专利名称：能消除体效应和沟道长度调制效应的线性源跟随器的制作方法
技术领域：
本发明属于微电子学与固体电子学领域的超大规模集成电路设计，涉及一种新型的源跟随器电路，可以广泛应用于模拟电路设计和集成电路测试等领域。
背景技术：
电压跟随器是模拟电路中最重要的模块之一，广泛应用于各种模拟电路设计。通常要求电压跟随器具有很高的线性，使得输出尽可能接近输入。
传统的源跟随器如图1所示。虽然实现非常简单，但是存在一些缺点。当输入信号Vin变化时，晶体管M1的漏极D与源极S的电压差，源极S与衬底B的电压差均随输入信号的变化而变化，由此而引入的体效应，沟道长度调制效应等限制了传统源跟随器的线性度。
针对以上情况，本发明提出了一种可以消除体效应和沟道长度调制效应的高线性源跟随器。
发明内容
本发明的目的在于消除传统源跟随器中体效应和沟道长度调制效应对于线性度的影响，避免源跟随器的输出信号产生失真，具有高线性度的源跟随器。本发明的特征在于， 第一N型场效应管M2，第二N型场效应管M3和电流源I2，其中 第一N型场效应管M2，栅极接输入电压Vin，漏极接电源VDD，衬底和源极相连，所述第一N型场效应管M2始终工作在饱和区，第二N型场效应管M3栅极接所述输入电压Vin，所述第二N型场效应管M3的漏极和所述第一N型场效应管M2的源极相连，衬底和自身的源极相连，所述第二N型场效应管M3的阈值和过驱动电压均高于所述第一N型场效应管M2的阈值和过驱动电压，使得所述第二场效应管M3始终工作在饱和区； 电流源I2输入端和所述第二N型场效应管M3的源极相连，构成所述线性源跟随器的输出端，输出电压为Vout，所述电流源I2输出端接地。
本发明中晶体管M2和M3始终工作在饱和区，M3的漏极电压跟随输入Vin变化，从而减小了M3漏源电压VDS3的波动，消除了晶体管M3的沟道长度调制效应。M2和M3的源极S都和衬底B相连接，消除了晶体管M3的体效应。本发明避免了由体效应和沟道长度调制效应在输出引入的失真，具有高线性度的优点。
本发明的有益效果是在CADENCE平台进行SPICE仿真，仿真结果表明，在30pF电容负载，2.5V电源电压，20mA总电流下，1Vp-p摆幅，谐波失真为-107dB。
图1.传统源跟随器电路原理图。
图2.本发明源跟随器电路原理图。
图3.差分实现的本发明源跟随器电路原理图。
图4.P型晶体管实现的本发明源跟随器电路原理图。
图5.P型晶体管差分实现的本发明源跟随器电路原理图。
具体实施例方式 本发明的特征在于含有 含有低阈值晶体管M2、高阈值晶体管M3和电流源I2，晶体管M2和M3形成级联方式，栅极均接输入Vin。M2的漏极接电源VDD，M2的源极与M3的漏极相连接，M3的源极引出输出Vout，M2、M3的衬底均和源极相连。电流源I2的一端接M3的源极，另一端接地GND。
图1是传统源跟随器结构图。其中Vin为输入信号，Vout为输出信号。I1为电流源，其电流值大小为I，M1为场效应晶体管，其衬底B接地GND。当输入信号Vin变化时，输出信号Vout跟随输入信号Vin变化。晶体管M1中，漏极D与源极S的电压差VDS1，源极S与衬底B的电压差VSB1均随输入信号的变化而变化。
考虑到体效应和沟道长度调制效应，晶体管M1的电流电压关系符合如下 式(1) 其中 VDS1＝VDD-Vout VSB1＝VS1-VB1＝Vout 其中Vth01为不考虑体效应时的阈值电压，υ称为体效应系数，ФF为费米电势。
假设电流源I1输出阻抗足够大，在输入信号Vin变化时电流值保持不变，由式(1)可见，由于存在体效应和沟道长度调制效应，VSB1和VDS1的变化导致传统源跟随器输出Vout与输入信号Vin间已经不是简单的线性关系，输出Vout中引入了很多输入信号Vin的非线性项，因此引入了很多谐波，传统源跟随器的线性度较低。
图2是本发明的电路图，其中Vin为输入信号，Vout为输出信号。I2为电流源，其电流值大小为I。其中M2为阈值电压比较低的晶体管，M3为阈值电压比较高的晶体管。M2、M3的衬底B均和源极S相连接。假设电流源I1输出阻抗足够大，在输入信号Vin变化时电流值保持不变。
晶体管M3的漏源电压 VDS3＝Vin-VGS2-Vout＝(Vin-VGS2)-(Vin-VGS3) ＝VGS3-VGS2＝(Vth3+Vov3)-(Vth2+Vov2) ＝(Vth3-Vth2)+(Vov3-Vov2) 若要使晶体管M3工作在饱和区，必须VDS3＞VGS3-Vth3＝Vov3 由于M3采用的是较高阈值晶体管，M2采用的是较低阈值晶体管；设计中通过调整电路参数，取M3的过驱动电压Vov3高于M2的过驱动电压Vov2，保证VDS3＞Vov3，使晶体管M3工作在饱和区。本发明中晶体管M2、M3始终工作在饱和区。
