利用輸入級使共模信號反相的差動放大器的製作方法

2023-08-10 14:46:41

專利名稱：利用輸入級使共模信號反相的差動放大器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種差動放大器、 一種包括差動放大器的設備、 一種 差動地放大差動信號的方法、和一種用於執行所述方法的步驟的計算 機程序產品。
這樣的設備的例子有電視接收機、以及其它消費類或非消費類產 品、和用在消費類或非消費類產品中的電路，例如轉換器和調諧器。
背景技術：
從US6897726中知道一種現有設備，其公開了一種用於放大器電 路的差動電路。該已知的差動放大器包括基礎反饋迴路，其為差動輸 入信號提供從輸出到輸入的負反饋。如果這些差動輸入信號包括共模 信號(共模成分)，則所述基礎反饋迴路至少為某些共模信號提供了從 輸出到輸入的正反饋。該正反饋可能導致失真，因為差動放大器中的 信號被箝位，和/或會使得差動放大器開始振蕩。
第一現有解決方案試圖避免失真和/或振蕩，其中通過使用變壓器 來阻擋差動輸入信號中的共模信號。該變壓器通常具有不足的帶寬。
在第二現有解決方案中，引入附加反饋迴路，其只為共模信號提 供從輸出到輸入的附加負反饋，該反饋等於或大於共模信號的從輸出 到輸入的可能的正反饋。該附加反饋迴路必須具有等於或大於基礎反
饋迴路的帶寬的帶寬，這通常難以實現並且使得差動放大器複雜且昂
蟲 貝。
所述已知設備具有缺點，特別是因為由基礎反饋迴路在為至少某 些共模信號提供正反饋時產生的失真和/或振蕩(其)只能通過較大程 度地降低帶寬和/或增加複雜性和成本才能避免
發明內容
優選地提供一種差動放大器，其可以處理包括共模信號的差動輸 入信號，且無需為共模穩定性而引入反饋迴路。本發明另一 目的是提供一種包括差動放大器的設備、 一種差動地 放大差動信號的方法、和一種用於執行所述方法的步驟的電腦程式 產品，它們可以處理包括共模信號的差動輸入信號，且無需為共模穩 定性而引入反饋迴路。根據本發明的差動放大器包括-第一輸入級，用於接收包括共模信號的差動輸入信號，並用於 輸出第一差動中間信號，-第二輸入級，用於使所述共模信號反相，並用於將反相共模信 號和所述第一差動中間信號合併成第二差動中間信號，以及-輸出級，用於接收所述第二差動中間信號，並用於輸出差動輸 出信號。所述第一 (現有技術)輸入級處理包括共模信號的差動輸入信號， 並且作為響應，產生第一差動中間信號。除了所述第一 (現有技術) 輸入級之外，通過引入第二輸入級，有害的共模信號在第二輸入級中 被很大程度地除去，所述第二輸入級只處理共模信號，使共模信號反 相，然後將這些反相共模信號和第一差動中間信號合併成第二差動中 間信號。從第二輸入級提供給輸出級的所述第二差動中間信號包括減 少了的共模信號或者甚至根本沒有共模信號。因此，不再需要為了確 保共模穩定性而引入從差動輸出到差動輸入的反饋迴路。其結果是， 根據本發明的差動放大器可以處理包括共模信號的差動輸入信號，且 無需為共模穩定性而引入反饋迴路。根據本發明的差動放大器的另一優點在於，所述第二輸入級在有 害的共模信號到達輸出級之前很大程度地去除了它們，而不依賴於是 否存在從差動輸出到差動輸入的基礎反饋迴路。根據本發明的差動放大器的實施例的特徵在於所述第一輸入級包 括摺疊共射共基極，所述第二輸入級包括鏡像級，所述輸出級包括共 主電極。不排除其它類型的級。根據本發明的差動放大器的實施例的特徵在於所述第一輸入級包括具有構成差動輸入的控制電極的第一和第二電晶體，所述第一和第 二電晶體還具有彼此耦合的第一主電極。經由所述第一和第二電晶體 的第二主電極提供所述第一差動中間信號。
