專利名稱：抽樣信號放大器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種抽樣信號放大器，用于對信號進行放大，所述放大器適合于特別用作比較器。
背景技術：
圖1a、1b示出了根據(jù)現(xiàn)有技術的抽樣信號放大器，其中圖1A示出了簡單的實施例，而圖1B示出了差分實施例。抽樣信號放大器用于對施加到信號輸入E的模擬輸入信號進行抽樣和放大，其中通過信號輸出A來發(fā)射放大后的信號。為此，根據(jù)現(xiàn)有技術的抽樣信號放大器，如圖1a、1b所示，包含抽樣電容器CA和反相放大器，通過控制開關將其輸出反饋到所述輸入。所述控制開關由抽樣控制信號來驅動。
圖2示出了根據(jù)現(xiàn)有技術的另一抽樣差分放大器，具有特別簡單的電路。所述抽樣信號放大器是差分形式，并且包含信號放大晶體管N1、N1，在圖1所示的實施例中，是NMOS場效應晶體管的形式。抽樣電容器CA、CA與信號放大晶體管的柵極連接端相連，并且與信號輸入E相連。將要放大的輸入信號施加到信號輸入E。信號放大晶體管N1、N1的源極連接線通過NMOS晶體管N3與負電源電壓VSS相連，其中NMOS晶體管N3形成了電流源。為此，將偏置電壓施加到晶體管N3的柵極連接端。信號放大晶體管N1、N1的漏極連接端通過負載電阻RL和RL與正電源電壓VDD相連。此外，抽樣差分放大器的信號輸出A分支到NMOS場效應晶體管N1、N1的漏極連接端。
如圖2所示，根據(jù)現(xiàn)有技術的抽樣差分放大器還包含抽樣開關晶體管N2、N2，其同樣為NMOS晶體管。NMOS晶體管N2、N2的柵極連接端與控制輸入相連，向所述控制輸入施加抽樣控制信號。所述抽樣控制信號是周期信號，其中兩個抽樣開關晶體管N2、N2在第一時鐘階段或抽樣階段導通。該抽樣階段還被稱為補償階段或自動調(diào)零階段，這是由抽樣電容器CA、CA將所施加的輸入電壓與放大級的偏移電壓同時進行存儲。在第二時鐘階段中，開啟抽樣開關晶體管N2、N2，從而使抽樣放大器對輸入電壓的變化存在敏感的反應。
如圖2所示，抽樣信號放大器的增益，即，輸入電壓Vout與輸入電壓Vin的比值取決于信號放大晶體管N1、N1的梯度和負載電阻RL和RL兩端的電壓降。
因此K=VoutVin≈RL·gm---(1)]]>因此，信號增益K直接與負載電阻RL兩端的電壓降成正比。
如圖2所示，根據(jù)現(xiàn)有技術的抽樣差分放大器的缺點在于抽樣差分放大器不能夠以非常低的諸如小于1伏的電源電壓VDD-VSS，產(chǎn)生任何顯著信號增益。這是由于如果電源電壓VDD-VSS下降，則負載電阻RL兩端的電壓降減小，并且信號增益同樣減小。
因此，已經(jīng)提出了具有圖3所示的電路的抽樣差分放大器。在如圖3所示的根據(jù)現(xiàn)有技術的抽樣差分放大器中，電流源與負載電阻RL和RL并聯(lián)。通過對其柵極連接端施加了偏置電壓的場效應晶體管來形成電流源。隨著偏置電壓Vbiasl增加，由電流源所產(chǎn)生的每一種情況下的電流ISQ也會增加，從而如果流過信號放大晶體管N1的電流IN1是恒定的，則流過負載電阻RL的電流IRL會減小。因此，能夠增加負載電阻RL，從而增加了抽樣差分放大器的信號增益K。
然而，如圖2所示的根據(jù)現(xiàn)有技術的抽樣差分放大器同樣具有多個顯著缺點。由于必須附加提供的電流源，增加了電路復雜度。此外，寄生電容增加。此外，在電流源(與負載電阻并聯(lián))和電流源N3之間可能會出現(xiàn)不匹配，從而需要提供共模反饋電路。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提出一種抽樣信號放大器，避免現(xiàn)有技術中所產(chǎn)生的缺點，特別地，即使當電源電壓較低時，也確保較高的信號增益。
