具有集成可调带通功能的cmos放大器的制作方法

文档序号:7516305阅读:297来源:国知局

专利名称::具有集成可调带通功能的cmos放大器的制作方法
技术领域
:本发明涉及具有集成可调带通功能的CMOS放大器、可调有源电阻结构、放大输入信号的方法和制造放大器的方法。
背景技术
:由于便携生物医学电子器件(如可佩带的或者可植入的健康监控装置)市场的快速增长,近年来生物医学信号采集已经获得许多关注。在这些器件中经常使用具有集成带通功能的亚阈值模式CMOS放大器来获得高功率效率。为了在不使有用生物信号失真的情况下有效地抑制DC分量和基线漂移,这种放大器需要提供很低的高通截止频率(低于IHz)。与片上电容器一道,通常使用产生高达IO13欧姆或者更高电阻值的MOS双极伪电阻器来实现所述高通功能,而避免使用外部RC元件。然而,与伪电阻关联的过程依赖和高度非线性电阻可能导致问题,如亚稳工作点和不可预测的转角频率。图1绘出了具有集成带通功能的典型神经记录放大器100。假设运算跨导放大器(OTA)102是理想的,整个系统的增益由电容KC1112/C2114(或者C3116/C4118)设置;输入DC分量由高通网络C1IUJ1UZ和M2124(或者C3116、M3126和M4128)阻挡,高通网络的转角频率由02114、]\11122和]\12124(或者(;118、]\13126和]\14128)控制。一旦确定了这些元件的值,增益和高通转角频率是固定的。然而,由于过程变化,它们对于设计目标可能显著地漂移,然而调谐和调整是不可能的。而且,由有源伪电阻风122和礼124(或者M3126和M4128)提供的电阻是非对称的,其在跨越伪电阻器结构132(或134)的电压降在幅度上相等但是在方向上相反时变化。这导致信号依赖的输出漂移和线性度方面的下降。当输入电平升高时,输出通常遭遇在功率轨(powerrail)之一处的提前的削峰,这严重降低了动态范围。已经进行了一些尝试来提高改进这种放大器的线性度和动态范围。它们中的一些包括特征,如可调带宽和可编程增益。下面所列出的是这种尝试的典型示例。[1]H.Wu禾ΠY.P.Xu,"AIV2.3μWBiomedicalSignalAcquisitionIC(IV、2·3μW生物医学信号采集IC),,,Proceedingsofthe2006IEEEInternationalSolid-StateCircuitConference(ISSCC),pp.119-128,February2006(2006IEEE国际固态电路会议(ISSCC)论文集,第119-128页,2006年2月);[2]R.R-Harrison和C.Charles,"ALow-PowerLow-NoiseCMOSAmplifierforNeuralRecordingApplications(用于神经记录应用的低功率低噪声CMOS放大器)”,IEEEJournalofSolidStateCircuits(JSSC),Vol.38,No.6,June2003(IEEE固态电路学报(JSSC),第38卷,第6期,2003年6月);[3]M.Yin禾口M.Ghovanloo,‘‘ALow-NoisePreamplifierwithAdjustableGainandBandwidthforBiopotentialRecordingApplications(用于生物电势记录应用的具有可调增益和带宽的低噪声预放大器)",ProceedingsofIEEEInternationalSymposiumonCircuitsandSystems(ISCAS),pp.321-324,May2007(IEEE电路与系统国际会议(ISCAS)论文集),第321-324页,2007年5月);[4]ff.ffattanapanitch,Μ.Fee禾口R.Sarpeshkar,"AnEnergy-EfficientMicropowerNeuralRecordingAmplifier(高能效微功率神经记录放大器)”,IEEETransactionsonBiomedicalCircuitsandSystems,Vol.l,No.2,June2007(IEEE生物医学电路与系统汇刊,第1卷,第2期,2007年6月)。