互補金屬氧化物半導體共源共柵高增益電流電壓轉換器的製作方法

2023-09-18 19:43:25 2

專利名稱：互補金屬氧化物半導體共源共柵高增益電流電壓轉換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及電流電壓轉換器技術領域，特別是一種互補金屬氧化物半導體(CMOS)共源共柵高增益電流電壓轉換器。
背景技術：
為了檢測MEMS電場傳感器輸出的微弱電流信號(pA量級)，需要設計一種高增益的電流電壓轉換器，傳統的電流電壓轉換器是用放大器和一個反饋電阻構成參閱Pittet，P.；Lu，G.N.；El Mourabit，A，On-chip transimpedance preamplifier for CMOS BDJ optical detectorusing active enhanced impedance loads 9th International Conferenceon Electronics，Circuits and Systems，2002，這樣做除了電路結構的複雜性之外，要實現高的增益，需要電阻特別大，這佔用了大量的矽片面積；還需要在速度和穩定性之間折衷，因此有必要設計一種簡單結構的高增益電流電壓轉換器。

發明內容
本發明的目的是提供一種CMOS共源共柵高增益電流電壓轉換器，其結構簡單、增益高，可解決現有技術中存在的問題。
為達到上述目的，本發明的技術解決方案是提供一種CMOS共源共柵高增益電流電壓轉換器，包括電晶體組成的共源共柵電流鏡，其由四個P型金屬氧化物半導體(PMOS)電晶體組成的共源共柵電流鏡和四個N型金屬氧化物半導體(NMOS)電晶體組成的共源共柵電流鏡上下對接而成，交流電流信號從上下電流鏡對接處輸入，被兩個電流鏡鏡像，輸出電壓等於輸入電流與輸出共源共柵結構電阻的乘積。
所述的電流電壓轉換器，其還包括一由兩個NMOS電晶體組成的電流源偏置電路，是在四個NMOS電晶體組成的共源共柵電流鏡電路中，串接該電流源偏置電路，其中，電流源偏置電路中的一NMOS電晶體的漏極和柵極接一恆流源的一端，該恆流源的另一端接電源，該柵極又與電流鏡電路中兩共柵管的柵極電連接，另一NMOS電晶體的漏極和柵極與電流鏡電路中兩共源管的柵極電連接，該另一NMOS電晶體的源極接地；且電流源偏置電路中兩個NMOS電晶體的襯底端接地；交流電流信號輸入處，只與四個PMOS電晶體組成的共源共柵電流鏡電路中的兩共柵管的柵極電連接。
所述的電流電壓轉換器，其還包括一由兩個PMOS電晶體組成的電流源偏置電路，是在四個PMOS電晶體組成的共源共柵電流鏡電路中，串接該電流源偏置電路，其中，電流源偏置電路中的兩PMOS電晶體的襯底端接電源，一PMOS電晶體的源漏極接電源，該一PMOS電晶體的柵極和漏極又與電流鏡電路中兩共源管的柵極電連接，另一PMOS電晶體的漏極和柵極接一恆流源的一端，該恆流源的另一端接地，該另一PMOS電晶體的柵極又與電流鏡電路中兩共柵管的柵極電連接；交流電流信號輸入處，只與四個NMOS電晶體組成的共源共柵電流鏡電路中的兩共柵管的柵極電連接。
所述的電流電壓轉換器，其在輸出端加一負載電容，能作為電流跟隨器使用，則輸入交流電流信號會在負載電容與輸出共源共柵電阻之間分流，從而在負載電容上建立電壓，實現電流電壓轉換。
本發明設計的一種結構簡單的高增益電流電壓轉換器，將微弱的pA量級的電流信號轉化為mV量級的電壓，其核心結構由八個電晶體組成，利用共源共柵電流鏡輸出阻抗大的特點實現高增益，達到了結構簡單和高增益的特點，同時由於沒有反饋電阻，不需要考慮穩定性的問題。


