用于保持跨导除以负载电容为常量的偏置电路制造技术

描述了一种通用于对运算放大器（１１０）偏置的偏置电路（１２６），它保持跨导除以负载电容为常量（即，常数ｇ↓［ｍ］／Ｃ↓［Ｌ］），而与温度和过程变化和体效应无关。偏置电路（１２６）包括一对电流源器件和一个开关电容器（ＳＣ）等效电阻器电路（１３６），用于形成电流源器件之间的等效电阻。通过提供由作重叠固定时钟信号所计时的ＳＣ等效电阻器电路，使偏置电路的ｇ↓［ｍ］／Ｃ↓［Ｌ］大致保持恒定。因此在被偏置的运算放大器内保持固定带宽。当结合ＳＣ电路的运算放大器一起使用时，恒定带宽使ＳＣ电路无论温度和过程怎样变化都能以恒定的交换速度运行。此外，通过在偏置电路的电流源器件之间定位电阻等效电路（１３６），消除电流源间的电压差动，从而消除任意阈值电压失配并补偿体效应变化。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
I.专利
本专利技术一般涉及集成电路，尤其涉及用于对开关电容器(SC)的运算放大器或其它使用NMOS或PMOS差分对的器件进行偏置的CMOS偏置电路。II.相关技术描述包含差分对的运算放大器在集成电路内通常作为如SC模拟信号处理电路的组件而被采用。为了确保运算放大器的某些特性无论温度变化或过程变化都大致保持恒定，偏置电路与运算放大器的差分对一起被采用。示例包括在用于保持运算放大器的差分对内的恒流或恒定跨导(gm)的偏置电路。恒定的gm比恒流更有效。对于SC电路中使用的运算放大器而言，SC电路的运算速度主要受到运算放大器的单位增益带宽的限制。更具体地说，SC电路的建立时间是运算放大器单位增益带宽的强函数，其中单位增益带宽由下式给出ω0=gmCL,]]>式中gm是运算放大器的跨导，CL是有效负载电容。因此，改进SC电路的性能速度，并不需要只提供恒定gm的偏置电路。相反，最好是提供恒定gm/CL的偏置电路。下面描述了用于运算放大器的各种常规偏置电路并且讨论了关于偏置电路而产生的单位增益带宽问题。图1说明了适用于SC电路的示例性运算放大器10。运算放大器10包括一个NMOS器件差分对12和14的和一个PMOS电流镜器件差分对13和15的。如图所示，这四个器件连接在正电压源VDD和节点A之间。NMOS器件对的栅极分别与一对电压输入线16和18相连。如图所示，输出线20与节点互连NMOS器件14和PMOS器件15相连。作为负载电容CL的电容器21把输出信号耦合至外部负载22。为了确保诸如电流或gm这样的某些电路特性无论温度或过程变化都能保持恒定，运算放大器用一个偏置信号来偏置，该偏置信号沿着偏置线25提供，并被施加于节点A和地之间所连接的附加NMOS器件24的栅极。图2说明了图1的运算放大器与用于保持恒渡而与温度变化和过程的变化无关的偏置电路26的结合。偏置电路26包括与单独NMOS器件29结合的电流源27，而NMOS器件29作为电流镜而工作。采用该结构保持恒流与温度变化和过程的变化无关且与由电流源27提供的电流成正比。然而，运算放大器的gm未保持为常量。而图2的运算放大器的gm由下式给出gm=2I0vGS-VT]]>式中，I0是偏置电流，vGS是器件12的栅源电压，VT是器件12的阈值。VT随温度和过程而改变。因此，gm随着温度和过程的波动而改变。此外，对于大多数应用而言，负载电容(CL)也随过程变化而改变约±10％。因此，用恒流源偏置的运算放大器的单位增益带宽会由于温度变化和过程波动所引起的gm和CL变化而引起明显的改变。因此，采用运算放大器的SC电路的速度性能会降级。图3说明了图1的运算放大器10和与温度变化和过程的变化无关而保持恒定gm的偏置电流30的结合。简言之，偏置电流包括分别连接在一对节点B和C及地之间的一对NMOS器件32和34。PMOS器件33和35的栅极与节点C相连。gm调整电阻器36连接在NMOS器件34的源极和地之间。电阻器36一般位于芯片外，允许在芯片制造后再设定电阻。使用中，偏置电路30作为电流镜而工作，以产生一个偏置电流，它把运算放大器的NMOS器件12和14的gm设成与gm调整电阻器36的电阻成反比的量。如本领域中所公知的，偏置电路实际上是自偏置Widlar电流源的MOS型式。