用於獲得跨導放大器的增益線性變化的驅動方法和相對應的驅動電路的製作方法

2023-04-28 08:55:01

專利名稱：用於獲得跨導放大器的增益線性變化的驅動方法和相對應的驅動電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於獲得跨導放大器的線性增益變化的驅動方法。本發明進一步涉及一種用於跨導放大器的驅動電路，該跨導放大器為包括至少一個電晶體差分單元的類型，並且僅為簡化本發明的描述而參考應用領域進行以下描述。
背景技術：
如已知的，為了進行例如電流驅動，跨導放大器被廣泛使用，這是能夠接收輸入電壓並且提供實質上與所接收的輸入電壓成比例的輸出電流的設備。跨導放大器本質上包括具有鏡像負載和適當偏置的差分對，特別是雙極或場效應電晶體(JFET 和 M0SFET)。圖I中示出了跨導放大器的簡化視圖，其總體上以附圖標記I所指示。特別地，放大器I包括第一電晶體Tl和第二電晶體T2，在該示例中為雙極電晶體，插入在鏡像負載塊2和偏置塊3之間，該鏡像負載塊2進而連接至第一電壓參考，特別是正電源VDD，偏置塊3進而連接至第二電壓參考，特別是負電源VSS。更特別地，第一雙極電晶體Tl插入在第一鏡像電路節點XSl和第一負反饋電路節點XDl之間，並且具有連接到輸入端子IN的控制端子或基極，而第二雙極電晶體T2插入在第二鏡像電路節點XS2和第二負反饋電路節點XD2之間，並且具有連接到特別為接地GND的又一電壓參考的控制端子或基極，第二鏡像電路節點XS2進一步連接到放大器I的輸出端子OUT。此外,鏡像負載塊2包括第一鏡像電晶體MSl,其插入在第一正電源電壓參考VDD和第一鏡像電路節點XSl之間並且具有控制端子或柵極，該第一鏡像電晶體MSl 二極體連接(diode-connected)到第一鏡像電路節點XSl以及第二鏡像電晶體MS2的控制端子或柵極，該第二鏡像電晶體MS2插入在第一正電源電壓參考VDD和第二鏡像電路節點XS2之間，也就是說，至放大器I的輸出端子OUT。此外，偏置塊3包括第一偏置電晶體MB1，其插入在第一負反饋電路節點XDl和第二負電源電壓參考VSS之間並且具有連接到偏置端子XB並連接到第二偏置電晶體MB2的控制端子或柵極的控制端子或柵極，第一偏置電晶體MBl從該偏置端子XB接收偏置電壓Vbias,上述第二偏置電晶體MB2進而插入在第二負反饋電路節點XD2和第二負電源電壓參考VSS之間。該偏置電壓Vbias施加在偏置電晶體MBl和MB2中流動的期望電流，並且該電流取決於放大器I意在的應用類型。放大器I進一步包括插入在第一負反饋電路節點XDl和第二負反饋電路節點XD2之間的負反饋電阻Rdeg，以及與負反饋電阻Rdeg並聯插入在第一負反饋電路節點XDl和第二負反饋電路節點XD2之間的負反饋驅動電晶體MD，並且負反饋驅動電晶體MD具有連接到柵極驅動端子XG並且從那裡接收柵極驅動電壓Vtgc的控制端子或柵極。特別地，負反饋驅動電晶體MD允許修改放大器I的等效電阻或負反饋電阻並且相應地改變跨導增益。更具體地，當負反饋驅動電晶體MD加電時，其電阻值Ron相對於與之並聯的負反饋電阻Rdeg佔據優勢。特別地，驅動電晶體MD的導通電阻值Ron通常等於負反饋電阻Rdeg的值的1/100，它們的並聯連接允許在負反饋驅動電晶體MD導通時獲得放大器I的高跨導增益。另一方面，當負反饋驅動電晶體MD截止時，負反饋電阻Rdeg佔據優勢並且建立了放大器I的跨導增益。然而，雖然圖I所示的放大器結構由柵極驅動電壓Vtgc所控制，其通過修改負反饋驅動電晶體MD的等效電阻來修改其負反饋電阻，但是這在柵極驅動電壓Vtgc和放大器I的跨導增益gm之間表現出高度非線性的聯繫。實際上，線性地移動柵極驅動電壓Vtgc，負反饋驅動電晶體MD的等效電阻以非線性的方式變化，並且因此放大器I的跨導增益存在整體非線性的變化。本發明的技術問題在於提供一種具有如下功能和結構特徵的跨導放大器的驅動 方法，這種功能和結構允許在控制電壓和放大器自身的跨導增益之間獲得線性聯繫，因此克服仍然對根據現有技術所製造的放大器有所影響的限制和缺陷。

發明內容
