專利名稱：具有匹配輸出的運算跨導放大器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及電子放大器電路，特別涉及具有多個輸出端的電流放大器電路。
便攜式由電池操作的產(chǎn)品如射頻通信設備，希望具有可能的最小總電耗，以便延長電池壽命。還希望以可能的最小電壓操作這種產(chǎn)品，以使它們的總功率消耗減至最小程度。
常規(guī)的射頻通信設備可使用一個或幾個應用特別的集成電路來實現(xiàn)諸如鎖相環(huán)的功能以合成數(shù)字邏輯或射頻電路所需的頻率。為了節(jié)約功率，一個合成器或在應用特別的集成電路中實現(xiàn)的其它電路一般應該使用盡可能低的電壓工作。此外，為了更加節(jié)省功率，這些電路可以以節(jié)電方式工作，在有效處理周期期間(如信號發(fā)送或接收，數(shù)據(jù)存儲，檢索或顯示)一個或幾個電路接通，而在“睡眠”或“休息”期間關(guān)斷。以這種方式工作，便攜式電池操作的產(chǎn)品可顯著地增加可用的電池壽命，因此得到在射頻通信設備如蜂窩電話等有更多的“講話時間”。
在過去，在應用特別是的集成電路中實現(xiàn)的低電壓電路一般由雙極模擬或I2L(集成注入邏輯)邏輯電路構(gòu)成。這些雙極電路存在一些問題，如差的高速運算(每個門電路0.25μA工作的I2L一般只在50KH2左右工作)，缺少動態(tài)范圍(常規(guī)的低壓雙極性模擬電路的飽和點一般為20mV，從一伏電源得到小于600mV的范圍)和它們的固有工作特性隨溫度極大的變化。
據(jù)此，現(xiàn)在需要低電壓CMOS(互補金屬氧化物半導體)工藝過程和合適的電路布局技術(shù)，設計者能使用在射頻通信設備中的應用特別的集成電路取得模擬和數(shù)字兩個功能。這樣，低電壓CMOS設計可工作在比可比較的雙極設計明顯地低的功率電平。此外，當以節(jié)電方式工作時，CMOS設計可以更有效地節(jié)省功率，同時提供改善的電路性能特性。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，多輸出端集成電路放大器由第一主電流鏡電路(current mirror)和多個輔助電流鏡電路。第一主電流鏡電路由在單片基底上實現(xiàn)的互補金屬氧化物半導體場效應晶體管構(gòu)成，具有一個第一主輸入端。響應耦合在第一輸入端的第一電流信號，第一主電流鏡電路產(chǎn)生多個第一反向的主電流輸出。多個輔助電流鏡電路由在相同的單片基底上實現(xiàn)的互補金屬氧化物半導體場效應晶體管構(gòu)成，其每一個都有一個輔助輸入端，該輔助輸入端連接到第一主電流鏡電路的多個主電流輸出端的一個獨特的輸出端，所述多個輔助電流鏡電路的每個電路都具有一個增益，而所述多個輔助電流鏡電路的每個電路產(chǎn)生一個反向的輔助電流輸出信號，其幅度基本上由耦合到多個主電流輸出端的一個獨特的輸出及其增益確定。


圖1示出適合與本發(fā)明一起使用的射頻通信系統(tǒng)的方框圖。
圖2示出圖1適合與本發(fā)明一起使用的圖1所示系統(tǒng)中的無線電話機的方框圖。
圖3示出于適合與本發(fā)明一起使用的圖1所示系統(tǒng)中的選呼接收機的方框圖。
圖4示出本發(fā)明的另一個實施例中用于無線通信設備中的多輸出端運算跨導放大器的電方框圖。
圖5示出本發(fā)明的優(yōu)選實施例中用于無線通信設備的多輸出端運算跨導放大器的電方框圖。
參見圖1，無線通信系統(tǒng)的優(yōu)選實施例包括一個電話機101，通過常規(guī)的公共交換電話網(wǎng)(PSTN)連接到一個系統(tǒng)控制器102，它可監(jiān)視射頻發(fā)射機/接收機103的操作，而且編碼及解碼入境和出境地址為與相應的陸線及蜂窩無線電話尋址要求兼容的格式。系統(tǒng)控制器102也可起著編碼由射頻發(fā)射機/接收機103用于傳輸?shù)膶ず粝⒌淖饔?。電話信號由連接到射頻發(fā)射機/接收機的至少一個天線發(fā)送到和從無線電話機105接收。射頻發(fā)射機/接收機103也可用于發(fā)送尋呼消息到一個任選的選呼接收機106。
