TWI888005B

TWI888005B - 電壓隨耦器

Info

Publication number: TWI888005B
Application number: TW113105072A
Authority: TW
Inventors: 黃詩雄; 曾仲琳
Original assignee: 瑞昱半導體股份有限公司
Priority date: 2024-02-07
Filing date: 2024-02-07
Publication date: 2025-06-21
Also published as: TW202533520A; US20250251748A1

Abstract

本發明揭露了一種電壓隨耦器。電壓隨耦器具有一第一輸入端及一第一輸出端，並且包含：一電晶體、一第一負載以及一緩衝電路。電晶體具有一閘極、一源極、一汲極及一基極。該閘極耦接該第一輸入端，該源極耦接該第一輸出端，且該汲極耦接一第一參考電壓。第一負載耦接於該源極與一第二參考電壓之間。緩衝電路具有一第二輸入端及一第二輸出端，其中，該第二輸入端耦接該閘極，且該第二輸出端耦接該基極。

Description

電壓隨耦器

本發明是關於電壓隨耦器。

習知的源極隨耦器（source follower）是電壓隨耦器（voltage follower）的一種，而源極隨耦器的源極與基極通常互相電連接，以消除基板效應（body effect）。然而，這樣的做法會導致基極上的非線性寄生電容降低源極隨耦器的效能（例如，降低源極隨耦器的頻寬），或影響源極隨耦器之輸出訊號的品質（例如，降低輸出訊號的線性度）。因為電壓隨耦器廣泛地應用於電子電路中，所以亟需一種可靠的電壓隨耦器。

鑑於先前技術之不足，本發明之一目的在於提供一種電壓隨耦器，以改善先前技術的不足。

本發明之一實施例提供一種電壓隨耦器。電壓隨耦器具有一第一輸入端及一第一輸出端，並且包含：一電晶體、一第一負載以及一緩衝電路。電晶體具有一閘極、一源極、一汲極及一基極。該閘極耦接該第一輸入端，該源極耦接該第一輸出端，且該汲極耦接一第一參考電壓。第一負載耦接於該源極與一第二參考電壓之間。緩衝電路具有一第二輸入端及一第二輸出端，其中，該第二輸入端耦接該閘極，且該第二輸出端耦接該基極。

本發明之另一實施例提供一種電壓隨耦器。電壓隨耦器具有一第一輸入端、一第二輸入端、一第一輸出端及一第二輸出端，並且包含：一第一電晶體、一第一負載、一第二負載、一第一緩衝電路、一第二電晶體以及一第二緩衝電路。第一電晶體具有一第一閘極、一第一源極、一第一汲極及一第一基極。該第一閘極耦接該第一輸入端，該第一源極耦接該第一輸出端，且該第一汲極耦接一第一參考電壓。第一負載耦接於該第一源極與一第二參考電壓之間。第一緩衝電路具有一第三輸入端及一第三輸出端，其中，該第三輸入端耦接該第一閘極，且該第三輸出端耦接該第一基極。第二電晶體具有一第二閘極、一第二源極、一第二汲極及一第二基極。該第二閘極耦接該第二輸入端，該第二源極耦接該第二輸出端，且該第二汲極耦接該第一參考電壓。第二負載耦接於該第二源極與該第二參考電壓之間。第二緩衝電路具有一第四輸入端及一第四輸出端，其中，該第四輸入端耦接該第二閘極，且該第四輸出端耦接該第二基極。

本發明之實施例所體現的技術手段可以改善先前技術之缺點的至少其中之一，因此本發明相較於先前技術可以提升效能及訊號品質。

有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作實施例詳細說明如下。

以下說明內容之技術用語係參照本技術領域之習慣用語，如本說明書對部分用語有加以說明或定義，該部分用語之解釋係以本說明書之說明或定義為準。

本發明之揭露內容包含電壓隨耦器。由於本發明之電壓隨耦器所包含之部分元件單獨而言可能為已知元件，因此在不影響該裝置發明之充分揭露及可實施性的前提下，以下說明對於已知元件的細節將予以節略。