圖1本發明自偏置共源共柵高增益電流電壓轉換器電路圖；圖2本發明外加電流源偏置共源共柵高增益電流電壓轉換器(I型)電路圖；圖3本發明外加電流源偏置共源共柵高增益電流電壓轉換器(II型)電路圖。
具體實施例方式
參見圖1、圖2和圖3，本發明含兩種結構1、自偏置共源共柵(Cascode)高增益電流電壓轉換器；2、外加電流源偏置共源共柵(Cascode)高增益電流電壓轉換器。
自偏置共源共柵(Cascode)高增益電流電壓轉換器，是由4個PMOS電晶體組成的共源共柵電流鏡和4個NMOS電晶體組成的共源共柵電流鏡上下對接而成，交流電流小信號從上下電流鏡對接處輸入，被兩個電流鏡鏡像，輸出電壓等於輸入電流與輸出共源共柵結構電阻的乘積；外加電流源偏置共源共柵(Cascode)高增益電流電壓轉換器，含兩種偏置結構，I型和II型，I型是在自偏置電流電壓轉換器的基礎上增加了一個電流源和兩個NMOS電晶體為下面的NMOS電流鏡提供偏置電流；II型是在自偏置電流電壓轉換器的基礎上增加了一個電流源和兩個PMOS電晶體為上面的PMOS電流鏡提供偏置電流。
下面是基於MOS電晶體的小信號等效電路推導自偏置共源共柵(Cascode)高增益電流電壓轉換器中跨阻的表達式，見圖1。v1、v2、v3、v4是圖1中給出的節點電壓，vi、vo分別是輸入、輸出節點電壓，輸入小信號電流iin由圖1中所示方向流入，分為上下兩支i1和i2，gmi和roi分別代表第i個電晶體Mi的跨導和由於溝道長度調製效應引起的漏源電阻。
為簡單起見，忽略M1，M2，M3，M4的體效應。得到下列公式gm3(vi-v1)+(vi-v1)ro3gm7v1+v1ro7=i1---(1)]]>gm1(vi-v2)+(vi-v2)ro1gm5v2+v2ro5=i2---(2)]]>i1+i2＝iin(3)gm8v1+v3ro8=gm4(vi-v3)+vo-v3ro4]]>=-[gm2(vi-v4)+vo-v4ro2]=-(gm6v2+v4ro6)]]>(4)由(1)，(2)，(3)得
vo=gm8(gm3+1ro3)gm7+1ro7+gm3+1ro3+gm6(gm1+1ro1)gm5+1ro5+gm1+1ro11ro2+ro6+gm2ro2ro6+1ro4+ro8+gm4ro4ro8vi---(6)]]>由於gm6gm5+1ro5,gm8gm7+1ro7]]>可得voi1ro2+ro6+gm2ro2ro6+1ro2+ro6+gm2ro2ro6=-i(R2,6cascode||R4,8cascode)]]>R2，6cascode‖R4，8cascode表示上下兩個共源共柵電流鏡的輸出阻抗的並聯。
外加電流源偏置共源共柵高增益電流電壓轉換器如圖2(I型)、圖3(II型)所示，其跨阻的推導與前面類似，不再重複。
由於圖2、圖3中的兩種結構的輸入阻抗低，而輸出阻抗高，所以可以作為電流跟隨器使用，如果在輸出端加一負載電容，則輸入交流電流信號將會在負載電容與輸出共源共柵電阻之間分流，從而在負載電容上建立的電壓為voiinjC---(8)]]>其中，iin是輸入交流電流信號，j為虛數單位，ω為輸入信號角頻率，C為負載電容。同樣實現了電流電壓轉換。
權利要求
1.一種互補金屬氧化物半導體共源共柵高增益電流電壓轉換器，包括電晶體組成的共源共柵電流鏡，其特徵在於，由四個PMOS電晶體組成的共源共柵電流鏡和四個NMOS電晶體組成的共源共柵電流鏡上下對接而成，交流電流信號從上下電流鏡對接處輸入，被兩個電流鏡鏡像，輸出電壓等於輸入電流與輸出共源共柵結構電阻的乘積。
2.如權利要求1所述的電流電壓轉換器，其特徵在於，還包括一由兩個NMOS電晶體組成的電流源偏置電路，是在四個NMOS電晶體組成的共源共柵電流鏡電路中，串接該電流源偏置電路，其中，電流源偏置電路中的一NMOS電晶體的漏極和柵極接一恆流源的一端，該恆流源的另一端接電源，該柵極又與電流鏡電路中兩共柵管的柵極電連接，另一NMOS電晶體的漏極和柵極與電流鏡電路中兩共源管的柵極電連接，該另一NMOS電晶體的源極接地；且電流源偏置電路中兩個NMOS電晶體的襯底端接地；交流電流信號輸入處，只與四個PMOS電晶體組成的共源共柵電流鏡電路中的兩共柵管的柵極電連接。
3.如權利要求1所述的電流電壓轉換器，其特徵在於，還包括一由兩個PMOS電晶體組成的電流源偏置電路，是在四個PMOS電晶體組成的共源共柵電流鏡電路中，串接該電流源偏置電路，其中，電流源偏置電路中的兩PMOS電晶體的襯底端接電源，一PMOS電晶體的源極接電源，該一PMOS電晶體的柵極和漏極又與電流鏡電路中兩共源管的柵極電連接，另一PMOS電晶體的漏極和柵極接一恆流源的一端，該恆流源的另一端接地，該另一PMOS電晶體的柵極又與電流鏡電路中兩共柵管的柵極電連接；交流電流信號輸入處，只與四個NMOS電晶體組成的共源共柵電流鏡電路中的兩共柵管的柵極電連接。
4.如權利要求2或3所述的電流電壓轉換器，其特徵在於，在輸出端加一負載電容，能作為電流跟隨器使用，則輸入交流電流信號會在負載電容與輸出共源共柵電阻之間分流，從而在負載電容上建立電壓，實現電流電壓轉換。
全文摘要
一種互補金屬氧化物半導體共源共柵高增益電流電壓轉換器，涉及電流電壓轉換器技術領域，包括電晶體組成的共源共柵電流鏡，其由四個PMOS電晶體組成的共源共柵電流鏡和四個NMOS電晶體組成的共源共柵電流鏡上下對接而成，交流電流信號從上下電流鏡對接處輸入，被兩個電流鏡鏡像，輸出電壓等於輸入電流與輸出共源共柵結構電阻的乘積。本發明將微弱的pA量級的電流信號轉化為mV量級的電壓，利用共源共柵電流鏡輸出阻抗大的特點實現高增益，達到了結構簡單和高增益的特點，同時由於沒有反饋電阻，不需要考慮穩定性的問題。
文檔編號H03F3/347GK101064497SQ200610076009
公開日2007年10月31日 申請日期2006年4月24日 優先權日2006年4月24日
發明者楊海鋼, 崔國平 申請人:中國科學院電子學研究所