CN101188411A - 用于差动输入级的偏置电流补偿电路 - Google Patents

Abstract

一种用于差动输入级的偏置电流补偿电路具有补偿电流供应电路与补偿选择电路。补偿电流供应电路产生补偿电流。补偿选择电路耦合在该补偿电流供应电路以及该差动输入级的第一与第二输入端之间。当第一输入端需要被第一偏置电流驱动时，补偿选择电路决定允许补偿电流施加到第一输入端作为第一偏置电流。当第二输入端需要被第二偏置电流驱动时，补偿选择电路决定允许补偿电流施加到第二输入端作为第二偏置电流。

Description

用于差动输入级的偏置电流补偿电路

技术领域

本发明涉及一种偏置电流补偿电路，尤其涉及一种用于差动输入级的偏置电流补偿电路。

背景技术

差动输入级是一种众所周知的基本电子结构，广泛地应用于运算放大器、比较器或其它类似的电子装置。图1显示已知的差动输入级10的详细电路图。差动输入级10主要由一对双极型晶体管(BipolarJunction Transistor，BJT)Q1与Q2所构成。第一晶体管Q1的基极作为差动输入级10的第一输入端INa，而第二晶体管Q2的基极则作为差动输入级10的第二输入端INb。第一晶体管Q1的发射极与第二晶体管Q2的发射极彼此耦合在一起，并且共同经由电流源IE1而耦合在低电压供应轨V-(a lower voltage rail)。第一晶体管Q1的集电极经由电阻R1而耦合在高电压供应轨V+(a higher voltage rail)，而第二晶体管Q2的集电极则经由电阻R2而耦合在高电压供应轨V+。此外，差动输入级10的第一输出端OUTa由第一晶体管Q1的集电极所实现，而差动输入级10的第二输出端OUTb则由第二晶体管Q2的集电极所实现。

如图所示，在典型的运算放大器或比较器的应用中，差动输入级10的第一与第二输入端INa与INb分别接收来自信号驱动电路11所产生的两个电压信号，例如一个是变化的驱动信号而另一个是固定的参考信号，或者两个都是独立变化的驱动信号。响应于第一与第二输入端INa与INb之间的电压信号差异(包含极性变化)，差动输入级10的第一与第二输出端OUTa与OUTb产生放大信号或比较信号，并供应到输出应用电路12。

在差动输入级10进行上述的放大或比较操作中，第一与第二晶体管Q1与Q2需要根据第一与第二输入端INa与INb所接收的第一与第二电压信号而工作在导通或不导通状态。例如，当第一输入端INa所接收的第一电压信号高于第二输入端INb所接收的第二电压信号时，第一晶体管Q1需要由第一偏置电流IBa所驱动以处于导通状态，使得电流源IE1全部流经导通的第一晶体管Q1。当第二输入端INb所接收的第二电压信号高于第一输入端INa所接收的第一电压信号时，第二晶体管Q2需要由第二偏置电流IBb所驱动以处于导通状态，使得电流源IE1全部流经导通的第二晶体管Q2。

在图1所示的已知应用中，第一与第二偏置电流IBa与IBb必须由信号驱动电路11所提供。由于偏置电流IBa与IBb的需求通常不会同时发生，因此信号驱动电路11可能在第一与第二输入端INa与INb之间引起电压误差。特别地，在差动输入级10的反应速率越来越增快的发展趋势中，信号驱动电路11必须提供越来越高的偏置电流IBa与IBb。然而，为了提供大量的偏置电流IBa与IBb，信号驱动电路11势必会造成更大的误差与非线性效应，导致差动输入级10无法实现精确的操作。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种用于差动输入级的偏置电流补偿电路，用于向差动输入级的输入端提供补偿电流，作为所需要的偏置电流，使得信号驱动电路免除提供偏置电流的负担，借此实现精确的操作。

根据本发明的第一方面，一种用于差动输入级的偏置电流补偿电路包含：补偿电流供应电路，用于产生补偿电流；以及补偿选择电路，耦合在该补偿电流供应电路以及该差动输入级的第一与第二输入端之间，其特征在于：当该第一输入端的第一电压信号高于该第二输入端的第二电压信号时，该补偿选择电路决定允许该补偿电流施加到该第一输入端，并且当该第二电压信号高于该第一电压信号时，该补偿选择电路决定允许该补偿电流施加到该第二输入端。

根据本发明的第二方面，一种用于差动输入级的偏置电流补偿电路包含：补偿电流供应电路，用于产生补偿电流；以及补偿选择电路，耦合在该补偿电流供应电路以及该差动输入级的第一与第二输入端之间，其特征在于：该补偿选择电路包含：第一开关，耦合在该补偿电流供应电路与该第一输入端之间，使得当该第一开关导通时，允许该补偿电流供应到该第一输入端；第二开关，耦合在该补偿电流供应电路与该第二输入端之间，使得当该第二开关导通时，允许该补偿电流供应到该第二输入端；以及比较控制单元，用于基于该第一输入端的第一电压信号与该第二输入端的第二电压信号之间的比较而控制该第一与该第二开关，使得该第一与该第二开关不会同时导通。

