專利名稱：線性放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種線性放大器。本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種包含線性放大器的限幅放大器。
線性放大器被廣泛用于相對高頻應(yīng)用中，例如用作接收機(jī)和發(fā)射機(jī)。當(dāng)輸入信號為二進(jìn)制信號時，也就是具有位于一個相對大范圍(例如GHz)內(nèi)的低值和高值時，放大器的所需帶寬相對較大。此外，放大器需要以一個最小的失真電平為相對低電平信號和高電平信號提供一個相對恒定的增益。
US-A-6,404,285描述了一種使用于中頻電壓增益放大器的差分放大器，以便同時給較小的和較大的差分輸入信號產(chǎn)生一個充分線性的差分輸出信號。此放大器包括一對耦合在它們的發(fā)射極處的晶體管，該對晶體管經(jīng)由另一個晶體管偏置，該另一個晶體管的基極經(jīng)由一對電阻耦合到差分輸入信號?？梢杂^察到，當(dāng)此放大器直接以CMOS技術(shù)實施時，所得到的放大器具有低得多的放大率，因為CMOS晶體管的跨導(dǎo)低得多，例如比雙極型晶體管的跨導(dǎo)低40倍。因此，增加該放大器的增益是必需的。該放大器增益的任何增加對于輸入信號確定了一個較小的可用帶寬，因為對一個給定的放大器來說，所謂的增益帶寬積是一個相對恒定的參數(shù)。
因此本發(fā)明的一個目的是提供一種以CMOS技術(shù)實施的減輕上述問題的線性放大器。
本發(fā)明通過各獨(dú)立權(quán)利要求限定。各從屬權(quán)利要求限定各有利實施例。
各交叉耦合輸出端確定一個前饋，該前饋確定輸入信號的補(bǔ)充放大率。一個適當(dāng)選擇的電容值確定放大器的可用帶寬的增加。隨后，一個二進(jìn)制輸入信號的上升和下降沿不會被嚴(yán)重失真。
在本發(fā)明的一個實施例中，第一差分放大器包括一個經(jīng)電阻裝置耦合到一個共漏極晶體管對的第一晶體管對，通過該共漏極晶體管對的電流提高該第一差分放大器的線性度。第二差分放大器包括一個第二晶體管對，該第二晶體管對被提供有與第一差分放大器基本相等的電流。
第三差分放大器可以包括一個第三晶體管對，該第三晶體管對的對應(yīng)源極端子經(jīng)電容耦合。讓我們考慮第一晶體管對包括具有相同面積的晶體管，并且被包括在該共漏極晶體管對中的晶體管具有不同的面積。讓我們進(jìn)一步用R表示該電阻裝置并用i表示流經(jīng)它的電流。下列各關(guān)系式可以被寫出VID=2iRVID=2i1β1-2i3β3+iRVID=2i3β3-2i2β1+iRi3=I0-(i1+i2)----(1)]]>在關(guān)系式(1)中，β1和β3分別是對應(yīng)于所述晶體管對和所述共漏極晶體管的尺寸的系數(shù)。VT是各晶體管的閾值電壓。i1和i2是通過所述晶體管對的電流。ViD是差分輸入信號，IB是第一晶體管對和第二晶體管對的偏置電流。i3是流經(jīng)該共漏極晶體管對的電流。如等式(2)中，i3是關(guān)于輸入差分電壓ViD的二次方。
i3=I01+2(W1W3)(1-β1VID24I0)----(2)]]>差分輸出電流如等式(3)所示依賴于差分輸入電壓iOD=i1-i2=β12I0β3(1+2W1W3)·VID1-β1VID24I0----(3)]]>這里將提到，β1ViD2項具有電流的量綱。進(jìn)一步觀察到的是，如果IB被選擇成使得β1ViD2＜＜IB，則關(guān)系式(3)簡化為關(guān)系式(4)。
iOD=β12I0β3(1+2W1W3)·VID----(4)]]>因此，電流線性地取決于差分輸入電壓。當(dāng)使用電容時，等式(4)可以被改寫在等式(5)中。
iOD(t)=β12I0β3(1+2W1W3)·[VID+τ(C)δVIDδt]----(5)]]>在+關(guān)系式(5)中，τ(C)是一個依賴于電容值和第二晶體管對的輸出阻抗的時間常數(shù)。如果我們以R2來表示這個阻抗以及以C表示該電容值，則該時間常數(shù)等于R2*C。很容易從關(guān)系式(5)看到，當(dāng)二進(jìn)制信號被使用時該電容提高了放大器性能，并且即使當(dāng)輸入信號具有相對小的值時， 項也具有非常大的位。
