CN104424879B - 对电源变化不灵敏的恒定跨导偏置电路及其显示器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于偏置场效应晶体管(FET)以提供基本不受电源电压变化影响的跨导(g_m)的偏置电路。在一个实施例中，该电路包括两条平行路径，每条路径包括诸如FET的两个放大元件，路径之一中的FET都是二极管连接的，而在另一条路径中的FET不是二极管连接的。电源电压的变化导致横越所有的四个FET的压降的相当的改变，而且漏致势垒降低(DIBL)导致相对于电源电压的改变，g_m的改变相对较小。

Description

对电源变化不灵敏的恒定跨导偏置电路及其显示器

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年8月23日提交的题为“CONSTANT-GM BIAS CIRCUITINSENSITIVE TO SUPPLY VARIATIONS”的第61/869,581号美国临时申请的权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

下面的描述涉及偏置电路，而且尤其涉及以向偏置点提供基本上不受电源电压变化影响的跨导(g_m)的方式向放大元件提供偏置的电路。

背景技术

在用于为晶体管放大器中的场效应晶体管(FET)提供偏置的电路中，希望为晶体管的栅极提供偏置电压，这导致独立于电源电压波动的g_m。当利用短沟道FET构造时，与利用长沟道FET相比，传统的偏置电路在更大程度上遭受性能下降，表现出漏致势垒降低(drain-induced barrier lowering,DIBL)。这个DIBL导致由传统的电路产生的偏置电压，从而引起随着电源电压显著变化的g_m。因此，需要这样的偏置电路，该偏置电路产生偏置电压从而导致g_m随着电源电压的改变在可接受的小范围内变化，而且该偏置电路可以利用短沟道FET器件来构造。

发明内容

本公开的实施例的各方面指向用于偏置场效应晶体管(FET)以提供基本不受电源电压变化影响的跨导(g_m)的偏置电路。在一个实施例中，该电路包括两条平行路径，每条路径包括两个诸如FET的放大元件，路径之一中的FET都是二极管连接的，而在另一条路径中的FET不是二极管连接的。电源电压的变化导致横越所有的四个FET的压降的相当的改变，而且漏致势垒降低(DIBL)导致相对于电源电压的改变，g_m的改变相对较小。

根据本发明的实施例，提供了一种用于在偏置输出连接处提供偏置信号的偏置电路，该偏置电路连接到第一电源连接(connection)并连接到第二电源连接，该偏置电路包括：电流镜，其包括连接到第一电源连接的公共端子、第一载流端子和第二载流端子，该电流镜被配置为在第一载流端子处拉或灌基本上等于流出或流入第二载流端子的电流的电流；第一放大元件；第二放大元件；以及电阻器，第一放大元件和第二放大元件中的每一个都包括第一载流端子、第二载流端子和控制端子，第一放大元件的第一载流端子连接到电流镜的第一载流端子，第一放大元件的第二载流端子连接到第二电源连接，电阻器的第一端子连接到电流镜的第二载流端子，电阻器的第二端子连接第二放大元件的第一载流端子，第二放大元件的第二载流端子连接到第二电源连接，第一放大元件的控制端子连接到电阻器的第一端子并连接到偏置输出连接，以及第二放大元件的控制端子连接到电阻器的第二端子。

在一个实施例中，第一放大元件是第一N沟道场效应晶体管(FET)，其包括漏极、源极、栅极、沟道长度和沟道宽度；并且第二放大元件是第二N沟道FET，其包括漏极、源极、栅极、沟道长度和沟道宽度。

在一个实施例中，第一放大元件的第一载流端子是第一N沟道FET的漏极；第一放大元件的第二载流端子是第一N沟道FET的源极；第二放大元件的第一载流端子是第二N沟道FET的漏极；以及第二放大元件的第二载流端子是第二N沟道FET的源极。