應該指出，系統(tǒng)控制器102能夠在分布傳輸控制環(huán)境中工作，該環(huán)境允許混合蜂窩的、同播、主/從或任何常規(guī)的寬域和局域覆蓋方案。此外，本領域的技術(shù)人員可以認識到，該電話和尋呼功能可駐留在分開的系統(tǒng)控制器中，可以獨立地或者以組網(wǎng)的方式工作。
參見圖2，示出了電池201供電的無線電話機的方框圖。射頻信號以載波頻率被接收和/或由天線202發(fā)送。該天線由一個雙工器205接到一個接收機203和一個發(fā)射機204。接收的信號由接收機203濾波和解調(diào)，解調(diào)的信號從接收機203接到控制電路206，用于恢復包含在所接收信號內(nèi)的任何信息?？刂齐娐?06還使用一個鎖相環(huán)頻率合成器產(chǎn)生本地振蕩器的基準頻率，而且還產(chǎn)生耦合到接收機203的多個濾波器控制信號控制接收機230中的濾波。然后恢復的信息由控制電路用于啟動一個提醒器207(在蜂窩無線電話機的情況為振鈴器)，而且在應答該呼叫之后支持電話連接。當電話連接完成時，該用戶可經(jīng)過揚聲器208和麥克風209與另一方進行聲音通信?？刂齐娐?06發(fā)送恢復的聲音到揚聲器208，揚聲器208將電能變換為聲能，因而使該用戶能聽見任何通信。麥克風209用于變換聲能為電能，由控制電路206用于調(diào)制由發(fā)射機204產(chǎn)生的射頻載波。
該用戶可通過選擇適當?shù)目刂破?10并且輸入要聯(lián)系一方的號碼開始呼叫。當輸入和發(fā)送時，該號碼可出現(xiàn)在顯示211上給用戶提供可視的反饋，證實所輸入的和隨后發(fā)送的號碼。
參見圖3，示出電池312供電的選呼接收機的方框圖。該選呼接收機工作以便經(jīng)過天線313接收信號。所接收的信號從天線313發(fā)送到接收機314。接收機314工作以便使用常規(guī)技術(shù)濾波和解調(diào)所接收的信號，并且傳送解調(diào)的信號到控制電路315，控制電路315解碼和恢復包含在所接收信號內(nèi)的信息?？刂齐娐?15還使用一個鎖相環(huán)頻率合成器產(chǎn)生本地振蕩器基準頻率，而且還產(chǎn)生耦合到接收機315用于控制在接收機315中的濾波的多個濾波器控制信號。根據(jù)恢復的信息和用戶控制316，該選呼接收機諸如利用顯示器317可顯示該信息的至少一部分，而且可經(jīng)過可檢測的提醒318發(fā)信號通知用戶該消息已收到。
在無線電話機和選呼接收機二者的優(yōu)選實施例中，相關(guān)的控制電路206、315可包括一個微處理或?qū)Ｓ眉呻娐?，它實現(xiàn)諸如一個信號處理器(例如解碼器)、一個常規(guī)的信號復用器、一個電壓調(diào)節(jié)器的功能，該電壓調(diào)節(jié)器可提供調(diào)節(jié)的電壓給無線電設備的其它部分。可替代地，相關(guān)的控制電路206315可包括這樣的特性，如A/D、D/A變換器，可編程的I/O端口，控制總線如用于光或溫度情況的環(huán)境檢測電路，音頻功率放大電路，控制接口電路，時鐘或本地振蕩器頻率合成器和顯示亮度電路。典型地這些單元用常規(guī)方法組裝以提供包括用戶要求的無線電話機或選呼接收機的適合市場銷售的特性。
