专利名称：可调谐的金属氧化物半导体线性跨导放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种线性跨导放大器，尤其是具有金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)差分对的线性跨导放大器，其可以完全地线性操作和调谐跨导。
近年来，线性跨导放大器已被公认作为模拟信号应用中的基本功能块。尤其是，对于能够调谐跨导的金属氧化物半导体(MOS)线性跨导放大器的需求变得越来越强。
通常，常规的MOS线性跨导放大器具有利用MOSFET的平方律转换特性构成的两个浮置的晶体管。这种常规MOS线性跨导放大器的输出电流是两个浮置晶体管的两个输出电流之间的差值。
在常规MOS线性跨导放大器中跨导的线性是由下面等式(1)确定的。
β(Vi+VTH)2-β(Vi-VTH)2＝4βVTH·Vi(1)在等式(1)中，Vi是差分输入电压，VTH是MOSFET的门限电压，β是MOSFET的跨导参数。跨导参数β是如下确定β=μCOX2·WL]]>这里μ是载流子的迁移率，Cox是每个单位面积的栅氧化物电容，W和L分别是MOSFET的栅级宽度和栅极长度。
等式(1)是在这种情况下设定给出的，即，(a)所有MOSFET的特征是一致的，(b)沟道长度调制和人体效应可以忽略，(c)MOSEFT的漏极电流ID按照平方律特性随它的栅极与源极电压VGS变化；即，建立下面的等式(2)。
ID＝β(VGS-VTH)2(2)
图1示出了这种常规MOS线性跨导放大器的一个实例。这个放大器是在1996年8月29日出版的一篇文章，IEE电子收信，第32卷，No.18.中的第1629-1630页中披露的，其题目为“在MOS线性跨导放大器中跨导增益和输入线性范围的独立控制”，是由J.MahattanakulC.Toumazou所著。
在该文章中描述一个已知的事实，即，具有平方律特性的电流是由图1所示的平方根电路，图2中所示的一双极平方根电路和MOS平方根电路，以及使用MOS差分对的MOS线性跨导放大器和参照图3的威尔孙电流镜像所线性化的。
图1所示的常规MOS跨导放大器具有如下的结构。
两个n沟道MOSFET M101和M102构成一个MOS差分对。三个n沟道MOSFET M103、M107和M109构成一第一威尔孙电流镜像电路。三个n沟道MOSFET M104、M108和M110构成一第二威尔孙电流镜像电路。两个n沟道MOSFET M105和M106作为浮置晶体管。
MOSFET M101和M102的源极连接在一起，并通过陷落恒定电流ISS的一恒流变换器与加有电源电压VSS的电源线连接。MOSFET M101和M102的栅极分别加有第一和第二输入电压Vin1和Vin2，这里Vin1-Vin2＝Vi。MOSFET M101和M102的漏极分别连接MOSFET M105和M106的源极。
MOSFET M103的源极与地连接。MOSFET M103的栅极与MOSFET M109的栅极和漏极连接。MOSFET M103的漏极经过陷落恒定电流IO的一恒流变换器与加有电源电压VDD的一电源线连接。
M109的源极与地连接。MOSFET M109的栅极和漏极连接在一起，并与MOSFET M107的源极连接。
MOSFET M107的栅极与MOSFET M103的漏极和MOSFET M105的栅极连接。MOSFET M107的漏极在Y点与MOSFET M106的漏极连接。
MOSFET M104的源极与地连接。MOSFET 104的栅极与MOSFETM110的栅极和漏极连接。MOSFET M104的漏极经过陷落恒流IO的电流变换器与加有电源电压VDD的电源线连接。
MOSFET M110的源极与地连接。MOSFET M110的栅极和漏极连接在一起并与MOSFET M108的源极连接。
MOSFET M108的栅极与MOSFET M104的漏极和MOSFET M106的栅极连接。MOSFET M108的漏极在X点与MOSFET M105的漏极连接。
下面将说明这个常规MOS线性跨导放大器的工作原理，其是根据发明人的分析给出的。
这里，设定所有MOSFET M101、M102、M103、M104、M105、M106、M107、M108、M109和M110是工作在饱合区的。还有，MOSFET M101至M110的漏极电流分别确定为ID101、ID102、ID103、ID104、ID105、ID106、ID107、ID108、ID109、ID110。
那么，使用上面的等式(2)建立起下面的等式(3a)和(3b)。ID101=ID105=12{ISS+βVi2ISSβ-Vi2}---(3a)]]>[|Vi|≤ISSβ]]]>ID102=ID106=12{ISS-βVi2ISSβ-Vi2}---(3b)]]>[|Vi|≤ISSβ]]]>因为MOSFET M103、M107以及M109的组合和MOSFET M104、M108以及M110的组合分别构成了威尔孙电流镜像电路，所以给出下面等式(4)。
ID103＝ID107＝ID109＝ID104＝ID108＝ID110＝IO(4)因此，如果流经X和Y点的电流被定义为I101-I102，那么在图1中所示的常规MOS线性跨导放大器的输出电流Iout由下面等式(5)给出。
IOUT＝I101-I102＝(ID105+ID108)-(ID106+ID107)(5)=βVi2ISSβVi2[|Vi|≤ISSβ]]]>等式(5)是与简单的MOS差分对的公知的差分输出电流相同的。因此，图1中所示的常规MOS线性跨导放大器存在一个问题，即不可能有完全的线性转换特性。
图1所示的常规放大器还有另一个问题，即，在保持放大器特性不变时，跨导值是不可调的。
