專利名稱：寬帶雙重放大器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般地說，本發(fā)明涉及提供具有最小噪聲的寬帶放大的放大器電路，具體地說，本發(fā)明涉及利用在功能上互補(bǔ)的器件對(duì)的放大器電路。
背景技術(shù)：
場(chǎng)效應(yīng)晶體管(在下文中稱為“FET”)的增益帶寬乘積以及噪聲系數(shù)限制了FET在較大的頻率范圍上放大低電平電壓輸入信號(hào)的能力。此外，磁隧道結(jié)器件(在下文中稱為“MTJ”)的增益帶寬乘積以及噪聲系數(shù)限制了MTJ在較大的頻率范圍上放大低電平電流輸入信號(hào)的能力。
在射頻和微波電路中，通過縮小FET或MTJ的通帶可以增加利用FET或MTJ作為有源濾波器的放大器的增益。但是，增益響應(yīng)并不均勻并且經(jīng)常相位不連續(xù)。此外，在串連多級(jí)時(shí)噪聲性能更差。
因此，在高頻電子行業(yè)人們一直在為提高放大電路的增益帶寬乘積而努力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及利用器件的對(duì)偶性來提高增益帶寬乘積的放大器電路。
FET和MTJ在功能上串聯(lián)連接以最佳地利用每個(gè)器件的放大、阻抗、噪聲和操作模式的特性。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)利用了這種級(jí)聯(lián)對(duì)在增益帶寬方面的協(xié)同改善作用。在一種形式中MTJ輸入是FET的負(fù)載。在另一種形式中FET輸入(柵電極)是MTJ的負(fù)載。FET/MTJ復(fù)合結(jié)構(gòu)與相應(yīng)的理想阻抗特性相配合，同時(shí)消除了在常規(guī)的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中由電阻引起的噪聲。
結(jié)合附圖從下文對(duì)當(dāng)前優(yōu)選的實(shí)施例的詳細(xì)描述中可以進(jìn)一步清楚本發(fā)明的上述形式和其它形式、特征以及優(yōu)點(diǎn)。這些詳細(xì)描述和附圖僅是示例性的，而不是限制性的，本發(fā)明的范圍由附加的權(quán)利要求及其等同替代方案限定。


附圖1描述了FET和MTJ的小信號(hào)模型；附圖2描述了級(jí)聯(lián)的FET和MTJ放大器；附圖3a描述了應(yīng)用本發(fā)明的對(duì)偶性原理的雙重電壓放大器；附圖3b描述了應(yīng)用本發(fā)明的對(duì)偶性原理的雙重電流放大器；附圖3c描述了應(yīng)用本發(fā)明的對(duì)偶性原理的級(jí)聯(lián)雙重電壓放大器；附圖3d描述了在附圖3a中的放大器的小信號(hào)模型；附圖4所示為根據(jù)本發(fā)明的MTJ的示意圖；附圖5所示為附圖4的MTJ的磁阻響應(yīng)曲線；和附圖6所示為可適用于附圖3a的放大電路的操作的附圖5的磁阻響應(yīng)曲線的部分。
具體實(shí)施例方式
對(duì)于兩個(gè)電路，如果它們符合相同的電路方程但交換了電流和電壓的作用，則可以認(rèn)為一個(gè)是另一個(gè)的對(duì)偶。一般地，通過在表1中所述的參數(shù)/構(gòu)造交換來構(gòu)造對(duì)偶電路。
表1

半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管和磁隧道結(jié)類似于有源對(duì)偶元件。FET是電壓控制的，即在柵極上的電壓控制溝道(輸出)電流，柵極具有電容性阻抗，并且不同的溝道阻抗較高-理想的電流源。MTJ是電流控制的，即通過控制線的電流控制輸出電壓，控制線具有電感性阻抗，不同的溝道阻抗較低-理想的電壓源。
FET和MTJ的重要小信號(hào)參數(shù)列在表2中。
表2

如附圖2所示，如果級(jí)聯(lián)單個(gè)的FET放大器級(jí)或MTJ級(jí)，總是使放大器具有最大GB乘積ωv或ωc，噪聲特性比單級(jí)的噪聲特性更差。
如果半導(dǎo)體FET 20具有GB乘積ωv和MTJ 30對(duì)偶具有GB乘積ωc，在附圖3a中的雙重放大器10可以實(shí)現(xiàn)大于ωv或ωc的帶寬ωh的信號(hào)增益和功率增益。放大器10的獨(dú)特的特性在于沒有“負(fù)載”元件；對(duì)偶器件FET 20和MTJ 30將電壓簡(jiǎn)單地轉(zhuǎn)換為電流和將電流轉(zhuǎn)換為電壓。
