專利名稱：放大電路用偏置電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對高頻放大電路供給偏置電壓用的偏置電路，本電路也可應(yīng)用于被稱為UWB(超寬頻帶)用的要求大于等于500MHz的寬頻帶工作的放大電路用偏置電路，可進行低電壓低功耗工作。
背景技術(shù)：
作為在窄頻帶使用的高頻放大電路的以前的例子，例如有在非專利文獻1中示出的例子。在非專利文獻1的p.164～166中示出了改善高頻特性用的柵-陰型放大電路的例子，在p.288～292中示出了例示元件常數(shù)的放大電路的例子。
此外，作為在寬頻帶使用的高頻放大電路的以前的例子，例如有在非專利文獻2中示出的例子。關(guān)于作為表示高頻放大電路的頻率選擇性的指標(biāo)的品質(zhì)系數(shù)，例如有在非專利文獻2中示出的品質(zhì)系數(shù)。
非專利文獻1Thomas H.Lee著，「The Design of CMOSRadio-Frequency Integrator Circuits」，CAMBRIDGE UniversityPress，1998，p.164-166，p.288～29非專利文獻2P.R.グレイ/R.G.メイヤ-著，「超LSI用的模擬集成電路設(shè)計技術(shù)(下卷)」，第11冊，培風(fēng)館，2000年10月20日，p.286～289非專利文獻3川上正光著，「基礎(chǔ)電路I線性穩(wěn)定編(1)」，p.72-79上述的放大電路存在以下敘述的課題。非專利文獻1的電路很明顯是用于窄頻帶工作的電路，難以得到UWB要求的大于等于500MHz的寬頻帶。為了得到寬頻帶的工作，在非專利文獻2中公開了的電路是必要的。但是，該電路存在若降低電源電壓則不能得到穩(wěn)定的放大工作的問題。即，在以前的電路結(jié)構(gòu)中，難以謀求在寬頻帶中增益充分高的放大工作與在低的電源電壓下的放大工作的兼顧。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于是為了解決這樣的現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供謀求了在寬頻帶中增益充分高的放大工作與在低的電源電壓下的放大工作的兼顧的放大電路用偏置電路。
為了解決上述的課題，本發(fā)明是一種對依次串聯(lián)連接了接地點、第1晶體管、第2晶體管、第1電阻性負載和第1電源電壓的放大電路供給偏置電壓的放大電路用偏置電路，對放大電路的第1晶體管的柵或基極供給第1偏置電壓，對放大電路的第2晶體管的柵或基極供給第2偏置電壓，偏置電路包含以二極管方式連接了柵與漏或集電極與基極的第3晶體管，第3晶體管的漏或集電極供給放大電路的第1偏置電壓，偏置電路還包含依次串聯(lián)連接的第4晶體管、第5晶體管和第2電阻性負載，將第2電阻性負載連接到第2電源電壓上，將第4晶體管的柵或基極連接到第3晶體管的漏或集電極上，以二極管方式連接第5晶體管的柵與漏或基極與集電極，從柵或集電極供給第2偏置電壓。
此時，使第1～第5晶體管全部為MOS晶體管(金屬氧化膜半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)，最好使特性一致。此外，可將放大電路定為單端型的。
再有，較為理想的是，在將第2電阻性負載的電阻值定為Rb、將流過的直流電流值定為Ib、將第1電阻性負載的電阻值定為Ra、將流過的直流電流值定為k×Ib時，Ra實質(zhì)上與Rb×(1/k)相等，或大于等于Rb×(1/k)。
為了解決上述的課題，本發(fā)明也可以是一種對依次串聯(lián)連接了接地點、第1晶體管、一對第2晶體管、一對第1電阻性負載和第1電源電壓的放大電路供給偏置電壓的差動型放大電路用偏置電路，第2晶體管的一方與第1電阻性負載的一方串聯(lián)連接，第2晶體管的另一方與第1電阻性負載的另一方串聯(lián)連接，將一對第2晶體管的源或發(fā)射極連接到第1晶體管上，對第1晶體管的柵或基極供給第1偏置電壓，對一對第2晶體管的各自的柵或基極供給第2偏置電壓，偏置電路包含以二極管方式連接了柵與漏或集電極與基極的第3晶體管，第3晶體管的漏或集電極供給差動型放大電路的第1偏置電壓，偏置電路還包含依次串聯(lián)連接的第4晶體管、第5晶體管和第2電阻性負載，將第2電阻性負載連接到第2電源電壓上，將第4晶體管的柵或基極連接到第3晶體管的漏或集電極上，以二極管方式連接第5晶體管的柵與漏或基極與集電極，從漏或集電極供給第2偏置電壓。


圖1是本發(fā)明的第1實施例的放大電路和偏置電路的框圖。
圖2是第1比較例的放大電路和偏置電路的框圖。
圖3是第2比較例的放大電路和偏置電路的框圖。
圖4是本發(fā)明的第2實施例的放大電路和偏置電路的框圖。
具體實施例方式
其次，參照附圖，詳細地說明本發(fā)明的放大電路用偏置電路的實施例。在本發(fā)明的實施例的說明之前，用圖2說明窄頻帶的放大電路和放大電路用偏置電路作為第1比較例，用圖3說明寬頻帶的放大電路和放大電路用偏置電路作為第2比較例。第2比較例是寬頻帶放大電路，但與本發(fā)明比較，在降低了電源電壓時，難以進行穩(wěn)定的放大工作。