本发明的目的是提供一种实现完全线性转换特性的MOS线性跨导放大器。
本发明的另一目的是提供一种在保持放大器特性不变化的同时，能够调谐跨导的MOS线性跨导放大器。
通过下面的描述将使本领域技术人员对上述目的及其它等特别陈述的目的有更清楚的了解。
根据本发明的MOS线性跨导放大器包括(a)源极连接的第一和第二MOSFET的一MOS差分对，(b)与第一和第二MOSFET的相连接的源极连接的第一恒流源/变换器，其为了驱动MOS差分对提供/陷落第一恒流，(c)与第一MOSFET的漏极连接的第一平方根电路，以及(d)与第二MOSFET的漏极连接的第二平方根电路。
在第一和第二MOSFET的栅极对MOS差分对施加一输入电压，在第一和第二MOSFET的各自漏极差分输出第一和第二输出电流。
第一平方根电路被施加MOS差分对的第一输出电流，其输出与第一输出电流有平方根转换特性的第三输出电流。
第二平方根电路被施加MOS差分对的第二输出电流，其输出与第二输出电流有平方根转换特性的第四输出电流。
MOS线性跨导放大器的输出电流是由第三和第四输出电流的差值给出的。
对于按照本发明的MOS线性跨导放大器，MOS差分对的第一和第二输出电流被分别加至第一和第二平方根电路，该MOS差分对相对于输入电压是有相同的转换特性，只是输入电压极性不同。
在另一方面，第三输出电流相对于第一输出电流有一平方根转换特性，第四电流相对于第二输出电流有一平方根转换特性。
因此，第一和第二平方根电路的第三和第二输出电流之间的差值是一完全线性转换的特性。这是由下面等式(6)确定的，这里a是一参数，X是一变量。a+2xa-12x2-a-2xa-12x2=2x---(6)]]>等式(6)的左边代表MOS线性跨导放大器的差分输出电流；换句话说，即第一和第二平方根电路的第三和第四输出电流间的差值。等式(6)的右侧代表输入电压。
在按照本发明的放大器的最佳实施例中，第一和第二平方根电路中的每一个都有第一、第二、第三和第四双极晶体管，和提供/陷落第二恒流用于驱动第一晶体管的一第二恒流源/变换器。
第二晶体管的基极和发射极是分别与第一晶体管的集电极和基极连接。第二晶体管是由MOS差分对的第一和第二输出电流中相对应的一个驱动的。
第三晶体管的基极与第二晶体管的基极连接。
第四晶体管的基极和集电极与第三晶体管的发射极连接。第四晶体管的发射极与第一晶体管的发射极连接。
第三晶体管的集电极电流作为第三和第四输出电流中相应的一个。
在此情况下，第二恒流源/变换器最好设计为第二恒流是可变的。所产生的优点是MOS线性跨导放大器的跨导也是可变的；换句话说，跨导是可调的。
在按照本发明的另一最佳实施例中，第一和第二平方根电路的每一个都有第三、第四、第五和第六MOSFET，和用于驱动第三MOSFET提供/吸收第二恒流的一第二恒流源/变换器。
第四MOSFET的栅极和漏极与第三MOSFET的漏极和栅极分别连接。第四MOSFET是由MOS差分对的第一和第二输出电流中的相应的一个驱动的。
第五MOSFET的栅极与第四MOSFET的栅极连接。
第六MOSFET的栅极与漏极与第五MOSFET的源极连接。第六MOSFET的源极与第三MOSFET的源极连接。
第五MOSFET的漏极电流作为第三和第四输出电流中相应的一个。
在此情况下，第二恒流源/变换器最好被设计为第二恒流是可变的。所增加的优点是MOS线性跨导放大器的跨导是可变的；换句话说，跨导是可调的。
在本发明的再一个最佳实施例中，第一和第二平方根电路中的每一个还有第一组n个串联连接的MOSFET和第二组n个串联连接的MOSFET，其中n是等于或大于一的整数。
第一组n个串联连接的MOSFET中的每一个有一个二极管连接。第一组n个MOSFET的第一个MOSFET的漏极和栅极与第三MOSFET的源极连接。
第二组n个串联连接的MOSFET中的每一个有一个二极管连接。第二组n个MOSFET的第一个MOSFET的漏极和栅极与第六MOSFET的源极连接。
第三MOSFET的源极经第一组n个MOSFET和第二组n个MOSFET与第六MOSFET的源极连接。
在本发明的另一个放大器的最佳实施例中，第一平方根电路具有第三、第四、第五和第六MOSFET，以及用于驱动第三MOSFET提供/吸收第二恒流的一第二恒流源/变换器，而第二平方根电路有第七、第八、第九和第十MOSFET，以及用于驱动第七MOSFET提供/吸收第三恒流的一第三恒流源/变换器。
第三、第四、第七和第八MOSFET是二极管连接的。
第三MOSFET的栅极和漏极与第二恒流源/变换器连接。第三MOSFET的源极与第四MOSFET的栅极和漏极连接。
第四MOSFET的源极与第六MOSFET的源极连接。
第五MOSFET的栅极与第一MOSFET的栅极连接。第五MOSFET的漏极作为从中引出第三输出电流的一输出端。第五MOSFET的源极与第一和第二MOSFET的漏极中相应的一个连接。
第六MOSFET与第五MOSFET的源极连接。
第七MOSFET的栅极和漏极与第三恒流源/变换器连接。第七MOSFET的极与第八MOSFET的栅极和漏极连接。
第八MOSFET和源极与第十MOSFET的源极连接。
第九MOSFET的栅极与第二MOSFET的栅极连接。第九MOSFET的漏极作为从其中引出第四输出电流的一输出端。第九MOSFET的源极与第一和第二MOSFET的漏极中的相应的一个连接。
第十MOSFET的栅极与第九MOSFET的源极连接。
第六MOSFET和漏极与第七MOSFET的漏极连接。第十MOSFET的漏极与第五MOSFET的漏极连接。
在按照本发明的另一最佳实施例中，MOS线性跨导放大器的输出电流具有与第二恒流相当的线性特性。
为更方便地实施本发明，现将参照附图进行说明。
图1是常规MOS线性跨导放大器的电路图。