基於本發明的解決方案的思想是使用放大器自身的基本差分單元的拷貝來向要施加至跨導放大器的負反饋電晶體的控制電壓提供一種控制迴路，以便生成與這樣的跨導成比例的電流，由此對放大器自身的跨導增益的非線性變化進行補償。基於該解決方案的思想，該技術問題通過一種利用跨導放大器的負反饋驅動電晶體的驅動電壓值的調整獲得所述跨導放大器的線性增益變化的驅動方法而得以解決，該跨導放大器為包括至少一個差分電晶體單元的類型，其特徵在於，其包括以下步驟-生成作為所述跨導放大器的所述差分電晶體單元的拷貝的差分單元的輸出電流信號，隨著所述驅動電壓變化，所述輸出電流信號與所述拷貝差分單元的跨導值具有線性關係;-生成與差分輸入電壓具有線性關係的參考電流信號；-將所述輸出電流信號和所述參考電流信號進行比較以便調整所述驅動電壓值並且修改所述拷貝差分單元的所述跨導值直至所述電流信號平衡。根據本發明的方法的一個方面，所述生成所述拷貝差分單元的輸出電流信號的步驟可以包括偏移所述拷貝差分單元中所包括的一對電晶體的步驟。該問題還通過一種跨導系統得以解決，其包括連接到為包括至少一個差分電晶體單元的類型的跨導放大器的驅動電路，其特徵在於，驅動電路包括-差分單元，其作為所述跨導放大器的所述差分單元的拷貝並且包括插入在進而連接到第一電壓參考的反饋塊的相應反饋電路節點和進而連接到第二電壓參考的偏置塊的相應負反饋電路節點之間的至少一個第一電晶體和一個第二電晶體，彼此並聯地插入在所述負反饋電路節點之間的負反饋電阻和負反饋驅動電晶體，所述負反饋驅動電晶體具有連接到驅動端子的控制端子；以及-比較塊，其插入在所述第一電壓參考和第二電壓參考之間並且連接到所述驅動端子，所述比較塊向該驅動端子提供受控驅動電壓值。
所述差分單元在所述驅動端子上提供與其跨導值成比例的輸出電流值，並且所述比較塊在所述驅動端子上提供與到所述比較塊的輸入電壓具有線性關係的參考電流值。更特別地，本發明包括按照需要單獨或相接合採用的以下附加和任選特徵。根據本發明的一個方面，驅動電路可以進一步包括輸出電晶體，其插入在所述第一電壓參考和所述驅動端子之間並且連接至第一反饋電路節點。根據本發明的一個方面，所述反饋塊可以包括分別插入在所述第一電壓參考和所述反饋電路節點之間的至少一個第一反饋電晶體和一個第二反饋電晶體，所述第二反饋晶、體管是二極體連接的並且所述第一反饋電晶體具有連接至所述輸出電晶體的控制端子的控制端子。根據本發明的另一個方面，所述比較塊可以包括-差分電晶體對，其插入在內部偏置節點與相應的第一內部鏡像節點和第二內部鏡像節點之間，並且具有連接到一對差分輸入的相應的控制端子；以及-多個鏡像電晶體，分別連接到所述第一內部鏡像節點和第二內部鏡像節點以及所述驅動端子，並連接到所述第二電壓參考。根據本發明的該方面，所述多個鏡像電晶體可以至少包括-第一鏡像電晶體，其插入在所述第二內部鏡像節點和所述第二電壓參考之間，其是二極體配置的(diode-configured)並且具有連接到所述第二內部鏡像節點的控制端子;-第二鏡像電晶體，其進而插入在所述驅動端子和所述第二電壓參考之間，並且具有連接到所述第一鏡像電晶體的所述控制端子的控制端子；以及-第三鏡像電晶體，其插入在所述第一內部鏡像節點和所述第二電壓參考之間，並且是二極體配置的且其控制端子連接到所述第一內部鏡像節點。此外，根據本發明的該方面，所述比較塊可以進一步包括偏置電晶體，其插入在所述第一電壓參考和所述內部偏置節點之間，並且具有連接到其從那裡接收又一偏置電壓的又一偏置端子的控制端子。特別地，根據本發明的該方面，所述差分電晶體對可以包括P溝道MOS電晶體，並且所述多個鏡像電晶體可以包括N溝道MOS電晶體。此外，偏置電晶體可以是P溝道MOS電晶體。根據本發明的又一個方面，所述差分電晶體對可以根據以下關係向所述第一鏡像電晶體提供鏡像電流Is = gmin* (VINp-VINn)其中Is是所述鏡像電流的值。gmin是所述差分電晶體對的跨導值；並且VINp-VINn是施加到所述差分輸入對的差分電壓值。根據本發明的該方面，根據所述第一鏡像電晶體和第二鏡像電晶體的鏡像比，參考電流在所述第二鏡像電晶體中流動且與所述鏡像電流成比例。此外，根據本發明的另一個方面，所述拷貝差分單元的所述第一電晶體和第二電晶體可以偏移。根據本發明的該方面，所述第一雙極電晶體可以具有連接到又一電壓參考的控制端子，並且所述第二電晶體可以具有連接到電壓塊的控制端子，該電壓塊進而連接到所述又一電壓參考並且適於向所述控制端子提供能夠偏移所述拷貝差分單元的所述第一電晶體和第二電晶體的恆定電壓信號。根據本發明的可替換實施例，所述拷貝差分單元的所述第一電晶體和第二電晶體可以具有連接到又一電壓參考的控制端子並且在面積方面有所偏移。根據本發明的又一個實施例，所述偏置塊可以包括分別插入在所述負反饋電路節點和所述第二電壓參考之間的第一偏置電晶體和第二偏置電晶體，並且具有相互連接並且 連接到它們從那裡接收偏置電壓的偏置端子的控制端子。根據本發明的優選方面，所述跨導放大器的所述差分電晶體單元可以包括從雙極電晶體和場效應電晶體中選擇的電晶體，其優選為雙極電晶體，並且所述拷貝差分單元的所述第一電晶體和第二電晶體可以是從雙極電晶體和場效應電晶體中選擇的電晶體，其優選為雙極電晶體。根據本發明的可替換實施例，所述比較塊可以包括輸入電流發生器，其由差分輸入電壓所控制並且通過至少一個運算放大器連接到第一反饋電路節點，該運算放大器進而具有連接到所述驅動端子的輸出端子。