在一个实施例中，第二N沟道FET的沟道宽度大于第一N沟道FET的沟道宽度。

在一个实施例中，所述电阻器的电阻基本上等于650欧姆。

在一个实施例中，所述电流镜包括第三放大元件和第四放大元件，第三放大元件和第四放大元件中的每一个都包括第一载流端子、第二载流端子和控制端子。

在一个实施例中，第三放大元件的第一载流端子连接到第四放大元件的第一载流端子，而且第三放大元件的第一载流端子是电流镜的公共端子；第三放大元件的控制端子连接到第四放大元件的控制端子；第四放大元件的控制端子连接到第四放大元件的第二载流端子；第三放大元件的第二载流端子是电流镜的第一载流端子；以及第四放大元件的第二载流端子是电流镜的第二载流端子。

在一个实施例中，第三放大元件是第一P沟道场效应晶体管(FET)，其包括漏极、源极、栅极、沟道长度和沟道宽度；以及第四放大元件是第二P沟道FET，其包括漏极、源极、栅极、沟道长度和沟道宽度。

在一个实施例中，第三放大元件的第一载流端子是第一P沟道FET的源极；第三放大元件的第二载流端子是第一P沟道FET的漏极；第四放大元件的第一载流端子是第二P沟道FET的源极；以及第四放大元件的第二载流端子是第二P沟道FET的漏极。

在一个实施例中，电流镜包括第三放大元件、第四放大元件、第五放大元件和第六放大元件，第三放大元件、第四放大元件、第五放大元件和第六放大元件中的每一个都包括第一载流端子、第二载流端子和控制端子。

在一个实施例中，第三放大元件和第五放大元件被配置为第一共源共栅放大器；以及第四放大元件和第六放大元件被配置为第二共源共栅放大器。

在一个实施例中，第三放大元件的第一载流端子连接到第四放大元件的第一载流端子，而且第三放大元件的第一载流端子是电流镜的公共端子；第三放大元件的控制端子连接到第四放大元件的控制端子；第四放大元件的控制端子连接到第四放大元件的第二载流端子；第五放大元件的第一载流端子连接到第三放大元件的第二载流端子；第六放大元件的第一载流端子连接到第四放大元件的第二载流端子；第五放大元件的控制端子连接到第六放大元件的控制端子；第六放大元件的控制端子连接到第六放大元件的第二载流端子；第五放大元件的第二载流端子是电流镜的第一载流端子；以及第六放大元件的第二载流端子是电流镜的第二载流端子。

在一个实施例中，第三放大元件是第一P沟道场效应晶体管(FET)，其包括漏极、源极、栅极、沟道长度和沟道宽度；第四放大元件是第二P沟道FET，其包括漏极、源极、栅极、沟道长度和沟道宽度；第五放大元件是第三P沟道FET，其包括漏极、源极、栅极、沟道长度和沟道宽度；以及第六放大元件是第四P沟道FET，其包括漏极、源极、栅极、沟道长度和沟道宽度。

在一个实施例中，第三放大元件、第四放大元件、第五放大元件和第六放大元件中的每一个的第一载流端子是相应P沟道FET的源极；第三放大元件、第四放大元件、第五放大元件和第六放大元件中的每一个的第二载流端子是相应P沟道FET的漏极；以及第三放大元件、第四放大元件、第五放大元件和第六放大元件中的每一个的控制端子是相应P沟道FET的栅极。

