阅读说明：本技术 一种自适应偏置阻性源退化的低噪声跨导放大器 (Self-adaptive bias resistive source degeneration low-noise transconductance amplifier ) 是由 邹亮 刘玮 于 2020-04-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种自适应偏置阻性源退化的低噪声跨导放大器,其特征在于,包括：主放大器电路和偏置电路；主放大器电路采用PMOS差分对管输入,共源共栅结构,阻性源退化输出；偏置电路包括：P共栅管偏置电路、N电流源偏置电路和N共栅管偏置电路；P共栅管偏置电路、N电流源偏置电路和N共栅管偏置电路分别为主放大器电路提供P共栅管偏置电压、N电流源偏置电压、N共栅管偏置电压；主放大器电路的输入和输出分支分别引出一路支流,再并联构建偏置电路。本发明提供了一种自适应偏置阻性源退化的低噪声跨导放大器,在工艺电压和温度波动的情况下,保证工作点稳定,同时也避免了大电阻的问题。(The invention discloses a self-adaptive bias resistive source degeneration low-noise transconductance amplifier which is characterized by comprising the following components: a main amplifier circuit and a bias circuit; the main amplifier circuit adopts PMOS differential pair tube input, a cascode structure and resistive source degeneration output; the bias circuit includes: the P-common-gate transistor biasing circuit, the N current source biasing circuit and the N-common-gate transistor biasing circuit; the P common-gate tube bias circuit, the N current source bias circuit and the N common-gate tube bias circuit respectively provide P common-gate tube bias voltage, N current source bias voltage and N common-gate tube bias voltage for the main amplifier circuit; the input branch and the output branch of the main amplifier circuit respectively lead out a branch, and then are connected in parallel to construct a bias circuit. The invention provides a self-adaptive bias resistive source degeneration low-noise transconductance amplifier, which ensures the stability of a working point under the condition of process voltage and temperature fluctuation and avoids the problem of large resistance.)

一种自适应偏置阻性源退化的低噪声跨导放大器

技术领域

本发明涉及放大器技术领域，更具体的说是涉及一种自适应偏置阻性源退化的低噪声跨导放大器。

背景技术

放大器是集成电路中非常关键的部分，是数据转换器,滤波器,传感器等高级系统的核心部件,放大器的噪声性能高低往往决定了系统的整体噪声性能，因此放大器的低噪声设计至关重要。

放大器主要由低频段的1/f噪声主导，1/f噪声在低频段远远高于器件的热噪声。由于电阻是无源元件，主要贡献热噪声，将普通的MOS管电流源改造成阻性源退化(resistive source degeneration)的电流源，可以显著降低其电流输出的低频噪声。低噪声放大器中，广泛采用阻性源退化结构来降低噪声。

折叠式共源共栅(folded cascade)是常见的跨导型放大器结构，它能提供较宽的输入共模范围和输出共模范围，具有应用范围广，使用灵活的优点。

现有技术中，对传统的电流镜结构进行改造，放大器的工作点可能在工艺、电压以及温度(PVT)变化的前提下发生很大程度的改变，影响性能和正常工作，进而理论上可以避免工作点不稳定的问题，但是，实际情况下，为了提高电流的利用效率，为了匹配电流镜输入分支和输出分支的工艺电压和温度波动，需要满足输入分支和输出分支的阻值，而阻值大又会占用很大的芯片版图面积。

因此，本发明针对前述的偏置电路中的大电阻问题，提出一种自适应偏置阻性源退化的低噪声跨导放大器，在工艺电压和温度波动的情况下，保证工作点稳定，同时也避免了大电阻的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种自适应偏置阻性源退化的低噪声跨导放大器，在工艺电压和温度波动的情况下，保证工作点稳定，同时也避免了大电阻的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种自适应偏置阻性源退化的低噪声跨导放大器，包括：主放大器电路和偏置电路；