圖2是可在第1比較例的窄頻帶中使用的柵-陰型的高頻放大電路，由放大電路20和偏置電路22構(gòu)成。放大電路20包含例如源接地了的NMOS(N溝道型MOS)晶體管NN10和以柵-陰方式連接到該NMOS晶體管NN10上的NMOS晶體管NN11。
NMOS晶體管NN10的柵經(jīng)不通過直流分量的電容器C10連接到放大電路20的輸入端子IN上。柵進而連接到阻抗元件Z10的一端上。阻抗元件Z10的另一端經(jīng)電容器C11接地，同時經(jīng)電阻Ra1連接到偏置電壓輸入端子VR21上。
NMOS晶體管NN10的漏連接到NMOS晶體管NN11的源上，NMOS晶體管NN11的漏連接到放大電路20的輸出端子OUT和電感器LD的一端上。電感器LD的另一端連接到供給電源電壓用的電源電壓端子VDD上。再有，NMOS晶體管NN11的柵與電源電壓端子VDD連接以下假定也將對電源電壓端子VDD供給的電源電壓稱為VDD。
偏置電路22例如包含NMOS晶體管NB10和電流源IB。NMOS晶體管NB10的源接地，柵和漏連接到偏置電壓輸出端子VBR21上，偏置電壓輸出端子VBR21經(jīng)電流源IB連接到電源電壓端子VDD上。偏置電路22的偏置電壓輸出端子VBR21連接到放大電路20的偏置電壓輸入端子VR21上。
上述阻抗元件Z10是為了與前級的電路的輸出阻抗取得匹配用的元件，一般使用幾十～幾百歐姆的電阻。阻抗元件Z10也可包含電感器。電容器C11，選擇在電路的工作頻帶中具有成為充分低的阻抗那樣的大的電容值、例如幾皮法拉的電容器。電阻Ra1，選擇具有成為高阻抗那樣的大的值、例如幾千歐姆的電阻。
其次，敘述這些電路的偏置。電路放大供給到輸入端子IN的電壓信號的交流分量，從輸出端子OUT輸出被放大了的電壓信號。上述電感器LD起到放大電路20的負載的作用。為了得到適當(dāng)?shù)脑鲆?，必須將NMOS晶體管NN10和NMOS晶體管NN11都偏置成在飽和區(qū)域中工作。
最初，說明NMOS晶體管NN10的工作。對NMOS晶體管NN10的柵施加的電壓的直流分量與偏置電壓輸入端子VR21的電壓相等。在偏置電路22中，利用連接了柵與漏的NMOS晶體管NB10生成偏置電壓輸入端子VR21的電壓。在此，如果將NMOS晶體管NB10的柵寬定為WB10、將流過的電流定為Ib、將NMOS晶體管NN10的柵寬定為WN10、將流過的電流定為Id，將各晶體管的柵長L定為相同，則有下述的(1)式WN10/WB10＝Id/Ib (1)在對電源電壓端子VDD供給的電壓充分地高時，可使NMOS晶體管NN10的漏電壓VD1與NMOS晶體管NB10的漏電壓相等，NMOS晶體管NN10就在飽和區(qū)域中工作。
另一方面，關(guān)于NMOS晶體管NN11，其柵上施加的電壓的直流分量與電源電壓端子VDD的電壓相等，在連接到漏上的負載的電感器LD中產(chǎn)生的直流的電壓降極小。即，NMOS晶體管NN11在直流方面來說，漏與柵被連接，在飽和區(qū)域中工作。
在這樣的電路中，對抗因工序的偏差或溫度變化等引起的元件特性變動的性能是極為重要的。例如，在圖的電路中，假定NMOS晶體管NN10的閾值電壓Vt略為增加。此時，可預(yù)期作為同一種類、同一柵長的晶體管的偏置電路的NMOS晶體管NB10的閾值電壓Vt也相同地略為增加。結(jié)果，即使假定有元件特性變動，對于偏置電路的電流Ib，放大電路一側(cè)的電流也保持在Id，可得到穩(wěn)定的放大工作。
其次，作為第2比較例，說明寬頻帶的高頻放大電路。圖3是寬頻帶的高頻放大電路的一例，由放大電路24和偏置電路26構(gòu)成。
在放大電路24中，相對于圖2的放大電路20來說，在將負載的電感器LD置換為串聯(lián)連接了的電感器LD和電阻RA10這一點上不同。再者，與負載和輸出端子OUT連接的NMOS晶體管NN11的柵經(jīng)電容器C12接地，同時經(jīng)電阻Ra2連接到偏置電壓輸入端子VR22上。再有，由于其它的部分與圖2的放大電路20是相同的連接，故對相同的構(gòu)成要素記為同一符號，省略其說明。
另一方面，偏置電路26相對于圖2的偏置電路22來說，在NMOS晶體管NB10與電流源IB之間插入連接了柵與漏的NMOS晶體管NB11這一點上不同。NMOS晶體管NB11的漏連接到偏置電壓輸出端子VBR22上，偏置電壓輸出端子VBR22連接到放大電路24的偏置電壓輸入端子VR22上。
其次，敘述電路的工作。電路放大供給輸入端子IN的電壓信號的交流分量，作為電壓信號對輸出端子OUT輸出。作為與第1比較例的不同點之一，有電感器LD和電阻RA10相當(dāng)于放大電路的負載這一點。在該負載中，由于相對于電感器LD和電阻RA10并列地且以寄生的方式存在的電容分量的緣故而存在共振頻率f0。如果將負載的阻抗的大小定為Z1d，則由于是電感器和電容器的并聯(lián)電路，故Z1d在共振頻率f0下取極大值Z1d0。對于極大值Z1d0來說，將阻抗降低3dB時的頻率定為fH、fL。如果Δf＝fH-fL，則可得到下述的關(guān)系式。