在另外一個實施例中，該線性放大器被用在一個包括一個線性放大器鏈的限幅器放大器中。該限幅放大器進(jìn)一步包括多個級聯(lián)耦合的限幅放大器，所述多個級聯(lián)耦合的限幅放大器進(jìn)一步被耦合到該線性放大器鏈并且提供一個經(jīng)限幅的差分信號。限幅器放大器被廣泛應(yīng)用于頻率調(diào)制信號的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)中。它們通常包括一個與吉爾伯特單元級聯(lián)以提供二進(jìn)制類型信號的高增益放大器。當(dāng)輸入信號已經(jīng)是二進(jìn)制并且處于一個相對高頻范圍內(nèi)時，所述線性放大器可以包括如前面所描述的多個線性放大器。
在本發(fā)明的另外一個實施例中，該限幅器放大器進(jìn)一步包括一個反饋差分積分器以用于調(diào)節(jié)該限幅器放大器的偏移電壓。該積分器的截止頻率被選擇成大大低于在限幅器中的輸入信號的頻率范圍。該積分器提供一個相對恒定的輸出信號以用于調(diào)節(jié)該限幅器的偏移量。
在本發(fā)明的另外一個實施例中，所述多個限幅放大器中的至少一個限幅放大器的輸入端經(jīng)由串聯(lián)耦合的基本相等的電阻而耦合，以便提供一個共模信號。該共模信號被提供給一個復(fù)制偏置電路，該復(fù)制偏置電路生成一個補(bǔ)償信號以偏置該線性放大器鏈和所述多個限幅放大器。該補(bǔ)償信號主要由該共模信號確定，該共模信號由溫度變化確定。例如，溫度增加確定放大器增益下降，并且該補(bǔ)償信號確定限幅器的增益相對恒定。
該復(fù)制偏置電路可以包括一對復(fù)制晶體管，它們的相應(yīng)端子耦合，也就是漏極到漏極、源極到源極以及柵極到柵極，它們的柵極被耦合到該共模信號；一個跨導(dǎo)放大器，其產(chǎn)生該補(bǔ)償信號，該補(bǔ)償信號與在參考信號和該對復(fù)制晶體管的漏極中的電壓之間的差成比例。
該參考信號可以是一個帶隙電壓發(fā)生器。該共模信號在其中一個限幅放大器的輸入端處被測量。該跨導(dǎo)放大器將該對復(fù)制晶體管的漏極中的電壓和帶隙電壓作比較，并且生成一個依賴于溫度和技術(shù)工藝的輸出電流。該電流進(jìn)一步被用于調(diào)節(jié)各線性放大器和各限幅放大器中的偏置電流。
通過參考附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例的隨后描述，本發(fā)明的上述和其它特征和優(yōu)點(diǎn)將是顯而易見的，其中

圖1描述了根據(jù)本發(fā)明的線性放大器的框圖表示；圖2描述了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的線性放大器的更詳細(xì)的表示；圖3描述了根據(jù)本發(fā)明的限幅器放大器的框圖表示；圖4描述了根據(jù)本發(fā)明的限幅器放大器的更詳細(xì)的表示。
圖1描述了根據(jù)本發(fā)明的線性放大器的框圖表示。該線性放大器電路包括一個具有用于接收二進(jìn)制輸入信號的差分輸入端I+、I-以及差分輸出端O+、O-的第一差分放大器DA1。該線性放大器進(jìn)一步包括一個其輸入端被耦合到差分輸入端I+、I-的第二差分放大器DA2。該線性放大器電路包括一個被級聯(lián)耦合到第二差分放大器DA2的第三差分放大器DA3，其輸出端O1+、O1-在一個前饋連接中被交叉耦合到差分輸出端，也就是O1+被耦合到O-以及O1-被耦合到O+。符號+和-分別指示非反向輸出和反向輸出。此外，反向輸出產(chǎn)生一個基本上與輸入信號反相的信號，以及非反向輸出產(chǎn)生一個基本上與輸入信號同相的信號。
電容C被耦合到第三差分放大器DA3，以用于確定線性放大器帶寬的增加，流經(jīng)該電容C的電流與差分輸入信號I+、I-的導(dǎo)數(shù)成比例。
