專利名稱：平衡回轉(zhuǎn)器和包括平衡回轉(zhuǎn)器的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及平衡回轉(zhuǎn)器(gyrator)及其設(shè)備，例如回轉(zhuǎn)子濾波器(gyrator filters)和包括至少一個平衡回轉(zhuǎn)器的集成收發(fā)器。該MOS晶體管背景技術(shù)回轉(zhuǎn)子濾波器通常用在無線收發(fā)器的低功率信道濾波器中。當(dāng)前，能夠用MOS技術(shù)制造完整的集成收發(fā)器/接收器還是令人感興趣的。信道濾波器可以包括MOS回轉(zhuǎn)器，MOS回轉(zhuǎn)器遭受電容前饋問題，電容前饋是在它的MOS晶體管中由非互易的柵極-漏極電容產(chǎn)生的結(jié)果，并且這一結(jié)果使濾波器的高頻響應(yīng)發(fā)生畸變。回轉(zhuǎn)器包括跨導(dǎo)器反饋對，并且在理想情況下，這些跨導(dǎo)器可將輸入電壓線性地轉(zhuǎn)換為輸出電流，而且輸入端口和輸出端口二者都呈現(xiàn)無限大的阻抗。在圖1中表示的是一個典型的跨導(dǎo)反饋器對，其中的一個跨導(dǎo)器10是反相的，另一個跨導(dǎo)器12是非反相的。
圖2表示的是一個平衡甲乙類跨導(dǎo)器的實(shí)施例，跨導(dǎo)器包括兩對MOS晶體管，每對晶體管包括一個p型晶體管14和一個n型晶體管16，它們的漏極耦合在一起，它們的源極連接到對應(yīng)的電源電壓線VDDA和VSS，它們的柵極連接到一起，每一對柵極的公共接點(diǎn)連接到對應(yīng)的輸入端18、20，它們的對應(yīng)的相互連接的漏極耦合到輸出端22、24。在輸入端18、20之間耦合一個共模反饋(cmfb)電路26以提供直流穩(wěn)定性。
如圖3所示的使用兩個平衡甲乙類跨導(dǎo)器10、12的并且反饋跨導(dǎo)器12的輸出連接交叉(crossed-over)在一起的平衡回轉(zhuǎn)器存在的問題是，形成跨導(dǎo)器的晶體管的漏極和柵極之間本來就有的電容將要產(chǎn)生高頻寄生穿透路徑，這將在濾波器的頻率響應(yīng)中產(chǎn)生高頻峰。在跨導(dǎo)器中使用極小的晶體管可減輕這種情況，但實(shí)際上，這將導(dǎo)致極差的匹配。
現(xiàn)在參照附圖4和5，上述的問題可以理解如下一開始，考慮如圖4所示的一個MOSFET的柵極g和漏極d之間存在電容。Y.P.Tsividis在文章“MOS晶體管的操作和模型”(McGraw-Hill，ISBN0-07-065381，第370-372頁)中指出，在飽和狀態(tài)SAT下工作的晶體管(見圖5)具有如由下式給出的本征電容Cgs、Cdg、CgdCgs=-δQgδVs=23·Cax---(1)]]>Cdg=-δQdδVg=415·Cax---(2)]]>Cgd=-δQgδVd=0---(3)]]>例如，在與本發(fā)明有關(guān)的平衡回轉(zhuǎn)器中使用的跨導(dǎo)器的那些晶體管就是如此。
MOSFET還有一個非本征的電容Cgdol，它是由于柵-漏重疊和柵-漏觸點(diǎn)之間的雜散場引起的。
跨導(dǎo)器有一個前饋電容Cff和一個反饋電容Cfb，這里Cff=Cdg+Cgdol=25·Cgs+Cgdol---(4)]]>Cfb＝Cgd+Cgdol＝Cgdol(5)顯然，電容是非互易的，即Cff≠Cfb，因而使用簡單的(互易的)電容的簡單中和平衡技術(shù)是無用的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一個目的是減輕高頻寄生穿通路徑(feedthroughpath)對于平衡回轉(zhuǎn)器性能的影響。
本發(fā)明的第二個目的是避免或減小使用平衡回轉(zhuǎn)器實(shí)施的濾波器的頻率響應(yīng)的畸變。
按照本發(fā)明的一個方面，提供一種平衡回轉(zhuǎn)器，所說平衡回轉(zhuǎn)器包括多個相互連接的前饋和反饋MOS單端跨導(dǎo)器、平衡的輸入端和輸出端、分別耦合在平衡的輸入端和輸出端之間的共模反饋裝置、和為每個跨導(dǎo)器提供非互易的反饋電容以使跨導(dǎo)的穿心電容(feedthroughcapacitance)變?yōu)榛ヒ讖亩泻突剞D(zhuǎn)器的穿心電容的裝置。
