專利名稱：多級放大器以及補償多級放大器的直流偏移的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及用于多級放大器的直流偏移消除(DC Offset Cancellation,DC0C)。具體地，本發(fā)明涉及混合直流偏移消除，其包括數(shù)字直流偏移消除和模擬直流偏移消除的組合。
背景技術(shù)：
直接轉(zhuǎn)換接收器已經(jīng)廣泛地用于多頻帶、多標(biāo)準(zhǔn)通信系統(tǒng)中。雖然如此，直流偏移的存在通常也是這種接收器的一個問題。在這種接收器中，通常使用可編程增益放大器。因為可編程增益放大器通常提供大的增益，所以大的直流偏移可能導(dǎo)致放大器飽和。此外，大的直流偏移也可能會使跟隨放大器的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)飽和。可編程增益放大器的增益改變可能導(dǎo)致直流偏移改變也是普遍的。期望使放大器的直流偏移最小化，尤其是可編程增益放大器。在本領(lǐng)域中，已經(jīng)在例如US20050110550和US7969222中公開了一種基于模擬電路的直流偏移消除器。典型地，模擬直流偏移消除器使用負(fù)反饋電路來補償目標(biāo)放大器的固有直流偏移。讀出放大器用來進行負(fù)反饋電路中的低通濾波。讀出放大器中固有直流偏移的存在使得殘留直流偏移出現(xiàn)在目標(biāo)放大器的輸出處。該殘留直流偏移對于模擬直流偏移消除器的不同集成電路實施方式是隨機的。在US8260227中，公開了一種模擬直流偏移消除器。該消除器實施在增益級之后，從而導(dǎo)致放大器飽和的可能性依然存在。在本領(lǐng)域中，也公開了一種數(shù)字直流偏移消除器。在US7215266中，公開了一種放大后數(shù)字直流偏移消除器。因為通過在放大之后修正直流偏移來完成消除，所以存在放大器飽和的可能性。US7203476公開了一種通過將數(shù)字直流偏移修正方案與模擬直流偏移修正方案相結(jié)合的直流偏移消除器的混合實施方式。需要ADC轉(zhuǎn)換目標(biāo)放大器的輸出以由數(shù)字消除器處理。這增加了集成電路實施方式中消耗的芯片面積。此外，偏移消除算法是復(fù)雜的，從而進一步增加了需要的芯片面積。數(shù)字直流偏移消除器通常也具有比模擬直流偏移消除器更長的響應(yīng)時間。對于實現(xiàn)具有寬范圍可設(shè)置增益的可編程增益放大器而言，多級放大器正逐步重要起來。在本領(lǐng)域中，需要一種直流偏移消除器，其能夠在不需要ADC的情況下減小多級放大器的殘留直流偏移，ADC是芯片面積消耗型元件。

發(fā)明內(nèi)容
提供了一種包括直流偏移消除的多級放大器，所述直流偏移消除用于減小放大器的輸出處的殘留直流偏移。該多級放大器具有多個串聯(lián)增益級，所述多個串聯(lián)增益級中的每個包括差分放大器單兀，所述差分放大器單兀配置成從一對差分輸入產(chǎn)生一對差分輸出。具體地，在多個串聯(lián)增益級中的尾隨級包括數(shù)字直流偏移消除模塊，所述數(shù)字直流偏移消除模塊配置成補償尾隨級的差分放大器單元的直流偏移。此外，所述數(shù)字直流偏移消除模塊包括比較器，所述比較器耦接至尾隨級的差分放大器單元的一對差分輸出，以接收該對差分輸出作為比較器的一對輸入。優(yōu)選地，比較器配置成具有很小的固有直流偏移。自動歸零電壓比較器可以用作比較器。在一個實施例中，數(shù)字直流偏移消除模塊包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，其具有耦接至尾隨級的差分放大器單元的該對差分輸入的一對數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出，以在該對數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出處產(chǎn)生一對可控電流，從而在尾隨級的差分放大器單元的差分輸入上引入額外的電壓差。數(shù)字直流偏移消除模塊還包括數(shù)字校準(zhǔn)模塊，其配置成基于作為輸入信息的比較器的輸出，控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生該對可控電流，以補償尾隨級的差分放大器單元的直流偏移。