CN108206676B - 低电压高线性度的放大器 - Google Patents

Abstract

一种低电压高线性度的放大器。该放大器输入端采用互补跨导CMOS管，并且为CMOS管的两个MOS管分别设置独立偏置电路。在电源电压小于二到三倍的单管阈值电压的情况下，该放大器还能提供大输出摆幅、高增益、高线性度。在较大的电源电压变化下，该放大器的增益、工作电流、跨导、输出阻抗都非常稳定。

Description

低电压高线性度的放大器

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种低电压高线性度的放大器电路。

背景技术

在宽带应用领域，放大器具有阻性负载的同时我们希望工作电源电压要小于二到三倍的单管阈值电压。设计能提供大输出摆幅、高增益、高线性度的放大器具有非常大的挑战。

目前现有技术中，多采用单管电阻负载共源放大器、基于反向器的放大器以及差分形式基于反向器的放大器等放大器。

然而，对驱动宽带ADC的前端放大器来说，它的电压输出摆幅必须要比ADC的满量程要大，并且它的线性度要可比拟或高于ADC的线性度来保证整体系统的线性度。它的输出一般都选择偏置在电源和地之间的正中心。

对长沟道工艺来说，击穿电压和电源电压都足够大，电压裕度的限制在这里并不是紧要问题。器件线性度主要由偏置条件和输入端器件的特性来决定。但是对具有低击穿电压和电源电压的超短沟道工艺来说，前面的结论已不再正确。对45nm CMOS工艺中的典型晶体管的线性度研究发现，线性度主要由输出端口的条件决定，尤其是电压裕度。

发明内容

本发明的目的是克服现有的技术不足，提供一种低电压高线性度的放大器电路。

本发明的上述目的是通过如下技术方案实现的：一种低电压高线性度的放大器，包括输入端以及输出端，其中放大器包括CMOS反相器，CMOS反相器由第一P型MOS和第二N型MOS组成；并且输入端分别与第一P型MOS的第一G极和第二N型MOS的第二G极连接。输入端与第一G极之间具有电容，并且输入端与第二G极之间具有电容；其中第一P型MOS由第一偏置电路提供第一偏置电流。第二N型MOS由第二偏置电路提供第二偏置电流。

即，本发明的放大器在输入端采用互补CMOS晶体管。第一P型MOS和第二N型MOS均为跨导管并且分别采用采用独立偏置技术，输入端信号采用电容耦合方式加载到互补跨导管上。

进一步，第一偏置电路和第二偏置电路均采用电流镜形式。

进一步，输入端经由电容电阻串联电路与输出端连接，因此输入输出端阻抗可通过该电容电阻串联电路来调节；

放大器的输出端具有共模反馈电路，共模反馈电路以输出端的输出电压和参考电压为输入信号，共模反馈电路的共模反馈输出通过为第一P型MOS以及第二N型MOS提供电流补偿来调节该放大器的直流输出。

具体地，上述电流补偿可以是调整与放大器输出端连接的电流源，用于为第一P型MOS以及第二N型MOS提供上拉电流或下拉电流微调。共模反馈也可以直接输出至第一P型MOS和/或第二N型MOS以调节第一P型MOS和/或第二N型MOS直流工作状态。

在电源电压小于二到三倍的单管阈值电压的情况下，该放大器还能提供大输出摆幅、高增益、高线性度。在较大的电源电压变化下，该放大器的增益、工作电流、跨导、输出阻抗都非常稳定。

附图说明

图1示出本发明所提出的低电压高线性度的放大器理论方案；

图2示出本发明的放大器中的共模反馈电路输出反馈到P型MOS管的实施方法；

图3示出本发明的放大器中的共模反馈电路输出反馈到N型MOS管的实施方法；

图4示出现有技术的单管电阻负载共源放大器；

图5示出现有技术的常规基于反向器的放大器；

图6示出根据本发明的以差分形式组成的低电压高线性度的放大器；

图7示出现有技术的差分形式的基于反向器的放大器；

图8示出本发明的放大器组成的差分放大器与常规差分放大器的增益比较；

图9示出本发明的放大器组成的差分放大器与常规差分放大器的跨导和输出阻抗随电源电压变化的比较；

图10示出本发明的放大器组成的差分放大器与常规差分放大器的1dB压缩点变化的比较。

具体实施方式

本发明提出的低电压高线性度的放大器结构如图1所示，其具有输入端IN以及输出端OUT，该放大器电路的核心部分是基于由两个MOS管MP、MN组成的CMOS反相器，两个MOS管MP、MN都充当了跨导管。输入信号通过交流方式耦合到两个MOS管MP、MN上，为此，输入端IN分别经由电容C1、C2与两个MOS管MP、MN的G极连接。

在本发明的放大器中，两个MOS管分别由独立的参考电流源来偏置，具体地，MOS管MP由包括电流源1的第一偏置电路提供偏置电流，MOS管MN由包括电流源2的第二偏置电路提供偏置电流。第一偏置电路和第二偏置电路具有电流镜的形式。