按照本發(fā)明的第二個方面，提供了一種濾波器，所說的濾波器包括至少一級濾波器，一級濾波器包括第一和第二分路電容器和一個串聯(lián)電感級，其特征在于串聯(lián)電感級包括第一和第二平衡回轉(zhuǎn)器和一個分路電容，其特征還在于第一和第二回轉(zhuǎn)器中的每一個都包括多個相互連接的前饋和反饋MOS單端跨導(dǎo)器、平衡的輸入端和輸出端，分別耦合在平衡的輸入端和輸出端之間的共模反饋裝置、和為每個跨導(dǎo)器提供非互易的反饋電容以使跨導(dǎo)的穿心電容變?yōu)榛ヒ讖亩泻突剞D(zhuǎn)器的穿心電容的裝置。
按照本發(fā)明的第三個方面，提供一種具有至少一個信道濾波器的收發(fā)器，所說的信道濾波器或者每個信道濾波器包括多個平衡回轉(zhuǎn)器，每一個平衡回轉(zhuǎn)器包括多個相互連接的前饋和反饋MOS單端跨導(dǎo)器、平衡的輸入端和輸出端，分別耦合在平衡的輸入端和輸出端之間的共模反饋裝置、和為每個跨導(dǎo)器提供非互易的反饋電容以使跨導(dǎo)的穿心電容變?yōu)榛ヒ讖亩泻突剞D(zhuǎn)器的穿心電容的裝置。
按照本發(fā)明的下一個方面，提供一種設(shè)備，所說的設(shè)備包括按照本發(fā)明的第一個方面的平衡回轉(zhuǎn)器、或者按照本發(fā)明的第二個方面的濾波器、或者按照本發(fā)明的第三個方面的收發(fā)器。這樣一種設(shè)備例如可以是一種集成電路。


下面參照附圖借助于實(shí)例詳細(xì)描述本發(fā)明，其中圖1是表示包括跨導(dǎo)器的反饋對的示意方塊圖；圖2是包括MOS晶體管對和共模反饋電路的平衡甲乙類跨導(dǎo)器的示意圖；圖3是包括如圖2所示的兩個平衡跨導(dǎo)器的平衡回轉(zhuǎn)器模塊的示意方塊圖；圖4是MOSFET的示意圖，表示出各個電極對之間的各個本征電容以及非本征電容；圖5是表示跨導(dǎo)器的晶體管在各個工作區(qū)的本征電容的曲線圖；圖6是具有一個附加的反饋電路的單端跨導(dǎo)器的示意電路圖；圖7是包括4個如圖6所示的單端跨導(dǎo)器和共模反饋級的平衡回轉(zhuǎn)器模塊的示意電路方塊圖；圖8是第5級回轉(zhuǎn)子濾波器的示意方塊圖；圖9用虛線表示第5級回轉(zhuǎn)子濾波器的其中沒有中和回轉(zhuǎn)器的前饋電容的頻率響應(yīng)，用實(shí)線表示第5級回轉(zhuǎn)子濾波器的其中已經(jīng)中和了回轉(zhuǎn)器的前饋電容的頻率響應(yīng)；和圖10是具有一個多相濾波器的收發(fā)器示意方塊圖，其中的濾波器使用了按照本發(fā)明制造的平衡回轉(zhuǎn)器。
在附圖中，使用相同標(biāo)號表示對應(yīng)的特征。
具體實(shí)施例方式
因?yàn)樵诒菊f明書的開始段已經(jīng)描述了圖1-5，所以這里不再對它們進(jìn)行描述。
現(xiàn)在參照附圖6，圖中所示的單端跨導(dǎo)器分別包括pMOS和nMOS晶體管14、16，它們的漏極連接在一起，它們的源極連接到對應(yīng)的電流源連線(rail)Vdda和Vss。這些晶體管的柵極連接到一個公共輸入端18。
用虛線表示在晶體管14和電源線Vdda之間的pMOS晶體管14的柵-源電容30(Cgsp)。類似地，用虛線表示在晶體管16和電源線Vss之間的nMOS晶體管16的柵-源電容32(Cgsn)。圖中用虛線表示晶體管14、16的相互連接的漏極和相互連接的柵極之間的電容Cdgt。
圖中所示的單端跨導(dǎo)器還包括一個附加的反饋電路Cf。這個附加的反饋電路Cf包括源極跟隨器S、利用電流源I和pMOS晶體管34進(jìn)行偏置的pMOS晶體管36，pMOS晶體管36的柵極由跨導(dǎo)器輸出端22上的電壓進(jìn)行驅(qū)動。源極跟隨器的輸出通過電容器Cp連接到跨導(dǎo)器的輸入端18，電容器Cp是由MOS晶體管38的氧化物電容形成的。在所示的實(shí)施例中，晶體管38是一個pMOS晶體管，并且，如果由于相反的信號極性使這個晶體管截止，則這個電容是相當(dāng)穩(wěn)定的，因?yàn)檫@時的溝道是由背柵代替的。
