CMOS工艺下高摆幅共源共栅偏置电路

CMOS工艺下高摆幅共源共栅偏置电路高雪莲1骆丽1李哲英21北京交通大学电子信息工程学院，北京海淀区(100044)2北京联合大学信息学院，北京朝阳区(100101)摘要共源共栅级放大器可提供较高的输出阻抗和减少米勒效应，在放大器领域有很多的应用。本文提出一种COMS工艺下简单的高摆幅共源共栅偏置电路，且能应用于任意电流密度。根据饱和电压和共源共栅级电流密度的定义,本文提出器件宽长比与输出电压摆幅的关系,并设计一种高摆幅的共源共栅级偏置电路。关键字共源共栅级电流镜(CCM)宽长比电流密度偏置电路High-SwingCoscodeBiasCircuitBasedonCMOSTechniquesGAOXuelian1LUOLi1LIZheying2(1BeijingJiaotongUniversity,BeijingHaidiandistrict,100044)(2BeijingUnionUniversityInformationCollege,BeijingChaoyangdistrict,100101)AbstractCascodeAmpilifiercannotonlyprovidehigheroutputresistanceandlargergainiftheloadisalsohighresistance,butalsoreducetheMillereffect.Soitcanbeusedinmanyamplifiersfield.ThispaperproposedasimplebiascircuitthatallowsformaximumoutputvoltageswingofMOSFETcascadestageinCMOStechnics.Thecircuitisvalidforanycurrentdensityandistechnologyindependent.Accordingtothesaturationvoltageasdefinedin[1],andthecurrentdensityofthecascadestage,wedeterminetheaspectratioofthetransistorinthebiascircuitinordertomaximizetheoutputswing.KeywordCCMaspectratiocurrentdensitybiascircuit1引言设计偏置电路的目的是为驱动电路提供理想电流。与一般偏置电路相比，共源共栅电流镜（CCM）可增大输出电阻，但通常以减小输出电压摆幅、牺牲电压裕度为代价。[2][3]的自偏置CCM在单级摆幅输出时有很大的损耗。[4][5][6][7]的共源共栅电路有确定的偏置。[11]提出放大器的温度补偿偏置。本文把［7］工作在弱反型层的偏置电路引申到强反型层的偏置电路，并将[8][9]所示的放大器（图1所示）的偏置电路优化为高摆幅的偏置电路。为使放大器正常工作，图、M4的偏置电压Vb1、Vb2必需工作在临界饱和区。本文主要由以下四个部分组成：（1）参考[1]～[10]的MOS模型,实际设计中基于器件宽长比对饱和电压做定义；（2）讨论CCM的小信号输出电阻;（3）设计图1的偏置电路网络;(4)得出结论。refI图1折叠共源共栅放大器2饱和电压根据参考资料[1]、[7]的MOSFET模型，漏级电流可表示正向电流IF与反向电流IR的差：DFRIII=−（1）IF,IR取决于栅源或栅漏电压的大小。一般IFIR，所以ID≈IF。MOSFET的输出特性模型的标准格式为[1][10]1111ln11fDSfrtriViiiφ⎛⎞+−⎜=+−++⎜⎟⎟+−⎝⎠（2）,FfrSSRIIiiII==（3a）SSQWIIL⎛⎞=⎜⎝⎠⎟(3b)22tSQInCoxφμ′=(3c)为标称电流一般指强反型与弱反型的临界电流或转折点电流，ISQ是片标称电流，fi、为标称正向、反向电流，riDSV栅源电压。,,,tnCoxμφ′及WL分别为迁移率，斜率因子，单位面积栅氧化电容，热电压及晶体管宽长比。有关公式（1）～（3）在参考文献［1］和［10］中均有定义。图2共栅级放大器首先定义共栅放大器的增益msmdAgg=，这里为源极跨导gmsgmd为MOS管的输出电导。实际上，A等于在起始点（DSVV=）晶体管输出特性的斜率与工作点斜率的比。如图2所示，定义饱和电压为DSV的值，其共栅放大器的增益等于A。显然，所谓的饱和电压与A的值有关。考虑［10］()()()21msdtSfrgIiφ=+1−（4a）由公式（2）得饱和电压DSSATV为()(1ln111DSSATftVAAφ⎛⎞=+−+−⎜⎟⎝⎠)i（4b）对于A，如果friif，漏级电流dfriiii=−≅。因此在公式（4b）中可以用代替difi。公式（4b）中饱和电压的定义对建模是很适用的，如电流镜中电压摆幅，电压增益等。图3举例说明了饱和电压与不同反型层的关系。强反型层，DSSATtfViφ≅，而对弱反型层，。()lnDSSATtVAφ≅⋅(a)低压CCM(b)偏置电路共源共栅放大器的一个重要特性就是输出阻抗很高，图4（a）所示的低压共源共栅电流镜，输出电阻近似等于从M4漏级看进去的电阻，图4（b）为其简单的偏置电路。42outmsmdoutmdvggig≅42（5a）公式（5a）的结果可理解为共栅级增益除以M2的交流漏电压。假设M2，M4都工作在饱和区并且宽长比相同，既4msmsgg≅，公式（5a）可表示为4424outmsmdoutmdmdvggAigg≅=（5b）而M2的电压增益A取决于漏源电压和偏置电压，因此既要足够高以提供一个较高的电压增益也不能太高以避免减少电压摆幅。