晶体管M3的电流电压关系符合如下 式(2) VDS3＝Vin-VGS2-Vout＝Vin-VGS2-(Vin-VGS3) ＝VGS3-VGS2＝(Vth3+Vov3)-(Vth2+Vov2) 其中Vth03为不考虑体效应时M3的阈值电压。
由于M2、M3的衬底B均和源极S相连接，VSB＝0，消除了衬偏效应，故 Vth3＝Vth03 代入式(2)， 式(3) 所以 式(4) 式(4)中的μnCoxλVth03均是由工艺决定的常量，VDS3＝(Vth3-Vth2)+(Vov3-Vov2)为一不随输入信号变化的恒定值，所以输出信号只是在输入信号的基础上进行了电平移位，Vout和Vin的关系变成了简单的线性关系式，并没有引入与输入信号Vin相关的谐波失真，因此具有高线性度。
图3是本发明的差分实现。Vinp、Vinn为差分输入信号，Voutp、Voutn为差分输出。其中M5、M7为阈值电压比较高的晶体管，M4、M6为阈值电压比较低的晶体管。M4、M5、M6、M7的衬底均和源极相连接。I3、I4为电流源，其电流值大小为I。
为了验证性能，对图3在CADENCE平台进行SPICE仿真。
仿真结果表明，在30pF电容负载，2.5V电源电压，20mA总电流下，1Vp-p摆幅，谐波失真为-107dB，高线性源跟随器的特性总结如表1。
表1高线性源跟随器特性总结 图4是本发明的P型晶体管实现。Vin为输入信号，Vout为输出信号，M12为阈值电压比较高的晶体管，M13为阈值电压比较低的晶体管。M12、M13的衬底均和源极相连接。I7为电流源，其电流值大小为I。
图5是本发明的P型晶体管差分实现。Vinp、Vinn为差分输入信号，Voutp、Voutn为差分输出。其中M8、M10为阈值电压比较高的晶体管，M9、M11为阈值电压比较低的晶体管。M8、M9、M10、M11的衬底均和源极相连接。I5、I6为电流源，其电流值大小为I。
权利要求
1.能消除体效应和沟道长度调制效应的线性源跟随器，其特征在于，第一N型场效应管(M2)，第二N型场效应管(M3)和电流源(I2)，其中
第一N型场效应管(M2)，栅极接输入电压(Vin)，漏极接电源(VDD)，衬底和源极相连，所述第一N型场效应管(M2)始终工作在饱和区，
第二N型场效应管(M3)栅极接所述输入电压(Vin)，所述第二N型场效应管(M3)的漏极和所述第一N型场效应管(M2)的源极相连，衬底和自身的源极相连，所述第二N型场效应管(M3)的阈值和过驱动电压均高于所述第一N型场效应管(M2)的阈值和过驱动电压，使得所述第二场效应管(M3)始终工作在饱和区，
电流源(I2)输入端和所述第二N型场效应管(M3)的源极相连，构成所述线性源跟随器的输出端，输出电压为(Vout)，所述电流源(I2)输出端接地。
2.能消除体效应和沟道长度调制效应的线性源跟随器而实现的一种差分式源跟随器，其特征在于，含有两个相互并联的所述线性源跟随器，其中
第一线性源跟随器，依次由第二电流源(I5)，第三P型场效应管(M8)、第四P型场效应管(M9)依次串联而成，其中，第二电流源的输入端接电源(VDD)，第四P型场效应管(M9)的漏极接地，第三P型场效应管(M8)的栅极和第四P型场效应管(M9)的栅极相连后接第一输入电压(Vinp)，第三P型场效应管(M8)的衬底和源极相连，第四P型场效应管(M9)的衬底和源极相连，第三P型场效应管(M8)的阈值电压高于第四P型场效应管(M9)的阈值电压，
第二线性源跟随器依次由第三电流源(I6)、第五P型场效应管(M10)、第六P型场效应管(M11)依次串接而成，第三电流源(I6)的输入端接所述电源(VDD)，第六P型场效应管(M11)的漏极接地，第五P型场效应管(M10)的衬底和源极相连，第六P型场效应管(M11)的衬底和源极相连，第五P型场效应管(M10)的阈值高于第六P型场效应管(M11)的阈值，第五场效应管(M10)的栅极和第六场效应管(M11)的栅极相连后接第二输入电压(Vinn)，
所述第三P型场效应管(M8)的源极构成第一输出端，输出第一输出电压(Voutp)，所述第五P型场效应管(M10)的源极构成第二输出端，输出第二输出电压(Voutn)。
全文摘要
能消除体效应和沟道长度调制效应的线性源跟随器属于电压跟随器技术领域。其特征在于晶体管M2和M3形成级联方式，栅极均接输入Vin，且M2为低阈值晶体管，M3为高阈值晶体管。晶体管M2和M3始终工作在饱和区，从而减小了M3漏源电压的波动。消除了晶体管M3的沟道长度调制效应。M2和M3的源极S都和衬底B相连接，消除了晶体管M3的体效应。本发明具有高线性度的优点。
文档编号H03F3/50GK101764584SQ20091024247
公开日2010年6月30日 申请日期2009年12月16日 优先权日2009年12月16日
发明者魏琦, 乔飞, 杨华中, 汪蕙 申请人:清华大学