專利名稱：偏置發(fā)生器的制作方法
背景 領(lǐng)域 本發(fā)明一般涉及偏置發(fā)生器電路，尤其涉及對環(huán)境和制造變化敏感度最小化的偏置發(fā)生器。
背景 偏置發(fā)生器向諸如晶體管等器件提供偏置電壓以允許該器件工作在器件工作特性的理想?yún)^(qū)域。在許多應用中，對偏置發(fā)生器中所用的晶體管與負載器件的相對尺寸的選擇對于工作特性在由于溫度和制造而變化時將其維持在可接受區(qū)域內(nèi)是至為關(guān)鍵的。例如，偏置發(fā)生器常被用來在低噪聲放大器(LNA)晶體管的輸入處設(shè)置電壓，這種情況下工作特性的微小變化都將導致增大的噪聲以及非線性的輸入輸出關(guān)系。由于用來實現(xiàn)偏置發(fā)生器的器件容易受到溫度和制造工藝變化的影響，所以常規(guī)偏置方案試圖最小化溫度和工藝波動的影響。在使受偏器件性能最大化的嘗試中，常規(guī)偏置發(fā)生器消耗了相對于該受偏器件所用電流相當大量的電流。偏置發(fā)生器的性能通常在偏置發(fā)生器中的器件與受偏器件失配時受到影響。器件之間的失配導致相同設(shè)計的器件的物理特性產(chǎn)生與時間無關(guān)的隨機變化。失配器件之間可能不同的典型特性包括器件尺寸、閾值電壓、以及遷移率。偏置發(fā)生器的性能通常通過選擇與受偏器件相似的偏置器件來改善。遺憾的是，常規(guī)偏置方案通常需要在電流汲取與受偏器件和偏置發(fā)生器中的器件之間的相對器件尺寸之間進行相當大的折衷。
因此，需要一種使得電流消耗最小化而性能最大化的偏置發(fā)生器。
概要 根據(jù)示例性實施例，偏置發(fā)生器包括第一晶體管和第二晶體管，該第二晶體管具有連接至第一晶體管的控制端口并連接至第二晶體管的輸入端口的控制端口，其中通過第二晶體管的第二電流比通過第一晶體管的第一電流大。通過偏置發(fā)生器的電流通過提供不同電流通過具有相似尺寸的晶體管來最小化。
附圖簡述

圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例連接至受偏器件的偏置發(fā)生器的框圖。
圖2是其中電流源和晶體管為場效應晶體管(FET)的示例性偏置發(fā)生器的示意性表示。
圖3是常規(guī)偏置發(fā)生器的示意圖。
具體描述 在示例性實施例中，通過偏置發(fā)生器的電流通過提供不同電流通過具有相似尺寸的晶體管來最小化。與強制相等電流通過不同尺寸的器件的常規(guī)偏置發(fā)生器相比，該示例性偏置發(fā)生器的總電流消耗較小。本文中使用措辭“示例性”來表示“起到示例、實例、或例示的作用”。本文中描述為“示例性”的任何實施例不必被解釋為優(yōu)于或勝過其他實施例。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例連接至受偏器件102的偏置發(fā)生器100的框圖。偏置發(fā)生器100的各個功能塊可使用分立器件、集成電路和/或邏輯電路的任意組合來實現(xiàn)。各功能塊當中的兩個或多個可集成在單個器件中，而被描述為在任何單個器件中執(zhí)行的功能在一些情形下也可在若干器件上實現(xiàn)。
偏置發(fā)生器100包括向受偏器件102提供偏置電壓(V偏置)130的至少兩個晶體管104、106。晶體管104、106中的每一個具有輸入端口108、114、輸出端口110、116、以及控制端口112、118，其中控制端口112、118處的電壓確定從輸入端口108、114流過晶體管104、106去往輸出端口110、116的電流。在晶體管為場效應晶體管(FET)的情況下，輸入端口108、114、輸出端口110、116以及控制端口112、118分別為FET的漏極、源極和柵極。在晶體管為雙極結(jié)型晶體管(BJT)的情況下，輸入端口108、114、輸出端口110、116以及控制端口112、118分別為BJT的集電極、發(fā)射極和基極。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易地將本文的教示應用于已知技術(shù)以便利用眾多的三端子器件中的任一個實現(xiàn)偏置發(fā)生器。
