CN209297191U - 一种放大单元、放大器及应用其的稳压器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种放大单元、放大器及应用其的稳压器，该放大单元包括电流源、差分对和负载，所述差分对包括第一场效应晶体管M1和第二场效应晶体管M2，第一场效应晶体管M1和第二场效应晶体管M2的源极相连后通过所述电流源接地；所述负载至少包括第五场效应晶体管M5和第六场效应晶体管M6，第五场效应晶体管M5和第六场效应晶体管M6的漏极连接供电电压端；所述第一场效应晶体管M1的漏极与第五场效应晶体管M5的源极相连，第二场效应晶体管M2的漏极与第六场效应晶体管M6的漏极相连。其同时满足了高电压和高带宽需求，且结构简单，制备工艺较为简化。

Description

一种放大单元、放大器及应用其的稳压器

技术领域

本实用新型涉及集成电路设计领域，具体涉及一种放大单元、放大器及应用其的稳压器。

背景技术

随着科技的不断发展，对于高电压、高带宽放大器的需求日益增多，尤其是通信、工业控制、数据采集、电源以及稳压器等领域。然而，传统的放大器一般由NMOS差分对和PMOS构成，PMOS管工作在饱和区作为负载，但受限于硅材料的带隙宽带和栅氧层的厚度MOS器件的耐压范围有限，放大器大都被限制在±15V或更低的电源，虽然可以通过多级电路串联来扩展较低电压放大器的输入或输出工作电压范围，但是带宽又无法满足要求，还会涉及到相互匹配、芯片面积限制和散热等诸多问题，导致生产工艺复杂、成本高昂。

因此，亟待设计出一种同时满足高电压和高带宽需求且结构简单的放大单元、放大器，以解决上述问题。

新型内容

本实用新型的主要目的是提供一种放大单元、放大器及应用其的稳压器，旨在通过简单的电路结构同时实现高电压、高带宽的需求。

其技术方案如下：

一种放大单元，包括电流源、差分对和负载，所述差分对包括第一场效应晶体管M1和第二场效应晶体管M2，所述第一场效应晶体管M1和第二场效应晶体管M2的源极相连后通过所述电流源接地；所述负载至少包括第五场效应晶体管M5和第六场效应晶体管M6，所述第五场效应晶体管M5和第六场效应晶体管M6的漏极连接供电电压端；所述第一场效应晶体管M1的漏极与第五场效应晶体管M5的源极相连，第二场效应晶体管M2的漏极与第六场效应晶体管M6的漏极相连。

较佳的，还包括增益提高模块，所述增益提高模块包括第三场效应晶体管M3和第四场效应晶体管M4；所述第一场效应晶体管M1的漏极与第三场效应晶体管M3的源极相连，所述第三场效应晶体管M3的漏极与第五场效应晶体管M5的源极相连，并在连接处设有第一信号输出端；所述第二场效应晶体管M2的漏极与第四场效应晶体管M4的源极相连，所述第四场效应晶体管M4的漏极与第六场效应晶体管M6的源极相连，并在连接处设有第二信号输出端。

较佳的，所述电流源为共源共栅电流镜。

较佳的，所述电流源为共源共栅电流镜，包括第七至第十场效应晶体管M7-M10；所述第七场效应晶体管M7的源极和第八场效应晶体管M8的源极接地，所述第九场效应晶体管M9的漏极和第十场效应晶体管M10的漏极相连后，与所述第一场效应晶体管M1的源极和第二场效应晶体管M2的源极的公共端相连；所述第七场效应晶体管M7的漏极与所述第九场效应晶体管M9的源极相连；所述第八场效应晶体管M8的漏极与所述第十场效应晶体管M10的源极相连；所述第七场效应晶体管M7的栅极与所述第八场效应晶体管M8的栅极相连；所述第九场效应晶体管M9的栅极与所述第十场效应晶体管M10的栅极相连。

较佳的，所述电流源、差分对和负载所包括的晶体管均为N型氮化镓场效应晶体管。

相应的，一种放大器，包括至少一个前述的放大单元。

较佳的，其包括至少两级所述放大单元，上一级的放大单元的输出端与其下一级放大单元的输入端相连。

相应的，一种稳压器，包括偏置电路、放大器、采样电路和开关管M0，所述放大器为前述放大器；其中，所述偏置电路的输入端连接偏压电源，其输出端连接所述放大器的偏置电压输入端；所述开关管M0的栅极连接放大器的输出端，其源极连接输出端并连接所述采样电阻。

