TWI513190B - 使金氧半導體場效電晶體輸出線性電流的閘極驅動電路 - Google Patents
使金氧半導體場效電晶體輸出線性電流的閘極驅動電路 Download PDFInfo
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本發明係關於一種使金氧半導體場效電晶體輸出線性電流的閘極驅動電路，尤指一種結構簡單之金氧半導體場效電晶體電壓至電流轉換驅動電路。
在類比電路中，控制端一般多是接收電壓信號輸入，有些控制需將輸入之線性電壓轉換為線性電流輸出，例如鎖相迴路(PLL)中之電壓控制震盪器(VCO)，便需將電壓依比例轉換成電流；而在長距離傳輸類比電壓信號時，傳輸線電阻會使電壓信號衰減，故須先將電壓信號轉成電流後，以電流方式傳送，以減少傳輸線阻抗對信號之影響。
習知之電壓-電流轉換器顯示在第1圖中。其以放大器與電流鏡電路合併，成為主動電流鏡差動對，控制電壓Vin從放大器正端輸入，經負迴授控制，放大器虛短路特性使電阻Rs上方之端電壓為Vin，通過電阻Rs之電流量為Iout
=Vin/Rs，電流Iout
由電流鏡轉換輸出；以電壓源為5V而言，當Iout
等級須為10-9
A時，電阻Rs便需106
Ω以上等級，在晶片中以多晶矽作為電阻，106
Ω等級電阻值除了需要很大的面積致使成本增加外，以多晶矽作為電阻其電阻值因製程差異造成的改變最大可達±25%，此會影響輸出準確度。另有許多不使用電阻之電壓-電流轉換方法被提出，其多以複雜之電路來抵消MOSFET電流公式中之非線性項，使輸出電流計算式成為線性一次式，但實際製作時，複雜電路除成本增加外，製程差異亦會影響電路輸出之線性度，這些都是電壓-電流轉換電路尚待改進之處。
因此，研發一種結構簡單又可使金氧半導體場效電晶體輸出高線性電流的驅動電路，將是本發明主要目的。
本發明提出一種使金氧半導體場效電晶體輸出線性電流的閘極驅動電路，其只使用少數金氧半導體場效電晶體，不使用電阻，結構簡單，輸出電流線性度高，可減少製程影響與降低成本。
本發明之使金氧半導體場效電晶體輸出線性電流的閘極驅動電路，包含：一個二極體連接組態之N型金氧半導體場效電晶體、一個二極體連接組態之P型金氧半導體場效電晶體、與一個電壓輸入電路；電壓輸入電路至少包含一金氧半導體場效電晶體；電壓輸入電路的連接端點，同時連接到該N型與該P型金氧半導體場效電晶體的一端；該電壓輸入電路接收到電壓訊號導通時，其連接端點產生之電壓接到金氧半導體場效電晶體的閘極，即可使該金氧半導體場效電晶體流過一與輸入電壓值成固定比例之線性電流。
有關本發明之詳細技術內容，將提出配合圖示之實施例清楚呈現。說明中，金氧半導體場效電晶體的尺寸定義為元件通道的(寬度/長度)比，以(W/L) XX
表示，各符號下標之數字“ X X
”為圖示中之元件編號。
請參閱圖2，為本發明使金氧半導體場效電晶體輸出線性電流的閘極驅動電路之基本結構實施例，一閘極端與汲極端連接之N型金氧半導體場效電晶體20，一閘極端與汲極端連接之P型金氧半導體場效電晶體30，一電壓輸入電路10；電壓輸入電路10至少包含一金氧半導體場效電晶體；N型金氧半導體場效電晶體20的一端，與P型金氧半導體場效電晶體30的一端，共同連接在電壓輸入電路10的連接端點11；電壓輸入電路10接收到電壓Vin時，連接端點11輸出之電壓Vc若接到一P型金氧半導體場效電晶體的閘極，會使該P型金氧半導體場效電晶體在飽和區範圍產生一與電壓Vin成線性關係的電流。
為說明圖2中P型金氧半導體場效電晶體30流過之電流量I add
與輸入電壓Vin之線性關係，請參看圖3，圖3是以一N型金氧半導體場效電晶體作為電壓輸入電路10，並將N型金氧半導體場效電晶體20與P型金氧半導體場效電晶體30接上電壓源VDD
；圖3(a)中之P型金氧半導體場效電晶體30汲極端不接到連接端點11，而圖3(b)是將P型金氧半導體場效電晶體30汲極端接到連接端點11；圖3(a)與圖3(b)元件相同，若圖3(a)中電流I D10
等於I D20
時，連接端點11電壓為V out
，則圖3(b)中因P型金氧半導體場效電晶體30加入一電流I add
，所以電流I D10
會等於I D20
’加I add
，連接端點11電壓會因加入電流I add
而增加一電壓V add
變為Vc
，而Vc
即為可使金氧半導體場效電晶體在飽和區產生線性電流之閘極驅動電壓Vc
