专利名称：低阻传输线接收前置放大器的制作方法
技术领域：
本发明主要用于高速低阻传输领域，尤其是低阻传输线接收前置放大器。
背景技术：
目前在高速低阻传输领域，主要采用高速运放来做前置，通过高功耗来实现高带 宽，从而实现高速数据的放大接收。 现有产品多采用高速放大器来做前置放大，增强接收，主要是利用运放的高带宽 来实现对于输入高速信号的放大。但是采用高速放大器，需要高带宽，这就意味着需要很高 的功耗。如果想将较小的信号放大到一定值以上时，又有了增益要求，会进一步增加功耗。
如图1所示，上述前置放大器的其中一种结构P1、P2为运算放大器的差分对输入 管PM0S管；N1、N2、N3、N4为NM0S负载管，N1、N2、N3、N4的尺寸相同；P3、P4为PM0S负载 管，尺寸相同；CL为输出端的等效负载电容，vcm为共模反馈的偏置电压。
这种结构的运算放大器在前置放大时主要工作在饱和区，所以有以下结论
该结构的增益约为Ad = (gmpl/
gmni) gmn3 "gmPl(R。n3l |R。p3| |l/sCL) = gmPl [R。n3R。p3/ (R。n3+R。p3+sCLR。n3R。p3)] 那么它的3dB带宽为s3dB " (R。n2+R。p3)/(CLR。n3R。p3) = l/[(R。n3| |R。P3)CL] = l/(RoCL) 式中Rq = R。n3| |R。p3 3dB带宽为等式可以看出，在固定负载电容情况下，需要的3dB带宽越宽，那么Ro 则越小，然而Ro正比于l/Ai其中A为由M0S管尺寸决定的一个固定参数，所以3dB带宽 的大小就由电流决定了。 3dB带宽越宽，那么它所需要的电流越大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低阻传输线接收前置放大器，它可以等效为一个有电
压嵌位的电流开关，可以以较小的功耗实现高速信号的放大，在同等输入和放大增益下所
需电流只有传统前置放大器的1/3以下。 本发明通过如下技术方案实施 低阻传输线接收前置放大器，其特征在于 至少包括两个用作源随器的PMOS管和两个用作放大器的NMOS管，或者两个用作 源随器的NMOS管和两个用作放大器的PMOS管，用于对输入信号进行升压或者降压；
至少包括四个尾电流源ibl、ib2、ib3、ib4，四个尾电流源大小相等，值为Ib，根据 两个输出端Out_p、 Out_n连接的负载大小进行电流调整。 根据MOS管电流公式1 = l/2UC。xW/L(Ves-VTH)2可知，在饱和状态下四个MOS管 流过的电流相同，将MOS管的跨导设计相同，所述前置放大器接收的最小差分电压即为V，_Vthn I /2 ;
其中 U为载流子迁移率，PMOS管沟道中空穴载流子迁移率为Up，而NMOS管沟道下电子
载流子迁移率为Un ; Cox为单位面积栅氧化层电容；
W为PMOS或NMOS管的沟道宽度； L为PMOS或NMOS管的沟道长度；
Ves为PMOS或NMOS管的栅极于源极之间的静态电压差； VTH为PMOS或NMOS管各自对应的阈值电压。 当采用两个PMOS管Pl、 P2作为源随器时，用于实现信号VI:
、VINN升压；
两个NM0S管N1、 N2作为两个电流开关管，用于电流导通控制的；
信号V,
Vgsn2 :
V^的源随，将输入
f源电压Vc
VD2为流过
Vgsni 一 VINN1_VINP — (VGSP1+VINN) _VINP
VgSN2 一 V;[Np丄—VjNN 一 (VGSp2+VINp) —Vj丽；
还设置有二极管D1、D2尾用于实现输出最低电压嵌位，最低电压为
V。utn—mim — Vi丽+VpSN2+Vj^ V。utp—mim — VINP+VDSN1+VD2
其中v。UTP—mim、 v。UTN—mim为前置放大器正负输出端各自输出最低电压，VD 额定电流时二极管的两端压差； RECEIVER对于前置放大后信号进行处理的接收器，其输入端等效为前置放大器的 两个相等的负载电容。 PI、P2、N1、N2、D1、D2、 RECEIVER的连接方式为P1、P2漏端接地(gnd) ， PI的栅级 接VIffl， P2的栅级接VINP， PI的源级与PI自己的衬底连接，并与Nl的栅级和电流源ibl连 接，P2的源级与P2自己的衬底连接，并N2的栅级和电流源ib2连接；N1的栅级与P1的源级 连接，N1的源级与输入VIffl连接，N1的衬底接地，N1漏级与D2的负级连接，N2的栅级与P2 的源级连接，N2的源级与输入VINP连接，N2的衬底接地，N2漏级与Dl的负级连接；D1的负 极与N2的漏级连接，Dl的正极与电流源ib3连接，并连接到RECEIVER的输入端Voutn ;D2 的负极与Nl的漏级连接，D2的正极与电流源ib4连接，并连接到RECEIVER的输入端Voutp ; Out_p为RECEIVER的正输出端，Out_n为RECEIVER的负输出端。 