虽然这些工作过去在纠正问题的某些方面中是有用的,但是它们通常对于其他方面显示负面影响。例如,提高有源负载的线性度可能导致延长的建立时间和后制造调整的降低的可能性;另一方面,包括可调性经常引入跨越结构的增加的严重失衡并产生降低的线性度和动态范围。因此,存在对提供具有集成可调带通功能的低电压CMOS放大器、可调有源电阻器结构、放大输入信号的方法和制造放大器的方法的需要,它们试图解决上述问题中的一个或多个。
发明内容根据本发明的第一方面,提供了包括两个对称地交叉耦合的晶体管的可调有源电阻器结构。所述电阻器结构可以进一步包括用于向所述有源电阻器结构提供可调性的第一可变源和第二可变源,所述第一可变源耦接在晶体管之一的栅极和另一晶体管的源极之间,所述第二可变源耦接在所述另一晶体管的栅极和所述一个晶体管的源极之间。所述第一可变源和所述第二可变源每个可以包括可变电压源。所述可变电压源可以包括用于将需要的电压降映射到可变电流源的源晶体管。晶体管之一的源极和块体可以耦接到另一晶体管的栅极,反之亦然。所述晶体管可以包括PMOS晶体管。根据本发明的第二方面,提供了具有集成可调带通功能的CMOS放大器,其包括第一方面的一个或多个有源电阻器结构。所述放大器可以包括单独的预放大级和增益调整级。所述预放大级可以包括所述有源电阻器结构。在低压电源工作下,所述放大器的晶体管可以被偏压在阈值以下的区域内。预放大器级的电容性输入可以用于抑制DC内容和预限定的低频内容。可以将高通转角频率布置成向下到达IHz以下并且由片上有源电阻器限定。所述有源电阻器可以基本上不表现与外部状态相关的失衡,以降低或消除信号依赖的输出漂移。所述有源电阻器可以基本上不表现信号依赖的电阻变化,以降低非线性。所述放大器的轨对轨输出情况下的THD可以小于1%,以在动态范围评价中提供基本上最佳信号振幅。所述放大器的主极点可以提供低通功能。通过调整所述预放大级的OTA的电流,所述主极点可以是可调的。所述放大器可以具有小于1μW的低功率消耗。所述增益调整级可以包括可切换的电容性反馈路径,以调整闭环增益。5所述放大器可以包括可调整的电容器网络,以在增益调整期间在输入路径和反馈路径之间翻转。根据本发明的第三方面,提供了使用如第二方面中限定的所述放大器对输入信号进行放大的方法。根据本发明的第四方面,提供了制造如第二方面中限定的所述放大器的方法。仅通过实施例并结合附图,本发明的实施方式将从下面的书面描述中被更好地理解并对本领域技术人员显而易见,其中图1示出了本领域状态下的神经记录放大器;图2示出了完全可调低压全摆动的CMOS放大器的示例实施方式的系统结构;图3A示出了典型有源电阻器的简化模型;图3B和图3C示出了根据示例实施方式的完全平衡的交叉耦合的有源电阻器结构的细节;图4A示出了本领域状态下的典型增益可调方案;图4B示出了示例实施方式的可调增益级的示意图;图5A示出了本发明的示例实现中的预放大器反馈电路;图5B示出了本发明的示例实现中的预放大器OTA电路;图6A示出了本发明的示例实现中具有不同转角频率的所测量的频率响应;图6B示出了本发明的示例实现中具有不同增益的所测量的频率响应;图6C示出了本发明的示例实现中在不同高通转角频率情况下的所测量的THD对于输出振幅;图7示出了对本发明的示例实现的测量结果中的一些进行总结的表格。具体实施例方式本发明的实施方式试图在CMOS放大器的带宽调整和增益调整方面引入灵活性。第二,实施方式试图在较大有源负载存在的情况下提供稳定的和容易安定的偏压点。第三,实施方式试图创造本质地既有利于可调性又有利于信号保真度的电路构造,使得完全可调的放大器能够在低电源电压下产生具有合理的线性度和动态范围的输出。如示例实施方式中所述,这些可以通过调整高通转角频率的一对完全对称的交叉耦合有源电阻器以及调整电压增益的“翻转电容器”结构来实现。下面介绍本发明的详细描述。