一种使米勒效应最小化的增益放大器电路

摘要

本发明揭示一种使米勒效应最小化的增益放大器电路，至少包含一第一级放大器电路，以提供两极性相反但相等的电压信号，及复数个元件交叉耦合于第一级放大器电路。复数个元件是用以降低差动放大器的米勒效应电容。本发明利用至少一额外元件，其与第一级放大器电路都制作于同一晶片上，以提供阻抗匹配。本发明的增益放大器电路在大范围的频宽及温度下，都一样可以抵削其米勒效应。

说明书

技术领域

本发明关于一种主动元件电路应用以提供增益，特别是一种可以使该电路米勒效应最小化的一增益放大器电路。

背景技术

图1是典型的主动式元件10(一般为电晶体)包含有一米勒回馈电容12。在任一三端主动元件中，就会存在一回馈(即米勒：Miller feedback)电容于输入与输出端之间，如图1所示。其将使得主动元件增益(gain)值降低。输出、输入端隔离特性与高频下元件稳定性变差，此现象即为米勒效应。

图2所示一电路20，用以求特性优值(figure of merit：f_T)。由电路中20包括一输入电阻(R_in)22与一输入电容(C_in)24并联，两者再与一电流源26耦合。电路的电流增益(β)定义为输入端电流I_in与输出端电流I_out之比。参数f_T定义为三端元件如电晶体10的跨导(transconductance)与输入电容的比值。即f_T＝gm/(2πC_in)，此处gm为增益。一如熟悉相关技艺人士所知，f_T可用以做为元件性能表现量度的好指标。不过元件的电路特性必须先求得。通常我们会将一负载安装于元件的输出端上，以量度元件的电路特性。

图3说明一电路模型30，包含一负载电阻(RL)32和一米勒效应电容C_m31。元件性能的f_T系振荡频率的最大值f_max。米勒效应电容对任何元件技术来说都是一限制。米勒效应电容总是整体电路元件于高频操作下的一限制因子，以下我们将对上述问题做一讨论：

f_max和f_T的关系可以用以下方程式：

其中R串联是输入端的串联电阻。

以一般法则，高频增益每八度(octave)就会下降6分贝并且当下降至0分贝的频率时即称为f_max。电路必须在比f_max低很多的频率下操作才能获得有意义的增益。但是对一给定(given)的技术而言，f_max是一固定的参数。

因此，在高频下，当它是叠接(cascode stage)或中性化(neutralization)以得到较佳的性能下，上述的限制是可以被接受的。不过两者的替模电路都各有其限制。以下的讨论，我们将描述两种替模电路。

图4示一典型的叠接组态放大器50，叠接组态50回馈第一个元件52的输出给第二个元件54的射极(或源极；对场效电晶体而言)。我们知道米勒效应电容将放大输入端的总电容依据式：

C_总＝(1-K)*C_回馈+C_输入

此处K系输出端与输入端之间的电压增益。理想情况下叠接组态放大器的K＝-1。

依此，输出端的增益在大部分的条件下都可以维持稳定。不过叠接组态放大器50仍有许多问题需要克服。首先是较低位置的元件的增益最大值是1，因此，电压失真(distorsion)将两倍化，假设上面的元件和下面的元件在相同的电压摆渡时失真贡献相同。第二是：在较低的电压(例如3.3伏或更低时)下可操作的电压将因跨过两电晶体的电压降的要求而受到限制。

第二个方法是利用中性化(neutralization)技术。图5说明典型单一中性化放大器装置60。在此技术中，引进的电容系经由增益一单位的反相器(unity-phase inverter)66来抵削米勒电容效应电容62。这技术已被应用于真空管、双极性电晶体与场效电晶体。

不过中性化技术是依据于加入的电容值恰等于回馈的电容值的假设前提。不管是由一电路到另一电路来看或由一温度至另一温度或由一频率至另一频率都必须如此。还有中性化技术需要反相器提供单位增益。熟悉相关技术的设计者都知道要符合上述的条件，根本不可能。

发明内容

本发明提供一种增益放大器电路，在大范围的频宽及温度下，都能有效抵削米勒效应。

本发明的一种增益放大器电路，至少包含：

一第一电晶体；

一第一额外电晶体，具有一浮置射极，以提供基-集极接面电容，而该基极与该第一电晶体基极连接，且该第一额外电晶体与该第一电晶体是制作于同一晶片，以使该第一额外电晶体与该第一电晶体阻抗相匹配，以使该第一额外电晶体与该第一电晶体具有相同大小的米勒电容；及

一反相元件耦合于该第一电晶体的集极端，并与该另第一额外电晶体耦合，该反相元件与该第一电晶体制作于同一晶片，且与该第一电晶体的输出电压大小相同，极性相反；该第一额外电晶体，及该反相元件是用以使该第一电晶体的寄生电容最小化。