從而，在不需要包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的條件下補償直流偏移。數(shù)字校準(zhǔn)模塊可以使用逐次逼近寄存器(SAR)邏輯。優(yōu)選地，多級放大器的非尾隨級包括模擬直流偏移校準(zhǔn)模塊，其配置成補償非尾隨級的直流偏移。非尾隨級在增益上可以是可編程的。在一個實施例中，模擬直流偏移消除模塊包括輸入電阻梯形電路，其具有耦接到非尾隨級的差分放大器單元的該對差分輸出的一對端子；低通濾波器，其產(chǎn)生第一濾波器輸出和第二濾波器輸出，以低通過濾從輸入電阻梯形電路獲得的第一濾波器輸入和第二濾波器輸入；第一輸出電阻器，第一輸出電阻器的第一端子連接至第一濾波器輸出，以及第一輸出電阻器的第二端子連接至非尾隨級的差分放大器單兀的差分輸入中的一個；以及第二輸出電阻器，第二輸出電阻器的第一端子連接至第二濾波器輸出，以及第二輸出電阻器的第二端子連接至非尾隨級的差分放大器單元的差分輸入中的另一個。也公開了一種用于補償多級放大器的直流偏移的方法。所述方法使用數(shù)字直流偏移消除模塊來補償尾隨級的差分放大器單元的直流偏移，其中數(shù)字直流偏移消除模塊具有比較器，所述比較器耦接至差分放大器單元的一對差分輸出，以接收該對差分輸出作為比較器的一對輸入。優(yōu)選地，比較器配置成具有很小的固有直流偏移。自動歸零電壓比較器可以用作比較器。優(yōu)選地，所述方法還 包括使用模擬直流偏移消除模塊補償多級放大器的非尾隨級的直流偏移。


圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的多級放大器的實例。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的包括直流偏移消除的多級放大器。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的多級放大器的尾隨級。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的多級放大器的非尾隨級。
具體實施例方式多級放大器包括多個串聯(lián)的增益級，其中，增益級的數(shù)目為至少兩個?？蛇x地，串
聯(lián)的增益級中的一個或多個在增益上是可編程的，從而使得多級放大器具有可編程的增.、/■
Mo圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的多級放大器的實例。多級放大器100包括N個增益級，包括第一增益級131、第二增益級132、第(N-1)增益級133和第N增益級134。輸入信號110在第一增益級131中放大。第一增益級131的輸出處的放大的信號供給至第二增益級132。隨后的增益級重復(fù)該處理，直到第N增益級134，該級的輸出產(chǎn)生多級放大器100的輸出信號 120。如本文所使用，尾隨級是多個增益級中的最后增益級，非尾隨級是除了尾隨級之外的增益級。在圖1中，第N增益級是多級放大器100的尾隨級，而第一增益級131、第二增益級132和第(N-1)增益級133是非尾隨級。如本文所定義，每個增益級包括配置成從一對差分輸入產(chǎn)生一對差分輸出的差分放大器單元。差分放大器單元可以包括一個或多個獨立差分放大器。不管差分放大器單元中包含一個還是多個獨立差分放大器，差分放大器單元都可能具有固有直流偏移，補償固有直流偏移是本發(fā)明的目標(biāo)。如在說明書和所附權(quán)利要求書中所使用，直流偏移消除意味著某個電子電路(例如，放大器)的固有直流偏移由一些方式補償，以能夠使得在這個電子電路的輸出處產(chǎn)生的直流偏移變小、降低、最小化或者甚至消除。本發(fā)明的一個方面在于提供一種多級放大器，其包括用于降低放大器的輸出處的殘留直流偏移的直流偏移消除。對于具有多個增益級的多級放大器，發(fā)明人注意到如果將直流偏移消除器用于緊接中間增益級的增益級，出現(xiàn)在中間增益級的輸出處的大量的殘留直流偏移不會繼續(xù)存在于緊接該中間增益級的增益級的輸出。發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)直流偏移消除器的固有限制(例如，用在如上所述的模擬直流偏移消除模塊中的讀出放大器的固有直流偏移)使得在該緊接的增益級的輸出處存在新的殘留直流偏移。