较佳的，所述偏置电路、放大器、采样电路和开关管M0所包括的晶体管均为N型氮化镓场效应晶体管，所包含的电阻均为N型氮化镓器件。

通过上述技术方案，本新型可获得下列有益技术效果：

(1)设计了一种全新的放大单元，满足了放大电路的高电压和高带宽需求；

(2)采用氮化镓场效应晶体管，利用氮化镓场效应晶体管的高击穿电压、低寄生电容、高功率密度等特性，克服了传统CMOS放大电路难以二者兼顾且会附带诸多问题的现状；

(3)放大单元可只包括N型氮化镓场效应晶体管，完全不同于传统CMOS放大单元需要NMOS和PMOS共同作用才能实现放大的目的，简化了制备工艺；

(4)所设计的稳压器可仅有场效应晶体管和电阻两种元件，制备工艺极大简化，有利于提高生产效率。

附图说明

图1为本实用新型一个实施例中的高电压高带宽放大单元的电路示意图；

图2为本实用新型更具体实施例中的所述共源共栅电流镜的电路示意图；

图3为本实用新型一个实施例中的高电压高带宽放大器的电路示意图；

图4为本实用新型一个实施例中的稳压器的电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图1至附图4，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型提供了一种放大单元，包括电流源、差分对和负载，所述差分对包括第一场效应晶体管M1和第二场效应晶体管M2，所述第一场效应晶体管M1和第二场效应晶体管M2的源极相连后通过所述电流源接地；所述负载至少包括第五场效应晶体管M5和第六场效应晶体管M6，所述第五场效应晶体管M5和第六场效应晶体管M6的漏极连接供电电压端；所述第一场效应晶体管M1的漏极与第五场效应晶体管M5的源极相连，第二场效应晶体管M2的漏极与第六场效应晶体管M6的漏极相连。

其中，供电电压端、至少一对负载、差分对、电流源依次连接，最终通过电流源Is1的负端接地。

进一步的，为提高增益还设有增益提高模块，连接于所述至少一对负载和所述差分对之间。

在一个具体实施例中，该增益提高模块包括第三场效应晶体管M3和第四场效应晶体管M4。

更具体的，所述第一场效应晶体管M1的源极与第二场效应晶体管M2的源极相连后通过电流源Is1接地；所述第五场效应晶体管M5的漏极与第六场效应晶体管M6的漏极接电源VDD。所述第一场效应晶体管M1的漏极与第三场效应晶体管M3的源极相连，所述第三场效应晶体管M3的漏极与第五场效应晶体管M5的源极相连，并在连接处设有第一信号输出端；所述第二场效应晶体管M2的漏极与第四场效应晶体管M4的源极相连，所述第四场效应晶体管M4的漏极与第六场效应晶体管M6的源极相连，并在连接处设有第二信号输出端。所述第一场效应晶体管M1的栅极接正向输入Vin+，所述第二场效应晶体管M2的栅极接入负向输入Vin-；所述第五场效应晶体管M5的栅极和第六场效应晶体管M6的栅极输入第一偏置电压(Vbias1)；所述第三场效应晶体管M3的栅极和第四场效应晶体管M4的栅极输入第二偏置电压Vbias2。

其中，所述第一偏置电压Vbias1高于所述第二偏置电压Vbias2；所述第一信号输出端输出第一级负向输出电压Vout1-，所述第二信号输出端输出第一级正向输出电压Vout1+。

优选的，所述第一至第六场效应晶体管M1-M6均为N型氮化镓场效应晶体管。

其中，所述N型氮化镓场效应晶体管为增强型和/或耗尽型器件。全部选用增强型器件为最优选实施方式，在实现高电压、高带宽的同时还可以具有钳位功能，对后级差分对进行保护，并且具有较大的电压摆幅。

但是，当氮化镓场效应晶体管采用增强型和耗尽型混合使用，或者全部采用耗尽型器件时也同样可以满足高电压和高带宽的需求。比如，当作为负载的第五场效应晶体管M5和第六场效应晶体管M6采用耗尽型器件时，由于器件没有钳位功能会失去对后级差分对的保护，当作为差分对的M1、M2采用耗尽型器件时，输出电压的摆幅会发生变化，但是相对于传统的CMOS器件，这种由耗尽型氮化镓场效应晶体管构成的差分放大电路，以及同时包含增强型和耗尽型器件的差分放大电路仍然在电源电压和带宽方面具有显著的进步。