根據本發明的該方面，驅動電路可以進一步包括第一電阻性元件和第二電阻性元件，它們插入在所述第一電源電壓參考和所述運算放大器相應的第一輸入端子和第二輸入端子之間，所述第二輸入端子進一步連接到所述第一反饋電路節點。此外，根據本發明的該方面，所述反饋塊可以包括第一反饋電晶體，其插入在所述第一電源電壓參考和所述第一反饋電路節點之間並且具有連接到第二反饋電晶體的控制端子的控制端子，該第二反饋電晶體是二極體連接的並且進而插入在所述第一電源電壓參考和第二反饋電路節點之間。根據本發明的該方面，所述偏置塊可以進一步包括第一偏置電流發生器和第二偏置電流發生器，它們分別插入在所述第一負反饋電路節點和第二負反饋電路節點與所述第二電壓參考之間。最後，根據本發明的一個方面，驅動電路可以進一步包括電壓緩衝器，其插入在所述驅動節點和所要驅動的跨導放大器的多個差分電晶體單元之間。根據本發明的驅動方法和跨導系統的特徵和優勢將從以下參考附圖通過指示性的非限定示例對本發明的實施例所進行的描述而更為清楚地顯現。


在這些附圖中圖I示意性示出了根據現有技術所實現的跨導放大器；圖2和圖3示意性示出了連接到根據本發明所實現的跨導系統中的跨導放大器的驅動電路的工作原理；圖4示意性示出了用於根據本發明的驅動電路的參考電流發生器；圖5示意性示出了根據本發明的驅動電路；圖6示意性示出了根據本發明的驅動電路的可替換實施例；圖7A示意性示出了根據本發明的控制多個跨導放大器的驅動電路的可替換實施例；以及圖7B示意性示出了圖7A的驅動電路的拷貝差分單元隨跨導增益變化的基於差分對的偏移電壓的輸出電流模式。
具體實施例方式參考這樣的附圖，附圖標記10總體上且示意性地指示連接到根據本發明的跨導系統中的跨導放大器的驅動電路。參考圖2和圖3來說明根據本發明的驅動電路10的原理，而該電路作為整體圖示在圖5之中。該電路適於實施一種用於通過調整跨導放大器的負反饋驅動電晶體MD的驅動電壓值Vtgcl來獲得所述跨導放大器的線性增益變化的驅動方法，上述跨導放大器為包括至少一個差分電晶體單元的類型。 特別地，根據本發明的方法包括以下步驟-生成作為跨導放大器的差分電晶體單元的拷貝的差分單元11的輸出電流信號Ioutl，隨著所述驅動電壓Vtgcl變化，該輸出電流信號Ioutl與拷貝差分單元11的跨導值gml具有線性關係；-生成與差分輸入電壓具有線性關係的參考電流信號Iref；-將輸出電流信號Ioutl和參考電流信號Iref進行比較以調整驅動電壓值Vtgcl並且修改拷貝差分單元11的跨導值gml直至所述電流信號Ioutl和Iref平衡。根據本發明的實施例，生成跨導放大器的差分雙極電晶體單元的拷貝差分單元11的輸出電流信號Ioutl的步驟包括偏移拷貝差分單元11中所包括的電晶體對的步驟。 特別地，如圖2、圖3和圖5所示，適於實施該方法的驅動電路10包括差分單元11，其是包括連接到跨導放大器的驅動電路10的跨導系統的跨導放大器基本結構的拷貝，上述跨導放大器諸如參考現有技術所描述並且在圖I中示出的包括差分雙極電晶體單元的放大器I。特別地，差分單元11包括從雙極電晶體或場效應電晶體中所選擇的第一電晶體Tl和第二電晶體T2，在圖中的示例中為雙極電晶體，它們插入在反饋塊12和偏置塊13之間，反饋塊12進而連接到第一電壓參考，特別是正電源VDD，偏置塊13進而連接到第二電壓參考，特別是負電源VSS。更特別地，第一雙極電晶體Tl插入在第一反饋電路節點XSll和第一負反饋電路節點XDll之間，並且具有連接到特別是接地GND的又一電壓參考的控制端子或基極，而第二雙極電晶體T12插入在第二反饋電路節點XS12和第二負反饋電路節點XD12之間，並且具有連接到電壓塊14的控制端子或基極，該電壓塊14的目的將在隨後明確。電壓塊14進而連接到接地GND並且適用於向第二雙極電晶體T12的控制端子或基極提供恆定電壓信號Vos0此外，反饋塊12包括第一反饋電晶體MSl I和第二反饋電晶體MS12，該第一反饋電晶體MSll插入在第一正電源電壓參考VDD和第一反饋電路節點XSll之間，該第二反饋電晶體MS12插入在第一正電源電壓參考VDD和第二反饋電路節點XS12之間。此外，偏置塊13包括第一偏置電晶體MB11,其插入在第一負反饋電路節點XDll和第二負電源電壓參考VSS之間，並且具有連接到偏置端子XBl並連接到第二偏置電晶體MB12的控制端子或柵極的控制端子或柵極，第一偏置電晶體MBll從上述偏置端子XBl接收偏置電壓Vbiasl，上述第二偏置電晶體MB12進而插入在第二負反饋電路節點XD12和第二負電源電壓參考VSS之間。