CN105490646B - 共源共栅放大器及共射共栅放大器 - Google Patents

共源共栅放大器及共射共栅放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种共源(共射)共栅放大器，包括共源(共射)管、共栅管、输出负载及衬底偏置电路，共源(共射)管接收输入信号，共栅管发送输出信号并连接输出负载，该放大器具有一衬底端，衬底偏置电路连接衬底端。与现有技术相比，本发明实现了衬底独立偏置的共源(共射)共栅放大器电路，既消除了共栅器件的背栅效应而提高放大器增益，也避免了共栅器件源极和衬底直接相连而增加衬底到栅极的寄生电容Cgb，从而改善了放大器带宽和增益。此外，由于本发明引入了可重构偏置电路，从而在电路切换时，兼顾了信号处理通道的线性/噪声/杂散性能，在灵活性和复杂性之间达成了良好的平衡，在功耗和面积上有了显著改善。

Description

共源共栅放大器及共射共栅放大器
技术领域
本发明涉及放大器电路技术领域，尤其涉及一种共源共栅放大器及共射共栅放大器。
背景技术
放大器一般用于射频或高频信号放大，不同类型的放大器可用于不同用途。譬如蜂窝式电话等无线通信装置可包括发射机及接收机以进行双向通信。发射机可利用预放大器(PPA，Pre-Power Amplifier)及功率放大器(PA，Power Amplifier)，接收机可利用低噪声放大器(LNA，Low Noise Amplifier)，且发射机及接收机可利用可变增益放大器(VGA，Variable Gain Amplifier)来适配接收通路的增益或发射通路的输出功率。
共源共栅或共射共栅放大器由于具有良好的输入-输出隔离，输出阻抗高，便于获得高增益和低噪声，在射频及模拟放大中得到了普遍使用。其中，在CMOS工艺中使用共源共栅结构，而在BiCMOS工艺中则常使用共射共栅结构。
图1中给出了共栅管源级和衬底短接的共源共栅和共射共栅结构。图2中给出了共栅管衬底接到地的共源共栅和共射共栅结构。
在共源共栅或共射共栅结构中，共栅管的衬底通常接到源级以增大跨导，从而提高放大器增益，但会增加寄生电容Cgb，见图1；另一种常见方式是把共栅管的衬底接到地，这可以减小寄生电容，但由于背栅效应的影响，跨导减小，从而降低了放大器增益，见图2。随着电路工作频率越来越高，在放大器设计中迫切需要减小信号通路上的寄生电容，提高工作带宽。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种共栅管衬底偏置的共源共栅放大器及共射共栅放大器，既可消除共栅器件的背栅效应而提高放大器增益，也可避免共栅器件源级和衬底直接相连而增加衬底到栅端的寄生电容Cgb，从而改善放大器带宽和增益，降低功耗。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
提供一种共源共栅放大器，包括第一NMOS管、第二NMOS管及输出负载，第一NMOS管的栅极接收输入信号，第一NMOS管的漏极连接第二NMOS管的源极，第二NMOS管的漏极发送输出信号并连接输出负载。其中，该共源共栅放大器还包括衬底偏置电路，该共源共栅放大器具有一衬底端，衬底偏置电路连接衬底端。
具体地，第一NMOS管的源极接地，第一NMOS管的漏极连接第二NMOS管的源极，且一第一偏置电压从第二NMOS管的栅极输入。
较佳地，衬底偏置电路包括第一电阻、第二电阻及源随器，第一电阻的一端连接第一NMOS管的栅极，第一电阻的另一端连接第二电阻的一端，第二电阻的另一端连接源随器，源随器连接第二NMOS管及输出负载，且一第二偏置电压通过第一电阻及第二电阻分别为共源共栅放大器的第一NMOS管及源随器的电流源提供偏置，源随器对第一偏置电压进行电平位移后用作第二NMOS管的衬底偏置电压。
具体地，源随器包括第三NMOS管及第四NMOS管，第三NMOS管的栅极连接第二电阻，第三NMOS管的源极接地，第三NMOS的漏极连接第四NMOS管的源极及衬底端，第四NMOS管的漏极连接输出负载。较佳地，第一NMOS管和第二NMOS管的沟道宽长比之比与第三NMOS管和第四NMOS管的沟道宽长比之比相同，以使得第二NMOS管的衬底偏置电压与其源极电压尽量吻合。
