專利名稱：數(shù)字可編程轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器及使用該放大器的混合信號電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器，尤其是有關(guān)于一種數(shù)字可編程可調(diào)增益的轉(zhuǎn)
導(dǎo)放大器及使用該數(shù)字可編程可調(diào)增益的轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器的混信號(mixed signal) 電路。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的方法如圖1所示，所使用的可編程電流鏡都是改變輸出端電流鏡其 并聯(lián)的晶體管數(shù)目，借以改變晶體管等效寬度而達(dá)到改變輸出電流大小的目 的。然而，若要用于轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器的輸出級，這樣的做法會造成如，增益、頻寬、 穩(wěn)定度等問題。因?yàn)檩敵鲭娏鞔笮苯佑绊戄敵鲎杩?，而輸出阻抗是影響?益、頻寬重要的變量。
如美國專利號US6466100 B2及6462527 Bl中所示，均是利用數(shù)字控制信 號以控制開關(guān)并聯(lián)晶體管的數(shù)目，借此方法實(shí)現(xiàn)改變晶體管的等效寬度，并利 用一可變電流源用來提供輸出級的偏壓電流。其缺點(diǎn)為輸出級的偏壓電流會因 控制信號而改變，所以輸出阻抗變動很大。
另美國專利號6456158 Bl中揭示一種使用電阻的轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器，其雖亦為 數(shù)字可編程，然而眾多的電阻容易產(chǎn)生噪聲，且相較于本申請，其必須要多一 個(gè)電流跟隨器才能使輸出看到的阻抗為高阻抗。
因此，本申請的發(fā)明人研究出一種轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器，尤其是有關(guān)于一種數(shù)字可 編程轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器，來解決傳統(tǒng)可編程電流鏡的問題，令輸出電流固定不動，利 用開關(guān)的切換，改變參考電流與晶體管的寬度，進(jìn)而達(dá)到可編程電流鏡的功能。 本發(fā)明提出的方法可將所有的電流鏡都改造為數(shù)字可編程電流鏡，且此種電流 鏡適用于轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器的第二級，可將固定增益的轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器改造成可調(diào)增益的 轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器，使運(yùn)用該轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器的混合信號電路可依反饋回路達(dá)到所需參數(shù) 為定值的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明關(guān)于一種數(shù)字可編程轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器，其利用數(shù)字可編程的主動電流 鏡，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高而固定的阻抗同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精確轉(zhuǎn)導(dǎo)的目的。 較佳的，該數(shù)字可編程轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器至少包括
一主動電流鏡電路，該主動電流鏡電路至少包含 一，參考系統(tǒng)及參考系 統(tǒng)偏壓電流的第一電流源；二，輸出端電流鏡及輸出端偏壓電流的第二電流源； 三， 一多組的開關(guān)；四， 一第一節(jié)點(diǎn)及一第二節(jié)點(diǎn)，該二節(jié)點(diǎn)分別位于參考系 統(tǒng)及參考系統(tǒng)偏壓電流的可變電流源的接點(diǎn)及主動電流鏡及輸出端的固定電 流源的接點(diǎn)；其中，參考端的電流源設(shè)計(jì)為可變電流源，輸出端的電流源設(shè)計(jì) 為定值電流源，該可變電流源由該多組的開關(guān)所控制；以及
一定值轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器，該轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器的輸出與該第一節(jié)點(diǎn)相連接。 其中較佳的，該數(shù)字可編程轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器的轉(zhuǎn)導(dǎo)值可由下列方程式表示
g / 1 『2
以上的方程式有個(gè)假設(shè)前提，就是其VGS1與VGS2要相等且為 一 固定值， 使輸出的直流偏壓電流為固定電流，欲實(shí)現(xiàn)此目的電流源Ivar要隨著211晶體 管寬度的變化而變化，這樣VGS1才會固定不動，也才會等于VGS2。欲電流 源Ivar要能隨著晶體管Ml寬度的變化而變化，我們需要使用可變電流源，并 且需要利用開關(guān)去控制晶體管M1的寬度。
