一种适用于电流复用结构中的偏置电路的制作方法

本发明涉及到一种偏置电路，特别是一种适用于电流复用结构中的偏置电路。

背景技术：

偏置电路是模拟集成电路中最常用的电路结构，偏置电路的主要作用是借助于电源模块的基准偏置电流，通过电流镜复制技术，保证目标金属氧化物晶体管工作在合适的静态工作点。

功耗是衡量芯片性能的一大重要指标，在手持电子设备日益普及的当今社会，低功耗设计愈来愈重要。电流复用技术是低功耗设计中常用的一种电路设计方法：一种典型的电流复用电路结构及常用偏置电路如图2所示，所示电路共包含n型金属氧化物晶体管nm1，p型金属氧化物晶体管pm1，负载可以是电阻r、电感l、电容c中的一种，亦可以是它们之间的组合；只有电容c不可单独作负载；电阻r1和电阻r2分别为n型金属氧化物晶体管nm1和p型金属氧化物晶体管pm1的偏置电阻。它的偏置电路分为两个部分：第一部分包括n型金属氧化物晶体管m31、n型金属氧化物晶体管m32、n型金属氧化物晶体管m33、n型金属氧化物晶体管m34、n型金属氧化物晶体管m35、n型金属氧化物晶体管m38、p型金属氧化物晶体管m36、p型金属氧化物晶体管m37、p型金属氧化物晶体管m39、p型金属氧化物晶体管m40、p型金属氧化物晶体管m41以及电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4器件；第二部分是为n型金属氧化物晶体管nm1和p型金属氧化物晶体管的源极提供固定电位的共模反馈模块，包括由其他n型金属氧化物晶体管和p型金属氧化物晶体管构成的运算放大器op1以及提供共模参考电压的电阻r2和电阻r3，参考电压由电阻r2和电阻r3分压提供。

图2所提供的偏置电路有以下几个不足之处：第一是运算放大器op1的存在会引入额外的功耗、芯片面积，同时也会引入噪声源，影响主体电路性能；第二是由于偏置晶体管m38和主体电路中的n型金属氧化物晶体管nm1电压环境相差较多，导致电流镜像效果偏差；第三是电路中有较多的电阻存在，导致电路的工艺稳定性较差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种适用于电流复用结构中的偏置电路，一方面避免使用带独立运算放大器的共模反馈电路，同时尽可能的保证n型金属氧化物晶体管nm1、p型金属氧化物晶体管pm1和它们各自对应的二极管连接模式的偏置n型金属氧化物晶体管m8和p型金属氧化物晶体管m9的电压环境一致，提高电流镜像效果，同时在偏置电路中尽可能少的使用电阻器件。

一种适用于电流复用结构中的偏置电路，包括：n型金属氧化物晶体管m1、n型金属氧化物晶体管m2、n型金属氧化物晶体管m3、p型金属氧化物晶体管m4、p型金属氧化物晶体管m5、p型金属氧化物晶体管m6、p型金属氧化物晶体管m7、n型金属氧化物晶体管m8、p型金属氧化物晶体管m9、n型金属氧化物晶体管m10、n型金属氧化物晶体管m11、p型金属氧化物晶体管m12、p型金属氧化物晶体管m13、p型金属氧化物晶体管m14、p型金属氧化物晶体管m15、p型金属氧化物晶体管m16、n型金属氧化物晶体管m17、n型金属氧化物晶体管nm1、p型金属氧化物晶体管pm1、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r6和电阻r7。

