[发明专利]基于互补电流场效应晶体管装置的低噪声跨阻抗放大器

说明书

本发明涉及一种用于低噪声电流放大器或跨阻抗放大器的新颖和创造性的复合装置结构。所述跨阻抗放大器包含：放大器部分，所述放大器部分使用一对互补的新颖n型和p型电流场效应晶体管(NiFET和PiFET)来将电流输入转换为电压；以及使用另一对互补的NiFET和PiFET的偏置产生部分。可通过源极沟道的宽度(W)长度(L)比与漏极沟道的宽度(W)长度(L)比的比率(源极沟道的W/L/漏极沟道的W/L)来配置和编程NiFET和PiFET的跨阻抗以及其增益。

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年7月30日提交的第62/198,900号美国临时申请、2015年12月17日提交的第62/268,983号美国临时申请以及2016年3月17日提交的第62/309,903号美国临时申请的优先权，所述美国临时申请的全部内容以引入的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及一种新颖和创造性的复合装置结构，从而实现利用亚阈值操作的基于电荷的方法以用于设计模拟CMOS电路。

背景技术

相关技术描述

新千年带来的是以极快速度膨胀的对连通性的需求。到2015年底，全球网络连接的数量将超过世界人口的两倍，预计在2020年，超过300亿装置将无线连接到云，从而形成物联网(或“IoT”)。实现这一新时代的是在近二十年中出现的移动计算和无线通信的革命性发展。根据摩尔定律(Moore's Law)，开发高集成度且具成本效益的硅互补金属氧化物半导体(CMOS)装置允许将大型模/数转换器或收发器等数字和模拟系统元件合并成更具成本效益的单芯片解决方案。

然而，在近几年中，虽然数字电路在很大程度上遵循了预测路径且得益于CMOS技术扩展到超深亚微米(亚-μm)，但模拟电路尚不能够遵循同样的趋势，并且在模拟设计无模式上的转变的情况下可能永远无法实现。模拟和射频(或“RF”)设计人员仍在努力探索如何制出高性能集成电路(或“IC”)以实现超深亚-μm特征大小而不损失收缩大小的益处：包含功率降低、覆盖面紧凑以及操作频率更高。要突破现有的模拟设计科学以满足新千年片上系统(SoC)的要求，需要真正的模式上的转变。

现有技术：

模拟电路的核心构建块是放大器。离散组件放大器自由使用电阻器、电容器、电感器、变压器和非线性元件以及各种类型的晶体管。通常可忽略各种组件之间不合需要的寄生效应。然而，为了在集成电路内构建放大器，无法轻易获得正常的模拟电路组件，且如果真要如此的话，通常采用特殊IC工艺扩展以获得这些电路元件。由于集成电路放大器相距紧密且通过其所集成到的硅晶片耦合在一起，因此集成电路放大器上的寄生效应较严重。摩尔定律IC工艺的进步集中于数字、微处理器和存储器工艺发展。由于需要一代(～18个月)或两代来将IC工艺扩展到并入有模拟组件，因此最新工艺单芯片系统上一般并未包含模拟功能。这些“混合模式”IC工艺不易获得、依赖于厂商且较贵以及高度受制于参数变化。需要大量工程改造以在变得特定于其IC厂商和工艺节点的任何IC上包含极少的模拟功能。由于针对每个工艺节点谨慎且特别地设计或布置模拟电路，因此此类模拟电路非常不便携带。由于排斥这种限制，模拟电路设计工程师变得稀缺且慢慢退休而无足够替代。

运算放大器(或运放)是处理模拟信息所必要的基本IC模拟增益块。运放利用一对极高匹配的晶体管来在电压输入处形成一对差分晶体管。匹配是在集成电路上易于获得的参数，但为了达到所需等级的匹配，会使用许多考虑因素：相同质心布局、多个大型装置、阱隔离和物理布局技术，以及许多其它考虑因素。大面积匹配的多组晶体管还用于电流镜和负载装置。运放需要电流源以用于偏置。运放还需要电阻器和电容器(或RC)补偿极以防止振荡。电阻器是“R”的关键，且RC时间常数的值相对精确。电阻器的值过大会使放大器过慢且过小，从而导致振荡。恒定的“偏置”电流增加了消耗的功率。总的来说，这些偏置电流趋向大于全信号操作期间所需的峰值电流。