專利名稱：帶有偏置電路的放大器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種放大器件，特別涉及一種連接到具有高內(nèi)部阻抗的信號源的放大器件。
背景技術(shù)：
振動傳感器是用于檢測施加到被測物體上的力，即，檢測物體的加速度、并且用于將力的大小轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。振動傳感器的應(yīng)用范圍很廣，包括例如，監(jiān)測馬達(dá)等的異常振動；控制車床等的平衡；監(jiān)測空調(diào)設(shè)備等的狀態(tài)；測試HDD(硬件驅(qū)動器)等的特性；用超聲振動等進(jìn)行醫(yī)學(xué)上的診斷和治療；用于數(shù)碼攝像機(jī)等的手部運(yùn)動檢測；以及用于蜂窩電話等的聲音檢測。在這些大量的應(yīng)用中，要求振動傳感器同時(shí)具有小型化和高可靠性。
通常，廣泛使用的小型振動傳感器是采用壓電器件的壓電型振動傳感器。此外，特別是，經(jīng)常使用諸如駐極體電容傳聲器(ECM)的電容性麥克風(fēng)作為聲音傳感器。通常這些振動傳感器具有由容性阻抗分量確定的高內(nèi)部阻抗；例如，通常壓電器件具有范圍從幾個皮法(pF)到幾十皮法(pF)的等效電容。因此，在低頻時(shí)內(nèi)部阻抗特別高。
許多情況下，振動傳感器的輸出信號被放大幾十倍到幾百倍。此外，通常，由于振動傳感器的應(yīng)用特別強(qiáng)調(diào)輸出信號例如聲音檢測的低頻，因此被放大的輸出信號的頻率下限設(shè)定在10Hz的數(shù)量級上。通常就這種放大而言，廣泛使用多級放大器件。具體地說，放大器件的第一級直接連接到振動傳感器。當(dāng)振動傳感器具有高內(nèi)部阻抗時(shí)，放大器的第一級需要具有高輸入阻抗。在具有高內(nèi)部阻抗的放大器中，其偏置電路需要具有一定的創(chuàng)造性。參見圖7，例如，在與作為信號源的壓電振動傳感器相連接的傳統(tǒng)放大器100中，偏置電路20具有下述結(jié)構(gòu)。在該偏置電路20中，兩個電阻器2H和2L串聯(lián)連接在電源供給端VDD與接地端之間，從而構(gòu)成分壓器。兩個電阻器2H和2L之間的接點(diǎn)J，即分壓器2V的輸出端J通過第三電阻器2R連接到運(yùn)算放大器1的輸入端IN。第三電阻器2R的電阻值設(shè)定成遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于兩個電阻器2H和2L中任何一個電阻器的電阻值。此外，由于運(yùn)算放大器1的輸入級是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，所以，運(yùn)算放大器1具有高輸入阻抗。因此，直流電流很難在第三電阻器2R中流動，從而在第三電阻器2R上很難產(chǎn)生電壓降。因此，分壓器2V的輸出接點(diǎn)J的電位作為偏置電壓施加到運(yùn)算放大器1的輸入端IN。從而，運(yùn)算放大器1的輸出端OUT保持在輸入端In的電位的預(yù)定倍的電位。圖7中，由于運(yùn)算放大器1是電壓跟隨器型，所以，運(yùn)算放大器1輸出端OUT的電位等于輸入端IN的電位。
特別是對于由壓電器件3提供的交流信號，分壓器2V用作恒壓源。參見圖8。壓電器件3的內(nèi)部阻抗Z主要由它的容性阻抗分量確定。實(shí)際上，內(nèi)部阻抗Z可以用下述等式表示Z＝1/(2πfc)其中c和f分別表示壓電器件3的等效電容和輸出頻率。此外，運(yùn)算放大器1的輸入信號電平Vin低于乘以預(yù)定系數(shù)后的壓電器件3的輸出信號電平Vs。該系數(shù)取決于壓電器件3的等效電容C和輸出頻率f以及第三電阻器2R的電阻值R。具體地說，由于壓電器件3的內(nèi)部阻抗增大，該系數(shù)隨著輸出頻率f的減小而減小。因此，放大器件100具有低增益。例如當(dāng)輸出頻率f等于閾值f0＝1/(2πRc)時(shí)，運(yùn)算放大器1的輸入信號電平Vin比壓電器件3的輸入信號電平Vs低3dB。
盡可能減小壓電器件3的輸出頻率f的閾值f0，以保證放大器件100即使在低頻下也具有足夠高的增益。這要求第三電阻器2R的電阻值R與壓電器件3的等效電容C的乘積足夠大。例如，當(dāng)壓電器件3的等效電容C在10pF數(shù)量級上時(shí)，為了使輸出頻率f的閾值f0為10Hz甚至更小，要求第三電阻器2R的電阻值R等于1.6GΩ甚至更大。
為了實(shí)現(xiàn)小型化需要放大器100具有單一集成電路的結(jié)構(gòu)。但是，在那種情況下，第三電阻器2R必須是與其他元件分開的外加的分立元件。由于受到雜質(zhì)濃度控制的限制，因此表面電阻的上限是幾十千歐。例如，如果在表面電阻為10kΩ的區(qū)域中形成阻值為1.6GΩ的電阻元件，電阻元件的縱橫比L/W(長度L與寬度W的比率)會達(dá)到160,000。換句話說，如果寬度W是1μm，那么，長度L應(yīng)達(dá)到160mm。尺寸如此巨大的嵌入式電阻元件是不現(xiàn)實(shí)的。因此，不能在嵌入了放大器件100中其他元件的襯底上嵌入第三電阻器2R。因此，傳統(tǒng)的放大器100要通過進(jìn)一步提高集成度來使其小型化是極其困難的。