流过额定电流时，作为放大器的NMOS管Nl、 N2的栅源电压分别为Vesm、 VesN2T，其 开关特性为 当Vesm > Vesm时，电流开关Nl导通；当VesN1 < Vesm时，电流开关Nl关闭，从而 实现所有尾电流导入或抽取更大的电流导出负载电容； 当VesN2 > VesN2T时，电流开关N2导通；当VesN2 < VesN2T时，电流开关N2关闭，从而 实现所有尾电流导入或抽取更大的电流导出负载电容。 两个NMOS管Nl、 N2在稳定输入信号时，均交替工作于截止和线性区，截止区使尾 电流全部流入负载电容，而线性区可以抽取更大电流，所以采用这种具有电流开关特性的 前置放大器，具有低功耗，高带宽的优点。
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放大器四路尾电流大小相同，电流值可以根据V。UTP、 V。UTN所接负载电容进行调整。 NMOS管饱和电流绝对值为lb = l/2unC。xW/L (VesN-VTHN)2 ; PMOS管饱和电流绝对值为lb = l/2upC。xW/L (VGSP-VTHP)2 ; 设计时使NMOS跨导gmn与PMOS跨导gmp相等，均工作于饱和区，有 gmP = [2upC。x (Wp/Lp) Ib]1/2 g迈n = [2unC。x (Wn/Ln) Ib]1/2g = gnip 可以得到 2upC。x (Wp/Lp) = 2unC。x (Wn/Ln) ， |VGSN-VTHN| = |VGSP-V，| = | VINN-VINN「VTHP | 然后得到VGSN-VTHN = Vm+VTHP-VINN > 0， VGSN = Vm+VTHP-VINN+VTHN > 0 ; 最后，如果N1电流开关管要实现开关，需要工作于线性区，那么I V丽-V冊I > VGSN = vm-vINN+vTHP+vraN 当V腿-V冊> 0， VINP-VINN < - (VTHN+VTHP) ， Nl能开启; 当VINN1-VINP < 0， Nl不能开启； 如果N2电流开关管要实现开关，需要工作于线性区，那么 I VINP「VINN I > VGSN = VINP「VINP+VTHP+VraN 当VINP1-VINN > 0， VINP-VINN > VTHN+VTHP， N2能开启； 当VINP1-VINN < 0， N2不能开启； 即I VIffl_VINP I > IVTHN+VTHPI ，此时电流开关才能正常工作。 可见，在饱和状态下PMOS和NMOS管流过的电流相同，所以只需要将PMOS和NMOS 管的跨导设计相同，那么这个前置放大器可以接收的最小差分电压即为|vTHP-vTHN| 。
当差分电压小于最小差分电压时，电流开关画OS管由于(VTHN > _VTHP时)VGSN电 压较小，处于弱导通状态，不能流过额定尾电流Ib，所以会有部分不能通过的开关Nl/N2管 的电流对负载电容充电，使两输出都处于高电平，由于(_VTHP> V^时)VGSN电压较大，处于 强导通状态，可以流过大于额定尾电流Ib，所以尾电流量不够的开关Nl/N2管流，开关NMOS 管会对负载电容上的电荷泄放，使两输出负载电容上的电压都处于低电平。
当差分电压大于或远大于最小差分电压时，一个电流开关管将表现为关闭状态， 使流入负载电容，负载电容上的电压迅速上升，而另一个电流开关管处在强导通线性区状 态，将尾电流拉完后还可以将负载电容中电荷迅速泄放，而将电平迅速拉低。
因为输入的两信号是交越对称的，所以当两信号的差分电压小于|VTHP_VTHN|阶段 时，完全由源随PMOS管和电流开关NMOS管的VTH决定，当源随PMOS管的VTH电压高于电流 开关NMOS时，两个电流开关NNOS管都工作在线性区，差分输入信号不能有效放大，同时使 输出的共模电压会偏低。当源随PMOS管的^电压小于电流开关NMOS时，两个电流开关 NNOS管都不能提供足够电流供给尾电流源，会使输出的共模电压会偏低。所以，只有当两信 号的最大差分电压大于|VTHP-VTra|时，才能有效接收。 当输入信号较大时，由于差分信号是交替变化的，所以用于放大的N1/N2会在截 止、饱和放大和线性区三种状态下切换工作，而之前的放大器只有饱和工作区工作。正是 由于有截止和线性区工作，使得前置放大器功耗降低到只有普通前置放大器功耗的1/3以 下。 当采用两个NMOS管Nl、 N2作为源随器时，用于实现信号VINP、 VIffl的源随，将输入 信号V，、V^降压；
