專利名稱：具有放大器的集成電路的制作方法
寬帶放大器必須提供基本恒定的增益作為上至截止頻率的頻率的函數(shù)。在晶體管放大器中，經(jīng)過放大器的晶體管的本征電容的電流泄漏限制了截止頻率。將這些泄漏電流的效應(yīng)推進(jìn)到更高頻率的眾所周知的技術(shù)是使用共射共基(cascode)電路(也稱為“共基電路”或者“共柵電路”)，其是具有其控制電極耦合至基本恒定電壓(不是信號電壓)的晶體管的電路。美國專利No.5,304,946公開了具有cascode電路的寬帶放大器。


圖1示出了具有cascode晶體管的現(xiàn)有技術(shù)放大器電路。輸入晶體管Q1在其基極接收輸入信號。輸入晶體管的集電極耦合至第一cascode晶體管Q2的發(fā)射極，其基極耦合至恒定電壓的連接，即基極對于高頻有效接地。
在工作中，cascode晶體管Q2用于將電路的截止頻率移動到更高的頻率。為了理解這一點，應(yīng)比較圖1的電路和用耦合在輸入晶體管Q1的集電極和正電源之間的負(fù)載電阻器替代cascode晶體管Q2的電路。在這種情況下，通過與輸入電阻并聯(lián)的輸入晶體管的密勒電容和輸入電容的RC時間來確定最大頻率。然而，在圖1的電路中，第一cascode晶體管Q2的發(fā)射極形成了比負(fù)載電阻器更低的阻抗，由于減小了密勒效應(yīng)，這導(dǎo)致了相應(yīng)的更高的截止頻率。
美國專利No.5,304,946描述了在這種電路的頻率依賴中可以出現(xiàn)甚至低于截止頻率的陷阱(下沉)。這是因為在cascode電路的工作期間，密勒電容(基極-集電極電容)和基極-發(fā)射極電容可以引起cascode晶體管的有效阻抗的虛部變?yōu)檎?如電感器的)。和輸入晶體管Q1的容性輸出阻抗一起，這可以導(dǎo)致諧振。美國專利No.5,304,946描述如何通過cascode晶體管的基極和恒定電壓的連接之間選定的阻抗Z來抑制該陷阱。然而，不可避免地，該電路仍然有截止頻率。
這可以通過考慮放大器的傳遞函數(shù)來理解。傳遞函數(shù)將放大器的輸入上的電壓與其輸出上的電壓相關(guān)聯(lián)。傳遞函數(shù)描述了作為頻率函數(shù)的在這兩個電壓之間的比率。一般的，傳遞函數(shù)的頻率依賴通過頻率“f”的兩個多項式函數(shù)P(f)、Q(f)的比率P(f)/Q(f)，即，分子多項式P(f)除以分母多項式Q(f)來描述。這些多項式P、Q的根通常是復(fù)數(shù)x+iy(使P(x+iy)＝0)。這些根是傳遞函數(shù)的頻率特征，即便多項式對于任何實頻率f不為0。分子多項式P的根被表示為傳遞函數(shù)的零點，分母多項式Q的根被表示為傳遞函數(shù)的極點。
具有電阻器和電容器但沒有電感的大部分電路的極點和零點在虛頻率軸(即，對于一些實數(shù)值y，P(iy)＝0和Q(iy)＝0)，其對應(yīng)阻尼。輸入晶體管Q1處的輸入電阻和電容的組合，例如，將虛軸上的極點歸因于放大器的傳遞函數(shù)。該極點導(dǎo)致增益隨頻率的上升而下降。
本發(fā)明的目的之一是提供具有放大器的集成電路，其中截止頻率進(jìn)一步提高。
本發(fā)明提供了放大器電路，包括-輸入和輸出以及內(nèi)部節(jié)點；-具有耦合至輸入的第一控制電極和耦合至內(nèi)部節(jié)點的第一主電流通道的輸入晶體管；-具有耦合至內(nèi)部節(jié)點的第二控制電極和耦合至輸出的第二主電流通道的輸出晶體管；-具有耦合至內(nèi)部節(jié)點的第三主電流通道的內(nèi)部晶體管，因而從第一主通道到第二控制電極的主低頻電流路徑不經(jīng)過第三主電流通道；-電阻性元件，內(nèi)部節(jié)點順序經(jīng)由第三主電流通道和所述電阻性元件耦合至電源連接，其中電阻性元件的電阻值超過臨界值，在該臨界值之上放大器電路的傳遞函數(shù)的極點成為實頻率分量。