附图说明

参照说明书、权利要求书和附图，本发明的这些和其他特征和优点将被认识和理解，在附图中：

图1是现有技术串联电路的示意图；

图2是现有技术偏置电路的示意图；

图3是根据本发明的实施例的偏置电路的示意图；

图4是在现有技术偏置电路的模拟中使用的场效应晶体管参数的表；

图5是在根据本发明的实施例的偏置电路的模拟中利用的场效应晶体管参数的表；

图6是在现有技术的第一模拟电路中的横越两个场效应晶体管的压降的模拟变化的表，以及在根据本发明的实施例模拟的第二电路中的横越两个场效应晶体管的压降的变化的表；

图7是在现有技术电路中以及在根据本发明的实施例的电路中的场效应晶体管的跨导相对于电源电压的变化的图表；

图8A是根据本发明的实施例的具有偏置输出的电路的示意图；

图8B是根据本发明的另一实施例的具有偏置输出的电路的示意图；

图9是根据本发明的实施例的包括共源共栅电流镜的电路的示意图；

图10是根据本发明的另一实施例的包括共源共栅电流镜的电路的示意图；以及

图11是根据本发明的实施例的包括偏置电路的显示器的框图。

具体实施方式

下面结合附图阐述的详细描述旨在说明根据本发明提供的对电源变化不灵敏的恒定g_m偏置电路的示例性实施例，而且并非旨在代表可以构造或利用本发明的仅有的形式。该描述结合所示的实施例阐述了本发明的特征。然而，应当理解，相同或等同的功能和结构可以由也旨在被包括在本发明的精神和范围之内的不同实施例来实现。如本文其他地方所示的，相同的元件标记旨在表示相同的元件或功能。

晶体管电路，例如晶体管放大器，可以包括被配置为放大信号的晶体管，每个晶体管都连接到用于保持偏置条件的偏置电路。晶体管放大器的某些操作特性，诸如跨导g_m，可以依赖于偏置。如果期望保持这些特性恒定，则对偏置电路提供独立于，例如，电源电压的改变的恒定偏置条件是有利的。

图1示出了串联电路，它是可以在构造偏置电路中使用的结构。每个元件Z_i可以是诸如电阻器的无源元件，或者是诸如晶体管的更一般的元件。横越每个元件Z_i的电压降由下式给出：

其中Z_i是第i个元件的阻抗，而且Vdd是在串联电路的一端处的第一电源连接处的电压，并且在串联电路的另一端处的电压是地或零伏特。如果电源电压，即，在第一电源连接处的电压，改变，则横越每个元件的电压的变化由下式给出：

诸如场效应晶体管(FET)的晶体管的有效输出阻抗Z_o取决于晶体管的连接方式。例如，二极管连接的FET，即，配置为栅极连接到漏极的FET，的输出阻抗Z_o是1/g_m，其中g_m是FET的跨导。非二极管连接的FET可以具有有效的输出阻抗r_o，其中r_o是晶体管的小信号电阻，

一般地，r_o>>1/g_m，而且作为结果，在具有在Vdd和地之间串联连接两个FET的电路中，二极管连接的一个FET被称为M1，而且非二极管连接的另一个FET被称为M2，如果Vdd改变了ΔVdd，那么根据等式(2)，变化ΔVdd的大部分将横越M2出现，因为M2具有最大阻抗。

参照图2，现有技术的偏置电路包括四个FET N1、N2、P1和P2。FET N2的大小为FETN1的大小的m倍，即，FET N2的沟道的宽度是FET N1的沟道的宽度的m倍。FET的过驱动电压V_ov被定义：

V_ov＝V_gs-V_T

其中，V_gs是栅极-源极电压，而且V_T是FET的阈值电压。

通过将基尔霍夫电压定律应用到包括地、FET N1的源极和栅极、FET N2的源极和栅极、以及电阻器R的回路以得到横越电阻器R的电压，由此得到通过电阻器R的电流I是：

其中，下标后缀“_N1”和“_N2”分别标识与FET N1和FET N2有关的量。假设：

(V_{T_N1}-V_{T_N2})＝0，

由此得到

FET的g_m可以根据表达式计算；利用这个表达式的输出，对于FET N1的g_m：

其可以看作独立于ΔVdd。因此，在假设

(V_{T_N1}-V_{T_N2})＝0

成立的情况下，FET N1的栅极可以被连接到诸如放大器的另一电路中类似的晶体管的栅极，以偏置其它晶体管，而且所述其他晶体管将被偏置以使得它的g_m也基本上独立于电源电压变化。