图2是表示本发明的一MOS线性跨导放大器的基本结构的电路图。
图3是表示本发明的MOS线性跨导放大器的转换特性的曲线图。
图4是用于本发明的一MOS线性跨导放大器的一双极平方根电路的电路图。
图5是根据本发明的第一实施例的一MOS线性跨导放大器的电路图，其包括两个如图4所示的双极平方根电路。
图6示出了根据本发明的第一实施例的一MOS线性跨导放大器的测试出的转换特性的曲线图。
图7是用于本发明的一MOS线性跨导放大器的一MOS平方根电路的电路图。
图8是根据本发明的第二实施例的一MOS线性跨导放大器的电路图，其包括图7中所示的两个MOS平方根电路。
图9是用于按照本发明第三实施例的一MOS线性跨导放大器的一MOS平方根电路的电路图。
图10是用于按照本发明的第四实施例的一MOS线性跨导放大器的一MOS平方根电路的电路图。
图11是根据本发明第五实施例的一MOS线性跨导放大器的电路图，其包括如图7所示的两个MOS平方根电路，其中n＝0及K2＝4。
图12是根据本发明的第六实施例的一MOS线性跨导放大器的电路图13是根据本发明的第六实施例的一MOS线性跨导放大器的测试出的转换特性的曲线图。
图14是根据本发明的第七实施例的一MOS线性跨导放大器的一双极平方根电路的电路图。
图15是用于按照本发明的第八实施例的一MOS线性跨导放大器的一MOS平方电路的电路图。
下面将参照附图描述本发明的最佳实施例。
按照本发明的一MOS线性跨导放大器具有如图2所示的一基本结构。
在图2中，该MOS线性跨导放大器具有由源极连接的MOSFET M1和M2组成的差分对。为了驱动此MOS差分对与MOSFET M1和M2的相连接的源极连接，并提供/吸收恒流IO的一第一恒流源/变换器3、与MOSFET M1的漏极连接的第一平方根电路1a、以及与MOSFET M2的漏极连接的第二平方根电路1b。
该MOS差分对2是在MOSFET M1和M2的栅极上被差分地加上输入电压V1，并在MOSFET M1和M2各自的漏极差分地输出第一和第二输出电流(即，MOSFET M1和M2的漏极电流)ID1和ID2。
第一平方根电路1a被提供了MOS差分对2的第一输出电流ID2，其输出第二电流I+＝(ID1)1/2。
第二平方根电路1b被提供了MOS差分对2的第二输出电流ID2，其输出第四输出电流I-＝(ID2)1/2。
此MOS线性跨导放大器的输出电流ΔI是由第三和第四输出电流I+和I-之间的差值给出的；即，对于按照本发明的MOS线性跨导放大器，MOS差分对2的第一和第二输出电流ID1和ID2被分别加至第一和第二平方根电路1a和1b，该电流ID1和ID2具有相同的平方律特性，只是极性不同。
因此，第一和第二平方根电路1a和1b的第三和第四输出电流I+和I-间的差值ΔI是完全线性的转换特性。这是由前面的等式(6)所确保的。
具体地说，如果在等式(6)中常量a和变量X分别由1和[Vi/(IO/β)1/2]代替的话，那么就给出了下面的等式(7)。ID1-ID2=ΔI=βVi[|Vi|≤IOβ]---(7)]]>从等式(7)中可看出，本发明的MOS线性跨导放大器的差分输出电流ΔI＝(I+-I-)是差分输入电压Vi的线性函数。这就意味着此跨导放大器具有完全线性的转换特性。
图3示出了第一和第二平方根电路1a和1b的第三和第四输出电流I+＝(ID1)1/2.和I-[＝(ID2)1/2]的转换特性，以及此放大器的差分输出电流ΔI[＝(ID1)1/2-(ID2)1/2]。
从图3中可看出，第三输出电流I+[＝(ID1)1/2]有一平方律特性，而第四输出电流I-[＝(ID2)1/2]有极性与第三输出电流I+相反的一相同的平方律特性，产生在差分输出电流ΔI的完全地线性特性中。
第一实施例图5示出了根据本发明第一实施例的一MOS线性跨导放大器，在其中图4所示的电路结构被作为各个第一和第二平方根电路1a和1b。
图4示出了第一平方根电路1a的一个实例。由于第二平方根电路1b具有与第一平方根电路1a相同的结构，故将对第二平方根电路1b的描述省略。
在图4中，第一平方根电路1a是由四个npn型双极晶体管Q1、Q2、Q3及Q4、为驱动晶体管Q1提供第二恒流Ib的一第二恒流源10、以及提供恒定电压VE的恒压源4组成。晶体管Q2有一个K倍于晶体管Q1、Q3和Q4的发射极面积，这里K是大于1的常数(即，K≥1)。
晶体管Q1和Q4的发射极是连接在一起的，并经恒压源4与地连接。晶体管Q1的基极与晶体管Q2的发射极连接。晶体管Q1的集电极经恒流源10与提供电源电压VCC的电源线连接。晶体管Q1是由来自第二恒流源10的恒定偏置电流Ib驱动的。
晶体管Q2的基极与晶体管Q1的集电极连接。晶体管Q2的集电极与加有电压VCC的电源线连接。晶体管Q2的发射极与MOS差分对2的MOSFET M1的漏极连接。晶体管Q2是由MOS差分对2的电流I1(即，第一输出电流ID1)驱动。
晶体管Q3的基极与晶体管Q2的基极和晶体管Q1的集电极连接。晶体管Q3的集电极作为引出第三输出电流I+的一输出端。
晶体管Q4的基极和集电极连接在一起；换句话说，晶体管Q4是一二极管连接。晶体管Q4的连接的基极和集电极与晶体管Q3的发射极连接。
下面将说明图4所示的双极平方根电路1a的工作原理。
通常，双极晶体管的集电极电流Ic与它的基极对发射极的电压VBE有一指数律的特性。因此，建立了下面的等式(8)。IC=IS{exp(VBEVT)-1}---(8)]]>在等式(8)中，IS是双极晶体管的饱和电流，VT定义为VT＝KT/9的热电压，其中K是玻耳兹曼常数，T是开氏温度的绝对温度，q是电子的电量。