本申請是使用可變電流源與晶體管多組開關(guān)，控制參考端晶體管的等效寬 度，而改變通過參考端晶體管的轉(zhuǎn)導(dǎo)值，進(jìn)而改變電流鏡的電流放大倍率，電 流放大倍率的改變，等同于改變整體電路的轉(zhuǎn)導(dǎo)值。如圖2所示，電流鏡在參 考端與輸出端各分別有兩個(gè)電流源，我們將參考端的電流源設(shè)計(jì)為可變電流 源，輸出端的電流源設(shè)計(jì)為定值電流源。電流模式中電流鏡的放大倍率取決于 輸入與輸出的電流比值，所以一旦改變其電流比值即是改變放大倍率，進(jìn)而實(shí) 現(xiàn)改變整體電路轉(zhuǎn)導(dǎo)的目標(biāo)。
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對本發(fā)明的 限定。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的示意圖2為本發(fā)明實(shí)施例示意圖3為本發(fā)明的另一實(shí)施例示意圖4為本發(fā)明的另一實(shí)施例示意圖5為本發(fā)明的另一實(shí)施例示意圖6為本發(fā)明的另一實(shí)施例示意圖7為本發(fā)明的另一實(shí)施例示意圖8為本發(fā)明運(yùn)用于混信號電路的實(shí)施例示意圖；以及 圖9為本發(fā)明轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器的轉(zhuǎn)導(dǎo)值的實(shí)施例示意圖。
其中，附圖標(biāo)記
21節(jié)點(diǎn)
22"p點(diǎn)
31t點(diǎn)
201轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器
211參考系統(tǒng)
212主動電流鏡
213可變電流源
214固定電流源
300放大器電路
301轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器
311參考系統(tǒng)
312主動電流鏡
403/404 晶體管
405/406 開關(guān)
501/502 晶體管
504/505 晶體管
506 開關(guān)
513 可變電流源
6601/602/606 開關(guān) Ml 晶體管
具體實(shí)施例方式
為使對本發(fā)明的目的、構(gòu)造、特征、及其功能有進(jìn)一步的了解，將參照附 圖并配合實(shí)施例詳細(xì)說明如下，但以下附圖及實(shí)施例僅為輔助說明，本發(fā)明并 不限于附圖及實(shí)施例。
圖3為本發(fā)明的可調(diào)式電流鏡電路及一轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器。
其中，較佳的，如圖3，將電壓信號(^v)灌入轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器301可得一輸出 電流(/0)，此一輸出電流(/o)為小信號輸入電壓信號(^v)乘上轉(zhuǎn)導(dǎo)值(G^)，整 體放大器電路300只有在輸入輸出為高阻抗的節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)31所看到的阻抗 為(l/gmO，主動電流鏡312的轉(zhuǎn)導(dǎo)值為(g^)，這四者的乘積即為整體的小信號 輸出電流(/o一，晶體管亦即參考系統(tǒng)311的寬度為『,，晶體管亦即主動電流 鏡312的寬度為『2，由方程式可知整體輸出電流與參考系統(tǒng)及主動電流鏡的 寬度有關(guān)。所以我們可以改變晶體管的寬度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)改變小信號輸出電流的 目的。但是我們又不希望改變直流時(shí)的輸出電流與阻抗，所以我們采取的作法 是改變參考系統(tǒng)的晶體管寬度。
如圖4，為可變電流源與晶體管多組開關(guān)405/406的具體電路，使用數(shù)字 控制信號來控制開關(guān)405/406的導(dǎo)通或斷路，得以實(shí)現(xiàn)參考電流源與參考端晶 體管403/404其等效寬度可變。其中為了電路整體線性度的考慮，在信號路徑 上所經(jīng)過的電路要越少越好，所以我們把晶體管開關(guān)405/406置于參考端晶體 管403/404的源極端，圖4中，上(405)下(406)兩組開關(guān)多組是相對稱動作，同 時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)斷路。
圖5中，令507與VG1的電壓相同，可變電流源通過晶體管504提供可 變電流給晶體管505，開關(guān)506，可同時(shí)開啟與關(guān)閉晶體管501與晶體管502， 實(shí)現(xiàn)可變電流源513的功能，501/502兩組的尺寸，可由504/505的比例決定， 若505其尺寸為504的十倍，則501其尺寸也僅為502的十分之一，如此則可 節(jié)省由可變電流源所消耗的功率。如果令參考端晶體管的寬度變化為binary weight,那晶體管開關(guān)506的數(shù)量是取決于在數(shù)字可編程電流鏡中需要幾個(gè)位 的分辨率，例如需要可變電流鏡的分辨率為小于百分之十時(shí)，就需要四個(gè)晶體管開關(guān)，四個(gè)控制位分辨率可達(dá)百分之六點(diǎn)二五。
