CN102075152B

CN102075152B - 线性源跟随器

Info

Publication number: CN102075152B
Application number: CN 201010621163
Authority: CN
Inventors: 魏琦; 陈夏阳; 杨华中
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2010-12-24
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2030-12-24
Also published as: CN102075152A

Abstract

线性源跟随器属于电压跟随器技术领域。其特征在于：晶体管M1和M3形成级联方式，栅极均接输入V_inp，晶体管M2和M4形成级联方式，栅极均接输入V_inn，且M3、M4为低阈值晶体管，M1、M2为高阈值晶体管。M1、M2、M3、M4的源极S都和衬底B相连接。晶体管M5的栅极接偏置电压V_bias1，并通过电容C1连接输入信号V_inn，晶体管M5的漏极接输出V_outp，源极通过电阻R1接地。晶体管M6的栅极接偏置电压V_bias1，并通过电容C2连接输入信号V_inp，晶体管M6的漏极接输出V_outn，源极通过电阻R2接地。本发明消除了沟道长度调制效应和体效应，并减小了偏置电流的变化，具有在高速输入信号下高线性度的优点。

Description

线性源跟随器

技术领域

本发明属于微电子学与固体电子学领域的超大规模集成电路设计，涉及一种新型的源跟随器电路，可以广泛应用于模拟集成电路设计和集成电路测试等领域。

背景技术

本发明涉及诸如高速模数转换器等高性能模拟集成电路的设计。电压跟随器是模拟电路中最重要的模块之一，广泛应用于模拟集成电路设计。通常要求电压跟随器在任何输入信号时都具有很高的线性，使得输出尽可能接近输入。

传统的源跟随器如图1所示。虽然实现非常简单，但是存在一些缺点。当输入信号V_in变化时，晶体管M0的漏极D与源极S的电压差，源极S与衬底B的电压差均随输入信号的变化而变化，由此而引入的体效应，沟道长度调制效应等限制了传统源跟随器的线性度。当输出信号跟随输入信号变化时，晶体管M0需要对负载C0进行充电，所以流过晶体管M0的电流发生了变化，进一步使得线性度变差。

针对以上情况，本发明提出了一种高速输入信号时具有高线性度的源跟随器。

发明内容

本发明的目的在于提高源跟随器在高速输入信号时的线性度，消除传统源跟随器中，由于体效应、沟道长度调制效应以及流过晶体管电流的变化而对于线性度的影响，避免源跟随器的输出信号产生失真。

本发明的特征在于，

含有六个N型场效应管M1，M2，M3，M4，M5，M6，两个电流源I1，I2，两个电阻R1，R2和两个电容C1，C2，其中：

第三N型场效应管M3，栅极接第一差分输入电压V_inp，漏极接电源VDD，衬底和源级相连，该第三N型场效应管M3始终工作在饱和区，

第一N型场效应管M1，栅极接所述第一差分输入电压V_inp，所述第三N型场效应管M3的源极和该第一N型场效应管M1的漏极相连，该第一N型场效应管M1的过驱动电压高于所述第三N型场效应管M3的过驱动电压，使该第一N型场效应管M1也始终工作在饱和区，

第四N型场效应管M4，栅极接第二差分输入电压V_inn，漏极接所述电源VDD，衬底和源极相连，该第四N型场效应管M4始终工作在饱和区，

第二N型场效应管M2，栅极接所述第二差分输入电压V_inn，该第二N型场效应管M2的漏极和所述第四N型场效应管M4的源极相连，该第二N型场效应管M2的过驱动电压高于所述第四N型场效应管M4的过驱动电压，该第二N型场效应管M2也始终工作在饱和区，

第一电流源I1，输入端和所述第一N型场效应管M1的源极相连，构成线性源跟随器的正输出端，输出第一差分输出电压V_outp，该第一电流源I1的输出端接地，

第五N型场效应管M5，栅极接第一偏置电压V_bias1，漏极接所述线性源跟随器的正输出端，衬底和源极相连，该第五N型场效应管M5的源极经所述第一电阻R1接地，所述第一电容C1的输入端接所述第二差分输入电压V_inn，输出端接所述第一偏置电压V_bias1，

