(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
増幅される電圧（Ｖｉｎ；Ｖｉｎ＋、Ｖｉｎ−）がゲート電極に供給される少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１；Ｔ２、Ｔ３；Ｔ７、Ｔ８）を有する電子回路において、
ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１；Ｔ２、Ｔ３；Ｔ９、Ｔ１０）の１／ｆ雑音を低減する回路構成物であって、
該電子回路は、該少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴに割り当てられた少なくとも１つの直流電流源または少なくとも１つの直流電圧源であって、該ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１；Ｔ２、Ｔ３；Ｔ７、Ｔ８）の一定の動作点を設定するために直流電流（ｉ０）または直流電圧（ｖ０）を提供する少なくとも１つの直流電流源または少なくとも１つの直流電圧源を有しており、
周期的に振動する電流源または電圧源が該少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１；Ｔ２、Ｔ３；Ｔ７、Ｔ８）に割り当てられ、該電流源は、該直流電流（ｉ０）に重なり合う交流電流（ｉ１）を生成し、該電圧源は、該直流電圧（ｖ０）に重なり合う交流電圧（ｖ１）を生成し、その結果、ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１；Ｔ２、Ｔ３；Ｔ７、Ｔ８）の酸化物における不純物の状態であって、動作点が一定であるという条件のもとで統計学的法則に従って再充電（ｕｍｌａｄｅｎ）され、かつ、１／ｆ雑音信号を決定する不純物の状態が、もはや統計学的ではなく、該交流電流（ｉ１）または該交流電圧（ｖ１）の変調周波数（ω）に基づいて規定されて再充電されるように、該直流電流源または該直流電圧源によって予め与えられる該一定の動作点の周辺で該動作点が周期的に振動することを特徴とする、回路構成物。
【請求項２】
前記電子回路は集積回路であることを特徴とする、請求項１に記載の回路構成物。
【請求項３】
前記直流電流源または前記直流電圧源、および、前記周期的に振動する電流源または電圧源が、複数のトランジスタ（Ｔ２、Ｔ３；Ｔ７、Ｔ８）に割り当てられることを特徴とする、請求項１または２に記載の回路構成物。
【請求項４】
前記周期的に振動する源（単数または複数）の逆変調周波数（１／ω）は、雑音を発する支配的な不純物の平衡時定数よりも小さいことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の回路構成物。
【請求項５】
前記振動する源の少なくとも１つの振幅（ｉ１、ｖ１）は、電流の流れをもたらす荷電担体の各擬フェルミ準位を不純物の場所においてずらされる電圧の上昇が、若干の熱電圧（ｋＴ／ｅ）の等価物よりも大きいように選択されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の回路構成物。
【請求項６】
前記振動する源の前記振幅（ｉ１、ｖ１）は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１；Ｔ２、Ｔ３；Ｔ７、Ｔ８）の動作点が弱い反転と強い反転との間か、または、枯渇と強い反転との間でずらされるように選択されることを特徴とする、請求項５に記載の回路構成物。
【請求項７】
増幅される電圧（Ｖｉｎ；Ｖｉｎ＋、Ｖｉｎ−）がゲート電極に供給される少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１；Ｔ２、Ｔ３；Ｔ７、Ｔ８）を有する電子回路において、動作点が設定されるＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６、Ｔ７、Ｔ８、Ｔ９、Ｔ１０）の１／ｆ雑音を低減する方法であって、
ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６、Ｔ７、Ｔ８、Ｔ９、Ｔ１０）の酸化物における不純物の状態であって、動作点が一定であるという条件のもとで統計学的法則に従って再充電され、かつ、１／ｆ雑音信号を決定する不純物の状態が、もはや統計学的にではなく、交流電流（ｉ１）または交流電圧（ｖ１）の変調周波数（ω）に基づいて規定されて再充電されるように、予め与えられた一定の動作点の周辺で該動作点が周期的に振動するように、該交流電流（ｉ１）が重ね合わされた直流電流（ｉ０）の使用のもとで、または、該交流電圧（ｖ１）が重ね合わされた直流電圧（ｖ０）の使用のもとで、該動作点の設定が行なわれることを特徴とする、方法。
【請求項８】
前記電子回路は集積回路であることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
反転振動周波数（１／ω）は、雑音を発する支配的な不純物の平衡時定数よりも小さいことを特徴とする、請求項７または８に記載の方法。
【請求項１０】
動作点の振動の振幅（ｖ１、ｉ１）は、電流の流れをもたらす荷電担体の各擬フェルミ準位をずらす電圧の上昇が熱電圧（ｋＴ／ｅ）の等価物よりも大きいように選択されることを特徴とする、請求項７から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１；Ｔ２、Ｔ３；Ｔ７、Ｔ８）の少なくとも１つの前記動作点は、弱い反転と強い反転との間か、または、枯渇と強い反転との間でずらされることを特徴とする、請求項７または８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部および請求項５の前提部により、電子回路、特に集積回路においてＭＯＳＦＥＴの１／ｆ雑音を低減する回路構成物および方法に関する。
【０００２】
信号を伝送する際、小さい信号振幅をたびたび処理する必要がある。そのようなシステムにおける信号振幅を解消することの限界は、第１の増幅ステージの雑音によって決定され、ほとんど影響を受けることはあり得ない。
【０００３】
特に、低周波の場合に支配的な１／ｆ雑音は、この周波数帯域における小さい信号振幅の処理および伝送の障害となる。
【０００４】
従来技術から、上述の問題を緩和する種々の措置が公知である。
【０００５】
通常、ＮＦ雑音は不動の限界（ｆｅｓｔｅ  Ｇｒｅｎｚｅ）と見なされる。回路の動作点を巧みに選択し、用いられる技術を最適化することによって、この不動の限界にわずかな影響を与えることができる。このような方法、またはこれに対応して有利に選択された回路構成は、雑音源の雑音を除去も低減もしない。すなわち、このような方法は、雑音の原因を克服しようとしない。原因ではなく、結果と取り組むにすぎないこのような方法の場合、公知のように、及ぼし得る影響力は非常に制限される。従って、この方法の場合、改善の可能性がなお大いにある。
【０００６】
従って、低周波雑音（ＮＦ雑音）の原因と取り組む場合、より有望である。
【０００７】
例えば、半導体、金属層、酸化物層等においては、他の種類の雑音と並んで、周波数ｆに反比例する電力密度スペクトルを有する雑音が生じる。この雑音は、１／ｆ雑音（Ｆｕｎｋｅｌ−Ｒａｕｓｃｈｅｎ、ｆｌｉｃｋｅｒ−ｎｏｉｓｅ＝フリッカ雑音）と呼ばれる。１／ｆ雑音は簡単には根拠づけることはできない。なぜなら、これは様々な原因を有するからである。
【０００８】
素子の１／ｆ雑音の物理的原因に関する現在最も広範囲に受入れられている理論は、この素子における１／ｆ雑音は、これらの素子における不純物の状態の充電および放電が偶然行なわれることによって決定されるというものである。現在、マイクロエレクトロニクスにおいて最も重要な素子、すなわち金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）に関しては、これは基本的に、チャネル領域のシリコンとの界面の近傍に存在する酸化物における不純物である。ここでは、特に、エネルギー順位が酸化物のバンドギャップにおいて存在するが、電流の流れをもたらす荷電担体の擬フェルミ準位の近傍に存在する不純物が雑音の一因となる。エネルギーの観点でみると、このエネルギー順位から遠く離れて酸化物のバンドギャップにおいて存在する不純物は、完全に帯電しているか、または放電されているかのいずれかであり、従って、雑音の原因にはならない。
【０００９】
