專利名稱：一種使米勒效應最小化的增益放大器電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明關于一種主動元件電路應用以提供增益，特別是一種可以使該電路米勒效應最小化的一增益放大器電路。
背景技術：
圖1是典型的主動式元件10(一般為電晶體)包含有一米勒回饋電容12。在任一三端主動元件中，就會存在一回饋(即米勒Miller feedback)電容于輸入與輸出端之間，如圖1所示。其將使得主動元件增益(gain)值降低。輸出、輸入端隔離特性與高頻下元件穩(wěn)定性變差，此現(xiàn)象即為米勒效應。
圖2所示一電路20，用以求特性優(yōu)值(figure of meritfT)。由電路中20包括一輸入電阻(Rin)22與一輸入電容(Cin)24并聯(lián)，兩者再與一電流源26耦合。電路的電流增益(β)定義為輸入端電流Iin與輸出端電流Iout之比。參數fT定義為三端元件如電晶體10的跨導(transconductance)與輸入電容的比值。即fT＝gm/(2πCin)，此處gm為增益。一如熟悉相關技藝人士所知，fT可用以做為元件性能表現(xiàn)量度的好指標。不過元件的電路特性必須先求得。通常我們會將一負載安裝于元件的輸出端上，以量度元件的電路特性。
圖3說明一電路模型30，包含一負載電阻(RL)32和一米勒效應電容Cm31。元件性能的fT系振蕩頻率的最大值fmax。米勒效應電容對任何元件技術來說都是一限制。米勒效應電容總是整體電路元件于高頻操作下的一限制因子，以下我們將對上述問題做一討論fmax和fT的關系可以用以下方程式
其中R串聯(lián)是輸入端的串聯(lián)電阻。
以一般法則，高頻增益每八度(octave)就會下降6分貝并且當下降至0分貝的頻率時即稱為fmax。電路必須在比fmax低很多的頻率下操作才能獲得有意義的增益。但是對一給定(given)的技術而言，fmax是一固定的參數。
因此，在高頻下，當它是疊接(cascode stage)或中性化(neutralization)以得到較佳的性能下，上述的限制是可以被接受的。不過兩者的替模電路都各有其限制。以下的討論，我們將描述兩種替模電路。
圖4示一典型的疊接組態(tài)放大器50，疊接組態(tài)50回饋第一個元件52的輸出給第二個元件54的射極(或源極；對場效電晶體而言)。我們知道米勒效應電容將放大輸入端的總電容依據式C總＝(1-K)*C回饋+C輸入此處K系輸出端與輸入端之間的電壓增益。理想情況下疊接組態(tài)放大器的K＝-1。
依此，輸出端的增益在大部分的條件下都可以維持穩(wěn)定。不過疊接組態(tài)放大器50仍有許多問題需要克服。首先是較低位置的元件的增益最大值是1，因此，電壓失真(distorsion)將兩倍化，假設上面的元件和下面的元件在相同的電壓擺渡時失真貢獻相同。第二是在較低的電壓(例如3.3伏或更低時)下可操作的電壓將因跨過兩電晶體的電壓降的要求而受到限制。
第二個方法是利用中性化(neutralization)技術。圖5說明典型單一中性化放大器裝置60。在此技術中，引進的電容系經由增益一單位的反相器(unity-phase inverter)66來抵削米勒電容效應電容62。這技術已被應用于真空管、雙極性電晶體與場效電晶體。
不過中性化技術是依據于加入的電容值恰等于回饋的電容值的假設前提。不管是由一電路到另一電路來看或由一溫度至另一溫度或由一頻率至另一頻率都必須如此。還有中性化技術需要反相器提供單位增益。熟悉相關技術的設計者都知道要符合上述的條件，根本不可能。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種增益放大器電路，在大范圍的頻寬及溫度下，都能有效抵削米勒效應。
本發(fā)明的一種增益放大器電路，至少包含一第一電晶體；一第一額外電晶體，具有一浮置射極，以提供基-集極接面電容，而該基極與該第一電晶體基極連接，且該第一額外電晶體與該第一電晶體是制作于同一晶片，以使該第一額外電晶體與該第一電晶體阻抗相匹配，以使該第一額外電晶體與該第一電晶體具有相同大小的米勒電容；及一反相元件耦合于該第一電晶體的集極端，并與該另第一額外電晶體耦合，該反相元件與該第一電晶體制作于同一晶片，且與該第一電晶體的輸出電壓大小相同，極性相反；該第一額外電晶體，及該反相元件是用以使該第一電晶體的寄生電容最小化。