根據本發明的差動放大器的實施例的特徵在於所述第二輸入級包 括具有分別耦合至所述第一和第二電晶體的控制電極的控制電極的第 三和第四電晶體，所述第三和第四電晶體還具有彼此耦合的第二主電 極。經由所述第三和第四電晶體的第二主電極提供所述共模信號。
根據本發明的差動放大器的實施例的特徵在於所述第一和第二晶 體管的第一主電極還經由第一電流源耦合至第一參考端，並且所述第 三和第四電晶體的第一主電極彼此耦合併經由第二電流源耦合至所述 第一參考端。在此情況下，所述第一和第二輸入級各自具有耦合至第 一參考端的電流源，例如正電壓電源。分離的電流源改善了差動放大 器的噪聲表現。
根據本發明的差動放大器的實施例的特徵在於所述第一和第二晶 體管的第一主電極還耦合至所述第三和第四電晶體的第一主電極，並 經由第一電流源耦合至所述第一參考端。在此情況下，所述第一和第 二輸入級具有耦合至第一參考端的公共的電流源，例如正電壓電源。 公共的電流源減少了差動放大器中的元件數量。
根據本發明的差動放大器的實施例的特徵在於所述第二輸入級還 包括具有彼此耦合的控制電極的第五、第六和第七電晶體，所述第五、 第六和第七電晶體還具有彼此耦合併耦合至第二參考端的第一主電 極，第五和第七電晶體的第二主電極分別耦合至第一和第二電晶體的 第二主電極，而第六電晶體的第二主電極耦合至第三和第四電晶體的 第二主電極和第六電晶體的控制電極。所述第三和第四電晶體過濾來 自差動輸入信號的共模信號，所述第五、第六和第七電晶體使該共模 信號反相併合併反相共模信號和第一中間信號。例如，所述第二參考 端對應於地。
根據本發明的差動放大器的實施例的特徵在於它還包括具有彼此 耦合的控制電極的第八和第九電晶體，所述第八和第九電晶體還具有 分別耦合至第一和第二電晶體的第二電極的第一主電極。所述第八和第九電晶體耦合所述第二輸入級和輸出級，並且形成第二輸入級或輸 出級的一部分。所述第八和第九電晶體從第二輸入級接收第二差動中 間信號，並將其提供給輸出級。
根據本發明的差動放大器的實施例的特徵在於所述第八和第九晶 體管的第一主電極還分別經由第三和第四電流源耦合至第二參考端。 這些第三和第四電流源排除了適當地調節第五和第七電晶體大小的必 要性。
根據本發明的差動放大器的實施例的特徵在於所述輸出級包括具 有分別耦合至所述第八和第九電晶體的第二主電極的控制電極的第十 和第十一電晶體，所述第十和第十一電晶體還具有耦合至第二參考端 以及第二主電極的第一主電極，其構成差動輸出並分別經由第五和第 六電流源耦合至第一參考端，所述第十和第十一電晶體的控制電極還 分別經由第七和第八電流源耦合至第一參考端，並經由各電路耦合至 第十和第十一電晶體的第二主電極，所述各電路具有串行連結，每個 連結包括電阻器和電容器。這些串行連結穩定了所述差動放大器。
根據本發明的設備、方法和電腦程式產品的實施例對應於根據 本發明的差動放大器的實施例。
本發明基於以下認識，即避免差動放大器的差動輸入處的變壓器 和/或差動放大器中的雙反饋迴路，並且基本理念是在差動放大器中引 入第二輸入級，該第二輸入級使差動輸入信號的共模信號反相，並將 反相共模信號和來自第一輸入級的第一差動中間信號合併成第二差動 中間信號，以提供給輸出級。
本發明解決的問題在於，它提供了一種差動放大器，其可以處理 包括共模信號的差動輸入信號，且無需為共模穩定性而引入反饋迴路。 根據本發明的差動放大器的優點在於所述第二輸入級在有害的共模信 號到達輸出級之前很大程度地去除了它們，而不依賴於是否存在從差 動輸出到差動輸入的基礎反饋迴路。
