專利名稱：使用基體-源極交叉耦合的差分放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用基體-源極交叉耦合(body-source cross coupling)的差分放大器，并且尤其涉及一種通過交叉耦合以差分結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn) 共柵放大器的共柵差分放大器中的共柵放大器的基體和源極，從而使用基體 -源極交叉耦合的差分放大器，該差分放大器由于基體效應(yīng)(body effect) 而能夠增加跨導(dǎo)從而提高增益并且抑制擊穿電壓的降低。
背景技術(shù)：
圖1和圖2分別是顯示使用畫0SFET和PM0SFET的傳統(tǒng)共柵差分放大器 的電路圖。如圖所示，在差分結(jié)構(gòu)中，公共柵極9和29形成虛地并且DC電壓被提 供給柵極以形成偏移電路。向MOSFET的源極端子5、 6、 25和26提供電流 源3、 4、 23和24以使得在操作電流的同時(shí)保持高阻抗。向MOSFET的漏極 端子7、 8、 27和28提供負(fù)載10、 11、 30和31。 MOSFET的基體被連接到各 個(gè)MOSFET的源極以消除基體效應(yīng)。差分信號(hào)被輸入到作為差分輸入端子的 MOSFET的源極端子5、 6、 25和26，并且放大后的差分信號(hào)從作為差分輸出 端子的MOSFET的漏極端子7、 8、 27和28輸出。圖3是顯示傳統(tǒng)的使用麗0SFET的級(jí)聯(lián)差分放大器的電路圖。DC電壓被 提供給共源放大器303和304的柵極305和306以及共柵放大器301和302 的公共柵極309以形成偏移電路。共柵放大器的公共柵極在虛地狀態(tài)下被差 分操作。共源放大器303和304的基體和源極與共柵放大器301和302分別 連接以消除基體效應(yīng)。差分信號(hào)被輸入到作為差分輸入端子的共源放大器 303和304的柵極305和306，并且放大后的差分信號(hào)從作為差分輸出端子
的共柵放大器301和302的漏極端子307和308輸出。在這種差分放大器中，基體效應(yīng)提高了共柵放大器的增益，但是降低了 晶體管的擊穿電壓，因?yàn)榛w的電勢(shì)低于源極的電勢(shì)。發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明著眼于上述問題，并且本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供一種通過 交叉耦合以差分結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)共柵放大器的共柵差分放大器中的共柵放大器的 基體和源極，來使用基體-源極交叉耦合的差分放大器，該差分放大器由于 基體效應(yīng)而能夠增加跨導(dǎo)從而提高增益并且緩解擊穿電壓的降低。根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面，上述和其他目標(biāo)可以通過提供一種使用基體-源 極交叉耦合的差分放大器而實(shí)現(xiàn)，其中所述差分放大器由差分結(jié)構(gòu)的共柵放 大器組成，其中所述共柵放大器的基體被交叉耦合到相對(duì)的共柵放大器的源極。優(yōu)選的，至少一個(gè)使用基體-源極交叉耦合的差分放大器可以與一個(gè)或 者多個(gè)共柵差分放大器在一個(gè)電壓源下在多級(jí)中級(jí)聯(lián)組合。優(yōu)選的，用于配置所述差分放大器的醒OSFET可以形成在三阱(triple well)結(jié)構(gòu)中并且PM0SFET可以形成在雙阱(twin well)結(jié)構(gòu)中或者三阱 結(jié)構(gòu)中。根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面，提供了一種級(jí)聯(lián)差分放大器，包括共源差分放 大器和共柵差分放大器，其中所述共柵放大器的基體被交叉耦合到相對(duì)的共 柵放大器的源極。優(yōu)選的， 一個(gè)使用基體-源極交叉耦合的級(jí)聯(lián)差分放大器可以被插入一 個(gè)電壓源下，并且至少一個(gè)共柵差分放大器可以在多級(jí)級(jí)聯(lián)中插入在所述級(jí) 聯(lián)差分放大器和負(fù)載之間。此時(shí)，部分或者全部共柵放大器的基體被交叉耦合到相對(duì)的共柵放大器