本發(fā)明另一種增益放大至器電路至少包含一差動放大器電路，該差動放大器電路至少包含一第一及一第二主動元件及復數個元件耦合于該差動放大器電路，該復數個元件至少包含一第一額外與第二額外主動元件且與該第一及第二主動元件是相同的，所述的第一額外與第二額外主動元件的阻抗與該第一及該第二主動元件相匹配，所述的第一及該第二主動元件是用以接收相反極性的信號，所述的差動放大器電路及所述的復數個元件都是在同一半導體晶片上制造，所述的第一主動元件的集極與該第二額外主動元件的集極耦合，該第二主動元件的集極與該第一額外主動元件的集極耦合，并且上述的第一主動元件的基極與該第一額外主動元件的基極耦合，該第二主動元件的基極與該第二額外主動元件的基極耦合。
本發(fā)明再一種增益放大至器電路至少包含一第一級放大器電路，至少包含一變壓器及一第一主動元件耦合于該變壓器；及一第二主動元件交叉耦合該第一級放大器電路，其中上述的第二主動元件是用以使米勒效應電容最小化。
本發(fā)明利用至少一額外元件，其與第一級放大器電路都在同一晶片上，以提供阻抗匹配。如此一來，即使在大范圍的頻寬及溫度下操作，都一樣可以抵消其米勒效應。


圖1為典型的單元件放大器架構具有米勒回饋電容。
圖2為簡單的電路模型以說明主動元件以求得特性優(yōu)值(figure ofmerit)頻率。
圖3為簡單的電路模型，包含一負載電阻RL及米勒效應電容Cm。
圖4為一典型的疊接放大器架構。
圖5為一典型的單一中性化放大器電路。
圖6為依據本發(fā)明的第一實施例的一增益放大器電路。
圖7為依據本發(fā)明的第二實施例的一單端增益放大器電路。
具體實施例方式
本發(fā)明系關于一種主動元件電路應用，以提供增益。特別是一種可以使該電路米勒效應最小化的放大器電路。
依據本發(fā)明的方法，一對額外的元件將用以提供第一級元件一獨立的匹配。該第一級元件有兩個相等電壓但相反極性的元件交叉耦接于同一半導體基板且同一晶片的差動輸出與輸入端。由于目前的半導體技術已能提供良好的元件匹配，若這些元件放得夠接近的話，在很大的頻寬范圍下米勒效應的抵削是可以達成的，特別是當這些元件值在相同晶片下，匹配的情況也存在于相當廣的溫度范圍內。
為更詳細說明本發(fā)明的特色，以下的描述將配合以圖示說明。實施例中雖以雙極性電晶體說明，熟悉相關技術者皆知，它并非用以限定本發(fā)明的范圍，因為本發(fā)明亦適用于互補式金氧半電晶體、場效電晶體、HBT(異質雙極性電晶體)或其它型主動元件。
圖6說明依據本發(fā)明的第一實施例的一放大器電路100，用以提供增益。包括一差動放大器(differential stage；亦可稱為訊差放大器)102，輸入于電晶體104a的射極端是正電壓信號，輸入于電晶體104b的射極是負電壓信號。如圖所示。電晶體104a的集極(collector)交叉耦合(cross-coupled)于電晶體106b的集極。電晶體104b的集極交叉耦合于電晶體106a的集極。電晶體106a的基極耦合于電晶體104b的基極。位于電晶體104a端的輸出端與位于電晶體104b端的輸出端輸出的電壓大小相等但極性相反。請注意電晶體106a及電晶體106b的射極是浮置的(floating)。
換言之，這兩只電晶體106a、106b并不工作，但利用同一半導體基板且相同晶片及一般習知的制造技術即不難使得電晶體106a與106b相同于電晶體104a及104b。如此一來。電晶體104a與104b的米勒效應電容103a及103b可分別為電晶體106a及電晶體106b的基-集極接面(base-collector junction)電容(米勒效應電容)107a及107b所抵削，由于它們有相反極性的關系。由于這些元件是制造在一塊，電容量因此可以匹配得非常接近。如此一來米勒效應電容可以被有效的抵削，即適用于大范圍內的頻率。因此本發(fā)明的放大器增益可以比傳統(tǒng)的放大器電路來的大。
圖7說明依據本發(fā)明第二實施例的另一單端放大器200。單端放大器200常用于射頻(radio frequency；RF)電路設計上。依據本實施例，一利用集成電路(IC)技術制造的變壓器(printed transformer)202形成于晶片上以提供反轉相(phase inversion)且系1單位增益值(unity gain)。若負載阻抗夠大的話，變壓器202的電壓比正比于其圈數比。