電阻性元件和內(nèi)部晶體管的組合加入了輸入晶體管和輸入晶體管之間的內(nèi)部節(jié)點到地的阻抗。在該節(jié)點處響應(yīng)來自輸入晶體管的電流而產(chǎn)生的電壓是電路的傳遞函數(shù)的決定因素。該電壓取決于由電阻性元件和內(nèi)部晶體管的組合所提供的阻抗。對于低電阻值，放大器的傳遞函數(shù)的主極點是虛極點和零點。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過僅提高電阻性元件的電阻值，對于該組合的阻抗就能夠通過臨界值。提高電阻值在該臨界值之上，則將傳遞函數(shù)的極點移動到復(fù)平面中，使得這些極點具有虛部和實部。這提高了放大器的截止頻率。
此外，電阻值的升高引起傳遞函數(shù)的零點向?qū)嶎l率軸移動(降低了極點的虛部)。該零點的附加效應(yīng)是用于補償在輸入晶體管的控制電極處由電路引起的極點效應(yīng)。在根據(jù)本發(fā)明的放大器的實施方案中，選擇電阻值，使得零點具有比在輸入晶體管的控制電極處由電路引起的極點更低或者相同的頻率位置。優(yōu)選地，零點基本和該極點重合，即頻率上的差異低于，比方說，10％。這導(dǎo)致最優(yōu)的寬帶增益。
應(yīng)該注意，內(nèi)部晶體盡管以和常規(guī)cascode晶體管相似的方式連接，但是其不用作具有其主電流通道與輸入晶體管的主電流通道和輸出晶體管的控制電極互連的常規(guī)cascode。在放大器的輸入和輸出之間的主低頻放大路徑不穿過內(nèi)部晶體管的主電流通道。電阻性元件和內(nèi)部晶體管的組合僅僅耦合在該路徑中的內(nèi)部節(jié)點和地之間，以便影響內(nèi)部節(jié)點處的阻抗。從輸入晶體管的主電流通道到輸出晶體管的控制電極的低頻電流不流經(jīng)內(nèi)部晶體管的主電流通道(盡管，由于電流鏡效應(yīng)，在低頻下，通過內(nèi)部晶體管的電流變化基本等于通過輸出晶體管的電流變化，但是符號相反)。
該電路的實施方案包括另外的輸出晶體管，其具有和第二主電流通道串聯(lián)的第四主電流通道以及耦合至第三主電流通道和電阻性元件之間另外的節(jié)點的第四控制電極。這樣，附加電流在更高頻率時從輸出晶體管泄漏到電阻性元件。結(jié)果，很快到達(dá)臨界電阻值，使得更小的電阻值足以滿足傳遞函數(shù)的極點的充分移動。而且，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在這種方式中，極點從虛頻率軸以更大的角度移走，導(dǎo)致更好的寬帶特性。以這種方式可以實現(xiàn)最佳的寬帶特性，其中在零點補償輸入極點時極點相對軸成45度。
應(yīng)該注意，在該實施方案中，內(nèi)部晶體管的主電流通道仍然有效地不包括在放大路徑中。通過另外的輸出晶體管的主電流通道的低頻電流由通過輸出晶體管的主電流通道的電流決定，并且在低頻時，其不受另外的輸出晶體管的控制電極和電阻性元件之間的耦合所影響。
在另外的實施例中，根據(jù)本發(fā)明實現(xiàn)了差分放大器的兩個支路。因此實現(xiàn)了寬帶差分放大器。
根據(jù)本發(fā)明的集成電路的這些和其它目的和優(yōu)勢方面將參考附圖進(jìn)行更詳細(xì)的說明。
圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的放大器電路，圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的放大器電路，圖2a示出了晶體管模型，圖3a-b示出了圖2的電路的極點遷移，圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的另外的放大器電路，和圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的差分放大器電路。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的放大器電路。該電路包括輸入晶體管Q1、內(nèi)部晶體管Q2、輸出晶體管Q4、另外的輸出晶體管Q3以及第一和第二負(fù)載電阻器R1、R2。輸入晶體管Q1形成電路的輸入。經(jīng)由節(jié)點10，輸入晶體管Q1的集電極耦合至內(nèi)部晶體管Q2的發(fā)射極，晶體管Q2的基極耦合至恒定電壓的連接，即該基極對于高頻有效接地。內(nèi)部晶體管Q2的集電極經(jīng)由第一負(fù)載電阻器R1耦合至正電源(對于高頻有效接地)。
輸入晶體管Q1的集電極耦合至輸出晶體管Q4的基極，晶體管Q4的集電極耦合至另外的輸出晶體管Q3的發(fā)射極。輸出cascode晶體管Q2的基極耦合至恒定電壓的連接，即該基極對于高頻有效接地。另外的輸出晶體管Q3的集電極形成放大器電路的輸出并且通過第二負(fù)載電阻器R2耦合至正電源。
工作于低頻時，輸入晶體管Q1拉入集電極電流，該集電極電流的變化和晶體管Q1基極處的電壓變化成比例。內(nèi)部晶體管Q2和輸出晶體管Q4執(zhí)行電流鏡功能，因為這些晶體管的基極-發(fā)射極電壓變化彼此相反。由輸入晶體管Q1的集電極拉入的電流的變化導(dǎo)致由內(nèi)部晶體管Q2拉入的集電極電流的相應(yīng)變化，并且導(dǎo)致輸出晶體管Q4的集電極電流的相反變化。另外的輸出晶體管Q3將輸出晶體管Q4的集電極電流的變化傳送到第二負(fù)載電阻器R2。在低頻處，第一負(fù)載電阻器R1對通過第二負(fù)載電阻器R2的電流幾乎沒有或者完全沒有影響，因為另外的輸出晶體管Q3的發(fā)射極電壓跟隨輸出cascode晶體管的基極電壓的變化。
圖2a示出了例如Q1、Q2、Q3或Q4的晶體管的等效電路模型。該模型包括位于發(fā)射極和集電極之間在低頻下提供集電極電流的電流源20、基極-發(fā)射極電容22、基極-集電極(密勒)電容24、以及外部基極和連接基極-發(fā)射極電容22與基極-集電極電容的節(jié)點28之間的基極電阻器26。在此模型中，通過電流源20的電流與節(jié)點28和發(fā)射極之間的電壓成比例。電容器22、24和電阻器26是晶體管的本征元件，而不是分立元件。
本征電容引起在高頻時從晶體管Q1-4的電流泄漏。這導(dǎo)致在更高頻率時電路的增益減小。此增益可根據(jù)傳遞函數(shù)表示，其表示輸出信號的傅里葉變換值和輸入電壓的傅里葉變換值之間的比率作為頻率的函數(shù)。根據(jù)圖2a的模型，該傳遞函數(shù)對應(yīng)于頻率的第一多項式函數(shù)除以頻率的第二多項式函數(shù)。第二多項式的零點位置對應(yīng)于傳遞函數(shù)的極點。這些通常以復(fù)數(shù)值出現(xiàn)的極點是作為頻率函數(shù)的增益下降的特征其虛部越大，下降越慢。