的源極。優(yōu)選的，用于配置所述差分放大器的麗0SFET可以形成在三阱結(jié)構(gòu)中并 且PMOSFET可以形成在雙阱結(jié)構(gòu)中或者三阱結(jié)構(gòu)中。根據(jù)本發(fā)明，由于共柵放大器的基體被交叉耦合到相對(duì)的共柵放大器的 源極，因此可以由于AC模式中的基體效應(yīng)而提高共柵差分放大器的增益， 并且由于基體的電勢(shì)等于源極的電勢(shì)而緩解DC模式中擊穿電壓的降低。


本發(fā)明的上述和其他目標(biāo)、特征和優(yōu)點(diǎn)可以通過下面的結(jié)合附圖的詳細(xì) 描述而更加明白，其中圖1是顯示傳統(tǒng)的使用麗0SFET的共柵差分放大器的電路圖； 圖2是顯示傳統(tǒng)的使用PM0SFET的共柵差分放大器的電路圖； 圖3是顯示傳統(tǒng)的級(jí)聯(lián)差分放大器的電路圖；圖4是顯示根據(jù)本發(fā)明的使用基體-源極交叉耦合的麗0S共柵差分放大 器的電路圖；圖5是顯示根據(jù)本發(fā)明的使用基體-源極交叉耦合的PM0S共柵差分放大 器的電路圖；圖6是顯示根據(jù)本發(fā)明的使用基體-源極交叉耦合的共柵差分放大器的 電路圖，其中對(duì)放大器的源極提供電流源，并且對(duì)放大器的漏極提供負(fù)載；圖7是顯示根據(jù)本發(fā)明的使用基體-源極交叉耦合的共柵差分放大器的 電路圖，其中對(duì)放大器的源極提供電感，并且對(duì)放大器的漏極提供負(fù)載；圖8是顯示根據(jù)本發(fā)明的使用基體-源極交叉耦合的共柵差分放大器的 電路圖，其中對(duì)放大器的源極提供電阻，并且對(duì)放大器的漏極提供負(fù)載；圖9是顯示級(jí)聯(lián)連接的根據(jù)本發(fā)明的使用基體-源極交叉耦合的至少一 個(gè)共柵差分放大器與傳統(tǒng)的共柵差分放大器的組合的電路圖；5 圖io是顯示根據(jù)本發(fā)明的使用基體-源極交叉耦合的級(jí)聯(lián)差分放大器的電路圖；圖11是顯示使用三阱工藝的M(〕SFET的截面圖；圖12是顯示根據(jù)本發(fā)明的使用基體-源極交叉耦合的共柵差分放大器與 傳統(tǒng)的共柵差分放大器在高電流條件下根據(jù)頻率的最大穩(wěn)定增益的比較圖 不；圖13是顯示根據(jù)本發(fā)明的使用基體-源極交叉耦合的共柵差分放大器與 傳統(tǒng)的共柵差分放大器在低電流條件下根據(jù)頻率的最大穩(wěn)定增益的比較圖 示；圖14是顯示根據(jù)本發(fā)明的使用基體-源極交叉耦合的級(jí)聯(lián)差分放大器與 傳統(tǒng)的級(jí)聯(lián)差分放大器在高電流條件下根據(jù)頻率的最大穩(wěn)定增益的比較圖 示；以及圖15是顯示根據(jù)本發(fā)明的使用基體-源極交叉耦合的級(jí)聯(lián)差分放大器與 傳統(tǒng)的級(jí)聯(lián)差分放大器在低電流條件下根據(jù)頻率的最大穩(wěn)定增益的比較圖示。
具體實(shí)施方式
