CN101166013B - 使用基体-源极交叉耦合的差分放大器 - Google Patents

使用基体-源极交叉耦合的差分放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种使用基体-源极交叉耦合的差分放大器。在共栅差分放大器中，共栅放大器实现为差分结构，由于共栅放大器的基体被交叉耦合到相对的共栅放大器的源极，因此可以由于基体效应增加跨导从而提高增益。由于基体的电势在DC模式中等于源极的电势，因此可以缓解击穿电压降低的问题。

Description

使用基体-源极交叉耦合的差分放大器
技术领域
本发明涉及一种使用基体-源极交叉耦合(body-source crosscoupling)的差分放大器，并且尤其涉及一种通过交叉耦合以差分结构实现共栅放大器的共栅差分放大器中的共栅放大器的基体和源极，从而使用基体-源极交叉耦合的差分放大器，该差分放大器由于基体效应(body effect)而能够增加跨导从而提高增益并且抑制击穿电压的降低。
背景技术
图1和图2分别是显示使用NMOSFET和PMOSFET的传统共栅差分放大器的电路图。
如图所示，在差分结构中，公共栅极9和29形成虚地并且DC电压被提供给栅极以形成偏移电路。向MOSFET的源极端子5、6、25和26提供电流源3、4、23和24以使得在操作电流的同时保持高阻抗。向MOSFET的漏极端子7、8、27和28提供负载10、11、30和31。MOSFET的基体被连接到各个MOSFET的源极以消除基体效应。差分信号被输入到作为差分输入端子的MOSFET的源极端子5、6、25和26，并且放大后的差分信号从作为差分输出端子的MOSFET的漏极端子7、8、27和28输出。
图3是显示传统的使用NMOSFET的级联差分放大器的电路图。DC电压被提供给共源放大器303和304的栅极305和306以及共栅放大器301和302的公共栅极309以形成偏移电路。共栅放大器的公共栅极在虚地状态下被差分操作。共源放大器303和304的基体和源极与共栅放大器301和302分别连接以消除基体效应。差分信号被输入到作为差分输入端子的共源放大器303和304的栅极305和306，并且放大后的差分信号从作为差分输出端子的共栅放大器301和302的漏极端子307和308输出。
在这种差分放大器中，基体效应提高了共栅放大器的增益，但是降低了晶体管的击穿电压，因为基体的电势低于源极的电势。
发明内容
因此，本发明着眼于上述问题，并且本发明的一个目标是提供一种通过交叉耦合以差分结构实现共栅放大器的共栅差分放大器中的共栅放大器的基体和源极，来使用基体-源极交叉耦合的差分放大器，该差分放大器由于基体效应而能够增加跨导从而提高增益并且缓解击穿电压的降低。
根据本发明一个方面，上述和其他目标可以通过提供一种使用基体-源极交叉耦合的差分放大器而实现，其中所述差分放大器由差分结构的共栅放大器组成，其中所述共栅放大器的基体被交叉耦合到相对的共栅放大器的源极。
优选的，至少一个使用基体-源极交叉耦合的差分放大器可以与一个或者多个共栅差分放大器在一个电压源下在多级中级联组合。
优选的，用于配置所述差分放大器的NMOSFET可以形成在三阱(triplewell)结构中并且PMOSFET可以形成在双阱(twin well)结构中或者三阱结构中。
根据本发明另一个方面，提供了一种级联差分放大器，包括共源差分放大器和共栅差分放大器，其中所述共栅放大器的基体被交叉耦合到相对的共栅放大器的源极。
优选的，一个使用基体-源极交叉耦合的级联差分放大器可以被插入一个电压源下，并且至少一个共栅差分放大器可以在多级级联中插入在所述级联差分放大器和负载之间。
此时，部分或者全部共栅放大器的基体被交叉耦合到相对的共栅放大器的源极。
优选的，用于配置所述差分放大器的NMOSFET可以形成在三阱结构中并且PMOSFET可以形成在双阱结构中或者三阱结构中。
根据本发明，由于共栅放大器的基体被交叉耦合到相对的共栅放大器的源极，因此可以由于AC模式中的基体效应而提高共栅差分放大器的增益，并且由于基体的电势等于源极的电势而缓解DC模式中击穿电压的降低。
附图说明
本发明的上述和其他目标、特征和优点可以通过下面的结合附图的详细描述而更加明白，其中：
图1是显示传统的使用NMOSFET的共栅差分放大器的电路图；
图2是显示传统的使用PMOSFET的共栅差分放大器的电路图；
图3是显示传统的级联差分放大器的电路图；
图4是显示根据本发明的使用基体-源极交叉耦合的NMOS共栅差分放大器的电路图；
图5是显示根据本发明的使用基体-源极交叉耦合的PMOS共栅差分放大器的电路图；
图6是显示根据本发明的使用基体-源极交叉耦合的共栅差分放大器的电路图，其中对放大器的源极提供电流源，并且对放大器的漏极提供负载；
图7是显示根据本发明的使用基体-源极交叉耦合的共栅差分放大器的电路图，其中对放大器的源极提供电感，并且对放大器的漏极提供负载；
图8是显示根据本发明的使用基体-源极交叉耦合的共栅差分放大器的电路图，其中对放大器的源极提供电阻，并且对放大器的漏极提供负载；
图9是显示级联连接的根据本发明的使用基体-源极交叉耦合的至少一个共栅差分放大器与传统的共栅差分放大器的组合的电路图；
图10是显示根据本发明的使用基体-源极交叉耦合的级联差分放大器的电路图；
图11是显示使用三阱工艺的MOSFET的截面图；
图12是显示根据本发明的使用基体-源极交叉耦合的共栅差分放大器与传统的共栅差分放大器在高电流条件下根据频率的最大稳定增益的比较图示；
图13是显示根据本发明的使用基体-源极交叉耦合的共栅差分放大器与传统的共栅差分放大器在低电流条件下根据频率的最大稳定增益的比较图示；
图14是显示根据本发明的使用基体-源极交叉耦合的级联差分放大器与传统的级联差分放大器在高电流条件下根据频率的最大稳定增益的比较图示；以及
图15是显示根据本发明的使用基体-源极交叉耦合的级联差分放大器与传统的级联差分放大器在低电流条件下根据频率的最大稳定增益的比较图示。
具体实施方式
下面参考附图更加详细的描述本发明，在附图中显示了本发明的示范实施例。应当理解，下面的实施例仅为了示例目的而公开。本发明可以实现为多种不同形式，并且不应理解为限制于在此给出的实施例。
图4和图5为显示根据本发明的使用基体-源极交叉耦合的差分放大器的电路图，其中分别使用了NMOSFET和PMOSFET。
如图所示，共栅放大器的基体被交叉耦合到相对的共栅放大器的源极。