集成電路容易受到通過與外部連接的端子所產(chǎn)生的環(huán)境靜電放電(ESD)的不利影響。通常，在焊盤周圍設(shè)置ESD保護(hù)電路來防止ESD的不利影響，特別是用于防止元件損壞。ESD保護(hù)電路包括二極管或晶體管。正常狀態(tài)下，二極管或晶體管保持在OFF(截止)狀態(tài)，另一方面，出現(xiàn)ESD浪涌時(shí)，二極管或晶體管導(dǎo)通，然后，將焊盤連接到地或者電源。由于浪涌能量被接地導(dǎo)體或電源吸收，所以，可以避免浪涌對其他元件造成不利影響。
設(shè)置在襯底上的ESD保護(hù)電路包括反向-偏置的PN結(jié)。面積越大的PN結(jié)用于浪涌電流的容量越大，以及可以為ESD保護(hù)電路提供更高的可靠性。然而，在反向-偏置的PN結(jié)中有微小的漏電流流過。漏電流與PN結(jié)的面積成比例增大，并且隨著溫度的增加而急劇增大；例如，溫度每升高25到30℃，漏電流的大小增大接近一個數(shù)量級。在半導(dǎo)體集成電路的熱設(shè)計(jì)中，例如，要考慮放大器件等的發(fā)熱，因此襯底溫度的允許最大值通常設(shè)定在125℃或150℃，大大高于所需的上限溫度，允許的溫度范圍通常是75-80℃。例如，當(dāng)襯底溫度從25℃上升到125℃時(shí)，漏電流上升1,000到10,000倍。在為實(shí)際用于ESD保護(hù)電路的區(qū)域而設(shè)計(jì)的PN結(jié)中，在常溫時(shí)漏電流的數(shù)量在10pA數(shù)量級上，在125℃時(shí)達(dá)到100nA。當(dāng)漏電流流過第三電阻器2R時(shí)，產(chǎn)生一定壓降。當(dāng)?shù)谌娮杵?R的電阻值為1.6GΩ的時(shí)，即使在漏電流為10nA時(shí)，電壓降會達(dá)到16V。另一方面，用于小型振動傳感器的線電壓通常限定在5V甚至更低，因此，放大器件100的輸入動態(tài)范圍的上限被限定到5V數(shù)量級。因此，由于上述電壓降引起的偏置電壓變化超過放大器件100的輸入動態(tài)范圍。由于該偏置電壓能干擾放大器件100的工作，因此不希望該偏置電壓變化過大，此外，其能引起放大器件100輸出端OUT的電位即下一級放大器件的偏置電壓過度變化。從而，在后面的放大器件的設(shè)計(jì)中被強(qiáng)加入嚴(yán)格限制。因此，很難進(jìn)一步提高多級放大器件的整體可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種將整個偏置電路和放大電路嵌入在同一襯底上的放大器件，其中，所述的襯底具有極高輸入阻抗、高ESD容限以及可以保持高穩(wěn)定偏置電壓，其可以實(shí)現(xiàn)更高集成度和進(jìn)一步提高可靠性之間的兼容性。
按照本發(fā)明的放大器件包括襯底；高位電源端子，連接到外部恒壓源并保持在固定的高電位；低位電源端子，連接到外部恒壓源和接地導(dǎo)體中的一個，并保持在固定的低電位；具有MOSFET輸入級的放大電路，其包括連接到外部信號源的輸入端，放大電路嵌入在襯底上，通過輸入端接收信號源的信號，并以預(yù)定的比率放大信號；以及嵌入在襯底上的偏置電路，包括產(chǎn)生預(yù)定偏置電壓的偏置電壓發(fā)生部分；以及作為阻抗器件的MOSFET，MOSFET包括漏極和源極，漏極和源極中的一個連接到高位電源端子或低位電源端子中的一個，漏極和源極中的另一個連接到放大電路的輸入端；柵極，保持在一定電位上以阻止在漏極和源極之間產(chǎn)生溝道；以及背柵極(backgate)，其與襯底電分隔開并保持在等于偏置電壓的電位的。
上述的MOSFET優(yōu)選地包括下述的p-溝道MOSFET上述的漏極和源極是p-溝道MOSFET的漏極和源極并且分別連接到放大電路的輸入端和低位電源端子；以及上述的柵極是p-溝道MOSFET的柵極，連接到偏置電壓發(fā)生部分和放大電路輸入端中的一個。
按本發(fā)明的上述的MOPSFET包括以下的n-溝道MOSFET上述的漏極和源極是n-溝道MOSFET的漏極和源極，分別連接到放大電路的輸入端和高位電源端子；以及上述的柵極是n-溝道MOSFET的柵極，并且連接到偏置電壓發(fā)生部分和放大電路輸入端中的一個。
按照本發(fā)明的上述的MOSFET還包括上述的p-溝道MOSFET和n-溝道MOSFET。
按照本發(fā)明的上述的MOSFET保持OFF狀態(tài)。換句話說，漏極與源極電分隔開。而且，在漏極與背柵極之間以及源極與背柵極之間都固有存在極高的反向偏置電阻值。即使上述的MOSFET嵌入在其上嵌有偏置電路和放大電路中的其他元件的襯底上，也能完全保證這些高電阻值。此外，上述MOSFET的漏極和源極中的一個連接到放大電路的輸入端，另一個連接在恒定電位、外部電源電位或者接地電位上。因此，當(dāng)背柵極的電位保持在等于偏置電壓時(shí)，放大電路的輸入端電位保持在基本等于偏置電壓。這里，放大電路的輸入端與偏置電壓發(fā)生部分的輸出端之間的電阻值近似等于漏極-背柵極或源極-背柵極的反向偏置電阻值。因此，按照本發(fā)明的上述的偏置電路整個嵌入在其上嵌有放大電路并保持有足夠高輸出阻抗的同一襯底上。