通過控制在多級放大器的尾隨級處使用的直流偏移消除器的固有限制，可以減小多級放大器的輸出處的殘留直流偏移。本發(fā)明基于該結(jié)果研發(fā)。本發(fā)明的示例性實施例在圖2中示出。多級放大器200包括N個串聯(lián)的增益級，第N增益級是尾隨級234。尾隨級234包括數(shù)字直流偏移消除模塊244，其配置成補償尾隨級的差分放大器單元的直流偏移。如很快將證明那樣，發(fā)明人注意到比較器可以用作數(shù)字直流偏移消除模塊244的輸入級。此外，發(fā)明人注意到可以使得比較器的固有直流偏移非常小。例如，自動歸零電壓比較器可以獲得小于ImV的固有直流偏移。另一方面，直流偏移消除器的模擬實施方式通常包括具有讀出放大器的輸入級，讀出放大器通常具有約IOmV的固有直流偏移。在示例性實施例中，數(shù)字直流偏移消除模塊244包括比較器，該比較器耦接至尾隨級234的差分放大器單兀的一對差分輸出，以接收差分放大器的一對差分輸出作為比較器的一對輸入。優(yōu)選地，將比較器配置成具有非常小的固有直流偏移。比較器可以是自動歸零電壓比較器。因為出現(xiàn)在非尾隨級(例如圖2中的第一增益級231、第二增益級232和第(N_l)增益級233)的輸出處的直流偏移由數(shù)字直流偏移消除模塊244補償，由此得出這些非尾隨級的直流偏移消除比尾隨級234的直流偏移消除重要性小。可選地，不是所有的非尾隨級均使用直流偏移消除。然而，如上所述，數(shù)字直流偏移消除器通常比模擬直流偏移消除器具有更長的響應(yīng)時間。此外，發(fā)明人進行了以下觀察。對于增益可編程的增益級，當(dāng)增益改變時，用于該增益級的數(shù)字直流偏移消除器的響應(yīng)時間通常比模擬直流偏移消除器的響應(yīng)時間長很多。另外，當(dāng)增益改變時，數(shù)字直流偏移消除器通常導(dǎo)致可編程增益級的輸出處的殘留直流偏移產(chǎn)生很大改變。另一方面，如果將模擬直流偏移消除器用于可編程增益級，那么即使在出現(xiàn)增益改變時，殘留直流偏移也非常穩(wěn)定。有利地，對于從除了尾隨級234之外的串聯(lián)增益級中選擇的非尾隨級，使用配置成補償非尾隨級的直流偏移的模擬直流偏移消除模塊是優(yōu)選的。例如，可以將可選的模擬直流偏移消除模塊241、242和243分別用在增益級231、232和233中。使用模擬直流偏移消除模塊的非尾隨級在增益上可以是可編程的。將模擬消除器用于具有可編程增益的非尾隨級使得多級放大器200的輸出信號220處的殘留直流偏移自動消除(即，實時或具有很短響應(yīng)時間)，并且甚至在增益改變時，基本上去除殘留直流偏移的變化。在一個實施例中，圖3中示出的數(shù)字直流偏移消除模塊的示意圖，其用在多級放大器的尾隨級。如圖3中所示，差分放大器單元350用在尾隨級。數(shù)字直流偏移消除模塊310包括耦接至差分放大器單元350的一對差分輸出的比較器320。雖然圖3示出了差分放大器350的反向輸出連接至比較器320的非反向輸入，以及差分放大器350的非反向輸出連接至比較器320的反向輸入，但本發(fā)明并不僅僅限于這種布置方式。數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(DAC) 340包括在數(shù)字直流偏移消除模塊310中，該數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器具有耦接至差分放大器單元350的一對差分輸入的一對DAC輸出。DAC340用于在該對DAC輸出處產(chǎn)生一對可控電流，從而在差分放大器單元350的差分輸入上引入額外的電壓差。通過將兩個可控電流設(shè)置到期望量來獲得額外的電壓差，從而當(dāng)可控電流的一部分流過電阻器360、361時，產(chǎn)生補償差分放大器單元350的固有直流偏移所期望的不同的電壓降。數(shù)字直流偏移消除模塊310還包括數(shù)字校準(zhǔn)模塊330。使用比較器320的輸出作為輸入信息，將數(shù)字校準(zhǔn)模塊330配置成控制DAC 340以產(chǎn)生一對可控電流，從而補償差分放大器單元350的直流偏移。注意在數(shù)字直流偏移消除模塊310中，不需要實施ADC。