用於放大雙極性信號的電子電路的製作方法

2023-10-11 04:07:09 2

專利名稱：用於放大雙極性信號的電子電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及低噪聲信號放大的領域，更具體而言，不限制雙極性電流信號，尤其是對稱信號的放大。
用於信號放大的電流鏡電路的使用在現有技術中是已知的。WO00/31604揭示了一種電流鏡電路，其中將跨導級產生的電流分配給第一和第二半導體元件，使得保持輸入電壓接近於參考電壓。這樣顯著減小了輸入阻抗，從而獲得大的帶寬。然而，輸入阻抗取決於半導體元件的電流放大係數，而該電流放大係數取決於輸入電流。
WO02/19050揭示了一種電流鏡電路，其中帶寬對輸入電流的依賴減小了。

圖1示出了這種電流鏡電路。
圖1示出了電流鏡級14的一個實施例。該電流鏡電路包括電流輸入端14A、電流輸出端14B和公共端14C。輸入端14A連接到光電二極體A，該光電二極體在這裡表示為信號電流源Sph和寄生電容Cph的形式。輸出端14B連接到負載Zi2。
第一可控半導體元件T1布置在電流輸入端14A和公共端14C之間。第二可控半導體元件T2布置在電流輸出端14B和公共端14C之間。半導體元件T1、T2經由負反饋電阻R2、R3連接到公共端。可控半導體元件T1、T2具有互相連接的控制電極T1A、T2A，該控制電極還耦合到偏置電壓源VBIAS，該偏置電壓源用於以參考電壓偏置所述控制電極。
該電路還包括跨導級12，該跨導級具有耦合到電流輸入端14A的輸入12A和耦合到公共端14C的輸出12B。
該電路的特徵在於，互相連接的控制電極T1A、T2A經由第三可控半導體元件T3耦合到公共端，並且其特徵還在於偏置電壓源VBIAS經由第三可控半導體元件T3的控制電極T3A耦合到這些控制電極T1A、T2A。該互相連接的控制電極T1A、T2A還連接到電流源SI。
在所示的實施例中，跨導級12包括第五可控半導體元件T5，該第五可控半導體元件布置在跨導級的輸出12B和地GND之間。第五可控半導體元件T5的控制電極耦合到另一可控半導體元件M0和電阻阻抗R1串聯的公共端12D。電流源SI用於偏置第三和第五可控半導體元件T3和T5。
圖1所示電路的運行如下所述。如果光電二極體向電流鏡的輸入端14A提供電流Iph，跨導級12將從電流鏡的公共端14C提取電流Ic，使得經由輸入端14A的電流Li1等於光電二極體A提供的電流Iph。
由T1和T2形成的電流鏡的運行使得由第二可控半導體元件T2傳送電流LO1。這兩個電流的比為IO1∶Ii1＝P，P為可控半導體元件T1、T2的面積比。同時，可控半導體元件T1、T2的控制電極T1A、T2A分別傳導電流Ib1、Ib2，使得Ii1＝αIb1且IO1＝αIb2。
由於第三可控半導體元件T3由電流源進行偏置，所以信號電流Ib1+Ib2將基本上從公共端12B經由半導體元件T3的主電流路徑傳導。因此這些信號電流Ib1、Ib2對由跨導級12提取的電流Ic基本上沒有貢獻。因此電流Ic為Ii1(1+P)。如果跨導級的放大率為gm，那麼輸入電阻總計為(1+P)/gm，該輸入電阻與可控半導體元件T1、T2的電流放大率沒有關係，其中1∶P是半導體元件和/或電容阻抗的面積比。
圖1的現有技術電流鏡電路的缺點在於，如果輸入信號是雙極性或者如果該電路與電源交流耦合，則信號路徑中需要偏置電流Iph。這樣輸入信號中會增加大量噪聲，從而降低電流鏡電路的性能。
本發明提供了一種電子電路，用於放大雙極性電流信號。該電子電路具有一對互補電流鏡。該對電流鏡在電子電路的輸入端和輸出端相互連接。當將雙極性電流信號施加到輸入端時，該對互補電流鏡中的一個運行，同時另一個處於截止狀態。例如，在雙極性電流信號的正信號擺幅期間，該對互補電流鏡中的第一電流鏡運行，同時另一個電流鏡關斷；同樣，當雙極性電流信號的負信號擺幅出現時，所述運行的電流鏡轉變到關斷狀態，同時另一個電流鏡變成運行。
