【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明涉及電路技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及電流放大器及發(fā)射機。

背景技術(shù)：

當(dāng)今，現(xiàn)代通信系統(tǒng)要求高數(shù)據(jù)率和長距離傳輸。因此，高速且高線性的發(fā)射機(transmitter)變得越來越重要。電流型(current-steering)數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(Digital-to-Analog Converter，DAC)是實施高速且高分辨率的發(fā)射機的優(yōu)選器件，但是很難設(shè)計出在高工作頻率(operating frequency)下工作時既滿足大的輸出擺動(output swing)又滿足小的失真(distortion)的電流型DAC。因此，目前使用電流放大器來解決上述問題，但是目前可用的電流放大器大都結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且電流放大器的直流輸出電壓往往不能達(dá)到期望的最佳值，而為了實現(xiàn)期望的最佳輸出就需要將電源電壓設(shè)得足夠大，這樣非常耗電。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供電流放大器和包括本發(fā)明電流放大器的發(fā)射機，可使放大器的直流輸出電壓達(dá)到期望的最佳值。

具體的，本發(fā)明實施例公開了一種電流放大器，其可包括：第一晶體管，該第一晶體管包括：源極，用于接收輸入電流的柵極，以及用于接收驅(qū)動電流的漏極；第二晶體管，該第二晶體管包括：柵極，源極和漏極；電壓電平移位單元，耦接于所述第一晶體管的所述漏極和所述第二晶體管的所述柵極之間，用于提供電壓偏移(voltage shift)；其中，所述電流放大器在所述第二晶體管的所述漏極產(chǎn)生輸出電流。

進(jìn)一步，本發(fā)明公開了包括上述電流放大器的發(fā)射機，其除了包括上述電流放大器之外，還包括：單端數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器，該單端數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器包括耦接于所述電流放大器的所述第一晶體管的所述柵極的單端輸出端。

另外，本發(fā)明還提供了另一種電流放大器，其可包括：第一晶體管，該第一晶體管包括：源極，用于接收正輸入電流的柵極，以及用于接收第一驅(qū)動電流的漏極；第二晶體管，該第二晶體管包括：柵極，源極和漏極；第三晶體管，該第三晶體管包括：源極，用于接收負(fù)輸入電流的柵極，以及用于接收第二驅(qū)動電流的漏極；第四晶體管，該第四晶體管包括：柵極，源極和漏極；電壓電平移位單元，耦接于所述第一晶體管的所述漏極和所述第二晶體管的所述柵極之間，以提供第一電壓偏移，以及耦接于所述第三晶體管的所述漏極和所述第四晶體管的所述柵極之間，以提供第二電壓偏移；其中，所述電流放大器在所述第二晶體管的所述漏極產(chǎn)生負(fù)輸出電流，在所述第四晶體管的所述漏極產(chǎn)生正輸出電流。

相應(yīng)的，本發(fā)明還提供了包括上述另一種電流放大器的發(fā)射機，其除了包括上述的電流放大器之外，還包括：差分?jǐn)?shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器，該差分?jǐn)?shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器包括：耦接于所述電流放大器的所述第一晶體管的所述柵極的正輸出端和耦接于所述電流放大器的所述第三晶體管的所述柵極的負(fù)輸出端。

綜上所述，本發(fā)明實施例所公開的電流放大器及包括所述電流放大器的發(fā)射機通過電壓電平移位單元來提供電壓偏移，由此使得電流放大器的直流輸出電壓通過調(diào)節(jié)到達(dá)期望的最佳值。

【附圖說明】

本發(fā)明可通過閱讀隨后的細(xì)節(jié)描述和參考附圖所舉的實施例被更全面地理解，其中：

圖1描述了本發(fā)明的一個實施例的電流放大器。

圖2描述了一種單端設(shè)計的發(fā)射機200。

圖3A-3C示出了本發(fā)明的多個電流放大器的多個實施例。

圖4A描述了依據(jù)本發(fā)明的一個實施例的偽差分結(jié)構(gòu)中的電流放大器。

圖4B描述了依據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的偽差分結(jié)構(gòu)中的電流放大器。