所述电阻r4的负端和n型金属氧化物晶体管m1的漏极连接、n型金属氧化物晶体管m1的栅极、n型金属氧化物晶体管m2的栅极、n型金属氧化物晶体管m3的栅极、n型金属氧化物晶体管m17的栅极相连接；n型金属氧化物晶体管m1的源极和n型金属氧化物晶体管m2的源极、n型金属氧化物晶体管m3的源极、n型金属氧化物晶体管m10的源极、n型金属氧化物晶体管m11的源极、n型金属氧化物晶体管m17的源极、电阻r2的负端相连接；n型金属氧化物晶体管m2的漏极、p型金属氧化物晶体管m4的漏极、p型金属氧化物晶体管m6的栅极、p型金属氧化物晶体管m7的栅极相连接；p型金属氧化物晶体管m4的源极和p型金属氧化物晶体管m6的漏极相连接；p型金属氧化物晶体管m6的源极和p型金属氧化物晶体管m7的源极、p型金属氧化物晶体管m14的源极、p型金属氧化物晶体管m15的源极、p型金属氧化物晶体管m16的源极、电阻r1的正端相连接；p型金属氧化物晶体管m7的漏极、n型金属氧化物晶体管m8的漏极、n型金属氧化物晶体管m8的栅极、p型金属氧化物晶体管m5的源极相连接；p型金属氧化物晶体管m4的栅极和p型金属氧化物晶体管m5的栅极、p型金属氧化物晶体管m5的漏极相连接；n型金属氧化物晶体管m8的源极和p型金属氧化物晶体管m9的源极、电阻r1的负端、电阻r2的正端相连接；n型金属氧化物晶体管m10的漏极和n型金属氧化物晶体管m12的源极、p型金属氧化物晶体管m9的漏极、p型金属氧化物晶体管m9的栅极相连接；n型金属氧化物晶体管m10的栅极、n型金属氧化物晶体管m11的栅极、n型金属氧化物晶体管m13的漏极、p型金属氧化物晶体管m15的漏极相连接；n型金属氧化物晶体管m12的栅极、n型金属氧化物晶体管m13的栅极、n型金属氧化物晶体管m12的漏极、p型金属氧化物晶体管m14的漏极相连接；n型金属氧化物晶体管m11的漏极和n型金属氧化物晶体管m13的源极相连接；p型金属氧化物晶体管m14的栅极和p型金属氧化物晶体管m15的栅极、p型金属氧化物晶体管m16的栅极、p型金属氧化物晶体管m16的漏极、电阻r3的正端相连接；电阻r3的负端和n型金属氧化物晶体管的漏极m17相连接。

优选的，本发明的偏置电路以电阻r4的正端为基准电流输入端，以n型金属氧化物晶体管m8的栅极、漏极，p型金属氧化物晶体管m7的漏极，p型金属氧化物晶体管m5的源极的连接点作为偏置电压输出端vbias1；以p型金属氧化物晶体管m9的栅极、p型金属氧化物晶体管的漏极，n型金属氧化物晶体管m10的漏极，n型金属氧化物晶体管m12的源极的连接点作为偏置电压输出端vbias2。偏置电路的输出电压vbias1和电压vbias2分别为n型金属氧化物晶体管nm1和p型金属氧化物晶体管pm1提供偏置电压。

优选的，本发明的具体工作方式如下：偏置基准电流经过电阻r4注入到偏置电路中，通过栅漏极短接连接方式的n型金属氧化物晶体管m1将偏置电流转换成偏置电压，经过电流镜电路分别为n型金属氧化物晶体管m2、n型金属氧化物晶体管m3、n型金属氧化物晶体管m17提供偏置电压。n型金属氧化物晶体管m1、n型金属氧化物晶体管m2、n型金属氧化物晶体管m3、n型金属氧化物晶体管m17的栅极宽度一致，栅极长度一致，因而宽长比之比为1:1:1:1，根据电流镜原理，流过n型金属氧化物晶体管m1、n型金属氧化物晶体管m2、n型金属氧化物晶体管m3、n型金属氧化物晶体管m17的电流值相等。在n型金属氧化物晶体管m2、n型金属氧化物晶体管m3所在电流支路中，p型金属氧化物晶体管m4和p型金属氧化物晶体管栅极长度和栅极宽度之比为1:1，p型金属氧化物晶体管m6和p型金属氧化物晶体管m7的栅极宽度和栅极长度之比为1:n，其中n>1，p型金属氧化物晶体管m6的栅极连接至p型金属氧化物晶体管m4的漏极，降低该支路电路的电压裕度要求；n型金属氧化物晶体管m17所在支路电流通过电阻r3连接至栅漏极短接的p型金属氧化物晶体管m16上，p型金属氧化物晶体管m16和p型金属氧化物晶体管m14及p型金属氧化物m15构成电流镜电路：p型金属氧化物晶体管m16、p型金属氧化物晶体管m14、p型金属氧化物m15的栅极长度和栅极宽度之比为1:1:1。在p型金属氧化物晶体管m14和p型金属氧化物晶体管m15所在电流支路中，n型金属氧化物晶体管m12和n型金属氧化物晶体管m13的栅极宽度和栅极长度比例为1:1，n型金属氧化物晶体管m11和n型金属氧化物晶体管m10的栅极宽度和栅极长度比例为1:n，其中n>1；类似于p型金属氧化物晶体管m4和p型金属氧化物晶体管m6之间的连接方式，n型金属氧化物晶体管m10的栅极连接至n型金属氧化物晶体管m12的漏极，减小该支路电路的电压裕度要求。栅极、漏极短接连接模式的n型金属氧化物晶体管m8和p型金属氧化物晶体管m9连接在p型金属氧化物晶体管m7的漏极和n型金属氧化物晶体管m10的漏极之间，n型金属氧化物晶体管m8和p型金属氧化物晶体管m9的源极连接点电位由电阻r1和r2之间的分压决定。假设输入偏置电流值为i，p型金属氧化物晶体管m7流过的电流为n*i，p型金属氧化物晶体管m7的电流一部分流过p型金属氧化物晶体管m5，另一部分流过n型金属氧化物晶体管m8，流过p型金属氧化物晶体管m5的电流值为i，流过n型金属氧化物晶体管m8的电流为(n-1)*i，p型金属氧化物晶体管流过的电流是(n-1)*i，n型金属氧化物晶体管m8和p型金属氧化物晶体管m9的栅极和漏极短接，分别产生偏置电压vbias1和偏置电压vbias2，为电流复用电路中的n型金属氧化物晶体管nm1和p型金属氧化物晶体管pm1提供栅极偏置。