第二电流源I2，输入端和所述第二N型场效应管M2的源极相连，构成线性源跟随器的负输出端，输出第二差分输出电压V_outn，该第二电流源I2的输出端接地，

第六N型场效应管M6，栅极接第二偏置电压V_bias2，漏极接所述线性源跟随器的负输出端，衬底和源极相连，该第六N型场效应管M6的源极经所述第二电阻R2接地，所述第二电容C2的输入端接所述第一差分输入电压V_inp，输出端接所述第二偏置电压V_bias2。

本发明的有益效果是：在CADENCE平台进行SPICE仿真，仿真结果表明，在5pF电容负载，3.3V电源电压，28mA总电流下，1.6V_p-p摆幅，207MHz输入信号下，谐波失真为-92.6dB。

附图说明

图1传统源跟随器电路图。

图2本发明源跟随器电路原理图。

具体实施方式

第三N型场效应管M3，栅极接输入电压V_inp，漏极接电源VDD，衬底和源极相连，所述第三N型场效应管M3始终工作在饱和区，第一N型场效应管M1栅极接所述输入电压V_inp，所述第三N型场效应管M3的源极和所述第一N型场效应管M1的漏极相连；

第四N型场效应管M4，栅极接输入电压V_inn，漏极接电源VDD，衬底和源极相连，所述第四N型场效应管M4始终工作在饱和区，第二N型场效应管M2栅极接所述输入电压V_inn，所述第四N型场效应管M4的源极和所述第二N型场效应管M2的漏极相连；

电流源I1输入端和所述第一N型场效应管M1的源极相连，构成所述线性源跟随器的正输出端，输出电压为V_outp，所述电流源I1输出端接地，第五N型场效应管M5栅极接所述偏置电压V_bias1，漏极接正输出端V_outp，衬底和源极相连，所述第五N型场效应管M5的源极和所述第一电阻R1的输入端相连，所述电阻R1输出端接地，第一电容C1输入端接输入电压V_inn，输出端接偏置电压V_bias1；

电流源I2输入端和所述第二N型场效应管M2的源极相连，构成所述线性源跟随器的负输出端，输出电压为V_outn，所述电流源I2输出端接地，第六N型场效应管M6栅极接所述偏置电压V_bias2，漏极接正输出端V_outn，衬底和源极相连，所述第六N型场效应管M6的源极和所述第二电阻R2的输入端相连，所述电阻R2输出端接地，第二电容C2输入端接输入电压V_inp，输出端接偏置电压V_bias1。

其中M1、M2为高阈值晶体管，M3、M4、M5、M6为低阈值晶体管。本发明中晶体管M1，M2，M3和M4始终工作在饱和区，M3、M4的源级电压跟随输入V_inp、V_inn变化，从而减小了M1、M2漏源电压V_DS1、V_DS2的波动，消除了晶体管M1、M2的沟道长度调制效应。M1和M2的源极S都和衬底B相连接，消除了晶体管M1、M2的体效应。当输入信号剧烈变化时，晶体管M5、M6会提供很大的电流帮助晶体管M1、M2为负载I1、I2充电。减小了晶体管M1、M2中电流的变化，并提高了跟随器的线性度。本发明避免了由体效应和沟道长度调制效应，并大大减小了源跟随器晶体管中电流的变化，具有高线性度的优点。

图1是传统源跟随器结构图。其中V_in为输入信号，V_out为输出信号。I0为电流源，M0为N型场效应晶体管，其衬底B接地。当输入信号V_in变化时，输出信号V_out跟随输入信号V_in变化。晶体管M0中，漏极D与源极S的电压差V_DS1，源极S与衬底B的电压差V_SB1均随输入信号的变化而变化。当输入信号频率较高时，输出信号跟随输入信号快速变化，源跟随器需要输出高速变化的电流对负载C0充电，因此引入了很多谐波，传统源跟随器的线性度较低。

本发明的技术解决方案参阅图2。其中V_inp、V_inn为输入差分信号，V_outp、V_outn为差分输出信号，I1、I2为电流源。其中M3、M4、M5、M6为阈值电压比较低的晶体管，M1、M2为阈值电压比较高的晶体管。M1、M2、M3、M4、M5、M6的衬底B均和源极S相连接。假设电流源I1、I2输出阻抗足够大，在输入信号V_inp、V_inn变化时电流值保持不变。

晶体管M1的漏源电压

V_DS1＝V_inp-V_GS3-V_outp＝(V_inp-V_GS3)-(V_inp-V_GS1)