因?yàn)?06的尺寸大小相同，且其動作也是同時(shí)開啟與關(guān)閉晶體管開關(guān)，所 以我們可將一組晶體管開關(guān)分享501與502，這電路分享的觀念可帶來節(jié)省面 積的好處，我們共享了晶體管開關(guān)606，如圖6所示，可同時(shí)開啟與關(guān)閉晶體 管601與晶體管602，也就是一個(gè)晶體管開關(guān)一次控制一對晶體管的導(dǎo)通與截 止，于是我們只需要一組開關(guān)606，電路的線路上也更加簡單。
利用本專利申請所提出的構(gòu)想，只要使用可變參考電流源與開關(guān)多組，就 可將所有的電流鏡改造為接受數(shù)字信號控制的數(shù)字可調(diào)式電流鏡，如圖7，原 為wide-swing cascode current mirror ，使用可變參考電、流源與開關(guān)多組，即變 為digitally programmable wide-swing cascode current mirror。配合固定增益的轉(zhuǎn) 導(dǎo)放大器，就改造為數(shù)字可編程轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器，可應(yīng)用于自動化頻率調(diào)整機(jī)制， 在大多數(shù)的自動化調(diào)整機(jī)制中多采用主從式控制系統(tǒng)，主從式控制系統(tǒng)有個(gè)前 提的假設(shè)，那就是主濾波器與從濾波器必須完全匹配，然后我們可以使用相同 的控制信號，以控制主濾波器的中心頻率與質(zhì)量因子。這主從式(master-slave) 控制系統(tǒng)中的控制信號可為模擬電壓信號，或?yàn)閿?shù)字電壓信號，這兩種不同的 信號，也就決定了不同的反饋調(diào)整機(jī)制。
由于當(dāng)控制信號改變時(shí)，因?yàn)殡娏麋R轉(zhuǎn)換比例由控制信號所決定，所以不 同的控制信號會有相對應(yīng)的電壓增益(voltage gain, Gain )、單增益頻率 (unity-gain frequency, fU)與相位裕度(phase margin, PM)?？砂l(fā)現(xiàn)單增益頻率會 隨著數(shù)字控制信號的增加而呈現(xiàn)單調(diào)性增加，這樣的結(jié)果可以滿足圖8其調(diào)整 機(jī)制的關(guān)鍵行為，此關(guān)鍵行為便是次要轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器(slave-OTA)其單增益頻率會 與所參考的輸入信號頻率做比較，然后次要轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器會因?yàn)轭l率的比較結(jié)果 可改變其轉(zhuǎn)導(dǎo)值進(jìn)而改變單增益頻率。
本發(fā)明使用數(shù)字電壓控制信號來完成反饋調(diào)整機(jī)制，使用連續(xù)式近似算法 (successive-approximation, SA)，由圖8可發(fā)現(xiàn)，如果控制信號為數(shù)字信號的話， SAR儲存的數(shù)字信號可直接給轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器作為調(diào)整轉(zhuǎn)導(dǎo)的控制信號，則可以 節(jié)省數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的成本，在連續(xù)近似模擬對數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(successive approximation resister ADC, SAR ADC)電路的電路中，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器是相當(dāng) 關(guān)鍵的一個(gè)電路，如果可以節(jié)省此電路的成本，也將使整體設(shè)計(jì)復(fù)雜度大大地 降低。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以了解該項(xiàng)發(fā)明亦可應(yīng)用于其它模擬電路需要定值的 閉回路，在此不再贅述。而其轉(zhuǎn)導(dǎo)值的可程序化詳見圖9。
當(dāng)然，本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情 況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這 些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字可編程轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器，其特征在于，該轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器至少包含一主動電流鏡電路，該主動電流鏡電路至少包含一參考系統(tǒng)；一供參考系統(tǒng)偏壓電流的第一電流源；一輸出端電流鏡；一供輸出端偏壓電流的第二電流源；一多組的開關(guān)；一第一節(jié)點(diǎn)及一第二節(jié)點(diǎn)，該二節(jié)點(diǎn)分別位于參考系統(tǒng)及參考系統(tǒng)偏壓電流的第一電流源的接點(diǎn)及輸出端電流鏡及輸出端的第二電流源的接點(diǎn)；以及一定值轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器，該轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器的輸出與該第一節(jié)點(diǎn)相連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字可編程轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器，其特征在于，該參考系 統(tǒng)的第一電流源設(shè)計(jì)為可變電流源。