在附圖3a中的雙重電壓放大器10的電壓增益和在附圖3b中的雙重電流放大器40的電流增益由如下的方程(1)表示Ah＝gmrm(1)這里，gm是FET 20的跨導(dǎo)，rm是在操作點(diǎn)上的MTJ 30的互阻。具有高輸出阻抗的FET 20級(jí)驅(qū)動(dòng)MTJ 30的低(電感性)輸入阻抗，而MTJ 50的低輸出阻抗驅(qū)動(dòng)FET 60的高(電容性)輸入阻抗。這就得到了具有良好增益平穩(wěn)度的超寬范圍的寬帶響應(yīng)。如果rv是FET(20或60)的小信號(hào)輸出阻抗，gc是MTJ(30或50)的小信號(hào)輸出電導(dǎo)，則混合放大器(10或40)的GB乘積由下式(2)給出ωh＝(gmrm)/(Li/rv)+(Ci/gc) (2)這里，Li和Ci分別是磁性耦合MTJ(30或50)的輸入電感和FET(10或40)的輸入電容。有趣的是，ωh獨(dú)立于FET(10或40)的寬度和串聯(lián)連接的MTJ(30或50)的長(zhǎng)度或數(shù)量。這是因?yàn)間m、Ci和rv-1與FET(10或40)的寬度成比例，而rm、Li和gc-1與MTJ(30或50)的長(zhǎng)度成比例。每個(gè)包括FET和MTJ的雙重放大器(10或40)與具有表示正確性能測(cè)量的GB乘積的單級(jí)類似的作用。通過代數(shù)換算，根據(jù)FET的(最大可能的)電壓增益(Av＝gmrv)和磁性耦合的MTJ的(最大可能的)電流增益(Ac＝rmgc)、FET的GB乘積(ωv)和MTJ的BF乘積(ωc)通過如下的公式(3)表示ωh1/ωh＝(1/Avωc)+(1/Acωh) (3)如果Av和Ac都遠(yuǎn)大于1，則ωh遠(yuǎn)大于ωv和ωc。這是一個(gè)值得注意的結(jié)果，因?yàn)镚B乘積是寬帶放大器的更重要的參數(shù)。
為什么雙重放大器(10或40)的噪聲較低，具體有如下三個(gè)原因第一，沒有負(fù)載電阻和與電阻相關(guān)的約翰遜(Johnson)噪聲。第二，各個(gè)級(jí)磁性地耦合。因此，在每單個(gè)級(jí)的電源或地線中的電壓干擾或地線抖動(dòng)都可以被隔離并不通過級(jí)聯(lián)鏈傳播。最后，晶體管的寬度和MTJ的長(zhǎng)度或MTJ的數(shù)量可以增加但不嚴(yán)重地影響增益帶寬乘積。寬晶體管或增加MTJ的數(shù)量可以減小約翰遜噪聲和1/f噪聲。
附圖3c所示為仍然利用在每個(gè)串聯(lián)級(jí)中的對(duì)偶性原理的雙重放大器10的多級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。因此，每個(gè)雙重放大器級(jí)的MTJ輸出連接到后續(xù)的雙重放大器級(jí)的FET輸入。使用如在附圖3b中所示的雙重放大器40可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。
附圖3d所示為在附圖3a中的雙重放大器10的小信號(hào)模型示意圖。在與在附圖1中所描述的單個(gè)FET和MTJ小信號(hào)模型相比時(shí)，器件特性的有選擇性匹配是顯而易見的。
參考附圖4，詳細(xì)地示出了MTJ 30。MTJ 30包括電極21、自由鐵磁體22、隧道勢(shì)壘23、被釘軋的(pinned)鐵磁體24、反鐵磁體25和電極26。電極26(例如，Ti、Ti/PD或Ta/Pt)形成在襯底27(例如Si、石英、N58)上。反鐵磁體25(例如，MnFe或IrMn)形成在電極26上。被釘軋的鐵磁體24(例如，CoFe或NiFe/CoFe)形成在反鐵磁體25上。隧道勢(shì)壘23(例如，Al2O3)形成在被釘軋的鐵磁體24上。自由鐵磁體22(例如，CoFe/NiFe)形成在隧道勢(shì)壘23上。電極21(例如，Ti、Ti/PD或Ta/Pt)形成在自由鐵磁體22上。
參考附圖5和6，曲線28代表在將強(qiáng)度上降低的內(nèi)部磁場(chǎng)平行地施加到自由鐵磁體22和被釘軋的鐵磁體24時(shí)MTJ 30的磁阻的變化。曲線29代表在將強(qiáng)度上增加的內(nèi)部磁場(chǎng)平行地施加到自由鐵磁體22和被釘軋的鐵磁體24時(shí)MTJ 30的磁阻的變化。曲線28和29說明了在±20Oe的范圍上大約36％的變化。因此，對(duì)于雙重放大電路10(附圖3a)，通過FET 20的電流必須維持在±20Oe的范圍上產(chǎn)生內(nèi)部磁場(chǎng)的電流電平的范圍上，而對(duì)于雙重放大電路40(附圖3b)，電流輸入信號(hào)Ii必須維持在±20Oe的范圍上產(chǎn)生內(nèi)部磁場(chǎng)的電流電平的范圍上。
結(jié)合附圖3a和3b從對(duì)FET 20所帶來的理想的電子特性的描述中可以看出，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠做出并應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的雙重放大電路，其中以不同類型的場(chǎng)效應(yīng)器件替代FET。此外，從結(jié)合附圖3a和3b對(duì)MTJ 30和50的描述中可以看出，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠做出并應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的雙重放大電路，其中以不同類型的有源磁體或自旋粒子(spintronic)器件替代MTJ。