參見圖4，示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的多輸出端運算跨導放大器(OTA)400的電方框圖，用于上述通信設備(選呼接收機106和便攜無線電話機)的顯示器317和顯示器211中，所描述的是本發(fā)明的具有多個輸出端的OTA400的另一個實施例。這里所描述的本發(fā)明的另外一個實施用于驅(qū)動液晶顯示器317象素的行和列，其中要求多個輸出端，但是應該知道，OTA400是可用于其它功能。電路輸入信號接到多輸出端OTA400的電路輸入410。電路輸入410是具有一個正輸入412和一個負輸入411的差動輸入。差動輸入信號交叉耦合到多個OTA放大器420的差動輸入級正輸入416(圖4中標記為Pin)和級負輸入415(圖4中標記為Min)。每個OTA放大器420在多個輸出430端產(chǎn)生一個非反向的單端輸出信號，其幅度與每個OTA放大器420的增益有關(guān)。輸出信號耦合到液晶顯示器317的列。該差動輸入信號還直接耦合到多個OTA放大器440的差動輸入級正輸入416和級負輸入415。每個OTA放大器在多個輸出450產(chǎn)生一個反向的單端輸出信號，其幅度與每個OTA放大器440的增益有關(guān)。這些輸出信號耦合到液晶顯示器317的列。這些輸出信號以本領域眾所周知的方式通過控制串聯(lián)在OTA級420和440的輸出級中的晶體管接通和斷開。
可以知道，OTA的輸出信號430相對于OTA440的輸出信號是反向的。
還可知道，該級輸入和該電路輸入410可以是單端的，而不是差動輸入，在這種情況下OTA420和440是單端輸入級和輸出級。另外，當電路輸入410是如圖4所示的差動輸入時，一個或幾個OTA級可以是差動輸入級和輸出級，因而提供一個或幾個差動輸出430和450。OAT420和440包括具有串聯(lián)輸出級的金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)，其設計是本領域公知的，這些MOSFET最好在相同基底上。在本發(fā)明的這另一個實施例中，每個OTA420和440具有由晶體管幾何形狀、互連的構(gòu)形和材料變量確定的跨導增益與偏移。典型地希望設計偏移最小。每個OTA相對于設計增益有一個增益誤差和相對于設計偏移的偏移誤差，典型地它們隨著不同輸出而不同。
參見圖5示出根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的多輸出端運算跨導放大器(OTA)500的電方框圖，該OTA500用在上述通信設備(選呼接收機106和便攜無線電話機)中，它具有多個輸出。這里所述的本發(fā)明的優(yōu)選實施例是一個濾波器控制放大器，用于控制電路206及315中的頻率合成器，其中由鎖相環(huán)頻率合成器產(chǎn)生的已濾波的誤差信號耦合到該濾波控制放大器的一個電路輸入，而該濾波器控制放大器的一個輸出耦合到該鎖相環(huán)的電流控制振蕩器輸入。在這個用途中，本發(fā)明的優(yōu)選實施例有多個輔助放大器輸出，它們必須與緊密跟蹤耦合到電流控制振蕩器輸出的不同增益的輸出，而且它們耦合到接收機315，用于控制接收機315中的濾波?？梢灾?，該放大器等效地可用于其它功能，如驅(qū)動液晶顯示器317的象素的行和列。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，濾波的誤差信號耦合到輸入OTA505的電路輸入501。電路輸入501是差動輸入，包括正輸入502和負輸入503。輸入OTA505是一個OTA級，響應該電路輸入信號的電壓產(chǎn)生第一電流信號。該第一電流信號耦合到第一主電流鏡510的第一主輸入，響應第一電流信號從在第一主鏡級內(nèi)產(chǎn)生的鏡輸出驅(qū)動器信號驅(qū)動多個第一主輸出級，產(chǎn)生多個反向的第一主輸出信號550。反向的第一主輸出信號耦合到各個輔助電流鏡電路520的輔助輸入，所有鏡象電路都具有相同的基本增益。每個輔助電流鏡電路520產(chǎn)生多個并聯(lián)的反向的輔助輸出信號550以便產(chǎn)生單個輸出信號，其幅度基本上由所接的第一主電流輸出信號、其基本增益和并聯(lián)的級數(shù)確定。在圖5中可以看到，利用在每個輔助電流鏡電路520并聯(lián)的級數(shù)，對在這里所用的例子，所示的反向輔助輸出信號的相對增益比率為2∶3∶4∶5。輔助輸出信號之一連接到鎖相環(huán)中的電流控制振蕩器。其它的輔助輸出信號接到接收機315，用于控制接收機315中的濾波。