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字可編程轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器，其特征在于，該輸出端 的第二電流源設(shè)計(jì)為定值電流源。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的數(shù)字可編程轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器，其特征在于，該可變電流源由該多組的開關(guān)所控制。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的數(shù)字可編程轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器，其特征在于，該數(shù) 字可編程轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器的轉(zhuǎn)導(dǎo)放大值可被表示為該轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器的轉(zhuǎn)導(dǎo)放大值乘以該定值電流源與該可變電流源的比值。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的數(shù)字可編程轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器，其特征在于，該可變電流源為晶體管。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的數(shù)字可編程轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器，其特征在于，該定值電 流源為晶體管。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的數(shù)字可編程轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器，其特征在于，該數(shù) 字可編程轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器的轉(zhuǎn)導(dǎo)放大值可被表示為該轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器的轉(zhuǎn)導(dǎo)放大值乘以該定值電流源晶體管與可變電流源晶體 管的寬度的比值。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的數(shù)字可編程轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器，其特征在于，該可變電流源的晶體管為迭接共源共柵。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的數(shù)字可編程轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器，其特征在于，該定 值電流源的晶體管為迭接共源共柵。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字可編程轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器，其特征在于，該數(shù) 字可編程轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器可運(yùn)用于混信號電路的閉回路中。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字可編程轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器，其特征在于，該混 信號電路為濾波器。
全文摘要
本發(fā)明公開一種數(shù)字可編程轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器，配合數(shù)字可編程電流鏡，通過數(shù)字信號的控制改變整體的轉(zhuǎn)導(dǎo)值，可應(yīng)用于數(shù)字可編程電流模式集成電路、電壓控制震蕩器、可適應(yīng)性頻率調(diào)整機(jī)制，可適應(yīng)性連續(xù)時(shí)間模擬濾波器。本發(fā)明將所有的電流鏡都改造為數(shù)字可編程電流鏡，且此種電流鏡適用于轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器的第二級，可將固定增益的轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器改造成數(shù)字可編程可調(diào)增益的轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器。
文檔編號H03G3/00GK101626221SQ200810133549
公開日2010年1月13日 申請日期2008年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月11日
發(fā)明者陳弘昌 申請人:盛群半導(dǎo)體股份有限公司