按照本發(fā)明的上述的MOSFET具有保護(hù)放大電路免受下述ESD影響的功能。當(dāng)ESD引起的浪涌電壓從外界施加到放大電路的輸入端時(shí)，上述的MOSFET的漏極和源極之間導(dǎo)通，從而將放大電路的輸入端連接到高位或者低位電源端子。這里，采用下面的一種方法建立導(dǎo)電狀態(tài)漏極-背柵極之間或源極-背柵極之間的寄生二極管(PN結(jié))擊穿；寄生在漏極、源極、背柵極之間的場效應(yīng)晶體管導(dǎo)通；以及在漏極-源極之間產(chǎn)生溝道。由于漏極-源極之間導(dǎo)通，浪涌能量被電源或接地導(dǎo)體吸收。因此，可以避免浪涌對放大電路和下一級的不利影響。換句話說，按照本發(fā)明的上述放大器可以抗ESD的影響。
按照本發(fā)明的上述MOSFET中，由于具有MOSFET輸入級，所以，放大電路輸入端沒有漏電流。因此，包括在上述的MOSFET中的漏極-背柵極PN結(jié)或源極-背柵極PN結(jié)不會由于放大電路的漏電流的作用而反向偏置。也就是說，放大電路的輸入端電位穩(wěn)定地保持在等于偏置電壓。具體地說，即使為了小型化，減小上述PN結(jié)的面積，偏置電壓仍然足夠穩(wěn)定，從而使其具有更高的反向偏置電阻，以及進(jìn)一步表現(xiàn)出寬的電阻變化范圍。因此，按照本發(fā)明的上述偏置電路即能保持其ESD保護(hù)的高可靠性也能保持偏置電壓的高穩(wěn)定性。
如上所述，按照本發(fā)明的放大器件中，采用上述MOSFET偏置電路具有足夠高的輸出阻抗。從而，偏置電路和放大電路可以整個嵌入在保持有極高輸入阻抗、高ESD容限以及保持高穩(wěn)定偏置電壓的同一襯底上。因此，按照本發(fā)明的上述放大器件能達(dá)到更高的集成度和進(jìn)一步改善高可靠性之間的兼容性。按照本發(fā)明的上述放大器件優(yōu)于直接連接到具有高內(nèi)部阻抗的低頻信號源例如振動傳感器的其他放大器件。
在所附的權(quán)利要求書中具體說明了本發(fā)明的新特征，通過以下結(jié)合附圖所作的詳細(xì)描述，能更好地理解和評估本發(fā)明的構(gòu)成和內(nèi)容，以及本發(fā)明的其他目的和特征。


圖1所示為按照本發(fā)明實(shí)施例1的放大器件10A的等效電路圖；圖2所示為按照本發(fā)明實(shí)施例1的p-溝道MOSFET 2P的寄生二極管Ddb和Dsb的等效電路圖；圖3所示為按照本發(fā)明實(shí)施例2的放大器件10B的等效電路圖；圖4所示為按照本發(fā)明實(shí)施例3的放大器件10C的等效電路圖；圖5所示為按照本發(fā)明實(shí)施例4的放大器件10D的等效電路圖；圖6所示為按照本發(fā)明實(shí)施例5的放大器件10E的等效電路圖；圖7所示為傳統(tǒng)放大器件100的等效電路圖；以及圖8所示為壓電器件3以及用于壓電器件3輸出信號Vs的傳統(tǒng)放大器100的等效電路圖。
應(yīng)了解，附圖中的一部分或全部附圖都是示意性地顯示出本發(fā)明，因而不必給出圖中所示的元件實(shí)際的相關(guān)尺寸或位置。
具體實(shí)施例方式
以下參見

本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
按本發(fā)明實(shí)施例1的放大器件優(yōu)選地用于多級放大器件的第一級。例如放大器放大來自小型振動傳感器的信號。振動傳感器優(yōu)選地采用壓電器件的壓電型振動傳感器。振動傳感器也可以是ECM。按照本發(fā)明實(shí)施例1的放大器件10A直接連接到壓電器件3。參見圖1，該放大器件10A優(yōu)選地是嵌入在單一襯底上的單一集成電路。放大器件10A包括高位電源端子VDD、低位電源端子GND、運(yùn)算放大器1、以及偏置電路2A。偏置電路2A包括偏置電壓發(fā)生部分2V和阻抗元件2P。
高位電源端子VDD連接到外部恒壓源(未示出)，并保持在預(yù)定的高電位，下面將該高電位稱作線電壓。低位電源端子GND優(yōu)選地是連接到預(yù)定的接地導(dǎo)體的接地端。低位電源端子GND也可以保持在與地電位不同、并由外部恒壓源(未示出)提供的電位(具體地說，負(fù)電位)。下面將高位電源端子VDD和低位電源端子GND分別你做電源端和接地端。
運(yùn)算放大器1是具有MOSFET輸入級和極高輸入阻抗的放大電路。運(yùn)算放大器1的輸入端IN直接連接到壓電器件3。使用線電壓，運(yùn)算放大器1將施加到輸入端IN的壓電器件3的輸出信號進(jìn)行放大。放大后的信號經(jīng)輸出端OUT輸送到下一級放大電路(未示出)。例如，運(yùn)算放大器1是電壓跟隨器型運(yùn)算放大器并且用作壓電器件3與下一級放大電路之間的緩沖器。也就是說，輸入端IN和輸出端OUT在基本相等的電位上。運(yùn)算放大器1也可以是增益大于1的放大電路。