Q＝f0/Δf＝2πf0Ld/Ra10(2)在此，Ra10是電阻RA20的電阻值，Ld是電感器LD的電感。上述f0是電路的工作中心頻率，Δf是工作頻帶。上述Q一般稱為品質(zhì)系數(shù)，是表示電路或元件的頻率選擇性的指標(biāo)。在非專利文獻3中詳細地敘述了上述式(2)的導(dǎo)出。
一般在窄頻帶用的放大器中，為了提高其增益，將上述f0設(shè)定為工作頻率的中心，希望上述Ra10盡可能小。
另一方面，在寬頻帶放大器中，由于必須擴展Δf，故必須將Ra10設(shè)定得較大。作為一例，在柵長為0.2μm左右的設(shè)計規(guī)則中，為了以4GHz為中心得到1GHz的頻帶，在L為2～4nH時，作為Ra10的值，例如必須為幾百歐姆。
為了在該電路中也得到適當(dāng)?shù)脑鲆?，與第1比較例同樣，必須偏置成NMOS晶體管NN10和NN11都飽和。但是，在本例中，NMOS晶體管NN11的偏置與第1比較例不同。即，在本例的電路中，在負載中由于約幾百歐姆的電阻RA10的緣故而產(chǎn)生電壓降。于是，如果將NMOS晶體管NN11的柵連接到電源電壓端子VDD上，則根據(jù)漏電流的大小存在成為非飽和狀態(tài)的危險。因此，必須對NMOS晶體管NN11的柵供給適當(dāng)?shù)钠秒妷骸?br> 這樣，作為具備電阻性負載的柵-陰型電路的1個偏置方法，有利用電阻分割得到偏置電壓的方法。對于由電阻分割進行的方法來說，由于電阻的變動和偏差以及晶體管的變動和偏差是獨立事項，故電路特性容易受到溫度或電源電壓的變動的影響，也不能提高成品率。
作為能得到更穩(wěn)定的工作的方法，有設(shè)置包含晶體管的偏置電路來供給偏置電壓的方法。這里采用該方法。如圖3中所示，將NMOS晶體管NN11的柵與偏置電路22耦合，由NMOS晶體管NB11的漏供給了偏置電壓。關(guān)于NMOS晶體管NN10的偏置，與圖2的電路是相同的，省略其說明。
在此，如果將NMOS晶體管NB10的柵寬定為WB10、將流過的電流的大小定為Ib、將NMOS晶體管NN10的柵寬定為WN10、將流過的電流的大小定為Id，將各晶體管的柵長L定為相同，則在從電源電壓端子VDD供給的電壓充分地高這樣的條件下，與第1比較例同樣，成為下述的(3)式WN10/WB10＝Id/Ib (3)NMOS晶體管NN10在飽和區(qū)域中工作。
再者，如果將NMOS晶體管NB11的柵寬定為WB11、將NMOS晶體管NN11的柵寬定為WN11，則因為NMOS晶體管NB11的源電壓與NMOS晶體管NN11的源電壓相等，故有下述的(4)式WN11/WB11＝Id/Ib (4)而且，NMOS晶體管NN11的漏電壓VOUT與NMOS晶體管NB11的漏電壓在直流方面相等。由于NMOS晶體管NB11在飽和區(qū)域中工作，故各節(jié)點電壓與NMOS晶體管NB11相等的NMOS晶體管NN11也在飽和區(qū)域中工作。
在迄今為止敘述了的第1和第2比較例的放大電路中，存在以下敘述的課題。圖2的電路根據(jù)上述的說明很明顯是窄頻帶工作用的電路，難以得到UWB所要求的大于等于500MHz的寬頻帶。
為了得到寬頻帶工作，如關(guān)于圖3已敘述的那樣，在負載中必須有大于等于幾百歐姆的電阻，但對于具有這樣的電阻的電路來說，如果降低電源電壓端子VDD的電壓，則根據(jù)下述原因，存在不能進行穩(wěn)定的放大工作的問題。
在圖3的電路中，偏置電路26的NMOS晶體管NB10和NB11的漏、源間電壓成為比晶體管的閾值電壓Vt大的電壓。如已敘述的那樣，由于NMOS晶體管NN10和NN11的各節(jié)點的電壓與偏置電路26的NMOS晶體管NB10和NB11的各節(jié)點的電壓相等，各自的晶體管的漏、源間電壓也大于等于閾值電壓Vt。
在此，所謂閾值電壓Vt，是晶體管的電流成為充分小的值、例如成為小到0.1μA(微安)時的柵電壓，在實際的工作中，如果考慮為了在各晶體管中得到實用的噪聲指數(shù)(NF)而必須流過幾mA的漏電流的情況，必須對各晶體管的漏、源施加閾值電壓Vt的約1.5倍的電壓。即，輸出端子OUT的電壓Vout的直流電壓分量必須成為閾值電壓Vt的約3倍。
此外，在負載中，由于約幾百歐姆的電阻RA10的緣故而產(chǎn)生約幾百mV的直流的電壓降。一般來說，截止漏泄小的增強型的晶體管的閾值電壓Vt約為0.4～0.5V。該值是接近于因電阻RA10引起的電壓降部分的值。因而，在該電路中，必須對電源電壓端子VDD供給閾值電壓Vt的約4倍的大小的電源電壓，該電壓比窄頻帶放大電路中所需要的電壓大。如以上所述那樣，在第2比較例的電路結(jié)構(gòu)中，難以謀求在寬頻帶中增益充分高的的放大工作的實現(xiàn)和在低的電源電壓下的放大工作的實現(xiàn)的兼顧。
其次，說明解決該問題的本發(fā)明的實施例。圖1是本發(fā)明的放大電路和放大電路用偏置電路的第1實施例。放大電路10被稱為具備1個信號輸入端子和1個信號輸出端子的單端的放大電路，各晶體管的連接關(guān)系是被稱為柵-陰型的結(jié)構(gòu)。