請參閱圖1A，圖1A是本發明電壓隨耦器之一實施例的電路圖。電壓隨耦器100包含電晶體MN1、負載L1及緩衝電路BUF1。

緩衝電路BUF1的輸入端N1耦接或電連接電壓隨耦器100的輸入端（即，接收輸入訊號Vin的一端）；緩衝電路BUF1的輸出端N2耦接或電連接電晶體MN1的基極。

負載L1的一端耦接或電連接參考電壓GND（例如，接地）；負載L1的另一端耦接或電連接電壓隨耦器100的輸出端（即，輸出輸出訊號Von的一端）。

電晶體MN1的閘極耦接或電連接電壓隨耦器100的輸入端以及緩衝電路BUF1的輸入端N1；電晶體MN1的源極耦接或電連接電壓隨耦器100的輸出端（即，輸出訊號Von由電晶體MN1的源極輸出）。電晶體MN1的源極不電連接電晶體MN1的基極。

輸出訊號Von（即，電晶體MN1的源極電壓）與輸入訊號Vin的關係（即，電晶體MN1的閘極電壓的關係）如方程式（1）所示，其中，Vgs是電晶體MN1的閘極-源極電壓。

Von=Vin-Vgs (1)

緩衝電路BUF1被設計成在其輸出端N2提供與輸出訊號Von實質上相同的電壓，如此一來，電晶體MN1的源極電壓（即，輸出訊號Von）實質上等於電晶體MN1的基極電壓（即，輸出端N2的電壓），便可消除基板效應。舉例來說，緩衝電路BUF1的增益（交流訊號增益或小訊號增益）可以接近1，且輸出端N2的共模電壓與輸入端N1的共模電壓相差一個直流準位（例如，該直流準位可以接近或實質上等於Vgs）。

請參閱圖1B，圖1B是本發明電壓隨耦器之另一實施例的電路圖。圖1B與圖1A相似，差別在於電壓隨耦器150更包含負載L2。負載L2的一端耦接或電連接參考電壓VDD；負載L2的另一端耦接或電連接電晶體MN1的汲極。當電壓隨耦器150用於負回授電路（未繪示）時，負載L2可以增加高頻的增益。相較於電壓隨耦器100，電壓隨耦器150更適合用於高速的元件。

請參閱圖2A～圖2C，圖2A～圖2C顯示緩衝電路BUF1的實施例。

如圖2A所示，緩衝電路BUF1包含電壓源210及電容器220。電壓源210的一端耦接或電連接輸入端N1；電壓源210的另一端耦接或電連接輸出端N2。電容器220的一端耦接或電連接輸入端N1；電容器220的另一端耦接或電連接輸出端N2。

如圖2B所示，緩衝電路BUF1包含電阻器230、電流源240及電流源250。電阻器230的一端耦接或電連接輸入端N1；電阻器230的另一端耦接或電連接輸出端N2。電流源240的一端耦接或電連接參考電壓VDD1；電流源240的另一端耦接或電連接輸出端N2。電流源250的一端耦接或電連接參考電壓VEE；電流源250的另一端耦接或電連接輸入端N1。在一些實施例中，參考電壓VDD1可以等於參考電壓VDD，而參考電壓VEE可以等於參考電壓GND。在其他的實施例中，電流源240與電流源250的電流方向朝上，參考電壓VDD1可以等於參考電壓GND，而參考電壓VEE可以等於參考電壓VDD。

如圖2C所示，緩衝電路BUF1包含電阻器260、電阻器270及運算放大器280。電阻器260的一端耦接或電連接運算放大器280的反相輸入端；電阻器260的另一端耦接或電連接輸出端N2。電阻器270的一端接收參考電壓Vb；電阻器270的另一端耦接或電連接運算放大器280的反相輸入端。運算放大器280的非反相輸入端耦接或電連接輸入端N1；運算放大器280的輸出端耦接或電連接輸出端N2。

本技術領域具有通常知識者可以藉由設計或調整電壓源210、電流源240、電流源250、電阻器260、電阻器270及運算放大器280來使得輸出端N2的電壓實質上等於輸出訊號Von，以消除基板效應。

綜上所述，由於電晶體MN1的基極與源極不互相電連接，所以基極的非線性寄生電容不會造成電壓隨耦器100的效能下降或是輸出訊號Von的訊號品質變差。再者，因為電晶體MN1的基極電壓實質上等於源極電壓，所以電晶體MN1不會有基板效應。