，Vc
等於圖3(a)之V o ut
加上V add
；以下將依金氧半導體場效電晶體飽和區電流公式推算電壓V add
值，藉以說明電流I add
與輸入電壓Vin之線性關係：
圖3(a)：I D10
=I D20
(1)
圖3(b)：I D10
=I D20
’+I add
(2)
由式(1)、(2)得到：I D10
=I D20
=I D20 ’
+I add
(3)
若小電流I add
使圖3(a)之V TH20
增加電壓值ΔV TH20
，設圖3(a)之電流 ID20
是圖3(b)電流I D20
’的n倍，即I D20
=n
*I D20
’，n
>1，按照金氧半導體場效電晶體飽和區電流公式寫成：
k n
'=μ n C ox
，k p
'=μ p C ox
將式(4)相同項去除後，兩邊開根號得到：
如圖3(b)，電流I add
之值亦等於二極體連接型態之P型金氧半導體場效電晶體30之通過電流，按照金氧半導體場效電晶體飽和區電流公式寫成：
設圖3(b)之N型金氧半導體場效電晶體20的閘極到源極電壓為V GS20 ’
，臨界電壓(threshold voltage)為V TH20 ’
，由式(3)：I D20
=I D20
'+I add
=n
‧I D20
'，n
>1，則n
值按照金氧半導體場效電晶體飽和區電流公式寫成：
將式(6)代入式(5)中得到V add
值為：
當加入電流I add
很小時，ΔV TH20
也會很小，電壓V GS20
≒V GS20 ’
，V TH20
≒V TH20 ’
，VDD
為DC 5V時，要維持在飽和區，式(7)之前項(V GS20
-V TH20
)的最大值約3.5，式(7)中，V GS20
對V add
之影響倍數為個位數，但由後項可知，如同，z
值大小是由y
值主導一般，y
值比x
小越多，z
值就越小，反之亦然，例如y
=0時，z
=0；式(7)後項中的(W/L) 30
越小，V add
越小，V add
值主要由二極體連接型態之P型金氧半導體場效電晶體30的元件尺寸(W/L) 30
決定；例如圖3(b)電路，當輸入電壓Vin上升時，電流I D10
會變大，V GS20
會增加，V GS30
也會增加，V TH20
會變小，但V TH 30
會維持不變，此會使式(7)前項之(V GS20
-V TH20
)會變大，但後項會變小，反之亦然；式(7)前、後項呈現反比關係，(W/L) 30
越小，V GS20
變化時對V add
之影響就越少；而V GS20
是由Vin決定，亦即(W/L) 30
越小，Vin改變時，對V add
之影響越小。
圖4為使用HSPICE軟體以CIC 0.18um製程進行圖3(a)、(b)電路模擬，設定(W/L) 30
比(W/L) 20
小10倍，(W/L) 10
比(W/L) 20
小20倍，將圖3(b)連接端點11之電壓Vc減去圖3(a)連接端點11之電壓Vout
所得之結果，即為V add
值，模擬結果顯示，電壓源DC 5V，輸入電壓Vin從1.2V到3.8V時，V add
值約為0.011~0.012V，變化不大，顯示Vin變化對V add
值影響極小，符合式(7)特性，V add
值主要由(W/L) 30
決定，若只取小數第2位，V add
值便如同一固定值0.01。
當加入電流I add
很小時，電壓V add
也會很小，對V TH
影響便很微小；若圖3(a)、(b)之V TH20
因小電流I add
所增加之電壓值ΔV TH20
小到可忽略時，依照金氧半導體場效電晶體飽和區電流公式，由圖3之二極體連接型態之N型金氧半導體場效電晶體20的源極端電壓變化V add
值，可計算電流I add
值，電流I add
值即原本通過圖3(a)之電流I D20
減去圖3(b)電流I D20
’，
圖3(a)之
圖3(b)之
圖3(b)之I add
=I D 20
-I D 20
'
以金氧半導體場效電晶體飽和區電流公式，計算圖3(a)中之連接端點11電壓V out
與輸入電壓Vin之關係：I D 10
=I D 20
：
將式(9)等號兩邊相同之(1/2)k n ’
去除後，兩邊同開根號，得到：
因圖3(b)之連接端點11電壓值是圖3(a)中之連接端點11電壓V out
加上V add
，從式(8)中可看出，若無二極體連接型態之P型金氧半導體場效電晶體30，V add