优选的，偏置电路中的n型金属氧化物晶体管m8和和电流复用电路结构中的n型金属氧化物nm1构成电压环境类似的电流镜，由此得到：

vgs(m8)-vth(m8)＝vgs(nm1)-vth(nm1)(1)

其中vgs(m8)为n型金属氧化物晶体管m8的栅、源极电压，vth(m8)为n型金属氧化物晶体管m8的阈值电压，vgs(nm1)为n型金属氧化物晶体管nm1的栅、源极电压，vth(nm1)为n型金属氧化物晶体管nm1的阈值电压，n型金属氧化物晶体管m8和n型金属氧化物晶体管nm1构成电流镜电路，结合电流镜电路的版图布局规则，vth(m8)和vth(nm1)近似相等，则有：

优选的，偏置电路中的p型金属氧化物晶体管m9和电流复用电路结构中的p型金属氧化物pm1构成电压环境类似的电流镜，由此得到：

vgs(m9)-vth(m9)＝vgs(pm1)-vth(pm1)(3)

其中vgs(m9)为p型金属氧化物晶体管m9的栅、源极电压差，vth(m9)为p型金属氧化物晶体管m9的阈值电压，vgs(pm1)为p型金属氧化物晶体管pm1的栅、源极电压，vth(pm1)为p型金属氧化物晶体管pm1的阈值电压，p型金属氧化物晶体管m9和p型金属氧化物晶体管pm1构成电流镜电路，结合电流镜电路的版图布局规则，vth(m9)和vth(pm1)近似相等，则有：

本发明的偏置电路有以下几个优点：一方面可以利用同一条电流之路分别为电路中的n型金属氧化物晶体管nm1和p型金属氧化物晶体管pm1提供偏置；另一方面借助于本偏置电路，电流复用电路中的n型金属氧化物晶体管nm1源极和p型金属氧化物晶体管pm1源极相连点——b点电位固定，而不需要额外的电路结构。

附图说明

图1本发明的适用于电流复用结构中的偏置电路示意图；

图2电流复用结构及常用偏置电路。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明作进一步说明。

一种适用于电流复用结构中的偏置电路，包括：n型金属氧化物晶体管m1、n型金属氧化物晶体管m2、n型金属氧化物晶体管m3、p型金属氧化物晶体管m4、p型金属氧化物晶体管m5、p型金属氧化物晶体管m6、p型金属氧化物晶体管m7、n型金属氧化物晶体管m8、p型金属氧化物晶体管m9、n型金属氧化物晶体管m10、n型金属氧化物晶体管m11、p型金属氧化物晶体管m12、p型金属氧化物晶体管m13、p型金属氧化物晶体管m14、p型金属氧化物晶体管m15、p型金属氧化物晶体管m16、n型金属氧化物晶体管m17、n型金属氧化物晶体管nm1、p型金属氧化物晶体管pm1、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r6和电阻r7。