这样，图3的偏置电路大致确保了运算放大器的gm不随过程和温度的变化(至少一阶)而改变。更具体地说，电路的Kirchoff电压电平由下式给出I0R+vGS2＝vGS1假定漏极饱和电流的二次方程式为vGS-vT=(Id)/(12μCOXWL)]]>如果假定偏置电路的器件32和34的阈值电压相等(忽略体效应)，则vGS1-VT＝2(vGS2-VT)因此I0R=12(VGSI-VT)]]>且从而，gm=2I0vGSI-VT=1R]]>这样，不考虑体效应，运算放大器器件的gm仅与gm调整电阻器36的电阻成正比。不幸的是，在实际集成电路中，体效应会形成重要问题。简言之，体效应与源极和衬底间的电压差所引起的阈值电压VT的变化有关。电压阈值中的变化与源极和衬底间电压的平方根成正比。在图3的电路中，阈值电压中的变化导致两个独立问题。第一个问题是由偏置电路的NMOS器件32和34的源极电压的变化所产生的。由于NMOS器件34的源极连接着器件32的不同电压，因此gm并非简单的与电阻器36的电阻成正比，而是由下式给出gm=1+1+2·B·R·vterr2R]]>其中B=μnCoxWL]]>这个gm的公式可以从下面方程组中导出vgs1＝vg2+I·R-vterr且由于vgs=2·IB-vT0]]>其中B=μnCoxWL]]>于是2·IB=122·IB+I·R-vterr]]>求出I=12·B+2B+R·vterr2R]]>得到gm=2·B·I]]>最后gm=1+1+2·B·R·vterr2R]]>第二个体效应问题是由于偏置电路的器件32和34以及运算放大器的器件12和14之间的绝对差异而产生的。偏置电路中产生的绝对电流与阈值电压成正比，因此源电压间的任意变化都会导致不同的gm值。由于固定了运算放大器的输入共模电压，因此器件12和14的源电压会随过程而改变，产生无径迹的gm。结果，温度变化和过程的变化并没有得到图1所示CMOS偏置电路完全补偿，这导致运算放大器gm的变化。因而，单位增益带宽再次受到影响。美国专利号6323725、题为“Constant Transconductance Bias Circuit havingBody Effect Cancellation Circuitry”中说明了一种改进的恒定gm偏置电路，它除了补偿由温度或过程的引起的变化之外，还补偿由体效应引起的变化，从而提供了恒定的gm。然而，如上所述，结合运算放大器的SC电路的速度性能受到运算放大器单位增益带宽的限制。即使有提供恒定gm的偏置电路，单位增益带宽可能仍然随偏置电路负载电容(CL)的变化而改变。因而，非常希望为运算放大器或采用NMOS差分对的其它器件的使用能提供一种改进的偏置电路，它与温度和过程的变化并且无论体效应都保持实质上恒定的gm/CL，这主要针对本专利技术的目的。专利技术概述按照本专利技术的第一方面，为了保持无论温度和过程变化都恒定的gm/CL，提供了一种适用于偏置差分对的偏置电路，例如，用于运算放大器的NMOS差分对。偏置电路包括一对电流源器件和用于形成电流源器件间的等效电阻的电阻等效电路。电阻等效电路包括在连接这对电流源器件的采样节点及地之间相连的采样电容器。第一时钟输入连接在采样节点和第一电流源器件之间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于差分对中的偏置电路，所述偏置电路的特征在于包括：用于产生包括栅极互连的一对晶体管器件的源电流的装置；用于在所述晶体管器件对的栅极间形成等效电阻的装置，所述用于形成等效电阻的装置包括用于提供电容的装置和以固定的预定采样 频率把提供电容的装置选择性地耦合至所述晶体管器件对的所述栅极以建立等效电阻的装置；在所述用于形成等效电阻的装置两端施加电压的装置，使所述用于产生源电流的装置还能产生一偏置电流，该偏置电流与由所述用于形成电阻的装置所形成的电阻成正比； 以及用于把偏置电流施加在差分对上的装置。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：S巴扎贾尼，J戈德布拉特，
申请(专利权)人：高通股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]