會等於0，I add
也會等於0；將式(10)代入式(8)中，I add
成為：
由式(7)與圖4之模擬結果顯示V add
為趨近於一固定值之常數，所以式(11)顯示圖3(b)之P型金氧半導體場效電晶體30的閘極端接到連接端點11，其通過電流I add
與輸入電壓Vin呈線性關係。
調整圖3(b)金氧半導體場效電晶體10、20、30之尺寸比，可使線性電流I add
之斜率大於、等於或小於輸入電壓Vin之斜率。
參閱圖5，以HSPICE進行模擬，調整圖3(b)之金氧半導體場效電晶體10、20、30尺寸比，使線性電流I add
之斜率與輸入電壓Vin之斜率相同，VDD
為DC 5V，輸入電壓Vin為1.5V~3.8V時，模擬結果顯示，其電流I add
為1.5uA~3.8uA；電流I add
在2uA~3.8uA時最大線性度失真可小於0.1%。改變金氧半導體場效電晶體之(W/L)比例，可調整其最佳線性區範圍。
參閱圖6(a)，改以一P型金氧半導體場效電晶體作為電壓輸入電路10，並將N型金氧半導體場效電晶體20與P型金氧半導體場效電晶體30接上電壓源VDD
；其P型金氧半導體場效電晶體30流過之電流量I add
會與輸入電壓Vin呈現線性反比關係，VDD
為DC 5V，輸入電壓Vin為0V~1.4V時，其線性電流I add
為-28uA~-14uA，其電流I add
模擬如圖6(b)。
若要使輸出電流更加線性，可將兩組圖3(b)電路以一電流鏡並聯，如圖7；其輸出電流I out
為輸入電壓V
in轉換出之電流I D40
減去輸入電壓Vin1
轉換出之電流I D50
，由式(11)，
若圖7兩邊電路完全對稱，即M10=M80、M20=M70、M30=M40=M50=M60、M41=M51，V add1
值會與V add2
相近，將(W/L
)10
=(W/L
)80
、(W/L
)20
=(W/L
)70
、V TH10
=V TH80
，V add1
=V add2
，代入式(13)中；圖7之I out
=I D40
-I D50
，以式(12)減去式(13)得到：
式(14)顯示，當V in
大於V in 1
，圖5之電流I out
與兩輸入電壓差(V
in-V
in1
)成線性關係，以HSPICE進行模擬，電壓源DC 5V，其輸出之線性電流如圖8。
圖7亦為本發明使金氧半導體場效電晶體輸出線性電流的閘極驅動電路，以減量方式調整輸出電流的實施例，當金氧半導體場效電晶體40、41、50、51都運作在飽和區時，I out
電流量是輸入電壓V in
轉換出之線性電流I D40
，減去輸入電壓V in1
所轉換出之線性電流I D50
。
圖9為本發明使金氧半導體場效電晶體輸出線性電流的閘極驅動電路之應用實施例，將圖3(b)元件尺寸為(W/L)30
之P型金氧半導體場效電晶體30的閘極電壓，連接到一元件尺寸為(W/L)40
的P型金氧半導體場效電晶體40之閘極，當P型金氧半導體場效電晶體30、40之源極電壓相同，且同在飽和區時，通過P型金氧半導體場效電晶體40之電流量I out
=k*I add
，k等於(W/L)40
除以(W/L)30
。
圖10為本發明使金氧半導體場效電晶體輸出線性電流的閘極驅動電路之輸出電流反向實施例，將圖9之電路加入由2個N型金氧半導體場效電晶體41、42組成之電流鏡，P型金氧半導體場效電晶體40之電流量I D40
，會轉換為N型金氧半導體場效電晶體42之電流量I out
。
圖11(a)、(b)為本發明控制金氧半導體場效電晶體輸出線性電流的驅動電路，以增量方式調整輸出電流的實施例，圖11(a)為將兩組圖9之電路並聯輸出；圖11(b)為將兩組圖10之電路並聯輸出；當金氧半導體場效電晶體40、41、42、50、51、52都運作在飽和區時，I out
電流量為輸入電壓Vin
轉換出之線性電流，再加上輸入電壓Vin1
所轉換出之線性電流。
圖12(a)為本發明使金氧半導體場效電晶體輸出線性電流的閘極驅動電路基本結構之另一實施例，一閘極端與汲極端連接之N型金氧半導體場效電晶體20，一閘極端與汲極端連接之P型金氧半導體場效電晶體30，一電壓輸入電路10；N型金氧半導體場效電晶體20的汲極，與P型金氧半導體場效電晶體30的源極，共同連接在電壓輸入電路10的連接端點11；電壓輸入電路10使用一P型金氧半導體場效電晶體的閘極作為電壓輸入端，其汲極端作為連接端點11，連接端點11輸出之電壓Vc連接到一N型金氧半導體場效電晶體90的閘極；電壓輸入電路10接收到電壓Vin時，會使該N型金氧半導體場效電晶體90在飽和區範圍通過一與電壓Vin成反比線性關係的電流。圖12(b)為電壓源DC 5V時，其輸入電壓Vin與輸出電流I out_N