根据本发明的第三方面，一种用于差动输入级的偏置电流补偿电路包含：补偿电流供应电路，用于产生补偿电流，以及补偿选择电路，耦合在该补偿电流供应电路以及该差动输入级的第一与第二输入端之间，其特征在于：当该第一输入端需要被第一偏置电流驱动时，该补偿选择电路决定允许该补偿电流施加到该第一输入端作为该第一偏置电流，并且当该第二输入端需要被第二偏置电流驱动时，该补偿选择电路决定允许该补偿电流施加到该第二输入端作为该第二偏置电流。

附图说明

图1显示已知的差动输入级的详细电路图；

图2显示根据本发明第一实施例的偏置电流补偿电路的详细电路图；

图3显示根据本发明第二实施例的偏置电流补偿电路的详细电路图。

具体实施方式

下文中的说明与附图将使本发明的上述与其它目的、特征与优点更明显。现在将参照附图详细说明根据本发明的优选实施例。

图2显示根据本发明第一实施例的偏置电流补偿电路20。偏置电流补偿电路20耦合在差动输入级10的第一与第二输入端INa与INb，用于选择性将补偿电流I_cmp供应到第一输入端INa或第二输入端INb。具体地，偏置电流补偿电路20主要具有补偿选择电路21与补偿电流供应电路22。补偿选择电路21耦合在差动输入级10的第一与第二输入端INa与INb以及补偿电流供应电路22之间。基于第一与第二输入端INa与INb所接收到的来自信号驱动电路11的第一与第二电压信号之间的比较，补偿选择电路21决定补偿电流供应电路22所供应的补偿电流I_cmp应该施加到第一输入端INa或者第二输入端INb。换言之，当第一输入端INa所接收的第一电压信号高于第二输入端INb所接收的第二电压信号时，补偿选择电路21决定使补偿电流供应电路22所供应的补偿电流I_cmp施加到第一输入端INa，作为用以导通第一晶体管Q1所需要的第一偏置电流IBa。当第二输入端INb所接收的第二电压信号高于第一输入端INa所接收的第一电压信号时，补偿选择电路21决定使补偿电流供应电路22所供应的补偿电流I_cmp施加到第二输入端INb，作为用以导通第二晶体管Q2所需要的第二偏置电流IBb。

在图2所示的第一实施例中，补偿选择电路21由第一控制单元Ga与第二控制单元Gb所形成。第一控制单元Ga具有第一控制极与第一电流通道，使得第一控制极用来控制第一电流通道的导通或不导通。第二控制单元Gb具有第二控制极与第二电流通道，使得第二控制极用来控制第二电流通道的导通或不导通。

具体地，第一控制单元Ga应当由第一PMOS晶体管来实现，使得第一控制极由第一PMOS晶体管的栅极来实现，并且第一电流通道由第一PMOS晶体管的漏极与源极间的通道来实现。第二控制单元Gb应当由第二PMOS晶体管来实现，使得第二控制极由第二PMOS晶体管的栅极来实现，并且第二电流通道由第二PMOS晶体管的漏极与源极间的通道所实现。第一PMOS晶体管Ga的栅极耦合在第二PMOS晶体管Gb的漏极，而第二PMOS晶体管Gb的栅极则耦合在第一PMOS晶体管Ga的漏极。第一PMOS晶体管Ga的漏极耦合在第一输入端INa，而第二PMOS晶体管Gb的漏极耦合在第二输入端INb。第一与第二PMOS晶体管Ga与Gb的源极彼此耦合在一起，用来接收补偿电流供应电路22所供应的补偿电流I_cmp。

当第一输入端INa的第一电压信号高于第二输入端INb的第二电压信号时，第一PMOS晶体管Ga进入导通状态而第二PMOS晶体管Gb进入不导通状态。结果，补偿电流I_cmp得以经由导通的第一PMOS晶体管Ga而供应到第一输入端INa。当第二输入端INb的电压信号高于第一输入端INa的电压信号时，第一PMOS晶体管Ga进入不导通状态而第二PMOS晶体管Gb进入导通状态。结果，补偿电流I_cmp得以经由导通的第二PMOS晶体管Gb而供应到第二输入端INb。

