一种基于自偏置共源共栅结构的跨导放大器制造技术

本发明专利技术提供一种基于自偏置共源共栅结构的跨导放大器，包括PMOS输入管M1、M2、M3和M4构成的自偏置共源共栅输入级结构，NMOS管M5、M6、M7和M8构成的自偏置共源共栅第一级负载结构，NMOS管M9和PMOS管M10构成的第二级共源放大器结构，NMOS管M11、M12和PMOS管M13构成的偏置电路结构，放大器补偿电容CC，放大器负载电容CL，基准电流源Iref和提供恒流源功能的PMOS管M0。本发明专利技术还提供一种采用NMOS管作为输入管的自偏置共源共栅结构的跨导放大器。本发明专利技术第一级放大器的输入管和负载管均采用了自偏置共源共栅结构，提高了第一级放大器的输出阻抗，增加了第一级放大器的直流增益；第一级放大器的MOS管的衬底电压由放大器偏置电路提供；补偿电容Cc的连接方式，实现了更高的质量因数。

A transconductance amplifier based on self biased cascode

The present invention provides a self bias of the transconductance amplifier based on cascode structure, including PMOS M1, M2, M3 input tube and M4 constitute a self biased cascode input stage structure, NMOS, M6, M7 and M5 M8 constitute a self biased cascode first level load structure, NMOS tube M9 and PMOS second M10 tube composed of common source amplifier structure, NMOS M11, M12 tube and PMOS tube bias circuit composed of M13 amplifier, compensation capacitor CC amplifier load capacitor CL, reference current source Iref and provide constant current source function PMOS M0. The invention also provides a self biased cascode amplifier with a NMOS tube as an input tube. The first stage amplifier input pipe and load pipe adopts a self biased cascode structure, improve the output impedance of the first stage of the amplifier increases the DC gain of the first stage amplifier; substrate voltage first stage amplifier MOS tube provided by the amplifier bias circuit; compensation capacitor Cc connection, realize higher quality factor.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于模拟或数模混合集成电路
，具体涉及一种基于自偏置共源共栅结构的跨导放大器。
技术介绍
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CC和电阻RC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]＝gm1,2·(ro2||ro4)·gm5·(ro5||ro6)(1)图1结构的优点是电路结构简单，但是，本申请的专利技术人研究发现，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|＜VS3＜VIN+|Vthp1|(2)其中，Vthp3和Vthp1分别为PMOS管M3和M1的阈值电压，VS3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：V-Vxro3+gm3·(ΔVin-ΔVx)=Vxro1+gm1·ΔVin=I---(3)]]>解上述方程可得：Req＝gm3·ro1·ro3+ro1+ro3≈gm3·ro1·ro3(4)因此，图2所示结构的增益表达式为：Gain[2]＝gm1,2·((gm3·ro3·ro1)||ro5)·gm7·((gm8·ro8·ro9)||ro7)(5)由(5)式可知，图2所示放大器相比于图1所示放大器，其直流增益有一定程度的提高。但是，本申请的专利技术人研究发现，图2所示电路结构需要专门使用低阈值管，或者提供一个偏置电压VCM，这会增加工艺或者电路复杂度；另一方面，图2所示放大器结构仍然采用RC补偿方式，其补偿效果有限。
技术实现思路
针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提供一种基于自偏置共源共栅结构的跨导放大器，该结构在不增加工艺或者电路复杂度的情况下，进一步提高放大器直流增益，同时可以获得更大的单位增益带宽，从而实现更高的质量因数，可以有效解决传统结构存在的问题。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于自偏置共源共栅结构的跨导放大器，包括PMOS输入管M1、M2、M3和M4构成的自偏置共源共栅输入级结构，NMOS管M5、M6、M7和M8构成的自偏置共源共栅第一级负载结构，NMOS管M9和PMOS管M10构成的第二级共源放大器结构，NMOS管M11、M12和PMOS管M13构成的偏置电路结构，放大器补偿电容CC，放大器负载电容CL，基准电流源Iref和提供恒流源功能的PMOS管M0；其中，所述PMOS输入管M1和M2的源极接PMOS管M0的漏极，PMOS输入管M1和M3的栅极接输入信号VIN，PMOS输入管M2和M4的栅极接输入信号VIP，PMOS输入管M1的漏极接PMOS输入管M3的源极，PMOS输入管M2的漏极接PMOS输入管M4的源极，PMOS输入管M3和M4的衬底接偏置电压Vp，该偏置电压Vp由放大器偏置电路中栅漏相连的PMOS管M13的栅压提供；所述NMOS管M5的栅极和漏极均与NMOS管M6、M7、M8的栅极以及PMOS输入管M3的漏极连接，NMOS管M6的漏极接PMOS输入管M4的漏极，NMOS管M5的源极接NMOS管M7的漏极，NMOS管M6的源极接NMOS管M8的漏极，NMOS管M7和M8的源极接地，NMOS管M5和M6的衬底接偏置电压Vn，该偏置电压Vn由放大器偏置电路中栅漏相连的NMOS管M11的栅压提供；所述PMOS管M10、M0、M13的源极接电源电压vdd，PMOS管M10的栅极接PMOS管M0和M13的栅极，PMOS管M10的漏极、补偿电容Cc的一端、NMOS管M9的漏极和负载电容CL的一端相互连接形成一个连接节点，且该连接节点为所述跨导放大器的输出端Vout，补偿电容Cc的另一端接PMOS输入管M2的漏极，负载电容C本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于自偏置共源共栅结构的跨导放大器，其特征在于，包括PMOS输入管M1、M2、M3和M4构成的自偏置共源共栅输入级结构，NMOS管M5、M6、M7和M8构成的自偏置共源共栅第一级负载结构，NMOS管M9和PMOS管M10构成的第二级共源放大器结构，NMOS管M11、M12和PMOS管M13构成的偏置电路结构，放大器补偿电容CC，放大器负载电容CL，基准电流源Iref和提供恒流源功能的PMOS管M0；其中，所述PMOS输入管M1和M2的源极接PMOS管M0的漏极，PMOS输入管M1和M3的栅极接输入信号VIN，PMOS输入管M2和M4的栅极接输入信号VIP，PMOS输入管M1的漏极接PMOS输入管M3的源极，PMOS输入管M2的漏极接PMOS输入管M4的源极，PMOS输入管M3和M4的衬底接偏置电压Vp，该偏置电压Vp由放大器偏置电路中栅漏相连的PMOS管M13的栅压提供；所述NMOS管M5的栅极和漏极均与NMOS管M6、M7、M8的栅极以及PMOS输入管M3的漏极连接，NMOS管M6的漏极接PMOS输入管M4的漏极，NMOS管M5的源极接NMOS管M7的漏极，NMOS管M6的源极接NMOS管M8的漏极，NMOS管M7和M8的源极接地，NMOS管M5和M6的衬底接偏置电压Vn，该偏置电压Vn由放大器偏置电路中栅漏相连的NMOS管M11的栅压提供；所述PMOS管M10、M0、M13的源极接电源电压vdd，PMOS管M10的栅极接PMOS管M0和M13的栅极，PMOS管M10的漏极、补偿电容Cc的一端、NMOS管M9的漏极和负载电容CL的一端相互连接形成一个连接节点，且该连接节点为所述跨导放大器的输出端Vout，补偿电容Cc的另一端接PMOS输入管M2的漏极，负载电容CL的另一端和NMOS管M9的源极接地，NMOS管M9的栅极接PMOS输入管M4的漏极；所述PMOS管M13的漏极接NMOS管M12的漏极，NMOS管M12的栅极接基准电流源Iref的一端以及NMOS管M11的栅极和漏极，NMOS管M11和M12的源极接地，基准电流源Iref的另一端接电源电压vdd。...

