專利名稱：平衡跨導和電子裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種適合于用在有源電子濾波器中的平衡跨導和一種包含平衡跨導的電子裝置。
背景技術：
在無線通信領域，用以獲得高靈敏度、充分集成的無線收發(fā)信機的優(yōu)選無線接收機結構是低的IF(中頻)多相接收機結構。這種多相結構能夠取得成功的一個關鍵是集成信道濾波器的能力。為了提高電路集成水平并減少功耗，人們希望以混合的模擬和數(shù)字集成電路(IC)來實現(xiàn)無線收發(fā)信機，并且希望以低電壓數(shù)字CMOS工藝實現(xiàn)這種混合的信號IC。
一種能夠用于實現(xiàn)集成信道濾波器的組件是跨導。跨導是用于多種電子電路的重要組件。它們形成的跨導電容(Gm-C)類的有源濾波器的基礎，并且，通過額外的開關，它們創(chuàng)建用于采樣數(shù)據(jù)濾波器的開關電流存儲器。理想情況下，它們線性地將輸入電壓轉(zhuǎn)換成輸出電流，使輸入和輸出端口都呈現(xiàn)無窮大的阻抗。
因此，人們希望設計出具有高性能并能夠以低電壓數(shù)字CMOS工藝實現(xiàn)的跨導電路。
圖1(電路示意圖)和圖2(框圖示意圖)示出的單端跨導單元使用了PMOS/NMOS晶體管對。如果該PMOS和NNOS晶體管被定下尺寸以具有相同的跨導gm，那么這個單端跨導單元的總跨導是-G＝-2.gm。進一步，如果它們具有相同的門限電壓，并且使用一對電壓供電軌(rail)Vss和Vdda，為了簡單起見，假定Vss＝0，并且，使輸入電壓偏置在中間軌(mid-rail)電壓Vdda/2，則在PMOS和NMOS晶體管中都產(chǎn)生相等的漏電流J，且輸出電流iout為零。當輸入電壓改變vin時，兩個晶體管的漏電流是不平衡的，且在輸出端流動著一個線性相關的電流iout＝-G.vin。該跨導非常有效，因為它工作在AB類中，且一直到輸出電流iout達到4.J時才出現(xiàn)削波現(xiàn)象。
在圖3(電路示意圖)和圖4(框圖示意圖)中示出了一種平衡跨導，它將平衡的輸入電壓轉(zhuǎn)換成平衡的輸出電流。它包括兩個圖1和圖2中的單端跨導單元，其中一個用于轉(zhuǎn)換正信號電壓而另一個用于轉(zhuǎn)換負信號電壓，并得到一個差分跨導Gd＝G/2。在有源濾波器中，經(jīng)常需要并能通過簡單地使信號對交叉而獲得信號的反相。不幸的是，如果將這種簡單的平衡跨導用在例如那些在有源濾波器中出現(xiàn)的反饋網(wǎng)絡中，則電路將變得不穩(wěn)定。圖5示出了與反饋網(wǎng)絡一起的使用，且在圖6中等同地示出，圖6中包括反相和非反相單端跨導(圖5)的負反饋環(huán)路是通過用有線交叉產(chǎn)生額外反相的全部反相的單端跨導來實現(xiàn)(圖6)。在這個配置中，四個反相的單端跨導形成一個正反饋環(huán)路，而實際上，該電路像數(shù)字鎖存器一樣工作，其輸入和輸出切換到該供電軌的一個或另一個。
不穩(wěn)定的問題可以通過使用一個共模反饋網(wǎng)絡來解決，該共模反饋網(wǎng)絡具有按照1989年3月30日Vol.25 No.7，B.Nauta and E.Seevinck，Electronics Letters，“Linear CMOS transconductanceelement for VHF filters(用于VHF濾波器的線性CMOS跨導元件)”的描述來配置的四個另外的單端跨導。假定PMOS和NMOS晶體管具有相同的參數(shù)，那么產(chǎn)生零輸出電流的共模輸入電壓為vin+＝vin-＝Vdda/2。如果有純差分輸入信號電壓vdm，即vin+＝Vdda/2+vdm/2和vin-＝vdda/2-vdm/2，則共模反饋網(wǎng)絡產(chǎn)生抵消的電流，并且兩個輸入端之間的網(wǎng)絡呈現(xiàn)無窮大的阻抗。如果有純共模輸入信號電壓vcm，即vin+＝vin-＝vdda/2+vcm，則共模反饋網(wǎng)絡產(chǎn)生相加的電流，并且網(wǎng)絡在輸出端產(chǎn)生電阻性負載。在圖8和圖9中分別示出了差模和共模等效的示意框圖。