依此，在本實施例中由于電晶體205與206是在同一半導體基板且相同晶片內，(請注意電晶體206的射極是浮置的)，用以提供基-集極接面電容(米勒效應電容)203，以抵削電晶體205的米勒效應電容204，因此可以獲取比傳統(tǒng)放大器電路更大的增益值。
依據上述，本發(fā)明所提供的電路，利用了一對額外的元件制作于與第一級放大器相同的晶片內。這對額外的元件提供相等但極性相反的電壓以提供一阻抗匹配。如此，不但可應用于寬廣的頻率范圍，且對寬廣的溫度范圍內仍有效。
以上所述是利用較佳實施例詳細說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明的范圍，而且熟知此類技藝人士皆能明了，適當作些效的改變及調整，仍將不失本發(fā)明的要義所在，亦不脫離本發(fā)明的精神和范圍。
權利要求
1.一種增益放大器電路至少包含一第一電晶體；一第一額外電晶體，具有一浮置射極，以提供基-集極接面電容，而該基極與該第一電晶體基極連接，且該第一額外電晶體與該第一電晶體是制作于同一晶片，以使該第一額外電晶體與該第一電晶體阻抗相匹配，以使該第一額外電晶體與該第一電晶體具有相同大小的米勒電容；及一反相元件耦合于該第一電晶體的集極端，并與該另第一額外電晶體耦合，該反相元件與該第一電晶體制作于同一晶片，且與該第一電晶體的輸出電壓大小相同，極性相反；該第一額外電晶體，及該反相元件是用以使該第一電晶體的寄生電容最小化。
2.如權利要求1所述的增益放大器電路，其特征在于所述的反相元件是一變壓器，該變壓器是以半導體技術制作于與該第一電晶體相同的晶片上。
3.如權利要求1所述的增益放大器電路，其特征在于所述的反相元件是包含一第二電晶體與一第二額外電晶體，該第二電晶體與該第一電晶體構成一差動放大器，用以接收相反極性的信號，且輸出相反極性的信號，此外該第二額外電晶體具有一浮置射極，以提供基-集極接面電容，而該第二額外電晶體的基極與該第二電晶體基極連接。
4.一種增益放大器電路至少包含一差動放大器電路，該差動放大器電路至少包含一第一及一第二主動元件及復數個元件耦合于該差動放大器電路，該復數個元件至少包含一第一額外與第二額外主動元件且與該第一及第二主動元件是相同的，所述的第一額外與第二額外主動元件的阻抗與該第一及該第二主動元件相匹配，所述的第一及該第二主動元件是用以接收相反極性的信號，所述的差動放大器電路及所述的復數個元件都是在同一半導體晶片上制造，所述的第一主動元件的集極與該第二額外主動元件的集極耦合，該第二主動元件的集極與該第一額外主動元件的集極耦合，并且上述的第一主動元件的基極與該第一額外主動元件的基極耦合，該第二主動元件的基極與該第二額外主動元件的基極耦合。
5.一種增益放大器電路至少包含一第一級放大器電路，至少包含一變壓器及一第一主動元件耦合于該變壓器；及一第二主動元件交叉耦合該第一級放大器電路，其中上述的第二主動元件是用以使米勒效應電容最小化。
6.如權利要求5所述的增益放大器電路，其特征在于所述的第一及該第二主動元件是相同的元件。
7.如權利要求6所述的增益放大器電路，其特征在于所述的第一及該第二主動元件接收來自該變壓器相等且相反極性的信號。
8.如權利要求6所述的增益放大器電路，其特征在于所述的第一、第二主動元件及該變壓器都是在同一晶片上制作。
9.如權利要求6所述的增益放大器電路，其特征在于所述的第一及該第二主動元件至少包含互補式金氧半電晶體、場效電晶體、異質雙極性電晶體及雙極性電晶體的其中任一種。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種使米勒效應最小化的增益放大器電路，至少包含一第一級放大器電路，以提供兩極性相反但相等的電壓信號，及復數個元件交叉耦合于第一級放大器電路。復數個元件是用以降低差動放大器的米勒效應電容。本發(fā)明利用至少一額外元件，其與第一級放大器電路都制作于同一晶片上，以提供阻抗匹配。本發(fā)明的增益放大器電路在大范圍的頻寬及溫度下，都一樣可以抵削其米勒效應。
文檔編號H03F1/14GK1482736SQ0312215
公開日2004年3月17日 申請日期2003年4月22日 優(yōu)先權日2002年4月22日
發(fā)明者李聲漢 申請人:雷凌科技股份有限公司