在一個沒有在圖中表示出來的實(shí)施例中，可以使用反向連接的nMOS晶體管(柵極連接到跨導(dǎo)器輸出端22，公用源-漏連接到輸入端18來產(chǎn)生這個電容Cp。在這種情況下，應(yīng)該使用源極跟隨器Vgs、晶體管36在它的三極管區(qū)進(jìn)行永久性的偏置。
現(xiàn)在回到如圖所示的實(shí)施例，當(dāng)向跨導(dǎo)器輸入端18施加一個信號電壓的時候，電流通過到跨導(dǎo)器輸出端22的電容Cdgt并且通過到源極跟隨器S的電容器Cp而流動，源極跟隨器引導(dǎo)其無變化地(harmlessly)到達(dá)Vss連線。所以有
Cff=Cdgf=25(Cgsp+Cgsn)+Cgdolp+Cgdoln---(6)]]>當(dāng)向跨導(dǎo)器輸出端22施加一個信號電壓時，電流借助于到跨導(dǎo)器輸入端18的電容Cgdt和電容器Cp而流動。所以有Cfb＝Cgdt+Cp＝Cgdolp+Cgdoln+Cp(7)如果對于電容器Cp進(jìn)行設(shè)計，使得Cp=25(Cgsp+Cgsn)---(8),]]>則有Cff＝Cfb＝Cf(9)即，穿心電容現(xiàn)在是互易的。
圖7是一個平衡回轉(zhuǎn)器的示意方塊圖，所說的平衡回轉(zhuǎn)器包括4個如圖6所示的那種類型的單端跨導(dǎo)器TC1-TC4，其中分別通過跨接在輸入端和輸出端的電容Cf和共模反饋(cmfb)電路26來模擬互易的電容?？鐚?dǎo)器TC1和TC4的輸出端分別耦合到跨導(dǎo)器TC3和TC2的輸入端。因?yàn)槠胶獾妮斎攵?8、19和輸出端22、23總是經(jīng)受相等和相反的信號電壓，所以通過在前向跨導(dǎo)器對中的電容器Cf施加的電流總是被通過反饋跨導(dǎo)器對中的電容Cf施加的電流的相等和相反的電流抵消。換言之，平衡回轉(zhuǎn)器的穿心電容是自動中和抵消的。共模反饋(cmfb)電路26用于提供直流穩(wěn)定性。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，圖中所示的平衡回轉(zhuǎn)器電路明顯改善了Gm-C信道濾波器的頻率響應(yīng)。
圖8表示第5級帶通濾波器。這個濾波器是一個電感/電容濾波器，包括輸入電阻RIN和輸出電阻ROUT、分路電容器C1、C3、C5、串聯(lián)電感L1、L2。電感L1是通過平衡回轉(zhuǎn)器BG1、BG2、和電容器C2實(shí)現(xiàn)的，電感L2是通過平衡回轉(zhuǎn)器BG3、BG4、和電容器C4實(shí)現(xiàn)的，平衡回轉(zhuǎn)器BG3、BG4的構(gòu)成方式與平衡回轉(zhuǎn)器BG1、BG2相同。因?yàn)橐呀?jīng)參照附圖7描述了平衡回轉(zhuǎn)器BG1-BG4，為簡單起見，這里不再贅述。
在圖9中表示出在頻率響應(yīng)中的改進(jìn)，其中虛線頻率響應(yīng)40表示穿心電容不是互易的結(jié)果，如以上的方程(9)所示；實(shí)線頻率響應(yīng)42表示電容器互易時的改進(jìn)。
可以憑經(jīng)驗(yàn)確定電容Cp(圖6)的數(shù)值，即，模擬包含具有如圖6所示的這種類型的單端跨導(dǎo)器的平衡回轉(zhuǎn)器以及共模反饋電路26的濾波器、并且改變晶體管38的規(guī)格直到實(shí)現(xiàn)期望的性能時為止。
圖10表示一個收發(fā)器，其中在接收器部分Rx中的多相位信道濾波器CF包括一個基于如圖8所示的第5級帶通濾波器的Gm-C濾波器。更加具體地說，多相位信道濾波器CF包括兩個第5級帶通濾波器，一個帶通濾波器對應(yīng)每個90°相關(guān)的相位移(quadrature relatedphases)，其中附加交叉分支的平衡回轉(zhuǎn)器來耦合對應(yīng)的電容器，即C1、C1；C2、C2，如此等等，從而可以產(chǎn)生額外的電納。