下面參考附圖更加詳細(xì)的描述本發(fā)明，在附圖中顯示了本發(fā)明的示范實(shí) 施例。應(yīng)當(dāng)理解，下面的實(shí)施例僅為了示例目的而公開。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)為 多種不同形式，并且不應(yīng)理解為限制于在此給出的實(shí)施例。圖4和圖5為顯示根據(jù)本發(fā)明的使用基體-源極交叉耦合的差分放大器 的電路圖，其中分別使用了NMOSFET和PMOSFET。如圖所示，共柵放大器的基體被交叉耦合到相對(duì)的共柵放大器的源極。在這種差分結(jié)構(gòu)中，公共柵極47和57形成虛地，并且DC偏移被提供 給柵極以形成偏移電路。向麗0SFET和PM0SFET的源極端子43、 44、 53和 54提供如圖6所示的電流源103和104、如圖7所示的電感123和124、或 者如圖8所示的電阻143和144，以使得在操作電流的同時(shí)保持高阻抗。如圖6、 7、 8所示，向NMOSFET和PMOSFET的漏極端子45、 46、 55和 56提供負(fù)載110、 111、 130、 131、 150和151。差分信號(hào)被輸入到作為差分輸入端子的差分放大器的源極43、 44、 53 和54，并且放大后的差分信號(hào)從作為差分輸出端子的差分放大器的漏極45、 46、 55和56輸出。此時(shí)，當(dāng)M0SFET41、 42、 51和52為麗0SFET時(shí)，通過 如圖11所示的三阱工藝而形成MOSFET 41、42、51和52的基體，并且當(dāng)M0SFET 41、 42、 51和52為PM0SFET時(shí)，通過雙阱工藝或者三阱工藝而形成M0SFET 41、 42、 51和52的基體，從而將基體電隔離。使用基體-源極交叉耦合的差分放大器具有公共柵極接地的結(jié)構(gòu)，源極 作為輸入端子，并且漏極作為輸出端子。因此，在麗0SFET的情況下，當(dāng)基 體的DC電勢(shì)低于源極的電勢(shì)時(shí)，由于共柵放大器的基體效應(yīng)產(chǎn)生的跨導(dǎo)gmh 被添加到原始跨導(dǎo)gJ人而增加電壓增益。當(dāng)基體的電勢(shì)在M0SFET結(jié)構(gòu)中降 低時(shí)，基體和漏級(jí)之間的電勢(shì)差增加并且由此降低了擊穿電壓。增加后的電 壓增益表達(dá)為下式Av= (gm+g^) Ri細(xì)其中，庀是電壓增益，R,是負(fù)載電阻。然而，當(dāng)共柵放大器配置在差分結(jié)構(gòu)中時(shí)，基體和源極被交叉耦合，并 且差分結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，各個(gè)M0SFET的基體和源極的電勢(shì)在DC模式中變得相 等。因此，不會(huì)出現(xiàn)基體效應(yīng)，并且擊穿電壓在DC模式中不會(huì)降低。然而，由于基體的電壓在AC模式中被轉(zhuǎn)化為源極的電壓，因此出現(xiàn)基 體效應(yīng)，并且也增加了增益。根據(jù)本發(fā)明的使用基體-源極交叉耦合的共柵差分放大器，與傳統(tǒng)的差 分放大器相比，可以提高增益，同時(shí)緩解由于基體效應(yīng)導(dǎo)致的擊穿電壓降低。
由于實(shí)際的擊穿電壓降在DC模式中很嚴(yán)重，而AC擊穿電壓高于DC擊穿電 壓，因此由擊穿電壓降導(dǎo)致的問題得到相對(duì)的緩解。如圖9所示，在一個(gè)電壓源下，至少一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的使用基體-源極 交叉耦合的差分放大器可以在多級(jí)級(jí)聯(lián)中與共柵差分放大器組合。圖10是顯示使用基體-源極交叉耦合的級(jí)聯(lián)差分放大器的電路圖，其中 使用了醒OSFET。如圖所示，在級(jí)聯(lián)差分放大器中，共源差分放大器323和324以及共柵 差分放大器321和322級(jí)聯(lián)連接，配置共柵差分放大器321和322的MOSFET 的基體和源極被互相交叉耦合。在使用基體-源極交叉耦合的差分放大器中，DC電壓被提供給共源差分 放大器323和324的柵極325和326以及共柵差分放大器321和322的公共 柵極329，從而形成偏移電路。共柵差分放大器321和322的公共柵極329 在虛地狀態(tài)下被差分操作。如圖3所示，向共柵差分放大器321和322的漏極端子327和328提供 負(fù)載310和311。