[發明專利]一種基于自偏置共源共柵結構的跨導放大器

有效

• 申請號: 201610040317.7
• 申請日: 2016-01-21
• 公開（公告）號: CN105720936B
• 公開（公告）日: 2018-01-09
• 發明（設計）人: 徐代果;胡剛毅;李儒章;王健安;陳光炳;王育新;劉濤;劉璐;鄧民明;石寒夫;王旭
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第二十四研究所
• 主分類號: H03F3/45
• 分類號: H03F3/45;H03G1/00
• 代理公司: 北京一格知識產權代理事務所(普通合伙)11316
• 代理人: 滑春生

技術領域

本發明屬于模擬或數模混合集成電路技術領域，具體涉及一種基于自偏置共源共柵結構的跨導放大器。

背景技術

近年來，隨著集成電路制造技術的不斷發展，對低功耗模擬集成電路的需要逐漸增加，為了適應低功耗的要求，電源電壓進一步降低。針對這一趨勢，為了保證放大器的工作性能，發展出來一些提高跨導放大器增益的結構，其中，自偏置共源共柵結構就是一種。在這種結構下，通過調節MOS管的襯底電壓，改變MOS管的閾值電壓，從而改變MOS管的跨導和輸出阻抗，這樣，跨導放大器就可以獲得比常規結構更高的增益。傳統結構下，如果需要改變MOS管的閾值電壓，采用的方法包括使用低閾值管或為MOS管提供額外偏置電壓，但這會增加工藝或者電路設計的復雜度；另一方面，傳統的補償方式，很難在放大器實現高增益的同時，提高單位增益帶寬。因此，傳統的幾種結構，很難滿足高性能跨導放大器的要求。

為了更詳細的描述上述技術問題，本申請先來分析兩種傳統結構跨導放大器的工作原理和優缺點。請參考圖1所示的結構1，其給出了一種傳統兩級跨導放大器原理圖，由于當采用PMOS管作為輸入管時，具有匹配性優良和低噪聲等優點，所以在非高速低噪聲應用的場合通常采用PMOS管作為跨導放大器的輸入管。結構1中，輸入信號VIP和VIN從PMOS輸入管M1和M2的柵極輸入，PMOS管M1和M2和NMOS管M3和M4都工作在飽和區，從而使得第一級放大器能提供較大的直流增益，第二級共源放大器由NMOS管M5和PMOS管M6構成，這種結構在保持一定增益的同時，能夠提供較大的輸出擺幅。電容C_C和電阻R_C構成一個RC補償結構，使得放大器在保持穩定的情況下，能夠獲得一定的單位增益帶寬。在圖1所示的結構下，放大器增益表達式為：

Gain_[1]＝g_m1,2·(r_o2||r_o4)·g_m5·(r_o5||r_o6) (1)

圖1結構的優點是電路結構簡單，但是，本申請的發明人研究發現，由于采用RC補償，要獲得一個低頻的左半平面零點需要很大的補償電阻RC；同時，由于標準工藝下，電阻的阻值一致性較差，很難獲得相對固定的左半平面零點。

請參考圖2所示的結構2，其給出了一種自偏置共源共柵跨導放大器原理圖，在結構2中，PMOS輸入管M1、M2、M3和M4構成了自偏置共源共柵輸入級結構，同時，由PMOS管M0、M8、M9和M10構成恒流源結構。該結構的特點在于，通過專門設置PMOS管M3和M4以及PMOS管M8和M10的襯底電壓來改變其閾值電壓，從而實現提高其輸出阻抗的目的。下面分析其工作原理，以圖2中輸入級PMOS管為例，將PMOS管M1和M3的溝道寬度設計成和圖1中PMOS管M1的寬度相同，同時將PMOS管M1和M3的溝道長度之和設計成和圖1中PMOS管M1的長度相同，這樣，圖1中的輸入管M1與圖2中的輸入管M1和M3所占版圖面積相同。在圖2所示的結構中，PMOS管M2和M4、M8和M9等其他幾處自偏置共源共柵結構MOS管尺寸采用同樣的設計方法，通過前面所提到的方法，使得PMOS管M3和M4的閾值電壓小于M1和M2的閾值電壓，分析半邊電路，在一定的輸入電壓VIN/VIP之下：

VIN+|Vthp3|＜V_S3＜VIN+|Vthp1|(2)

其中，Vthp3和Vthp1分別為PMOS管M3和M1的閾值電壓，V_S3為PMOS管M3的源極電壓，如果設置合適的閾值電壓和輸入電壓，使得式(2)得到滿足，那么PMOS管M1和M3都可以工作在飽和區。

下面分析在式(2)得到滿足的情況下，自偏置共源共柵結構的輸出阻抗，其小信號等效電路圖如圖3所示，對其列節點KCL方程如下：

解上述方程可得：

Req＝g_m3·r_o1·r_o3+r_o1+r_o3≈g_m3·r_o1·r_o3(4)

因此，圖2所示結構的增益表達式為：