偏置電壓發(fā)生部分2V優(yōu)選地是包括串聯(lián)的兩電阻元件2H和2L的分壓器。兩電阻元件2H和2L的串聯(lián)電路連接在電源端VDD與接地端GND之間，或者，連接在不是電源端VDD的高位電源端子與接地端GND或其他低位電源端子之間。兩個電阻元件2H和2L之間的結(jié)點(diǎn)J的電位，或者，偏置電壓發(fā)生部分2V的輸出端J的電位(以后稱做偏置電壓)被保持在低于線電壓的預(yù)定比率。該比率可以通過兩個電阻元件2H和2L的電阻值調(diào)節(jié)。例如，當(dāng)兩個電阻元件2H和2L的電阻值相同時(shí)，偏置電壓等于1/2線電壓。電容器連接在偏置電壓發(fā)生部分2V的輸出端J與接地端GND之間，或者與兩個電阻元件2H和2L的串聯(lián)連接電路并聯(lián)。電容器可以切斷來自外部電源的噪聲。偏置電壓發(fā)生部分2V可以是恒壓源或者諸如采用帶隙基準(zhǔn)等的電路，以代替分壓器2V。
阻抗元件2P是增強(qiáng)型P-溝道MOSFET，P-溝道MOSFET 2P的源極和漏極分別連接到運(yùn)算放大器1的輸入端IN和接地端GND。由此，源極電位固定在地電位。P-溝道MOSFET 2P的柵極和背柵極都連接到偏置電壓發(fā)生部分2V的輸出端J。這里，優(yōu)選地用PN結(jié)使背柵極與襯底電分隔開。例如，在P-型襯底的情況下，接地的襯底使背柵極(n-型區(qū))與p-型襯底電分隔開。相反，在n-型襯底的情況下，背柵極(n-型區(qū))在襯底上的p-阱中形成。留有開口或接地的P-阱將背柵極與n-型襯底電分隔開?；蛘撸捎媒^緣體將背柵極與襯底電分隔開。柵極和背柵極的電位都等于偏置電壓。然后，可以防止在漏極與源極之間產(chǎn)生溝道。也就是說，P-溝道MOSFET 2P保持截止(OFF)狀態(tài)，從而使漏極與源極電分隔開。在漏極-背柵極之間和源極-背柵極之間存在寄生二極管(PN結(jié))Ddb和Dsb。參見圖2。寄生二極管Ddb和Dsb的每個陰極連接到偏置電壓發(fā)生部分2V的輸出端J。源極-背柵極寄生二極管Dsb在等于偏置電壓的電壓下反向偏置。漏極-背柵極寄生二極管Ddb將漏極電位鉗制在偏置電壓。此時(shí)，由于運(yùn)算放大器1具有MOSFET輸入級，所以，在運(yùn)算放大器1的輸入端IN沒有漏電流。因此，漏極-背柵極寄生二極管Ddb不會被運(yùn)算放大器1的漏電流反向偏置。因此，無論環(huán)境溫度怎么變化，都可以高可靠性地保持運(yùn)算放大器1的輸入端IN的電位或偏置電壓。因此，放大器件10A具有高可靠性。
P-溝道MOSFET 2P保持OFF狀態(tài)時(shí)，它的漏極-背柵極電阻值，即，漏極-背柵極寄生二極管(PN結(jié))Ddb的電流-電壓特性，主要取決于漏極區(qū)(p-型區(qū))中雜質(zhì)的濃度及其界面面積(PN-結(jié)面積)，其中，電流用電壓的指數(shù)函數(shù)表示。例如，當(dāng)漏極區(qū)的PN-結(jié)面積是100μm2數(shù)量級，并且在漏極與背柵極之間幾乎不施加反向偏置時(shí)，漏極-背柵極電阻值達(dá)到1,000GΩ＝1TΩ，其比傳統(tǒng)偏置電路(參見圖7)的典型輸出阻抗高兩個或三個數(shù)量級。P-溝道MOSFET 2P與放大器件10A的其他電路諸如運(yùn)算放大器1一起嵌入在襯底上。因此，具有極高輸入阻抗的放大器件10A為單一集成電路結(jié)構(gòu)。換句話說，與傳統(tǒng)放大器相比，放大器件10A可以實(shí)現(xiàn)高度集成。
由于放大器件10A具有極高的輸入阻抗，所以，放大器件10A不僅適合用于壓電器件的直接耦合放大器而且也適合用于具有高內(nèi)部阻抗的一般信號源的直接耦合放大器。具體地說，由于壓電器件3在越低的輸出頻率具有相對更高的內(nèi)部阻抗，因此，與傳統(tǒng)放大器件相比，放大器件10A能放大壓電器件3的輸出信號中相對更低的頻率分量。因而，具體地說，放大器件10A用作與例如振動傳感器的低頻信號源直接相連接的放大器時(shí)，放大器件10A性能優(yōu)越。
此外，P-溝道MOSFET 2P保護(hù)運(yùn)算放大器1免受ESD浪涌的影響。當(dāng)ESD使輸入端IN的電位從偏置電壓急劇上升時(shí)，正向電流在漏極-背柵極寄生二極管Ddb中流動。參見圖2。從而，寄生在漏極(p-型區(qū))、源極(p-型區(qū))、和背柵極(n-型區(qū))中的PNP場效應(yīng)晶體管導(dǎo)通，從而使輸入端IN接地。相反，當(dāng)輸入端IN的電位急劇下降到遠(yuǎn)低于偏置電壓時(shí)，漏極-背柵極寄生二極管Ddb使P-溝道MOSFET 2P中損壞。參見圖2。從而，輸入端IN經(jīng)P-溝道MOSFET 2P接地。因此，不論浪涌的極性如何，浪涌能量被接地導(dǎo)體吸收，因此，可以避免浪涌對運(yùn)算放大器1和下級放大器的不利影響。也就是說，放大器件10A可以抗ESD浪涌。
上述的P-溝道MOSFET 2P中的源極接地。然而，通常MOSFET具有對稱結(jié)構(gòu)的漏極和源極。因此，如上所述，設(shè)置在背柵極電位與源電位不同的地方的漏極和源極之間不存在本質(zhì)上的差別。因此，在P-溝道MOSFET 2P中漏極和源極可以互換。