由於製程的進步，輸出端N2的電壓的誤差通常可以被控制在10 mV以內（僅約閘極-源極電壓Vgs的1.67%左右（假設Vgs=0.6 V）），故輸出端N2的電壓可以與輸出訊號Von實質上相同。

請參閱圖3，圖3是本發明電壓隨耦器之另一實施例的電路圖。電壓隨耦器200包含電晶體MP1、負載L1、負載L2及緩衝電路BUF1。電壓隨耦器200與電壓隨耦器150相似，差別在於電晶體MN1是N型金氧半場效電晶體（N-channel Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，以下簡稱NMOS電晶體），而電晶體MP1是P型金氧半場效電晶體（P-channel Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，以下簡稱PMOS電晶體）。本技術領域具有通常知識者可以基於電壓隨耦器100的說明了解電壓隨耦器200的設計及操作原理，故不再贅述。類似於圖1A及圖1B的實施例，負載L2可以省略。

請參閱圖4，圖4是本發明電壓隨耦器之另一實施例的電路圖。相較於電壓隨耦器200，電壓隨耦器300更包含電晶體ML1、電容器C1及電阻器R1。電晶體ML1的源極耦接或電連接電晶體MP1的源極以及電壓隨耦器300的輸出端；電晶體ML1的汲極耦接或電連接負載L1。電容器C1的一端耦接或電連接電晶體MP1的閘極；電容器C1的另一端耦接或電連接電晶體ML1的閘極。電阻器R1的一端耦接或電連接電晶體ML1的閘極；電阻器R1的另一端接收偏壓Vbp。

電晶體ML1也是一個源極隨耦器，用來處理輸入訊號Vin的高頻部分（透過電容器C1耦合至電晶體ML1）。換言之，電晶體ML1為輸入訊號Vin的高頻部分提供另一個耦合或輸出路徑。輸入訊號Vin的高頻部分會同時透過電晶體MP1及電晶體ML1耦合至電壓隨耦器300的輸出端。

請參閱圖5，圖5是本發明電壓隨耦器之另一實施例的電路圖。相較於電壓隨耦器300，電壓隨耦器400更包含緩衝電路BUF2。緩衝電路BUF2的輸入端N3耦接或電連接電晶體ML1的閘極；緩衝電路BUF2的輸出端N4耦接或電連接電晶體ML1的基極。緩衝電路BUF2的功能與緩衝電路BUF1相似，而緩衝電路BUF2是用來偏壓電晶體ML1的基極，以消除電晶體ML1的基板效應。請注意，電晶體ML1的源極不電連接電晶體ML1的基極。

請參閱圖6，圖6是本發明電壓隨耦器之另一實施例的電路圖。電壓隨耦器500包含電晶體MN1、負載L1n、負載L2n、緩衝電路BUF1n、電晶體MN2、負載L1p、負載L2p及緩衝電路BUF1p。

緩衝電路BUF1n的輸入端N1耦接或電連接電壓隨耦器500的第一輸入端（即，接收輸入訊號Vin的一端）；緩衝電路BUF1n的輸出端N2耦接或電連接電晶體MN1的基極。

負載L2n的一端耦接或電連接參考電壓VDD；負載L2n的另一端耦接或電連接電晶體MN1的汲極。

負載L1n的一端耦接或電連接參考電壓GND；負載L1n的另一端耦接或電連接電壓隨耦器500的第一輸出端（即，輸出輸出訊號Von的一端）。

電晶體MN1的閘極耦接或電連接電壓隨耦器500的第一輸入端以及緩衝電路BUF1n的輸入端N1；電晶體MN1的源極耦接或電連接電壓隨耦器500的第一輸出端。電晶體MN1的源極不電連接電晶體MN1的基極。

緩衝電路BUF1p的輸入端N3耦接或電連接電壓隨耦器500的第二輸入端（即，接收輸入訊號Vip的一端）；緩衝電路BUF1p的輸出端N4耦接或電連接電晶體MN2的基極。