圖5描述了差分結(jié)構(gòu)中的發(fā)射機。

圖6描述了依據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的用于將輸入電流Iin轉(zhuǎn)換為輸出電流Io的電流放大器。

圖7描述了單端設(shè)計的發(fā)射機700。發(fā)射機700包括圖6的電流放大器和單端數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器202。

圖8示出了與圖6的電流放大器相比還包括有晶體管M3的電流放大器的實施例。

圖9A-圖9D示出了多種電壓電平移位單元VShift。

圖10A和圖10B描述了帶有電壓電平移位機制的偽差分電流放大器。

圖11A和圖11B描述了兩種可用于偽差分架構(gòu)的電壓電平移位單元VShift。

圖12示出了共模電壓傳感器1100的一個實施例。

【具體實施方式】

下面的描述展示了實施本發(fā)明的多個實施例。這里的描述僅用于闡述本發(fā)明的基本原理而不應(yīng)當(dāng)用于限定本發(fā)明。

圖1描述了本發(fā)明的一個實施例的電流放大器。該電流放大器包括至少兩個晶體管(transistor)M1和M2，還包括至少兩個阻抗(impedance)電路Zi和Zs。晶體管M1的柵極通過節(jié)點X耦接于一個前級(former-stage)電路。如圖所示，晶體管M1的漏極耦接于一個電流源(簡化為阻抗元件Zo)，晶體管M1的源極偏置于恒定電壓電平(例如，地端，但不限于此)。晶體管M2的柵極耦接于所述電流源(Zo)，晶體管M2還包括源極和漏極。阻抗電路Zi耦接于晶體管M1的柵極和晶體管M2的源極之間。阻抗電路Zs耦接于晶體管M2的源極和地端之間。電流放大器依據(jù)接收的輸入電流Iin在晶體管M2的漏極產(chǎn)生輸出電流Io?？蓪⒇?fù)載阻抗Zl耦接于晶體管M2的漏極，以將所述輸出電流Io轉(zhuǎn)換為電壓值。

晶體管M1、M2以及阻抗結(jié)構(gòu)Zo、Zi和Zs形成負(fù)反饋回路。因此，所述節(jié)點X交流接地(AC grounded)，但由于回路增益，僅存在非常小的交流信號。由此，Vi＝Iin*Zi,且Io＝(Vi/Zs)-Iin＝[(-Iin*Zi)/Zs-Iin]＝Iin(1+Zi/Zs)。在Iin和Io之間產(chǎn)生電流增益，(1+Zi/Zs)。

請注意，晶體管M1的源極未連接有電流源。晶體管M1的源極的電壓電平通過恒定的電壓偏置保持恒定而不是通過普通模式的偏置設(shè)計保持恒定。因此，本發(fā)明的電流放大器在單端應(yīng)用中發(fā)揮很好的作用。

圖2描述了一種單端設(shè)計的發(fā)射機200。發(fā)射機200包括圖1所述的電流放大器，另外還包括一個單端數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器202。單端數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器202的輸出信號耦接于晶體管M1的柵極。單端數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器202通過所述節(jié)點X向所述電流放大器提供輸入電流Iin，所述電流放大器隨后產(chǎn)生一個單端輸出電流Io，所述單端輸出電流Io被耦接至負(fù)載阻抗Zl，以實現(xiàn)電流-電壓的轉(zhuǎn)換。由于所述電流放大器的所述晶體管M1的所述源極不需要任何主動元件(active device)，因此，當(dāng)被應(yīng)用于傳輸操作(transmission operations)，圖1中的電流放大器可獲得低噪聲和高帶寬。

圖3A-3C示出了本發(fā)明的多個電流放大器的多個實施例。其中，晶體管M3的柵極偏置于偏置電壓Vb，晶體管M3的源極耦接于晶體管M1的漏極，晶體管M3的漏極耦接于電流源CS和晶體管M2的柵極。