在該示例性實施例中，第一晶體管104的第一控制端口112被連接至第二晶體管106的第二控制端口118。在這兩個控制端口112、118處形成的公共節(jié)點可連接至受偏器件102以提供偏置電壓120(V偏置)。第一晶體管104的第一輸出端口110通過參考負載(R)118被接地。第一電流源120從電壓(VDD)128的電源向第一晶體管104提供第一電流(I1)124。第一電流(I1)124從輸入端口通過晶體管流向輸出端口并通過參考負載118。第二電流源向第二晶體管106提供第二電流(I2)。盡管在一些情形下可使用其它器件來實現(xiàn)電流源120、122，但在該示例性實施例中第一電流源120和第二電流源122為場效應晶體管(FET)。
為了在使溫度和制造變化時的偏置電壓變化最小化的同時最小化總電流消耗，第二電流源122提供比第一電流(I1)大的第二電流(I2)，并且第一晶體管104與第二晶體管106之間的尺寸差異被最小化。在該示例性實施例中，第一晶體管104和第二晶體管106被選擇成具有相同尺寸。如以下所討論的，在使性能最大化的同時，通過偏置發(fā)生器100的總電流被最小化。
圖2是其中電流源120、122以及晶體管104、106為場效應晶體管(FET)的示例性偏置發(fā)生器100的示意性表示。如下所解釋的，偏置發(fā)生器100可使用BJT或其它三端子器件來實現(xiàn)。
場效應晶體管(FET)通常是使用眾多摻雜技術(shù)中的任一種在基底中形成溝道制作而成的。溝道可用常被稱為“梳形物(finger)”的一個或多個元件來形成。FET的工作特性取決于梳形物的縱橫比以及梳形物的數(shù)目，其中縱橫比是指該梳形物的寬度(Wf)與長度(Lf)的比率。FET的尺寸(M)是每個梳形物的縱橫比(Wf/Lf)乘以梳形物的數(shù)目(Nf)。因此，第一晶體管和第二晶體管的尺寸可作如下表達 其中M1是第一晶體管的尺寸，M2是第二晶體管的尺寸，Wf是每個梳形物的寬度，Lf是每個梳形物的長度，而Nf是梳形物總數(shù)。
在該示例性實施例中，第一電流源120包括其柵極被連接至源極的第三FET 202，而第二電流源122包括第四FET 204。第一電流(I1)124和第二電流(I2)126至少部分地由第三FET 202和第四FET 204的尺寸(M3、M4)確定。在該示例性實施例中，第四FET的尺寸(M4)被選擇成近似為第三FET 202的尺寸(M3)的A倍，以使得第二電流(I2)126約為第一電流(I1)124的A倍。因此，對于該示例性實施例，以下關(guān)系適用。
M4＝A*M3 (2) I2＝A*I1 (3) 其中R是參考負載118的電阻，μn是FET的遷移率，Cox是FET的每面積電容，而Nf是第二晶體管106的梳形物數(shù)目。因此，電流與A—即M4與M3的比率—成比例。
圖3是常規(guī)偏置發(fā)生器300的示意圖。常規(guī)偏置發(fā)生器300包括四個FET302、304、306、308，其中第一FET 302和第FET 304的柵極彼此相連并且被連接至受偏器件102。為了在溫度和制造變化時維持恒定偏置，常規(guī)偏置發(fā)生器300利用具有相似信道縱橫比但具有明顯不同尺寸的晶體管。第三晶體管110和第四晶體管112被選擇成使得第三晶體管110的尺寸(M3)等于第四晶體管112的尺寸(M4)以迫使相同電流(I1＝I2)通過晶體管對102、104。為了維持恒定偏置，第一晶體管102和第二晶體管104被選擇成使得第一晶體管的尺寸比第二晶體管的尺寸大若干倍。另外，維持最優(yōu)性能要求第二晶體管與受偏器件101相匹配。第FET 304比第一FET 302大B倍(M1＝B*M2)。第三FET和第四FET具有相同尺寸(M4＝M3)，而通過第一FET 302的第一電流(I1)310等于通過第二FET 304的第二電流(I2)312。通常，各晶體管被選擇成使得以下關(guān)系成立。
M4＝M3 (5) 將常規(guī)偏置發(fā)生器300與該示例性偏置發(fā)生器100相比較，可以看出，對于偏置同一受偏器件，該示例性偏置發(fā)生器100中的總電流小于常規(guī)偏置發(fā)生器300中的總電流。電流節(jié)省在應用以下示例中的值時很容易被發(fā)現(xiàn)。