負載L2p的一端耦接或電連接參考電壓VDD；負載L2p的另一端耦接或電連接電晶體MN2的汲極。

負載L1p的一端耦接或電連接參考電壓GND；負載L1p的另一端耦接或電連接電壓隨耦器500的第二輸出端（即，輸出輸出訊號Vop的一端）。

電晶體MN2的閘極耦接或電連接電壓隨耦器500的第二輸入端以及緩衝電路BUF1p的輸入端N3；電晶體MN2的源極耦接或電連接電壓隨耦器500的第二輸出端。電晶體MN2的源極不電連接電晶體MN2的基極。

輸入訊號Vin與輸入訊號Vip是一個差動訊號對，輸出訊號Von與輸出訊號Vop也是一個差動訊號對。換句話說，電壓隨耦器100是單端訊號的實施例，而電壓隨耦器500是相對應的差動訊號的實施例。本技術領域具有通常知識者可以基於電壓隨耦器100的說明了解電壓隨耦器500的操作原理，故不再贅述。

類似於圖1A及圖1B的實施例，負載L2n及負載L2p可以省略。

請參閱圖7，圖7是本發明電壓隨耦器之另一實施例的電路圖。電壓隨耦器600包含電晶體MP1、負載L1n、負載L2n、緩衝電路BUF1n、電晶體MP2、負載L1p、負載L2p及緩衝電路BUF1p。電壓隨耦器600與電壓隨耦器500相似，差別在於電晶體MN1與電晶體MN2是NMOS電晶體，而電晶體MP1與電晶體MP2是PMOS電晶體。本技術領域具有通常知識者可以基於電壓隨耦器500的說明了解電壓隨耦器600的設計及操作原理，故不再贅述。

類似於圖1A及圖1B的實施例，負載L2n及負載L2p可以省略。

請參閱圖8，圖8是本發明電壓隨耦器之另一實施例的電路圖。相較於電壓隨耦器600，電壓隨耦器700更包含電晶體ML1、電容器C1n、電阻器R1n、電晶體ML2、電容器C1p及電阻器R1p。

電晶體ML1的源極耦接或電連接電晶體MP1的源極以及電壓隨耦器700的第一輸出端；電晶體ML1的汲極耦接或電連接負載L1n。電容器C1n的一端耦接或電連接電晶體MP1的閘極；電容器C1n的另一端耦接或電連接電晶體ML1的閘極。電阻器R1n的一端耦接或電連接電晶體ML1的閘極；電阻器R1n的另一端接收偏壓Vbpn。

電晶體ML2的源極耦接或電連接電晶體MP2的源極以及電壓隨耦器700的第二輸出端；電晶體ML2的汲極耦接或電連接負載L1p。電容器C1p的一端耦接或電連接電晶體MP2的閘極；電容器C1p的另一端耦接或電連接電晶體ML2的閘極。電阻器R1p的一端耦接或電連接電晶體ML2的閘極；電阻器R1p的另一端接收偏壓Vbpp。

電壓隨耦器300是單端訊號的實施例，而電壓隨耦器700是相對應的差動訊號的實施例。本技術領域具有通常知識者可以基於電壓隨耦器300的說明了解電壓隨耦器700的操作原理，故不再贅述。

請參閱圖9，圖9是本發明電壓隨耦器之另一實施例的電路圖。相較於電壓隨耦器700，電壓隨耦器800更包含緩衝電路BUF2n及緩衝電路BUF2p。緩衝電路BUF2n的輸入端N5耦接或電連接電晶體ML1的閘極；緩衝電路BUF2n的輸出端N6耦接或電連接電晶體ML1的基極。緩衝電路BUF2p的輸入端N7耦接或電連接電晶體ML2的閘極；緩衝電路BUF2p的輸出端N8耦接或電連接電晶體ML2的基極。緩衝電路BUF2n及緩衝電路BUF2p的功能與緩衝電路BUF1n及緩衝電路BUF1p相似，緩衝電路BUF2n與緩衝電路BUF2p分別用來偏壓電晶體ML1的基極與電晶體ML2的基極，以消除電晶體ML1與電晶體ML2的基板效應。