詳細地說，放大電路10包含源接地的NMOS晶體管NN10和與NMOS晶體管NN10進行了柵-陰連接的NMOS晶體管NN11。NMOS晶體管NN10的柵經(jīng)不通過直流分量的電容器C10連接到放大電路10的輸入端子IN上，同時連接到阻抗元件Z10的一端上。阻抗元件Z10的另一端經(jīng)電容器C11接地，同時經(jīng)電阻Ra1連接到偏置電壓輸入端子VR1上。
NMOS晶體管NN10的漏連接到NMOS晶體管NN11的源上，NMOS晶體管NN11的漏連接到放大電路10的輸出端子OUT和放大電路10的負載上。此外NMOS晶體管NN11的柵經(jīng)電容器C12接地，同時經(jīng)電阻Ra2連接到偏置電壓輸入端子VR2上。放大電路10的負載例如由串聯(lián)地連接了的電感器LD和電阻RA10構(gòu)成。電感器LD的一端連接到輸出端子OUT上，電阻RA10的一端連接到電源電壓端子VDD上。在該電路中，也與第1比較例同樣，可使用幾十歐姆至幾千歐姆的范圍內(nèi)的電阻作為電阻RA10。
在本實施例中，除了對第1偏置電壓輸出端子VBR1供給電壓用的第1偏置電路部分外，還設(shè)置對第2偏置電壓輸出端子VBR2供給電壓用的第2偏置電路部分。在第1偏置電路部分中，在電源電壓端子VDD與接地點之間設(shè)置NMOS晶體管NB10和電流源IB1。NMOS晶體管NB10的源接地。柵和漏連接到第1偏置電壓輸出端子VBR1和電流源IB1上。經(jīng)用PMOS晶體管構(gòu)成的開關(guān)PSW1連接到電流源IB1上。電流源IB1的另一端連接到電源電壓端子VDD上。
在第2偏置電路部分中，在電源電壓端子VDD與接地點之間設(shè)置NMOS晶體管NB11、NMOS晶體管NB12和電阻RB10。NMOS晶體管NB11的源接地。柵連接到偏置電壓輸出端子VBR1上，漏連接到NMOS晶體管NB12的源上。NMOS晶體管NB12的柵和漏連接到電阻RB10的一端和第2偏置電壓輸出端子VBR2上。經(jīng)用PMOS(P溝道型MOS)晶體管構(gòu)成的開關(guān)PSW2連接到電阻RB10的一端上。電阻RB10的另一端連接到電源電壓端子VDD上。
第1偏置電壓輸出端子VBR1和第2偏置電壓輸出端子VBR2分別經(jīng)由PMOS晶體管構(gòu)成的開關(guān)NSW1、NSW2接地。開關(guān)NSW1、NSW2是用來在未輸入輸入信號的關(guān)斷時隔斷流過放大電路10的電流的開關(guān)，已敘述的開關(guān)PSW1、PSW2是用來在關(guān)斷時隔斷流過偏置電路12的電流的開關(guān)。由此來防止無用的功耗。
這些開關(guān)連接到啟動信號Enable上，在關(guān)斷時將啟動信號Enable設(shè)定為高電平，此時，開關(guān)PSW1、PSW2成為關(guān)斷狀態(tài)，在偏置電路12中不流過電流。同時，開關(guān)NSW1、NSW2成為導(dǎo)通狀態(tài)，放大電路10的第1、第2偏置電壓輸入端子VR1、VR2的電壓都成為0V。因而，在放大電路10中也不流過電流。
另一方面，在導(dǎo)通時，將啟動信號Enable設(shè)定為低電平，此時，開關(guān)PSW1、PSW2成為導(dǎo)通狀態(tài)，電流流過偏置電路。同時，開關(guān)NSW1、NSW2成為關(guān)斷狀態(tài)，放大電路10的第1、第2偏置電壓輸入端子VR1、VR2的電壓都成為規(guī)定的偏置電壓。因而，在放大電路10中流過電流。其結(jié)果，可進行規(guī)定的放大工作。
其次，敘述導(dǎo)通時的電路的放大工作和偏置工作。最初，說明放大電路10。放大電路10放大供給輸入端子IN的電壓信號的交流分量，作為電壓信號從輸出端子OUT輸出。放大電路的負載由具有電感L的電感器LD和具有直流電阻值Ra10的電阻RA10串聯(lián)連接來構(gòu)成，可進行與第2比較例同樣的寬頻帶中的放大工作。
在此，如果將工作頻帶定為Δf，則下述的(5)式成立，Δf＝Ra10/2πL(5)作為一例，在以4GHz為中心頻率的電路中，對2～4nH的電感L，通過使直流電阻值Ra10的值為幾百歐姆，可得到約1～2GHz的寬的頻帶。
即使在該電路中，為了得到適當(dāng)?shù)脑鲆?，也與第2比較例同樣，必須偏置成NMOS晶體管NN10和NN11都飽和。在本實施例中，使用以下敘述的偏置電路，而且通過對放大電路的各常數(shù)進行其次敘述的偏置點的設(shè)定，可進行在低電壓的電源下的寬頻帶放大工作。
以偏置電路12的工作和偏置點的設(shè)定為中心來說明。在此，將NMOS晶體管NB10的柵寬定為WB10、將流過的電流的大小定為Ib1、將NMOS晶體管NB11的柵寬定為WB11、將NMOS晶體管NB12的柵寬定為WB12、將電阻RB10的電阻值定為Rb10、將流過的電流的大小定為Ib2。再者，將NMOS晶體管NN10的柵寬定為WN10、將NMOS晶體管NN11的柵寬定為WN11、將電阻RA10的電阻值定為Ra10、將流過的電流的大小定為Id。此外，各晶體管的柵長L是相同的。