在这种差分结构中，公共栅极47和57形成虚地，并且DC偏移被提供给栅极以形成偏移电路。向NMOSFET和PMOSFET的源极端子43、44、53和54提供如图6所示的电流源103和104、如图7所示的电感123和124、或者如图8所示的电阻143和144，以使得在操作电流的同时保持高阻抗。
如图6、7、8所示，向NMOSFET和PMOSFET的漏极端子45、46、55和56提供负载110、111、130、131、150和151。
差分信号被输入到作为差分输入端子的差分放大器的源极43、44、53和54，并且放大后的差分信号从作为差分输出端子的差分放大器的漏极45、46、55和56输出。此时，当MOSFET 41、42、51和52为NMOSFET时，通过如图11所示的三阱工艺而形成MOSFET 41、42、51和52的基体，并且当MOSFET41、42、51和52为PMOSFET时，通过双阱工艺或者三阱工艺而形成MOSFET41、42、51和52的基体，从而将基体电隔离。
使用基体-源极交叉耦合的差分放大器具有公共栅极接地的结构，源极作为输入端子，并且漏极作为输出端子。因此，在NMOSFET的情况下，当基体的DC电势低于源极的电势时，由于共栅放大器的基体效应产生的跨导gmb被添加到原始跨导gm从而增加电压增益。当基体的电势在MOSFET结构中降低时，基体和漏级之间的电势差增加并且由此降低了击穿电压。增加后的电压增益表达为下式：
Av＝(gm+gmb)RLOAD
其中，Av是电压增益，RLOAD是负载电阻。
然而，当共栅放大器配置在差分结构中时，基体和源极被交叉耦合，并且差分结构是对称的，各个MOSFET的基体和源极的电势在DC模式中变得相等。因此，不会出现基体效应，并且击穿电压在DC模式中不会降低。
然而，由于基体的电压在AC模式中被转化为源极的电压，因此出现基体效应，并且也增加了增益。
根据本发明的使用基体-源极交叉耦合的共栅差分放大器，与传统的差分放大器相比，可以提高增益，同时缓解由于基体效应导致的击穿电压降低。由于实际的击穿电压降在DC模式中很严重，而AC击穿电压高于DC击穿电压，因此由击穿电压降导致的问题得到相对的缓解。
如图9所示，在一个电压源下，至少一个根据本发明的使用基体-源极交叉耦合的差分放大器可以在多级级联中与共栅差分放大器组合。
图10是显示使用基体-源极交叉耦合的级联差分放大器的电路图，其中使用了NMOSFET。
如图所示，在级联差分放大器中，共源差分放大器323和324以及共栅差分放大器321和322级联连接，配置共栅差分放大器321和322的MOSFET的基体和源极被互相交叉耦合。
在使用基体-源极交叉耦合的差分放大器中，DC电压被提供给共源差分放大器323和324的栅极325和326以及共栅差分放大器321和322的公共栅极329，从而形成偏移电路。共栅差分放大器321和322的公共栅极329在虚地状态下被差分操作。
如图3所示，向共栅差分放大器321和322的漏极端子327和328提供负载310和311。
因此，差分信号被输入到作为差分输入端子的栅极325和326，并且放大后的差分信号从作为差分输出端子的漏极327和328输出。
此时，当MOSFET为NMOSFET时，通过如图11所示的三阱工艺而形成共栅差分放大器的MOSFET 321和322的基体，并且当MOSFET为PMOSFET时，通过双阱工艺或者三阱工艺而形成MOSFET 321和322的基体，从而将基体电隔离。
也就是说，在使用基体-源极交叉耦合的共栅差分放大器中，各个基体的电势在DC模式中等于各个源极的电势。然而，在AC模式中，由于输入到基体的信号具有的相位与输入到源极的信号的相位相反，因此出现了电势差。此时，为了执行正常操作，不应开启如图11所示的基体和源极之间的PN结二极管。因此，AC信号正常工作在小信号区域的电压范围之内，其中基体和源极之间的PN结二极管不被开启。
由于基体的电压在AC模式中被转化为源极的电压，因此出现基体效应并且增益也增加。结果是提高了级联差分放大器的增益。
图12是显示根据本发明的使用基体-源极交叉耦合的共栅差分放大器与传统的共栅差分放大器根据频率的最大稳定增益的比较图示。
如图1 2所示，当放大器具有高电流条件以获得最大增益时，可以看到，根据本发明的使用基体-源极交叉耦合的共栅差分放大器的最大稳定增益在整个频率范围内比传统的共栅差分放大器高出1至2dB。
图13是显示根据本发明的使用基体-源极交叉耦合的共栅差分放大器与传统的共栅差分放大器根据频率的最大稳定增益的比较图示。
如图13所示，当放大器具有低电流条件以获得低增益时，可以看到，根据本发明的使用基体-源极交叉耦合的共栅差分放大器的最大稳定增益在整个频率范围内比传统的共栅差分放大器高出2至7dB。
传统放大器的增益在低电流条件下相比高电流条件显著降低。然而，在根据本发明的放大器中，即使在低电流条件下，由于基体效应导致了增益提高，因此减少了增益降低。
图14是显示根据本发明的使用基体-源极交叉耦合的级联差分放大器与传统的级联差分放大器根据频率的最大稳定增益的比较图示。
如图14所示，当放大器具有高电流条件以获得最大增益时，可以看到，根据本发明的使用基体-源极交叉耦合的级联差分放大器的最大稳定增益在整个频率范围内比传统的级联差分放大器高出1至2dB。
图15是显示根据本发明的使用基体-源极交叉耦合的级联差分放大器与传统的级联差分放大器根据频率的最大稳定增益的比较图示。
如图15所示，当放大器具有低电流条件以获得低增益时，可以看到，根据本发明的使用基体-源极交叉耦合的级联差分放大器的最大稳定增益在整个频率范围内比传统的级联差分放大器高出10至14dB。
传统放大器的增益在低电流条件下相比高电流条件显著降低。然而，在根据本发明的放大器中，即使在低电流条件下，由于基体效应导致了增益提高，因此减少了增益降低。
如上所述，在根据本发明的使用基体-源极交叉耦合的差分放大器中，在低电流条件和小信号工作条件下增益被显著提高。因此，在低功率模拟电路或者低功率RF电路中显著提高了增益。
由基体效应导致的击穿电压降出现在AC模式中而不是DC模式中。因此，降低了击穿电压降。
如上所述，根据本发明，通过基体-源极交叉耦合，即将差分放大器的共栅放大器的基体交叉耦合到相对的共栅放大器的源极，从而可以由于基体效应而导致跨导的增加和增益的提高。由于基体的电势在DC模式中等于源极的电势，因此缓解了击穿电压降低的问题。
在本发明中，增益在低电流工作条件以及高电流工作条件中相对于传统的共栅差分放大器有更多的改善。因此，当本发明应用到低功率模拟电路和低功率RF电路时，增益被显著提高。
尽管公开了本发明的优选实施例，本领域技术人员可以理解在不背离所附权利要求书中给出的本发明的范围和实质的条件下，各种修改、添加和替换都是可能的。