当双极晶体管是工作在基极对发射极电压VBE是大约600mV的正常工作区时，在等式(8)中的指数部分“exp(VBE/VT)”有近似e10的一值。因此，常数部分“-1”可以被忽略掉。因此，等式(8)可以被近似为下面的等式(9)。IC=ISexp(VBEVT)---(9)]]>通过对由晶体管Q1、Q2、Q3和Q4构成的环路应用基尔霍夫电压定律，为第一平方根电路1a建立了下面的等式(10)，其中VBE1、VBE2、VBE3和VBE4分别是晶体管Q1、Q2、Q3和Q4的基极对发射极电压。
VBE1+VBE2＝VBE3+VBE4(10)基极对发射极电压VBE1、VBE2、VBE3和VBE4如下面的等式(11)、(12)和(13)所表示。VBE1=VTln(IbIS)---(11)]]>VBE2=VTln(ID1KIS)---(12)]]>VBE3=VBE4=VTln(I+IS)---(13)]]>通过用等式(10)、(11)和(12)解等式(13)，第一平方根电路1a的第三输出电流I+由下面等式(14a)给出。I+=IbID1K---(14a)]]>等式(14a)代表输出电流I+正比于施加的漏极电流的平方根或第一输出电流ID1；换句话说，图4所示的电路结构给出了相对于它的输入信号的一平方根函数。
下面，描述根据本发明的第一实施例的MOS线性跨导放大器。
如图5所示，第二平方根电路1b是由四个npn型双极晶体管Q5、Q6、Q7和Q8、以及为了驱动晶体管Q5提供相同恒流Ib的第三恒流源组成。恒压源4是第二平方根电路1b共用的。
晶体管Q5和Q8的发射极连接在一起，并经恒压源4与地连接。晶体管Q5的基极与晶体管Q6的发射极连接。晶体管Q5的集电极经恒流源11与施加电压Vcc的电源线连接。晶体管Q5是由来自第三恒流源11的恒定偏置电流Ib驱动的。
晶体管Q6的基极与晶体管Q5的集电极连接。晶体管Q6的集电极与施加电压Vcc的电源线连接。晶体管Q6的发射极与MOS差分对2的MOSFET M2的漏极连接。晶体管Q6是由M0差分对2的电流I2(即，第二输出电流ID2)驱动的。
晶体管Q7的基极与晶体管Q6的基极和晶体管Q5的集电极连接。晶体管Q7的集电极从中引出第四输出电流I-的另一输出端。
晶体管Q8的基极和集电极连接在一起；换句话说，晶体管Q8是二极管连接。晶体管Q8的连接的基极和集电极与晶体管Q7的发射极连接。
如上所说明的，第一平方根电路1a的第三输出电流I+是由等式(14a)给出的。以与第一平方根电路1a的相同方式，第二平方根电路1b的第四输出电流I-是由类似于上面等式(14a)的等式(14b)给出。I-=IbID2K---(14b)]]>如果将等式(14a)和(14b)代入前面的等式(7)，那么根据本发明第一实施例的MOS线性跨导放大器的差分输出电流ΔI由下面等式(15)给出。ΔI=I+-I-=IbID1K-IbID2K]]>=βIbKVi[|Vi|≤IOβ]---(15)]]>从等式(15中)可看出，按照本发明第一实施例的MOS线性跨导放大器的差分输出电流ΔI正比于差分输入电压Vi。换句话说，按照本发明第一实施例的MOS线性跨导放大器具有相对于差分输入电压Vi完全线性的转换特性。
此外，从等式(15)中可看出，通过改变晶体管Q1和Q5的偏置电流跨导值是可变的。这意味着图5所示的电路结构实现了一种可调的MOS线性跨导放大器。
另外，通过改变晶体管Q2的发射极面积的比率K，可以调整跨导值。
图6示出了按照本发明第一实施例的MOS线性跨导放大器的转换特性，其是发明者在下述条件下测试的。
MOS差分对2是由-μPA572T型晶体管阵列构成。第一和第二双极平方根电路1a和1b是由CHS工艺制造的测试元件组(TEG)的CTW4型晶体管阵列构成的。电源电压Vcc被设定为5.0V。恒流变换器3的恒定电流(或尾电流)IO设定为约12mA。平方根电路1a和1b的共同发射极电压设为2.0V。发射极面积比率K设为9。晶体管Q1和Q5的偏置电流Ib设定为近似于9μA、110μA和140μA。当恒定或尾电流IO约为12mA时，MOS差分对2的工作输入电压范围是1VP-P。
从图6中可看出，在特定的范围内，差分输出电流ΔI具有完全线性的转换特性，并且根据晶体管Q1和Q5的偏置电流Ib，该完全线性转换特性可以移动。
第二实施例图8示出了按照本发明第二实施例的一MOS线性跨导放大器，在其中图7所示的电路结构被用作各个第一和第二平方根电路1a和1b。
图7示出了第一平方根电路1a的一个实施例。由于第二平方根电路1b具有与第一平方根电路1a相同的结构，因此这里省略了对第二平方根电路1b的描述。
在图7中，第一平方根电路1a是由4个n沟道MOSFET M3、M4、M5和M6，一个为驱动MOSFET M3提供第二恒流Ib的第二恒流源10，第一组21的n个串联的n沟道MOSFETM21-1至M21-n，以及第二组22的n个串联的n沟道MOSFET M22-1至M22-nMM，其中n≥1。
MOSFET M4的栅极宽度W与栅极长度L的比率(W/L)有MOSFET M3和第一组21的n个MOSFET M21-1至M21-n的K1倍，这里K1是大于1的一常数(即，K1≥1)。MOSFET M5和M6和第二组22的n个MOSFETM22-1至M22-n具有为MOSFET M3和第一组21的n个MOSFET M21-1至M21- n的K2倍的相同的比率(W/L)，其中K2是大于1的一常数(即，K2≥1)。
MOSFET M3的源极经第一组21的n个MOSFET M21-1至M21-n与地连接，MOSFET M6的源极经第二组22的n个MOSFET M22-1至M22-n与地连接。
与图4所示的第一实施例的双极结构不同，不设置用于电压电平调整的任何恒压源。这是因为第一组21的n个二极管连接的MOSFET M21-1至M21-n和第二组22的n个二极管连接的MOSFET M22-1至M22-n分别为MOSFET M3和M6的恒压源。