與按照本發(fā)明實(shí)施例1的放大器件10A相似，按照本發(fā)明實(shí)施例2的放大器件10B直接連接到壓電器件3。參見圖3。該放大器件10B優(yōu)選地是嵌入在單一襯底上的單一集成電路。放大器件10B包括除偏置電路2B結(jié)構(gòu)不同之外與按照實(shí)施例1的放大器件10A相同的結(jié)構(gòu)。在圖3中，與圖1中所示相似的元件采用與圖1中所示相同的標(biāo)號指示。此外，相似元件的詳細(xì)說明在此引用實(shí)施例1的解釋。
與按照實(shí)施例1的偏置電路2A相似，偏置電路2B包括用作阻抗元件的P-溝道MOSFET 2Q。然而，與實(shí)施例1的P-溝道MOSFET 2P相比，P-溝道MOSFET 2Q的柵極連接到漏極。參見圖3。P-溝道MOSFET 2Q其他的結(jié)構(gòu)與按照實(shí)施例1的P-溝道MOSFET 2P的結(jié)構(gòu)相似。在P-溝道MOSFET 2Q中，源極電位設(shè)置為地電位，漏極電位和柵極電位相同，以及背柵極電位等于偏置電壓。源極-背柵極寄生二極管在等于偏置電壓的電壓下反向偏置。漏極-背柵極寄生二極管將漏極電位鉗制為偏置電壓。因此，運(yùn)算放大器1的輸入端IN的電位保持為等于偏置電壓。此外，柵極電位等于偏置電壓。從而，P-溝道MOSFET 2Q保持OFF狀態(tài)，漏極與源極電分隔開。此時(shí)，柵極電位響應(yīng)壓電器件3的輸出信號而變化。但是，與P-溝道MOSFET 2Q的閾值電壓相比，壓電器件3的輸出信號電平極低，通常在10mV或更低。因此，柵極電位變化引起P-溝道MOSFET 2Q的OFF狀態(tài)改變的危險(xiǎn)性極小。
與按照實(shí)施例1的P-溝道MOSFET 2P相似，在P-溝道MOSFET 2Q保持在OFF狀態(tài)并且漏極與背柵極之間幾乎不施加反向偏置時(shí)，漏極-背柵極之間的電阻值遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)偏置電路(參見圖7)的典型輸出阻抗。P-溝道MOSFET2Q與放大器件10B的其他電路一起嵌入在同一襯底上。因此，具有極高輸入阻抗的放大器件10B具有單一集成電路結(jié)構(gòu)。也就是說，與傳統(tǒng)放大器件相比，放大器件10B可以實(shí)現(xiàn)高度集成。此外，與按照實(shí)施例1的放大器件10A相似，放大器件10B具有高穩(wěn)定性的偏置電壓，并且為此具有高可靠性。作為用于具有高內(nèi)部阻抗的普通信號源的直接耦合放大器，特別是用于例如振動傳感器的低頻信號源的直接耦合放大器，放大器件10B性能優(yōu)越。
與按照實(shí)施例1的P-溝道MOSFET 2P相似，P-溝道MOSFET 2Q具有保護(hù)運(yùn)算放大器1免受ESD浪涌影響的功能。然而，與按照實(shí)施例1的P-溝道MOSFET 2P相比，在P-溝道MOSFET 2Q中，浪涌電壓能引起柵極電位與漏極電位一起變化。因此，P-溝道MOSFET 2Q的ESD浪涌保護(hù)功能與按照實(shí)施例1的P-溝道MOSFET 2P的保護(hù)功能稍微有所不同。當(dāng)ESD使輸入端IN的電位從偏置電壓急劇上升時(shí)，正向電流在漏極-背柵極寄生二極管中流動。從而，在漏極、源極和背柵極中的PNP寄生場效應(yīng)晶體管導(dǎo)通，從而使輸入端IN接地。相反，當(dāng)輸入端IN的電位急劇下降到遠(yuǎn)低于地電壓，從而使柵極-源極電位差超過閾值電壓時(shí)，在P-溝道MOSFET 2Q中漏極和源極之間會產(chǎn)生溝道。也就是說，P-溝道MOSFET 2Q導(dǎo)通，從而使輸入端IN接地。因而，無論浪涌的極性如何，浪涌能量被接地導(dǎo)體吸收，從而可以避免浪涌對運(yùn)算放大器1以及下級的放大器產(chǎn)生不利影響。也就是說，放大器10A可以抗ESD浪涌。
與按照實(shí)施例1的P-溝道MOSFET 2P相似，P-溝道MOSFET 2Q中的源極接地，但是，漏極和源極可以互換。
與按照實(shí)施例1的P-溝道MOSFET 2P相似，按照本發(fā)明實(shí)施例3的放大器件10C直接連接到壓電器件3。參見圖4。放大器件10C優(yōu)選地是嵌入在單一襯底上的單一集成電路。放大器件10C包括除偏置電路2C不同以外與按照實(shí)施例1的放大器件10A相同的結(jié)構(gòu)。在圖4中，與圖1中相似的元件用與圖1所示相同的標(biāo)號指示。而且，引用實(shí)施例1的解釋作為相似元件的詳細(xì)描述。
與按照實(shí)施例1的偏置電路2A相比，偏置電路2C包括用作阻抗元件、并代替P-溝道MOSFET 2P的n-溝道MOSFET 2N。n-溝道MOSFET 2N為增強(qiáng)型。n-溝道MOSFET 2N的漏極和源極分別連接到運(yùn)算放大器1的輸入端IN和電源端VDD。因此，源極電位設(shè)置為線電壓。n-溝道MOSFET 2N的柵極和背柵極都連接到偏置電壓發(fā)生部分2V的輸出端J，或者，連接到兩個電阻元件2H和2L之間的結(jié)點(diǎn)J。這里，優(yōu)選地采用PN結(jié)使背柵極與襯底電分隔開。在n-型襯底的情況下，例如，固定為線電壓的襯底電位使背柵極(p-型區(qū))與n-型襯底電分隔開。相反，在p-型襯底的情況下，在襯底上的n-阱中形成背柵極(p-型區(qū))。留有開口或設(shè)置為線電壓的n-阱使背柵極與n-型襯底電分隔開。