圖7中包括兩個平衡跨導的反饋環(huán)路是穩(wěn)定的，因為每個額外的單端跨導的共模電壓增益為0.5，從而帶來0.25的環(huán)路增益。然而，同時包括這種結構和圖3中的簡單平衡跨導的環(huán)路是不穩(wěn)定的。用圖7的平衡跨導專門制造的濾波器將消耗用圖3的簡單平衡跨導制造的濾波器(雖然這種濾波器不穩(wěn)定)3倍的功率，這是很大的性能損失。而且，圖7的平衡跨導的共模抑制僅為0.5(6dB)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種改進的平衡跨導和一種包括平衡跨導的電子裝置。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種平衡跨導，它包括第一輸入端和第一輸出端之間的第一信號通路，第二輸入端和第二輸出端之間的第二信號通路，該第一信號通路包括第一單端跨導裝置，該第二信號通路包括第二單端跨導裝置，以及該平衡跨導還包括與第一和第二信號通路耦合的抵消網(wǎng)絡(cancellation network)，其中該抵消網(wǎng)絡被配置成在第一和第二單端跨導裝置的輸入端口提供對施加于該第一和第二輸入端的共模電壓的抵消。
通過提供對共模電壓的抵消而得到改進的共模抑制比，而且，在使用根據(jù)本發(fā)明的兩個平衡跨導制造、或者甚至是從一個這樣的平衡跨導和一對單端跨導制造的反饋環(huán)路中都能獲得改進的穩(wěn)定度。
優(yōu)選地，該抵消網(wǎng)絡包括半尺寸的單端跨導裝置，其使用半寬度的晶體管并且牽引第一和第二單端跨導裝置供電電流的一半，因而有助于減少功耗。替代地，可使用其他尺寸的晶體管。小的晶體管將吸引(draw)小的電流。
根據(jù)本發(fā)明第二方面，提供了一種電子裝置，它包括按照本發(fā)明第一方面的一個平衡跨導。


現(xiàn)在將參照附圖，通過例子來對本發(fā)明進行詳細的描述。其中圖1是單端跨導的電路示意圖；圖2是單端跨導的框圖示意圖；圖3是平衡跨導的電路示意圖；圖4是平衡跨導的框圖示意圖；圖5是具有共模反饋網(wǎng)絡的平衡跨導的框圖示意圖；圖6是具有共模反饋網(wǎng)絡并使用反相單端跨導的平衡跨導的等效框圖示意圖；圖7是具有穩(wěn)定化的共模反饋網(wǎng)絡的平衡跨導的框圖示意圖；圖8是圖7的平衡跨導的差模等效框圖；圖9是圖7的平衡跨導的共模等效框圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明的平衡跨導的框圖示意圖；圖11是圖10的平衡跨導的差模等效框圖；
圖12是圖10的平衡跨導的共模等效框圖；圖13是偏置控制電路；圖14是包括平衡跨導的電子濾波器的框圖示意圖；以及圖15是無線接收機的框圖示意圖。
具體實施例方式
參考10，其中示出了平衡跨導100具有第一和第二輸入10、15，第一和第二輸出20、25，并且第一和第二主單端跨導30、35各有跨導-G并與第一和第二輸出20、25的供電電流分別耦合。在平衡跨導100的第一和第二輸入10、15以及第一和第二主單端跨導30、35的輸入40、45之間耦合有一個共模反饋抵消網(wǎng)絡200。