第一反向主輸出電流信號之一接到第二主電流鏡電路530的第二主輸入，電流鏡電路530響應第一主輸入信號、通過從在第二主鏡電路級內(nèi)產(chǎn)生的鏡輸出驅(qū)動器信號驅(qū)動多個第二主輸出級產(chǎn)生多個反向的第二主輸出信號550。反向的第一主輸出信號耦合到各個輔助電流鏡電路540的輔助輸入，該電流鏡電路540都具有相同的基本增益。每個輔助電流鏡電路540產(chǎn)生并聯(lián)的多個反向輔助輸出信號以便產(chǎn)生單個輸出信號，其幅度基本上所接的第一主電流輸出信號、其基本增益和并聯(lián)級數(shù)確定的。在圖5中可看到，利用在每個輔助電流鏡電路540并聯(lián)的級數(shù)，對在這里所用的例子，所示的反向輔助輔助信號的相對增益比率為1∶2∶3。這些輔助輸出信號還接到接收機315，用于控制接收機315中的濾波。
輔助電流鏡電路520和540的輔助輸出信號通過控制在輔助電流鏡電路520和540的輸出級中串聯(lián)的晶體管可接通和斷開，這是以本領域公知的方式進行的?？梢灾溃o助電流鏡電路520的輔助輸出信號相對于輔助電流鏡電路540的輔助輸出信號是反向的，和在不要求反向的輸出信號的應用中，不需要第二主鏡電路530和多個輔助鏡電路540。
還可知道輸入OTA505有一個輸出，它是差動的第一電流信號，在這個情況下，第一主鏡電路是一個差動輸入電流鏡電路。還可知道，第一主電流鏡電路510可有一個輸出，它是差動反向第一主輸出電流信號，在這個情況下，輔助電流鏡電路520的輔助輸入和第二主鏡電路的第二主輸入是差動輸入。還可知道，第二主電流鏡電路530可有一個輸出，它是差動反向第二主輸出電流信號，在這種情況下，輔助電流鏡電路540的輔助輸入是差動輸入。
OTA505、主電流鏡電路510與530，和輔助鏡電路520與540包括具有級聯(lián)輸出級的金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)，其設計是本領域公知的，MOSFET在相同的基底595上。
可以知道，因為輔助電流鏡電路520共用相同的OTA505和相同的主電流鏡電路510，由它們之一產(chǎn)生的多個輔助輸出由于在主電流鏡電路510中的誤差而具有共同的增益誤差，而且由于主電流鏡電路512還具有共同的偏移誤差。輔助鏡電路520的輸出之間的跨導增益比是與輔助電流鏡電路520的相符精度有關(guān)，它們被設計并可被制造比使用多個OTA如OTA400可能做到的具有更高的一致精度。
還可知道，在利用單個輸入級中，本發(fā)明的優(yōu)選實施例減少了輸入電容，因此產(chǎn)生比如在這里敘述的本發(fā)明的另一個實施例中敘述的多個OTA更高的輸入阻抗。
如在上面對本發(fā)明的優(yōu)選實施例所敘述的，多個并聯(lián)的相同反向輔助輸出信號產(chǎn)生高相符的輸出，但是這里較低的精度是可接受的，可以采用標度的輔助鏡電路(其中利用包括具有相應的不同幾何形狀晶體管的單個輔助鏡電路輸出級取得不同的增益)提供集成電路布局面積中的一些經(jīng)濟性。
因此，可看到，在相同基底上第一主電流鏡電路與多個輔助電路鏡電路的唯一組合，任選的單個輸入放大器和任選的第二主電流鏡電路提供一個運算的跨導放大器，該放大器有多個輸出端，具有不同的增益但精密一致的增益和偏移誤差。
權(quán)利要求