文献Ｉ．Ｂｏｏｍ、Ｙ．Ｎｅｍｉｒｏｖｓｋｙらの論文「１／ｆ  ｎｏｉｓｅ  ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ  ｂｙ  ｃｙｃｌｉｎｇ  ｆｒｏｍ  ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｔｏ  ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ」ａｐｐｌｉｅｄ  ｐｈｙｓｉｃｓ  ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．５８（１５）、１６６４〜１６６６ページ、１９９１年４月１５日において、雑音を引き起こす不純物の状態の充電時間および放電時間は、擬フェルミ準位の近傍において同じような大きさであるが、擬フェルミ準位から離れて存在する不純物の状態の充電時間および放電時間は著しく異なることが示される。従って、このような状態は、帯電状態または放電のほぼどちらかである。従って、常に明確な状態が生じる。
【００１０】
Ｉ．ＢｏｏｍおよびＹ．Ｎｅｍｉｒｏｖｓｋｙによって提供された刊行物において、枯渇型のｎ型チャンネルＭＯＳＦＥＴは、ＶＧＳ＝５Ｖの値とＶＧＳ＝−３Ｖとの間でゲートソース電圧が切り替えられるように動作される。ここでＶＧＳ＝５Ｖは反転を、従ってチャンネルの導電を意味し、ＶＧＳ＝−３Ｖは蓄積（Ａｎｒｅｉｃｈｅｒｕｎｇ）を、従って非導電性チャンネルを意味する。この刊行物における記載は、雑音の低減を考察することにとどまり、複合回路における使用の可能性については研究されていない。
【００１１】
Ｓ．Ｌ．Ｊ．Ｇｉｅｒｋｉｎｋ、Ｅ．Ａ．Ｍ．Ｋｌｕｍｐｅｒｉｎｋ、Ｅ．ｖａｎ  Ｔｕｉｊｌ、Ｂ．Ｎａｕｔａらの書面による開示「Ｒｅｄｕｃｉｎｇ  ＭＯＳＦＥＴ  １／ｆ  ｎｏｉｓｅ  ａｎｄ  ｐｏｗｅｒ  ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ  ｂｙ  「Ｓｗｉｔｃｈｅｄ  Ｂｉａｓｉｎｇ」」ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ２５ｔｈ  Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ−Ｃｉｒｃｕｉｔｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、１５４〜１５７ページ、Ｔｈｅ−Ｈａｇｕｅ、Ｔｈｅ  Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ、１９９９年において、結合された鋸歯波状リング発振器に上述の方法を適用する可能性が紹介される。このリング発振器において、ＭＯＳトランジスタは、以下に記載される２つの状態の間で周期的に切り替えられる。
【００１２】
（１）トランジスタが回路の機能的動作のために利用される（すなわち、そのトランジスタがバイアス電流を供給する）強い反転の場合の「動作状態」または「活性状態」。
【００１３】
（２）実用目的ではＶＧＳ＝０Ｖである、蓄積状態における、または蓄積状態の近傍における「静止状態」または「不活性状態」。この状態において、ＭＯＳトランジスタは動作していない。
【００１４】
この回路構成の有利な点は、一方では、静止状態においてエネルギー消費が低減されることであるが、はるかに重要なのは、ＭＯＳトランジスタの１／ｆ雑音が活性状態において低減されることである。
【００１５】
この刊行物において、この方法またはこの回路構成の限定された使用領域が既に示される。この書面による開示において「バイアス電圧が特定のタイムインターバルにおいてのみ使用される場合においてのみこの方法は適用可能である。「それはすなわち、信号の処理が連続的に行なわれないからである」と記載される。
【００１６】
従って、本発明は、もはや上述の不利な点を有しないように１／ｆ雑音を低減する公知の方法を改良するという課題に基づく。特に、トランジスタ（単数または複数）は、もはや動作状態と静止状態との間で切り替えられるのではなく、回路のトランジスタ（単数または複数）が連続的動作を可能にする。この課題は、請求項１および請求項５の特徴を有する電子回路におけるＭＯＳＦＥＴの１／ｆ雑音を低減する回路配置および方法によって、本発明により解決される。
【００１７】
本発明の有利な実施形態および改良の形態は、従属請求項において記載される。
【００１８】
電子回路、特に集積回路におけるＭＯＳＦＥＴの１／ｆ雑音を低減する方法は、そのような回路において、直流源および／または直流電圧源を用いてＭＯＳＦＥＴの一定の、または所定の動作点が設定されることに由来する。このような電子回路、特に集積回路は、公知のように、上述のように低周波領域の高い雑音信号（ｈｏｈｅｓ  ｎｉｅｄｅｒｆｒｅｑｕｅｎｔｅｓ  Ｒａｕｓｃｈｓｉｇｎａｌ）を有し、この信号の原因は主に１／ｆ雑音である。