然而,本领域的技术人员将明白,其例示但未限制本发明的范围。在不背离主要概念和精神的情况下,可以容易地修改和结合本领域的其它技术应用下文描述的细节中的许多,以符合不同设计要求。图2示出了完全可调、低压的、全摆幅(full-swing)的CMOS放大器200的示例实施方式的系统结构。其包括由用“gml”202标记的OTA驱动的预放大级200a(或者第一级)和由用“gm2”252标记的OTA的可调增益级200b(或者第二级)。第一级200a放大差分输入并用分别由高通滤波器206和OTA202提供的可调高通和低通滤波来处理信号;第二级200b根据应用要求调整总增益。由于第一级200a的小输入振幅和第二级200b的反向组态,OTA202或252两者都不要求轨对轨或大尺度输入,这能简化输入对的设计并且改善噪声效率因子(NEF)优化。通过移动第一级OTAgml202的主极点,能够容易地调整系统200的低通转角频率。第二级200b的带宽需要显著地更大,以使其对总带宽调整的影响降至最小。这可以通过将第二级200b的增益设置成比第一级200a的增益小至少一个数量级来实现。通过片上电容器元件C1222、C2224、C3226、C4228和可调有源电阻器212、214、216和218,由第一级的反馈网络调整高通转角频率。由于在某些应用中生物信号的频率可能低至数十毫赫兹,所以如果C2224和(;228在皮法(pF)的范围内,则有源电阻器212、214、216、218的上调整限度可能优选地高达IO13欧姆。下调整限度约是IO11欧姆或更低,对应于几个赫兹或更高的转角频率。图3a示出了一般有源电阻器300的简化模型。用“Va”302和“Vb”304标记的两个端子形成电阻负载。端子“Vbulk”306表示有源元件的大块体接头(bulktap)。端子"vctrl"308代表对有源电阻进行电平调整的控制机构。在通常工作条件下,“V/302端子和“Vb”304端子至少之一可能经历大电压摆动。尽管对无源电阻器不产生任何问题,但是这种电压摆动可能严重地使受控欠佳的有源电阻器的电阻畸变,使其高度非线性。因此适应地对“v。tel”308端子加偏压是优选的,以便保持有源电阻器的线性度。与有源电阻器关联的另一可能问题是结构失衡或非对称性,结构失衡或非对称性由从参考的有源电阻器的任一端至另一端察觉的电特性的差异来测量。因此,从有源电阻器中产生的电阻依赖于跨越其的电压的极性;换句话说,跨越有源电阻器施加相同的但是具有相反极性的电势差产生不同电阻。在小信号电平下(例如,与CMOS电路中的热电压类似的),所述失衡可能导致内在的偏压补偿;当信号电平升高时,所述失衡可能进一步导致显著的依赖信号的输出漂移以及甚至功率轨之一处的提前削峰。这可能是低压电路中对动态范围性能的主要限制因素。结构失衡可能与有源器件的寄生缺陷有关。例如,大约亚皮安(pA)或更高的在结构边界处(即,有源电阻器结构和块体材料之间的交界)发生的任何结泄露电流可能有效地建立外部电势的基准。尽管在低阻抗节点处不施加任何影响,但是其可能显著地使高阻抗节点偏压,转而使感兴趣的电路特性(例如,等效电阻)与结构的外部状态相关(例如,有源电阻器关于块体材料的平均电势)。因此,优选的是,对泄露敏感端子“Vbulk”306提供源并处理泄露敏感端子“Vbulk”306以便避免高阻抗端接。本发明的实施方式试图提供设计具有可调低失真电阻的完全平衡有源电阻器的通用方法。发明人已识别可能有助于降低寄生影响的一些因素,列出如下1)确保跨越结构的拓扑和几何对称性;2)仅从有源电阻器300的局部低阻抗节点中对控制端子"Vctrl"308和寄生端子“Vbulk”306提供源;3)跨越结构边界对电阻进行重整,以避免局部高阻抗节点与外部块体材料的直接交界;4)通过适应地对“V。tel”308端子进行偏压,跨越感兴趣的工作范围保持电阻控制因子(例如图2中有源元件242、244、246、248的过驱动)与外部状态(例如,在有源负载302、304的任一端处施加的电压摆动)的去耦。