【技术特征摘要】
1.一种基于自偏置共源共栅结构的跨导放大器，其特征在于，包括PMOS输入管M1、M2、
M3和M4构成的自偏置共源共栅输入级结构，NMOS管M5、M6、M7和M8构成的自偏置共源共栅第
一级负载结构，NMOS管M9和PMOS管M10构成的第二级共源放大器结构，NMOS管M11、M12和
PMOS管M13构成的偏置电路结构，放大器补偿电容CC，放大器负载电容CL，基准电流源Iref和
提供恒流源功能的PMOS管M0；其中，
所述PMOS输入管M1和M2的源极接PMOS管M0的漏极，PMOS输入管M1和M3的栅极接输入信
号VIN，PMOS输入管M2和M4的栅极接输入信号VIP，PMOS输入管M1的漏极接PMOS输入管M3的
源极，PMOS输入管M2的漏极接PMOS输入管M4的源极，PMOS输入管M3和M4的衬底接偏置电压
Vp，该偏置电压Vp由放大器偏置电路中栅漏相连的PMOS管M13的栅压提供；
所述NMOS管M5的栅极和漏极均与NMOS管M6、M7、M8的栅极以及PMOS输入管M3的漏极连
接，NMOS管M6的漏极接PMOS输入管M4的漏极，NMOS管M5的源极接NMOS管M7的漏极，NMOS管M6
的源极接NMOS管M8的漏极，NMOS管M7和M8的源极接地，NMOS管M5和M6的衬底接偏置电压Vn，
该偏置电压Vn由放大器偏置电路中栅漏相连的NMOS管M11的栅压提供；
所述PMOS管M10、M0、M13的源极接电源电压vdd，PMOS管M10的栅极接PMOS管M0和M13的
栅极，PMOS管M10的漏极、补偿电容Cc的一端、NMOS管M9的漏极和负载电容CL的一端相互连
接形成一个连接节点，且该连接节点为所述跨导放大器的输出端Vout，补偿电容Cc的另一
端接PMOS输入管M2的漏极，负载电容CL的另一端和NMOS管M9的源极接地，NMOS管M9的栅极
接PMOS输入管M4的漏极；
所述PMOS管M13的漏极接NMOS管M12的漏极，NMOS管M12的栅极接基准电流源Iref的一
端以及NMOS管M11的栅极和漏极，NMOS管M11和M12的源极接地，基准电流源Iref的另一端接
电源电压vdd。
2.根据权利要求1所述的基于自偏置共源共栅结构的跨导放大器，其特征在于，所述
PMOS输入管M1和M3的沟道长度之比为1：4，所述NMOS管M5和M7的沟道长度之比为1：4。
3.根据权利要求1所述的基于自偏置共源共栅结构的跨导放大器，其特征在于，所述补
偿电容Cc的电容值为2～4pF。
4.一种基于自偏置共源共栅结构的跨导放大器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐代果，胡刚毅，李儒章，王健安，陈光炳，王育新，刘涛，刘璐，邓民明，石寒夫，王旭，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第二十四研究所，
类型：发明
国别省市：重庆;50