跨導放大器的高線性度優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種跨導放大器的高線性度優(yōu)化方法，其特征在于提供一雙端輸入雙端輸出的跨導放大器，該跨導放大器兩個輸入端信號分別為Vin+=f(t+)和Vin-=f(t-)，二者之間的關系是：其中，f(t+)和f(t-)均為時間的連續(xù)函數(shù)。該方案使雙端輸入雙端輸出跨導器整體獲得了最小的線性失真，在二階諧波和三階諧波上具有良好的表現(xiàn)。
【專利說明】跨導放大器的高線性度優(yōu)化方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及物聯(lián)網(wǎng)設計及相關領域，為一種應用于跨導放大器設計的線性度優(yōu)化方法。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著集成電路設計的飛速發(fā)展，跨導運算放大器(OTA)技術已廣泛應用于數(shù)模轉(zhuǎn)換器和濾波器等通信電子系統(tǒng)中[I]。跨導放大器是一種混合模式的放大電路，它的輸入信號是電壓，輸出信號是電流。由于跨導放大器內(nèi)部只有電壓轉(zhuǎn)電流變換電路和電流傳輸電路，因此沒有密勒補償電容倍增效應，信號通路單一，大信號下的轉(zhuǎn)換速率也高。同時電路結(jié)構(gòu)簡單，電源電壓和功耗都可以有效降低。
[0003]傳統(tǒng)的實現(xiàn)線性跨導的方法，如源級衰減方法，利用無源電阻或者動態(tài)電阻來提高跨導器的線性，增加非對稱源級耦合對的兩個寬長比不同的MOS管組合等措施，往往是以改變MOS工作狀態(tài)或偏置電流、功耗、犧牲電路其他性能指標和提高電路設計難度為代價，進而將影響系統(tǒng)其他單元甚至系統(tǒng)的性能。這些方法的共通性是基于對電路具體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和改進，設計的結(jié)果是單方面減少二階諧波失真或者三階諧波失真，如此處理，得到的并不是跨導放大器整體電路的最小失真度，迄今為止沒有文獻報道研究這兩者之間的內(nèi)在聯(lián)系，因此在面對整體跨導器的諧波失真處理方面，仍具有局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本文從跨導器理論出發(fā)，提出了一種提高跨導放大器線性度的設計方法，使兩個輸入端的信號滿足的條件下，跨導器整體線性失真最小，其技術方案如下:
[0005]跨導放大器的高線性度優(yōu)化方法，在于:
[0006]提供一雙端輸入雙端輸出的跨導放大器，該跨導放大器兩個輸入端信號分別為vin+=f (t+)和Vin_ = f (t_), 二者之間的關系是:
[0007]f(t-)=jf(t+) + l
[0008]其中，f(t+)和f(t_)均為時間的連續(xù)函數(shù)。
[0009]作為本技術方案的優(yōu)選者，可以有如下的方式體現(xiàn):
[0010]較佳實施例中，該跨導放大器包括:
[0011]差分MOS對管Ml和M2，其漏極各自通過電流源il和i2連接到VDD ;其源極各自連通到MOS對管M3和M4的源極；
[0012]該對管M3和M4的漏極均接地，其柵極均設置控制電壓源Vbl ；
[0013]MOS對管M5和M6，其漏極分別連接該Ml和M2的漏極，其柵極各自與該MOS對管Ml和M2的柵極之間具有控制電壓源Vb5和Vb4 ;其源極分別連通MOS對管M7和M8的源極；
[0014]該MOS對管M7和M8的柵極與地之間各自具有控制電壓源Vb2和Vb3 ；[0015]其中，MOS對管M5和M6的柵極各自作為該跨導放大器的輸入端；且15和M6源極之間接入電阻R。