＝V_GS1-V_GS＝(V_th1+V_ov1)-(V_th3+V_ov3)

＝(V_th1-V_th3)+(V_ov1-V_ov3)

其中V_th1，V_th3分别为M1，M3的的阈值电压

若要使晶体管M1工作在饱和区，必须V_DS1＞V_GS1-V_th1＝V_ov1

由于M1、M2采用的是较高阈值晶体管，M3、M4采用的是较低阈值晶体管；设计中通过调整电路参数，取M1、M2的过驱动电压V_ov1、V_ov2高于M3、M4的过驱动电压V_ov3、V_ov4，保证V_DS1＞V_ov1、V_DS2＞V_ov2，使晶体管M1、M2工作在饱和区。本发明中晶体管M1、M2、M3、M4始终工作在饱和区。

由于M2、M3的衬底B均和源极S相连接，V_SB＝0，消除了衬偏效应；M1、M2的漏极跟随电压跟随输入信号变化，使得漏极和源极的电压差V_DS为一固定值，因此消除了沟道长度调制效应和体效应。在高速输入信号时，为负载充电所需要的绝大多数电流由晶体管M5、M6提供，晶体管M1、M2中电流变化量很小。

所以输出信号只是在输入信号的基础上进行了电平移位，输出V_outp、V_outn和输入V_inp、V_inn的关系变成了简单的线性关系式，并没有引入与输入信号相关的谐波失真，因此具有高线性度。

为了验证性能，对图2在CADENCE平台进行SPICE仿真。

仿真结果表明，在5pF电容负载，3.3V电源电压，28mA总电流下，1.6V_p-p摆幅，线性源跟随器的特性总结如表1：

表1：高速高线性源跟随器特性总结

输入信号(MHz)	高速高线性源跟随器SFDR(dB)
		57	82.78
107	81.82
		157	83.36
207	92.63
		247	85.99
307	74

Claims

1.一种线性源跟随器，其特征在于含有六个N型场效应管(M1，M2，M3，M4，M5，M6)，两个电流源(I1，I2)，两个电阻(R1，R2)和两个电容(C1，C2)，其中：

第三N型场效应管(M3)，栅极接第一差分输入电压(V_inp)，漏极接电源(VDD)，衬底和源极相连，该第三N型场效应管(M3)始终工作在饱和区，

第一N型场效应管(M1)，栅极接所述第一差分输入电压(V_inp)，所述第三N型场效应管(M3)的源极和该第一N型场效应管(M1)的漏极相连，该第一N型场效应管(M1)的过驱动电压高于所述第三N型场效应管(M3)的过驱动电压，该第一N型场效应管(M1)也始终工作在饱和区，

第四N型场效应管(M4)，栅极接第二差分输入电压(V_inn)，漏极接所述电源(VDD)，衬底和源极相连，该第四N型场效应管(M4)始终工作在饱和区，

第二N型场效应管(M2)，栅极接所述第二差分输入电压(V_inn)，该第二N型场效应管(M2)的漏极和所述第四N型场效应管(M4)的源极相连，该第二N型场效应管(M2)的过驱动电压高于所述第四N型场效应管(M4)的过驱动电压，该第二N型场效应管(M2)也始终工作在饱和区，

第一电流源(I1)，输入端和所述第一N型场效应管(M1)的源极相连，构成线性源跟随器的正输出端，输出第一差分输出电压(V_outp)，该第一电流源(I1)的输出端接地，

第五N型场效应管(M5)，栅极接第一偏置电压(V_bias1)，漏极接所述线性源跟随器的正输出端，衬底和源极相连，该第五N型场效应管(M5)的源极经所述第一电阻(R1)接地，所述第一电容(C1)的输入端接所述第二差分输入电压(V_inn)，输出端接所述第一偏置电压(V_bias1)，

第二电流源(I2)，输入端和所述第二N型场效应管(M2)的源极相连，构成线性源跟随器的负输出端，输出第二差分输出电压(V_outn)，该第二电流源(I2)的输出端接地，

第六N型场效应管(M6)，栅极接第二偏置电压(V_bias2)，漏极接所述线性源跟随器的负输出端，衬底和源极相连，该第六N型场效应管(M6)的源极经所述第二电阻(R2)接地，所述第二电容(C2)的输入端接所述第一差分输入电压(V_inp)，输出端接所述第二偏置电压(V_bias2)。