两个PM0S管P1、 P2作为两个电流开关管，用于电流导通控制的栅源电压V^p
^gsp2 : <formula>formula see original document page 7</formula> 还设置有二极管D1，D2尾用于实现输出最高电压嵌位，最高电压为
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其中，V。UTPmax、V。UTN max为前置放大器正负输出端各自输出最高电压，VD1、 VD2为流过 额定电流时二极管的两端压差； RECEIVER对于前置放大后信号进行处理的接收器，其输入端等效为前置放大器的 两个相等的负载电容。 Nl 、N2、 PI 、P2、D1、D2、 RECEIVER的具体连接方式为N1、N2漏端接电源(vdd) ， Nl 的栅级接VIffl， N2的栅级接VINP， Nl的源级与PI的栅级连接，并与电流源ib2连接，N2的源 级与P2的栅级连接，并和电流源ibl连接；P1的栅级与Nl的源级连接，PI的源级与输入 V，连接，P1的衬底接电源，P1漏级与Dl的正级连接，P2的栅级与N2的源级连接，P2的源 级与输入VIffl连接，P2的衬底接地，P2漏级与D2的正级连接；D1的正极与Pl的漏级连接， Dl的负极与电流源ib3连接，并连接到RECEIVER的输入端Voutp ;D2的正极与P2的漏级 连接，D2的负极与电流源ib4连接，并连接到RECEIVER的输入端Voutn ;0ut_p为RECEIVER 的正输出端，0ut_n为RECEIVER的负输出端。 流过额定电流时，作为放大器的NMOS管P1、P2的栅源电压分别为VesP1T、 VesP2T，其 开关特性为 当|VesP1| > |VesP1T|时，电流开关P1导通；当|VesP1| < |VesP1T|时，电流开关P1截
止，从而实现向负载电容注入更多电荷或通过额定尾电流将负载电容中电容抽走； 当I VesP21 > I VesP2T I时，电流开关P2导通；当I VesP21 < I VesP2T I时，电流开关P2截
止，从而实现向负载电容注入更多电荷或通过额定尾电流将负载电容中电容抽走。 两个PM0S管P1、 P2在稳定输入信号时，均交替工作于截止和线性区，截止区由尾
电流负载电容中的电荷迅速抽走，而线性区可以向负载电容快速注入更多电荷，所以采用
这种具有电流开关特性的前置放大器，具有低功耗，高带宽的优点。 放大器四路尾电流大小相同，电流值可以根据V。UTP， V。UTN所接负载电容进行调整。 NMOS管饱和电流绝对值公式<formula>formula see original document page 7</formula>
PMOS管饱和电流绝对值公式<formula>formula see original document page 7</formula>
设计时使NMOS跨导gmn与PMOS跨导gmp相等，均工作于饱和区，有<formula>formula see original document page 7</formula>
可以得到<formula>formula see original document page 7</formula>
然后得到<formula>formula see original document page 7</formula>;
最后，如果P1电流开关管要实现开关，需要工作于线性区，那么
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当VINN1-VINP > 0， PI不能开启；
当VINN1-VINP < 0， VINP_Vira > VTra+VTHP PI能开启； 如果P2电流开关管要实现开关，需要工作于线性区，那么|vINPI-vINN| > |vGSP| = |vINP1-vINP+vTHP+vTHN| 当VINP1-VINN > 0， P2不能开启; 当VINP1-VINN < 0， VINP-VINN < - (VTHN+VTHP) P2能开启； 即I VIffl_VINP I > IVTHN+VTHPI ，此时电流开关才能正常工作。 可见，在饱和状态下PMOS和NMOS管流过的电流相同，所以只需要将PMOS和NMOS 管的跨导设计相同，那么这个前置放大器可以接收的最小差分电压即为|vTHP-vTHN| 。