图3b示出了示例实施方式中产生具有低畸变的平衡电阻的可调有源电阻器结构320的示意图。两个PMOS晶体管342和344形成负载,它们的栅极借助于可调电阻控制器332,334被交叉耦合到两个端部端子“Va”332a和“Vb”324a。体端子352、354被局部分接并从最近的端部端子获得源。NMOS晶体管不是优选的,因为许多CMOS工艺中没有深η阱选项,并且该情况下的NMOS体将通常连接到固定的外部源(地或Vss),致使所产生的有源电阻固有地对外部信号状态和寄生泄露敏感。有助于电阻控制的交叉耦合构造和晶体管体的局部化对称偏压在达到结构平衡方面是有用的,后面提供其细节。当所包含的有源晶体管212、214、216和218(图3中的312、314)被应用于图2中的电路时,它们起两种作用。主要作用是调节第一级放大器200a的工作点。更具体地,在仅具有DC偏压的静态条件下,所述有源晶体管212、214、216和218以可忽略的补偿将OTA“gml”202的输入节点和输出节点强制在Vref处;而在将AC信号馈给放大器的动态条件下,尽管它们可能经受大电压摆动,所述有源晶体管212、214、216和218以最小的信号依赖的漂移保持DC偏压电平。在这种结构中使用有源晶体管212、214、216和218的一项挑战可能是延长的建立时间。然而在本发明的实施方式中可能解决该挑战,因为在电路200a经历严重偏压干扰(例如,在供电期间)的任何时候,能暂时激活较低电阻选项(因此较小的时间常数)。一旦达到或恢复正确的偏压点,有源电阻器212、214、216和218就被调整回其正常值。所包含的有源电阻器212、214的第二作用是调节第一级放大器202的反馈电阻。由于其时常经历的大电压摆动,由M1242和M2244形成的有源电阻器212、214是预放大器中信号失真的主要贡献者。假设在功率轨的任一侧处不存在削峰,大正弦波输出应当理想地在输出偏压电平(优选地在Vref处)周围对称摆动。如图3b中更清晰示出的那样,在正弦波的正半周期间,M1342的栅极和M2344的节点“Vb”304被充电,而M2344的栅极和M1342的节点“Va”302实际上保持不变。该电压分配趋于开启M2344而保持M1342关闭,从而有效地跨越M1342分配全部输出。相反,在负半周期间,M1342对源电压(Vgs)看出大的负栅极并且趋于开启,从而将输出仅留给现在实际上关闭的M2344。因此,对于仅一半的每个输出周期,每个晶体管作为有源晶体管工作,并且使用中的晶体管(作为有源电阻器)的Vgs总是由关联的可调电阻控制器332、334限定。这有助于跨越相对大的输出范围保持增量电阻的次序,直到使用中的晶体管上的电压降(Vds)开始相当大地开启其对块体pn结的源极为止。本领域的技术人员将理解,有源电阻器216、218以基本上与对于有源电阻器212、214描述的方式相同的方式连接在OTA“gml”202功能的非倒相输入侧。然而,它们可能看出较小的信号摆动,因此构成产生失真的较少威胁。在上述过程中,关于功率轨的有源电阻器结构的外部状态(或者更具体地,总电平)跟踪输出并保持交替包括输出偏压电平。在该情况下,PMOS块体的局部对称连接帮助构成与所述外部状态无关的结构的有源电阻。可能类似有效的使块体偏压的另一方式是将它们分接到中间节点“ν。”310,这理论上在十分大电压摆动下应当产生更好的线性度,因为其消除了跨越对于块体p-n结的源的不期望电流路径。然而,更接近的检查可能显现出,将两个块体连接到高阻抗节点(“ν。”)使有源电阻器的“vbulk”端子直接暴露于对于基底泄露路径的η阱,因此造成了对外部状态的依赖,这可能破坏结构平衡。图3c绘出了可调电阻控制器360(图3b中的332、334)的实施方式。其实质上是限定了关于端子“Vsense”364在端子“v。trl”362处的电压的可变电压源。PMOSMctrl366用于将所需电压降映射到可变电流源368,可变电流源368通常是可更准确地和线性地控制的。在晶体管呈现基本上关闭状态沟道泄露的深亚微米工艺中(例如,0.18微米CMOS或更低),若需要,可以将所述电流源配置成双向的,以覆盖有源电阻器的调整范围中不同地丢失的高阻端。