例如，受偏器件102具有等于500μm的溝道寬度(W受偏)，導致通過該受偏器件102的偏置電流(I受偏)等于10mA。為了比較，定標因子A和B兩者都等于4。在常規(guī)偏置發(fā)生器300和示例性偏置發(fā)生器100兩者中，尺寸(M2常規(guī))(M2示例)比受偏器件102小10倍，因此，第二晶體管304、106的溝道寬度(WM2常規(guī))(WM2示例)被選擇成比受偏器件寬度小10倍。因此，WM2常規(guī)＝WM2示例＝500μm/10＝50μm。通過第二晶體管106、304的電流(I2)等于10mA/10＝1mA。由于常規(guī)偏置發(fā)生器300中通過第一晶體管302的電流與通過第二晶體管304的電流相同，所以通過第一晶體管302的電流等于1mA且通過偏置發(fā)生器300的總電流等于2mA。然而，第一晶體管304的尺寸(M1常規(guī))比第二晶體管304的尺寸(M2常規(guī))小四倍，從而導致溝道寬度(WM2常規(guī))等于12.5μm。然而，在以上參照圖2討論的示例性偏置發(fā)生器100中，第一晶體管的尺寸(M1)與第二晶體管106的尺寸(M2)相同。因此，第一晶體管104的溝道寬度(WM1示例)等于50μm。該示例性實施例中通過第一晶體管104的電流(I1示例)至少部分地由第三晶體管120確定。由于M4＝A*M3，通過第一晶體管102的電流(I1示例)等于通過第二晶體管106的電流(I2)除以定標因子(A)——在當前示例中該定標因子等于4。因此，通過第一晶體管104的電流(I1示例)等于1mA/4＝250μA。因此，對于該示例通過示例性偏置發(fā)生器100的總電流等于1mA+0.25mA＝1.25mA，這約為通過受偏器件102的電流的12.5％。經(jīng)比較，通過常規(guī)偏置發(fā)生器300的總電流為通過受偏器件102的電流的20％。除降低了通過示例性受偏發(fā)生器100的電流之外，第一晶體管104比常規(guī)偏置發(fā)生器300的相應第一晶體管302大四倍。因此，受偏器件102與偏置器件(104，106)之間的匹配得到改善，進而產(chǎn)生更佳性能。另外，常規(guī)偏置技術(shù)要求至少在包括尺寸為X的受偏器件102、尺寸為X/10的第二晶體管304以及與尺寸為X/40的第一晶體管302的三個晶體管之間的匹配。然而，在該示例性偏置發(fā)生器100中，僅一個晶體管尺寸必須與尺寸為X的受偏器件102相匹配，因為第一晶體管104和第二晶體管106具有相同的尺寸X/10。
提供前面對所公開的實施例的描述是為了使本領(lǐng)域任何技術(shù)人員皆能制作或使用本發(fā)明。對這些實施例的各種修改對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的，并且本文中定義的普適原理可被應用于其他實施例而不會脫離本發(fā)明的精神或范圍。由此，本發(fā)明并非旨在被限定于本文中示出的實施例，而是應被授予與本文中公開的原理和新穎性特征一致的最廣義的范圍。
權(quán)利要求
1.一種偏置發(fā)生器，包括
第一晶體管，其具有第一輸入端口、第一輸出端口和第一控制端口，其中所述第一控制端口處的電壓決定從所述第一輸入端口通過所述第一晶體管去往所述第一輸出端口的第一電流，
從所述第一輸出端口連接至公共電勢的參考負載；
第二晶體管，其具有第二輸入端口和第二輸出端口且具有連接至所述第一控制端口和所述第二輸入端口的第二控制端口，其中所述第一控制端口處的所述電壓決定從所述第二輸入端口通過所述第二晶體管去往所述第二輸出端口的第二電流，控制端口可連接至受偏器件；
提供所述第一電流的第一電流源；以及
提供比所述第一電流大的所述第二電流的第二電流源。
2.如權(quán)利要求1所述的偏置發(fā)生器，其特征在于，第一晶體管尺寸與第二晶體管尺寸相同。
3.如權(quán)利要求2所述的偏置發(fā)生器，其特征在于，所述第一電流源包括具有第三輸入端口、第三輸出端口和連接至所述第三輸出端口的第三控制端口的第三晶體管，且其中所述第二電流源包括具有第四輸入端口、第四輸出端口和連接至所述第三控制端口的第四控制端口的第四晶體管。