1.一種多輸出端集成電路放大器，其特征在于，包括在單片基底上實現(xiàn)的第一主電流鏡電路，具有第一主輸入端，所述第一主電流鏡電路響應耦合到第一主輸入端的第一電流信號，產(chǎn)生多個第一反向主電流輸出；和在該單片基底上實現(xiàn)的多個輔助電流鏡電路，每個鏡電路具有連接到所述第一主電流鏡電路的多個主電流輸出端的一個獨特的輸出端的輔助輸入端，所述多個輔助電流鏡電路的每個鏡電路有一個增益，和所述多個輔助電流鏡電路的每個輔助電流鏡電路產(chǎn)生一個反向輔助電流輸出信號，其幅度基本上由所接的多個主電流輸出的一個獨特的電流輸出及其增益確定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的多輸出端集成電路放大器，其特征在于，進一步包括在該單片基底上實現(xiàn)的第二主電流鏡電路，它具有耦合到所述第一主電流鏡電路的多個反向第一主電流輸出端的一個獨特的輸出端的第二主輸入端，響應耦合到第一主電流鏡電路的第一主輸入端的第一電流信號，所述第二主電流鏡電路產(chǎn)生多個第二主電流輸出信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的多輸出端集成電路放大器，其特征在于，進一步包括在單片基底上實現(xiàn)的一個或幾個輔助電流鏡電路，每個鏡電路具有連接到所述第二主電流鏡電路的多個主電流輸出端的一個獨特輸出端的輔助輸入端，所述的一個或幾個輔助電流鏡電路的每個鏡電路有一個增益，所述一個或幾個輔助電流鏡電路產(chǎn)生一個反向的輔助電流輸出信號，其幅度基本上由連接到所述輔助電流鏡電路的該一個或幾個主電流輸出端的獨特輸出端和所述輔助電流鏡電路的增益確定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的多輸出端集成電路放大器，其特征在于，進一步包括在該單片基底上實現(xiàn)的一個輸入放大器，它具有一個電路輸入端和為第一電流信號的一個輸出端，第一電流信號耦合到第一主電流鏡電路輸入端，所述輸入放大器響應連接到該電路輸入端的該電路輸入信號電壓，產(chǎn)生該第一電流信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的多輸出端集成電路放大器，其特征在于，第一主電流鏡電路是互補鏡電路放大器，第一主輸入端是一個差動輸入端，和一個或幾個第一反向主電流輸出信號是第一反向差動主電流輸出信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的多輸出端集成電路放大器，其特征在于，一個或幾個輔助電流鏡電路是互補鏡電路放大器，該輔助輸入端是一個差動輸入端，和一個或幾個反向輔助電流輸出信號是一個反向的差動輔助電流輸出信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的多輸出端集成電路放大器，其特征在于，該電路輸入信號是從一個鎖相環(huán)頻率合成器耦合的，該頻率合成器包括在用于無線通信設備的控制電路中。
全文摘要
一種多輸出端集成電路放大器(500)包括第一主電流鏡電路(510)和多個輔助電流鏡電路(520)。第一主電流鏡電路(510)是在單片基底中實現(xiàn)的并且具有第一主輸入端(511)。第一主電流鏡電路(510)響應耦合到第一主輸入端(511)的第一電流信號，產(chǎn)生多個第一反向的主電流輸出。多個輸助電流鏡電路是在相同的單片基底中實現(xiàn)的，而且每個鏡象電路具有耦合到第一主電流鏡電路(510)的多個主電流輸出端的一個獨特輸出端的輔助輸入端，所述多個輔助電流鏡電路(520)每個都有一個增益，和所述多個輔助電流鏡電路(520)的每個都產(chǎn)生一個反向的輔助電流輸出信號，其幅度基本上由所接的多個主電流輸出的獨特輸出及其增益確定的。出電流信號的一部分。
文檔編號H03F3/347GK1118641SQ94191359
公開日1996年3月13日 申請日期1994年11月10日 優(yōu)先權(quán)日1993年11月10日
發(fā)明者小雷蒙德·路易斯·巴雷特, 巴里·韋恩·赫羅爾德, 格雷齊那A·佩瓊恩 申請人:摩托羅拉公司