根據(jù)本發(fā)明，通過具有權利要求1所限定的特征的抽樣差分放大器和具有權利要求9所限定的特征的抽樣放大器來實現(xiàn)該目的。本發(fā)明提出了一種用于對信號進行放大的抽樣差分放大器，具有信號輸入，用于施加要放大的輸入信號；信號放大晶體管，其控制連接端通過抽樣電容器與信號輸入相連；其中，信號放大晶體管的每一個均通過串聯(lián)負載電阻與正電源電壓(VDD)相連，并通過電流源與負電源電壓(VSS)相連；信號輸出，用于發(fā)出放大后的輸出信號，其中信號輸出分支到信號放大晶體管；并且具有抽樣開關晶體管，每一個均連接在串聯(lián)負載電阻和信號放大晶體管的控制連接端之間，其中抽樣開關晶體管的控制連接端與控制信號輸入相連，以便施加抽樣控制信號。
在一個優(yōu)選實施例中，第一串聯(lián)負載電阻由晶體管形成。
在另一實施例中，所述電流源同樣由晶體管形成。
在可選第一實施例中，所述晶體管由雙極型晶體管形成。
在可選實施例中，所述晶體管由場效應晶體管形成。
優(yōu)選地，正電源電壓和負電源電壓之間的電壓差小于一伏。
優(yōu)選地，用于驅動抽樣電路晶體管的抽樣控制信號是周期方波信號。
在一個實施例中，所述抽樣差分放大器具有移位限制電路。
本發(fā)明還提出了一種用于對信號進行放大的抽樣放大器，具有信號輸入，用于施加要放大的輸入信號；信號放大晶體管，具有第一連接端、第二連接端和控制連接端，其控制連接端通過抽樣電容器與信號輸入相連；并且其中，信號放大晶體管的第一連接端通過串聯(lián)負載電阻與正電源電壓相連，并且第二連接端與負電源電壓相連；且具有信號輸出，用于發(fā)出放大后的輸出信號，其中信號輸出分支到信號放大晶體管的第一連接端；并且具有抽樣開關晶體管，連接在串聯(lián)負載電阻和信號放大晶體管的控制連接端之間，其中抽樣開關晶體管的控制連接端與控制信號輸入相連，以便施加抽樣控制信號。


為了解釋本發(fā)明的顯著特征，在下文中將參考附圖來描述根據(jù)本發(fā)明的抽樣信號放大器的優(yōu)選實施例。
在附圖中圖1a、1b示出了根據(jù)現(xiàn)有技術的抽樣信號放大器；圖2示出了根據(jù)現(xiàn)有技術的另一抽樣差分放大器；圖3示出了根據(jù)現(xiàn)有技術的另一抽樣差分放大器；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的抽樣信號放大器的第一實施例；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的抽樣信號放大器的第二實施例；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的抽樣信號放大器的第三實施例；圖7示出了用于解釋根據(jù)本發(fā)明的抽樣信號放大器的抽樣控制信號的時序圖；圖8是示出了用于解釋作為比較器的根據(jù)本發(fā)明的抽樣信號放大器的操作方法的信號圖；圖9示出了多個串聯(lián)的根據(jù)本發(fā)明的抽樣信號放大器的方框圖；圖10a、10b示出了用于解釋根據(jù)本發(fā)明的抽樣信號放大器的操作方法的特性圖。
附圖中的參考符號列表1 抽樣信號放大器2 信號輸入3 信號輸出4 電源電壓連接端5 電源電壓連接端6 節(jié)點7 線8 電壓連接端9 節(jié)點10 節(jié)點11 節(jié)點
12 線13 控制連接端具體實施方式
從圖4中可以看到，第一實施例的抽樣信號放大器1具有信號輸入2-1、2-2，可以向其施加要放大的輸入信號。在第一實施例中，如圖4所示，抽樣差分放大器1處于差分放大器的形式。所述抽樣信號放大器1還具有信號輸出3-1、3-2，用于發(fā)出反相、放大后的輸出信號。