Claims (6)

1.一种使用基体-源极交叉耦合的差分放大器，其中所述差分放大器由差分结构的共栅放大器组成，其中所述共栅放大器的基体被交叉耦合到相对的共栅放大器的源极，并且其中源极都被用作差分输入端，且漏极都被用作差分输出端。
2.根据权利要求1所述的差分放大器，其中至少一个使用基体-源极交叉耦合的差分放大器与一个或者多个共栅差分放大器在一个电压源下在多级中级联组合。
3.根据权利要求1或2所述的差分放大器，其中用于配置所述差分放大器的NMOSFET形成在三阱结构中，并且PMOSFET形成在双阱结构中或者三阱结构中。
4.一种使用基体-源极交叉耦合的级联差分放大器，其中所述级联差分放大器由差分结构的共源放大器和共栅放大器组成，其中所述共栅放大器的基体被交叉耦合到相对的共栅放大器的源极，并且其中源极都被用作差分输入端，且漏极都被用作差分输出端。
5.根据权利要求4所述的差分放大器，其中一个使用基体-源极交叉耦合的级联差分放大器被插入一个电压源下，并且至少一个共栅差分放大器在多级级联中插入在所述级联差分放大器和负载之间。
6.根据权利要求4或5所述的差分放大器，其中用于配置所述差分放大器的NMOSFET形成在三阱结构中，并且PMOSFET形成在双阱结构中或者三阱结构中。
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