抵消網(wǎng)絡200包括一個阻值為R的第一電阻50，其耦合在平衡跨導100的第一輸入10和第一主單端跨導40的輸入40之間，和一個阻值為R的第二電阻55，其耦合在平衡跨導100的第二輸入15和第二主單端跨導45的輸入45之間。抵消網(wǎng)絡200進一步包括四個半尺寸的單端跨導60、61、62、63，它們各具有跨導-G/2。半尺寸的單端跨導60、61、62、63使用半寬度的晶體管并且吸引主單端跨導30、35的供電電流的一半。
第一半尺寸跨導60的輸入與平衡跨導100的第一輸入10耦合，而第一半尺寸跨導60的輸出與第二主單端跨導35的輸入45耦合。第二半尺寸跨導61的輸入與平衡跨導100的第一輸入10耦合，而第二半尺寸跨導61的輸出與第一主單端跨導30的輸入40耦合。第三半尺寸跨導62的輸入與平衡跨導100的第二輸入15耦合，而第三半尺寸跨導62的輸出與第一主單端跨導30的輸入40耦合。第四半尺寸跨導63的輸入與平衡跨導100的第二輸入15耦合，而第四半尺寸跨導63的輸出與第二主單端跨導35的輸入45耦合。
第一和第二電阻50、55的阻值R與跨導-G的關系可以用表達式R＝1/G表示。在通常情況下，抵消網(wǎng)絡200的跨導值可以表示為-G’/2，且R的值通過R＝1/G’給出。
下面給出平衡跨導100的操作。首先，考慮平衡跨導處于靜止狀態(tài)(quiescent condition)的情況，其中，輸入信號電壓為vin+＝vin-＝Vdda/2。在半尺寸跨導60、61、62、63的每個共模反饋MOS晶體管中的電流為J/2，且反饋電流為if+＝if-＝0。由于在第一和第二電阻50、55中沒有電流流動，所以加到第一和第二主單端跨導30、35的輸入40、45的電壓也是Vdda/2，并且在平衡跨導100的輸出20、25處的電流為零。
下一步，考慮平衡跨導100具有一個純差分輸入信號電壓vdm，即輸入電壓為vin+＝Vdda/2+vdm/2、vin-＝Vdda/2-vdm/2的情況。反饋電流再次地是if+＝if-＝0，因為半尺寸跨導60、61產(chǎn)生的電流與半尺寸跨導62、63產(chǎn)生的電流相等但反向。第一和第二電阻50、55不產(chǎn)生壓降，因此，輸入電壓vin+和vin-分別直接加到第一和第二主單端跨導30、35的輸入40、45，在平衡跨導的輸出20、25流動著vdm.G/2的電流。
現(xiàn)在，考慮平衡跨導100具有一個純共模輸入信號電壓vcm，即輸入電壓為vin+＝vin-＝Vdda/2+vcm的情況?，F(xiàn)在反饋電流為if+＝if-＝vcm.G并且它們在第一和第二電阻50、55上產(chǎn)生從vin+和vin-中減去的vcm的壓降，以使在第一和第二主跨導30、35的輸入40、45的電壓為Vdda/2，而在平衡跨導100的輸出20、25的電流為零。
平衡跨導100的差模和共模等效電路圖在圖11和12中分別示出。共模輸入信號在主跨導30、35的輸入40、45經(jīng)歷虛短路，這使得用兩個平衡跨導100，或者甚至是用平衡跨導100和一對單端跨導制造的反饋環(huán)路變得穩(wěn)定。
用于獲得所需的電阻R和跨導-G之間關系R＝1/G的偏置控制電路在圖13中示出，圖中對供給該平衡跨導100的偏置電流進行控制，以迫使G＝1/R。參照圖13，晶體管P1、P2、N1、N2的環(huán)路(其中P1的寬度是P2的4倍)設定在那個環(huán)路中的電流，使得P2的跨導為1/2R。這個電流通過P3被鏡像并與來自N3的電流相加，來自N3的電流是二極管連接的跨導P、N中電流的鏡像。如果N3中的電流比P3中的電流低，那么被提供給時鐘Ck的電荷泵70在端子en被使能，而且Nreg的柵極被泵送得很高。這便升高供給平衡跨導100的電壓Vdd，一直到在N3和P3中的電流變得相等，在電流相等的這一點，電荷泵70被停用，且環(huán)路變得穩(wěn)定。