所述电阻r4的负端和n型金属氧化物晶体管m1的漏极连接、n型金属氧化物晶体管m1的栅极、n型金属氧化物晶体管m2的栅极、n型金属氧化物晶体管m3的栅极、n型金属氧化物晶体管m17的栅极相连接；n型金属氧化物晶体管m1的源极和n型金属氧化物晶体管m2的源极、n型金属氧化物晶体管m3的源极、n型金属氧化物晶体管m10的源极、n型金属氧化物晶体管m11的源极、n型金属氧化物晶体管m17的源极、电阻r2的负端相连接；n型金属氧化物晶体管m2的漏极、p型金属氧化物晶体管m4的漏极、p型金属氧化物晶体管m6的栅极、p型金属氧化物晶体管m7的栅极相连接；p型金属氧化物晶体管m4的源极和p型金属氧化物晶体管m6的漏极相连接；p型金属氧化物晶体管m6的源极和p型金属氧化物晶体管m7的源极、p型金属氧化物晶体管m14的源极、p型金属氧化物晶体管m15的源极、p型金属氧化物晶体管m16的源极、电阻r1的正端相连接；p型金属氧化物晶体管m7的漏极、n型金属氧化物晶体管m8的漏极、n型金属氧化物晶体管m8的栅极、p型金属氧化物晶体管m5的源极相连接；p型金属氧化物晶体管m4的栅极和p型金属氧化物晶体管m5的栅极、p型金属氧化物晶体管m5的漏极相连接；n型金属氧化物晶体管m8的源极和p型金属氧化物晶体管m9的源极、电阻r1的负端、电阻r2的正端相连接；n型金属氧化物晶体管m10的漏极和n型金属氧化物晶体管m12的源极、p型金属氧化物晶体管m9的漏极、p型金属氧化物晶体管m9的栅极相连接；n型金属氧化物晶体管m10的栅极、n型金属氧化物晶体管m11的栅极、n型金属氧化物晶体管m13的漏极、p型金属氧化物晶体管m15的漏极相连接；n型金属氧化物晶体管m12的栅极、n型金属氧化物晶体管m13的栅极、n型金属氧化物晶体管m12的漏极、p型金属氧化物晶体管m14的漏极相连接；n型金属氧化物晶体管m11的漏极和n型金属氧化物晶体管m13的源极相连接；p型金属氧化物晶体管m14的栅极和p型金属氧化物晶体管m15的栅极、p型金属氧化物晶体管m16的栅极、p型金属氧化物晶体管m16的漏极、电阻r3的正端相连接；电阻r3的负端和n型金属氧化物晶体管的漏极m17相连接。

本发明的偏置电路以电阻r4的正端为基准电流输入端，以n型金属氧化物晶体管m8的栅极、漏极，p型金属氧化物晶体管m7的漏极，p型金属氧化物晶体管m5的源极的连接点作为偏置电压输出端vbias1；以p型金属氧化物晶体管m9的栅极、p型金属氧化物晶体管的漏极，n型金属氧化物晶体管m10的漏极，n型金属氧化物晶体管m12的源极的连接点作为偏置电压输出端vbias2。偏置电路的输出电压vbias1和电压vbias2分别为n型金属氧化物晶体管nm1和p型金属氧化物晶体管pm1提供偏置电压。