然而，在一般情况下，假设(V_{T_N1}-V_{T_N2})＝0并未完美地成立，因为FET的阈值电压因漏致势垒降低(DIBL)而取决于其漏极-源极电压V_ds。这种效应在短沟道FET中比在长沟道FET中更重要。结果，根据图2利用短沟道FET构造的偏置电路将表现出FET N1的g_m随着电源电压变化而变化。尤其是，当电源电压变化了ΔVdd时，横越FET N1和N2的漏极-源极电压变化可以使用等式(2)估计。FET N1和P1是串联的，FET N1是二极管连接的，而且FET P1不是二极管连接的。结果，FET N1的有效输出阻抗小于FET P1的有效输出阻抗，而且变化ΔVdd的大部分将横越FET P1出现，而且FET N1的漏极-源极电压V_{ds_N1}将只有轻微的变化。FET N2和P2也是串联的。在这对FET中，FET P2是二极管连接的，而且FET N2不是二极管连接的。因此，FET P2的有效输出阻抗小于FET N2的有效输出阻抗，而且变化ΔVdd的大部分将横越FET N2出现，而且FET N2的漏极-源极电压V_{ds_N2}将在Vdd改变时显著地变化。因此，当Vdd改变时，

(ΔV_{ds_N1}≠ΔV_{ds_N2})

而且，由于DIBL的效应，

(ΔV_{T_N1}≠ΔV_{T_N2})。

因此，对于这种电路，g_{m_N1}在电源电压Vdd改变时改变。

参照图3，在本发明的一个实施例中，偏置电路包括四个放大元件。这些放大元件(它们可以是FET N1、FET N2、FET P1和FET P2)中的每一个具有三个端子，两个载流端子(它们可以是源极和漏极)以及一个控制端子(它可以是栅极)。FET N2的大小为FET N1的大小的m倍，也就是说，数字m是FET N2的沟道宽度与FET N1的沟道宽度的比值。

通过将基尔霍夫电压定律应用到包括地、FET N1的源极和栅极、电阻器R、以及FETN2的栅极和源极的回路以得到横越电阻器R的电压，由此得到通过电阻器R的电流I是：

图3的电路提供了使电流在Vdd和地之间流动的两条平行路径，第一路径包含FETP1和N1，而且第二路径包含FET P2和FET N2以及电阻器R。它们各自的源极和栅极相连接的FET P1和P2被配置为充当电流镜，以使得通过两个FET的电流基本相同：I_{ds_P1}＝I_{ds_P2}，其中下标后缀“_P1”和“_P2”标识分别与FET P1和FET P2有关的量。假设：

(V_{T_N1}-V_{T_N2})＝0，

而且根据对于在饱和(有源)区域中操作的FET的近似，I_ds与信道宽度倍数成比例，然后得出

在本实施例中，对于长沟道FET和短沟道FET二者而言，假设(V_{T_N1}-V_{T_N2})＝0基本成立，因为FET N1和P1的输出阻抗、以及FET N2和P2的输出阻抗更接近于相同。尤其是，FETN1和P1都不是二极管连接的，结果是，它们各自的输出阻抗相当，而且，通过等式(2)，V_{ds_N1}在电源电压变化了ΔVdd时适度地改变。FET N2和P2二者都是二极管连接的，以使得它们各自的输出阻抗也是相当的，并且，假设电阻器R的电阻较小，V_{ds_N2}也在电源电压变化了ΔVdd时适度地改变，这再次从等式(2)得出。

因此，当电源电压变化了ΔVdd时，图3的电路与图2的电路相比，V_{ds_N1}的变化更接近于与V_{ds_N2}的变化相同，而且假设

(V_{T_N1}-V_{T_N2})＝0

对于图3的电路而言更接近成立。结果，作为恒定g_m偏置电路的图3的电路的性能是出色的。

这个定性分析的结论通过数值模拟得到证实，其中，利用R的值和FET的参数来模拟图2和图3的电路，所述FET的参数是被选择以在FET大小、g_m和电流消耗方面实现两个电路中的相似特性。根据图2的示意图构成的第一电路具有电阻＝900Ω而且具有含有图4中所示的参数的四个FET N1、N2、P1和P2，该电路示出了在模拟中，对于ΔVdd＝400毫伏(mV)，V_{ds_N1}的变化为0.4毫伏，并且V_{ds_N2}的变化为376毫伏(图6)，也就是说，差超过375毫伏。

通过比较，根据图3的示意图构成的第二电路具有R＝650，而且具有含有图5中所示的参数的四个FET N1、N2、P1和P2，该电路示出了在模拟中，对于ΔVdd＝400毫伏，V_{ds_N1}的变化为2毫伏，并且V_{ds_N2}的变化为60毫伏(图6)，也就是说，差为58毫伏，这比375毫伏小六倍以上。