所述主放大器电路采用PMOS差分对管输入，共源共栅结构，阻性源退化输出；

所述偏置电路包括：P共栅管偏置电路、N电流源偏置电路和N共栅管偏置电路；

所述P共栅管偏置电路、所述N电流源偏置电路和所述N共栅管偏置电路分别为所述主放大器电路提供P共栅管偏置电压、N电流源偏置电压、N 共栅管偏置电压；

所述主放大器电路的输入和输出分支分别引出一路支流，再并联构建所述偏置电路。

优选的，在上述的一种自适应偏置阻性源退化的低噪声跨导放大器中，所述主放大器电路包括MOS管Mp0+、MOS管Mp0-、MOS管Mp1+、MOS 管Mp1-、MOS管Mp2+、MOS管Mp2-、MOS管Mn1+、MOS管Mn1-、MOS 管Mn2+、MOS管Mn2-、第一电流源、电阻Rp+、电阻Rp-、电阻Rn+和电阻Rn-；所述电阻Rp+的一端接高电平，所述电阻Rp+的另一端与所述MOS 管Mp1+的源极连接，所述电阻Rp-的一端接高电平，所述电阻Rp-的另一端与所述MOS管Mp1-的源极连接；所述MOS管Mp1+的漏极与所述MOS管 Mp2+的源极连接；所述MOS管Mp2+的漏极与所述MOS管Mn2+的漏极连接；所述MOS管Mn2+的源极与所述MOS管Mn1+的漏极连接；所述MOS 管Mn1+的源极与所述电阻Rn+的一端连接，所述电阻Rn+的另一端接地；所述MOS管Mp1-的漏极与所述MOS管Mp2-的源极连接；所述MOS管Mp2- 的漏极与所述MOS管Mn2-的漏极连接；所述MOS管Mn2-的源极与所述 MOS管Mn1-的漏极连接；所述MOS管Mn1-的源极与所述电阻Rn-的一端连接，所述电阻Rn-的另一端接地；所述MOS管Mp1+和所述MOS管Mp1-栅极共接，并与所述MOS管Mp2+的漏极连接；所述MOS管Mp2+和所述MOS 管Mp2-栅极共接；所述MOS管Mn1+和所述MOS管Mn1-栅极共接；所述 MOS管Mn2+和所述MOS管Mn2-栅极共接；MOS管Mp0+和MOS管Mp0- 的源极共接，所述第一电流源一端与共源极点连接，所述第一电流源的另一端接高电平；所述MOS管Mp0+的漏极与所述MOS管Mn2-的源极连接；所述MOS管Mp0-的漏极与所述MOS管Mn2+的源极连接。

优选的，在上述的一种自适应偏置阻性源退化的低噪声跨导放大器中，所述N电流源偏置电路包括：MOS管Mn3+、MOS管Mn3-和第二电流源；所述MOS管Mn3+的源极与所述MOS管Mn1+的源极连接；所述MOS管 Mn3-的源极与所述MOS管Mn1-的源极连接；所述MOS管Mn3+、MOS管 Mn3-的栅源共接，同时与所述第二电流源的一端连接，所述第二电流源的另一端接高电平；栅源共接点与所述MOS管Mn1+的栅极连接。

优选的，在上述的一种自适应偏置阻性源退化的低噪声跨导放大器中，所述P共栅管偏置电路包括：MOS管Mp4+、MOS管Mp4-、MOS管Mp5 和第三电流源；所述MOS管Mp4+的源极与所述MOS管Mp1-的源极连接，所述MOS管Mp4-的源极与所述MOS管Mp1+的源极连接；所述MOS管Mp4+ 的漏极、所述MOS管Mp4-的漏极、所述MOS管Mp5的源极共接；所述MOS 管Mp4+的栅极、所述MOS管Mp4-的栅极、所述MOS管Mp5的栅极、所述 MOS管Mp5的漏极、所述MOS管Mp2-的栅极和所述第三电流源的一端连接，所述第三电流源的另一端接地。

优选的，在上述的一种自适应偏置阻性源退化的低噪声跨导放大器中，所述N共栅管偏置电路包括：MOS管Mn4+、MOS管Mn4-、MOS管Mn5 和第四电流源；所述MOS管Mn4+的源极与所述MOS管Mn1+的源极连接，所述MOS管Mn4-的源极与所述MOS管Mn1-的源极连接；所述MOS管Mn4+ 的漏极、所述MOS管Mn4-的漏极、所述MOS管Mn5的源极共接；所述MOS 管Mn4+的栅极、所述MOS管Mn4-的栅极、所述MOS管Mn5的栅极、所述MOS管Mn5的漏极、所述MOS管Mn2-的栅极和所述第三电流源的一端连接，所述第三电流源的另一端接高电平。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种自适应偏置阻性源退化的低噪声跨导放大器，在工艺电压和温度波动的情况下，保证工作点稳定，同时也避免了大电阻的问题。N电流源偏置电路中MOS管 Mn3+和MOS管Mn3-分别从电阻Rn+和电阻Rn-抽取电流，然后再在栅极和漏级并联，从共模信号的角度，与单电阻的偏置电路等价。MOS管Mn3+和 MOS管Mn3-是对称的，保证不影响放大器的差分工作。在P共栅管偏置电路，从共模信号的角度，看成单个Mn4，然后这个Mn4与Mn5串联，给Mn2 提供偏置电压。在N共栅管偏置电路，从共模信号的角度，看成单个Mp4，然后这个Mp4与Mp5串联，给Mp2提供偏置电压。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明的电路原理图；

图2为本发明的单电阻的偏置电路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种自适应偏置阻性源退化的低噪声跨导放大器，如图1所示，包括：主放大器电路和偏置电路；