在本實施例中，如以下那樣設(shè)定上述的各常數(shù)，可使放大電路的晶體管的各電壓和與其對應(yīng)的偏置電路的晶體管的各電壓相等。例如，可如下述那樣決定NMOS晶體管的柵寬。
WB10∶WB11∶WN10＝1∶1∶k(6)WB12∶WN11＝1∶k (7)此時，在電源電壓端子VDD的電壓充分地高的條件下，NMOS晶體管NB10、NB11、NN10飽和，各偏置電流成為下述的(8)式Ib1∶Ib2∶Id＝1∶1∶k(8)此外，NMOS晶體管NN10的漏電壓VN10、NMOS晶體管NB11的漏電壓VB11相等。即，VN10＝VB11 (9)因為在該2個晶體管中，柵電壓相等而且漏電流之比和柵寬之比是相同的。
在此，如果將電阻的值由下述的(10)式來決定，Rb10∶Ra10＝k∶1(10)則NMOS晶體管NB12的漏電壓VBR2成為下述的(11)式VBR2＝VDD-Rb10×Ib2＝VDD-k×Ra10×Ib2 (11)另一方面，作為NMOS晶體管NN11的漏電壓的直流分量的漏電壓Vout.dc成為下述的(12)式Vout.dc＝VDD-Ra10×Id＝VDD-Ra10×k×Ib2＝VBR2(12)即，NMOS晶體管NN11的漏電壓的直流分量與NMOS晶體管NB12的漏電壓相等。即，Vout.dc＝VBR2(13)按照式(9)，由于NMOS晶體管NN11的源電壓VN10、NMOS晶體管NB12的源電壓VB11相等或兩者的柵經(jīng)電阻Ra2被耦合，故柵的電壓的直流分量也相等。NMOS晶體管NB12成為連接了柵與漏的所謂二極管連接，在飽和區(qū)域中工作。如上所述，NMOS晶體管NB12的各節(jié)點電壓與NMOS晶體管NN11的對應(yīng)的節(jié)點的電壓和直流分量相等。因而，NMOS晶體管NN11也就在飽和區(qū)域中工作。這樣，通過使用偏置電路12且如上述那樣決定工作點，可使構(gòu)成放大電路10的各晶體管都在飽和區(qū)域中工作，可得到寬頻帶的放大器。
其次，本實施例的電路顯示出即使供給比第2比較例低的電源電壓VDD也能穩(wěn)定地進行放大工作的情況。根據(jù)上述的式(9)和式(13)，NMOS晶體管NN11的漏、源間電壓與NMOS晶體管NB12的漏、源間電壓相等。此外，由于NMOS晶體管NB12成為二極管連接，故其漏、源間電壓大于等于晶體管的閾值電壓Vt。即，NMOS晶體管NN11的漏、源間電壓必須至少大于等于閾值電壓Vt，如果考慮所需要的漏電流，則成為閾值電壓Vt的約1.5倍的電壓。
其次，敘述晶體管NN10。如上所述，晶體管NN10的漏、源間電壓與NMOS晶體管NB11的漏、源間電壓相等，如果NMOS晶體管NB11飽和，則NMOS晶體管NN10必定處于飽和區(qū)域。NMOS晶體管NB11的飽和條件如下所述。
VBR1-Vt≤VB11(＝VN10) (14)供給電壓VBR1的NMOS晶體管NB10成為二極管連接，如果考慮流過規(guī)定的電流，則電壓VBR1成為閾值電壓Vt的約1.5倍的值，電壓VB11可成為閾值電壓Vt的約一半。再有，要注意NMOS晶體管NB11不是二極管連接，即使是比閾值電壓Vt小的漏、源間電壓也能在飽和區(qū)域中工作。
因而，NMOS晶體管NN10的漏、源間電壓是閾值電壓Vt的約0.5倍即可。另一方面，與第2比較例的說明同樣，為了得到幾GHz下的放大工作，例如電阻RA10是約幾百Ω，電流Id是約幾mA即可，因電阻RA10導(dǎo)致的電壓降約為幾百毫伏(大致與閾值電壓Vt為相同的程度)。結(jié)果，可以說在工作中所必要的電源電壓VDD是閾值電壓Vt的約3倍即可。
另一方面，在第2比較例的電路中，在同樣的工作條件下，必須是閾值電壓Vt的約4倍，可以說本實施例的電路可降低電源電壓。再者，在頻帶寬且需要更好的NF特性的情況下，必須增大電流Id，但在該情況下，根據(jù)以上的論述可明白，本實施例中的所需要的電源電壓與第2比較例的所需要的電源電壓的差進一步變大。
如上所述，按照本實施例，即使是比第2比較例低的電源電壓也能得到寬頻帶的放大工作。再者，本實施例的電路如如下所述那樣，即使有一些工序的偏差或溫度變化等，也能進行在低電壓電源下的寬頻帶放大。。例如，假定NMOS晶體管NN10和NN11的閾值電壓Vt略為增加。此時，可預(yù)期作為同一種類、同一柵長的晶體管的偏置電路的NMOS晶體管NB10、NB11、NB12的閾值電壓Vt也相同地略為增加。作為結(jié)果，對于偏置電路的電流Ib1、Ib2，放大電路一側(cè)的電流可保持于目標(biāo)的Id。原因是，為了在該條件下流過NMOS晶體管NN10和NN11的電流與目標(biāo)的Id相同，這些晶體管的各柵、源間電壓必須增加了閾值電壓Vt的略為增加的部分。另一方面，是因為NMOS晶體管NB10、NB12的漏、源間電壓增加了閾值電壓Vt的略為增加的部分。這樣可得到穩(wěn)定的放大工作。
這樣，在本實施例中，與放大器中的各晶體管對應(yīng)地在偏置電路中設(shè)置了同一種類的晶體管，即使有一些元件特性變動，也能得到規(guī)定的工作特性。