优选的，所述氮化镓场效应晶体管为MESFET、MOSFET、HFET或HEMT中的至少一种。

本实用新型所述电流源Is1可为晶体管，优选为共源共栅电流镜，如图2所示。

在一个具体实施例中，所述共源共栅电流镜包括第七至第十场效应晶体管M7-M10。所述第七场效应晶体管M7的源极和第八场效应晶体管M8的源极接地，所述第九场效应晶体管M9的漏极和第十场效应晶体管M10的漏极相连后，与所述第一场效应晶体管M1的源极和第二场效应晶体管M2的源极的公共端相连。所述第七场效应晶体管M7的漏极与所述第九场效应晶体管M9的源极相连；所述第八场效应晶体管M8的漏极与所述第十场效应晶体管M10的源极相连。所述第七场效应晶体管M7的栅极与所述第八场效应晶体管M8的栅极相连，连接处输入第一栅压Vg1；所述第九场效应晶体管M9的栅极与所述第十场效应晶体管M10的栅极相连，连接处输入第二栅压Vg2。

较优的，所述第七至第十场效应晶体管均为N型氮化镓场效应晶体管。最优的，所述N型氮化镓场效应晶体管为增强型器件。其中，所述氮化镓场效应晶体管可为MESFET、MOSFET、HFET或HEMT中的至少一种。

相应的，本实用新型还提供了一种放大器，其包括至少一个前述的放大单元。即，其可仅为单级放大器(仅具备一个前述放大单元)，也可为多级放大器。

具体的，在该放大器由多级差分放大单元组成的实施例中，其包括至少两级差分放大单元，每级差分放大单元具有相同的拓扑结构(如前述放大单元)，且，上一级的差分放大单元的输出端与其下一级差分放大单元的输入端相连。

如图3所示，以三级差分放大器为例进行具体描述。所述差分放大单元每一级的负载的漏极均与电源相连，栅极接入相同的第一偏置电压Vbias1；每一级增益提高模块中的氮化镓场效应晶体管的栅极均接入相同的第二偏置电压Vbias2；每一级差分放大单元的两个差分输出电压信号接入其后级的差分对栅极的输入端。每一级电流源中接地的场效应晶体管栅极的输入电压均为第一栅压Vg1，与差分对公共端相连的场效应晶体管栅极的输入电压均为第二栅压Vg2。

较优的，本实施例电路中的所有场效应晶体管均为N型氮化镓场效应晶体管。

通过上述具体电路结构可见，其相较于传统CMOS放大器，具有明显的技术优势：

(1)传统CMOS放大器，由于NMOS的作为负载时的阻抗太小无法满足放大电路的要求，因而通常采用PMOS作为负载，NMOS作为差分对输入差分电压信号，制备过程中涉及到P型掺杂和N型掺杂，工艺过程复杂；而且，以PMOS作为负载时，为了对后级的差分对进行保护，需要增加额外的钳位电路，结构复杂，可靠性低；然而，本实用新型所涉及的氮化镓场效应晶体管组成的差分放大电路，取代了差分放大电路中的PMOS，整个电路中只涉及到N型氮化镓场效应晶体管，简化了制备工艺。此外，采用N型氮化镓场效应晶体管作为负载，还具有很好的钳位作用，限定了输出电压的范围，无需增加额外的钳位电路即可保证后级单元的安全；

(2)传统CMOS放大器的电源电压由于器件本身的带隙所限，输入电压的范围多在40V以下，通常被限制在±15V或更低，难以在高压环境下应用；然而，本实用新型中由于氮化镓场效应晶体管的带隙高达3.4eV，因此其耐压范围很宽，可从几伏到上百伏变化；氮化镓场效应晶体管的电子迁移率远高于传统硅材料，可使带宽达到10MHz以上。

相应的，作为上述放大器的应用示例，本实用新型还公开了一种稳压器，如图4所示，其包括偏置电路、放大器、采样电路和开关管M0，所述放大器为前述的放大器；其中，所述偏置电路的输入端连接偏压电源，其输出端连接所述放大器的偏置电压输入端；所述开关管M0的栅极连接放大器的输出端，其源极连接输出端并连接所述采样电阻。

在具体实施例中，所述偏置电路用于为差分放大单元的负载和/或增益提高模块提供栅极电压，包括串联的电阻R1、R2和R3，其中R1输入端接偏压电源，R3接地。

其中，所述第一偏置电压Vbias1的输入端与偏压电源相连，所述第二偏置电压Vbias2的输入端与R1和R2的公共端相连。第一级差分放大单元的正向输入端与电阻R2和R3的公共端相连，作为参考电压Vref。第一级差分放大单元的负向输入端与采样电路中的电阻R4和R5的公共端相连作为负向输入Vin-，用于反馈输出电压Vout的变化。所述Vbias2小于Vbias1；每一级负向输出电压输入其后级的正向输入端Vin+，正向输出电压输入其后级的负向输入端Vin-。