当差分电压小于最小差分电压时，电流开关PMOS管由于(VTHN < _VTHP时)VesP电压 较小，处于弱导通状态，不能供应额定尾电流Ib，尾电流中会有一部分来至开关Pl/P2管的 导入电流对，另一部分来至负载电容的泄放电荷，使两输出都处于低电平，由于(_VTHP< VTHN 时)V^电压较大，处于强导通状态，可以流过电流大于额定尾电流Ib，所以开关Pl/P2管电 流流量大于尾电流Ib，开关Pl/P2管会对负载电容注入电荷，使两输出负载电容上的电压 都处于较高电平。 当差分电压大于或远大于最小差分电压时，一个电流开关管将表现为关闭状态， 使电荷流出负载电容，负载电容上的电压迅速下降，而另一个电流开关管处在强导通线性 区状态，除了供应尾电流拉，还有较大电流对负载电容注入电荷，而将电平迅速拉高。
因为输入的两信号是交越对称的，所以当两信号的差分电压小于|VTHP_VTHN|阶段 时，完全由源随Nl/N2管和电流开关Pl/P2管的VTH决定，当源随Nl/N2管的VTH电压高于电 流开关P1/P2时，两个电流开关NN0S管都工作在线性区，差分输入信号不能有效放大，同时 使输出的共模电压会偏高。当源随N1/N2管的V^电压小于电流开关P1/P2时，两个电流开 关NNOS管都趋于截止，不能对差分信号进行有效放大，同时会使输出的共模电压会偏低。 所以，只有当两信号的最大差分电压大于|VTHP-VTra|时，才能有效接收。
当输入信号较大时，由于差分信号是交替变化的，所以用于放大的P1/P2会在截 止、饱和放大和线性区三种状态下切换工作，而之前的放大器只有饱和工作区工作。正是 由于有截止和线性区工作，使得前置放大器功耗降低到只有普通前置放大器功耗的1/3以 下。 本发明的优点如下 本发明在工作的时候，由于差分信号是交替变化的，所以用于放大的mos管，都会 在截止、饱和放大和线性区三种状态下切换工作，正是由于有截止和线性区工作，使得前置 放大器功耗降低到只有普通前置放大器功耗的1/3以下。
图1为传统的前置放大器结构示意图 图2为本发明采用PMOS管作为源随器时的结构示意图 图3为本发明采用NMOS管作为源随器时的结构示意图 图4为本发明的差分电压小于最小差分电压时的波形图 图5为本发明的差分电压大于或远大于最小差分电压时的波形图
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低阻传输线接收前置放大器，至少包括两个用作源随器的PM0S管和两个用作放 大器的NMOS管，或者两个用作源随器的NMOS管和两个用作放大器的PMOS管，用于对输入 信号进行升压或者降压；至少包括四个尾电流源ibl、 ib2、 ib3、 ib4，四个尾电流源大小相 等，值为Ib，根据两个输出端Out_p、 Out_n连接的负载大小进行电流调整。
根据MOS管电流公式1 = l/2UC。xW/L(Ves-VTH)2可知，在饱和状态下四个MOS管 流过的电流相同，将MOS管的跨导设计相同，所述前置放大器接收的最小差分电压即为 VTHP_VTHN I /2 ，其中 U为载流子迁移率，PMOS管沟道中空穴载流子迁移率为Up，而NMOS管沟道下电子
载流子迁移率为Un ; Cox为单位面积栅氧化层电容； W为PMOS或NMOS管的沟道宽度；L为PMOS或NMOS管的沟道长度； Ves为PMOS或NMOS管的栅极于源极之间的静态电压差；
VTH为PMOS或NMOS管各自对应的阈值电压。 如图2所示，当采用两个PMOS管Pl、 P2作为源随器时，用于实现信号VINP、 VIffl的 源随，将输入信号V，、V^升压；两个NM0S管N1、 N2作为两个电流开关管，用于电流导通控制的栅源电压V,、 还设置有二极管D1、D2尾用于实现输出最低电压嵌位，最低电压为
V國—mim = VINN+VDSN2+VD1