差分單元11進一步包括插入在第一負反饋電路節點XDll和第二負反饋電路節點XD12之間的負反饋電阻Rdegl，以及負反饋驅動電晶體MD1，其與負反饋電阻Rdegl並聯插入在在第一負反饋電路節點XDll和第二負反饋電路節點XD12之間，並且具有連接到驅動端子XGl並且從那裡接收驅動電壓Vtgcl的控制端子或柵極，該驅動端子XGl特別是柵極驅動端子XGl,該驅動電壓Vtgcl特別是柵極驅動電壓Vtgcl。根據本發明又一實施例，第二反饋電晶體MS12是二極體連接的並且具有連接到第二反饋電路節點XS12的控制端子或柵極，而第一反饋電晶體MSll則具有連接到又一輸出電晶體MOUTl的控制端子或柵極，該又一輸出電晶體MOUTl進而插入在第一正電源電壓參考VDD和輸出端子OUTl之間，如圖2所示。 在輸出端子OUTl上，驅動電路10提供電流值Ioutl，其根據以下關係與差分單元11的跨導值gm成比例Ioutl = gm*VosVos是電壓塊14提供至第二雙極電晶體T12的基極端子的恆定電壓值。實質上，包括差分單元11的驅動電路10的配置允許隨著施加至負反饋驅動電晶體MDl的柵極端子的柵極驅動電壓Vtgcl的變化而獲得與差分單元11自身的跨導gm具有線性關係的輸出電流值Ioutl，這是因為第二反饋電晶體MS12的二極體配置，差分雙極電晶體對Tll和T12適當偏移，特別是因為電壓塊14所提供的恆定電壓信號Vos。根據本發明的實施例，如圖3所示，驅動電路10進一步包括由輸出電晶體MOUTl在輸出端子OUTl上提供的輸出電流值Iout與參考電流Iref的比較塊15。如隨後將進行解釋的，該參考電流Iref適當表現出與施加至比較塊15的差分輸入電壓的線性關係。該比較的結果對柵極驅動端子XGl進行驅動，這樣設置受控的驅動電壓Vtgcl。實際上，由於驅動電路10的布置，參考電流Iref的變化使得受控的驅動電壓Vtgcl至少在電流平衡之前，也就是滿足以下關係之前修改差分單元11的跨導值gml gml*Vos = Ioutl = Iref應當理解的是，無論驅動電壓Vtgcl和跨導gm之間的關係如何，由於反饋塊12、輸出電晶體MOUTl和比較塊15所形成的控制迴路，差分單元11都允許獲得驅動電路10的跨導增益與參考電流Iref的線性相關性。特別地，比較塊15被配置為生成與輸入信號具有線性相關性的參考電流Iref。在其最為簡單的形式中，根據本發明的驅動電路10包括-差分單元11，其作為預期要驅動的所述跨導放大器的差分單元的拷貝並且包括插入在反饋塊12的反饋電路節點XSll和XS12與偏置塊13相應的負反饋電路節點XDll和XD12之間的至少一個第一電晶體Tll和一個第二電晶體T12，反饋塊12進而連接到第一正電源電壓參考VDD，偏置塊13進而連接到第二負電源電壓參考VSS，彼此並聯地插入在負反饋電路節點XDll和XD12之間的負反饋電阻Rdegl和負反饋驅動電晶體MD1，負反饋驅動電晶體MDl具有連接到驅動端子XGl的控制端子；以及
-比較塊15，其插入在第一電壓參考VDD和第二電壓參考VSS之間並且連接到驅動端子XG1，其向該驅動端子XGl提供受控的驅動電壓值Vtgcl。根據本發明的另一個實施例，拷貝差分單元11在驅動端子XGl上提供與其跨導值gml成比例的輸出電流值Ioutl。此外，比較塊15在驅動端子XGl上提供與到比較塊15自身的輸入電壓具有線性關係的參考電流值Iref。該比較塊15的優選實施例在圖4中示意性地示出。特別地，比較塊15包括第一差分電晶體對Ml和M2，在該示例中為P溝道MOS電晶體，第一差分電晶體對Ml和M2插入在內部偏置節點YB和相應的第一內部鏡像節點YSl和第二內部鏡像節點YS2之間，並且具有連接到比較塊15自身的一對差分輸入INp和INn的相應的控制端子或柵極。內部偏置節點YB通過在該示例中為P溝道MOS電晶體的又一偏置電晶體MOB進一步連接到第一正電源電壓參考VDD，該又一偏置電晶體MOB具有連接到其從那裡接收又一偏置電壓Vbias2 的又一偏置端子XB2的控制端子或柵極。特別地，又一偏置電壓Vbias2施加在又一偏置電晶體MOB中流動並且分離到第一差分電晶體對Ml和M2中的電流。比較塊15進一步包括多個鏡像電晶體，特別是第一鏡像電晶體M3、第二鏡像電晶體M4和第三鏡像電晶體M5,它們在該示例中為N溝道MOS電晶體。第一鏡像電晶體M3插入在第二內部鏡像節點YS2和第二負電源電壓參考VSS之間，是二極體配置的並且具有連接到第二內部鏡像節點YS2並連接到第二鏡像電晶體M4的控制端子或柵極的控制端子或柵極，第二鏡像電晶體M4進而插入在柵極驅動端子XGl和第二負電源電壓參考VSS之間。此外，第三鏡像電晶體M5插入在第一內部鏡像節點YSl和第二負電源電壓參考VSS之間，並且是二極體配置的且第三鏡像電晶體M5的控制端子或柵極連接到第一內部鏡像節點YSI。