抽樣差分放大器1與正電源電壓VDD和負電源電壓Vss相連。為此，抽樣差分放大器1具有正電源電壓連接端4和負電源電壓連接端5。
抽樣差分放大器1包含信號放大晶體管N1、N1，在圖4所示的實施例中，處于NMOS晶體管的形式。信號放大晶體管N1、N1的源極連接端在節(jié)點6處彼此相連。電流源N3設置在節(jié)點6和針對負電源電壓VSS的連接節(jié)點5之間，其中通過NMOS晶體管來形成電流源N3。NMOS晶體管N3的柵極連接端通過連線7與抽樣差分放大器1的電壓連接端8相連，其中將偏置電壓Vbias施加到電壓連接端。所述偏置電壓Vbias控制電流源N3。信號放大晶體管N1、N1的柵極連接端與節(jié)點9-1、9-2相連，其中抽樣電容器CA、CA連接在信號輸入2和每一個節(jié)點9之間。
信號放大晶體管N1、N1的漏極連接端與節(jié)點10-1、10-2相連。抽樣差分放大器1的輸出信號連接端3-1、3-2分支到節(jié)點10-1、10-2。
兩個串聯(lián)負載電阻RL1、RL2分別連接在電源電壓連接端4和節(jié)點10-1、10-2之間。兩個負載電阻RL1、RL2和RL1和RL2在節(jié)點11-1、11-2處彼此串聯(lián)。如圖4所示，抽樣差分放大器1還包括抽樣開關晶體管N2、N2，分別連接在串聯(lián)負載電阻RL1、RL2和節(jié)點9-1、9-2之間。如圖4所示的本實施例的抽樣開關晶體管N2、N2同樣由NMOS晶體管形成。抽樣開關晶體管N2、N2的柵極連接端通過線12彼此相連。線12與抽樣差分放大器1的控制連接端13相連。
將抽樣控制信號施加到控制輸入13，并且優(yōu)選地，所述信號是周期方波信號，如圖7中作為示例所示的。
在時間段t1的第一抽樣階段，使兩個抽樣開關晶體管N2、N2導通，并且在每一種情況下，將信號放大晶體管N1、N1的柵極連接端分別與兩個串聯(lián)負載電阻RL1、RL2和RL1和RL2的中心分支11-1、11-2相連。由抽樣電容器CA、CA來存儲施加到控制輸入2的輸入電壓。
在抽樣階段之后，由抽樣控制信號在時間段t2內(nèi)開啟所述抽樣開關晶體管N2、N2。與抽樣電容器CA、CA的放電時間相比，時間段t2短得多。在該信號放大階段中，即，在時間段t2期間，根據(jù)本發(fā)明的抽樣差分放大器1對信號輸入2處的突然電壓變化敏感地反應。在這種情況下，根據(jù)本發(fā)明和如圖4所示的抽樣差分放大器1與根據(jù)現(xiàn)有技術的傳統(tǒng)抽樣差分放大器相比，針對相同的電源電壓，具有更高的信號增益，如圖2中作為示例所示的。
在如圖2所示的傳統(tǒng)抽樣差分放大器中VsatN3+VtotN1+VRL≤VDD-VSS---(2)]]>其中，如圖2所示的傳統(tǒng)抽樣差分放大器的增益K1與負載電阻RL兩端的電壓降VRL成比例K1≈VRL(3)相反，對于根據(jù)本發(fā)明的抽樣差分放大器1，如圖4所示VsatN1+VtotN1+VRL1≤VDD-VSS---(4)]]>其中根據(jù)本發(fā)明的抽樣差分放大器1的增益K2與在兩個串聯(lián)的負載電阻RL1、RL2兩端下降的電壓成比例K2≈VRL1+VRL2(5)如果假定信號增益是相同的(K1＝K2)，即VRL＝VRL1+VRL2(6)然后VsatN3+VtotN1+(VRL-VRL2)≤VDD-VSS---(7)]]>如從等式(7)中可以看到，在根據(jù)本發(fā)明且具有相同信號增益的抽樣差分放大器1的情況下，需要較低的電源電壓(VDD-VSS)，或者針對相同的電源電壓(VDD-VSS)，根據(jù)本發(fā)明的抽樣差分放大器1與根據(jù)現(xiàn)有技術的傳統(tǒng)抽樣差分放大器相比具有更高的信號增益K，如圖2所示。