V0UTP—mim = VINP+VDSN1+VD2 其中V。UTP mim、 V。UTN mim为前置放大器正负输出端各自输出最低电压，VD1、 VD2为流过 额定电流时二极管的两端压差； RECEIVER对于前置放大后信号进行处理的接收器，其输入端等效为前置放大器的 两个相等的负载电容。 Pl、 P2、 Nl、 N2、 Dl、 D2、 RECEIVER的具体连接方式如图2所示，Pl、 P2漏端接地 (gnd)，Pl的栅级接V^，P2的栅级接V，，P1的源级与P1自己的衬底连接，并与N1的栅级和 电流源ibl连接，P2的源级与P2自己的衬底连接，并N2的栅级和电流源ib2连接；N1的栅 级与Pl的源级连接，Nl的源级与输入VINN连接，Nl的衬底接地，Nl漏级与D2的负级连接， N2的栅级与P2的源级连接，N2的源级与输入VINP连接，N2的衬底接地，N2漏级与Dl的负 级连接；D1的负极与N2的漏级连接，D1的正极与电流源ib3连接，并连接到RECEIVER的输 入端Voutn ;D2的负极与Nl的漏级连接，D2的正极与电流源ib4连接，并连接到RECEIVER 的输入端Voutp ;0ut_p为RECEIVER的正输出端，Out_n为RECEIVER的负输出端。
流过额定电流时，作为放大器的NMOS管N1、N2的栅源电压分别为Vesm、 VesN2T，其 开关特性为 当Vesm > Vesm时，电流开关Nl导通；当VesN1 < Vesm时，电流开关Nl关闭，从而
9实现所有尾电流导入或抽取更大的电流导出负载电容； 当Ve弧> V③2T时，电流开关N2导通；当Ve， < Ve，T时，电流开关N2关闭，从而 实现所有尾电流导入或抽取更大的电流导出负载电容。 两个NM0S管N1、 N2在稳定输入信号时，均交替工作于截止和线性区，截止区使尾 电流全部流入负载电容，而线性区可以抽取更大电流，所以采用这种具有电流开关特性的 前置放大器，具有低功耗，高带宽的优点。 放大器四路尾电流大小相同，电流值可以根据V。UTP、 V。UTN所接负载电容进行调整。 NM0S管饱和电流绝对值为lb = l/2unC。xW/L (V^-V )2 ; PMOS管饱和电流绝对值为lb = l/2upC。xW/L (VGSP-VTHP)2 ; 设计时使NMOS跨导gmn与PMOS跨导gmp相等，均工作于饱和区，有 gmP = [2upC。x (Wp/Lp) Ib]1/2 gmn = [2unC。x (Wn/Ln) Ib]1/2g = gnip 可以得到 2upC。x (Wp/Lp) = 2unC。x (Wn/Ln) ， |VGSN-VTHN| = |VGSP-V，| = | VINN-VINN「VTHP | 然后得到VGSN-VTHN = Vm+VTHP-VINN > 0， VGSN = Vm+VTHP-VINN+VTHN > 0 ; 最后，如果N1电流开关管要实现开关，需要工作于线性区，那么 I V丽-V冊I > VGSN = Vm-VINN+VTHP+VraN 当V腿-V冊> 0， VINP-VINN < - (VTHN+VTHP) ， Nl能开启; 当VINN1-VINP < 0， Nl不能开启； 如果N2电流开关管要实现开关，需要工作于线性区，那么 IVINP1—VINNI > VGSN = VINP1—VINP+VTHP+VraN 当VINP1-VINN > 0， VINP-VINN > VTHN+VTHP， N2能开启; 当VINP1-VINN < 0， N2不能开启;即I vIffl-vINP I > I vTHN+vTHP I ，此时电流开关才能正常工作。 可见，在饱和状态下PMOS和NMOS管流过的电流相同，所以只需要将PMOS和NMOS 管的跨导设计相同，那么这个前置放大器可以接收的最小差分电压即为|VTHP-VTHN| 。
当差分电压小于最小差分电压时，如图4所示，电流开关NM0S管由于(VTHN>_VTHP 时)VGSN电压较小，处于弱导通状态，不能流过额定尾电流Ib，所以会有部分不能通过的开 关N1/N2管的电流对负载电容充电，使两输出都处于高电平，由于(_VTHP > VTHN时)VGSN电 压较大，处于强导通状态，可以流过大于额定尾电流Ib，所以尾电流量不够的开关Nl/N2管 流，开关NMOS管会对负载电容上的电荷泄放，使两输出负载电容上的电压都处于低电平。
当差分电压大于或远大于最小差分电压时，如图5所示，一个电流开关管将表现 为关闭状态，使流入负载电容，负载电容上的电压迅速上升，而另一个电流开关管处在强导 通线性区状态，将尾电流拉完后还可以将负载电容中电荷迅速泄放，而将电平迅速拉低。
因为输入的两信号是交越对称的，所以当两信号的差分电压小于|VTHP_VTHN|阶段 时，完全由源随PMOS管和电流开关NMOS管的VTH决定，当源随PMOS管的VTH电压高于电流 开关NMOS时，两个电流开关NNOS管都工作在线性区，差分输入信号不能有效放大，同时使 输出的共模电压会偏低。当源随PMOS管的^电压小于电流开关NMOS时，两个电流开关 NNOS管都不能提供足够电流供给尾电流源，会使输出的共模电压会偏低。所以，只有当两信 号的最大差分电压大于|VTHP-VTra|时，才能有效接收。