[0016]較佳實施例中，M5和M7處于強飽和區(qū)，而M6和M8處于弱飽和區(qū)。較佳實施例中，對于所述電阻R，MOS管M5和M7，三者滿足關系R?l/Gm5，7。
[0017]較佳實施例中，該電阻R恒定為1ΚΩ，且Vb2和Vb3的偏差不大于0.5V。
[0018]本技術方案帶來的有益效果是:
[0019]通過設定兩個輸入端的信號使之滿足f (t_) =4f (t+) /3+1，使雙端輸入雙端輸出跨導器整體獲得了最小的線性失真，在二階諧波和三階諧波上具有良好的表現(xiàn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進一步說明:
[0021]圖1是本發(fā)明實施例一的跨導放大器其電路示意圖；
[0022]圖2是圖1所示實施例的無雜散動態(tài)范圍(SFDR)仿真結(jié)果示意圖；
[0023]圖3為Matlab仿真波形圖；
[0024]圖4為多個諧波失真仿真波形。
【具體實施方式】
[0025]如圖1所示，本發(fā)明實施例一的跨導放大器其電路示意圖；圖2是圖1所示實施例的SFDR仿真結(jié)果示意圖。為了考察提出的線性度優(yōu)化方法，本文將此方法應用于實施例一的跨導器電路中。本實施例的跨導器均`采用CMOS差分對，通過調(diào)節(jié)柵極電壓改變跨導器的跨導值。M5和M6的源極接入電阻R，電阻R恒定為IK歐姆，Vb2和Vb3偏差不超過0.5V。輸入信號Vinl和Vin2滿足f (t_) =4f (t+)/3+1的條件。
[0026]M5、M6工作于較低的共模電壓能有效降低線性失真，同時考慮到M5和M6的柵極輸入應滿足f (O =4f(t+)/3+l,因此并聯(lián)的M5、M7和M6、M8必須選擇恰當?shù)钠秒妷海环矫姹苊廨斎腚妷鹤兓^大引起MOS管處于截止區(qū)。另一方面應使M5、M7和M6、M8分別處于強飽和區(qū)和弱飽和區(qū)，這樣做的目的是不會為了達到一定的線性度，而以犧牲跨導值為代價，這在交叉耦合方法中是難以處理的。同時為了進一步減小跨導器的非線性，在M7和M8的源極之間接入電阻R，當R?l/Gm5，7時，跨導器的高階非線性項趨于零。由于引入R，造成跨導器的功耗增大，因此將Vb2和Vb3分別控制M7，M8，避免電阻R兩端電勢偏差過大而引起高頻失真。需要注意的是Vb2和Vb3偏差不宜過大，以免造成MOS管失配效應增大。
[0027]圖2的仿真環(huán)境是基于Cadence的Spetrue仿真器。電源電壓3.3V，跨導器輸入0.45MHz的信號，由圖得，跨導器輸出的二階諧波和三階諧波分別為-90.8dB和-90.35dB。噪聲平臺平穩(wěn)，集中在-1OOdB處，跨導器的信噪比較大，其無雜散動態(tài)范圍達到60.25dB。普通差分結(jié)構(gòu)跨導器的二階諧波雖然極大減少，但同時三階諧波增加，兩者之間的差值基本維持在15dB以上，造成噪聲平臺急劇上升，系統(tǒng)信噪比降低。該結(jié)構(gòu)在高線性度跨導電容濾波器電路中有著較高的應用價值。
[0028]為了對上述分析方法驗證，采用Matlab軟件進行模擬仿真。根據(jù)傅里葉定理，輸入信號滿足連續(xù)可積條件時均可表示成余弦基函數(shù)的線性組合或者積分。首先假設輸入信號為Vin=VmCos (0t)，Vm等于0.95V，相位角頻率Θ等于9.42xl06s-l?？鐚鞣謩e采用單端輸入單端輸出結(jié)構(gòu)和雙端輸入雙端輸出結(jié)構(gòu)時，輸出信號的線性失真情形。圖3為Matlab仿真波形圖，從圖中示出，單端輸入單端輸出結(jié)構(gòu)的跨導器的諧波失真最大，在時間0-2s內(nèi)，輸出諧波失真電壓從1.1V變化到1.25V，變化率為0.075V/s。采用普通的差分結(jié)構(gòu)時，輸出諧波失真電壓在0-2s內(nèi)，變化了 0.1V，變化率為0.05V/s。采用本實施例的結(jié)構(gòu)時，輸出諧波失真在0_2s時間內(nèi)，輸出諧波失真電壓從0.2530V變化到0.2455，變化率僅為