該線性放大器的一個CMOS實現(xiàn)在圖2中被展示。第一差分放大器DA1包括經(jīng)電阻R耦合到一個共漏極晶體管對M3、M4的第一晶體管對M1、M6。作為關(guān)系式1到5的結(jié)果，流經(jīng)該共漏極晶體管對的電流I3提高了第一差分放大器DA1的線性度。第二差分放大器DA2包括第二晶體管對M2、M5，其被提供一個與第一差分放大器DA1基本相等的電流?？梢杂^察到，晶體管M1、M6、M2、M5具有基本相同的面積，并且都從相同的電流源I0供電。因此，流經(jīng)這些晶體管的電流彼此基本相等。第三差分放大器DA3包括第三晶體管對M7、M8，其各自源極端子經(jīng)電容C耦合。輸入信號I+、I-在晶體管M2和M5的漏極中被線性復(fù)制，并且因此在晶體管M7和M8的源極中被線性復(fù)制。流入該電容的電流是通過M7和M8在輸出節(jié)點(diǎn)處的輸入電壓交叉注入電流的導(dǎo)數(shù)。電流I1與電流I0相比是小的，同時晶體管M7和M8的尺寸比晶體管M1和M6的尺寸小。適當(dāng)?shù)剡x擇晶體管的尺寸和時間常數(shù)R2C，電路的小信號帶寬幾乎加倍，并且在一個瞬態(tài)中可以觀察到更少的上升和下降次數(shù)。這個電路可以無需在這種技術(shù)中很不希望出現(xiàn)的源極跟隨器而被直接級聯(lián)到下一級。
前四級是相同的，并且一旦信號已經(jīng)被放大到合理的電平，下四級能相應(yīng)地限幅輸入信號。接下來的各限幅級基于差分對，除了其中已經(jīng)添加了一個復(fù)制偏置電路的最后一級以外(見圖4)。
圖3描述了根據(jù)本發(fā)明的限幅器放大器的框圖表示。它包括如圖1所示的線性放大器鏈LIN1、LIN2、LIN3、LIN4以及被級聯(lián)耦合并且進(jìn)一步耦合到該線性放大器鏈LIN1、LIN2、LIN3、LIN4并提供一個經(jīng)限幅的差分信號OUT+、OUT-的多個限幅放大器NLN1、NLN2、NLN3、NLN4。該限幅器放大器進(jìn)一步包括一個反饋差分積分器A1、R1、R2、R3、R4、C1、C2以便調(diào)節(jié)該限幅器放大器的偏移電壓。每一個線性放大器LIN1、LIN2、LIN3、LIN4的增益被選擇為4dB左右，以便將在輸入端處出現(xiàn)的小信號放大到被接下來的限幅放大器所需要的足夠大的信號。雖然該處理限制了一級的增益帶寬積，但是增益分布提高了整個限幅器的總的增益帶寬積。這里的主要要求是通過確保在各線性塊的高頻下的峰值被限幅來降低各增益級的群延遲失真。最終，以10GHz的總的小信號帶寬獲得52dB的增益。反饋差分積分器A1、R1、R2、R3、R4、C1、C2從輸出端放大偏移并且在輸入端處反饋一個必需的校正信號以補(bǔ)償該偏移。使用電阻分壓器R3、R4和50Ω的輸入電阻，環(huán)路的時間常數(shù)被增加?？紤]A是限幅器的增益并且在第一實例中忽略其頻率滾降(roll-off)，并且如果τ表示積分器的時間常數(shù)以及α表示在輸入端處的電阻分壓器的衰減，則限幅器的閉環(huán)增益為VOVI=A(1+jωτB)(1+ABα)+jωτB----(6)]]>可以被近似為Aα/τ的低頻極點(diǎn)不僅依賴于積分器時間常數(shù)τ，而且也依賴于衰減因子α。因此，可以以小的積分電容來積分一個對應(yīng)于1KHz截止頻率的有效時間常數(shù)。
圖4描述了根據(jù)本發(fā)明的限幅器放大器的一個更詳細(xì)的表示。該限幅器放大器進(jìn)一步包括一個復(fù)制偏置電路，其提供一個補(bǔ)償信號Icomp以偏置線性放大器鏈LIN1、LIN2、LIN3、LIN4和所述多個限幅放大器NLN1、NLN2、NLN3、NLN4。該復(fù)制偏置電路包括一對復(fù)制晶體管MR1、MR2，它們的對應(yīng)端子耦合，也就是漏極到漏極、源極到源極以及柵極到柵極，它們的柵極被耦合到所述共模信號。跨導(dǎo)放大器A2生成所述補(bǔ)償信號Icomp，該補(bǔ)償信號與參考信號VSW和該對復(fù)制晶體管MR1、MR2的漏極中的電壓之間的差成比例。
該復(fù)制偏置電路確保限幅器中的電流隨著溫度以及隨著溫度改變的恒定擺動，以便對于較高溫度補(bǔ)償各級的增益下降。電壓VSW是帶隙參考電壓。該復(fù)制偏置電路隨著溫度/處理很好地與限幅器的最后一級匹配。共模電壓VCM在最后一級的輸入端處被測量?？鐚?dǎo)放大器A2將電阻R50上的電壓和電壓VSW作比較，以便隨著溫度和處理來調(diào)節(jié)電路尾部的電流I0。在一個實施例中，R50的電阻值為50ohm。
需要注意的是，本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于在此描述的各實施例。本發(fā)明的保護(hù)范圍也不局限于權(quán)利要求中的附圖標(biāo)記?！鞍ā币辉~并不排除在權(quán)利要求中提到的以外的其它部分。元件之前的“一個”不排除多個那樣的元件。構(gòu)成本發(fā)明的一部分的裝置可以以專用硬件的形式或者以經(jīng)編程的處理器的形式實施。本發(fā)明存在于每一個新的特征或特征組合中。