在本實施例中，在不損害本發(fā)明的要旨的情況下，可作以下敘述的幾個變形。第1，關(guān)于作為放大電路10的負載的電感器LD和電阻RA10，例如在如SOS(藍寶石基外延硅)器件那樣可得到寄生電容充分小的電阻元件的情況下，也可去掉電感器LD而只保留電阻RA10。在該情況下，可得到面積小的放大電路。
其次，敘述電阻RA10，該電路的電阻值Ra10可比由式(10)決定的值大一些。在前面示出的下式(10)成立時，Rb10∶Ra10＝k∶1 (10)NMOS晶體管NN11的漏、源間電壓VDS11與柵、源間電壓VGS11相等。在此，將Ra10的值增加到Ra10+ΔR的結(jié)果，如果假定NMOS晶體管NN11的漏、源間電壓成為VDS11-ΔV，ΔV＜Vt (15)在式(15)的范圍內(nèi)，NMOS晶體管NN11飽和了。原因是，飽和條件是下述的(16)式，VGS11-Vt＜VDS11-ΔV(16)但如果考慮式(15)和VGS11＝VDS11，則式(16)成立。如果使用ΔR，則式(15)是下述的式(17)ΔV＝ΔR·Id＜Vt (17)因而，如果使用相當(dāng)于NMOS晶體管NN11的飽和條件的式(10)，可如下那樣來寫。
Rb10/k+Vt/Id＞Ra10＞Rb10/k(18)在由該式?jīng)Q定的電阻值Ra10的范圍內(nèi)，如果將電阻值Ra10稍微設(shè)定得大一些，則在同一電流、同一電源電壓的條件下，可得到增益更高的電路。
此外，用式(6)決定的關(guān)系也可如以下那樣來改變。
WB10∶WB11∶WN10＝1∶m∶m×k(19)即使在式(19)的情況下，以上的論述也按原樣地成立。通過這樣做，就減少流過電路整體的電流中流過NMOS晶體管NB10的電流。
再者，電阻元件RA10、RB10也可包含微調(diào)用的電子開關(guān)。例如，通過設(shè)置多個電阻元件并利用MOS晶體管以數(shù)字的方式設(shè)定最佳的連接路徑，可得到對抗元件偏差或溫度和電壓的變動的性能更高的電路。
圖4是本發(fā)明的放大電路和放大電路用偏置電路的第2實施例。本電路由差動型放大電路30和在第1實施例中示出了的偏置電路12構(gòu)成。放大電路30具有差動輸入端子對In、In-b和差動輸出端子對Out、Out-b。再者，包含起到恒定電流源的作用的NMOS晶體管NN30和其源與該NMOS晶體管NN30的漏耦合了的NMOS晶體管對NN31、NN32。再有，在本實施例中，也與第1實施例同樣，最好設(shè)置開關(guān)NSW1、NSW2、PSW1、PSW2。在圖4中未圖示這些開關(guān)。此外，由于其工作與第1實施例是同樣的，故省略說明。
NMOS晶體管NN30的柵經(jīng)電容器C31接地，同時經(jīng)電阻Ra1連接到偏置電壓輸入端子VR1上。即，起到電流源的作用的NMOS晶體管NN30的柵在直流方面與偏置電壓輸入端子VR1耦合。
NMOS晶體管NN31的柵經(jīng)不通過直流分量的電容器C301耦合到輸入端子IN上，同時經(jīng)阻抗元件Z31連接到節(jié)點302上。另一方面，NMOS晶體管NN32的柵經(jīng)不通過直流分量的電容器C302與輸入端子IN-b耦合，同時經(jīng)阻抗元件Z32連接到節(jié)點302上。節(jié)點302經(jīng)電容器C32接地，同時經(jīng)電阻Ra2連接到偏置電壓輸入端子VR2上。
即，與放大工作有關(guān)的NMOS晶體管對NN31、NN32的各柵在交流方面分別與各差動輸入端子對In、In-b耦合，同時在直流方面兩者都與偏置電壓輸入端子VR2耦合。
如上所述，NMOS晶體管對NN31、NN32的源連接到NMOS晶體管NN30的漏(節(jié)點301)上。而且，NMOS晶體管NN31的漏連接到輸出端子OUT-b和負載Z1d1上，NMOS晶體管NN32的漏連接到輸出端子OUT和負載Z1d2上。各負載連接到電源電壓VDD上。
在此，負載Z1d1包含直流電阻分量RA101，負載Z1d2包含直流電阻分量RA102，將哪一個電阻值都定為Ra10。再有，如關(guān)于第1實施例的變形已敘述的那樣，在負載中使頻率特性的高頻部分升高用的電感器不一定是必要的。在此，假定只有直流電阻元件。在本實施例中，差動型放大電路30的偏置電壓輸入端子VR1連接到偏置電路12的偏置電壓輸出端子VBR1上，差動型放大電路30的偏置電壓輸入端子VR2連接到偏置電路12的偏置電壓輸出端子VBR2上。再有，由于偏置電路12的結(jié)構(gòu)與第1實施例的偏置電路的結(jié)構(gòu)是相同的，故省略說明。
其次，敘述電路的工作。最初，說明放大電路30。放大電路30放大對輸入端子對In、In-b供給的差動電壓信號的交流分量，作為輸出端子對Out、Out-b之間的差動電壓信號輸出。為了對千兆級的信號得到放大工作，作為負載RA101、RA102的電阻值Ra10，與第1實施例的電阻值Ra10為相同的約幾百歐姆是妥當(dāng)?shù)摹?br> 在該電路中，為了得到適當(dāng)?shù)脑鲆?，也必須將NMOS晶體管NN31和NN32都偏置成飽和。此外，為了得到適當(dāng)?shù)牟顒庸ぷ?，必須使NMOS晶體管NN30起到恒定電流源的作用，NMOS晶體管NN30也必須飽和。即使在本實施例中，通過如以下所述那樣適當(dāng)?shù)貨Q定元件常數(shù)，即使是低電壓電源，也能進行寬頻帶放大工作。