圖3a-b示出了對于第一負(fù)載電阻器R1的多個取值，圖2的傳遞函數(shù)的一些極點的位置，用交叉X標(biāo)記。頻率在豎軸上繪制，使得純虛頻率處的極點在橫軸上。此外，傳遞函數(shù)的零點被繪制為圓圈○。
第一組極點30a-c對應(yīng)于第一負(fù)載電阻器R1的值是0歐姆的位置。這些極點如下產(chǎn)生。輸入電流通過輸入晶體管Q1的基極-發(fā)射極電容泄漏并且對放大的電流沒有貢獻(xiàn)。該泄漏電流導(dǎo)致了其中第一個極點30a，具有更高頻率時增益的相應(yīng)損失。同樣，電流由于Q2的基極發(fā)射極電容從內(nèi)部晶體管Q2的發(fā)射極泄漏到基極，并且由于Q4的基極-發(fā)射極電容從輸出晶體管Q4的基極泄漏。這導(dǎo)致傳遞函數(shù)中另外的極點30b、c以及零點31。
圖3b示出了當(dāng)?shù)谝回?fù)載電阻器R1的值提高時所發(fā)生的情況。這引起這些后面的極點30b、c沿橫軸向彼此轉(zhuǎn)移(仍然在純虛頻率處)。零點31同樣移向更低的頻率。當(dāng)?shù)谝回?fù)載電阻器R1的電阻達(dá)到臨界值時，這兩個遷移的極點到達(dá)它們彼此相遇的位置32。該臨界值取決于精確電路參數(shù)并且可由用于電路分析的計算機(jī)程序或者，更費力地，通過手工計算容易地確定。對于典型電路，其中所有晶體管Q1到Q4的跨導(dǎo)是1/(70歐姆)，基極-發(fā)射極電容是0.32pF，密勒(基極集電極)電容是0.013pF，且本征基極電阻是27歐姆，第一負(fù)載電阻器的臨界值大約是54歐姆。
當(dāng)R1超過臨界值時，極點經(jīng)由軌道34a、b遷移進(jìn)入虛平面內(nèi)。通過其自身，這些極點由此將對應(yīng)于當(dāng)頻率從0上升(或者由于軸上的極點下降小于所期望值)時初始增大的增益，并且將僅在該頻率升高超過該極點的實部的值之后下降。這補償了由輸入晶體管Q1的基極-發(fā)射極電容引起的極點30a的效應(yīng)。由此實現(xiàn)了具有更高截止頻率的寬帶放大器。
同時，由Q2產(chǎn)生的零點31移動至更低頻率。這減少了在低頻時增益隨頻率下降的量。對于另外的臨界值，該移位的零點33精確定位于源自Q1的基極-發(fā)射極的極點30a之上。在該值處，零點完全消除了該極點的影響。另外的臨界值取決于精確電路參數(shù)并且可由用于電路分析的計算機(jī)程序或者，更費力地，通過手工計算容易地確定。對于上面提到的典型電路，另外的臨界值是327.9歐姆。
當(dāng)電阻值進(jìn)一步升高時，零點31相比于由輸入電路引起的極點30a，將對增益具有更深遠(yuǎn)的影響。當(dāng)選擇放大器的分量值使得引入的零點位于極點30a之上時，放大器的寬帶性能被最優(yōu)化。這將使得作為頻率函數(shù)的增益的下降達(dá)到盡可能高的值，而不會引起對于更低頻率的增益的顯著升高，這在R1的更高值時發(fā)生。
有效地，第一負(fù)載電阻器R1和內(nèi)部晶體管Q2的組合將特定類型的阻抗加到輸入晶體管Q1和輸出晶體管Q4之間的節(jié)點上。該阻抗也可通過Q2的基極和地之間的附加電阻器來更改。響應(yīng)來自輸入晶體管Q1的電流在該節(jié)點產(chǎn)生的電壓對于傳遞函數(shù)是決定性的。該電壓取決于由第一負(fù)載電阻器R1和內(nèi)部晶體管的組合提供的阻抗。該電壓也可通過Q2的基極和地之間的附加電阻器來更改。當(dāng)R1的電阻值充分大時，該組合的阻抗將傳遞函數(shù)的極點轉(zhuǎn)移進(jìn)入復(fù)平面內(nèi)，并且它產(chǎn)生零點。