模擬結果。
綜上所述，本發明電路以電流公式推算或根據模擬結果，均能使金氧半導體場效電晶體輸出一與輸入電壓呈現高線性度之電流，具備了產業上的利用性，其電路簡單，只使用少數金氧半導體場效電晶體，可減少製程差異與降低製造成本。
以上已將本發明作詳細說明，惟上述僅為本發明之較佳實施例而已，當不能限定本發明實施之範圍。即凡依本發明專利申請範圍所作之均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明專利涵蓋範圍內。
10、80．．．電壓輸入電路
11．．．連接端點
20、70．．．二極體連接型態之N型金氧半導體場效電晶體
30、60．．．二極體連接型態之P型金氧半導體場效電晶體
41、42、51、52、90．．．N型金氧半導體場效電晶體
40、50．．．P型金氧半導體場效電晶體
VDD
．．．電壓源
Vin、Vin1．．．輸入電壓
Vc．．．金氧半導體場效電晶體之閘極驅動電壓
Vout
、Vadd
．．．電壓
Iout
、Iadd
、ID10
、ID20
、ID20
’、ID40
、ID50
、Iout_N
．．．電流
Rs．．．電阻
圖1為習知線性電壓至電流轉換電路。
圖2為本發明之電路基本結構。
圖3(a)為本發明以N型金氧半導體場效電晶體作為電壓輸入電路之電路原理解說例(1)。
圖3(b)為本發明以N型金氧半導體場效電晶體作為電壓輸入電路之電路原理解說例(2)。
圖4為本發明基本電路之電壓Vadd
相對於Vin之變化範圍模擬。
圖5為本發明基本電路轉換出之電流範圍與線性度模擬。
圖6(a)為本發明以P型金氧半導體場效電晶體作為電壓輸入電路之實施例。
圖6(b)為本發明以P型金氧半導體場效電晶體作為電壓輸入電路所轉換出之線性電流模擬。
圖7為本發明以減量方式調整輸出電流的實施例。
圖8為本發明以減量方式調整輸出電流之線性度模擬。
圖9為本發明之電流輸出實施例。
圖10為本發明之輸出電流反向實施例。
圖11(a)、(b)為本發明以增量方式調整輸出電流的實施例。
圖12(a)為本發明基本電路之另一應用實施例。
圖12(b)為本發明基本電路之另一應用實施例之輸出電流範圍與線性度模擬。
10．．．電壓輸入電路
11．．．連接端點
20．．．N型金氧半導體場效電晶體
30．．．P型金氧半導體場效電晶體
Vin．．．輸入電壓
Vc．．．金氧半導體場效電晶體之閘極驅動電壓
Iadd
．．．電流
Claims (6)
- 一種使金氧半導體場效電晶體輸出線性電流的閘極驅動電路，其包含有：一N型金氧半導體場效電晶體，其閘極端與汲極端連接；一P型金氧半導體場效電晶體，其閘極端與汲極端連接，其汲極端與該N型金氧半導體場效電晶體之源極端連接；以及一電壓輸入電路，包含有一輸入端與一連接端點，該輸入端用以接收輸入電壓，該連接端點連接到該N型金氧半導體場效電晶體之源極端與該P型金氧半導體場效電晶體之汲極端。
- 如申請專利範圍第1項所述之驅動電路，其中該電壓輸入電路接收輸入電壓時，該連接端點可輸出一電壓，該電壓可使P型金氧半導體場效電晶體產生一與該輸入電壓成線性關係之電流。
- 如申請專利範圍第1項所述之驅動電路，其中該電壓輸入電路至少包含一金氧半導體場效電晶體。
- 一種使金氧半導體場效電晶體輸出線性電流的閘極驅動電路，其包含有：一N型金氧半導體場效電晶體，其閘極端與汲極端連接；一P型金氧半導體場效電晶體，其閘極端與汲極端連接，其源極端與該N型金氧半導體場效電晶體之汲極端連接；以及一電壓輸入電路，具有一輸入端與一連接端點，該輸入端用以接收輸入電壓，該連接端點連接到該N型金氧半導體場效電晶體之汲極端與該P型金氧半導體場效電晶體之源極端。
- 如申請專利範圍第4項所述之驅動電路，其中該電壓輸入電路接收輸入電壓時，該連接端點可輸出一電壓，該電壓可使N型金氧半導體場效電晶體產生線性電流。
- 如申請專利範圍第4項所述之驅動電路，其中該電壓輸入電路至少包含一金氧半導體場效電晶體。
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