如图7所示，模拟中所示的对于图3的电路的g_m相对于电源电压的变化为±0.6％，如在代表对于图3的电路的g_m相对于电源电压的变化的线710中可以看出的。这远小于对于图2的电路的g_m相对于电源电压的变化(它为±5.4％)，如在代表对于图2的电路的g_m相对于电源电压的变化的线720中可以看出的。

通过将放大元件的控制端子连接到另一电路中的另一类似放大元件的控制端子，图3的电路可以被用于偏置另一放大元件，其中，其他放大元件可以是，例如，放大器中的组件。特别地，参照图8A，如果放大元件是FET，则N沟道FET N1的栅极可以用作偏置输出，其可以被连接到另一电路中的类似的N沟道FET的栅极以将其偏置。

参照图8B，互补电路可以被用于为另一电路中的类似的P沟道FET提供从P沟道FETP1的栅极输出的偏置。

在图3和图8A的电路中，FET P1和P2被配置为电流镜。在其它实施例中，可以通过使用其他配置来形成电流镜。参照图9，例如，可以使用如所示按共源共栅配置排列的四个放大元件，例如FET P1、P2、P3和P4，来形成电流镜。类似地，图8B中由FET N1和FET N2构成的电流镜可以利用图10中所示的按共源共栅配置排列的四个FET N1、FET N2、FET N3和FETN4来替换。

本发明的实施例可以在例如有机发光二极管(OLED)显示器或液晶显示器(LCD)的显示器中使用。参照图11，在一个实施例中，显示器1110可以包括数字模拟转换器1120，它的输出驱动放大器1130。放大器1130可以依次驱动其他元件，诸如显示电极1140。数字模拟转换器1120和放大器1130可以具有被配置为用于放大模拟信号的放大器的晶体管，而且对于这些晶体管而言，导致基本上独立于电源电压的g_m的偏置电压可能是重要的。本发明的实施例可以被用于提供这样的偏置电压。

虽然在本文中已经具体地描述和示出了对电源变化不灵敏的恒定g_m偏置电路的示例性实施例，但是对本领域技术人员而言许多修改和变化将是显而易见的。因此，应理解的是，根据本发明的原理构造的对电源变化不灵敏的恒定g_m偏置电路可以以除了本文具体描述的方式以外的方式来具体实施。本发明在所附权利要求书及其等同中定义。

Claims (17)

