, 其特征 在于: 在该电源与电流变动信息电路之间接入一可调电阻; 在电压源与 分压电路之间接入一可调电阻; 且该可调电阻设置在该偏置电路芯片外 部。
8. 根据权利要求 1所述的场效应管偏置电路, 其特征在于: 供给该分 压电路的电源可为一正电源或一负电源, 其正负是由场效应管栅极需要 的电压工作状态来决定; 其中, 通过计算分压电路输出端的电位与电位 变动量, 来决定分压电路的构成。
9. 根据权利要求 1所述的场效应管偏置电路,其特征在于: 该基准电 压源、 电压源、 信号动作场效应管漏极的供电电源与电源为相互独立的 电源;;或者, 该基准电压源、 电压源、 信号动作场效应管的漏极供电电 源与电源之间相互连接, 接入共同电源。
10. 一种场效应管偏置电路,其特征在于:其包括电流变动信息电路, 该电流变动信息电路为二极管, 该二极管一端接地, 另一端连接一电阻, 该电阻另一端接于一基准电压源, 且该电阻与该二极管的连接点作为提 供电压变动信息的输出端; 以及至少接有一电压源的分压电路, 其连接 于提供电压变动信息的输出端; 通过将该输出端的电压变动信息提供给 分压电路, 并从该分压电路中取出一个分压作为该场效应管偏置电路的 输出端, 用以控制一信号动作场效应管的电流。
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