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的另外的電路。該另外的電路和圖2的電路的不同之處在于內(nèi)部晶體管Q2的集電極連接到另外的輸出晶體管Q3的基極。因此，來自輸出晶體管Q4的電流的某些部分將到達(dá)第一負(fù)載電阻器R1。這提高了傳遞函數(shù)的極點的遷移速度，使得電阻的臨界值對于圖2的電路相比更低。利用上述參數(shù)，圖4的電路的臨界電阻是8.7歐姆，用于實現(xiàn)寬帶放大器的另外的臨界(和最優(yōu))值是169.5歐姆。由于更低的臨界電阻值，所以該電路受寄生效應(yīng)的影響更小，使得其可更容易地用于更高的頻率。
另外，其中的極點30b、c以更大的角度離開虛頻率軸。因此，當(dāng)零點33覆蓋其它極點30a時，極點30b、c近似達(dá)到和軸成45度角。由此實現(xiàn)最佳的寬帶特性。
應(yīng)該注意，在內(nèi)部晶體管Q2的集電極和另外的輸出晶體管Q3的基極之間的耦合對低頻增益幾乎沒有或者完全沒有影響，因為經(jīng)過另外的輸出晶體管Q3的電流由輸出晶體管Q4確定。另外的輸出晶體管Q3的發(fā)射極電壓將僅跟隨內(nèi)部晶體管Q2的集電極電壓，而不影響通過另外的輸出晶體管Q3的電流。因此，內(nèi)部晶體管Q2有效地位于這兩個圖的放大器的輸入和輸出之間的路徑之外。其基本作用僅為更改輸入晶體管Q1的集電極和輸出晶體管Q4的基極之間的節(jié)點處的阻抗。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的另外的電路。差分放大器50構(gòu)成具有圖2中所示類型的第一和第二放大器51、52，除了放大器的鏡像晶體管510、520的發(fā)射極耦合至公共電流源54這一事實。差分放大器50的輸出可以經(jīng)由電容器(未示出)耦合至推挽級(未示出)的輸入。
可以理解，本發(fā)明不限于圖中所示的實施方案。例如，作為僅使用內(nèi)部晶體管Q2的本征電容和電阻器的替換，可以使用附加的外部部件，諸如附加基極電阻器或者基極發(fā)射極電容以便調(diào)整效果。然而，這不是必需的晶體管Q2的自然本征參數(shù)和單一集電極電阻的組合已經(jīng)產(chǎn)生了所要求的效果。當(dāng)然，該集電極電阻不需要是電阻器可以使用任何電阻性元件，例如電阻器網(wǎng)絡(luò)、長而細(xì)的導(dǎo)體線、或者適當(dāng)配置的晶體管。同樣，本發(fā)明通過雙極型晶體管進(jìn)行說明，但是可以理解，F(xiàn)ET、MOS(IGFET)晶體管、或者其它任意類型的晶體管可用于晶體管Q1-Q4的任何一個或者全部。因為所有類型的晶體管具有從其控制電極到其主通道電極的泄漏電容以及本征控制電極電阻，所以仍然可以應(yīng)用本發(fā)明。如果需要的話，通過添加外部部件可以提高這些電阻或電容。
同樣，只要存在到Q2的控制電極的足夠反饋電容，附加晶體管，例如另外的cascode晶體管，可用于替代單一的內(nèi)部晶體管Q2以饋送負(fù)載電阻器R1。另外的輸出晶體管Q3可以省略或者被另一電路或者電路元件替換，例如，“折疊”輸出電流的電流鏡的輸出，或者電阻器。內(nèi)部晶體管Q2可以連接到放大路徑中連續(xù)的晶體管Q1、Q4的基極和集電極之間的任何接點其不必直接連接至它有助于補償其極點的晶體管Q1。它也不需要直接連接到基極-集電極連接處其可以連接到由電流饋送的放大路徑上的任何點，當(dāng)該點的電壓對增益是決定性的時，因為正是內(nèi)部晶體管的阻抗貢獻(xiàn)導(dǎo)致了極點遷移。然而，優(yōu)選地，晶體管的主電流通道用于饋送電流。附加的內(nèi)部晶體管可用在電路中不同點上以便提供附加補償。