主放大器电路采用PMOS差分对管输入，共源共栅结构，阻性源退化输出；

偏置电路包括：P共栅管偏置电路、N电流源偏置电路和N共栅管偏置电路；

P共栅管偏置电路、N电流源偏置电路和N共栅管偏置电路分别为主放大器电路提供P共栅管偏置电压、N电流源偏置电压、N共栅管偏置电压；

主放大器电路的输入和输出分支分别引出一路支流，再并联构建偏置电路。

为了进一步优化上述技术方案，主放大器电路包括MOS管Mp0+、MOS 管Mp0-、MOS管Mp1+、MOS管Mp1-、MOS管Mp2+、MOS管Mp2-、MOS 管Mn1+、MOS管Mn1-、MOS管Mn2+、MOS管Mn2-、第一电流源、电阻 Rp+、电阻Rp-、电阻Rn+和电阻Rn-；电阻Rp+的一端接高电平，电阻Rp+ 的另一端与MOS管Mp1+的源极连接，电阻Rp-的一端接高电平，电阻Rp- 的另一端与MOS管Mp1-的源极连接；MOS管Mp1+的漏极与MOS管Mp2+ 的源极连接；MOS管Mp2+的漏极与MOS管Mn2+的漏极连接；MOS管Mn2+ 的源极与MOS管Mn1+的漏极连接；MOS管Mn1+的源极与电阻Rn+的一端连接，电阻Rn+的另一端接地；MOS管Mp1-的漏极与MOS管Mp2-的源极连接；MOS管Mp2-的漏极与MOS管Mn2-的漏极连接；MOS管Mn2-的源极与MOS管Mn1-的漏极连接；MOS管Mn1-的源极与电阻Rn-的一端连接，电阻Rn-的另一端接地；MOS管Mp1+和MOS管Mp1-栅极共接，并与MOS 管Mp2+的漏极连接；MOS管Mp2+和MOS管Mp2-栅极共接；MOS管Mn1+ 和MOS管Mn1-栅极共接；MOS管Mn2+和MOS管Mn2-栅极共接；MOS 管Mp0+和MOS管Mp0-的源极共接，第一电流源一端与共源极点连接，第一电流源的另一端接高电平；MOS管Mp0+的漏极与MOS管Mn2-的源极连接；MOS管Mp0-的漏极与MOS管Mn2+的源极连接。

为了进一步优化上述技术方案，N电流源偏置电路包括：MOS管Mn3+、 MOS管Mn3-和第二电流源；MOS管Mn3+的源极与MOS管Mn1+的源极连接；MOS管Mn3-的源极与MOS管Mn1-的源极连接；MOS管Mn3+、MOS 管Mn3-的栅源共接，同时与第二电流源的一端连接，第二电流源的另一端接高电平；栅源共接点与MOS管Mn1+的栅极连接。

为了进一步优化上述技术方案，P共栅管偏置电路包括：MOS管Mp4+、 MOS管Mp4-、MOS管Mp5和第三电流源；MOS管Mp4+的源极与MOS管 Mp1-的源极连接，MOS管Mp4-的源极与MOS管Mp1+的源极连接；MOS 管Mp4+的漏极、MOS管Mp4-的漏极、MOS管Mp5的源极共接；MOS管Mp4+的栅极、MOS管Mp4-的栅极、MOS管Mp5的栅极、MOS管Mp5的漏极、MOS管Mp2-的栅极和第三电流源的一端连接，第三电流源的另一端接地。

为了进一步优化上述技术方案，N共栅管偏置电路包括：MOS管Mn4+、 MOS管Mn4-、MOS管Mn5和第四电流源；MOS管Mn4+的源极与MOS管 Mn1+的源极连接，MOS管Mn4-的源极与MOS管Mn1-的源极连接；MOS 管Mn4+的漏极、MOS管Mn4-的漏极、MOS管Mn5的源极共接；MOS管Mn4+的栅极、MOS管Mn4-的栅极、MOS管Mn5的栅极、MOS管Mn5的漏极、MOS管Mn2-的栅极和第三电流源的一端连接，第三电流源的另一端接高电平。

如图1所示，以NMOS的偏置为例，MOS管Mn3+和MOS管Mn3-分别从电阻Rn+和电阻Rn-抽取电流，然后再在栅极和漏级共联，这样，从共模信号的角度，跟图2所示的偏置电路等价。MOS管Mn3+和MOS管Mn3-是对称的，因此，也不影响放大器的差分工作。

MOS管Mn4+和MOS管Mn4-类似，从共模信号的角度，可以看成单个 Mn4，然后这个Mn4与Mn5串联，给Mn2提供偏置电压。

P管只需要提供共栅管Mp2的偏置，与N共栅管的情形类似。

如图2所示，单电阻偏置电路，可以直观的判断，输出电流I2完美的复制输入电流I1，同时还能维持阻性退化原理带来的低噪声优点。与传统的阻性退化电流源相比，仅增加了晶体管M1，由于偏置电路通常设置M1的宽长比远小于M2，M1的噪声电流贡献远小于M2，因此I2总的噪声电流输出只是轻微增加。

然而，图1所示的单电阻偏置电路，打破了跨导放大器的差分工作。偏置电压本质上是一种共模信号。因此，提出将跨导放大器两个分支分别引出一路支流再并联的方法，来构建偏置电路。

有益效果：

该发明的自适应偏置阻性源退化的低噪声跨导放大器，在工艺电压和温度波动的情况下，保证工作点稳定，同时也避免了大电阻的问题。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。