根據(jù)本發(fā)明，通過將負載電阻RL分割為兩個串聯(lián)負載電阻RL1、RL2，來實現(xiàn)其，其中抽樣開關晶體管N2與兩個負載電阻之間的接合點相連。因此，根據(jù)本發(fā)明的抽樣差分放大器1與傳統(tǒng)抽樣差分放大器相比，具有相同的電源電壓和更高的信號增益K，而沒有增加電路的復雜度。相反，如果最初信號增益令人滿意，則對于根據(jù)本發(fā)明的抽樣差分放大器1，降低了VDD-VSS之間的電源電壓。
在圖4所示的實施例中，通過場效應晶體管來形成這些晶體管。在可選實施例中，通過雙極型晶體管來形成這些晶體管?；旌蠈嵤├彩强赡艿?，其中一些晶體管處于場效應晶體管的形式而一些晶體管處于雙極型晶體管的形式。在第一實施例中，在這種情況下的抽樣差分放大器1包括NMOS晶體管和npn雙極型晶體管。在可選實施例中，抽樣差分放大器包括PMOS晶體管和pnp雙極型晶體管。
在一個優(yōu)選實施例中，向根據(jù)本發(fā)明的抽樣差分放大器1提供小于1伏的電源電壓。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的抽樣差分放大器1的另一優(yōu)選實施例。在如圖5所示的第二實施例中，有利地，抽樣差分放大器1包括移位限制電路。在圖5所示的實施例中，該移位限制電路由背對背并聯(lián)的兩個二極管D1、D2形成。在過驅動的情況下，該移位限制電路引起了更快的恢復時間。如圖4和5所示的兩個實施例是差分的。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的抽樣信號放大器的第三實施例，其中抽樣信號放大器是單端的，用于放大和(/或)比較非差分輸入信號。
圖7示出了用于解釋根據(jù)本發(fā)明的抽樣信號放大器1的操作方法的信號圖。根據(jù)本發(fā)明的抽樣差分放大器1適合于用作比較器電路。如果在抽樣差分放大器1的信號輸入2處的輸入信號Vin大于抽樣時的信號輸入2處的電壓電位，則實際上，在抽樣差分放大器1(在這種情況下，處于反相放大器的形式)的信號輸出3處發(fā)出負電源電壓VSS。如果來自信號輸入2的電壓下降到抽樣時的電位之下，則實際上，抽樣差分放大器1發(fā)出正電源電壓VDD。
作為示例，圖8示出了在信號放大階段期間，在抽樣差分放大器1的信號輸入2處的正弦輸入信號Vin。該圖還示出了相應的輸出信號Vout和一個可能的抽樣信號的曲線。在這種情況下，特別是在圖8所示的輸出信號的情況下，應該注意，所述典型實施例處于反相抽樣差分放大器的形式。
圖9示出了串聯(lián)在一起的根據(jù)本發(fā)明的多個抽樣差分放大器1。在這種情況下，在每一種情況下，抽樣差分放大器1-i的一個信號輸入與前面的抽樣差分放大器1-(i-1)的信號輸出相連。優(yōu)選地，該抽樣差分放大器1并行地接收抽樣控制信號。
抽樣差分放大器1的串聯(lián)連接允許實現(xiàn)幾乎理想的比較器特性。
圖10a示出了根據(jù)本發(fā)明的抽樣差分放大器級1的非理想特性。根據(jù)本發(fā)明的抽樣差分信號放大器1是具有非理想特性的反相放大器，其中操作點AP取決于兩個負載電阻RL1、RL2的大小。根據(jù)本發(fā)明的多個抽樣差分放大器1的串聯(lián)連接帶來幾乎理想的比較器特性，如圖10b所示。這樣的比較器沒有滯后現(xiàn)象。
優(yōu)選地，將具有高閾值電壓的晶體管用于根據(jù)本發(fā)明的抽樣差分放大器1。
根據(jù)本發(fā)明的抽樣差分放大器1可以用作比較器，或者作為開關電容放大器。
優(yōu)選地，兩個負載電阻RL1、RL2同樣由晶體管形成。根據(jù)本發(fā)明的抽樣放大器1具有較小的電路復雜度，并且可以容易地集成。