因此，差分信號(hào)被輸入到作為差分輸入端子的柵極325和326，并且放 大后的差分信號(hào)從作為差分輸出端子的漏極327和328輸出。此時(shí)，當(dāng)MOSFET為麗OSFET時(shí)，通過如圖11所示的三阱工藝而形成共 柵差分放大器的MOSFET 321和322的基體，并且當(dāng)MOSFET為PMOSFET時(shí)， 通過雙阱工藝或者三阱工藝而形成MOSFET 321和322的基體，從而將基體 電隔離°也就是說，在使用基體-源極交叉耦合的共柵差分放大器中，各個(gè)基體 的電勢(shì)在DC模式中等于各個(gè)源極的電勢(shì)。然而，在AC模式中，由于輸入到基體的信號(hào)具有的相位與輸入到源極的信號(hào)的相位相反，因此出現(xiàn)了電勢(shì) 差。此時(shí)，為了執(zhí)行正常操作，不應(yīng)開啟如圖11所示的基體和源極之間的
PN結(jié)二極管。因此，AC信號(hào)正常工作在小信號(hào)區(qū)域的電壓范圍之內(nèi)，其中 基體和源極之間的PN結(jié)二極管不被開啟。由于基體的電壓在AC模式中被轉(zhuǎn)化為源極的電壓，因此出現(xiàn)基體效應(yīng) 并且增益也增加。結(jié)果是提高了級(jí)聯(lián)差分放大器的增益。圖12是顯示根據(jù)本發(fā)明的使用基體-源極交叉耦合的共柵差分放大器與 傳統(tǒng)的共柵差分放大器根據(jù)頻率的最大穩(wěn)定增益的比較圖示。如圖12所示，當(dāng)放大器具有高電流條件以獲得最大增益時(shí)，可以看到， 根據(jù)本發(fā)明的使用基體-源極交叉耦合的共柵差分放大器的最大穩(wěn)定增益在 整個(gè)頻率范圍內(nèi)比傳統(tǒng)的共柵差分放大器高出1至2dB。圖13是顯示根據(jù)本發(fā)明的使用基體-源極交叉耦合的共柵差分放大器與 傳統(tǒng)的共柵差分放大器根據(jù)頻率的最大穩(wěn)定增益的比較圖示。如圖13所示，當(dāng)放大器具有低電流條件以獲得低增益時(shí)，可以看到， 根據(jù)本發(fā)明的使用基體-源極交叉耦合的共柵差分放大器的最大穩(wěn)定增益在 整個(gè)頻率范圍內(nèi)比傳統(tǒng)的共柵差分放大器高出2至7dB。傳統(tǒng)放大器的增益在低電流條件下相比高電流條件顯著降低。然而，在 根據(jù)本發(fā)明的放大器中，即使在低電流條件下，由于基體效應(yīng)導(dǎo)致了增益提 高，因此減少了增益降低。圖14是顯示根據(jù)本發(fā)明的使用基體-源極交叉耦合的級(jí)聯(lián)差分放大器與傳統(tǒng)的級(jí)聯(lián)差分放大器根據(jù)頻率的最大穩(wěn)定增益的比較圖示。如圖14所示，當(dāng)放大器具有高電流條件以獲得最大增益時(shí)，可以看到，根據(jù)本發(fā)明的使用基體-源極交叉耦合的級(jí)聯(lián)差分放大器的最大穩(wěn)定增益在整個(gè)頻率范圍內(nèi)比傳統(tǒng)的級(jí)聯(lián)差分放大器高出1至2dB。圖15是顯示根據(jù)本發(fā)明的使用基體-源極交叉耦合的級(jí)聯(lián)差分放大器與傳統(tǒng)的級(jí)聯(lián)差分放大器根據(jù)頻率的最大穩(wěn)定增益的比較圖示。如圖15所示，當(dāng)放大器具有低電流條件以獲得低增益時(shí)，可以看到， 根據(jù)本發(fā)明的使用基體-源極交叉耦合的級(jí)聯(lián)差分放大器的最大穩(wěn)定增益在 整個(gè)頻率范圍內(nèi)比傳統(tǒng)的級(jí)聯(lián)差分放大器高出10至14dB。傳統(tǒng)放大器的增益在低電流條件下相比高電流條件顯著降低。然而，在 根據(jù)本發(fā)明的放大器中，即使在低電流條件下，由于基體效應(yīng)導(dǎo)致了增益提 高，因此減少了增益降低。如上所述，在根據(jù)本發(fā)明的使用基體-源極交叉耦合的差分放大器中， 在低電流條件和小信號(hào)工作條件下增益被顯著提高。因此，在低功率模擬電路或者低功率RF電路中顯著提高了增益。