在图2所示的第一实施例中，补偿电流供应电路22具有复制电流源IE2、复制晶体管Q3以及电流镜，该电流镜由PMOS晶体管Ma与Mb所构成。具体地，复制晶体管Q3的源极经由复制电流源IE2而耦合在低电压供应轨V-、其漏极耦合在高电压供应轨V+、并且其基极耦合在由PMOS晶体管Ma与Mb所构成的电流镜。复制电流源IE2设计成实质上与差动输入级10的电流源IE1相同，并且复制晶体管Q3设计成实质上与差动输入级10的晶体管Q1或Q2(典型地，晶体管Q1与Q2设计成相互匹配)相同。因此，复制晶体管Q3的基极处可产生基极电流，其大小实质上等于晶体管Q1或Q2操作在导通状态时所需要的偏置电流IBa或IBb。利用PMOS晶体管Ma与Mb所构成的电流镜的传递，复制晶体管Q3的基极电流即可对应地转换成补偿电流I_cmp。

请注意在第一实施例的补偿选择电路21中，第一与第二控制单元Ga与Gb也可以分别由两个相同的PNP型双极型晶体管交叉耦合来实现。在这种情况下，PNP型双极型晶体管的基极作为控制单元的控制极，而集电极与发射极间的通道作为控制单元的电流通道。

请注意根据本发明的偏置电流补偿电路可以应用于各式各样的差动输入级，例如由PNP型双极型晶体管(BJT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或者结型场效应晶体管(JFET)所构成的差动输入级。

图3显示根据本发明第二实施例的偏置电流补偿电路30。第二实施例的偏置电流补偿电路30不同于第一实施例的偏置电流补偿电路20之处在于第二实施例的偏置电流补偿电路30的补偿选择电路31具有第一开关Sa、第二开关Sb以及比较控制单元41，42。第一开关Sa耦合在补偿电流供应电路22与第一输入端INa之间，使得当第一开关Sa导通时，允许补偿电流I_cmp供应到第一输入端INa。第二开关Sb耦合在补偿电流供应电路22与第二输入端INb之间，使得当第二开关Sb导通时，允许补偿电流I_cmp供应到第二输入端INb。基于第一与第二电压信号间的比较，比较控制单元41、42控制第一与第二开关Sa与Sb，使得第一与第二开关Sa与Sb不会同时导通。

在图3所示的第二实施例中，比较控制单元由电压比较器41与反相器42所构成。电压比较器41具有正相输入端与反相输入端，该正相输入端耦合在差动输入级10的第一输入端INa而该反相输入端则耦合在差动输入级10的第二输入端INb。电压比较器41的输出端直接控制第一开关Sa并且间接经由反相器42而控制第二开关Sb。当第一输入端INa的电压信号高于第二输入端INb的电压信号时，电压比较器41使第一开关Sa进入导通状态而第二开关Sb进入不导通状态。结果，补偿电流I_cmp可以经由导通的第一开关Sa而供应到第一输入端INa。当第二输入端INb的电压信号高于第一输入端INa的电压信号时，电压比较器41使第一开关Sa进入不导通状态而第二开关Sb进入导通状态。结果，补偿电流I_cmp可以经由导通的第二开关Sb而供应到第二输入端INb。

虽然已经利用优选实施例作为示例对本发明进行了说明，但是应该理解的是：本发明不限于此处所公开的实施例。相反地，本发明旨在包括对于本领域技术人员来讲是显而易见的各种修改与相似配置。因此，权利要求的范围应根据最广的诠释，以包容所有此类修改与相似配置。

Claims (10)

1.一种用于差动输入级的偏置电流补偿电路，包含：

补偿电流供应电路，用来产生补偿电流，以及

补偿选择电路，耦合在该补偿电流供应电路以及该差动输入级的第一与第二输入端之间，

其特征在于：

当该第一输入端的第一电压信号高于该第二输入端的第二电压信号时，该补偿选择电路决定允许该补偿电流施加到该第一输入端，并且

当该第二电压信号高于该第一电压信号时，该补偿选择电路决定允许该补偿电流施加到该第二输入端。

2.如权利要求1所述的用于差动输入级的偏置电流补偿电路，其特征在于：

该补偿选择电路包含：

第一控制单元，具有第一控制极与第一电流通道，该第一控制极耦合在该第二输入端用来响应于该第二电压信号而控制该第一电流通道，该第一电流通道耦合在该补偿电流供应电路与该第一输入端之间，使得当该第二电压信号经由该第一控制极而导通该第一电流通道时，该导通的第一电流通道允许该补偿电流施加到该第一输入端，以及

第二控制单元，具有第二控制极与第二电流通道，该第二控制极耦合在该第一输入端用来响应于该第一电压信号而控制该第二电流通道，该第二电流通道耦合在该补偿电流供应电路与该第二输入端之间，使得当该第一电压信号经由该第二控制极而导通该第二电流通道时，该导通的第二电流通道允许该补偿电流施加到该第二输入端。