另外，使用絕緣體使背柵極與襯底電分隔開。柵極電位和背柵極電位都等于偏置電壓。然后，可以阻止在漏極和源極之間產(chǎn)生溝道。也就是說，n-溝道MOSFET 2N保持OFF狀態(tài)，從而使漏極與源極電分隔開。在漏極-背柵極之間以及源極-背柵極之間分別存在寄生二極管(PN結(jié))。然而，與按照實(shí)施例1的P-溝道MOSFET 2P相比，寄生二極管的每個陽極連接到偏置電壓發(fā)生部分2V的輸出端J。源極-背柵極寄生二極管在等于線電壓與偏置電壓之間差值的電壓下反向偏置。漏極-背柵極寄生二極管將漏極的電位鉗制為偏置電壓。此時(shí)，由于運(yùn)算放大器1具有MOSFET輸入級，所以，在運(yùn)算放大器1的輸入端IN沒有漏電流。因此，運(yùn)算放大器1的漏電流不會使漏極-背柵極寄生二極管反向偏置。從而，無論環(huán)境溫度如何變化，能夠高穩(wěn)定性地保持運(yùn)算放大器1輸入端IN的電位或偏置電壓。因此，放大器件10C具有高可靠性。
與按照實(shí)施例1的P-溝道MOSFET 2P相似，當(dāng)n-溝道MOSFET 2N保持在OFF狀態(tài)時(shí)，其漏極-背柵極之間的電阻值比傳統(tǒng)偏置電路(參見圖7)的典型輸出阻抗大很多。n-溝道MOSFET 2N和放大器件10C的其他電路諸如運(yùn)算放大器1一起嵌入在同一襯底上。從而，具有極高輸入阻抗的放大器件10C為單一集成電路結(jié)構(gòu)。也就是說，與傳統(tǒng)放大器件相比，放大器件10C可以實(shí)現(xiàn)高度集成。因此，作為用于具有高內(nèi)部阻抗的普通信號源特別是諸如振動傳感器的低頻信號源的直接耦合放大器，放大器件10C性能優(yōu)越。
此外，n-溝道MOSFET 2N保護(hù)運(yùn)算放大器1免受ESD浪涌的影響。當(dāng)ESD使輸入端IN的電位急劇下降到偏置電壓以下時(shí)，正向電流在漏極-背柵極寄生二極管中流動。從而，在漏極(n-型區(qū))、源極(n-型區(qū))和背柵極(p-型區(qū))中的NPN寄生場效應(yīng)晶體管導(dǎo)通，從而使輸入端IN連接到電源端VDD。相反，當(dāng)輸入端IN的電位從偏置電壓急劇上升時(shí)，漏極-背柵極寄生二極管引起n-溝道MOSFET 2N損壞。從而，輸入端IN通過n-溝道MOSFET 2N連接到電源端VDD。因此，無論浪涌的極性如何，浪涌能量通過供電端VDD被外部電源吸收，從而避免浪涌對運(yùn)算放大器1以及下級放大器產(chǎn)生不利影響。也就是說，放大器件10C可以抗ESD浪涌。
與按照實(shí)施例1的P-溝道MOSFET 2P相似，上述的n-溝道MOSFET 2N中的源極接地，但是，漏極和源極可以互換。
與按照實(shí)施例1的P-溝道MOSFET 2P相似，按照本發(fā)明實(shí)施例4的放大器件10D直接連接到壓電器件3。參見圖5。該放大器件10D優(yōu)選地是嵌入在單一襯底上的單一集成電路。放大器件10D包括除偏置電路2D不同之外與按照實(shí)施例1的放大器件10A相同的結(jié)構(gòu)。在圖5中，與圖1中所示相似的元件用與圖1所示相同的標(biāo)號指示。而且，引用實(shí)施例1中的解釋作為對相似元件的描述。
與按照實(shí)施例3的偏置電路2C相似，偏置電路2D包括用作阻抗元件的n-溝道MOSFET 2M。然而，與按照實(shí)施例3的n-溝道MOSFET 2N相比，n-溝道MOSFET 2M的柵極連接到漏極。參見圖5。n-溝道MOSFET 2M的其他結(jié)構(gòu)與按照實(shí)施例3的n-溝道MOSFET 2N相似。在n-溝道MOSFET 2M中，源極電位設(shè)置為線行電壓，漏極電位和柵極電位相同，以及背柵極電位等于偏置電壓。源極-背柵極寄生二極管在等于線電壓與偏置電壓的差值的電壓下反向偏置。漏極-背柵極寄生二極管將漏極電位鉗制為偏置電壓。因此，運(yùn)算放大器1的輸入端IN的電位保持等于偏置電壓。此外，柵極電位等于偏置電壓。從而，n-溝道MOSFET 2M保持在OFF狀態(tài)，從而使漏極與源極電分隔開。此時(shí)，與n-溝道MOSFET 2M的閾值電壓相比，壓電器件3的輸出信號電平極低。因此，柵極電位的變化引起n-溝道MOSFET 2M的OFF狀態(tài)變化的危險(xiǎn)性極小。
與按照實(shí)施例3的n-溝道MOSFET 2N相似，當(dāng)n-溝道MOSFET 2M保持在OFF狀態(tài)，并且在漏極和背柵極之間幾乎不施加反向偏置時(shí)，漏極-背柵極之間的電阻值遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)偏置電路(參見圖7)的典型輸出阻抗。n-溝道MOSFET 2M和放大器件10D的其他電路一起嵌入在同一襯底上。從而，具有極高輸入阻抗的放大器件10D為單一集成電路結(jié)構(gòu)。也就是說，與傳統(tǒng)放大器件相比，放大器10D可以實(shí)現(xiàn)高度集成。此外，與按照實(shí)施例3的放大器件10C相似，放大器件10D具有高穩(wěn)定性的偏置電壓，從而具有高可靠性。因此，作為用于具有高內(nèi)部阻抗的信號源，特別是，用于例如振動傳感器的低頻信號源的直接耦合的放大器，放大器件10D性能優(yōu)越。