返回图2,所包含的完全可调放大器200的第二级200b是调节增益和缓冲负载的可编程增益缓冲器(PGB)。与带通预放大器分离地实现本发明的实施方式中的增益调整特征,以避免由第一级OTA202产生的增益-带宽关联。负载缓冲方案放宽了预放大器的输出要求,并且尤其在负载向系统连续地施加干扰时(例如,在取样和保持S/H电路中)是高功率效率的。通过改变闭环放大器的反馈因子,闭环放大器的电压增益是可调的。本领域中的常见方法是使用开关来连接或断开反馈路径,如图4a中所示。假设OTA“gm”402是理想的,闭环增益由(5404对反馈路径406、408中的那些电容的电容比确定。然而,这可能不对于所有频率适用。例如,在Cx408的电抗开始变得可与相应控制开关的关态电阻Rx410相比较时的很低频率下,闭环增益更准确地由下式估计权利要求1.一种可调有源电阻器结构,包括两个对称地交叉耦合的晶体管。2.根据权利要求1所述的电阻器结构,进一步包括用于向所述有源电阻器结构提供可调性的第一可变源和第二可变源,所述第一可变源耦接在所述晶体管中一个晶体管的栅极和另一晶体管的源极之间,所述第二可变源耦接在所述另一晶体管的栅极和所述一个晶体管的源极之间。3.根据权利要求2所述的电阻器结构,其中,所述第一可变源和所述第二可变源均包括可变电压源。4.根据权利要求3所述的电阻器结构,其中,所述可变电压源包括用于将需要的电压降映射到可变电流源的源晶体管。5.根据权利要求1所述的电阻器结构,其中,所述晶体管中一个晶体管的源极和块体耦接到另一晶体管的栅极,反之亦然。6.根据权利要求1所述的电阻器结构,其中,所述晶体管包括PMOS晶体管。7.一种具有集成可调带通功能的CMOS放大器,包括如由权利要求1至6中任一项所述的一个或多个有源电阻器结构。8.根据权利要求7所述的放大器,包括单独的预放大级和增益调整级。9.根据权利要求8所述的放大器,其中,所述预放大级包括所述有源电阻器结构。10.根据权利要求8所述的放大器,其中,在低压电源工作下,所述放大器的晶体管被偏压在阈值以下的区域内。11.根据权利要求10所述的放大器,其中,所述预放大器级的电容性输入用于抑制DC内容和预限定的低频内容。12.根据权利要求11所述的放大器,其中,将高通转角频率布置成向下到达IHz以下并且由片上有源电阻器限定。13.根据权利要求8所述的放大器,其中,所述有源电阻器基本上不表现与外部状态相关的失衡,以降低或消除信号依赖的输出漂移。14.根据权利要求8所述的放大器,其中,所述有源电阻器基本上不表现信号依赖的电阻变化,以降低非线性。15.根据权利要求8所述的放大器,其中,所述放大器的轨对轨输出情况下的THD小于1%,以在动态范围评价中提供基本上最佳信号振幅。16.根据权利要求8所述的放大器,其中,所述放大器的主极点提供低通功能。17.根据权利要求16所述的放大器,其中,通过调整所述预放大级的OTA的电流,所述主极点是可调的。18.根据权利要求17所述的放大器,具有小于1μW的低功率消耗。19.根据权利要求8所述的放大器,其中,所述增益调整级包括可切换的电容性反馈路径,以调整闭环增益。20.根据权利要求19所述的放大器,包括可调整的电容器网络,以在增益调整期间在输入路径和反馈路径之间翻转。21.一种使用如权利要求8至20中任一项所述的放大器对输入信号进行放大的方法。22.一种制造如权利要求8至20中任一项所述的放大器的方法。全文摘要具有集成可调带通功能的CMOS放大器,可调有源电阻器结构,放大输入信号的方法和制造放大器的方法。可调有源电阻器结构包括两个对称地交叉耦合的晶体管。文档编号H03H11/02GK102119486SQ200980131302公开日2011年7月6日申请日期2009年6月11日优先权日2008年6月11日发明者姚立斌,徐晓源,连勇,邹晓丹申请人:新加坡国立大学
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