下一节将介绍如何设计图4（b）的偏bVbV置电路，使M2其工作在临界饱和区。bV4偏置电路设计图4（a）所示的CCM技术中，所有的晶体管共享同一衬底，Vb适当选取的话，电路的输出电压昀低为2VDSSAT。晶体管偏置在弱反型区并且低压工作和低功耗但频响较差。在频响与电压摆幅的折衷就是工作在适当的反型区。图4（b）所示的结构，对于生成输出昀大电压摆幅的偏置电压过于简单，但可以工作在弱反型区。我们工作的目的是扩展图4（b）的电路应用，使其工作在任意电流层。(a)M5分开为MA5﹑MB5串联(b)M7分开为MA7﹑MB7并联图5(c)高摆幅共源共栅级电流镜为了更好领会图4（b）的偏置网络工作，参考［12］我们将晶体管M5，M7分别劈分开为MA5、MB5的串行连接和MA7、MB7的并行连接。如图5（a），（b）所示。电流镜中晶体管的宽长比假设是相等的并取参考值。我们选择MA5和M6的宽长比相对参考值是相等的，并且MA5和M6的偏置电流等于输入电流。因此，MA5的栅源电压等于M4的栅源电压。的栅源电压。从现在开始,为简化问题,我们假设SQI是片标称电流对所有的晶体管适用。相应的，我们假定M4、MA5、M6的标称正向电流是相同的，因为它们的几何特性是相同的,他们都偏置在相同的电流并且都工作在饱和区。对MB5、MB7选择相同的宽长比12rrr==并定义()1rα=+rii，可容易的推出，这里57rMBrMBfii==57rMBrMBfiiα==。只要M2、M4工作在饱和区,fi参考CCM晶体管的反型层基本上与M2、M4相等。由前所诉，由公式（2）得571111ln211fDSMBDSMBfrtriVViiiααφ⎛⎞+−+⎜=+−++⎜⎟+−⎝⎠⎟（6）在弱反型区（），公式（6）右边可被写为1filn()α，而在强反型区右手边公式近似等于()1fiα−。为了将M2偏置于临界饱和区，MB5、MB7的漏源电压和等于M2的饱和电压DSSATV。图6所示由公式（4b）和(6)所得不同增益的曲线。由公式（6）α（由宽长比定义）的选择依赖于反型层但独立于工艺参数。一般r取值范围从0.1～0.8。在强反型区，r的昀佳取值为0.8(r1.5α=)。相反，在弱反型区的变化范围为0.1～0.5，依赖选择的电压增益值。r图6标准宽长比与电流层的关系所示的放大器。例如，图1的偏置电压可由MA5的栅源电压产生。此外，MA5、MB5串联的中间结点为图1提供合适的参考电压得到昀大输出摆幅。2bV5结论本文提出的偏置电路从工艺角度出发主要依赖于器件的几何比率(既宽长比)，既为使偏置电路提供的电压得到昀大输出摆幅，适当选取器件宽长比，使器件工作在临界饱和区。本文将[7]中简化的偏置电路(为工作在弱反型区的共源共栅级提供大的电压摆幅)扩展为可工作在任意电流层。参考文献[1]A.I.A.Cunha,M.C.Schneider,andC.Galup-Montoro,“AnMOStransistormodelforanalogcircuitdesign,”IEEEJ.Solid-StateCircuits,vol.33,pp.1510–1519,Oct.1998.[2]E.BruunandP.Shah,“Dynamicrangeoflow-voltagecascodecurrentmirrors,”inProc.ISCAS,1995,pp.1328–1331.[3]F.You,S.H.K.Embabi,J.F.Duque-Carrillo,andE.Sánchez-Sinencio,“Animprovedtailcurrentsourceforlowvoltageapplications,”IEEEJ.Solid-StateCircuits,vol.32,pp.573–580,Aug.1997.[4]P.HeimandM.A.Jabri,“MOScascode-mirrorbiasingcircuitoperatingatanycurrentlevelwithminimaloutputsaturationvoltage,”Electron.Lett.,vol.31,pp.690–691,Apr.27,1995.[5]T.VooandC.Toumazou,“Anovelhighspeedcurrentmirrorcompensationtechniqueandapplication,”inProc.ISCAS,1995,pp.2108–2111.[6]T.C.Choi,R.T.Kaneshiro,R.W.Brodersen,P.R.Gray,W.B.Jett,andM.Wilcox,“High-frequencyCMOSswitched-capacitorfiltersforcommunicationsapplication,”IEEEJ.Solid-StateCircuits,vol.SSC-18,pp.652–664,Dec.1983.[7]E.Vittoz,“Micropowertechniques,”inDesignofAnalog-DigitalVLSICircuitsforTelecommunicationsandSignalProcessing,2nded,J.E.FrancaandY.Tsividis,Eds.EnglewoodCliffs,NJ:Prentice-Hall,1994.[8]K.Bult,“BasicCMOScircuittechniques,”inAnalogVLSI:SignalandInformationProcessing,M.IsmailandT.Fiez,Eds.NewYork,1994.[9]R