【００１９】
本発明の本質的な思想は今回、各動作点が、直流電圧源および／または直流源（単数または複数）によって予め与えられた一定の動作点だけ周期的に変動するということである。この変動は、酸化物における不純物の状態がもはや統計学的にではなく、周期的に変動される動作点の振動周波数によって再充電されるように行なわれる。この酸化物における不純物の状態は、動作点が一定で、予め固定されるという条件のもとで、この不純物の状態から生じた１／ｆ雑音信号は低周波雑音信号よりも支配的であるように統計学的に頻繁に再充電される。
【００２０】
従って、これに対応する、ＭＯＳＦＥＴの１／ｆ雑音を低減する回路配置において、一定の固定した動作点を予め与える定常電流源および／または定常電圧源に、振動交流源および／または交流電圧源がさらに割り当てられることが提供される。不純物の状態を周期的に再充電することによって、統計学的ではなく、規定された充電および放電が生じることが達成される。このような状態の規定された再充電は低周波の雑音振幅の低減を意味する。
【００２１】
有利には、源（単数または複数）は、回路ごとに、以下の条件を満たさなければならない。
【００２２】
ａ）逆変調周波数および振動周波数は、雑音を発する（ｒａｕｓｃｈｅｎｄｅ）不純物の平衡時定数（Ｇｌｅｉｃｈｇｅｗｉｃｈｔｓ−Ｚｅｉｔｋｏｎｓｔａｎｔｅｎ）よりも速い必要がある。
【００２３】
ｂ）変調周波数は（例外を除いて、これについては以下に提示される実施例３を参照）使用帯域の外側に存在すべきである。
【００２４】
ｃ）変調された電源の振幅は、擬フェルミ準位をずらす電圧の上昇が若干の熱電圧（ｔｈｅｒｍｉｓｃｈｅ  Ｓｐａｎｎｕｎｇ）（ｋＴ／ｅ）の等価物よりも大きいように設定される必要がある。従って、ＭＯＳＦＥＴの場合、動作領域は、弱い反転（または枯渇）と強い反転との間にずらされるべきである。
【００２５】
ａ）において記載された条件は、振動の規則的な再充電を強いる。変調周波数が比較的少ない場合、雑音の抑制は保証されない。なぜなら、不純物はさらに、主として統計学的に再充電され、従って雑音を生成するために利用されるからである。
【００２６】
用いられる利用帯域の外側に存在する変調周波数は、処理すべき利用信号および動作点の振動によって生じる妨害信号が再び互いに分離され得ることを保証する。動作点が揺れるために、場合によっては出現し得る非線形は、外部フィードバックによって補償され得る。回路が動作する周波数帯に対して変調周波数が十分に高い場合、変調によって生成された揺れが出力信号において確認される。
【００２７】
擬フェルミ準位がｋＴが若干だけ揺れるようにずらされる必要があるという、ｃ）において記載された条件は、規定され、かつもはや統計学的に支配されていない再充電のための前提条件である。
【００２８】
本発明の３つの実施例は、図面において示され、以下においてより詳細に説明される。
【００２９】
図１は、１／ｆ雑音低減原理を適用する第１の実施例を示す。この図は、簡単な増幅ステージの場合の本発明による回路構成を示す。簡単な増幅ステージは、従来型Ｔ１のｎ型チャンネルＭＯＳＦＥＴを含む。この図において、ソース電極は接地されている。トランジスタＴ１のドレイン電極は、負荷抵抗ＲＬを介して供給電圧と接続される。同時に、ドレイン電極は低域フィルタ１に接続される。ゲート電極において、電圧ソースが内部抵抗Ｒｉと接続される。電圧源を用いてトランジスタＴ１の動作点が設定される。
【００３０】
従って、通常、電圧源には直流電圧部分ｖ０が印加される。本発明により、この直流電圧部分ｖ０には交流電圧部分が重ね合わされる。この場合、正弦波形の交流電圧には交流電圧振幅ｖ１および変調角周波数ωが付与される。従って動作点は、変調電圧
ｖｍｏｄ＝ｖ０＋ｖ１−ｓｉｎ（ωｔ）
によって、ここでｔに時間を代入して、決定される。
【００３１】
増幅されるべき入力電圧Ｖｉｎは、入力容量Ｃｉｎを介してゲート電極に供給され、低域帯１の出力において出力電圧Ｖｏｕｔとして存在する。
【００３２】
変調周波数ωが最大信号周波数よりも大きい場合有利である。低域帯のカットオフ周波数は、理想的には、最大信号周波数と変調周波数ωとの間に存在する。このことによって、一方で、変調周波数が、回路が動作する周波数帯よりも十分に大きいことが保証され、その結果、変調によって生成された揺れが出力信号において確認され、他方、動作点が高周波変調されることによって生成された妨害信号が低域帯１を用いて効率的にフィルタリングアウトされる。
