[发明专利]一种衬底输入结构的跨导放大器

说明书

技术领域

本发明属于模拟或数模混合集成电路技术领域，具体涉及一种衬底输入结构的跨导放大器。

背景技术

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，衬底输入跨导放大器就是其中一种，在这种结构下，通过将输入信号直接输入到输入差分对管的衬底和栅极，并且形成正反馈，使得跨导放大器的输入对管工作在亚阈值区，从而提供较大的跨导。前述这种跨导放大器的工作原理，使得在极低电源电压下，跨导放大器仍然可以提供较大的直流增益。但是，本申请的发明人研究发现，在传统结构下，输入级跨导仍然较低，目前提高跨导的方法存在消耗芯片面积和效果较差等缺点；另一方面，传统结构很难在放大器实现高增益的同时，提高单位增益带宽和相位裕度。因此传统的几种结构，很难满足高性能跨导放大器的要求。

为了更详细的描述上述问题，先来分析两种传统结构跨导放大器的工作原理和优缺点。如图1所示的结构1，其给出了一种传统衬底输入跨导放大器原理图，现来分析结构1中的输入级跨导。对于长沟道MOS器件而言，如果其工作在弱反型区，那么其源漏电流可表示为：

其中，I_S为特征电流，n为弱反型区的斜率因数，可以定义为1+g_mb/g_m，实际上，这个斜率因数并不是一个常数，而是与工艺因素和衬底电压有关。通过电路知识可以知道，MOS管的阈值电压V_TH可以通过如下关系展开：

V_TH＝V_TO-(n-1)V_BS(2)

其中，V_TO为衬底和源极电压差为零时的阈值电压，通过式(1)和式(2)可以得到：

由于衬底输入情况下的跨导定义为I_DS/V_BS，同时式(3)中的系数n可表示为1+g_mb/g_m，所以衬底输入情况下的跨导大小受到式(3)中项的限制，即V_BS的变化并不能造成I_DS的较大变化。现在来分析结构1如何增加输入级跨导，单独分析结构1中的输入级，如图2所示，输入差分对中，两个栅极和衬底交叉连接的PMOS管M1和M2构成正反馈结构，这里并没有引入额外的电流，PMOS管M3和M4可认为是有源负载。假设PMOS管M1和M2的宽长比(W/L)是相同的，同时PMOS管M3和M4的宽长比(W/L)是相同的，差分输出电流可表示为：

由于流过PMOS管M1和M3的电流是相同的，流过PMOS管M2和M4的电流也是相同的，所以差分电流I₀＝I₁-I₂同样可以表示为：

将式(5)带入式(4)可得到：

由式(6)可知，差分电流I₀不依赖于输入差分对的尺寸，输入差分对的跨导可表示为：

其中η为g_mb/g_m，由式(7)可知，图2所示差分输入结构和普通衬底输入结构相比，有效跨导提高了(n+1)/(n-1)倍。非常重要的一点在于，随着工艺特征尺寸的减小，虽然g_mb/g_m的值在减小，但是(n+1)/(n-1)的值却在增加，这表明图2所示输入级结构的有效跨导会随着特征尺寸的减小而增加，这是图2所示输入级结构的重大优点。所以，图1所示传统衬底输入跨导放大器输入跨导较大，很适合低电源电压应用。但是，本申请的发明人研究发现，图1所示结构1跨导放大器的输入跨导在某些应用场合仍然偏小。