当输入信号较大时，由于差分信号是交替变化的，所以用于放大的N1/N2会在截 止、饱和放大和线性区三种状态下切换工作，而之前的放大器只有饱和工作区工作。正是 由于有截止和线性区工作，使得前置放大器功耗降低到只有普通前置放大器功耗的1/3以 下。 当采用两个NM0S管Nl、 N2作为源随器时，用于实现信号VINP、 VIffl的源随，将输入 信号V，、V^降压； 如图3所示，两个PM0S管Pl、 P2作为两个电流开关管，用于电流导通控制的栅源 电压VGSP1 、 VGSP2 : VGSP1 — V丽「V冊—VINN_VGSN「VINP
VGSP2 = VINP「VINN = VINP-VGSN2-VINN ; 还设置有二极管D1，D2尾用于实现输出最高电压嵌位，最高电压为V。謂—maX = VINN-VDSN2-VD2 V。UTP—隨=VINP-VDSN1-VD1 ; 其中，V。UTPmax、V。UTN max为前置放大器正负输出端各自输出最高电压，VD1、 VD2为流过 额定电流时二极管的两端压差； RECEIVER对于前置放大后信号进行处理的接收器，其输入端等效为前置放大器的 两个相等的负载电容。 N1、N2、P1、P2、D1、D2、 RECEIVER的具体连接方式如图3所示，N1、N2漏端接电源 (vdd) ， Nl的栅级接VIffl， N2的栅级接VINP， Nl的源级与Pl的栅级连接，并与电流源ib2连 接，N2的源级与P2的栅级连接，并和电流源ibl连接；P1的栅级与Nl的源级连接，Pl的 源级与输入VINP连接，Pl的衬底接电源，Pl漏级与Dl的正级连接，P2的栅级与N2的源级 连接，P2的源级与输入VINN连接，P2的衬底接地，P2漏级与D2的正级连接；D1的正极与Pl 的漏级连接，Dl的负极与电流源ib3连接，并连接到RECEIVER的输入端Voutp ;D2的正极 与P2的漏级连接，D2的负极与电流源ib4连接，并连接到RECEIVER的输入端Voutn ;0ut_ p为RECEIVER的正输出端，0ut_n为RECEIVER的负输出端。 流过额定电流时，作为放大器的NM0S管P1、P2的栅源电压分别为V曙t、V^t，其 开关特性为 当|VesP1| > |VesP1T|时，电流开关Pl导通；当|VesP1| < |VesPIT|时，电流开关Pl截
止，从而实现向负载电容注入更多电荷或通过额定尾电流将负载电容中电容抽走； 当I VesP21 > I VesP2T I时，电流开关P2导通；当I VesP21 < I VesP2T I时，电流开关P2截
止，从而实现向负载电容注入更多电荷或通过额定尾电流将负载电容中电容抽走。 两个PM0S管P1、 P2在稳定输入信号时，均交替工作于截止和线性区，截止区由尾
电流负载电容中的电荷迅速抽走，而线性区可以向负载电容快速注入更多电荷，所以采用
这种具有电流开关特性的前置放大器，具有低功耗，高带宽的优点。 放大器四路尾电流大小相同，电流值可以根据V。UTP， V。UTN所接负载电容进行调整。 NMOS管饱和电流绝对值公式Ib = l/2unC。xW/L (VesN-VTHN)2 ; PMOS管饱和电流绝对值公式Ib = l/2upC。xW/L (Vesp-VTHP)2 ; 设计时使NMOS跨导gmn与PMOS跨导gmp相等，均工作于饱和区，有 g迈p = [2UpC。x(Wp/Lp) Ib]1/2 g迈n[2UnC。x(Wn/Ln) Ib]1/2 g = gnip
可以得到 2UpC。x(Wp/Lp) = 2UnC。x(Wn/Ln)， |VGSP-VTHP| = |VGSN_VTJ = |VINN,NN「VTfflJ然后得到VGSP-VTHP = Vm+VTHN-VINN < 0， VGSP = KNN1+VTHP-VINN+VTHN < 0 ; 最后，如果P1电流开关管要实现开关，需要工作于线性区，那么 |VINN「VINP| > |VGSP| = |VINN「VINN+VTHP+VTfflJ 当VINN1-VINP > 0， PI不能开启； 当VINN1-VINP < 0， VINP_Vira > VTra+VTHP PI能开启； 如果P2电流开关管要实现开关，需要工作于线性区，那么 |VINP「VINN| > |VGSP| = |VINP「VINP+VTHP+VTfflJ 当VINP1-VINN > 0， P2不能开启; 当VINP1-VINN < 0 ， VINP-VINN < - (VTHN+VTHP) P2能开启； 即I VIffl_VINP I > IVTHN+VTHPI ，此时电流开关才能正常工作。 可见，在饱和状态下PMOS和NMOS管流过的电流相同，所以只需要将PMOS和NMOS 管的跨导设计相同，那么这个前置放大器可以接收的最小差分电压即为|vTHP-vTHN| 。