權(quán)利要求
1.一種線性放大器電路，包括-具有用于接收一個二進(jìn)制輸入信號的差分輸入端(I+，I-)以及差分輸出端(O+，O-)的第一差分放大器(DA1)；-其輸入端被耦合到所述差分輸入端(I+，I-)的第二差分放大器(DA2)；-在一個前饋連接中被級聯(lián)耦合到第二差分放大器(DA2)并且其輸出端交叉耦合到所述差分輸出端的第三差分放大器(DA3)；以及-被耦合到第三差分放大器(DA3)以用于確定該線性放大器的帶寬增加的電容(C)，流經(jīng)該電容(C)的電流與所述差分輸入信號(I+，I-)的導(dǎo)數(shù)成比例。
2.如權(quán)利要求1所述的線性放大器，其中第一差分放大器(DA1)包括經(jīng)由電阻裝置(R)耦合到一個共漏極晶體管對(M3，M4)的第一晶體管對(M1，M6)，流經(jīng)該共漏極晶體管對的電流(13)提高該第一差分放大器(DA1)的線性度。
3.如權(quán)利要求1所述的線性放大器，其中第二差分放大器(DA2)包括第二晶體管對(M2，M5)，該第二晶體管對(M2，M5)被提供有與第一差分放大器(DA1)基本相等的電流。
4.如權(quán)利要求1所述的線性放大器，其中第三差分放大器(DA3)包括第三晶體管對(M7，M8)，該第三晶體管對(M7，M8)的對應(yīng)的源極端子經(jīng)由電容(C)耦合。
5.一種限幅器放大器，包括-如權(quán)利要求1中所述的線性放大器電路鏈(LIN1，LIN2，LIN3，LIN4)；-被級聯(lián)耦合并且進(jìn)一步耦合到該線性放大器鏈(LIN1，LIN2，LIN3，LIN4)并提供一個經(jīng)限幅的差分信號(OUT+，OUT-)的多個限幅放大器(NLN1，NLN2，NLN3，NLN4)。
6.如權(quán)利要求5所述的限幅器放大器，進(jìn)一步包括一個反饋差分積分器(A1，R1，R2，R3，R4，C1，C2)，以便調(diào)節(jié)該限幅器放大器的偏移電壓。
7.如權(quán)利要求5所述的限幅器放大器，其中所述多個限幅放大器(NLN1，NLN2，NLN3，NLN4)中的至少一個限幅放大器(NLN4)的輸入端經(jīng)由串聯(lián)耦合的基本相等的電阻(R0)而耦合，以便提供一個共模信號(VCM)。
8.如權(quán)利要求7所述的限幅器放大器，進(jìn)一步包括一個復(fù)制偏置電路以提供一個補(bǔ)償信號(Icomp)，該補(bǔ)償信號(Icomp)偏置該線性放大器鏈(LIN1，LIN2，LIN3，LIN4)和所述多個限幅放大器(NLN1，NLN2，NLN3，NLN4)。
9.如權(quán)利要求8所述的限幅器放大器，其中所述復(fù)制偏置電路包括-一對復(fù)制晶體管(MR1，MR2)，它們的對應(yīng)端子耦合，也就是漏極到漏極、源極到源極以及柵極到柵極，它們的柵極被耦合到所述共模信號；以及-一個產(chǎn)生所述補(bǔ)償信號(Icomp)的跨導(dǎo)放大器(A2)，該補(bǔ)償信號(Icomp)與一個參考信號(VSW)和該對復(fù)制晶體管(MR1，MR2)的漏極中的電壓之間的差成比例。
全文摘要
一個線性放大器電路包括具有用于接收二進(jìn)制輸入信號的差分輸入端(I+、I－)以及差分輸出端(O+、O－)的第一差分放大器(DA1)；其輸入端被耦合到差分輸入端(I+、I－)的第二差分放大器(DA2)。該放大器還包括被級聯(lián)耦合到第二差分放大器(DA2)的第三差分放大器(DA3)，其輸出端在一個前饋連接中被交叉耦合到差分輸出端；被耦合到第三差分放大器(DA3)以用于確定該線性放大器的帶寬增加的電容(C)，流經(jīng)該電容(C)的電流與所述差分輸入信號(I+，I－)的導(dǎo)數(shù)成比例。
文檔編號H03F1/08GK1771658SQ200480009393
公開日2006年5月10日 申請日期2004年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月4日
發(fā)明者M·A·T·桑杜里努, E·F·斯蒂克沃特 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司