特別地，在差分輸入電壓VINp和VINn處於輸入端子INp和INn上的情況下，差分電晶體對Ml和M2根據以下關係向第一鏡像電晶體M3提供鏡像電流Is Is = gmin* (VINp-VINn)gmin是差分電晶體Ml和M2所形成的差分單元的跨導值。因此獲得了參考電流Iref，其在第二鏡像電晶體M4中流動並且根據電晶體M3和M4的鏡像關係而與鏡像電流Is成比例。輸入電流被用於差分電晶體對Ml和M2，其與驅動電路10的差分單元11的輸出電流Iout不相關，參考電流Iref與差分輸入電壓VINp-VINn 直接成比例(或線性相關)。因此獲得了如圖5所示的驅動電路10。特別地，驅動電路10包括之前參考圖2、圖3和圖4所示的差分單元11和比較塊15。注意到，驅動電路10將電流Iout與對應於輸出端子OUTl的驅動端子XGl中的Iref進行比較，因為差分單元11的輸出電晶體MOUTl和比較塊15的第二鏡像電晶體M4的串聯連接，無需使用運算放大器而直接以電流工作。特別地，直接驗證出在輸出電流Iout增加時，柵極驅動端子XG電壓增加，但接近比較塊15的第二鏡像電晶體M4和參考電流Iref，特別地進行定位以使得lout = Iref，也就是調整差分單元11。
應當注意的是，為了差分單元11正常工作，使用如電壓塊14所提供並且被施加於第二雙極電晶體T12的控制端子或基極的、具有數毫伏的寬度的恆定電壓信號Vos就足以使得差分單元11的雙極電晶體發生偏移。在可替換實施例中，可能在不使用電壓塊14的情況下確保差分單元11的正確工作。在這種情況下，差分單元11的雙極電晶體Tll和T12在面積(area) Al和A2方面適當偏移。特別地，如圖6所示，第二雙極二極體T12的尺寸被確定成使得其具有是第一雙極電晶體Tll的面積Al的三倍的面積A2。差分單元11的這種配置允許保持雙極電晶體對的跨導gm不變，這是因為gm = Ic/VT其中Vt是等於kT/q的熱電壓，其中k是波爾茲曼(Boltzmann)常數，T是開爾文(Kelvin)溫度,而q是電子電荷；並且『Ic是在第一雙極電晶體T11和第二雙極電晶體T12的集電極端子中流動的偏置電流。同時為每個雙極電晶體創建電壓差，等於Vbe = VT*ln(Ic/ISAT)其中Vbe是雙極電晶體的基極端子和發射極端子之間的電壓差；Vt是熱電壓；並且Isat是電晶體的飽和電流，其取決於電晶體自身的面積。雙極電晶體Tll和T12的面積偏移導致它們基極-發射極電壓之間的差異。以這種方式，由於這些電晶體的控制端子或基極連接到接地GND，所以負反饋電路節點XDll和XD12處於不同的電壓值。負反饋電路節點XD11和XD12之間的該電壓差異導致了通過負反饋電阻Rdegl和負反饋電晶體MDl的並聯的電流。該電流接近反饋電晶體MSll和MS12，並且第一反饋電晶體MSll的電流被輸出靜態MOUTl所鏡像，確保了電路整體的正確工作。根據本發明的該實施例，驅動電路10因此提供了要施加至負反饋驅動電晶體MDl的柵極端子的柵極驅動電壓值Vtgcl，從而獲得差分單元11的可控制且隨時間為線性的跨
導變化。根據本發明的驅動電路10可以被用於通過驅動電壓Vtgcl來驅動跨導系統的多個差分單元，該驅動電壓Vtgcl由於驅動電路10自身內的迴路而被自行控制。特別地，在甚至有2000-3000個單元的標準應用中，驅動電路10連接到大量差分單元LNA。為了確保所有差分單元的正確驅動，電壓緩衝器特別是運算放大器(由於其是常規的所以沒有示出)被插入在驅動節點XGl與到跨導系統中所要驅動的跨導放大器的差分電晶體單元的連接器之間，從而複製驅動電壓Vtgcl並且不給如以上所指出的那樣實現的控制迴路增加過大的負載。也可以通過如圖7A中示意性示出的受電壓控制的驅動電路來實施根據本發明的方法。
在這種情況下，驅動電路10包括運算放大器OA並且直接連接到驅動電路10向它們提供驅動電壓值Vtgcl的多個單元，特別是2500個單元LNA1. . . LNA2500。如之前在圖2、圖3和圖5所示的實施例中所看到的，驅動電路10包括差分單元11，其是驅動電路10意在進行驅動的跨導放大器的基本結構的拷貝。特別地，差分單元11包括第一電晶體Tll和第二電晶體T12，在該示例中為雙極電晶體，第一電晶體Tll和第二電晶體T12插入在反饋塊12和偏置塊13之間，反饋塊12進而連接到第一電壓參考，特別是電源VDD，偏置塊13進而連接到第二電壓參考，特別是接地GND。電壓發生器Voff連接到雙極電晶體Tl I和T12的控制端子或基極，以用於使得差分單元發生偏移並獲得電流信號Idiff。