CN101729027B - 高增益放大器电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高增益放大器电路，由一种串迭晶体管结构构成，该串迭晶体管栅极相连、源漏依次相串联，各串迭的晶体管都处在放大状态，具有很高的输出阻抗，从而具有很高的本征增益。该放大电路具有增益高，输入摆幅范围宽，栅偏置简单的特点。特别适合于增益要求高、输入摆幅大、功耗低的应用场合。

Description

高增益放大器电路
技术领域
本发明设计涉及模拟集成电路，特别是高增益放大器电路。
背景技术
放大器在集成电路中扮演着基础单元电路，其性能的好坏直接影响着电路系统的性能，放大器的设计往往是模拟集成电路设计的关键。典型的高增益放大器电路采用共源共栅(cascode)结构、多级级联结构、增益增强技术。共源共栅结构中各串迭晶体管的栅极都接在不同的偏压下，偏置电压数目多，偏置电路复杂，耗费了大量的芯片面积和功耗；由于共源共栅结构的偏置电压不能跟随输入信号变化，输入摆幅范围受到限制，摆幅小。多级级联结构成倍地增加了芯片面积和功耗，成本高，并且也增加了电路的极点数目，使得电路的稳定性成为一个突出的问题，这又需要复杂的频率补偿电路来稳定放大器。增益增强技术建立在共源共栅结构的基础上，使得偏置电路更加复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种可简化放大器电路的设计和节约制造成本的高增益放大器电路，它同时具有简单的栅压偏置，宽的输入摆幅范围。
本发明的高增益放大电路由一种串迭晶体管结构构成，该串迭晶体管栅极相连、源漏依次相串联，各串迭的晶体管都处在放大状态。具有很高的输出阻抗，从而具有很高的本征增益。该放大电路具有增益高，输入摆幅范围宽，栅偏置简单的特点。特别适合于增益要求高、输入摆幅大、功耗低的应用场合。
所述放大状态包括饱和区放大状态和/或亚阈值区放大状态。
通过使各串迭的晶体管的开启电压(即阈值电压)存在差异，从而使各串迭的晶体管都处在放大状态。
如图1所示，本发明的高增益放大电路一种串迭晶体管结构构成，该串迭晶体管栅极相连、源漏依次相串联，各串迭的晶体管都处在放大状态。
图1中，晶体管M1的开启电压VT1比晶体管M2的开启电压VT2大，晶体管M2的栅源电压Vgs2不大于晶体管M1的开启电压VT1，晶体管M1、M2都工作在放大状态下。图1中的串迭晶体管的栅极接输入节点VIN，晶体管M2的漏极为放大器的输出端VOUT。电流源Ib的输出电阻无穷大。在小信号模式下，从VOUT看进放大器的输出电阻很大，为rOUT＝gm2ro2ro1，此处gm2为晶体管M2的跨导，ro2、ro1分别为晶体管M2、M1的漏源小信号电阻。从VIN端输入小信号，输出到VOUT端的信号增益为
Av＝gm1gm2ro1ro2
其中，gmi为晶体管Mi的跨导，roi为晶体管Mi的漏源小信号电阻。
小信号增益与常规的共源共栅放大器相同。
本发明与现有技术相比具有如下优点和特点：
1、串迭晶体管的栅极连接在同一节点上。
2、串迭晶体管的源漏相串接。
3、串迭晶体管每个晶体管都工作在放大状态。这里的放大状态包括饱和区放大状态和亚阈值区放大状态。
4、各串迭的晶体管都能处在放大状态的方法包括：
第一种：各串迭的晶体管的开启电压存在差异。
第二种：包含工作在亚阈值区的串迭晶体管。
第三种：第一种和第二种同时存在。
5、使串迭晶体管的开启电压各不相同的方法包括：
第一种：在制备晶体管时由工艺上的不同而产生。比如在混合信号CMOS(互补金属氧化物半导体)制造工艺中存在着厚栅晶体管和薄栅晶体管两类晶体管，他们的开启电压不一样，厚栅晶体管的开启电压比薄栅的高。