權(quán)利要求
1.一種放大器電路，包括-輸入(In)和輸出端(Out)以及內(nèi)部節(jié)點(10)；-具有耦合至輸入(In)的第一控制電極和耦合至內(nèi)部節(jié)點(10)的第一主電流通道的輸入晶體管(Q1)；-具有耦合至內(nèi)部節(jié)點(10)的第二控制電極和耦合至輸出(Out)的第二主電流通道的輸出晶體管(Q4)；-具有耦合至內(nèi)部節(jié)點(10)的第三主電流通道的內(nèi)部晶體管(Q2)，其特征在于，從第一主通道(Q1)到第二控制電極(Q4)的主低頻電流路徑不通過第三主電流通道(Q2)；該放大器電路包括-電阻性元件(R1)，內(nèi)部節(jié)點(10)順序經(jīng)由第三主電流通道(Q2)和電阻性元件(R1)耦合至電源連接，其中電阻性元件(R1)的電阻值超過臨界值，在該臨界值之上放大器電路的傳遞函數(shù)的極點(34b、c)發(fā)展了實頻率分量。
2.如權(quán)利要求1所要求的放大器電路，其中電阻值被選擇為使得傳遞函數(shù)的零點(33)的頻率位置低于或者等于傳遞函數(shù)中極點(30a)的頻率位置，其是由第一晶體管(Q1)和在前的第一控制電極的電路上游的組合所引起。
3.如權(quán)利要求1所要求的放大器電路，包括另外的輸出晶體管(Q3)，其具有與第二主電流通道(Q4)串聯(lián)的第四主電流通道以及耦合至第三主電流通道(Q2)和電阻性元件(R1)之間的另外的節(jié)點的第四控制電極。
4.如權(quán)利要求1所要求的放大器電路，包括具有電流源(54)和第一以及第二相同支路(51，52)的差分放大器，第一支路(51)包括輸入晶體管(Q1)、內(nèi)部晶體管(Q2)和輸出晶體管(Q4)，第二支路包括另外的輸入晶體管、另外的內(nèi)部晶體管和另外的輸出晶體管，同時輸出晶體管的主電流通道并聯(lián)耦合至電流源。
5.如權(quán)利要求1所要求的放大器電路，其中電阻值被選擇使得其位置取決于電阻值的放大器的傳遞函數(shù)的零點(33)，與輸入晶體管的控制電極處的電路引起的極點(30a)基本重合。
全文摘要
一種放大器電路包括具有耦合至輸入In的第一控制電極和耦合至內(nèi)部節(jié)點10的第一主電流通道的輸入晶體管Q1。輸出晶體管Q4具有耦合至內(nèi)部節(jié)點10的第二控制電極和耦合至放大器的輸出Out的第二主電流通道。內(nèi)部晶體管Q2具有耦合至內(nèi)部節(jié)點10的第三主電流通道。內(nèi)部晶體管Q2用于更改內(nèi)部節(jié)點10處的阻抗，但是從第一主通道Q1到第二控制電極的主低頻增益路徑不通過第三主電流通道Q2。內(nèi)部節(jié)點10連續(xù)經(jīng)由第三主電流通道Q2和電阻性元件R1耦合至地。電阻性元件R1的電阻值使得放大器電路的傳遞函數(shù)的極點發(fā)展為虛頻率(諧振)分量。
文檔編號H03F3/343GK1599974SQ02824183
公開日2005年3月23日 申請日期2002年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月3日
發(fā)明者R·A·S·布雷尼塞 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司