MOSFET M3的栅极与MOSFET M4的源极连接。MOSFET M3的漏极经恒流源10与提供电源电压VDD的电压线连接。MOSFET M3是由来自第二
MOSFET M5的栅极与MOSFET M4的栅极和MOSFET M3的漏极连接，MOSFETM5的漏极作为引出第三输出电流I+的一输出端。
MOSFET M6的一栅极和一漏极连接在一起；换句话说，MOSFET M6为一二极管连接。MOSFET M6的连接的栅极和漏极与MOSFET M5的源极连接。
第一组21的n个串联的MOSFET M21-1至M21-n中的每一个都为二极管连接。MOSFET M21-1的漏极及栅极与MOSFET M3的源极相连，MOSFET M21-n的源极接地。
第二组22的n个串联的MOSFET M22-1至M22-n的每一个具有一个二极管连接。MOSFET M21-1的漏极及栅极与MOSFET M6的源极相连。MOSFETM22-n的源极接地。
因此，MOSFET M3的源极通过MOSFET M21-1至M21-n及MOSFET M21-1至M21-n的第一及第二组21及22与MOSFET M6的源极相连。
接着，下面对图7中所示的MOS平方根电路的操作原理进行描述。
这里，MOSFET M3的跨导参数被设定为β。然后，MOSFET M21-1至M21-n的跨导参数用β表示，MOSFET M4的跨导参数用K1β表示，MOSFETM5、M6及M221到M22-n的跨导参数用K2β表示。
通过使用前述的等式(2)，分别用下面的等式(16)、(17)、(18)表示偏置电流Ib、输入电流I1(＝漏极电流ID1)及输出电流I+。
Ib＝ID3＝β(VGS3-VTH)2(16)I1＝ID1＝K1β(VGS4-VTH)2(17)I+＝ID5＝K2β(VGS5-VTH)2(18)在等式(16)、(17)、(18)中，VGS3、VGS4和VGS5为MOSFETM3、M4和M5的栅极对源极的电压，而ID1及ID2分别为MOSFET M3及M5的漏极电流。
同样，MOSFET M21-1至M21-n中的每一个具有与MOSFET M3的VGS3相同的栅极一源极电压，而MOSFET M21-1至M21-n的每一个及M6也具有与MOSFET M5的VGS5相同的栅极-源极电压。因此，产生了下面的等式(19)。
(n+1)VGS3+VGS4＝(n+2)VGS5(19)如果将等式(16)、(17)和(18)代入等式(19)，可给出下面和等式(20a)。I+=K2[(n+1n+2)Ib+(1n+2)I1K1]2---(20a)]]>={K2(n+2)2}{(n+1)2Ib+I1K1+2(n+1)IbI1K1}]]>以等式(20a)中可看出，图7中所示的第一平方根电路的输出电流I+(ID5)用I1的平方根来表示。然而，等式(20a)包括I1和Ib的第一次项。
在根据图8中所示的根据第二实施例的MOS线性跨导放大器中，第二平方根电路1b包括4个n-沟道MOSFET M7、M8及M9和M10，一个为了驱动MOSFET M7作为提供同一恒电流Ib的恒流源10的恒流源11、第三组23的n个串联n沟道MOSFET M23-1到M23-n和第四组24的n个串联n沟道MOSFET M24-1至M24-n。
MOSFET M8的栅极宽度W与栅极长度L的比值(W/L)为MOSFET M7和第三组23的n个MOSFET M23-1到M23-n的K1倍那么大，MOSFET M9和M10以及第四组24的n个MOSFET M24-1至M24-n的比值(W/L)为MOSFETM7和第三组23的n个MOSFET M23-1至M23-n的K2倍那么大。
MOSFET M7的源极通过第三组23的n个MOSFET M23-1至M23-n接地。MOSFET M10的源极通过第四组24的n个MOSFET M24-1至M24-n接地。不提供用于电压电平调节的恒压源。
MOSFET M7的栅极与MOSFET M8的源极相连。MOSFET M7的漏极通过恒流源11与提供电压VDD的电源线路相连。MOSFET M7被来自恒流源11的恒流Ib驱动。
MOSFET M9的栅极与MOSFET M8的栅极和MOSFET M7的漏极相连。MOSFETM9的漏极作为另一个输出端并由此产生输出电流I-。
MOSFET M10的栅极和漏极连在一起，换句话说，MOSFET M10为二极管连接。MOSFET M10的被连的栅极和漏极与MOSFET M9的源极相连。
第三组23的n个串联的MOSFET M23-1到M23-n的每一个具有二极管连接。MOSFET M23-1的漏极和栅极与MOSFET M7的源极相连。MOSFET M23-n的源极接地。
第四组24的n个串联MOSFET M24-1到M24-n的每一个具有二极管连接。MOSFET M24-1的漏极和栅极与MOSFET M10的源极相连。而MOSFETM24-n的源极接地。
因此，MOSFET M7的源极通过第三和第四组23和24的MOSFET M23-1到M23-n和MOSFET M24-1到M24-n与MOSFET M10相连。
用下面的等式(20b)表示第二平方根电路1b的输出电路I-。I-=K2[(n+1n+2)Ib-(1n+2)I1K1]2---(20b)]]>={K2(n+2)2}{(n+1)2Ib-I1K1+2(n+1)IbI1K1}]]>为了产生差分输出电流ΔI通过从输出电流I+中减去输出电流I-来消掉等式(20a)和(20b)中的I1的第一次项，并需建立下述的等式。K2K1(n+2)2=1---(21)]]>在此情况下，根据第二实施例的MOS线性跨导放大器的差分输出电流ΔI将正比于I1。
例如，K1被设定为1，等式(21)将变化为下列的等式(22)K2＝(n+2)2(22)在等式(22)中在n＝0时给出K2的最小值。在此情况下，K2＝4。
