一种基于自偏置共源共栅结构的跨导放大器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于模拟或数模混合集成电路技术领域，具体涉及一种基于自偏置共源共 栅结构的跨导放大器。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着集成电路制造技术的不断发展，对低功耗模拟集成电路的需要逐渐 增加，为了适应低功耗的要求，电源电压进一步降低。针对这一趋势，为了保证放大器的工 作性能，发展出来一些提高跨导放大器增益的结构，其中，自偏置共源共栅结构就是一种。 在这种结构下，通过调节M0S管的衬底电压，改变M0S管的阈值电压，从而改变M0S管的跨导 和输出阻抗，这样，跨导放大器就可以获得比常规结构更高的增益。传统结构下，如果需要 改变M0S管的阈值电压，采用的方法包括使用低阈值管或为M0S管提供额外偏置电压，但这 会增加工艺或者电路设计的复杂度;另一方面，传统的补偿方式，很难在放大器实现高增益 的同时，提高单位增益带宽。因此，传统的几种结构，很难满足高性能跨导放大器的要求。
[0003] 为了更详细的描述上述技术问题，本申请先来分析两种传统结构跨导放大器的工 作原理和优缺点。请参考图1所示的结构1，其给出了一种传统两级跨导放大器原理图，由于 当采用PM0S管作为输入管时，具有匹配性优良和低噪声等优点，所以在非高速低噪声应用 的场合通常采用PM0S管作为跨导放大器的输入管。结构1中，输入信号VIP和VIN从PM0S输入 管Ml和M2的栅极输入，PM0S管Ml和M2和匪0S管M3和M4都工作在饱和区，从而使得第一级放 大器能提供较大的直流增益，第二级共源放大器由匪0S管M5和PM0S管M6构成，这种结构在 保持一定增益的同时，能够提供较大的输出摆幅。电容C c和电阻RC构成一个RC补偿结构，使 得放大器在保持稳定的情况下，能够获得一定的单位增益带宽。在图1所示的结构下，放大 器增益表达式为：
[0004] Gain[i] = gmi,2 ? (r〇21 |r〇4) ? gm5 ? (r〇51 |r〇6) (1)
[0005] 图1结构的优点是电路结构简单，但是，本申请的发明人研究发现，由于采用RC补 偿，要获得一个低频的左半平面零点需要很大的补偿电阻RC;同时，由于标准工艺下，电阻 的阻值一致性较差，很难获得相对固定的左半平面零点。
[0006] 请参考图2所示的结构2,其给出了一种自偏置共源共栅跨导放大器原理图，在结 构2中，PM0S输入管M1、M2、M3和M4构成了自偏置共源共栅输入级结构，同时，由PM0S管M0、 M8、M9和M10构成恒流源结构。该结构的特点在于，通过专门设置PM0S管M3和M4以及PM0S管 M8和M10的衬底电压来改变其阈值电压，从而实现提高其输出阻抗的目的。下面分析其工作 原理，以图2中输入级PM0S管为例，将PM0S管Ml和M3的沟道宽度设计成和图1中PM0S管Ml的 宽度相同，同时将PM0S管Ml和M3的沟道长度之和设计成和图1中PM0S管Ml的长度相同，这 样，图1中的输入管M1与图2中的输入管M1和M3所占版图面积相同。在图2所示的结构中， PM0S管M2和M4、M8和M9等其他几处自偏置共源共栅结构M0S管尺寸采用同样的设计方法，通 过前面所提到的方法，使得PM0S管M3和M4的阈值电压小于Ml和M2的阈值电压，分析半边电 路，在一定的输入电压VIN/VIP之下：
[0007] VIN+ | Vthp3 | <Vs3<VIN+ | Vthpl (2)
[0008] 其中，Vthp3和Vthpl分别为PMOS管M3和Ml的阈值电压，VS3为PMOS管M3的源极电压， 如果设置合适的阈值电压和输入电压，使得式⑵得到满足，那么PM0S管Ml和M3都可以工作 在饱和区。
[0009] 下面分析在式(2)得到满足的情况下，自偏置共源共栅结构的输出阻抗，其小信号 等效电路图如图3所示，对其列节点KCL方程如下：
(3 )
[0011] 解上述方程可得：
[0012] Req = gm3 ? r〇i ? r〇3+r〇i+r〇3 * gm3 ? r〇i ? r〇3 (4)
[0013]因此，图2所示结构的增益表达式为：
[0014] Gain[2] = gmi，2 ? ((gm3 ? r〇3 ? r〇i) | |r〇5) ? gm7 ? ((gm8 ? r〇8 ? r〇9) | |r〇7) (5)
[0015] 由（5)式可知，图2所示放大器相比于图1所示放大器，其直流增益有一定程度的提 高。但是，本申请的发明人研究发现，图2所示电路结构需要专门使用低阈值管，或者提供一 个偏置电压VCM，这会增加工艺或者电路复杂度;另一方面，图2所示放大器结构仍然采用RC 补偿方式，其补偿效果有限。
【发明内容】
