[发明专利]一种基于自偏置共源共栅结构的跨导放大器

说明书

技术领域

本发明属于模拟或数模混合集成电路技术领域，具体涉及一种基于自偏置共源共栅结构的跨导放大器。

背景技术

近年来，随着集成电路制造技术的不断发展，对低功耗模拟集成电路的需要逐渐增加，为了适应低功耗的要求，电源电压进一步降低。针对这一趋势，为了保证放大器的工作性能，发展出来一些提高跨导放大器增益的结构，其中，自偏置共源共栅结构就是一种。在这种结构下，通过调节MOS管的衬底电压，改变MOS管的阈值电压，从而改变MOS管的跨导和输出阻抗，这样，跨导放大器就可以获得比常规结构更高的增益。传统结构下，如果需要改变MOS管的阈值电压，采用的方法包括使用低阈值管或为MOS管提供额外偏置电压，但这会增加工艺或者电路设计的复杂度；另一方面，传统的补偿方式，很难在放大器实现高增益的同时，提高单位增益带宽。因此，传统的几种结构，很难满足高性能跨导放大器的要求。

为了更详细的描述上述技术问题，本申请先来分析两种传统结构跨导放大器的工作原理和优缺点。请参考图1所示的结构1，其给出了一种传统两级跨导放大器原理图，由于当采用PMOS管作为输入管时，具有匹配性优良和低噪声等优点，所以在非高速低噪声应用的场合通常采用PMOS管作为跨导放大器的输入管。结构1中，输入信号VIP和VIN从PMOS输入管M1和M2的栅极输入，PMOS管M1和M2和NMOS管M3和M4都工作在饱和区，从而使得第一级放大器能提供较大的直流增益，第二级共源放大器由NMOS管M5和PMOS管M6构成，这种结构在保持一定增益的同时，能够提供较大的输出摆幅。电容C_C和电阻R_C构成一个RC补偿结构，使得放大器在保持稳定的情况下，能够获得一定的单位增益带宽。在图1所示的结构下，放大器增益表达式为：

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

图1结构的优点是电路结构简单，但是，本申请的发明人研究发现，由于采用RC补偿，要获得一个低频的左半平面零点需要很大的补偿电阻RC；同时，由于标准工艺下，电阻的阻值一致性较差，很难获得相对固定的左半平面零点。

请参考图2所示的结构2，其给出了一种自偏置共源共栅跨导放大器原理图，在结构2中，PMOS输入管M1、M2、M3和M4构成了自偏置共源共栅输入级结构，同时，由PMOS管M0、M8、M9和M10构成恒流源结构。该结构的特点在于，通过专门设置PMOS管M3和M4以及PMOS管M8和M10的衬底电压来改变其阈值电压，从而实现提高其输出阻抗的目的。下面分析其工作原理，以图2中输入级PMOS管为例，将PMOS管M1和M3的沟道宽度设计成和图1中PMOS管M1的宽度相同，同时将PMOS管M1和M3的沟道长度之和设计成和图1中PMOS管M1的长度相同，这样，图1中的输入管M1与图2中的输入管M1和M3所占版图面积相同。在图2所示的结构中，PMOS管M2和M4、M8和M9等其他几处自偏置共源共栅结构MOS管尺寸采用同样的设计方法，通过前面所提到的方法，使得PMOS管M3和M4的阈值电压小于M1和M2的阈值电压，分析半边电路，在一定的输入电压VIN/VIP之下：

VIN+|Vthp3|＜V_S3＜VIN+|Vthp1|(2)

其中，Vthp3和Vthp1分别为PMOS管M3和M1的阈值电压，V_S3为PMOS管M3的源极电压，如果设置合适的阈值电压和输入电压，使得式(2)得到满足，那么PMOS管M1和M3都可以工作在饱和区。

下面分析在式(2)得到满足的情况下，自偏置共源共栅结构的输出阻抗，其小信号等效电路图如图3所示，对其列节点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，图2所示结构的增益表达式为：