第二种：由于电路连接的不同产生开启电压不同。衬底电压的不同可以使得衬底与源端的电压差不相同导致的开启电压的不同。
第三种：在上述第一种和第二种方法共同作用下产生不同的开启电压。
6、该栅极相连的串迭晶体管结构与典型的共源共栅结构相比，增益大小相同而栅偏置电压数量更小。当用在差分结构电路中作输入管，栅极感应输入信号时，栅极相连的串迭晶体管比典型的共源共栅晶体管能有更大的输入摆幅(共源共栅结构受固定的栅压偏置限制了输入摆幅的大小，而栅极相连的串迭晶体管栅压能跟随输入动态变化)。
附图说明
图1为本发明一个一级的单端高增益放大器电路结构示意图；。
图2为本发明另一个一级的单端高增益放大器电路结构示意图；
图3为本发明第三个一级的单端高增益放大器电路结构示意图；
图4为本发明一个一级的差分输入单端输出的高增益放大器电路结构示意图；
图5为本发明一个二级级联的差分输入单端输出的高增益放大器电路结构示意图。
具体实现方式
实施例1
图1中采用晶体管M1和M2两个晶体管；具体实施时可根据需要串迭多于2个晶体管。
图1中，电流源Ib应为一个输出电阻很大的电流源，可以是类似于M1和M2的栅极相连的串迭晶体管结构或者是共源共栅(cascode)结构。电流源Ib流出的电流被晶体管M2的漏极收集，并且M2的漏极为输出节点VOUT。输入信号VIN的直流电压信号为串迭晶体管M1、M2提供栅极的静态偏置电压。晶体管M1的栅氧化层比晶体管M2的栅氧化层厚，晶体管M1的开启电压VT1比晶体管M2的开启电压VT2高，并且晶体管M2的栅源电压Vgs2不大于晶体管M1的开启电压VT1，晶体管M1、M2都工作在放大状态。
串迭晶体管M1、M2的本征增益(VOUT节点对VIN节点)为
Av＝gm1gm2ro1ro2
其中，gmi为晶体管Mi的跨导，roi为晶体管Mi的漏源小信号电阻。
实施例2
图2中，电流源Ib应为一个输出电阻很大的电流源，可以是类似于M1和M2的栅极相连的串迭晶体管结构或者是共源共栅(cascode)结构。电流源Ib流出的电流被晶体管M2的漏极收集，并且M2的漏极为输出节点VOUT。输入信号VIN的直流电压信号为串迭晶体管M1、M2提供栅极的静态偏置电压。晶体管M1、M2的开启电压相等，晶体管M1、M2都工作在放大状态。晶体管M1工作在饱和状态，晶体管M2工作在亚阈值状态，并且M2的栅源电压Vgs2不大于M1的开启电压。
串迭晶体管M1、M2的本征增益(VOUT节点对VIN节点)为
Av＝gm1gm2ro1ro2
其中，gmi为晶体管Mi的跨导，roi为晶体管Mi的漏源小信号电阻。
实施例3
图3中，电流源Ib应为一个输出电阻很大的电流源，可以是类似于M1和M2的栅极相连的串迭晶体管结构或者是共源共栅(cascode)结构。电流源Ib流出的电流被晶体管M2的漏极收集，并且M2的漏极为输出节点VOUT。输入信号VIN的直流电压信号为串迭晶体管M1、M2提供栅极的静态偏置电压。晶体管M2的衬底接在偏置电压Vb上，使得晶体管M2的开启电压小于晶体管M1的开启电压。如果PN结的正向导通电压比晶体管M2的栅源电压Vgs2小时，偏置电压Vb可以是VIN。如果晶体管M2的漏源电压小于PN结的正向导通电压时，偏置电压Vb可以是VOUT。偏置电压Vb可以是一个动态的或者是固定的偏置电压。晶体管M2的栅源电压Vgs2不大于晶体管M1的开启电压VT1，晶体管M1、M2都工作在放大状态。
串迭晶体管M1、M2的本征增益(VOUT节点对VIN节点)为
Av＝gm1gm2ro1ro2
其中，gmi为晶体管Mi的跨导，roi为晶体管Mi的漏源小信号电阻。
实施例4