相应地，本发明还提供了一种共射共栅放大器，包括第一双极型晶体管、第一NMOS管及输出负载，第一双型晶体极管的基极接收输入信号，第一双极型晶体管的集电极连接第五NMOS管的源极，第一NMOS管的漏极发送输出信号并连接输出负载，一第一偏置电压从第一NMOS管的栅极输入。其中，该共射共栅放大器还包括衬底偏置电路，共源共栅放大器具有一衬底端，衬底偏置电路连接衬底端。
较佳地，衬底偏置电路包括第一电阻、第二电阻及源随器，第一电阻的一端连接第一双极型晶体管的基极，第一电阻的另一端连接第二电阻的一端，第二电阻的另一端连接源随器，源随器连接第一NMOS管及输出负载，且一第二偏置电压通过第一电阻及第二电阻分别为共射共栅放大器的第一双极型晶体管及源随器的电流源提供偏置，源随器对第一偏置电压进行电平位移后以用作第一NMOS管的衬底偏置电压。
具体地，源随器包括第二双极型晶体晶体管及第二NMOS管，第二双极型晶体晶体管的基极连接第二电阻，第二双极晶体管的发射极接地，第二双极型晶体晶体管的集电极连接第二NMOS管的源极及衬底端，第二NMOS管的漏极连接输出负载。
较佳地，第一双极型晶体管和第二双极型晶体管的面积之比与第一NMOS管和第二NMOS管的宽长比之比相同，以使得第一NMOS管的衬底偏置电压与其源极电压尽量吻合。
与现有技术相比，本发明实现了衬底独立偏置的共源共栅及共射共栅放大器电路。在典型共源共栅及共射共栅放大器电路中引入共栅管衬底偏置电路，既消除了共栅器件的背栅效应从而提高放大器增益，也避免了共栅器件源级和衬底直接相连而增加衬底到栅端的寄生电容Cgb，从而改善了放大器带宽和增益。此外，与传统的放大器实现相比，由于本发明引入了衬底独立偏置电路，从而在保持既有的增益和带宽的同时，在功耗和面积上有了显著改善。
通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
图1为现有技术中源极衬底短接的共源(共射)共栅电路图。
图2为现有技术中源极衬底接地的共源(共射)共栅电路图。
图3为本发明衬底偏置的共源共栅放大器的电路图。
图4为本发明衬底偏置的共射共栅放大器的电路图。
具体实施方式
现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。
请参考图3，本发明的共源共栅放大器包括第一NMOS管(共源管N1)、第二NMOS管(共栅管N2)、输出负载Zload及衬底偏置电路。该共源共栅放大器具有一衬底端，衬底偏置电路连接衬底端。
具体地，共源管N1的栅极接收输入信号IN、源极接地、漏极连接共栅管N2的源极，共栅管N2的漏极发送输出信号OUT并连接输出负载Zload，且第一偏置电压Vcasn从共栅管N2的栅极输入。
具体地，衬底电路包括第一电阻Rb1、第二电阻Rb2及源随器，源随器包括第三NMOS管N3及第四NMOS管N4。第一电阻Rb1的一端连接共源管N1的栅极，第一电阻Rb1的另一端连接第二电阻Rb2的一端及第二偏置电压Vbias，N3的栅极连接第二电阻Rb2，N3的源极接地，N3的漏极连接N4的源极及衬底端，N4的漏极连接输出负载Zload。
需要说明的是，第二偏置电压Vbias通过第一电阻Rb1及第二电阻Rb2分别为共源共栅放大器的共源管N1及源随器的电流源提供偏置，源随器对共栅管N2的第一偏置电压Vcasn进行电平位移后用作共栅管N2的衬底偏置电压。
进一步地，为了让N2的衬底偏置电压与其源极电压尽量吻合，N3/N4和N1/N2应具备严格的镜像关系，即其沟道宽长比W/L应成相同的比例。
相应地，再请参考图4，本发明的共射共栅放大器包括第一双极管(共射管T1)、第一NMOS管(共栅管N1)、输出负载Zload及衬底偏置电路。该共源共栅放大器具有一衬底端，衬底偏置电路连接衬底端。
具体地，共射管T1的基极接收输入信号IN、发射极接地、集电极连接共栅管N1的源极，共栅管N1的漏极发送输出信号OUT并连接输出负载Zload，且第一偏置电压Vcasn从共栅管N1的栅极输入。
具体地，衬底电路包括第一电阻Rb1、第二电阻Rb2及源随器，源随器包括第二双极晶体管T2及第二NMOS管N2。第一电阻Rb1的一端连接共射管T1的基极，第一电阻Rb1的另一端连接第二电阻Rb2的一端及第二偏置电压Vbias，T2的基极连接第二电阻Rb2，T2的发射极接地，T2的集电极连接N2的源极及衬底端，N2的漏极连接输出负载Zload。