請注意，在圖9的實施例中，電晶體ML1的源極不電連接電晶體ML1的基極，且電晶體ML2的源極不電連接電晶體ML2的基極。

請參閱圖10，圖10是本發明電壓隨耦器之另一實施例的電路圖。相較於電壓隨耦器500，電壓隨耦器900更包含電晶體MN3及電晶體MN4。電晶體MN3及電晶體MN4是分別用來提供輸出訊號Von與輸出訊號Vop的額外增益。

電晶體MN3的閘極耦接或電連接電壓隨耦器900的第二輸入端（即，接收輸入訊號Vip的一端）；電晶體MN3的汲極耦接或電連接電晶體MN1的源極以及電壓隨耦器900的第一輸出端（即，輸出輸出訊號Von的一端）；電晶體MN3的源極耦接或電連接負載L1n。

電晶體MN4的閘極耦接或電連接電壓隨耦器900的第一輸入端（即，接收輸入訊號Vin的一端）；電晶體MN4的汲極耦接或電連接電晶體MN2的源極以及電壓隨耦器900的第二輸出端（即，輸出輸出訊號Vop的一端）；電晶體MN4的源極耦接或電連接負載L1p。

圖1A、圖1B及圖3～圖10中的緩衝電路皆可以圖2A、圖2B或圖2C的電路實作。由於該些緩衝電路的主要功能是為了使電壓隨耦器之主要電晶體（例如，MN1、MP1、MN2、MP2、ML1、ML2）的基極電壓接近或實質上等於源極電壓，所以該些緩衝電路基本上不需要驅動能力，而因此面積小且功耗低。

如圖2A～圖2C所示，在一些實施例中，該些緩衝電路的輸入訊號與輸出訊號是同相位。

在一些實施例中，該些緩衝電路的增益實質上為1。

在一些實施例中，負載L1、負載L2、負載L1n、負載L1p、負載L2n、負載L2p可以是被動元件（例如，電阻）或主動元件（例如，電流源、連接成二極體之MOS電晶體（diode-connected MOSFET））。

綜上所述，在本案所提出的電壓隨耦器中，主要電晶體的基極所連接的非線性寄生電容不在主要的訊號路徑上（即，從主要電晶體的閘極到源極的路徑），所以該非線性寄生電容不會影響主要的訊號路徑上的訊號的線性度，而因此電壓隨耦器的效能可以獲得提升。再者，因為沒有非線性電容值，所以電壓隨耦器的頻寬也會得到提升。

請注意，前揭圖示中，元件之形狀、尺寸及比例僅為示意，係供本技術領域具有通常知識者瞭解本發明之用，非用以限制本發明。

雖然本發明之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本發明，本技術領域具有通常知識者可根據本發明之明示或隱含之內容對本發明之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本發明所尋求之專利保護範疇，換言之，本發明之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。

100,150,200,300,400,500,600,700,800,900:電壓隨耦器

BUF1,BUF2,BUF1n,BUF1p,BUF2n,BUF2p:緩衝電路

GND,VDD,Vb,VDD1,VEE:參考電壓

L1,L2,L1n,L1p,L2n,L2p:負載

MN1,MP1,ML1,MN2,MP2,ML2,MN3,MN4:電晶體

N1,N3,N5,N7:輸入端

N2,N4,N6,N8:輸出端

Vin,Vip:輸入訊號

Von,Vop:輸出訊號

210:電壓源

220,C1,C1n,C1p:電容器

230,260,270,R1,R1n,R1p:電阻器

240,250:電流源

280:運算放大器

Vbp,Vbpn,Vbpp:偏壓

圖1A是本發明電壓隨耦器之一實施例的電路圖；圖1B是本發明電壓隨耦器之另一實施例的電路圖；圖2A～圖2C顯示緩衝電路的實施例；圖3是本發明電壓隨耦器之另一實施例的電路圖；圖4是本發明電壓隨耦器之另一實施例的電路圖；圖5是本發明電壓隨耦器之另一實施例的電路圖；圖6是本發明電壓隨耦器之另一實施例的電路圖；圖7是本發明電壓隨耦器之另一實施例的電路圖；圖8是本發明電壓隨耦器之另一實施例的電路圖；圖9是本發明電壓隨耦器之另一實施例的電路圖；以及圖10是本發明電壓隨耦器之另一實施例的電路圖。