当差分电压小于最小差分电压时，如图4所示，电流开关PM0S管由于(VTHN<_VTHP 时)V^电压较小，处于弱导通状态，不能供应额定尾电流Ib，尾电流中会有一部分来至开 关P1/P2管的导入电流对，另一部分来至负载电容的泄放电荷，使两输出都处于低电平，由 于(_VTHP < VTHN时)VesP电压较大，处于强导通状态，可以流过电流大于额定尾电流Ib，所以 开关Pl/P2管电流流量大于尾电流Ib，开关Pl/P2管会对负载电容注入电荷，使两输出负载 电容上的电压都处于较高电平。 当差分电压大于或远大于最小差分电压时，如图5所示，一个电流开关管将表现 为关闭状态，使电荷流出负载电容，负载电容上的电压迅速下降，而另一个电流开关管处在 强导通线性区状态，除了供应尾电流拉，还有较大电流对负载电容注入电荷，而将电平迅速拉高。 因为输入的两信号是交越对称的，所以当两信号的差分电压小于|VTHP_VTHN|阶段 时，完全由源随Nl/N2管和电流开关Pl/P2管的VTH决定，当源随Nl/N2管的VTH电压高于电 流开关P1/P2时，两个电流开关NN0S管都工作在线性区，差分输入信号不能有效放大，同时 使输出的共模电压会偏高。当源随N1/N2管的V^电压小于电流开关P1/P2时，两个电流开 关NNOS管都趋于截止，不能对差分信号进行有效放大，同时会使输出的共模电压会偏低。 所以，只有当两信号的最大差分电压大于|VTHP-VTra|时，才能有效接收。
当输入信号较大时，由于差分信号是交替变化的，所以用于放大的P1/P2会在截 止、饱和放大和线性区三种状态下切换工作，而之前的放大器只有饱和工作区工作。正是 由于有截止和线性区工作，使得前置放大器功耗降低到只有普通前置放大器功耗的1/3以 下。
权利要求
低阻传输线接收前置放大器，其特征在于至少包括两个用作源随器的PMOS管和两个用作放大器的NMOS管，或者两个用作源随器的NMOS管和两个用作放大器的PMOS管，用于对输入信号进行升压或者降压；至少包括四个尾电流源ib1、ib2、ib3、ib4，四个尾电流源大小相等，值为Ib，根据两个输出端Out_p、Out_n连接的负载大小进行电流调整；根据MOS管电流公式I＝1/2UCOXW/L(VGS-VTH)2，在饱和状态下四个MOS管流过的电流相同，将MOS管的跨导设计相同，前置放大器接收的最小差分电压为|VTHP-VTHN|/2。其中U为载流子迁移率，PMOS管沟道中空穴载流子迁移率为Up，而NMOS管沟道下电子载流子迁移率为Un；Cox为单位面积栅氧化层电容；W为PMOS或NMOS管的沟道宽度；L为PMOS或NMOS管的沟道长度；VGS为PMOS或NMOS管的栅极于源极之间的静态电压差；VTH为PMOS或NMOS管各自对应的阈值电压。
2. 根据权利要求1所述的低阻传输线接收前置放大器，其特征在于当采用两个PMOS 管Pl、 P2作为源随器时，用于实现信号VINP、 VINN的源随，将输入信号VINP、 VINN升压；两个NMOS管N1、N2作为两个电流开关管，用于电流导通控制的栅源电压VesN1、 VesN2 :vGSN1 = v腿-v冊=(vGSP1+vINN)-vINPVgSN2 一 VINP1_Vinn 一 (VGSp2+VjNp) —Vjnn ;还设置有二极管D1、D2尾用于实现输出最低电压嵌位，最低电压为V()utn—mim — VINN+VDSN2+VmVoutp—mim — VINP+VDSN1+VD2其中v。UTP—mim、 v。UTN—mim为前置放大器正负输出端各自输出最低电压，VD1、 VD2为流过额定 电流时二极管的两端压差；RECEIVER是对于前置放大后信号进行处理的接收器，其输入端等效为前置放大器的两 个相等的负载电容。
3. 根据权利要求2所述的低阻传输线接收前置放大器，其特征在于所述Pl、 P2、 Nl、 N2、D1、D2、RECEIVER的连接方式为P1、P2漏端接地，Pl的栅级接VINN， P2的栅级接VINP，P1 的源级与Pl自己的衬底连接，并与Nl的栅级和电流源ibl连接，P2的源级与P2自己的衬 底连接，并N2的栅级和电流源ib2连接；N1的栅级与Pl的源级连接，N1的源级与输入VINN 连接，Nl的衬底接地，Nl漏级与D2的负级连接，N2的栅级与P2的源级连接，N2的源级与 输入VINP连接，N2的衬底接地，N2漏级与Dl的负级连接；D1的负极与N2的漏级连接，D1的 正极与电流源ib3连接，并连接到RECEIVER的输入端Voutn ;D2的负极与Nl的漏级连接， D2的正极与电流源ib4连接，并连接到RECEIVER的输入端Voutp ;0ut_p为RECEIVER的正 输出端，Out_n为RECEIVER的负输出端。