盡管已經(jīng)參考特定典型實施例解釋了本發(fā)明，但是本發(fā)明并不局限于此。特別地，還可以將根據(jù)本發(fā)明的抽樣放大器設計為非反相的形式。盡管作為示例，已經(jīng)描述了具有NMOS晶體管的實現(xiàn)，但是還能夠使用PMOS晶體管，這需要通常已知的、簡單的專業(yè)電路修改。還能夠容易地使用混合電路，例如，包括作為信號放大晶體管的PMOS晶體管和作為抽樣開關晶體管的NMOS晶體管。
此外，還可以使用除了如圖5作為示例所示的背對背并聯(lián)的二極管之外的其他相關移位限制電路。
權利要求
1.一種用于對信號進行放大的抽樣差分放大器，具有(a)信號輸入(2)，用于施加要放大的輸入信號；(b)信號放大晶體管(N1，N1)，其控制連接端通過抽樣電容器(CA，CA)與信號輸入(2)相連；(c)其中，信號放大晶體管(N1，N1)的每一個均通過串聯(lián)負載電阻(RL1，RL2)與正電源電壓(VDD)相連，并通過電流源(N3)與負電源電壓(VSS)相連；(d)信號輸出(3)，用于發(fā)出放大后的輸出信號，其中信號輸出(3)分支到信號放大晶體管(N1，N1)；并且具有(e)抽樣開關晶體管(N2，N2)，每一個均連接在串聯(lián)負載電阻(RL1，RL2)和信號放大晶體管(N1，N1)的控制連接端之間，其中抽樣開關晶體管(N1，N1)的控制連接端與控制信號輸入(13)相連，以便施加抽樣控制信號。
2.根據(jù)權利要求1所述的抽樣差分放大器，其特征在于，所述串聯(lián)負載電阻(RL1，RL2)由晶體管形成。
3.根據(jù)權利要求1所述的抽樣差分放大器，其特征在于，所述電流源(N3)由晶體管形成。
4.根據(jù)權利要求1到3任一個所述的抽樣差分放大器，其特征在于，所述晶體管是雙極型晶體管。
5.根據(jù)權利要求1到3任一個所述的抽樣差分放大器，其特征在于，所述晶體管是場效應晶體管。
6.根據(jù)權利要求1所述的抽樣差分放大器，其特征在于，正電源電壓(VDD)和負電源電壓(VSS)之間的電壓差小于一伏。
7.根據(jù)權利要求1所述的抽樣差分放大器，其特征在于，所述抽樣控制信號是周期方波信號。
8.根據(jù)權利要求1所述的抽樣差分放大器，其特征在于，設置移位限制電路(D1，D2)。
9.一種用于對信號進行放大的抽樣放大器，具有(a)信號輸入(2)，用于施加要放大的輸入信號；(b)信號放大晶體管(N1)，具有第一連接端、第二連接端和控制連接端，其控制連接端通過抽樣電容器(CA，CA)與信號輸入(2)相連；(c)其中，信號放大晶體管(N1)的第一連接端通過串聯(lián)負載電阻(RL1，RL2)與正電源電壓(VDD)相連，并且第二連接端與負電源電壓(VSS)相連；(d)信號輸出(3)，用于發(fā)出放大后的輸出信號，其中信號輸出(3)分支到信號放大晶體管(N1)的第一連接端；并且具有(e)抽樣開關晶體管(N2)，連接在串聯(lián)負載電阻(RL1，RL2)和信號放大晶體管(N1)的控制連接端之間，其中抽樣開關晶體管(N2)的控制連接端與控制信號輸入(13)相連，以便施加抽樣控制信號。
全文摘要
用于對信號進行放大的抽樣差分放大器，具有信號輸入(2)，用于施加要放大的輸入信號；信號放大晶體管(N1，N1)，其控制連接端通過抽樣電容器(CA，CA)與信號輸入(2)相連；其中，信號放大晶體管(N1，N1)的每一個均通過串聯(lián)負載電阻(R
文檔編號H03F3/45GK1697314SQ20051007040
公開日2005年11月16日 申請日期2005年5月10日 優(yōu)先權日2004年5月10日
發(fā)明者迪特爾·德拉賽爾 申請人:印芬龍科技股份有限公司