CMOS 容性耦合差分放大器的特性与应用
( Characteristic and Application of CMOS' Capacitively Coupled Differential Amplifier )
顾 峥 王志 功 陶 蕤 (Guzheng Wang Zhigong Taorui)
东南大学射频与光电集成电路研究所 南京 210096
摘 要 本文提出了一种具有窄带特性的 CMOS 容性耦合差分放大器 并与简单的源级耦合差分 放大器进行了理论分析与模拟结果的对比 利用该电路的窄带特性 可以弥补 CMOS-RFIC's 中遇 到的窄带电路不易实现的问题 关 键 词 差分结构 窄带电路 噪声 Abstract A CMOS capacitively coupled current amplifier that has narrow-band characteristic is presented. And it's theory and simulation results were compared with the simple source coupled current amplifier. By making use of it's characteristic, the narrowband circuits in CMOS-RFIC's can be realized. Key words differential circuits, narrow-band circuits, noise
1 引言
纵观集成电路的应用 我们就会发现 集成电路 处理的信号按照频宽的不同可以分为宽带信号和窄带 信号两种 宽带信号占据较宽的频带 数字信号就是 这样的一种信号 窄带信号则含有较少的频率分量 典型情况下有用的只有单一的频率分量 如时钟信 号 数字电路系统中即需处理宽带的数字信号 又需 要处理窄带的时钟信号 因此需要不同带宽的电路 随着电路集成度和速度的不断提高 尤其是在射 频集成电路 RFIC's 中 窄带电路的实现越来越困 难 这是因为窄带电路赖以实现的无源滤波元件 尤 其是高 Q 值的电感 在一般集成工艺中很难实现 这 就使人们在有些场合下不得不用宽带的电路来处理窄 带的信号 不可避免地造成带外噪声对信号的严重干 扰 近十年来 由于快速增长的市场需求 RFIC's 成为了人们开发研究的热点 并且随着市场竞争的加 剧和应用要求的不断提高 人们的研究正朝着低成 本 低功耗和高集成度方向发展 工艺方面 CMOS 工艺由于技术的进步 沟道长度减小 f T 提高 正在 成为实现 RFIC's 的理想工艺 而且随着工艺的更趋 于成熟和线宽的持续按比例缩小 CMOS 工艺将会对
RF 市场中的 GaAs 和 Bipolar 工艺发起挑战 除此以 外 CMOS 还具备 GaAs 和 Bipolar 工艺所不具备的 有利条件 即它的高集成度 众所周知 放大器是集成电路中最基本也是最重 要的单元电路之一 因此面对常规 CMOS 电路中遇 到的窄带电路不易实现的问题 本文提出了一种具有 窄带特性的 CMOS 容性耦合差分放大器 Capacitively Coupled Current Amplifier — C3 A 图 1(a)的普通差分电流放大器(CA) 是高速集成 电路中最常用的一种电路形式 该电路对共模噪声由 很强的抑制能力 对但由于其传输特性为低通宽带类 型 本身滤波能力有限 图 1(b)的 C3 A 是在 CA 形式 的基础上加入了耦合电容 Css 使电路性能获得了显 著的提高 本文将报告对两种差分形式放大器特性的理论分 析及模拟结果
Vdd Vdd
除此以外 电阻为
ri _ C
Vi-
3
由等效电路还可以得到 SSC3 A 的输入
= rgg ' gm (3) (2πf ) 2 Cg 's Cs
Vout Vout Vin Css Vi+
A
令 Cs → ∞ 可得 CA 的输入电阻为 ri _ CA = rgg ' (4) 同样可得 SSC3 A 与 CA 的输入电导分别为
gm f2 ( 2π ) 2 C g ' s C s rgg ' 1 = 2 2 rgg ' C g 's + C s gm f + ( 2π ) 2 C g ' s C s rgg ' f 2πC g ' s C s rgg '
Vss

Vss
(a)普通差分放大器 (b)容性耦合差分放大器 图 1 两种形式的差分放大器

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