本發明的一個具體優點是，所述電子電路可用於雙極性、對稱電流信號，而不需要在輸入端加入任何DC偏置電流。因而本發明的電子電路具有低噪聲特性，此特性使本發明尤其適合應用於醫療儀器、行動電話和諸如數字音頻廣播(DAB)、數字視頻廣播(DVB)的數字廣播系統這些領域中。
根據本發明的一個優選實施例，將旁路電容耦合到電流鏡。當輸入端上施加的雙極性電流信號的極性改變時，依靠旁路電容可以避免信號失真。旁路電容還有利於提高電路反饋環的穩定性。另一個優點是，依靠上述旁路電容，該電子電路的帶寬變得與輸入端上施加的雙極性電流信號無關。旁路電容優選具有幾個pF量級的小電容值。
根據本發明的另一優選實施例，該對互補電流鏡中的每一個與一對負反饋電阻耦合。依靠該對負反饋電阻，提高了高電流時的匹配，同時減少了高電流時的散粒噪聲。尤其當該對負反饋電阻與相應電流鏡的基極-發射極電容串聯連接時，還提高了反饋環的穩定性。
根據本發明的另一優選實施例，所述電子電路的輸入端與提供反饋環的反饋電晶體的控制端耦合。該反饋電晶體優選使用NMOS型電晶體；也可以使用NPN型反饋電晶體。
根據本發明的另一優選實施例，通過與輸入端連接的電阻將雙極性電流信號施加到所述電子電路。由於輸入端連接到虛地，所以在所述電子電路的輸入端，耦合到輸入端的所述電阻將雙極性電流信號轉換為雙極性電流信號。
本發明的一個具體優點是，可以實現這樣一種電子電路，如果輸入端沒有施加輸入信號，低頻噪聲基本為零。這使得該電子電路可應用於零斷續頻率(IF，intermittent frequency)或者低IF接收器，例如行動電話、DAB、DVB和醫療系統。所述電子電路還可用於放大由無源MOS混頻器提供的電流。
下文中將通過參考附圖對本發明做更加詳細的描述，其中
圖1是現有技術電流鏡電路的電路圖；圖2是本發明的電子電路的一個優選實施例的電路圖；圖3說明了在正信號擺幅期間，圖2所示電子電路的運行；圖4說明了在負信號擺幅期間，圖2所示電子電路的運行；圖5示出了用於放大雙極性電壓信號的電子電路的一個優選實施例；圖6是電子電路的超聲應用的框圖。
圖2示出了具有PNP電流鏡202和互補NPN電流鏡204的電子電路200。
PNP電流鏡202具有PNP電晶體T2和T4以及負反饋電阻R2和R4。同樣，NPN電流鏡204具有電晶體T1和T3以及負反饋電阻R1和R3。
電晶體T1和T2的發射極連接到輸入端206，電晶體T3和T4的集電極連接到輸出端208。
另外，旁路電容C1、C2、C3和C4耦合到PNP電流鏡202和NPN電流鏡204。
反饋電晶體M1、電晶體T5、電晶體T6、電晶體T7和電容C6組成反饋環。電子電路200還具有偏置電流源Ib0和Ib1。注意，這些電流源都不處於信號路徑上，從而避免將這些偏置電流源之一的噪聲添加到在輸入端206施加的輸入信號中。
旁路電容C1、C2、C3和C4的益處是當輸入端206的輸入信號Iin的極性改變時可以避免信號失真。這些旁路電容還提高了反饋環的穩定性，並使電子電路200的帶寬與輸入信號Iin無關。
負反饋電阻R1、R2、R3和R4中的每一個與各自電流鏡的基極-發射極電容串聯連接，從而這些負反饋電阻進一步提高了反饋環的穩定性。這些負反饋電阻還提高了高電流時的匹配，並且減少了高電流時的散粒噪聲。另外的有益效果是增加了電子電路200的DC輸出阻抗。
電子電路200的DC增益如下
如果在輸入端206施加的輸入電流Iin低，則為T1(T2)面積和T3(T4)面積的比，如果輸入電流Iin高，則為R1(R2)面積和R3(R4)面積的比。
電子電路200的高頻增益如下如果輸入電流Iin低，則為C1(C2)面積和C3(C4)面積的比，如果輸入電流Iin高，則為R1(R2)面積和R3(R4)面積的比。
圖3說明了當在輸入端206上施加的輸入電流Iin具有正信號擺幅時電子電路200的運行。在這種情況下，T2(T4)的發射極電壓經由VB1、T1、R1、T7、T6、R2和R4被設定為等於VB2的電壓。電晶體T2和T4關斷。因此PNP電流鏡202處於關斷狀態，同時NPN電流鏡204處於運行狀態。