1.一种用于在偏置输出连接处提供偏置信号的偏置电路，该偏置电路连接到第一电源连接并连接到第二电源连接，该偏置电路包括：

电流镜，其包括连接到第一电源连接的公共端子、第一载流端子和第二载流端子，该电流镜被配置为在第一载流端子处拉或灌等于流出或流入第二载流端子的电流的电流；

第一放大元件；

第二放大元件；以及

电阻器，

第一放大元件和第二放大元件中的每一个都包括第一载流端子、第二载流端子和控制端子，

第一放大元件的第一载流端子连接到电流镜的第一载流端子，

第一放大元件的第二载流端子连接到第二电源连接，

电阻器的第一端子连接到电流镜的第二载流端子，

电阻器的第二端子连接到第二放大元件的第一载流端子，

第二放大元件的第二载流端子连接到第二电源连接，

第一放大元件的控制端子连接到电阻器的第一端子并连接到偏置输出连接，以及

第二放大元件的控制端子连接到电阻器的第二端子。

2.如权利要求1所述的偏置电路，其中：

第一放大元件是第一N沟道场效应晶体管(FET)，其包括漏极、源极、栅极、沟道长度和沟道宽度；以及

第二放大元件是第二N沟道FET，其包括漏极、源极、栅极、沟道长度和沟道宽度。

3.如权利要求2所述的偏置电路，其中：

第一放大元件的第一载流端子是第一N沟道FET的漏极；

第一放大元件的第二载流端子是第一N沟道FET的源极；

第二放大元件的第一载流端子是第二N沟道FET的漏极；以及

第二放大元件的第二载流端子是第二N沟道FET的源极。

4.如权利要求3所述的偏置电路，其中，第二N沟道FET的沟道宽度大于第一N沟道FET的沟道宽度。

5.如权利要求3所述的偏置电路，其中，所述电阻器的电阻等于650欧姆。

6.如权利要求1所述的偏置电路，其中，所述电流镜包括第三放大元件和第四放大元件，第三放大元件和第四放大元件中的每一个都包括第一载流端子、第二载流端子和控制端子。

7.如权利要求6所述的偏置电路，其中：

第三放大元件的第一载流端子连接到第四放大元件的第一载流端子，而且第三放大元件的第一载流端子是电流镜的公共端子；

第三放大元件的控制端子连接到第四放大元件的控制端子；

第四放大元件的控制端子连接到第四放大元件的第二载流端子；

第三放大元件的第二载流端子是电流镜的第一载流端子；以及

第四放大元件的第二载流端子是电流镜的第二载流端子。

8.如权利要求7所述的偏置电路，其中：

第三放大元件是第一P沟道场效应晶体管(FET)，其包括漏极、源极、栅极、沟道长度和沟道宽度；以及

第四放大元件是第二P沟道FET，其包括漏极、源极、栅极、沟道长度和沟道宽度。

9.如权利要求8所述的偏置电路，其中：

第三放大元件的第一载流端子是第一P沟道FET的源极；

第三放大元件的第二载流端子是第一P沟道FET的漏极；

第四放大元件的第一载流端子是第二P沟道FET的源极；以及

第四放大元件的第二载流端子是第二P沟道FET的漏极。

10.如权利要求1所述的偏置电路，其中电流镜包括第三放大元件、第四放大元件、第五放大元件和第六放大元件，第三放大元件、第四放大元件、第五放大元件和第六放大元件中的每一个都包括第一载流端子、第二载流端子和控制端子。

11.如权利要求10所述的偏置电路，其中：

第三放大元件和第五放大元件被配置为第一共源共栅放大器；以及

第四放大元件和第六放大元件被配置为第二共源共栅放大器。

12.如权利要求10所述的偏置电路，其中：

第三放大元件的第一载流端子连接到第四放大元件的第一载流端子，而且第三放大元件的第一载流端子是电流镜的公共端子；

第三放大元件的控制端子连接到第四放大元件的控制端子；

第四放大元件的控制端子连接到第四放大元件的第二载流端子；

第五放大元件的第一载流端子连接到第三放大元件的第二载流端子；

第六放大元件的第一载流端子连接到第四放大元件的第二载流端子；

第五放大元件的控制端子连接到第六放大元件的控制端子；

第六放大元件的控制端子连接到第六放大元件的第二载流端子；

第五放大元件的第二载流端子是电流镜的第一载流端子；以及

第六放大元件的第二载流端子是电流镜的第二载流端子。

13.如权利要求10所述的偏置电路，其中：

第三放大元件是第一P沟道场效应晶体管(FET)，其包括漏极、源极、栅极、沟道长度和沟道宽度；

第四放大元件是第二P沟道FET，其包括漏极、源极、栅极、沟道长度和沟道宽度；

第五放大元件是第三P沟道FET，其包括漏极、源极、栅极、沟道长度和沟道宽度；以及

第六放大元件是第四P沟道FET，其包括漏极、源极、栅极、沟道长度和沟道宽度。

14.如权利要求13所述的偏置电路，其中：

第三放大元件、第四放大元件、第五放大元件和第六放大元件中的每一个的第一载流端子是相应P沟道FET的源极；

第三放大元件、第四放大元件、第五放大元件和第六放大元件中的每一个的第二载流端子是相应P沟道FET的漏极；以及

第三放大元件、第四放大元件、第五放大元件和第六放大元件中的每一个的控制端子是相应P沟道FET的栅极。

15.一种包括权利要求1所述的偏置电路的显示器。

16.如权利要求15所述的显示器，其中，所述显示器是有机发光二极管(OLED)显示器。

17.如权利要求15所述的显示器，其中，所述显示器是液晶显示器(LCD)。