在圖3A中，電阻Ri耦接于晶體管M1的柵極和晶體管M2的源極之間，以實施圖1中的阻抗電路Zi，電阻Rs耦接于晶體管M2的源極和地端之間，以實施圖1中的阻抗電路Zs。由于反饋網(wǎng)絡(luò)由M1、M2、CS、Ri以及Rs所形成，因此，無論節(jié)點X被注入多少輸入電流Iin，M1的柵極電壓始終保持恒定。這表示本發(fā)明的電流放大器具有小的輸入阻抗。Ri兩端的電壓隨著Iin而發(fā)生變化，且Io＝-(1+Ri/Rs)*Iin。可通過改變Ri和Rs的電阻(resistance)來控制所述電流放大器的電流增益。與需要額外的主動裝置實現(xiàn)共模偏置(common mode bias)的傳統(tǒng)的電流放大器相比，本發(fā)明的電流設(shè)計更為簡單。

與圖3A相比，圖3B還包括與電阻Ri并聯(lián)的電容Ci。并聯(lián)連接的Ri和Ci形成圖1的阻抗電路Zi，以作為一個低通濾波器。

與圖3A相比，圖3C還包括與電阻Rs并聯(lián)的電容Cs。并聯(lián)連接的Rs和Cs形成圖1的阻抗電路Zs，以作為一個高通濾波器。

圖3A-3C的阻抗電路的具體實現(xiàn)并非用于限定本發(fā)明的范圍。例如，可通過一對并聯(lián)連接的電阻和電容來實施阻抗電路Zi，以及通過一對并聯(lián)連接的電阻和電容來實施阻抗電路Zs，以最終實現(xiàn)帶通功能。

進(jìn)一步，圖4的電路提供了一種偽差分(pseudo differential)電流放大器。

圖4A描述了依據(jù)本發(fā)明的一個實施例的偽差分結(jié)構(gòu)中的電流放大器。首先，討論圖4A中的電路的右半部分。晶體管M11的柵極耦接于一個前級電路的正輸出端以用于接收正輸入(positive input)電流Iin+，晶體管M11的漏極耦接于電流源CS1，晶體管M11的源極偏置于恒定電壓電平(例如，地端，但不限于地端)。晶體管M12包括耦接于電流源CS1的柵極，還包括源極和漏極。阻抗電路Z11耦接于晶體管M11的柵極和晶體管M12的源極之間。阻抗電路Z12耦接于晶體管M12的源極和地端之間。晶體管M13為可選設(shè)備，包括偏置于電壓Vb的柵極、耦接于晶體管M11的漏極的源極，以及，耦接于電流源CS1和晶體管M12的柵極的漏極。在晶體管M12的漏極產(chǎn)生一個負(fù)輸出電流Io-。

接著，討論圖4A的電路的左半部分。晶體管M21的柵極耦接于所述前級電流的負(fù)輸出端以用于接收負(fù)輸入電流Iin-，晶體管M21的漏極耦接于電流源CS2，晶體管M21的源極偏置于所述恒定電壓電平(如圖所示，連接至接地端)。晶體管M22包括耦接于電流源CS2的柵極，還包括源極和漏極。阻抗電路Z21耦接于晶體管M21的柵極和晶體管M22的源極之間。阻抗電路Z22耦接于晶體管M22的源極和地端之間。晶體管M23為可選設(shè)備，包括偏置于電壓Vb的柵極、耦接于晶體管M21漏極的源極，以及，耦接于電流源CS2和晶體管M22的柵極的漏極。在晶體管M22的漏極產(chǎn)生一個正輸出電流Io+。

圖4B描述了依據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的偽差分結(jié)構(gòu)中的電流放大器。與圖4A中的電流放大器相比，圖4B中的電路還提供電阻R，用于將晶體管M11的源極和晶體管M21的源極耦接至接地端。因此，晶體管M11的源極和晶體管M21的源極偏置在恒定電壓電平I*R而非接地電平。

用于偏置晶體管M11的源極和晶體管M21的源極的所述恒定電壓電平并不限于所述接地電平或電壓電平V(＝I*R)。任意的未將任意的電流源連接至晶體管M11的源極和晶體管M21的源極的恒定電壓偏置電路均屬于本發(fā)明的范圍。由于晶體管M11的源極和晶體管M21的源極不需要主動裝置，因此，當(dāng)用于傳輸操作時，本發(fā)明的偽電流放大器可保證低噪聲和高帶寬。