4.如權(quán)利要求3所述的偏置發(fā)生器，其特征在于，第四晶體管尺寸比第三晶體管尺寸大。
5.如權(quán)利要求4所述的偏置發(fā)生器，其特征在于，所述第四晶體管尺寸至少為所述第三晶體管尺寸的兩倍。
6.如權(quán)利要求5所述的偏置發(fā)生器，其特征在于，所述第四晶體管尺寸至少為所述第三晶體管尺寸的四倍。
7.如權(quán)利要求4所述的偏置發(fā)生器，其特征在于，所述第一晶體管、所述第二晶體管、所述第三晶體管以及所述第四晶體管是場效應晶體管(FET)，且所述輸入端口是漏極、所述輸出端口是源極以及所述控制端口是柵極。
8.如權(quán)利要求1所述的偏置發(fā)生器，其特征在于，所述第二電流至少為所述第一電流的兩倍。
9.如權(quán)利要求8所述的偏置發(fā)生器，其特征在于，所述第二電流至少比所述第一電流大四倍。
10.一種偏置發(fā)生器，包括
第一場效應晶體管(FET)，其具有第一漏極、第一源極、和第一柵極，其中所述第一柵極處的電壓決定從所述第一漏極通過所述第一FET去往所述第一源極的第一電流，
從所述第一源極連接至公共電勢的參考負載；
第二FET，其具有第二漏極和第二源極且具有連接至所述第一柵極和所述第二漏極的第二柵極，其中所述第一柵極處的所述電壓決定從所述第二漏極通過所述第二FET去往所述第二源極的第二電流，所述柵極可連接至具有與所述第二FET的第二FET溝道縱橫比相同的器件溝道縱橫比的受偏器件；
提供所述第一電流的第三FET；以及
提供比所述第一電流大的所述第二電流的第四FET。
11.如權(quán)利要求10所述的偏置發(fā)生器，其特征在于，所述第二電流至少為所述第一電流的兩倍。
12.如權(quán)利要求11所述的偏置發(fā)生器，其特征在于，所述第二電流至少為所述第一電流的四倍。
13.如權(quán)利要求10所述的偏置發(fā)生器，其特征在于，第四FET尺寸至少為第三FET尺寸的兩倍。
14.如權(quán)利要求11所述的偏置發(fā)生器，其特征在于，第四FET尺寸至少為第三FET尺寸的四倍。
15.一種偏置發(fā)生器，包括
用于對受偏器件進行偏置的第一偏置裝置，所述第一偏置裝置具有第一輸入端口、第一輸出端口和第一控制端口，其中所述第一控制端口處的電壓決定從所述第一輸入端口通過第一晶體管去往所述第一輸出端口的第一電流，
用于對所述第一偏置裝置進行參考加載并從所述第一輸出端口連接至公共電勢的參考負載裝置；
用于對所述受偏器件進行偏置的第二偏置裝置，所述第二偏置裝置具有第二輸入端口和第二輸出端口且具有連接至所述第一控制端口和所述第二輸入端口的第二控制端口，其中所述第一控制端口處的所述電壓決定從所述第二輸入端口通過第二晶體管去往所述第二輸出端口的第二電流，控制端口可連接至受偏器件；
用于提供所述第一電流的第一電流源裝置；以及
用于提供比所述第一電流大的所述第二電流的第二電流源裝置。
16.如權(quán)利要求15所述的偏置發(fā)生器，其特征在于，第一偏置裝置尺寸與第二偏置裝置尺寸相同。
17.如權(quán)利要求16所述的偏置發(fā)生器，其特征在于，所述第一電流源裝置包括用于對所述受偏器件進行偏置的第三偏置裝置，所述第三偏置裝置具有第三輸入端口、第三輸出端口和連接至所述第三輸出端口的第三控制端口，以及其中所述第二電流源裝置包括用于對所述受偏器件進行偏置的第四偏置裝置，所述第四偏置裝置具有第四輸入端口、第四輸出端口和連接至所述第三控制端口的第四控制端口。
18.如權(quán)利要求17所述的偏置發(fā)生器，其特征在于，第四偏置裝置尺寸比第三偏置裝置尺寸大。
全文摘要
一種偏置發(fā)生器包括第一晶體管和第二晶體管，該第二晶體管具有連接至第一晶體管的控制端口并連接至第二晶體管的輸入端口的控制端口，其中通過第二晶體管的第二電流比通過第一晶體管的第一電流大。通過偏置發(fā)生器的電流通過提供不同電流通過具有相似尺寸的晶體管來最小化。
文檔編號G05F3/00GK101416136SQ200780012189
公開日2009年4月22日 申請日期2007年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月7日
發(fā)明者A·奇卡里尼 申請人:高通股份有限公司