本发明另一种增益放大至器电路至少包含：

一差动放大器电路，该差动放大器电路至少包含一第一及一第二主动元件：及

复数个元件耦合于该差动放大器电路，该复数个元件至少包含一第一额外与第二额外主动元件且与该第一及第二主动元件是相同的，所述的第一额外与第二额外主动元件的阻抗与该第一及该第二主动元件相匹配，所述的第一及该第二主动元件是用以接收相反极性的信号，所述的差动放大器电路及所述的复数个元件都是在同一半导体晶片上制造，所述的第一主动元件的集极与该第二额外主动元件的集极耦合，该第二主动元件的集极与该第一额外主动元件的集极耦合，并且上述的第一主动元件的基极与该第一额外主动元件的基极耦合，该第二主动元件的基极与该第二额外主动元件的基极耦合。

本发明再一种增益放大至器电路至少包含：

一第一级放大器电路，至少包含一变压器及一第一主动元件耦合于该变压器；及

一第二主动元件交叉耦合该第一级放大器电路，其中上述的第二主动元件是用以使米勒效应电容最小化。

本发明利用至少一额外元件，其与第一级放大器电路都在同一晶片上，以提供阻抗匹配。如此一来，即使在大范围的频宽及温度下操作，都一样可以抵消其米勒效应。

附图说明

图1为典型的单元件放大器架构具有米勒回馈电容。

图2为简单的电路模型以说明主动元件以求得特性优值(figure ofmerit)频率。

图3为简单的电路模型，包含一负载电阻RL及米勒效应电容Cm。

图4为一典型的叠接放大器架构。

图5为一典型的单一中性化放大器电路。

图6为依据本发明的第一实施例的一增益放大器电路。

图7为依据本发明的第二实施例的一单端增益放大器电路。

具体实施方式

本发明系关于一种主动元件电路应用，以提供增益。特别是一种可以使该电路米勒效应最小化的放大器电路。

依据本发明的方法，一对额外的元件将用以提供第一级元件一独立的匹配。该第一级元件有两个相等电压但相反极性的元件交叉耦接于同一半导体基板且同一晶片的差动输出与输入端。由于目前的半导体技术已能提供良好的元件匹配，若这些元件放得够接近的话，在很大的频宽范围下米勒效应的抵削是可以达成的，特别是当这些元件值在相同晶片下，匹配的情况也存在于相当广的温度范围内。

为更详细说明本发明的特色，以下的描述将配合以图示说明。实施例中虽以双极性电晶体说明，熟悉相关技术者皆知，它并非用以限定本发明的范围，因为本发明亦适用于互补式金氧半电晶体、场效电晶体、HBT(异质双极性电晶体)或其它型主动元件。

图6说明依据本发明的第一实施例的一放大器电路100，用以提供增益。包括一差动放大器(differential stage；亦可称为讯差放大器)102，输入于电晶体104a的射极端是正电压信号，输入于电晶体104b的射极是负电压信号。如图所示。电晶体104a的集极(collector)交叉耦合(cross-coupled)于电晶体106b的集极。电晶体104b的集极交叉耦合于电晶体106a的集极。电晶体106a的基极耦合于电晶体104b的基极。位于电晶体104a端的输出端与位于电晶体104b端的输出端输出的电压大小相等但极性相反。请注意电晶体106a及电晶体106b的射极是浮置的(floating)。

换言之，这两只电晶体106a、106b并不工作，但利用同一半导体基板且相同晶片及一般习知的制造技术即不难使得电晶体106a与106b相同于电晶体104a及104b。如此一来。电晶体104a与104b的米勒效应电容103a及103b可分别为电晶体106a及电晶体106b的基-集极接面(base-collector junction)电容(米勒效应电容)107a及107b所抵削，由于它们有相反极性的关系。由于这些元件是制造在一块，电容量因此可以匹配得非常接近。如此一来米勒效应电容可以被有效的抵削，即适用于大范围内的频率。因此本发明的放大器增益可以比传统的放大器电路来的大。

图7说明依据本发明第二实施例的另一单端放大器200。单端放大器200常用于射频(radio frequency；RF)电路设计上。依据本实施例，一利用集成电路(IC)技术制造的变压器(printed transformer)202形成于晶片上以提供反转相(phase inversion)且系1单位增益值(unity gain)。若负载阻抗够大的话，变压器202的电压比正比于其圈数比。

依此，在本实施例中由于电晶体205与206是在同一半导体基板且相同晶片内，(请注意电晶体206的射极是浮置的)，用以提供基-集极接面电容(米勒效应电容)203，以抵削电晶体205的米勒效应电容204，因此可以获取比传统放大器电路更大的增益值。

依据上述，本发明所提供的电路，利用了一对额外的元件制作于与第一级放大器相同的晶片内。这对额外的元件提供相等但极性相反的电压以提供一阻抗匹配。如此，不但可应用于宽广的频率范围，且对宽广的温度范围内仍有效。

以上所述是利用较佳实施例详细说明本发明，而非限制本发明的范围，而且熟知此类技艺人士皆能明了，适当作些效的改变及调整，仍将不失本发明的要义所在，亦不脱离本发明的精神和范围。