100:電壓隨耦器

BUF1:緩衝電路

GND,VDD:參考電壓

L1:負載

MN1:電晶體

N1:輸入端

N2:輸出端

Vin:輸入訊號

Von:輸出訊號

Claims

一種電壓隨耦器，具有一第一輸入端及一第一輸出端，包含：一電晶體，具有一閘極、一源極、一汲極及一基極，其中，該閘極耦接該第一輸入端，該源極耦接該第一輸出端，且該汲極耦接一第一參考電壓；一第一負載，耦接於該源極與一第二參考電壓之間；以及一緩衝電路，具有一第二輸入端及一第二輸出端，其中，該第二輸入端耦接該閘極，且該第二輸出端耦接該基極；其中，該源極不電連接該基極，且該源極與該閘極之電壓差實質上等於該第二輸出端與該第二輸入端之電壓差。
如請求項1之電壓隨耦器，更包含：一第二負載，耦接於該汲極與該第一參考電壓之間。
如請求項2之電壓隨耦器，其中，該電晶體係一第一電晶體，該閘極係一第一閘極，該源極係一第一源極，該汲極係一第一汲極，該電壓隨耦器更包含：一第二電晶體，具有一第二閘極、一第二源極及一第二汲極，其中，該第二源極耦接該第一源極，且該第二汲極耦接該第一負載；一電阻器，其中，該電阻器的一端耦接該第二閘極，該電阻器的另一端耦接一偏壓；以及一電容器，其中，該電容器的一端耦接該第一閘極，該電容器的另一端耦接該第二閘極。
如請求項3之電壓隨耦器，其中，該基極係一第一基極，該緩衝電路係一第一緩衝電路，該第二電晶體更具有一第二基極，該電壓隨耦器更包含：一第二緩衝電路，具有一第三輸入端及一第三輸出端，其中，該第三輸入端耦接該第二閘極，且該第三輸出端耦接該第二基極。
如請求項1之電壓隨耦器，其中，該緩衝電路包含：一電壓源，其中，該電壓源的一端耦接該第二輸入端，該電壓源的另一端耦接該第二輸出端；以及一電容器，其中，該電容器的一端耦接該第二輸入端，該電容器的另一端耦接該第二輸出端。
如請求項1之電壓隨耦器，其中，該緩衝電路包含：一電阻器，其中，該電阻器的一端耦接該第二輸入端，該電阻器的另一端耦接該第二輸出端；一第一電流源，其中，該第一電流源的一端耦接該第二輸出端，該第一電流源的另一端耦接一第三參考電壓；以及一第二電流源，其中，該第二電流源的一端耦接該第二輸入端，該第二電流源的另一端耦接一第四參考電壓。
如請求項1之電壓隨耦器，其中，該緩衝電路包含：一運算放大器，具有一反相輸入端、一非反相輸入端及一第三輸出端，其中，該非反相輸入端耦接該第二輸入端，且該第三輸出端耦接該第二輸出端；一第一電阻器，其中，該第一電阻器的一端耦接該反相輸入端，該第一電阻器的另一端耦接該第二輸出端；以及一第二電阻器，其中，該第二電阻器的一端耦接一第三參考電壓，該第二電阻器的另一端耦接該反相輸入端。
一種電壓隨耦器，具有一第一輸入端、一第二輸入端、一第一輸出端及一第二輸出端，該電壓隨耦器包含：一第一電晶體，具有一第一閘極、一第一源極、一第一汲極及一第一基極，其中，該第一閘極耦接該第一輸入端，該第一源極耦接該第一輸出端，且該第一汲極耦接一第一參考電壓；一第一負載，耦接於該第一源極與一第二參考電壓之間；一第一緩衝電路，具有一第三輸入端及一第三輸出端，其中，該第三輸入端耦接該第一閘極，且該第三輸出端耦接該第一基極；一第二電晶體，具有一第二閘極、一第二源極、一第二汲極及一第二基極，其中，該第二閘極耦接該第二輸入端，該第二源極耦接該第二輸出端，且該第二汲極耦接該第一參考電壓；一第二負載，耦接於該第二源極與該第二參考電壓之間；以及一第二緩衝電路，具有一第四輸入端及一第四輸出端，其中，該第四輸入端耦接該第二閘極，且該第四輸出端耦接該第二基極。