需要说明的是，第二偏置电压Vbias通过第一电阻Rb1及第二电阻Rb2分别为共射共栅放大器的共射管及源随器的电流源提供偏置，源随器对共栅管N1的第一偏置电压Vcasn进行电平位移后用作共栅管N1的衬底偏置电压。
进一步地，为了让N2的衬底偏置电压与其源级电压尽量吻合，T2/T1的面积之比与N2/N1的宽长比之比应一致。
从以上描述可以看出，本发明实现了衬底独立偏置的共源共栅及共射共栅放大器电路。在典型共源共栅及共射共栅放大器电路中引入共栅管衬底偏置电路，从而既消除了共栅器件的背栅效应而提高放大器增益，也避免了共栅器件源级和衬底直接相连而增加衬底到栅端的寄生电容Cgb，从而改善了放大器带宽和增益。此外，与传统的放大器实现相比，由于本发明引入了衬底独立偏置电路，从而在保持放大器增益和带宽的同时，在功耗和面积上有了显著改善。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (6)

1.一种共源共栅放大器，包括第一NMOS管、第二NMOS管及输出负载，所述第一NMOS管的栅极接收输入信号，所述第一NMOS管的漏极连接所述第二NMOS管的源极，所述第二NMOS管的漏极发送输出信号并连接所述输出负载，其特征在于：还包括衬底偏置电路，所述共源共栅放大器具有一衬底端，所述衬底偏置电路连接所述衬底端；
所述第一NMOS管的源极接地，所述第一NMOS管的漏极连接所述第二NMOS管的源极，且一第一偏置电压从所述第二NMOS管的栅极输入；
所述衬底偏置电路包括第一电阻、第二电阻及源随器，所述第一电阻的一端连接所述第一NMOS管的栅极，所述第一电阻的另一端连接所述第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端连接所述源随器，所述源随器连接所述第二NMOS管及所述输出负载，且一第二偏置电压通过所述第一电阻及第二电阻分别为所述共源共栅放大器的第一NMOS管及所述源随器的电流源提供偏置，所述源随器对所述第一偏置电压进行电平位移后以用作所述第二NMOS管的衬底偏置电压。
2.如权利要求1所述的共源共栅放大器，其特征在于：所述源随器包括第三NMOS管及第四NMOS管，所述第三NMOS管的栅极连接所述第二电阻，所述第三NMOS管的源极接地，所述第三NMOS管的漏极连接所述第四NMOS管的源极和衬底端，所述第四NMOS管的漏极连接所述输出负载。
3.如权利要求2所述的共源共栅放大器，其特征在于：所述第一NMOS管和所述第二NMOS管的沟道宽长比之比与所述第三NMOS管和所述第四NMOS管的沟道宽长比之比相同。
4.一种共射共栅放大器，包括第一双极型晶体管、第一NMOS管及输出负载，所述第一双极型晶体管的基极接收输入信号，所述第一双极型晶体管的集电极连接所述第一NMOS管的源极，所述第一NMOS管的漏极发送输出信号并连接所述输出负载，其特征在于：还包括衬底偏置电路，所述共射共栅放大器具有一衬底端，所述衬底偏置电路连接所述衬底端；
所述第一双极型晶体管的发射极接地，且一第一偏置电压从所述第一NMOS管的栅极输入；
所述衬底偏置电路包括第一电阻、第二电阻及源随器，所述第一电阻的一端连接所述第一双极型晶体管的基极，所述第一电阻的另一端连接所述第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端连接所述源随器，所述源随器连接所述第一NMOS管及所述输出负载，且一第二偏置电压通过所述第一电阻及第二电阻分别为所述共射共栅放大器的第一双极型晶体管及所述源随器的电流源提供偏置，所述源随器对所述第一偏置电压进行电平位移后用作所述第一NMOS管的衬底偏置电压。
5.如权利要求4所述的共射共栅放大器，其特征在于：所述源随器包括第二双极型晶体管及第二NMOS管，所述第二双极型晶体管的基极连接所述第二电阻，所述第二双极型晶体管的发射极接地，所述第二双极型晶体管的集电极连接所述第二NMOS管的源极及衬底端，所述第二NMOS管的漏极连接所述输出负载。
6.如权利要求5所述的共射共栅放大器，其特征在于：所述第一双极型晶体管和所述第二双极型晶体管的面积之比与所述第一NMOS管和所述第二NMOS管的宽长比之比相同。
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