具体工作方式如下：偏置基准电流经过电阻r4注入到偏置电路中，通过栅漏极短接连接方式的n型金属氧化物晶体管m1将偏置电流转换成偏置电压，经过电流镜电路分别为n型金属氧化物晶体管m2、n型金属氧化物晶体管m3、n型金属氧化物晶体管m17提供偏置电压。n型金属氧化物晶体管m1、n型金属氧化物晶体管m2、n型金属氧化物晶体管m3、n型金属氧化物晶体管m17的栅极宽度一致，栅极长度一致，因而宽长比之比为1:1:1:1，根据电流镜原理，流过n型金属氧化物晶体管m1、n型金属氧化物晶体管m2、n型金属氧化物晶体管m3、n型金属氧化物晶体管m17的电流值相等。在n型金属氧化物晶体管m2、n型金属氧化物晶体管m3所在电流支路中，p型金属氧化物晶体管m4和p型金属氧化物晶体管栅极长度和栅极宽度之比为1:1，p型金属氧化物晶体管m6和p型金属氧化物晶体管m7的栅极宽度和栅极长度之比为1:n，其中n>1，p型金属氧化物晶体管m6的栅极连接至p型金属氧化物晶体管m4的漏极，降低该支路电路的电压裕度要求；n型金属氧化物晶体管m17所在支路电流通过电阻r3连接至栅漏极短接的p型金属氧化物晶体管m16上，p型金属氧化物晶体管m16和p型金属氧化物晶体管m14及p型金属氧化物m15构成电流镜电路：p型金属氧化物晶体管m16、p型金属氧化物晶体管m14、p型金属氧化物m15的栅极长度和栅极宽度之比为1:1:1。在p型金属氧化物晶体管m14和p型金属氧化物晶体管m15所在电流支路中，n型金属氧化物晶体管m12和n型金属氧化物晶体管m13的栅极宽度和栅极长度比例为1:1，n型金属氧化物晶体管m11和n型金属氧化物晶体管m10的栅极宽度和栅极长度比例为1:n，其中n>1；类似于p型金属氧化物晶体管m4和p型金属氧化物晶体管m6之间的连接方式，n型金属氧化物晶体管m10的栅极连接至n型金属氧化物晶体管m12的漏极，减小该支路电路的电压裕度要求。栅极、漏极短接连接模式的n型金属氧化物晶体管m8和p型金属氧化物晶体管m9连接在p型金属氧化物晶体管m7的漏极和n型金属氧化物晶体管m10的漏极之间，n型金属氧化物晶体管m8和p型金属氧化物晶体管m9的源极连接点电位由电阻r1和r2之间的分压决定。假设输入偏置电流值为i，p型金属氧化物晶体管m7流过的电流为n*i，p型金属氧化物晶体管m7的电流一部分流过p型金属氧化物晶体管m5，另一部分流过n型金属氧化物晶体管m8，流过p型金属氧化物晶体管m5的电流值为i，流过n型金属氧化物晶体管m8的电流为(n-1)*i，p型金属氧化物晶体管流过的电流是(n-1)*i，n型金属氧化物晶体管m8和p型金属氧化物晶体管m9的栅极和漏极短接，分别产生偏置电压vbias1和偏置电压vbias2，为电流复用电路中的n型金属氧化物晶体管nm1和p型金属氧化物晶体管pm1提供栅极偏置。

图1偏置电路中的n型金属氧化物晶体管m8和和电流复用电路结构中的n型金属氧化物nm1构成电压环境类似的电流镜，由此得到：

vgs(m8)-vth(m8)＝vgs(nm1)-vth(nm1)(1)

其中vgs(m8)为n型金属氧化物晶体管m8的栅、源极电压，vth(m8)为n型金属氧化物晶体管m8的阈值电压，vgs(nm1)为n型金属氧化物晶体管nm1的栅、源极电压，vth(nm1)为n型金属氧化物晶体管nm1的阈值电压，n型金属氧化物晶体管m8和n型金属氧化物晶体管nm1构成电流镜电路，结合电流镜电路的版图布局规则，近似认为vth(m8)和vth(nm1)相等，则有：

图1偏置电路中的p型金属氧化物晶体管m9和电流复用电路结构中的p型金属氧化物pm1构成电压环境类似的电流镜，由此得到：

vgs(m9)-vth(m9)＝vgs(pm1)-vth(pm1)(3)

其中vgs(m9)为p型金属氧化物晶体管m9的栅、源极电压差，vth(m9)为p型金属氧化物晶体管m9的阈值电压，vgs(pm1)为p型金属氧化物晶体管pm1的栅、源极电压，vth(pm1)为p型金属氧化物晶体管pm1的阈值电压，p型金属氧化物晶体管m9和p型金属氧化物晶体管pm1构成电流镜电路，结合电流镜电路的版图布局规则，近似认为vth(m9)和vth(pm1)相等，则有：

由计算式(2)和计算式(4)结果可知，图1中的b点电压与图1中的a点电压相等，a点电位由电阻r1和电阻r2分压确定，a点电位稳定在1/2vdd，则b点电位稳定在1/2vdd处，从而达到不用共模反馈电路亦能达到使b点电位稳定的目的。