依據(jù)本發(fā)明的一個實施例，圖5描述了差分結(jié)構(gòu)中的發(fā)射機，該發(fā)射機包括偽差分電流放大器502和差分?jǐn)?shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器504。偽差分電流放大器502可由圖4A或圖4B中的電路實施。差分?jǐn)?shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器504包括分別用于向偽差分電流放大器502提供所述正輸入電流Iin+和所述負(fù)輸入電流Iin-的正輸出端和負(fù)輸出端。

圖6描述了依據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的用于將輸入電流Iin轉(zhuǎn)換為輸出電流Io的電流放大器。與圖1相比，圖6中的電流放大器還包括耦接于晶體管M2的柵極和晶體管M1的漏極之間用于提供電壓偏移(voltage shift)的電壓電平移位單元(voltage level shifting unit)VShift。晶體管M1的漏極接收驅(qū)動電流Id。在一個實施例中，電壓電平移位單元VShift用于使晶體管M1工作于飽和區(qū)域(saturation region)。因此，圖6中的電流放大器可工作在期望的直流電流電壓(也即，工作在期望的直流輸出電壓)，且阻抗結(jié)構(gòu)Zo的工作和晶體管M1的工作將不會被晶體管M2的柵極電壓Vg所抑制(suppress)。如圖所示，電壓電平移位單元VShift上拉或下拉(“pull up”or“pull down”)晶體管M2的柵極的柵極電壓Vg來產(chǎn)生電壓電平Vo來耦接于晶體管M1的漏極，以確保晶體管M1工作在飽和區(qū)域。

在圖6的實施例中，晶體管M1的源極耦接于接地端。在一些實施例中，晶體管M1的源極偏置于恒定電壓電平。在一些實施例中，沒有主動裝置連接在晶體管M1的源極上。

圖7描述了單端設(shè)計的發(fā)射機700。發(fā)射機700包括圖6的電流放大器和單端數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器202。單端數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器202的輸出耦接于所述電流放大器的晶體管M1的柵極。單端數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器202通過節(jié)點X提供給所述電流放大器一個輸入電流Iin，且所述電流放大器產(chǎn)生一個單端輸出電流Io以被耦接來實現(xiàn)電流-電壓轉(zhuǎn)換。

圖8示出了與圖6的電流放大器相比還包括有晶體管M3的電流放大器的實施例。晶體管M3的柵極通過偏置電壓Vb進(jìn)行偏置，晶體管M3的源極耦接于晶體管M1的漏極，晶體管M3還包括漏極。電壓電平移位單元VShift耦接于晶體管M3的漏極。從晶體管M2的柵極電壓Vg移位而來的電壓電平Vo被提供給晶體管M3的漏極。阻抗電路Zi和Zs可為圖3A-圖3C中所示出的結(jié)構(gòu)，或者可為任意的濾波器架構(gòu)。

圖9A-圖9D示出了多種電壓電平移位單元VShift。在圖9A和圖9B中，電壓電平移位單元VShift包括電阻Rst和電流源Ic。在圖9A中，電壓偏移(voltage shift)Vos為正值，因此柵極電壓Vg被移位為更高的電壓電平Vo。在圖9B中，電壓差Vos為負(fù)值，因此柵極電壓Vg被移位為更低的電壓電平Vo。在圖9C和9D中，電壓電平移位單元VShift包括晶體管Mst和電流源Ic。在圖9C(NMOS(N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體)跟隨器)中，柵極電壓Vg通過晶體管個Mst的柵極和源極之間的電壓差Vos被移位為更高的電壓電平Vo。在圖9D(PMOS(P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體)跟隨器)中，柵極電壓Vg通過晶體管個Mst的源極和柵極之間的電壓差Vos被移位為更低的電壓電平Vo。