包括根據(jù)本發(fā)明的第一方面的平衡跨導的電子裝置的一個例子在圖14中示出，其示出了電子濾波器300的框圖示意圖，該電子濾波器300適合用作低的IF無線接收機中的信道濾波器并且被安排來對同相(I)和正交相位(Q)信號進行濾波。該電子濾波器300包括互連的平衡跨導和電容。在一些應用中，可能并不是電子濾波器300中的每個平衡跨導都必須包含根據(jù)本發(fā)明第一方面的平衡跨導。例如，只要輸入的平衡跨導310是根據(jù)本發(fā)明的第一方面的平衡跨導，就可能得到足夠的共模抵消。
圖15中示出了包含根據(jù)本發(fā)明的第一方面的平衡跨導的電子裝置的一個例子，其示出了無線接收機400的框圖示意圖。該無線接收機400具有輸入410，其被耦合以從天線405接收信號。所接收的信號被天線濾波器420濾波，并在混頻器440中被下變頻以產(chǎn)生同相和正交相位IF信號I和Q之前，在低噪聲放大器(LNA)430中進行放大。I和Q信號被電子濾波器300濾波，然后在數(shù)字信號處理器(DSP)480中被解調(diào)之前，在模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)460中進行數(shù)字化，其中該數(shù)字信號處理器DSP在輸出470上提供解調(diào)信號。
工業(yè)實用性集成電子濾波器適用于例如集成無線接收機。
權利要求
1.一種平衡跨導，包括第一輸入端和第一輸出端之間的第一信號通路，第二輸入端和第二輸出端之間的第二信號通路，該第一信號通路包括第一單端跨導裝置，而第二信號通路包括第二單端跨導裝置；以及該平衡跨導還包括與第一和第二信號通路耦合的抵消網(wǎng)絡，其中該抵消網(wǎng)絡被配置成在該第一和第二單端跨導裝置的輸入端口處提供施加于該第一和第二輸入端的共模電壓的抵消。
2.如權利要求1所述的平衡跨導，其中，第一和第二單端跨導裝置各具有跨導-G，并且該抵消網(wǎng)絡包括第一電阻裝置，具有耦合在第一輸入端和第一單端跨導裝置的輸入端口之間的阻值R；第二電阻裝置，具有耦合在第二輸入端和第二單端跨導裝置的輸入端口之間的阻值R；和，各具有跨導-G’/2的第三、第四、第五和第六單端跨導裝置，這里G’＝1/R；其中，第三跨導裝置的輸入與該第一輸入端耦合，第四跨導裝置的輸入端與該第一輸入端耦合，第五跨導裝置的輸入與該第二輸入端耦合，第六跨導裝置的輸入與該第二輸入端耦合；第三跨導裝置的輸出與第二跨導裝置的輸入端口耦合，第四跨導的輸出與該第一跨導裝置的輸入端口耦合，第五跨導裝置的輸出與第一跨導裝置的輸入端口耦合，而第六跨導裝置的輸出與第二跨導裝置的輸入端口耦合。
3.一種包含如權利要求1或2所述的平衡跨導的電子裝置。
全文摘要
一種具有一對電壓輸入和一對電流輸出的平衡跨導，它包括一對單端跨導，每個信號通路和抵消網(wǎng)絡一個。抵消網(wǎng)絡在單端跨導的輸入處抵消一個在電壓輸入出現(xiàn)的共模電壓，使得不產(chǎn)生共模輸出電流。抵消網(wǎng)絡可以包括四個半尺寸單端跨導，用以吸引全尺寸單端跨導的供電電流的一半。
文檔編號H03F3/34GK1575543SQ02821225
公開日2005年2月2日 申請日期2002年9月20日 優(yōu)先權日2001年10月27日
發(fā)明者J·B·胡赫斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司