如之前所看到的，第一雙極電晶體Tll插入在第一反饋電路節點XSll和第一負反饋電路節點XDll之間，而第二雙極電晶體T12插入在第二反饋電路節點XS12和第二負反饋電路節點XD12之間。特別地，反饋塊12包括第一反饋電晶體MS11，其插入在第一正電源電壓參考VDD和第一反饋電路節點XSll之間，並且具有連接到第二反饋電晶體MS12的控制端子或柵極的控制端子或柵極，該第二反饋電晶體MS12是二極體連接的並且進而插入在第一正電源電壓參考VDD和第二反饋電路節點XS12之間。此外，偏置塊13包括第一偏置電流發生器Gl和第二偏置電流發生器G2，它們被特別選擇為彼此相等，它們分別插入在第一負反饋電路節點XDll和第二負反饋電路節點XD12與接地GND之間。如前，差分單元11進一步包括插入在第一負反饋電路節點XDll和第二負反饋電路節點XD12之間的負反饋電阻Rdegl，以及與負反饋電阻Rdegl並聯插入在第一負反饋電路節點XDll和第二負反饋電路節點XD12之間，並且具有連接到驅動端子XGl特別是柵極驅動端子XGl並且從那裡接收柵極驅動電壓Vtgcl特別是柵極驅動電壓Vtgcl的控制端子或柵極的負反饋驅動電晶體MD1。根據該可替換實施例，驅動電路10進一步包括運算放大器0A，其具有連接到驅動端子XGl的輸出端子。該運算放大器OA的存在允許直接驅動所要驅動的跨導放大器的多個差分電晶體單元。驅動電路10因此包括連接在正電源電壓參考VDD和節點Xref之間的第一電阻性元件R1。輸入電流發生器Gin連接到差分輸入端子IN+和IN-並且被其中的電壓所控制，其具有與圖5的比較塊15相同的功能。節點Xref連接到電流發生器Gin的輸出端子。在這種情況下，使得輸入電流發生器Gin的電流在第一電阻性元件Rl中流動，參考電壓VA被設置在節點Xref上並且因此被設置在運算放大器OA的第一輸入端子A上，從而允許進行電壓比較。特別地，參考電流Iref在第一電阻性元件Rl中流動，其與施加至輸入端子IN+和IN-的差分電壓信號成比例。
此外，第一電阻性元件Rl連接至運算放大器OA第一輸入端子A特別是反相輸入端子(_)，該運算放大器OA進而具有通過第二電阻性元件R2連接至正電源電壓參考VDD的第二輸入端子B，特別是非反相輸入端子(+)。運算放大器OA的第二輸入端子B進一步連接到第一反饋電路節點XSlI。
特別地，第一電阻性元件Rl和第二電阻性元件R2被選擇為彼此相等。應當注意的是，在第一反饋電路節點XSll處來自差分單元11的輸出電流Ioutl與其實際為控制參數的跨導成比例。特別地，輸出電流Ioutl等於第一電流Il和第二電流12之間的差，上述第一電流Il在第一雙極電晶體Tll中流動，上述第二電流12在第二反饋電晶體MS12(來自於第二雙極電晶體T12)中流動，並且因此在第一反饋電晶體MSll中流動，該第一反饋電晶體MSll與該第二反饋電晶體MS12在鏡像配置中。由於第二電阻性元件R2，這樣的輸出電流Ioutl生成了施加至運算放大器OA的第二輸入端子B的電壓值VB，上述運算放大器OA由於其自身的虛擬接地原理而趨向於使電壓值VB等於施加至其第一輸入端子A的電壓值VA，該電壓值VA進而由於電流Iref所獲得。以這種方式，改變參考電流Iref，運算放大器OA發生偏移，導致其輸出端子上的 驅動電壓Vtgcl的變化，結果導致差分單元11的等效電阻Req的變化。特別地，根據適用於第一反饋電路節點XSll的Kirchhoff法則，電流Iref在該等效電阻Req中流動，等於輸出電流Ioutl的一半。特別地，由於通過第一雙極電晶體Tll的電流Il等於第一偏置電流發生器Gl所提供的偏置電流Ibias加上在等效電阻Req中流動的電流Ireq(Il =Ibias+Ireq)，並且通過第二雙極電晶體T12的電流12等於第二偏置電流發生器G2所提供的偏置電流Ibias (並且等於第一偏置電流發生器所提供的偏置電流Ibias)減去在等效電阻Req中流動的電流Ireq (12 = Ibias-Ireq),所以在該第一反饋電路節點XSll中，具有Ioutl+12-Il = O,也就是 Ioutl = Ibias+Ireq-Ibias+Ireq = 2*Ireq實際上，包括驅動電路10和運算放大器OA的迴路改變了驅動電路10自身的差分單元11的跨導，並且由於最終比較電壓而不是電流結果改變了要施加至單元LNA1. . . LNA2500的驅動電壓值Vtgcl，但是無論如何都實施了根據本發明的驅動方法。特別地，根據該可替換實施例，驅動電路10包括比較塊15，比較塊15連接至節點Xref並且通過連接到差分輸入端子IN+、IN-且由其中的電壓控制的輸入發生器Gin所實現。此外，驅動電路10包括運算放大器OA以及第一電阻性元件Rl和第二電阻性元件R2，這樣的比較塊15因此通過運算放大器OA以及第一電阻性元件Rl和第二電阻性元件R2而與第一反饋電路節點XSll相關聯。