與按照實(shí)施例3的n-溝道MOSFET 2N相似，n-溝道MOSFET 2M具有保護(hù)運(yùn)算放大器1免受ESD浪涌影響的功能。然而，與按照實(shí)施例3的n-溝道MOSFET 2N相比，在n-溝道MOSFET 2M中，浪涌電壓能使柵極電位和漏極電位一起變化。因此，n-溝道MOSFET 2M的ESD保護(hù)功能與按照實(shí)施例3的n-溝道MOSFET 2N的ESD保護(hù)功能稍微有所不同。當(dāng)ESD使輸入端IN的電位急劇下降到低于偏置電壓時(shí)，正向電流在漏極-背柵極寄生二極管中流動。從而，在漏極、源極和背柵極中的NPN寄生場效應(yīng)晶體管導(dǎo)通，從而使輸入端IN連接到電源端VDD。相反，當(dāng)輸入端IN的電位急劇上升超過線電壓，并且使柵極-源極的電位差超過閾值電壓時(shí)，在n-溝道MOSFET 2M中的漏極-源極之間產(chǎn)生溝道。也就是說，n-溝道MOSFET 2M導(dǎo)通，從而使輸入端IN連接到電源端VDD。因此，無論浪涌的極性如何，浪涌能量被外部電源吸收，從而避免浪涌對運(yùn)算放大器1和下級放大器產(chǎn)生不利影響。也就是說，放大器件10D可以抗ESD浪涌。
n-溝道MOSFET 2M中的源極連接到電源端VDD。然而，與按照實(shí)施例1的p-溝道MOSFET 2P相似，漏極和源極可以互換。
與按照實(shí)施例1的P-溝道MOSFET 2P相似，按照本發(fā)明實(shí)施例5的放大器件10E直接連接到壓電器件3。參見圖6。該放大器件10E優(yōu)選地是嵌入在單一襯底上的單一集成電路。放大器件10E包括除偏置電路2E結(jié)構(gòu)不同之外與按照實(shí)施例1的放大器件10相同的結(jié)構(gòu)。在圖6中，與圖1和圖4中所示相似的元件用圖1和圖4中所示的相同的標(biāo)號指示。而且，引用實(shí)施例1和3的解釋作為相似元件的描述。
偏置電路2E除包括偏置電壓發(fā)生部分2V之外，還包括用作阻抗元件的p-溝道MOSFET 2P和n-溝道MOSFET 2N。參見圖6。p-溝道MOSFET 2P在結(jié)構(gòu)和功能上與按照實(shí)施例1的p-溝道MOSFET 2P(參見圖1)十分相似。n-溝道MOSFET 2N在結(jié)構(gòu)和功能上與按照實(shí)施例3的n-溝道MOSFET 2N(參見圖4)十分相似。因此，與按照實(shí)施例1和實(shí)施例3的放大器件10A和10C相似，具有極高輸入阻抗的放大器件10E為單一集成電路結(jié)構(gòu)。也就是說，放大器件10E可以實(shí)現(xiàn)高度集成，從而使其作為用于具有高內(nèi)部阻抗的普通信號源的直接耦合放大器，特別是用于例如振動傳感器的低頻信號源的直接耦合放大器，性能優(yōu)越。
與按照實(shí)施例1和實(shí)施例3的MOSFET 2P和2N相似，兩個MOSFET 2P和2N還保護(hù)運(yùn)算放大器不受ESD浪涌的影響。也就是說，浪涌能量經(jīng)MOSFET 2P和2N被接地導(dǎo)體或外部電源吸收。從而，可以避免浪涌對運(yùn)算放大器1以及下級放大器的不利影響。也就是說，放大器10E可以抗ESD浪涌。
兩個MOSFET 2P和2N的源極分別連接到接地端GND和電源端VDD。然而，與按照實(shí)施例1和實(shí)施例3的MOSFET 2P和2N相似，漏極和源極可以互換。此外，可以采用按照實(shí)施例2的p-溝道MOSFET 2Q代替p-溝道MOSFET 2P。同樣地，可以有按照實(shí)施例4的n-溝道MOSFET 2M代替n-溝道MOSFET 2N。
以上用現(xiàn)在的優(yōu)選實(shí)施例所公開的本發(fā)明不是對本發(fā)明的限制。毫無疑問，本行業(yè)的技術(shù)人員在閱讀了以上公開的內(nèi)容后會發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明還有不同的變形和改進(jìn)。顯然，這些變形和改進(jìn)都落入本發(fā)明的精神及范圍之內(nèi)。此外，還應(yīng)了解本申請所附的權(quán)利要求書覆蓋本發(fā)明的這些變形和改進(jìn)。
特別是，按本發(fā)明的放大器件可以放大具有高內(nèi)部阻抗的信號源的輸出信號。如上所述，放大器件用MOSFET作為阻抗元件。同樣，本發(fā)明具有工業(yè)實(shí)用性。
權(quán)利要求
1.一種放大器，包括襯底；高位電源端子，其連接到外部恒壓源并保持在固定的高電位；低位電源端子，其連接到外部恒壓源和接地導(dǎo)體中的一個，并且保持在固定的低電位；放大電路，其具有金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管輸入級，并包括連接到外部信號源的輸入端，嵌入在所述的襯底上，通過所述的輸入端接收所述信號源的信號并按預(yù)定的比率放大信號；以及偏置電路，其嵌入在所述襯底上，其包括產(chǎn)生預(yù)定偏置電壓的偏置電壓發(fā)生部分；以及用作輸入阻抗器件的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，其包括漏極和源極，所述漏極和源極中的一個連接到所述的高位電源端子和低位電源端子中的一個，所述漏極和源中的另一個連接到所述放大電路的輸入端，柵極，其保持在一定電位，以阻止在所述的漏極和所述的源極之間產(chǎn)生溝道，以及背柵極，與所述襯底電分隔開，并且保持在等于所述偏置電壓的電位上。