【００３３】
図２は、簡単な差動ステージ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｚｓｔｕｆｅ）における１／ｆ雑音低減原理の適用を示す。差動ステージは、この場合、各ソース電極が結節点Ａ１において接続される枯渇型Ｔ２およびＴ３の２つのｎ型チャンネルＭＯＳＦＥＴを含む。結節点Ａ１は電源を介して接地されている。ドレイン電極は、各１つの負荷抵抗器ＲＬ１またはＲＬ２を介して供給電圧と接続される。
【００３４】
差動増幅器の動作点は電源によって設定される。前の実施例におけるように、動作点の変調は、電源の電流ｉｍｏｄが直流部分ｉ０および振幅ｉ１および変調角周波数ωを有する正弦波形の交流部分を含むことによって再び達成され、まとめると、
ｉｍｏｄ＝ｉ０＋ｉ１−ｓｉｎ（ωｔ）
である。
【００３５】
差動増幅ステージは、通常、トランジスタＴ２およびＴ３のゲート電極間に電圧が印加されるように動作される。図面において、これらの電極電圧は符号Ｖｉｎ＋およびＶｉｎ−によって示される。ここでＶｉｎ＝Ｖｉｎ＋−Ｖｉｎ−である。出力信号は、トランジスタＴ２およびＴ３のドレイン電極間で差動信号Ｖｏｕｔ＝Ｖｏｕｔ＋−Ｖｏｕｔ−として取り出される。信号処理の差異に基づいて、電流源の変調は第１の近似において出力信号Ｖｏｕｔ＝Ｖｏｕｔ＋−Ｖｏｕｔ−に対して影響を及ぼさない。
【００３６】
本発明による回路構成の第３の実施例として、図３において、簡単なＭＯＳ動作増幅器が示される。動作増幅器は７つのトランジスタＴ４〜Ｔ１０を含むことが図３から読取ることができる。トランジスタＴ４〜Ｔ６は、実施例において、枯渇型のｐ型チャンネルＭＯＳＦＥＴであり、トランジスタＴ７〜Ｔ１０は、枯渇型のｎ型チャンネルＭＯＳＦＥＴである。
【００３７】
これらは、以下のように回路構成される。
【００３８】
トランジスタＴ１０のソース電極は接地されている。トランジスタＴ１０のドレイン電極は、トランジスタＴ６のソース電極と接続される。トランジスタＴ６のドレイン電極は供給電圧において存在する。トランジスタＴ９のソース電極は設置されている。トランジスタＴ９のドレイン電極は、トランジスタＴ７およびＴ８のソース電極と接続される。トランジスタＴ７のドレイン電極はトランジスタＴ４のソース電極、ならびにトランジスタＴ４およびＴ５のゲート電極と接続される。トランジスタＴ８のドレイン電極は、トランジスタＴ５およびトランジスタＴ６のゲート電極と接続される。トランジスタＴ４およびＴ５のドレイン電極は供給電圧と接続される。トランジスタＴ７およびＴ８のゲート電極は、反転する出力Ｖｉｎ＋または反転しない出力Ｖｉｎ−を形成する。動作増幅器の出力Ｖｏｕｔは、トランジスタＴ１０のドレイン電極およびトランジスタＴ６のソース電極を形成する。
【００３９】
動作増幅器の動作点は、トランジスタＴ９およびＴ１０のゲート電極に接続された電圧源によって設定される。前の例におけるように、動作点を設定するための電圧ｖｍｏｄはまた、直流部分ｖ０、ならびに振幅ｖ１および変調周波数ωを有する正弦波形の交流部分を含むことが本発明により提供される。
【００４０】
ｖｍｏｄ＝ｖ０＋ｖ１−ｓｉｎ（ωｔ）
入力ブランチおよび出力ブランチに変調が適用されるという事実に基づいて、変調は、これらのトランジスタの適切な寸法調整および動作点の設定を行なう際に、第１の近似において出力信号Ｖｏｕｔに対して影響を及ぼさない。この場合においても、変調周波数が入力信号の利用帯域の外側に存在するとされる、説明の導入部において記載された条件ｂ）が必ずしも有効である必要はない。動作点が揺れるために場合によっては出現し得る非線形は、外部フィードバックによって補償され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明による回路構成を用いた簡単な増幅ステージを示す。
【図２】  図２は、本発明による回路構成を用いた簡単な差動ステージを示す。
【図３】  図３は、本発明による回路構成を用いた簡単なＭＯＳ振動増幅器を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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