偏置電路12的電流和元件常數(shù)與第1實施例是相同的。其次，在差動型放大電路30中，將NMOS晶體管NN31的柵寬定為WN31，將流過的電流的值定為Id1，將NMOS晶體管NN32的柵寬定為WN32，將流過的電流的值定為Id2。此外，將NMOS晶體管NN30的柵寬定為WN30。再者，假定各晶體管的柵長L是相同的。在此，例如如下述那樣設(shè)定NMOS晶體管的柵寬。
WN31＝WN32 (20)WB12∶WN31＝1∶k (21)WB10∶WB11∶WN30＝1∶1∶2×k(22)由于差動型放大電路在未輸入信號時各對的直流電壓相等，故輸出端子OUT的直流電壓Vout.dc與輸出端子OUT-b的直流電壓Voutb.dc相等。即，Voutb.dc＝Vout.dc (23)此外，Id1＝Id2(24)將該相等的值定為Id。
于是，流過晶體管NN30的電流的值Id30為如下所述。
Id30＝Id1+Id2＝2×Id(25)著眼于NMOS晶體管NB10、NB11、NN30。如上所述，設(shè)定為晶體管NB10、NB11飽和是容易的。此時，各電流是Ib1∶Ib2∶Id＝1∶1∶2×k(26)從式(22)和式(26)可知，與在第1實施例中的說明同樣，NMOS晶體管NB10、NB11、NN30的各漏電壓相等。原因是，在這3個晶體管中柵電壓相等且漏電流之比和柵寬之比是相同的。即，將節(jié)點301的電壓定為V301，是下述的式(27)
VN10＝VB11＝V301 (27)如果合并考慮上述電壓關(guān)系和晶體管NB10、NB11飽和了的情況，則可明白在該條件下NMOS晶體管NN30飽和。
其次，著眼于NMOS晶體管NB12和NMOS晶體管NN31，在此，如果將電阻的值設(shè)定為下述的式(28)Rb10∶Ra10＝k∶1 (28)則與第1實施例同樣，NMOS晶體管NB12的漏電壓VBR2為下述的式(29)VBR2＝VDD-Rb10×Ib2＝VDD-k×Ra10×Ib2(29)另一方面，NMOS晶體管NN31的漏電壓的直流分量Voutb.dc為下述的式(30)Voutb.dc＝VDD-Ra10×Id1＝VDD-Ra10×k×Ib2＝VBR2(30)即，NMOS晶體管NN31的漏電壓的直流分量與偏置電壓輸出端子VBR2的電壓相等。此外，由于NMOS晶體管NN31的柵與該偏置電壓輸出端子VBR2在直流方面耦合，故NMOS晶體管NN31的漏、源間電壓與柵、源間電壓相等，該晶體管在飽和區(qū)域中工作。
關(guān)于NMOS晶體管NB12和NMOS晶體管NN32，將在上述的說明中與NMOS晶體管NN31有關(guān)的電壓、電流置換為NMOS晶體管NN32也是等效的，NMOS晶體管NN32也在飽和區(qū)域中工作。這樣，在本實施例中，也可使構(gòu)成放大電路的各晶體管的節(jié)點電壓與在偏置電路12中對應(yīng)的各晶體管的節(jié)點電壓在直流方面相等。其結(jié)果，由于各晶體管都在飽和區(qū)域中工作，故可得到寬頻帶的放大器。
其次，敘述本實施例的電路即使在比第2比較例低的電源電壓VDD下也能進行穩(wěn)定的放大工作的情況。如上所述，放大電路30的NMOS晶體管NN30的各節(jié)點電壓與偏置電路12的NMOS晶體管NB11的對應(yīng)的各節(jié)點電壓相等。而且，放大電路30的NMOS晶體管NN31、NN32的各節(jié)點電壓與偏置電路12的NMOS晶體管NB12的對應(yīng)的各節(jié)點電壓相等。即，如果偏置電路12的各晶體管飽和，則放大電路30的各晶體管也在飽和區(qū)域中工作。關(guān)于偏置電路12，即使降低到比第2比較例的電路所要求的電源電壓低的電壓，在第1實施例的說明中也已示出了構(gòu)成晶體管在飽和區(qū)域中工作的情況。于是，即使在本實施例那樣的差動型放大電路中，也能進行比第2比較例低的電源電壓下的放大工作。
如上所述，按照第2實施例，即使是與第2比較例相比為低電壓的電源電壓也能得到寬頻帶的差動放大工作。此外，即使有一些工序的偏差或溫度變化等，也能進行穩(wěn)定的工作，這一點與第1實施例是同樣的。
即使在第2實施例中，也能進行與第1實施例同樣的變形。例如，關(guān)于電阻RA10，電阻的值Ra10也可比由式(27)決定的值大一些。詳細地說，在滿足以下的式(31)的范圍內(nèi)，Rb10/k+Vt/Id＞Ra10＞Rb10/k (31)將電阻值RA10稍微設(shè)定得大一些，在同一電流、同一電源電壓的條件下，可得到增益更高的電路。
此外，由式(26)決定的關(guān)系，也可如以下那樣來改變。