下面參考實施例，本發明的這些和其它方面將會明顯並得以闡明。


附圖中-圖1示意性地示出了根據本發明的差動放大器，圖2示意性地示出了包括根據本發明的差動放大器根據本發明的 的設備，圖3示意性地示出了根據本發明的差動放大器的第一實施例， 圖4示意性地示出了根據本發明的差動放大器的第二實施例，以及圖5示意性地示出了根據本發明的差動放大器的第三實施例。
具體實施方式
圖l所示的根據本發明的差動放大器l包括第一輸入級ll，其 具有用於接收包括共模信號的差動輸入信號並用於輸出第一差動中間信號的差動輸入21、 22;第二輸入級12，用於使所述共模信號反相，並用於將反相共模信號和所述第一差動中間信號合併成第二差動中間信號；以及輸出級13，用於接收所述第二差動中間信號，並具有用於 輸出差動輸出信號的差動輸出23、 24。所述第一輸入級11包括例如摺疊共射共基極，所述第二輸入級 12包括例如鏡像級，所述輸出級13包括例如共主電極級。圖2中示出的根據本發明的設備2包括根據本發明的差動放大 器l;耦合至差動輸入21、 22的用於將差動輸入信號提供給差動放大 器1的輸入電路3;和耦合至差動輸出23、 24的用於接收來自差動放 大器l的差動輸出信號的輸出電路4。例如，所述設備是電視接收機、 以及其它消費類或非消費類產品、或用在消費類或非消費類產品中的 電路，例如轉換器和調諧器。圖3中示出的差動放大器1的第一實施例包括第一和第二電晶體 31、 32，第一和第二電晶體31、 32具有構成差動輸入2K 22的控制 電極(柵極)、以及彼此耦合的第一主電極(源極)。該差動放大器1 還包括第三和第四電晶體33、 34，第三和第四電晶體33、 34具有分 別耦合至第一和第二電晶體31、 32的控制電極的控制電極(柵極)、以及彼此耦合的第二主電極(漏極)。所述第一和第二電晶體31、 32的第一主電極還經由第一電流源 51耦合至第一參考端61，例如正電壓電源，並且所述第三和第四晶體 管33、 34的第一主電極彼此耦合併經由第二電流源52耦合至所述第 一參考端61 。差動放大器1還包括具有彼此耦合的控制電極(柵極)的第五、 第六和第七電晶體35、 36、 37。所述第五、第六和第七電晶體35、 36、 37還具有彼此耦合併耦合至第二參考端62(例如地)的第一主電極(源 極)，第五和第七電晶體35、 37的第二主電極(漏極)分別耦合至第 一和第二電晶體31、 32的第二主電極(漏極)，而第六電晶體36的第 二主電極(漏極)耦合至第三和第四電晶體33、 34的第二主電極(漏 極)和第六電晶體36的控制電極。差動放大器1還包括具有彼此耦合併耦合至第三參考端的控制電 極(柵極)的第八和第九電晶體38、 39。所述第八和第九電晶體38、 39還具有分別耦合至第一和第二電晶體31、 32的第二電極的第一主 電極(源極)。所述第八和第九電晶體38、39的第一主電極還分別經由第三和第 四電流源53、 54耦合至第二參考端62。差動放大器1還包括具有分 別耦合至所述第八和第九電晶體38、 39的第二主電極的控制電極(柵 極)的第十和第十一電晶體40、 41。所述第十和第十一電晶體40、 41 還具有耦合至第二參考端62以及第二主電極(漏極)的第一主電極(源 極)，其構成差動輸出23、 24並分別經由第五和第六電流源55、 56 耦合至第一參考端61。所述第十和第十一電晶體40、 41的控制電極 還分別經由第七和第八電流源57、 58耦合至第一參考端61，並分別 經由電路59、 60耦合至第十和第十一電晶體40、 41的第二主電極。 