在將一對可控電流設(shè)置到有助于補償直流偏差的期望量時，數(shù)字校準(zhǔn)模塊330使用算法來控制DAC 340?？蛇x地，可以使用逐次逼近寄存器(SAR)邏輯來實施該算法。在另一實施例中，圖4中示出的模擬直流偏移消除模塊的示意圖，其用在多級放大器的非尾隨級。如圖4中所示，模擬直流偏移消除模塊410用來補償用在非尾隨級中的差分放大器單元450的固有直流偏移。模擬直流偏移消除模塊410包括輸入電阻梯形電路420，其具有耦接至差分放大器單元450的一對差分輸出的一對端子。輸入電阻梯形電路420用來處理該對差分輸出，以產(chǎn)生用于饋送至低通濾波器430的兩個電壓。作為實例，低通濾波器430如圖4中所示實現(xiàn)為有源RC濾波器。低通濾波器430產(chǎn)生第一濾波器輸出433和第二濾波器輸出434，以低通過濾從輸入電阻梯形電路420獲得的第一濾波器輸入431和第二濾波器輸入432。該低通過濾使得低通濾波器430產(chǎn)生可能出現(xiàn)在差分放大器單兀450的一對差分輸出處的直流偏移值。第一輸出電阻器441用來連接第一濾波器輸出433和差分放大器單元450的差分輸入中的一個。第二輸出電阻器440用來連接第二濾波器輸出434和差分輸入中的另一個。通過將電流量引過或注入通過電阻器460，461，產(chǎn)生了用于補償差分放大器450的固有直流偏移的額外的電壓差。本發(fā)明的另一方面在于提供一種用于補償多級放大器的直流偏移的方法。在該方法的示例性實施例中，將數(shù)字直流偏移消除模塊用在多級放大器的尾隨級，以補償尾隨級的差分放大器單元的直流偏移。具體地，數(shù)字直流偏移消除模塊具有比較器，其具有耦接至差分放大器的一對差分輸出的一對輸入。優(yōu)選地，將比較器配置成具有很小的固有直流偏移。為此，可以使用自動歸零電壓比較器。優(yōu)選地，該方法還包括使用模擬直流偏移消除模塊，以補償多級放大器的非尾隨級的直流偏移。本發(fā)明可以在不背離其精神或?qū)嵸|(zhì)特征的情況下以其他特定形式實施。因此，可以在所有方面將本實施例看作為說明性的以及非限制性的。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書表示，而不是由前述說明書表示，并且因此，在權(quán)利要求書的等效含義和范圍內(nèi)的所有變化旨在包括在其中。
權(quán)利要求
1.一種多級放大器，具有多個串聯(lián)增益級，所述多個串聯(lián)增益級中的每個包括差分放大器單兀，所述差分放大器單兀配置成從一對差分輸入產(chǎn)生一對差分輸出，其中 在所述多個串聯(lián)增益級中的尾隨級包括數(shù)字直流偏移消除模塊，所述數(shù)字直流偏移消除模塊配置成用于補償尾隨級的差分放大器單元的直流偏移，其中所述數(shù)字直流偏移消除模塊包括比較器，所述比較器耦接至尾隨級的差分放大器單元的一對差分輸出，以接收該對差分輸出作為所述比較器的一對輸入。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級放大器，其中串聯(lián)增益級中的一個或多個在增益上是可編程的，從而使得多級放大器具有可編程的增益。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級放大器，其中串聯(lián)增益級中的任一個的差分放大器單元包括一個或多個獨立的差分放大器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級放大器，其中所述比較器配置成具有很小的固有直流偏移。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級放大器，其中所述比較器是自動歸零電壓比較器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級放大器，其中所述數(shù)字直流偏移消除模塊還包括 數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其具有耦接至尾隨級的差分放大器單元的該對差分輸入的一對數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出，以在該對數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出處產(chǎn)生一對可控電流，從而在尾隨級的差分放大器單元的差分輸入上引入額外的電壓差；以及 數(shù)字校準(zhǔn)模塊，配置成使用所述比較器的輸出作為數(shù)字校準(zhǔn)模塊的輸入信息，控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生該對可控電流，以補償尾隨級的差分放大器單元的直流偏移； 從而使得直流偏移在不需要包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器的條件下得到補償。