较优的，所述电阻R1-R5均为氮化镓电阻。

具体的，该文稳压器的控制原理为：

当Vout上升时，采样电路中电流增大，第一级差分放大单元的负向输入端的电压Vin-升高，根据公式(1)可知，VO-A相应降低，即开关管的栅压降低，采样电路中的电流随之降低，Vout降低；反之，当Vout降低时，经过差分放大电路后VO-A升高，采样电路中的电流随之增大，Vout升高；从而实现稳压；

VO-A＝AV(Vref-Vin-) (1)

其中，VO-A为差分放大电路最后一级正向输出电压，AV为差分放大电路对电压的放大倍数。

本实用新型所提供的该稳压器，电路结构及制备工艺简单，易于提高生产效率；稳压器的电源电压范围较宽，从几伏到上百伏；带宽可高达10MHz以上。

当然，稳压器仅仅是本新型中放大单元、放大器的具体应用之一，但并不限定其应用范围，本实用新型中的放大单元和/或放大器也可应用于比较器、振荡器等需要进行信号放大利用的电路器件中。

上述实施例对本新型的原理仅是示意性的。应当理解，本文描述的布置和细节的修改和变型将对本领域技术人员来说显而易见。因此，意图是仅受接下来的专利权利要求的范围限制，而不受通过本文对实施例的描述和说明而提出的具体细节限制。

Claims (9)

1.一种放大单元，其特征在于，包括电流源、差分对和负载，

所述差分对包括第一场效应晶体管M1和第二场效应晶体管M2，第一场效应晶体管M1和第二场效应晶体管M2的源极相连后通过所述电流源接地；

所述负载至少包括第五场效应晶体管M5和第六场效应晶体管M6，第五场效应晶体管M5和第六场效应晶体管M6的漏极连接供电电压端；

所述第一场效应晶体管M1的漏极与第五场效应晶体管M5的源极相连，第二场效应晶体管M2的漏极与第六场效应晶体管M6的漏极相连。

2.根据权利要求1所述的放大单元，其特征在于，还包括增益提高模块，所述增益提高模块包括第三场效应晶体管M3和第四场效应晶体管M4；

所述第一场效应晶体管M1的漏极与第三场效应晶体管M3的源极相连，所述第三场效应晶体管M3的漏极与第五场效应晶体管M5的源极相连，并在连接处设有第一信号输出端；所述第二场效应晶体管M2的漏极与第四场效应晶体管M4的源极相连，所述第四场效应晶体管M4的漏极与第六场效应晶体管M6的源极相连，并在连接处设有第二信号输出端。

3.根据权利要求1或2所述的放大单元，其特征在于，所述电流源为共源共栅电流镜。

4.根据权利要求3所述的放大单元，其特征在于，

所述电流源为共源共栅电流镜，包括第七至第十场效应晶体管M7-M10；

所述第七场效应晶体管M7的源极和第八场效应晶体管M8的源极接地，所述第九场效应晶体管M9的漏极和第十场效应晶体管M10的漏极相连后，与所述第一场效应晶体管M1的源极和第二场效应晶体管M2的源极的公共端相连；所述第七场效应晶体管M7的漏极与所述第九场效应晶体管M9的源极相连；所述第八场效应晶体管M8的漏极与所述第十场效应晶体管M10的源极相连；所述第七场效应晶体管M7的栅极与所述第八场效应晶体管M8的栅极相连；所述第九场效应晶体管M9的栅极与所述第十场效应晶体管M10的栅极相连。

5.根据权利要求1或2所述的放大单元，其特征在于，所述电流源、差分对和负载所包括的晶体管均为N型氮化镓场效应晶体管。

6.一种放大器，其特征在于，包括至少一个根据权利要求1-5任一项所述的放大单元。

7.根据权利要求6所述的放大器，其特征在于，包括至少两级所述放大单元，上一级的放大单元的输出端与其下一级放大单元的输入端相连。

8.一种稳压器，其特征在于，包括偏置电路、放大器、采样电路和开关管M0，所述放大器为根据权利要求6或7所述的放大器；

其中，所述偏置电路的输入端连接偏压电源，其输出端连接所述放大器的偏置电压输入端；

所述开关管M0的栅极连接放大器的输出端，其源极连接输出端并连接所述采样电路。

9.根据权利要求8所述的稳压器，其特征在于，所述偏置电路、放大器、采样电路和开关管M0所包括的晶体管均为N型氮化镓场效应晶体管，所包含的电阻均为N型氮化镓器件。