这里，K2设定为大于或等于4的整数等于分别将MOS差分对2的输出电流ID1和ID2分割为(ID1/K2)和(ID2/K2)。
这与第一实施例中的好处相同。
第三实施例图9示出了根据第三实施例的用于MOS线性跨导放大器的第一平方根电路1a的一个实例。在比跨导放大器中，图7中所示的MOS差分对2的输出电流ID1和ID2分别仅被分为(ID1/K2)和(ID2/K2)。
在图9中，用K2个n-沟道MOSFET M4-1到M4-K2的一组25来代替图7中所示的MOSFET M4。MOSFET M4-1到M4-K2的栅极与MOSFET M3的漏极共连。MOSFET M4-1到M4-K2的源极共同地与MOSFET M3的栅极相连。MOSFET M4-1到M4-K2的漏极共同地与提供电压VDD的电源线路相连。
MOSFET M4-1到M4-K2的漏电流ID4-1到ID4-K2的和等于MOS差分对2的第一输出电流或I1。
其具有与第一实施同样的优点。
还有另外一个好处，即在K1＝K2＝1的情况下可获得此平方根电路1a；换句话说，MOSFET的每一个都由单元MOSFET形成。
第四实施例图10示出了根据第四实施例的用于MOS线性跨导放大器的第一平方根电路1a的一个实例，其中常数K2需用两正整数i和j的乘积来表示。
在此跨导放大器中，图8中所示的MOS差分对2的输出电流ID2和ID2分别被分为(ID2/i.j)和(ID2/i.j)。
在图10中，用n-沟道MOSFET M4a-1和M4a-2的一对2b和n-沟道MOSFET M4b-1到M4b-j的一组27来代替图7中的MOSFET M4。
MOSFET M4a-1和M4a-2的栅极共同与MOSFET M3的漏极相连。MOSFETM4a-1和M4a-2的源极共同与MOSFET M3的栅极相连。MOSFET M4a-1的漏极直接与提供电压VDD的恒压线路相连。MOSFET M4a-2的漏极通过MOSFETM4b-1与提供电压VDD的电源线路相连。
MOSFET M4b-1到M4b-j栅极共同与MOSFET M3的漏极相连。MOSFETM4b-1到M4b-j的源极共同与MOSFET M4a-2的漏极相连。MOSFET M4b-1到M4b-j的漏极共同与提供电压VDD的电源线路相连。
MOSFET M4b-1到M4b-j的漏极电流ID4b-1到ID4b-j的和等于MOSFETM4a-2的漏极电流ID4a-2。MOSFET M4a-2的漏极电流ID4a-2和MOSFET M4a-1的漏电电流ID4a-1的和等于MOS差分对2的第一输出电流ID1或I1。
其具有与第一实施中相同的优点。
还存在另外一个好处，即(a)在K1＝K2＝1的条件下可以实现此平方根电路1a；换句话说，这些MOSFET中的每一个都由单一的MOSFET形成。及(b)平方根电路1a所需的MOSFET的数目比图9中所示的第三实施例中所需的少。
第五实施例图11示出了根据本发明第五实施例的MOS线性跨导放大器。
在此放大器中，第一和第二平方根电路1a和1b都具有图7中所示的结构，其中n＝0而K2＝4，在MOSFET M3、M6、M7和M10的相连的源极与地之间另外设置提供恒压VS的恒压源4a。
用下面的等式(23)表示根据第五实施例的MOS线性跨导放大器的差分输出电流ΔI。ΔI=I+-I-=2IbID1-2IbID2]]>=2βIbVi[|Vi|≤IOβ]---(23)]]>其具有与第一实施中相同的优点。
第六实施例图12示出了根据本发明第六实施例的MOS线性跨导放大器。
在图12中，第一平方根电路1a由四个n-沟道MOSFET M11、M12、M13和M14提供用于驱动MOSFET M15的恒流Ib的恒流源11组成。第二平方根电路1b是由四个n沟道MOSFET M15、M16、M17和M18，以及为驱动MOSFET M15提供相同驱动电流Ib的恒流源11组成。
MOSFET M11、M12的每一个都为二极管连接，MOSFET M11的栅极和漏极通过恒流源10与提供电压VDD的电源线路相连。MOSFET M11的源极与MOSFET M12的栅极和漏极相连。
MOSFET M13的栅极与MOSFET M11的栅极和漏极相连。MOSFET M13的源极与差分对2的MOSFET M1的漏极相连。MOSFET M13的漏极作为此跨导放大器的输出端并由此产生输出电流I+。
MOSFET M14的栅极与MOSFET M13的源极相连。MOSFET M14的漏极与MOSFET M17的漏极相连。
MOSFET M15和M16的每一个都为二极管连接。MOSFET M15的栅极和漏极通过恒流源11与提供电压VDD的电源线路相连。MOSFET M15的源极与MOSFET M16的栅极和漏极相连。
MOSFET M17的栅极与MOSFET M15的栅极和漏极相连。MOSFET M17的源极与差分对2的MOSFET M2的漏极相连。MOSFET M17的漏极作为此跨导放大器的另一个输出端并由此产生输出电流I-。
MOSFET M18的栅极与MOSFET M17的源极相连。MOSFET M18的漏极与MOSFET M13的漏极相连。
在MOSFET M12、M14、M16和M18的相连的源极和地之间提供具有恒压Vs的恒压源4a。
下面，对根据第六实施例的MOS线性跨导放大器的工作原理进行描述。
首先，从上面的等式(2)导出MOSFET M11、M12的下列等式(24)。
Ib＝β(VGS11-VTH)2＝β(VGS12-VTH)2(24)从上面等式(2)分别导出用于MOSFET M13和M14的下列等式(25)及(26)。