在這種情況下，進行電壓比較，參考電流VA被設置在節點Xref上並且因此被設置在運算放大器OA的第一輸入端子上，使得輸入發生器Gin所提供的電流在第一電阻性元件Rl中流動。應當注意的是，如圖7B所示，隨著偏移電壓值Voff變化，可能從驅動電路10的差分單元11獲得差分輸出電流Ioutl。差分對的偏移電壓Voff的值在設計步驟中建立。總之，根據本發明實施例的驅動方法提供了能夠獲得可控制的且隨時間為線性的跨導變化的驅動電壓值，該驅動電壓由於驅動電路自身內的迴路而實際上是自行控制的。特別地，驅動電路提供了能夠對這樣的驅動電路所連接的放大器的非線性增益變化進行補償的驅動電壓。根據本發明的實施例，實施這樣的方法的驅動電路能夠通過使用單個迴路所獲得的受控的驅動電壓來驅動跨導系統中的多個跨導單元，這些單元甚至任選地為大的數目。顯然，旨在滿足偶然和特殊需求的本領域技術人員將會對以上所描述的驅動方法和電路進行若干修改，這些全部處於如以下權利要求所限定的本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種利用跨導放大器的負反饋驅動電晶體(MDl)的驅動電壓值(Vtgcl)的調整獲得所述跨導放大器的線性增益變化的驅動方法，該跨導放大器為包括至少一個差分電晶體單元的類型，所述方法特徵在於，其包括以下步驟 -生成作為所述跨導放大器的所述差分電晶體單元的拷貝的差分單元(11)的輸出電流信號(Ioutl)，隨著所述驅動電壓(Vtgcl)變化，所述輸出電流信號(Ioutl)與所述拷貝差分單元(11)的跨導值(gml)具有線性關係； -生成與差分輸入電壓具有線性關係的參考電流信號(Iref)； -將所述輸出電流信號(Ioutl)和所述參考電流信號(Iref)進行比較以便調整所述驅動電壓值(Vtgcl)並且修改所述拷貝差分單元(11)的所述跨導值(gml)直至所述電流信號(Ioutl, Iref)平衡。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述生成所述拷貝差分單元(Ioutl)的輸出電流信號(Ioutl)的步驟包括偏移所述拷貝差分單元(11)中所包括的一對電晶體(T11，T12)的步驟。
3.一種跨導系統，包括連接到進而包括至少一個差分電晶體單元的跨導放大器的驅動電路(10)，其特徵在於，所述驅動電路(10)包括 -差分單元(11)，其作為所述跨導放大器的所述差分單元的拷貝並且包括插入在進而連接到第一電壓參考(VDD)的反饋塊(12)的相應的反饋電路節點(XSlI，XS12)和進而連接到第二電壓參考(VSS)的偏置塊(13)的相應的負反饋電路節點(XD11，XD12)之間的至少一個第一電晶體和一個第二電晶體(Tll，T12)，彼此並聯地插入在所述負反饋電路節點(XD1LXD12)之間的負反饋電阻(Rdegl)和負反饋驅動電晶體(MDl)，所述負反饋驅動電晶體(MDl)具有連接到驅動端子(XGl)的控制端子；以及 -比較塊(15)，其插入在所述第一電壓參考和第二電壓參考(VDD，VSS)之間並且連接到所述驅動端子(XG1)，所述比較快(15)向所述驅動端子(XGl)提供受控驅動電壓值(Vtgcl)； 所述拷貝差分單元(11)在所述驅動端子(XGl)上提供與其跨導值(gml)成比例的輸出電流值(Ioutl)，並且所述比較塊(15)在所述驅動端子(XGl)上提供與到所述比較塊(15)的輸入電壓具有線性關係的參考電流值(Iref)。
4.根據權利要求3所述的跨導系統，其特徵在於，所述驅動電路(10)進一步包括輸出電晶體(MOUTl)，其插入在所述第一電壓參考(VDD)和所述驅動端子(XGl)之間並且連接至第一反饋電路節點(XSll)。
5.根據權利要求3所述的跨導系統，其特徵在於，所述反饋塊(12)包括分別插入在所述第一電壓參考(VDD)和所述反饋電路節點(XS11，XS12)之間的至少一個第一反饋電晶體和一個第二反饋電晶體(MS11，MS12)，所述第二反饋電晶體(MS12)是二極體連接的並且所述第一反饋電晶體(MSll)具有連接至所述輸出電晶體(MOUTl)的控制端子的控制端子。
6.根據權利要求3所述的跨導系統，其特徵在於，所述比較塊(15)包括 -差分電晶體對(Ml，M2)，其插入在內部偏置節點(YB)和相應的第一內部鏡像節點和第二內部鏡像節點(YS1，YS2)之間，並且具有連接到一對差分輸入(INp，INn)的相應的控制端子；以及 -多個鏡像電晶體(M3，M4，M5)，分別連接到所述第一內部鏡像節點和第二內部鏡像節點(YS1，YS2)以及到所述驅動端子(XGl)，還到所述第二電壓參考(VSS)。