WB10∶WB11∶WN30＝1∶m∶2×m×k(32)由此，可減少流過電路整體的電流中流過NMOS晶體管NB10的電流。NMOS晶體管NN30的柵寬WN30的大小，在晶體管不進入非飽和區(qū)域的范圍內(nèi)，也可比在式(26)、(32)中決定的值小。通過這樣做，作為電流源的阻抗提高了，可減少差動放大工作時的交流的損耗。
再者，電阻元件RA10、RB10也可包含微調(diào)用的電子開關(guān)。例如，通過設(shè)置多個電阻元件并利用MOS晶體管以數(shù)字的方式設(shè)定最佳的連接路徑，可得到對抗元件偏差或溫度和電壓的變動的性能更高的電路。
權(quán)利要求
1.一種放大電路用偏置電路，對依次串聯(lián)連接了接地點、第1晶體管、第2晶體管、第1電阻性負載和第1電源電壓的放大電路供給偏置電壓，其特征在于對該放大電路的上述第1晶體管的柵或基極供給第1偏置電壓，對該放大電路的上述第2晶體管的柵或基極供給第2偏置電壓，該偏置電路包含以二極管方式連接了柵與漏或集電極與基極的第3晶體管，該第3晶體管的漏或集電極供給上述放大電路的第1偏置電壓，該偏置電路還包含依次串聯(lián)連接的第4晶體管、第5晶體管和第2電阻性負載，將第2電阻性負載連接到第2電源電壓上，將上述第4晶體管的柵或基極連接到上述第3晶體管的漏或集電極上，以二極管方式連接第5晶體管的柵與漏或基極與集電極，從該柵或集電極供給上述第2偏置電壓。
2.一種放大電路用偏置電路，對依次串聯(lián)連接了接地點、第1MOS晶體管、第2MOS晶體管、第1電阻性負載和第1電源電壓的放大電路供給偏置電壓，其特征在于對該放大電路的上述第1MOS晶體管的柵以直流的方式供給第1偏置電壓，對該放大電路的上述第2MOS晶體管的柵以直流的方式供給第2偏置電壓，該偏置電路包含連接了柵與漏的第3MOS晶體管，從該第3MOS晶體管的漏供給上述放大電路的第1偏置電壓，該偏置電路還包含依次串聯(lián)連接的第4MOS晶體管、第5MOS晶體管和第2電阻性負載，將第2電阻性負載連接到第2電源電壓上，將上述第4MOS晶體管的柵連接到上述第3MOS晶體管的漏上，連接第5MOS晶體管的柵與漏，從該柵供給上述第2偏置電壓。
3.如權(quán)利要求1或2中所述的放大電路用偏置電路，其特征在于上述放大電路是單端型的。
4.如權(quán)利要求1至3的任一項中所述的放大電路用偏置電路，其特征在于在將上述第2電阻性負載的電阻值定為Rb、將流過的直流電流值定為Ib、將上述第1電阻性負載的電阻值定為Ra、將流過的直流電流值定為k×Ib時，Ra實質(zhì)上與Rb×(1/k)相等，或大于等于Rb×(1/k)。
5.一種差動型放大電路用偏置電路，對依次串聯(lián)連接了接地點、第1晶體管、一對第2晶體管、一對第1電阻性負載和第1電源電壓的放大電路供給偏置電壓，其特征在于上述第2晶體管的一方與上述第1電阻性負載的一方串聯(lián)連接，上述第2晶體管的另一方與上述第1電阻性負載的另一方串聯(lián)連接，將上述一對第2晶體管的源或發(fā)射極連接到上述第1晶體管上，對上述第1晶體管的柵或基極供給第1偏置電壓，對上述一對第2晶體管的各自的柵或基極供給第2偏置電壓，該偏置電路包含以二極管方式連接了柵與漏或集電極與基極的第3晶體管，該第3晶體管的漏或集電極供給上述差動型放大電路的第1偏置電壓，該偏置電路還包含依次串聯(lián)連接的第4晶體管、第5晶體管和第2電阻性負載，將第2電阻性負載連接到第2電源電壓上，將上述第4晶體管的柵或基極連接到上述第3晶體管的漏或集電極上，以二極管方式連接第5晶體管的柵與漏或基極與集電極，從該漏或集電極供給上述第2偏置電壓。
6.如權(quán)利要求5中所述的差動型放大電路用偏置電路，其特征在于在將上述第2電阻性負載的電阻值定為Rb、將流過的直流電流值定為Ib、將上述第1電阻性負載的電阻值定為Ra、將流過的直流電流值定為k×Ib時，Ra實質(zhì)上與Rb×(1/k)相等，或大于等于Rb×(1/k)。
全文摘要
本發(fā)明的課題是提供謀求了在寬頻帶中增益充分高的放大工作與在低的電源電壓下的放大工作的兼顧的放大電路用偏置電路。在放大電路10中依次串聯(lián)連接了接地點、MOS晶體管NN10、MOS晶體管NN11、電阻性負載RA10和電源電壓VDD，偏置電路12對放大電路10供給偏置電壓。對MOS晶體管NN10的柵供給偏置電壓VR1，對MOS晶體管NN11的柵供給第2偏置電壓VR2。偏置電路12包含以二極管方式連接了柵與漏的MOS晶體管NB10，MOS晶體管NB10的漏供給放大電路10的第1偏置電壓VR1。偏置電路12包含依次串聯(lián)連接的MOS晶體管NB11、MOS晶體管NB12和電阻性負載RB10。將電阻性負載RB10連接到電源電壓VDD上，將MOS晶體管NB11的柵連接到MOS晶體管NB10的漏上，以二極管方式連接MOS晶體管NB12的柵與漏，從柵供給第2偏置電壓VR2。
文檔編號H03F1/42GK1838529SQ200510129039
公開日2006年9月27日 申請日期2005年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月24日
發(fā)明者田野井聰 申請人:沖電氣工業(yè)株式會社