输入端IN和输出端OUT之间还可以经由电容C3和电阻Rf组成的串联电路与输出端连接。反馈电阻加到电路的输入输出端可以用来调整电路增益和输入输出端阻抗。

在图1所示的本发明所提出的低电压高线性度的放大器中，输出端OUT还具有一辅助电路，该辅助电路具有MOS管MPx、MNx组成的辅助电流源阵列以及共模反馈电路CMFB，并且共模反馈电路CMFB以输出端OUT的输出电压和参考电压V_ref为输入信号。在图1所示的电路中，共模反馈电路的输出直接连接至MOS管MPx、MNx作为辅助电流源阵列的输入信号，该辅助电流源阵列的输出端与本发明放大器的输出端OUT连接，用于为所述第一P型MOS以及所述第二N型MOS提供电流补偿，即能够补偿MOS管MP、MN管的上拉电流和下拉电流，并且能够用于将调节输出电压到参考电压V_ref。参考电压V_ref应该设置在VDD/2来达到最大的输出电压摆幅。

图2和图3示出共模反馈电路的输出加到不同节点来调节直流偏置两个变型实施例，其中图2示出本发明的放大器中的共模反馈电路输出反馈到P型MOS管的实施方法，图3示出共模反馈电路输出反馈到N型MOS管的实施方法，尽管可能会带给环路带宽和线性度负面影响，上述变型例同样能够实现本发明的目的。

下面，将通过与现有技术方案的比较说明本发明的放大器改进和优势。

与图4所示的单管电阻负载共源放大器相比，本发明可以获得接近晶体管本征特性的更高的增益。在同样电流偏置下，可以获得更大的跨导。并且，避免了单管电阻负载共源放大器的负载电阻上消耗了过多的电压裕度。

与图5所示的基于反向器的放大器相比，本发明的输出偏置电压始终处于最优的电位上，可以获得更大的输出电压摆幅。并且偏置电流不随电源电压变化，可以获得更稳定和可预测的增益和线性度。因此，本发明的放大器可以工作在更低的电源电压下。

图6示出根据本发明的放大器以差分形式组成的低电压高线性度的放大器，其中共模反馈电路被省略。图7示出现有技术的差分放大器。下面将通过比较本发明的放大器组成的差分放大器与现有技术的差分放大器的增益、工作电流、跨导、输出阻抗、1dB压缩点等随外部条件的变化来说明本发明的放大器的在实际电路应用中所能实现的有益效果。

图8示出本发明的放大器组成的差分放大器(下称为“本申请”，在图8-10中以实线表示其特性)与一示例的常规差分形式的基于反向器的放大器(下称为“常规”，在图8-10中以虚线表示其特性)的增益及工作电流变化的比较。其中当电源电压低于0.8V时，常规技术方案的增益急剧下降，本申请方案增益变化很小。当电源电压高于1V时，常规技术方案的电流急剧增大，本发明方案电流变化很小。

图9示出本发明与常规技术方案的跨导和输出阻抗变化的比较。其中随着电源电压的增加，常规技术方案的跨导变化很大，本发明的跨导非常稳定。常规技术方案的输出阻抗变化很大，本发明的输出阻抗非常稳定。

图10示出本发明与常规技术方案的1dB压缩点变化。其中在不同集成电路工艺角下，常规技术方案的1dB压缩点变化了0.8dB，本发明的1dB压缩点仅变化了0.3dB，性能更加稳定。

最后需要指出的是，以上仅用以说明本发明的技术实施方案而不是限制。本领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求的本发明精神和范围的前提下，可存在形式上和细节上各种变化，所附的权利要求书覆盖了本发明精神和范围内的所有这些改变和修改。

Claims (5)

1.一种低电压高线性度的放大器，包括输入端以及输出端，其特征在于

所述放大器包括互补CMOS跨导管，所述互补CMOS跨导管由第一P型MOS和第二N型MOS组成；并且

所述输入端分别与所述第一P型MOS的第一G极和所述第二N型MOS的第二G极连接，所述输入端与所述第一G极之间具有电容，并且所述输入端与所述第二G极之间具有电容；其中

所述第一P型MOS由第一偏置电路提供第一偏置电流；

所述放大器的输出端具有共模反馈电路，所述共模反馈电路以所述输出端的输出电压和参考电压为输入信号，所述共模反馈电路的共模反馈输出用于为所述第一P型MOS以及所述第二N型MOS提供电流补偿；

所述放大器还包括由第三P型MOS和第四N型MOS组成的辅助电流源阵列，所述共模反馈输出作为所述辅助电流源阵列的输入信号，反馈至所述第三P型MOS和所述第四N型MOS，所述辅助电流源阵列的辅助输出端连接到所述放大器的输出端。

2.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，

所述第二N型MOS由第二偏置电路提供第二偏置电流。

3.如权利要求2所述的放大器，其特征在于，

所述第一偏置电路和所述第二偏置电路采用电流镜形式。

4.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，

所述输入端经由电容电阻串联电路与所述输出端连接。

5.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，

所述电流补偿用于为所述第一P型MOS以及所述第二N型MOS提供上拉电流或下拉电流。