4. 根据权利要求2所述的低阻传输线接收前置放大器，其特征在于流过额定电流时， 作为放大器的NMOS管Nl、 N2的栅源电压分别为Vesm、 V^t，其开关特性为当VesN1 > Vesm时，电流开关Nl导通；当VesN1 < Vesm时，电流开关Nl关闭，从而实现所有尾电流导入或抽取更大的电流导出负载电容；当VGSN2 > VGSN2T时，电流开关N2导通；当VGSN2 < VGSN2T时，电流开关N2关闭，从而实现所有尾电流导入或抽取更大的电流导出负载电容。
5. 根据权利要求1所述的低阻传输线接收前置放大器，其特征在于当采用两个NMOS管Nl、N2作为源随器时，用于实现信号VINP、VINN的源随，将输入信号VINP、VIffl降压；两个PMOS管P1、P2作为两个电流开关管，用于电流导通控制的栅源电压Vw『V^2 :VgSPI — VINN1_VjNP — Vjnn—Vqs肌—VjnpVgSP2 — VINP1_Vjnn — Vjnp—Vqsn2—Vjnn ;还设置有二极管Dl， D2尾用于实现输出最高电压嵌位，最高电压为Voutn—max — VINN_VDSN2_VD2VoUTP—max — VINP_VDSN1_VD1 ;其中，v。UTP—max、v。UTN—max为前置放大器正负输出端各自输出最高电压，VD1、VD2为流过额定电流时二极管的两端压差；RECEIVER对于前置放大后信号进行处理的接收器，其输入端等效为前置放大器的两个相等的负载电容。
6. 根据权利要求5所述的低阻传输线接收前置放大器，其特征在于所述Nl、 N2、 Pl、P2、 Dl、 D2、 RECEIVER的具体连接方式为:N1、 N2漏端接电源(vdd) ， Nl的栅级接VINN， N2的栅级接V，，N1的源级与P1的栅级连接，并与电流源ib2连接，N2的源级与P2的栅级连接，并和电流源ibl连接；P1的栅级与Nl的源级连接，P1的源级与输入V，连接，P1的衬底接电源，Pl漏级与Dl的正级连接，P2的栅级与N2的源级连接，P2的源级与输入V^连接，P2的衬底接地，P2漏级与D2的正级连接；D1的正极与Pl的漏级连接，Dl的负极与电流源ib3连接，并连接到RECEIVER的输入端Voutp ;D2的正极与P2的漏级连接，D2的负极与电流源ib4连接，并连接到RECEIVER的输入端Voutn ;0ut_p为RECEIVER的正输出端，0ut_n为RECEIVER的负输出端。
7. 根据权利要求5所述的低阻传输线接收前置放大器，其特征在于流过额定电流时，作为放大器的NMOS管Pl、 P2的栅源电压分别为VesP1T、 V^t，其开关特性为当|VesP1| > |VesP1T|时，电流开关Pl导通；当|VesP1| < |VesP1T|时，电流开关Pl截止，从而实现向负载电容注入更多电荷或通过额定尾电流将负载电容中电容抽走；当|VGSP2| > |VGSP2T|时，电流开关P2导通；当|VGSP2| < |VGSP2T|时，电流开关P2截止，从而实现向负载电容注入更多电荷或通过额定尾电流将负载电容中电容抽走。
全文摘要
本发明公开了低阻传输线接收前置放大器，至少包括两个用作源随器的PMOS管和两个用作放大器的NMOS管，或者两个用作源随器的NMOS管和两个用作放大器的PMOS管，用于对输入信号进行升压或者降压；还包括四个尾电流源ib1、ib2、ib3、ib4，四个尾电流源大小相等，值为Ib，根据输出端Out_p、Out_n连接的负载大小进行调整；MOS管的跨导相同，得到放大器接收的最小差分电压为|VTHP-VTHN|/2；在工作的时候，由于差分信号是交替变化的，用于放大的MOS管会在截止、饱和放大和线性区三种状态下切换工作，正是由于有截止和线性区工作，使前置放大器功耗降低到只有普通前置放大器功耗的1/3以下。
文档编号H03G5/22GK101741332SQ200910216680
公开日2010年6月16日 申请日期2009年12月10日 优先权日2009年12月10日
发明者向建军, 岳兆强 申请人:四川和芯微电子股份有限公司