圖4說明了當加到輸入端206上的輸入電流Iin具有負信號擺幅時電子電路200的運行。在這種情況下，T1(T3)的發射極電壓經由VB2、T2、R2、T6、T7、R1和R3被設定為等於VB1的電壓。電晶體T1和T3關斷。因此NPN電流鏡202處於關斷狀態，而PNP電流鏡202處於運行狀態。
圖2、3和4所示的電子電路200適合於放大雙極性電流信號，尤其是放大對稱電流信號。通過對雙極性電壓信號Uin進行電壓—電流轉換，也可以放大雙極性電壓信號Uin。
如圖5所示，通過將電阻210耦合到輸入端206實現電壓—電流轉換。由於輸入端206連接到虛地，從而實現電壓—電流轉換。電子電路200的其它操作保持不變。
雖然圖5所示的反饋電晶體M1是NMOS型電晶體，也可以使用NPN型電晶體作為反饋電晶體。這樣可以進一步增加電子電路200的帶寬，並減少高頻時的熱噪聲。
低頻時的輸入噪聲主要由電流鏡的散粒噪聲和負反饋電阻的熱噪聲支配。
高頻時的噪聲主要由熱噪聲支配，該熱噪聲經由輸入電容轉換為電流噪聲iHF2(f)=4kTReq(CinT)2A2/Hz]]>
Req是等效噪聲電阻。GinT是等效輸入電容。
圖6示出了醫療超聲裝置212的電子電路的一個應用。超聲裝置具有超聲傳感器214，用於接收超聲信號。超聲傳感器214輸出雙極性電流信號，該電流信號代表所接收的超聲信號。耦合到超聲傳感器214的輸出的電子電路200放大該雙極性電流信號。
電子電路200將放大的信號提供給圖像處理模塊216，該圖像處理模塊基於電子電路200傳送的放大信號產生圖像數據。圖像處理模塊216耦合到顯示器218，以便為用戶產生圖像輸出。
參考標號列表200電子電路202PNP電流鏡204NPN電流鏡206輸入端208輸出端210電阻212超聲裝置214超聲傳感器216圖像處理模塊218顯示器
權利要求
1.一種電子電路，用於放大雙極性電流信號(Iin)，所述電子電路包括一對互補電流鏡(202，204)，所述電流鏡在輸入端(206)和輸出端(208)互相連接，其中當施加正電流信號時，所述一對互補電流鏡的第一互補電流鏡(204)運行，並且其中當在輸入端上施加負電流信號時，所述一對互補電流鏡的第二互補電流鏡(202)運行。
2.如權利要求1所述的電子電路，其中所述第一電流鏡是PNP電流鏡，所述第二電流鏡是NPN電流鏡。
3.如權利要求1或2所述的電子電路，還包括旁路電容(C1，C2，C3，C4)，所述旁路電容耦合到所述第一和第二電流鏡。
4.如權利要求1、2或3所述的電子電路，還包括用於所述第一和第二電流鏡中每一個的負反饋電阻對(R1，R2；R3，R4)。
5.如權利要求1至4中任一項所述的電子電路，還包括反饋電晶體(M1)，該反饋電晶體的控制端耦合到所述輸入端。
6.如權利要求5所述的電子電路，所述反饋電晶體是NMOS型電晶體。
7.如權利要求5所述的電子電路，所述反饋電晶體是NPN型電晶體。
8.如權利要求1至7中任一項所述的電子電路，還包括耦合到所述輸入端的電阻(210)，用於提供雙極性電壓信號輸入端。
9.一種超聲裝置，包括超聲接收器(214)，用於提供超聲雙極性電流信號，一對(200)互補電流鏡，所述電流鏡在第一端子和第二端子互相連接，所述第一端子耦合到用於接收所述超聲雙極性電流信號的所述超聲接收器，其中在所述超聲雙極性電流信號的正擺幅期間，所述一對互補電流鏡的第一電流鏡運行，而所述一對互補電流鏡的第二電流鏡關斷，並且其中在所述超聲雙極性電流信號的負擺幅期間，所述第二電流鏡運行，而所述第一電流鏡關斷。
全文摘要
本發明涉及一種電子電路，用於放大雙極性對稱電流信號。該電子電路具有一對互補電流鏡。根據雙極性電流信號的極性，該對互補電流鏡中的一個運行，同時另一電流鏡處於關斷狀態。這樣就避免了向輸入信號中加入偏置電流，從而充分降低了噪聲。
文檔編號H03F3/72GK1868116SQ200480030180
公開日2006年11月22日 申請日期2004年10月6日 優先權日2003年10月15日
發明者拉奇德·厄勒·瓦法奧伊 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司