雖然在此所描述的本發(fā)明的實(shí)施例在目前被認(rèn)為是優(yōu)選的，但是在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下可以做出不同的變化和改進(jìn)。本發(fā)明的范圍以附加的權(quán)利要求確定，落在權(quán)利要求的等同替代方案的范圍內(nèi)的所有的變型也都包括在本發(fā)明范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種雙重放大電路，包括一對(duì)有源器件，包括場(chǎng)效應(yīng)器件和磁隧道結(jié)器件；和所述有源器件對(duì)的電連接，由此所述有源器件對(duì)的第一有源器件的負(fù)載是到該有源器件對(duì)的第二有源器件的輸入。
2.權(quán)利要求1所述的雙重放大電路，進(jìn)一步包括連接在所述磁隧道結(jié)器件的輸出通路中的電流源器件。
3.權(quán)利要求1或2所述的雙重放大電路，進(jìn)一步包括連接在所述場(chǎng)效應(yīng)器件的輸出通路中的電壓源。
4.權(quán)利要求1、2或3所述的雙重放大電路，其中所述場(chǎng)效應(yīng)器件是場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
5.權(quán)利要求1、2、3或4所述的雙重放大電路，其中所述有源器件對(duì)的第一有源器件是場(chǎng)效應(yīng)晶體管；和所述有源器件對(duì)的第二有源器件是所述磁隧道結(jié)有源器件。
6.權(quán)利要求5所述的雙重放大電路，其中所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源/漏電極耦合以驅(qū)動(dòng)所述磁隧道結(jié)有源器件的輸入電極。
7.權(quán)利要求6所述的雙重放大電路，進(jìn)一步包括電流源，其中輸入信號(hào)耦合到所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵電極，和從耦合在所述磁隧道結(jié)有源器件的輸出電極和所述電流源之間的電極中檢測(cè)輸出信號(hào)。
8.前述任一權(quán)利要求所述的雙重放大電路，其中所述有源器件對(duì)的第一有源器件是所述磁隧道結(jié)有源器件；和所述有源器件對(duì)的第二有源器件是場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
9.權(quán)利要求8所述的雙重放大電路，其中耦合所述磁隧道結(jié)有源器件的輸出電極以驅(qū)動(dòng)所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵電極。
10.權(quán)利要求9所述的雙重放大電路，其中輸入信號(hào)耦合到磁隧道結(jié)有源器件的輸入電極，以及該場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵電極耦合在磁隧道結(jié)有源器件的輸出電極和電流源之間。
11.一種雙重放大電路，包括多對(duì)有源器件的級(jí)聯(lián)連接，每對(duì)有源器件具有電耦合的場(chǎng)效應(yīng)晶體管和磁隧道結(jié)器件，由此所選擇的一對(duì)有源器件的第一有源器件的負(fù)載是所述所選擇的一對(duì)有源器件的第二有源器件的輸入。
12.權(quán)利要求11所述的雙重放大電路，進(jìn)一步包括連接在所述磁隧道結(jié)器件的輸出通路中的電流源器件。
13.權(quán)利要求12所述的雙重放大電路，其中所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源/漏電極耦合以驅(qū)動(dòng)所述磁隧道結(jié)有源器件的輸入電極，它是所述級(jí)聯(lián)連接的后續(xù)級(jí)。
全文摘要
本發(fā)明涉及寬帶雙重放大器電路，其具有以互補(bǔ)組形式構(gòu)造的磁隧道結(jié)器件和場(chǎng)效應(yīng)晶體管。在一種實(shí)施例中，場(chǎng)效應(yīng)晶體管運(yùn)行以控制流經(jīng)磁隧道結(jié)器件的電流操作信號(hào)的電流電平。在另一種實(shí)施例中，磁隧道結(jié)器件運(yùn)行以控制施加到場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極的電壓信號(hào)的電壓電平。兩個(gè)實(shí)施例的增益帶寬乘積大于通過消除電阻型電路元件的噪聲的單個(gè)器件的單個(gè)增益帶寬乘積。
文檔編號(hào)H03F3/189GK1476666SQ0181924
公開日2004年2月18日 申請(qǐng)日期2001年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月19日
發(fā)明者烏塔姆·高沙爾, 烏塔姆 高沙爾 申請(qǐng)人:國際商業(yè)機(jī)器公司