ID13＝ID1＝β(VGS13-VTH)2(25)ID14＝β(VGS14-VTH)2(26)此外，可建立下列的等式(27)VGS11+VGS12＝VGS13+VGS14(27)
解等式(24)、(25)、(26)及(27)，可给出下述等式(28)。ID1+ID14=2Ib---(28)]]>因此，从等式(28)，MOSFET M14的漏电流可表示如下。ID14=4Ib+ID1-4IbID1---(29)]]>与MOSFET M14的漏电流ID14相同的方式，MOSFET M17和M18的漏电流ID17和ID18可表示如下。
相应地，通过等式(25)(29)(30a)及(30b)，可用下述等式(31)表示MOS线性跨导放大器的差分输出电流。
ID17＝ID2＝β(VGS17-VTH)2(30a)ID18=4Ib+ID2-4IbID1---(30b)]]>此外，利用等式(25)、(29)、(30a)和(30b)，MOS线性跨导放大器的输出电流ΔI可由下式(31)表示。
ΔI＝I+-I-＝(ID13+ID18)-(ID14+ID17)=4Ib(ID1-ID2)---(31)]]>=4βIbVi]]>因此，根据第六实施例的MOS线性跨导放大器的差分输出电流ΔI相对于差分输入电压Vi具有完全线性的特性。
图13示出了根据第六实施例的MOS线性跨导放大器的转换特性。其是发明人在下述的条件下测定的。
NOS差分对和第一及第二平方根电路1a和1b由μPA572T-型功率MOS晶体管阵列构成。其中VTM大约为1.5V。电源电压VDD被设定在大约为8.0V。恒流变换器3的恒流(或尾流)IO被设定为大约12mA。平方根电路1a和1b的公共电源电压被设为2.0V。MOSFETM11和M15的偏置电流Ib被设定为大约3mA、4.5mA和6mA。当恒流或尾流IO大约为12mA时，MOS差分对2的工作输入电压范围为1Vp-p。
从图13中可以看出，差分输出电流ΔI在特定范围内具有完成全线性的转换特性，而差分输出电流ΔI的完全线性转换特性可根据MOSFETM11和M15的偏置电流Ib而被移动。
第七实施例在上述的第一到第六实施例中，跨导正比于偏置电流Ib，即Ib1/2。通常地，从实用角度来说最好跨导正比于偏置电流Ib本身。仅通过平方根电路向相应的双极晶体管Q1或MOSFET M3或M13提供偏置电流Ib来实现偏置电流Ib的线性特质。
图14示出了根据第七实施例的用于MOS线性跨导放大器的双极平方根电路。此平方根电路为电流输入和电流输出型。
在图14中，双极平方根电路由4个pnp型双极晶体管Q11、Q12、Q13和Q14，以及向晶体管Q13提供恒流Ic的恒流源31组成。
晶体管Q11和Q12的每一个为二极管连接。晶体管Q11的发射极与提供电源电压Vcc的电源线路相连。晶体管Q11的基极和集电极与晶体管Q12的发射极相连。
偏置电流Ib是从晶体管Q12的基极和集电极被吸收。
晶体管Q13的发射极接地，晶体管Q13的基极与晶体管Q12的基极和集电极相连。晶体管Q13的集电极通过恒流源与提供电压Vcc的电源线路相连。
晶体管Q14的基极与晶体管Q11的基极和集电极以及晶体管Q13的发射极相连。晶体管Q14的发射极与提供电压Vcc的电源线路相连。
平方根电路的输出电流ISQ相对于输入偏置电流Ib具有平方转换特性。
下面描述图14中所示的平方根电路的操作原理。
从图14中看出，很明显地可建立下面的等式(33)、(34)、(35)及(36)。
VBE11+VBE12＝VBE13+VBE14(33)VBE11+VBE12=VTln(ICIS)---(34)]]>VBE13=VTln(IbIS)---(35)]]>VBE14=VTln(ISQIS)---(36)]]>用方程(33)、(34)和(35)来解方程(36)，可给出下面的等式(37)。ISQ=Ib2IC---(37)]]>从等式(33)中可清楚地看出，图14中所示的平方根电路的输出电流ISQ正比于偏置电流Ib的平方。
例如，如果将图14中所示的平方根电路应用到图4中所示的双极平方根电路1a，MOS线性跨导放大器的差分输出电流ΔI可表示如下ΔI=I+-I-=ISQID1K-ISQID2K]]>=βKICIbVi[|Vi|≤IOβ]---(38)]]>从等式(38)可看出，差分输出电流ΔI正比于偏置电流Ib。
第八实施例图15示出了用于根据第八实施例的MOS线性跨导放大器的MOS平方根电路。此平方根电路为电压输入和电流输出型。
在图15中，四个n-沟道MOSFET M32、M34、M35及M36的源极连在一起，且其由恒流变换器43吸收的恒流IS驱动，形成一个回引线单元。跨接MOSFET M33和M34的栅极提供输入电压以Vc。电压Vc的一半，即Vc/2被加至MOSFET M35和M36的栅极，其中Vc/2是由具有相同阻值的两个电阻41和42产生的。
两个P沟道MOSFET M37和M38形成一电流镜像。两P沟道MOSFETM39和M40形成一电流镜像。两n沟道MOSFET M41和M42形成一电流镜像。
MOSFET M33和M34的漏电流ID33和ID34的和，即(ID33+ID34)流过MOSFET M37。因此，MOSFET M38的漏极电流ID38等于(ID33+ID34)。
MOSFET M35和M36的漏极电流ID35和ID36的和，即(ID35+ID36)流过MOSFET M39。因此，MOSFET M40的漏极电流等于(ID35+ID36)。MOSFET M40的漏极电流ID40等于MOSFET M41的漏极电流ID41和MOSFET M42的漏极电流ID42，即ID41＝(ID35+ID36+)＝ID42。
因此，输出电流ISQ被表达为漏极电流ID38和ID42的差，即ISQ＝ID38-ID42＝(ID33+ID34)-(ID35+ID36).