7.根據權利要求6所述的跨導系統，其特徵在於，所述多個鏡像電晶體(M3，M4，M5)至少包括 -第一鏡像電晶體(M3)，其插入在所述第二內部鏡像節點(YS2)和所述第二電壓參考(VSS)之間，其是二極體配置的並且具有連接到所述第二內部鏡像節點(YS2)的控制端子； -第二鏡像電晶體(M4)，其進而插入在所述驅動端子(XGl)和所述第二電壓參考(VSS)之間，並且具有連接到所述第一鏡像電晶體(M3)的所述控制端子的控制端子；以及 -第三鏡像電晶體(M5)，其插入在所述第一內部鏡像節點(YSl)和所述第二電壓參考(VSS)之間，並且是二極體配置的且所述第三鏡像電晶體(M5)的控制端子連接到所述第一內部鏡像節點(YSl)。
8.根據權利要求7所述的跨導系統，其特徵在於，所述比較塊(15)進一步包括偏置電晶體(MOB)，所述偏置電晶體(MOB)插入在所述第一電壓參考(VDD)和所述內部偏置節點(YB)之間，並且具有連接到其從那裡接收又一偏置電壓(Vbias2)的又一偏置端子(XB2)的控制端子。
9.根據權利要求3所述的跨導系統，其特徵在於，所述拷貝差分單元(11)的第一電晶體和第二電晶體(T11，T12)被偏移。
10.根據權利要求9所述的跨導系統，其特徵在於，所述第一電晶體(Tll)具有連接到又一電壓參考(GND)的控制端子，並且所述第二電晶體(T12)具有連接到電壓塊(14)的控制端子，該電壓塊(14)進而連接到所述又一電壓參考(GND)並且適於向所述控制端子提供能夠偏移所述拷貝差分單元(11)的所述第一電晶體和第二電晶體(Tll，T12)的恆定電壓信號(Vos)。
11.根據權利要求9所述的跨導系統，其特徵在於，所述拷貝差分單元(11)的所述第一電晶體和第二電晶體(T11，T12)具有連接到又一電壓參考(GND)的控制端子並且在面積(A1，A2)方面有所偏移。
12.根據權利要求3所述的跨導系統，其特徵在於，所述偏置塊(13)包括分別插入在所述負反饋電路節點(XD11，XD12)和所述第二電壓參考(VSS)之間的第一偏置電晶體和第二偏置電晶體(MB11，MB12)，並且所述第一偏置電晶體和第二偏置電晶體(MB11，MB12)具有相互連接並且連接到它們從那裡接收偏置電壓(Vbiasl)的偏置端子(XBl)的控制端子。
13.根據權利要求3所述的跨導系統，其特徵在於，所述比較塊(15)包括輸入電流發生器(GIN)，其由差分輸入電壓所控制並且通過至少一個運算放大器(OA)連接到第一反饋電路節點(XSll)，所述運算放大器(OA)進而具有連接到所述驅動端子(XGl)的輸出端子。
14.根據權利要求13所述的跨導系統，其特徵在於，所述驅動電路(10)進一步包括第一電阻性元件和第二電阻性元件(Rl，R2)，其插入在所述第一電源電壓參考(VDD)和所述運算放大器(OA)的相應的第一輸入端子和第二輸入端子(A，B)之間，所述第二輸入端子(B)進一步連接到所述第一反饋電路節點(XSll)。
15.根據權利要求14所述的跨導系統，其特徵在於，所述反饋塊(12)包括第一反饋電晶體(MSll)，其插入在所述第一電源電壓參考(VDD)和所述第一反饋電路節點(XSll)之間並且具有連接到第二反饋電晶體(MS12)的控制端子的控制端子，所述第二反饋電晶體(MS12)是二極體連接的並且進而插入在所述第一電源電壓參考(VDD)和第二反饋電路節點(XS12)之間。
16.根據權利要求15所述的跨導系統，其特徵在於，所述偏置塊(13)包括分別插入在所述第一負反饋電路節點和第二負反饋電路節點(XD11，XD12)與所述第二電壓參考(GND)之間的第一偏置電流發生器和第二偏置電流發生器(Gl，G2)。
全文摘要
本發明涉及利用跨導放大器的負反饋驅動電晶體(MD1)的驅動電壓值(Vtgc1)的調整獲得所述跨導放大器的線性增益變化的驅動方法，該跨導放大器為包括至少一個差分電晶體單元的類型，該方法包括以下步驟生成作為所述跨導放大器的所述差分電晶體單元的拷貝的差分單元(11)的輸出電流信號，隨著所述驅動電壓(Vtgc1)變化，所述輸出電流信號與所述拷貝差分單元(11)的跨導值具有線性關係；生成與差分輸入電壓具有線性關係的參考電流信號；將所述輸出電流信號和所述參考電流信號進行比較以便調整所述驅動電壓值(Vtgc1)並且修改所述拷貝差分單元(11)的所述跨導值直至所述電流信號平衡。
文檔編號H03G1/00GK102668373SQ201080051802
公開日2012年9月12日 申請日期2010年9月29日 優先權日2009年11月30日
發明者D·榮奇, G·裡科蒂, M·阿爾伯蒂尼, S·羅西 申請人:意法半導體股份有限公司