所述電路59、 60具有串行連結，每個連結包括電阻器和電容器。第一和第二電晶體31、 32形成輸入級11的一部分。第三、第四、 第五、第六和第七電晶體33、 34、 35、 36、 37形成第二輸入級12的 一部分。第十和第十一電晶體40、 41形成輸出級13的一部分。第八 和第九電晶體38、39可形成第二輸入級12或部分輸出級13的一部分， 或者它們可以形成分離的緩衝級。第八和第九電晶體38、 39的控制電極從第三參考端接收用於調節差動放大器1的參考信號。第一和第二電流源51、52被示為理想的電流源和電阻器的並聯電 路。實際上，沒有電流源是理想的。之所以只有這兩個電流源與其非 理想(非無限)並聯電阻一起示出是因為這些電阻是造成差動輸入信 號中的共模成分所導致的問題的原因。電路59、 60具有穩定和頻率補償功能。圖4中示出的差動放大器1的第二實施例對應於圖3中的第一實 施例，除了去掉了第三和第四電流源53、 54。為此，以相應方式設定 第五和第七電晶體55、 57的尺寸。圖5中示出的差動放大器1的第三實施例對應於圖3和4中的第 一和第二實施例，除了去掉了第二電流源52。為此，第一電流源51 還耦合至第三和第四電晶體33、 34的第一主電極(第一和第二電晶體 31、 32的第一主電極還耦合至第三和第四電晶體33、 34的第一主電 極)，並以相應方式設定大小。可以使用其它類型的電晶體來代替FET電晶體，例如雙極型晶體 管，也不排除其它類型的電晶體。本發明總體上不排除反饋迴路和變 壓器。信號的合併可以是未加權和/或加權合併。應當注意，上述實施例的描述不限制本發明，本領域技術人員能 夠設計出許多替換實施例，而不脫離所附權利要求的範圍。權利要求 中，括號中的任何附圖標記不構成對權利要求的限制。使用詞語"包 括"及其變形不排除存在權利要求中所列以外的元素或步驟。元素前 面使用的"一"或"一個"不排除存在多個該元素的情況。本發明可 以通過包括多個分立元件的硬體和適當編程的計算機來實現。在列舉 出一些裝置的設備權利要求中，這些裝置中的一些可以由同一硬體項 來實現。事實上，彼此不同的從屬權利要求中列出的措施不意味著這 些措施的合併不能產生有益效果。
權利要求
1、一種差動放大器(1)，包括-第一輸入級(11)，用於接收包括共模信號的差動輸入信號，並用於輸出第一差動中間信號，-第二輸入級(12)，用於使所述共模信號反相，並用於將反相共模信號和所述第一差動中間信號合併成第二差動中間信號，以及-輸出級(13)，用於接收所述第二差動中間信號，並用於輸出差動輸出信號。
2、 如權利要求1所述的差動放大器(1 )，其中所述第一輸入級(11 ) 包括摺疊共射共基極，所述第二輸入級(12)包括鏡像級，所述輸出 級(13)包括共主電極級。
3、 如權利要求1所述的差動放大器(1),所述第一輸入級(11) 包括具有構成差動輸入(21、22)的控制電極的第一和第二電晶體(31、 32)，所述第一和第二電晶體(31、 32)還具有彼此耦合的第一主電極。
4、 如權利要求3所述的差動放大器(1)，所述第二輸入級(12) 包括具有分別耦合至所述第一和第二電晶體(31、 32)的控制電極的 控制電極的第三和第四電晶體(33、 34)，所述第三和第四電晶體(33、 34)還具有彼此耦合的第二主電極。
5、 如權利要求4所述的差動放大器(1)，所述第一和第二電晶體 (31、 32)的第一主電極還經由第一電流源(51)耦合至第一參考端 (61)，並且所述第三和第四電晶體(33、 34)的第一主電極彼此耦合併經由第二電流源(52)耦合至所述第一參考端(61)。