这里，从图15中的电路结构可以产生出下面的等式(39)、(40)、(41)及(42)。VGS33=VGS35+VC2---(39)]]>VGS34=VGS35-VC2---(40)]]>VGS35＝VGS36(41)ID33+ID34+ID35+ID36＝IS(42)如果上述的等式(2)来解等式(39)、(40)、(41)和(42)，输出电流ISQ可表示为下列形式ISQ=(ID33+ID34)-(ID35+ID36)=βVC22]]>[|VC|≤2IO3β]---(43)]]>
从等式(43)中可以清楚地看出，图15中所示的平方根电路的输出电流ISQ正比于对应于偏置电流Ib的输入电压Vc的平方。
例如，如果将图15中所示的平方根电路用到图7中所示的MOS平方根电路，那么MOS线性跨导放大器的差分输出电流ΔI可表示如下ΔI=I+-I-=ISQID1-ISQID2=βVCVi---(44)]]>[|Vi|≤2IS3β,|Vi|≤IOβ]]]>从等式(44)中可以看出，差分输出电流ΔI是正比于输入电压Vc，即偏置电流Ib。
虽然已经描述了本发明的最佳形式，必须明确对于本领域技术人员所作的各种修改并不会脱离本发明的实质。因此本发明的范围仅由下面的权利要求来限定。
权利要求
1.一种MOS线性跨导放大器，其特征在于包括(a)源极相连的第一和第二MOSFET的一MOS差分对；(b)与所述第一和第二MOSFET的所述相连的源极相连接，并提供/吸收用于驱动所述MOS差分对的第一恒电流的第一恒流源/变换器；(c)与所第一MOSFET的漏极相连的第一平方根电路；及(d)与所述第二MOSFET的漏极相连的第二平方根电路；其中所述MOS差分对是在所述第一和第二MOSFET的栅极提供输入电压，并在所述第一和第二MOSFET的各自的漏极差分地输出第一和第二输出电流；且其中对所述第一平方根电路提供所述MOS差分对的所述第一输出电流，其则输出第三电流；对所述第二平方根电路提供所述MOS差分对的所述第二输出电流，则其输出第四输出电流；且所述MOS线性跨导放大器的输出电流是由所述第三和第四输出电流的差值给出的。
2.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于所述第一和第二平方根电路的每一个具有第一、第二、第三和第四双极晶体管，以及提供/吸收用于驱动第一晶体管的第二恒流的第二恒流源/变换器；且所述第二晶体管的基极和发射极分别与所述第一晶体管的集电极和基极相连，而所述第二晶体管被所述MOS差分对的所述第一和第二输出电流的相对应的一个来驱动；且其中所述第三晶体管基极与所述第二晶体管的所述基极相连；其中所述第四晶体管的基极和集电极与所述第三晶体管的所述发射极相连，而所述第四晶体管的发射极与所述第一晶体管的所述发射极相连；且其中所述第三晶体管的集电极电流作为所述第三和所述第四输出电流中的相应的一个。
3.根据权利要求2所述的放大器，其特征在于其中所述第二晶体管的发射极面积K倍于所述第一、第三、和第四晶体管的发射极面积，其中K为大于1的常数。
4.根据权利要求2所述的放大器，其特征在于所述第二恒流源/变换器被设计为致使所述第二恒电流为可变的。
5.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于所述第一和第二平方根电路的每一个具有第三、第四、第五和第六MOSFET，以及提供/吸收用于驱动所述第三MOSFET的第二恒流的第二恒流源/变换器；其中所述第四MOSFET的栅极和源极与所述第三MOSFET的漏极和栅极相连，而所述第四MOSFET被所述MOS差分对的所述第一和第二输出电流的相对应的一个所驱动；且其中所述第五MOSFET的栅极与所述第四MOSFET的所述栅极相连；且其中所述第六MOSFET的栅极和漏极与所述第五MOSFET的所述源极相连，而所述第六MOSFET的源极与所述第三MOSFET的所述源极相连；且其中所述第五MOSFET的漏极电流作为所述第三和第四输出电流中的一个。
6.根据权利要求5所述的放大器，其特征在于所述第四MOSFET具有K1倍于所述第三MOSFET的栅极宽度与栅极长度比，且所述第五和第六MOSFET的栅极宽度与栅极长度的比值为所述第三MOSFET的K2倍那么大，其中K1和K2大于1的常数。
7.根据权利要求5所述的放大器，其特征在于所述第二恒源/变换器被设计成使用所述第二恒电流为可变的。
8.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于所述第一和第二平方根电路的每一个还包含第一组的n个串联MOSFET和第二组的n个串联MOSFET，其中n为大于或等于1的整数；其中所述第一组的n个串联MOSFET的每一个为二极管连接，而所述第一组的n个MOSFET的第一个的漏极和栅极与所述第三MOSFET的所述源极相连；且其中所述第二组的n个串联MOSFET的每一个为二极管连接，而所述第二组的n个MOSFET的第一个的漏极和栅极与所述第六MOSFET的所述源极相连；且其中所述第三MOSFET的所述源极通过所述第一组的n个MOSFET和所述第二组的n个MOSFET的与所述第六MOSFET的所述源极相连。
9.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于所述每个第一平方根电路具有第三、第四、第五、和第六MOSFET，以及为驱动所述第三MOSFET提供/吸收第二恒定电流的第二恒流源/变换器，且所述第二平方根电路具有第七、第八、第九和第十MOSFET，以及用于驱动所述第七MOSFET提供/吸收第三恒定电流的第三恒流源/变换器；而其中所述第三、第四、第七和第八MOSFET为二极管连接的；且所述第三MOSFET的栅极和漏极与所述第二恒流源/交换器相连，所述第三MOSFET的源极与所述第四MOSFET的栅极和漏极相连；且其中所述第四MOSFET的源极与所述第六MOSFET的源极相连；其中所述第五MOSFET栅极与所述第一MOSFET的所述栅极相连；所述第五MOSFET的漏极作为由此引出所述第三输出电流的输出端；所述第五MOSFET的源极与所述第一和第二MOSFET的所述漏极的相对应的一个相连；其中所述第六MOSFET的栅极与第五MOSFET所述源极相连；所述第七MOSFET的栅极和漏极与所述第三恒流源/变换器相连；且所述第七MOSFET的源极与所述第八MOSFET的栅极和漏极相连；所述第八MOSFET的源极与所述第十MOSFET的源极相连；所述第九MOSFET的栅极与所述第二MOSFET的所述栅极相连，所述第九MOSFET的漏极作为由此引出所述第四输出电流的一个输出端；所述第九MOSFET的源极与所述第一和第二MOSFET的所述漏极的相对应的一个相连；其中所述第十MOSFET的栅极与所述第九MOSFET的所述源极相连；其中所述第六MOSFET的漏极与所述第七MOSFET的所述漏极相连，而所述第十MOSFET的漏极与所述第五MOSFET的所述漏极相连。
10.根据权利要求2所述的放大器，其特征在于其中所述MOS线性跨导放大器的所述输出电流具有相对于所述第二恒定电流的线性特性。
11.根据权利要求5所述的放大器，其特征在于所述MOS线性跨导放大器的所述输出电流相对于所述第二恒定电流具有线性性质。
全文摘要
提供一种MOS线性跨导放大器,其实现了完全的线性转换特性和跨导调谐。此放大器包括(a)源极相连的第一和第二MOSFET的MOS差分对(b)与源极相连的第一和第二MOSFET相连的第一恒流源/变换器并提供/变换用于驱动MOS差分对的第一恒电流(c)与第一MOSFET的漏极相连的第一平方根电路及(d)与第二MOSFET的漏极相连的第二平方根电路。
文档编号H03F3/45GK1191414SQ9810062
公开日1998年8月26日 申请日期1998年2月17日 优先权日1997年2月17日
发明者木村克治 申请人:日本电气株式会社