2.按照權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，其中所述的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管包括p-溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管；所述的漏極和源極是所述p-溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的漏極和源極，并且分別連接到所述放大電路的輸入端和所述的低位電源端子；以及所述的柵極是所述p-溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的柵極，并且連接到所述偏置電壓發(fā)生部分。
3.按照權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，其中所述的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管包括p-溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管；所述的漏極和源要極是所述p-溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的漏極和源極，并且分別連接到所述放大電路的輸入端和所述的低位電源端子；以及所述的柵極是所述p-溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的柵極，并且連接到所述放大電路的輸入端。
4.按照權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，其中所述的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管包括n-溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管；所述的漏極和源極是所述n-溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的漏極和源極，并且分別連接到所述放大電路的輸入端和所述高位電源端子；以及所述的柵極是所述n-溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的柵極，并且連接到所述偏置電壓發(fā)生部分。
5.按照權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，其中所述的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管包括n-溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管；所述的漏極和源極是所述n-溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的漏極和源極，并且分別連接到所述放大電路的輸入端和所述高位電源端子；以及所述的柵極是所述n-溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的柵極，并且連接到所述放大電路的輸入端。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大器對通過直接連接到壓電器件的輸入端接收到的信號進(jìn)行放大。偏置電壓發(fā)生部分包括在電源端與接地端之間的分壓器。p－溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的漏極和源極分別連接到運(yùn)算放大器的輸入端和接地端。由于分壓器向柵極和背柵極上施加偏置電壓，所以p－溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管保持OFF狀態(tài)。由于漏極－背柵極寄生二極管將漏極電位鉗制在偏置電壓，因此，偏置電壓被施加到運(yùn)算放大器的輸入端。然后，漏極－背柵極之間的電阻值極大。p－溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管和放大器件的其他電路一起嵌入在襯底上。從而，具有極高輸入阻抗的放大器件為單一集成電路結(jié)構(gòu)。
文檔編號H03F3/185GK1630185SQ20041010130
公開日2005年6月22日 申請日期2004年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月18日
發(fā)明者佐藤政晴 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社