由基體效應(yīng)導(dǎo)致的擊穿電壓降出現(xiàn)在AC模式中而不是DC模式中。因此， 降低了擊穿電壓降。如上所述，根據(jù)本發(fā)明，通過基體-源極交叉耦合，即將差分放大器的 共柵放大器的基體交叉耦合到相對(duì)的共柵放大器的源極，從而可以由于基體 效應(yīng)而導(dǎo)致跨導(dǎo)的增加和增益的提高。由于基體的電勢(shì)在DC模式中等于源 極的電勢(shì)，因此緩解了擊穿電壓降低的問題。在本發(fā)明中，增益在低電流工作條件以及高電流工作條件中相對(duì)于傳統(tǒng) 的共柵差分放大器有更多的改善。因此，當(dāng)本發(fā)明應(yīng)用到低功率模擬電路和 低功率RF電路時(shí)，增益被顯著提高。盡管公開了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解在不背離所 附權(quán)利要求書中給出的本發(fā)明的范圍和實(shí)質(zhì)的條件下，各種修改、添加和替 換都是可能的。
權(quán)利要求
1.一種使用基體-源極交叉耦合的差分放大器，其中所述差分放大器由差分結(jié)構(gòu)的共柵放大器組成，其中所述共柵放大器的基體被交叉耦合到相對(duì)的共柵放大器的源極。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的差分放大器，其中至少一個(gè)使用基體-源極交 叉耦合的差分放大器與一個(gè)或者多個(gè)共柵差分放大器在一個(gè)電壓源下在多 級(jí)中級(jí)聯(lián)組合。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的差分放大器，其中用于配置所述差分放 大器的麗0SFET形成在三阱結(jié)構(gòu)中，并且PM0SFET形成在雙阱結(jié)構(gòu)中或者三 阱結(jié)構(gòu)中。
4. 一種使用基體-源極交叉耦合的級(jí)聯(lián)差分放大器，其中所述級(jí)聯(lián)差分 放大器由差分結(jié)構(gòu)的共源放大器和共柵放大器組成，其中所述共柵放大器的 基體被交叉耦合到相對(duì)的共柵放大器的源極。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的差分放大器，其中一個(gè)使用基體-源極交叉耦 合的級(jí)聯(lián)差分放大器被插入一個(gè)電壓源下，并且至少一個(gè)共柵差分放大器在 多級(jí)級(jí)聯(lián)中插入在所述級(jí)聯(lián)差分放大器和負(fù)載之間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的差分放大器，其中部分或者全部所述至少一 個(gè)共柵放大器的基體被交叉耦合到相對(duì)的共柵放大器的源極。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4至6中任何一者所述的差分放大器，其中用于配置 所述差分放大器的匪0SFET形成在三阱結(jié)構(gòu)中，并且PM0SFET形成在雙阱結(jié) 構(gòu)中或者三阱結(jié)構(gòu)中。
全文摘要
公開了一種使用基體-源極交叉耦合的差分放大器。在共柵差分放大器中，共柵放大器實(shí)現(xiàn)為差分結(jié)構(gòu)，由于共柵放大器的基體被交叉耦合到相對(duì)的共柵放大器的源極，因此可以由于基體效應(yīng)增加跨導(dǎo)從而提高增益。由于基體的電勢(shì)在DC模式中等于源極的電勢(shì)，因此可以緩解擊穿電壓降低的問題。
文檔編號(hào)H03F1/02GK101166013SQ20071000021
公開日2008年4月23日 申請(qǐng)日期2007年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月16日
發(fā)明者李東鎬, 洪圣喆 申請(qǐng)人:韓國科學(xué)技術(shù)院