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多級放大器，其中數(shù)字校準(zhǔn)模塊使用逐次逼近寄存器邏輯。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級放大器，其中從除了尾隨級之外的串聯(lián)增益級中選擇的非尾隨級包括模擬直流偏移消除模塊，其配置成補償非尾隨級的直流偏移。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的多級放大器，其中非尾隨級在增益上是可編程的。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的多級放大器，其中模擬直流偏移消除模塊包括 輸入電阻梯形電路，具有耦接到非尾隨級的差分放大器單元的該對差分輸出的一對端子; 低通濾波器，產(chǎn)生第一濾波器輸出和第二濾波器輸出，以低通過濾從輸入電阻梯形電路獲得的第一濾波器輸入和第二濾波器輸入； 第一輸出電阻器，第一輸出電阻器的第一端子連接至第一濾波器輸出，以及第一輸出電阻器的第二端子連接至非尾隨級的差分放大器單元的差分輸入中的一個；以及 第二輸出電阻器，第二輸出電阻器的第一端子連接至第二濾波器輸出，以及第二輸出電阻器的第二端子連接至非尾隨級的差分放大器單元的差分輸入中的另一個。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的多級放大器，其中低通濾波器是有源RC濾波器。
12.一種用于補償多級放大器的直流偏移的方法，所述多級放大器具有多個串聯(lián)增益級，所述多個串聯(lián)增益級中的每個包括差分放大器單元，所述差分放大器單元配置成從一對差分輸入產(chǎn)生一對差分輸出，所述方法包括 對于所述多個串聯(lián)增益級中的尾隨級，使用數(shù)字直流偏移消除模塊補償尾隨級的差分放大器單元的直流偏移，其中數(shù)字直流偏移消除模塊具有比較器，所述比較器耦接至尾隨級的差分放大器單元的一對差分輸出，以接收該對差分輸出作為所述比較器的一對輸入。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述比較器配置成具有很小的固有直流偏移。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述比較器是自動歸零電壓比較器。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括 對于從除了尾隨級之外的串聯(lián)增益級中選擇的非尾隨級，使用模擬直流偏移消除模塊補償非尾隨級的直流偏移。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種包括直流偏移消除的多級放大器。該放大器具有多個串聯(lián)增益級，每個增益級包括從一對差分輸入產(chǎn)生一對差分輸出的差分放大器單元。具體地，多個增益級中的尾隨級包括配置成用于補償尾隨級的差分放大器的直流偏移的數(shù)字直流偏移消除模塊。數(shù)字直流偏移消除模塊包括比較器，其耦接至尾隨級的差分放大器單元的該對差分輸出，以接收該差分輸出作為比較器的輸入。優(yōu)選地，比較器具有很小的固有直流偏移。優(yōu)選地，放大器的非尾隨級包括用于補償非尾隨級的直流偏移的模擬直流偏移消除模塊。
文檔編號H03M1/10GK103067007SQ201210558400
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月20日
發(fā)明者郭慧民, 鐘啟祥, 錢剛 申請人:香港應(yīng)用科技研究院有限公司