3.如权利要求2所述的用于差动输入级的偏置电流补偿电路，其特征在于：

该第一控制单元由第一PMOS晶体管来实现，使得该第一控制极由该第一PMOS晶体管的栅极来实现，并且该第一电流通道由该第一PMOS晶体管的漏极与源极间的通道来实现，以及

该第二控制单元由第二PMOS晶体管来实现，使得该第二控制极由该第二PMOS晶体管的栅极来实现，并且该第二电流通道由该第二PMOS晶体管的漏极与源极间的通道来实现。

4.如权利要求1所述的用于差动输入级的偏置电流补偿电路，其特征在于：

该差动输入级包含：

电流源，耦合在低电压供应轨；

第一晶体管，该第一晶体管的基极作为该第一输入端，该第一晶体管的发射极耦合在该电流源，该第一晶体管的集电极耦合在高电压供应轨；以及

第二晶体管，该第二晶体管的基极作为该第二输入端，该第二晶体管的发射极耦合在该电流源，该第二晶体管的集电极耦合在该高电压供应轨。

5.如权利要求4所述的用于差动输入级的偏置电流补偿电路，其特征在于：

补偿电流供应电路包含：

复制电流源，设计成与该差动输入级的该电流源相同；

复制晶体管，设计成与该差动输入级的该第一晶体管相同，该复制晶体管的发射极耦合在该复制电流源，该复制晶体管的集电极耦合在该高电压供应轨；以及

电流镜，耦合在该复制晶体管的基极，用来响应于流经该复制晶体管的该基极的电流而产生该补偿电流。

6.一种用于差动输入级的偏置电流补偿电路，包含：

补偿电流供应电路，用来产生补偿电流，以及

补偿选择电路，耦合在该补偿电流供应电路以及该差动输入级的第一与第二输入端之间，

其特征在于：

该补偿选择电路包含：

第一开关，耦合在该补偿电流供应电路与该第一输入端之间，使得当该第一开关导通时，允许该补偿电流供应到该第一输入端；

第二开关，耦合在该补偿电流供应电路与该第二输入端之间，使得当该第二开关导通时，允许该补偿电流供应到该第二输入端；以及

比较控制单元，用来基于该第一输入端的第一电压信号与该第二输入端的第二电压信号之间的比较而控制该第一与该第二开关，使得该第一与该第二开关不会同时导通。

7.如权利要求6所述的用于差动输入级的偏置电流补偿电路，其特征在于：

该比较控制单元由电压比较器与反相器所实现，该电压比较器具有第一输入端、第二输入端与输出端，该第一输入端耦合在该差动输入级的该第一输入端，该第二输入端则耦合在该差动输入级的该第二输入端，该输出端直接控制该第一开关并且间接经由该反相器而控制该第二开关。

8.一种用于差动输入级的偏置电流补偿电路，包含：

补偿电流供应电路，用来产生补偿电流，以及

补偿选择电路，耦合在该补偿电流供应电路以及该差动输入级的第一与第二输入端之间，

其特征在于：

当该第一输入端需要被第一偏置电流驱动时，该补偿选择电路决定允许该补偿电流施加到该第一输入端作为所述第一偏置电流，并且

当该第二输入端需要被第二偏置电流驱动时，该补偿选择电路决定允许该补偿电流施加到该第二输入端作为所述第二偏置电流。

9.如权利要求8所述的用于差动输入级的偏置电流补偿电路，其特征在于：

该补偿选择电路包含：

第一控制单元，具有第一控制极与第一电流通道，该第一控制极耦合在该第二输入端用来响应于该第二输入端的第二电压信号而控制该第一电流通道，该第一电流通道耦合在该补偿电流供应电路与该第一输入端之间，使得当该第二电压信号经由该第一控制极而导通该第一电流通道时，该导通的第一电流通道允许该补偿电流施加到该第一输入端，以及

第二控制单元，具有第二控制极与第二电流通道，该第二控制极耦合在该第一输入端用来响应于该第一输入端的第一电压信号而控制该第二电流通道，该第二电流通道耦合在该补偿电流供应电路与该第二输入端之间，使得当该第一电压信号经由该第二控制极而导通该第二电流通道时，该导通的第二电流通道允许该补偿电流施加到该第二输入端。

10.如权利要求8所述的用于差动输入级的偏置电流补偿电路，其特征在于：

该补偿选择电路包含：

第一开关，耦合在该补偿电流供应电路与该第一输入端之间，使得当该第一开关导通时，允许该补偿电流供应到该第一输入端；

第二开关，耦合在该补偿电流供应电路与该第二输入端之间，使得当该第二开关导通时，允许该补偿电流供应到该第二输入端；以及

比较控制单元，用来基于该第一输入端的第一电压信号与该第二输入端的第二电压信号之间的比较而控制该第一与该第二开关，使得该第一与该第二开关不会同时导通。

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