0.00275V/s。
[0029]圖4為單端輸入單端輸出、雙端輸入雙端輸出差分結(jié)構(gòu)和本實施例的結(jié)構(gòu)的諧波失真仿真波形。從圖中可以看出，在基波頻率為1.5MHz時，采用單入單出結(jié)構(gòu)的跨導器二階諧波為-49.6dB，三階諧波為-49.2dB。采用普通差分結(jié)構(gòu)時，跨導器二階諧波為-101.dB，三階諧波為-48.3dB。而采用本實施例的結(jié)構(gòu)時，跨導器輸出二階諧波為-99.2dB，三階諧波為-98.2dB。普通差分結(jié)構(gòu)由于兩個輸入信號互為相反數(shù)，因此二階諧波將被極大的抵消，但同時三階諧波確有略微增大，導致系統(tǒng)電路總諧波失真沒有較大提高。本實施例的兩個輸入端的信號滿足f(t_)=4f (0/3+1的條件下，二階諧波失真雖有略微增大，但三階諧波失真大幅減小，確?？鐚骺傊C波失真大幅減小，無雜散動態(tài)范圍(SFDR)大幅度增加。
[0030]可見，本實施例所體現(xiàn)的一種提高跨導放大器線性度的設計方法，通過科學仿真軟件Matlab模擬實驗證實，兩個輸入端的信號滿足f (t_) =4f (t+) /3+1的條件下，跨導器整體獲得了最小的線性失真。
[0031]以上所述，僅為本發(fā)明較佳實施例而已，故不能依此限定本發(fā)明實施的范圍，即依本發(fā)明專利范圍及說明書內(nèi)容所作的等效變化與修飾，例如同樣精神的雙入雙出跨導器的設計，皆應仍屬本發(fā)明涵蓋的范圍內(nèi)。
【權利要求】
1.跨導放大器的高線性度優(yōu)化方法，其特征在于: 提供一雙端輸入雙端輸出的跨導放大器，該跨導放大器兩個輸入端信號分別為vin+=f (t+)和Vin_ = f (t_), 二者之間的關系是:
2.根據(jù)權利要求1所述跨導放大器的高線性度優(yōu)化方法，其特征在于:該跨導放大器包括: 差分MOS對管Ml和M2，其漏極各自通過電流源il和i2連接到VDD ;其源極各自連通到MOS對管M3和M4的源極； 該對管M3和M4的漏極均接地，其柵極均設置控制電壓源Vbl ； MOS對管M5和M6，其漏極分別連接該Ml和M2的漏極，其柵極各自與該MOS對管Ml和M2的柵極之間具有控制電壓源Vb5和Vb4 ;其源極分別連通MOS對管M7和M8的源極； 該MOS對管M7和M8的柵極與地之間各自具有控制電壓源Vb2和Vb3 ； 其中，MOS對管M5和M6的柵極各自作為該跨導放大器的輸入端；且M5和M6源極之間接入電阻R。
3.根據(jù)權利要求2所述跨導放大器的高線性度優(yōu)化方法，其特征在于:M5和M7處于強飽和區(qū)，而M6和M8處于弱飽和區(qū)。
4.根據(jù)權利要求3所述跨導放大器的高線性度優(yōu)化方法，其特征在于:對于所述電阻R, MOS管M5和M7，三者滿足關系R?l/Gm5，7。
5.根據(jù)權利要求4所述跨導放大器的高線性度優(yōu)化方法，其特征在于:該電阻R恒定為IK Ω，且Vb2和Vb3的偏差不大于0.5V。
【文檔編號】H03F1/32GK103825566SQ201210464903
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年11月16日 優(yōu)先權日:2012年11月16日
【發(fā)明者】凌朝東, 傅文淵 申請人:凌朝東, 傅文淵