图4中，晶体管M1、M2、M7、M8、MB1、MB3的栅氧化层分别比晶体管M3、M4、M5、M6、MB2、MB4的栅氧化层厚，晶体管M1、M2、M7、M8、MB1、MB3的开启电压分别比晶体管M3、M4、M5、M6、MB2、MB4的开启电压高，各晶体管工作在饱和状态或亚阈值状态下。电流源Ib流出的电流被晶体管MB4的漏极收集。晶体管MB4的栅漏相短接，并与MB3、MB2、MB1的栅极相连，使得MB4、MB3、MB2、MB1工作在饱和状态或亚阈值状态下。晶体管MB2收集晶体管M1、M2源极流出的电流。晶体管M1、M2源极相互耦合构成输入差分对。晶体管M3、M4分别串迭在晶体管M1、M2的漏极上。晶体管M5、M6、M7、M8的栅极都接到晶体管M5的漏极节点上，构成串迭晶体管电流镜。晶体管M3的漏极与M5的漏极相接。晶体管M4的漏极与晶体管M6的漏极相接，该节点为输出节点VOUT。
VOUT节点对输入的差分信号(VP-VN)的小信号增益为
Av＝gm2[(gm4ro2ro4)||(gm6ro6ro8)]
其中，gmi为晶体管Mi的跨导，roi为晶体管Mi的漏源小信号电阻。
实施例5
图5是在图4的基础上再级联一级高增益串迭结构的放大电路构成。图5中晶体管M1、M2、M7、M8、M10、MB1、MB3、MB5的栅氧化层分别比晶体管M3、M4、M5、M6、M9、MB2、MB4、MB6的栅氧化层厚，晶体管M1、M2、M7、M8、M10、MB1、MB3、MB5的开启电压分别比晶体管M3、M4、M5、M6、M9、MB2、MB4、MB6的开启电压高，各晶体管工作在饱和状态或亚阈值状态下。电流源Ib流出的电流被晶体管MB4的漏极收集。晶体管MB4的栅漏相短接，并与MB3、MB2、MB1、MB6、MB5的栅极相连，使得MB4、MB3、MB2、MB1、MB6、MB5工作在饱和状态或亚阈值状态下。晶体管MB2收集晶体管M1、M2源极流出的电流。晶体管M1、M2源极相互耦合构成输入差分对。晶体管M3、M4分别串迭在晶体管M1、M2的漏极上。晶体管M5、M6、M7、M8的栅极都接到晶体管M5的漏极节点上，构成串迭晶体管电流镜。晶体管M3的漏极与M5的漏极相接。晶体管M4的漏极与晶体管M6的漏极相接，该节点连接到串迭结构的晶体管M10、M9的栅极。晶体管M9的漏极与晶体管MB6的漏极相接，该节点为输出节点VOUT。
VOUT节点对输入的差分信号(VP-VN)的小信号增益为
Av＝gm2[(gm4ro2ro4)||(gm6ro6ro8)]gm10[(gm9ro9ro10)||(gmB6roB5roB6)]
其中，gmi为晶体管Mi的跨导，roi为晶体管Mi的漏源小信号电阻。
图5模拟仿真的增益达到了175dB。
未列举的包含栅极相连的并且各串迭晶体管都处在放大状态的串迭晶体管结构的具体电路实施方案都应在本发明的涵盖范围内。

Claims (2)

1.一种放大器电路，其特征在于包含一种串迭晶体管结构，该串迭晶体管结构中的晶体管的栅极相连、源漏依次相串联，并且该串迭晶体管结构中的晶体管在工艺制作上有差异使得晶体管的开启电压存在差异和/或在电路连接上让衬底与源端的电压差各不同使得晶体管的开启电压存在差异，从而使该串迭晶体管结构中的晶体管都处在放大状态；所述放大状态包括饱和区放大状态和/或亚阈值区放大状态。
2.根据权利要求1所述的放大器电路，其特征在于晶体管在工艺制作上有差异是指在混合信号互补金属氧化物半导体制造工艺中的厚栅晶体管和薄栅晶体管两类晶体管，利用厚栅晶体管和薄栅晶体管的开启电压不一样，即厚栅晶体管的开启电压比薄栅的高，从而使串迭晶体管结构中的晶体管的开启电压存在差异。
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