6、 如權利要求4所述的差動放大器(1)，所述第一和第二電晶體 (31、 32)的第一主電極還耦合至所述第三和第四電晶體(33、 34)的第一主電極並經由第一電流源(51)耦合至所述第一參考端(61)。
7、 如權利要求4所述的差動放大器(1)，所述第二輸入級(12) 還包括具有彼此耦合的控制電極的第五、第六和第七電晶體(35、 36、 37),所述第五、第六和第七電晶體(35、 36、 37)還具有彼此耦合併 耦合至第二參考端(62)的第一主電極，第五和第七電晶體(35、 37)的第二主電極分別耦合至第一和第二電晶體(31、 32)的第二主電極， 而第六電晶體(36)的第二主電極耦合至第三和第四電晶體(33、 34) 的第二主電極和第六電晶體(36)的控制電極。
8、 如權利要求7所述的差動放大器(1),還包括具有彼此耦合的 控制電極的第八和第九電晶體(38、 39)，所述第八和第九電晶體(38、 39)還具有分別耦合至第一和第二電晶體(31、 32)的第二電極的第 一主電極。
9、 如權利要求8所述的差動放大器(1),所述第八和第九電晶體 (38、 39)的第一主電極還分別經由第三和第四電流源(53、 54)耦合至第二參考端(62)。
10、 如權利要求8所述的差動放大器(1)，其中所述輸出級(13) 包括具有分別耦合至所述第八和第九電晶體(38、 39)的第二主電極 的控制電極的第十和第十一電晶體(40、 41)，所述第十和第十一晶體 管(40、 41)還具有耦合至第二參考端(62)以及第二主電極的第一 主電極，其構成差動輸出(23、24)並分別經由第五和第六電流源(55、 56)耦合至第一參考端(61)，所述第十和第十一電晶體(40、 41)的 控制電極還分別經由第七和第八電流源(57、 58)耦合至第一參考端(61)，並經由各電路(59、 60)耦合至第十和第十一電晶體(40、 41) 的第二主電極，所述各電路(59、 60)具有串行連結，每個連結包括 電阻器和電容器。
11、 一種設備(2)，包括如權利要求1所述的差動放大器(1)。
12、 一種差動地放大差動信號的方法，所述方法包括步驟-經由第一輸入級(11)接收包括共模信號的差動輸入信號，並 輸出第一差動中間信號，-經由第二輸入級(12)使所述共模信號反相，並將反相共模信 號和所述第一差動中間信號合併成第二差動中間信號，以及-經由輸出級(13)接收所述第二差動中間信號，並輸出差動輸 出信號。
13、 一種用於執行如權利要求12所述的方法的步驟的電腦程式產品o
全文摘要
為了消除差動輸入信號中的共模成分，而無需引入用於消除共模成分的變壓器和特殊反饋迴路，差動放大器(1)包括第一輸入級(11)，用於接收包括共模信號的差動輸入信號，並用於輸出第一差動中間信號；第二輸入級(12)，用於使所述共模信號反相，並用於將反相共模信號和所述第一差動中間信號合併成第二差動中間信號；以及輸出級(13)，用於接收所述第二差動中間信號，並用於輸出差動輸出信號。所述第一輸入級(11)包括具有第一和第二電晶體(31、32)的摺疊共射共基極，所述第二輸入級(12)包括具有第三、第四、第五、第六和第七電晶體(33、34、35、36、37)的鏡像級，所述輸出級(13)包括具有第十和第十一電晶體(40、41)的共主電極級。
文檔編號H03F3/45GK101405935SQ200780010096
公開日2009年4月8日 申請日期2007年3月21日 優先權日2006年3月23日
發明者亞得裡亞內斯·J·M·范吐伊 申請人:Nxp股份有限公司