[0016] 针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种基于自偏置共源共栅结构的跨导 放大器，该结构在不增加工艺或者电路复杂度的情况下，进一步提高放大器直流增益，同时 可以获得更大的单位增益带宽，从而实现更高的质量因数，可以有效解决传统结构存在的 问题。
[0017] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0018] 一种基于自偏置共源共栅结构的跨导放大器，包括PM0S输入管Ml、M2、M3和M4构成 的自偏置共源共栅输入级结构，NM0S管M5、M6、M7和M8构成的自偏置共源共栅第一级负载结 构，NM0S管M9和PM0S管M10构成的第二级共源放大器结构，NM0S管Mil、M12和PM0S管M13构成 的偏置电路结构，放大器补偿电容Cc，放大器负载电容Cl，基准电流源Iref和提供恒流源功 能的PM0S管M0;其中，
[0019 ] 所述PM0S输入管M1和M2的源极接PM0S管M0的漏极，PM0S输入管Ml和M3的栅极接输 入信号VIN，PM0S输入管M2和M4的栅极接输入信号VIP，PM0S输入管Ml的漏极接PM0S输入管 M3的源极，PM0S输入管M2的漏极接PM0S输入管M4的源极，PM0S输入管M3和M4的衬底接偏置 电压Vp，该偏置电压Vp由放大器偏置电路中栅漏相连的PM0S管M13的栅压提供；
[0020] 所述匪0S管M5的栅极和漏极均与NM0S管M6、M7、M8的栅极以及PM0S输入管M3的漏 极连接，NM0S管M6的漏极接PM0S输入管M4的漏极，NM0S管M5的源极接NM0S管M7的漏极，NM0S 管M6的源极接匪0S管M8的漏极，NM0S管M7和M8的源极接地，匪0S管M5和M6的衬底接偏置电 压Vn，该偏置电压Vn由放大器偏置电路中栅漏相连的NM0S管Mil的栅压提供；
[0021] 所述PM0S管M10、M0、M13的源极接电源电压vdd，PM0S管M10的栅极接PM0S管M0和 M13的栅极，PM0S管M10的漏极、补偿电容Cc的一端、NM0S管M9的漏极和负载电容Cl的一端相 互连接形成一个连接节点，且该连接节点为所述跨导放大器的输出端Vout，补偿电容Cc的 另一端接PMOS输入管M2的漏极，负载电容Cl的另一端和NMOS管M9的源极接地，匪OS管M9的 栅极接PM0S输入管M4的漏极；
[0022] 所述PM0S管M13的漏极接NM0S管M12的漏极，匪0S管M12的栅极接基准电流源Iref 的一端以及NM0S管Ml 1的栅极和漏极，NM0S管Ml 1和M12的源极接地，基准电流源Iref的另一 端接电源电压vdd。
[0023]本发明提供的基于自偏置共源共栅结构的跨导放大器，第一级放大器的输入管和 负载管均采用了自偏置共源共栅结构，和传统结构相比，明显提高了第一级放大器的输出 阻抗，增加了第一级放大器的直流增益;第一级放大器的PM0S管M3和M4以及匪0S管M5和M6 的衬底电压由放大器偏置电路提供，不需要外加偏置电压；另外，补偿电容Cc的连接方式， 使得放大器的传输函数会产生一个左半平面的零点，可以用这个左半平面的零点来补偿传 输函数的第一个非主极点，因此在保持较大相位裕度的同时，大幅度提高了放大器的单位 增益带宽，从而实现更高的质量因数。
[0024] 进一步，所述PM0S输入管Ml和M3的沟道长度之比为1:4,所述NM0S管M5和M7的沟道 长度之比为1:4。
[0025]进一步，所述补偿电容Cc的电容值为2~4pF。
[0026]本发明还公开一种采用匪0S管作为输入管的基于自偏置共源共栅结构的跨导放 大器，包括匪0S输入管Ml、M2、M3和M4构成的自偏置共源共栅输入级结构，PM0S管M5、M6、M7 和M8构成的自偏置共源共栅第一级负载结构，NM0S管M9和PM0S管M10构成的第二级共源放 大器结构，NM0S管M11、M12和PM0S管M13构成的偏置电路结构，放大器补偿电容C c，放大器负 载电容Cl，基准电流源Iref和提供恒流源功能的PM0S管M0;其中，
[0027] 所述匪0S输入管Ml和M2的源极接地，匪0S输入管Ml和M3的栅极接输入信号VIN， 匪0S输入管M2和M4的栅极接输入信号VIP，匪0S输入管Ml的漏极接匪0S输入管M3的源极， NM0S输入管M2的漏极接匪0S输入管M4的源极，匪0S输入管M3和M4的衬底接偏置电压Vn，该 偏置电压Vn由放大器偏置电路中栅漏相连的NM0S管Mil的栅压提供；
[0028] 所述PM0S管M5的栅极和漏极均与PM0S管M6、M7、M8的栅极以及NM0S输入管M3的漏 极连接，PM0S管M6的漏极接NM0S输入管M4的漏极，PM0S管M5的源极接PM0S管M7的漏极，PM0