圖10A和圖10B描述了帶有電壓電平移位機制的偽差分電流放大器。與圖4A和圖4B相比，電壓電平移位單元VShift上拉或下拉晶體管M12的柵極的柵極電壓Vg1和晶體管M22的柵極的柵極電壓Vg2來產(chǎn)生電壓電平Vo1和Vo2。在一個實施例中，通過晶體管M13使電壓電平Vo1耦接于晶體管M11的漏極，以便晶體管M11工作在飽和區(qū)域。通過晶體管M23使電壓電平Vo2耦接于晶體管M21的漏極，以便晶體管M21工作在飽和區(qū)域。

在圖10A的實施例中，晶體管M11的源極和晶體管M21的源極均耦接至接地端。在一些實施例中，晶體管M11的源極和晶體管M21的源極偏置于固定電壓電平。

再次參考圖5，偽差分電流放大器502可通過帶有電壓電平移位機制的偽差分電流放大器實施。使用高線性偽差分電流放大器和差分?jǐn)?shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器的發(fā)射機也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。

圖11A和圖11B描述了兩種可用于偽差分架構(gòu)的電壓電平移位單元VShift。

在圖11A中，電壓電平移位單元VShift包括共模電壓傳感器(common mode voltage sensor)1100，運算放大器Amp，跨導(dǎo)放大器Gm1和Gm2，以及電阻Rlv1和Rlv2。電壓電平Vo1和Vo2之間的共模電壓Vcm由共模電壓傳感器1100提取并傳遞給所述運算放大器Amp與共模電壓參考Vcm_ref進(jìn)行比較。所述運算放大器Amp的輸出信號分別被耦接至所述兩個跨導(dǎo)放大器Gm1和Gm2來轉(zhuǎn)換為流經(jīng)電阻Rlv1和Rlv2電流，以在柵極電壓Vg1(晶體管M12的)和電壓電平Vo1之間產(chǎn)生電壓偏移(voltage shift)，以及在柵極電壓Vg2(晶體管M22的)和電壓電平Vo2之間產(chǎn)生電壓偏移。電壓電平Vo1和Vo2之間的共模電壓Vcm可最終被鎖定為所述共模電壓參考Vcm_ref，以確保晶體管M11和M21工作在飽和區(qū)域。

在圖11B中，電壓電平移位單元VShift包括共模電壓傳感器1100，跨導(dǎo)放大器Gm1′和Gm2′，以及電阻Rlv1和Rlv2?？鐚?dǎo)放大器Gm1′和Gm2′中的每一個包括兩個輸入端，分別用于接收共模電壓參考Vcm_ref和由共模電壓傳感器1100所獲得的共模電壓Vcm(電壓電平Vo1和Vo2之間的)。所述兩個跨導(dǎo)放大器Gm1′和Gm2′根據(jù)共模電壓Vcm和共模電壓參考Vcm_ref之間的電壓差確定流經(jīng)電阻Rlv1和Rlv2的電流，以在柵極電壓Vg1(晶體管M12的)和電壓電平Vo1之間產(chǎn)生電壓偏移(voltage shift)，以及在柵極電壓Vg2(晶體管M22的)和電壓電平Vo2之間產(chǎn)生電壓偏移。電壓電平Vo1和Vo2之間的共模電壓Vcm可最終被鎖定為所述共模電壓參考Vcm_ref，以確保晶體管M11和M21工作在飽和區(qū)域。

圖12示出了共模電壓傳感器1100的一個實施例。在該實施例中，共模電壓傳感器1100包括兩個具有相同電阻值的電阻(均為‘R’)。電壓電平Vo1和Vo2之間的共模電壓Vcm取自所述兩個相同的電阻的公共節(jié)點。

權(quán)利要求書中用以修飾元件的“第一”、“第二”等序數(shù)詞的使用本身未暗示任何優(yōu)先權(quán)、優(yōu)先次序、各元件之間的先后次序、或所執(zhí)行方法的時間次序，而僅用作標(biāo)識來區(qū)分具有相同名稱(具有不同序數(shù)詞)的不同元件。

本發(fā)明雖以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明的范圍，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可做些許的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求所界定者為準(zhǔn)。