天線50耦合到接收器部分Rx中的一個低噪聲放大器(LNA)52。低噪聲放大器(LNA)52的輸出借助于信號分配器(divider)54耦合到90°相關(guān)的相位移的混頻器56、58的第一輸入端。由信號發(fā)生器60產(chǎn)生的本地振蕩器信號借助于一個90度移相器62加到混頻器58的第二輸入端。分別來自混頻器56、58的90°相關(guān)的相位移的輸出I、Q加到多相位信道濾波器CF，多相位信道濾波器CF將90°相關(guān)的相位移信號傳送到對應(yīng)的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器62、64。模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器62、64的數(shù)字輸出加到數(shù)字解調(diào)器66，數(shù)字解調(diào)器66在終端68上提供輸出信號。
發(fā)送器Tx包括一個數(shù)字調(diào)制器70，數(shù)字調(diào)制器70包括數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(未示出)，用于向混頻器72提供模擬信號，以便向所需的發(fā)送頻率進(jìn)行頻率上轉(zhuǎn)換。功率放大器74放大經(jīng)過頻率上轉(zhuǎn)換的信號并將其提供給天線50。
使用已知的低電壓CMOS工藝，可以將包括信道濾波器CF在內(nèi)的收發(fā)器制成為集成電路。
在本說明書和權(quán)利要求書中，在一個元件前邊的術(shù)語“一個”并不排除存在多個這樣的元件。此外，術(shù)語“包括”并不排除存在除了列舉的元件或步驟以外的其它的元件或步驟。
工業(yè)實(shí)用性包括回轉(zhuǎn)器的電子電路，如回轉(zhuǎn)子濾波器；以及包括回轉(zhuǎn)器的集成收發(fā)器。
權(quán)利要求
1.一種平衡回轉(zhuǎn)器，包括多個相互連接的前饋和反饋MOS單端跨導(dǎo)器，平衡的輸入端和輸出端，分別耦合在平衡的輸入端和輸出端之間的共模反饋裝置，和為每個跨導(dǎo)器提供非互易的反饋電容以使跨導(dǎo)的穿心電容變?yōu)榛ヒ讖亩泻突剞D(zhuǎn)器的穿心電容的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平衡回轉(zhuǎn)器，其中每個單端跨導(dǎo)器包括一個pMOS晶體管和一個nMOS晶體管，所述pMOS晶體管和nMOS晶體管的漏極連接在一起，所述pMOS晶體管和nMOS晶體管的源極連接到對應(yīng)的第一和第二電源連線，所述pMOS晶體管和nMOS晶體管的柵極耦合到一個輸入端，相互連接的漏極的連接點(diǎn)連接到一個輸出端，其特征在于非互易的反饋電容包括一個耦合在輸入端和輸出端之間的一個電容性器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的平衡回轉(zhuǎn)器，其特征在于電容性器件包括一個MOS晶體管，該MOS晶體管具有連接在一起的源極和漏極以及一個柵極，該MOS晶體管的柵極耦合到跨導(dǎo)器輸入端，一個源極跟隨器晶體管將相互連接的源極和漏極耦合到跨導(dǎo)器輸出端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的平衡回轉(zhuǎn)器，其特征在于電容性器件的電容值與pMOS晶體管和nMOS晶體管的柵-源電容之和相關(guān)聯(lián)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的平衡回轉(zhuǎn)器，其特征在于所說的電容值基本上等于 其中Cgsp和Cgsn分別是pMOS晶體管和nMOS晶體管的柵-源電容。
6.一種濾波器，所述濾波器包括至少一級濾波器，所述一級濾波器包括第一和第二分路電容器和一個串聯(lián)電感級，其特征在于串聯(lián)電感級包括第一和第二平衡回轉(zhuǎn)器和一個分路電容，其特征還在于第一和第二回轉(zhuǎn)器中的每一個都包括多個相互連接的前饋和反饋MOS單端跨導(dǎo)器、平衡的輸入端和輸出端，分別耦合在平衡的輸入端和輸出端之間的共模反饋裝置、和為每個跨導(dǎo)器提供非互易的反饋電容以使跨導(dǎo)的穿心電容變?yōu)榛ヒ讖亩泻突剞D(zhuǎn)器的穿心電容的裝置。
7.一種具有至少一個信道濾波器的收發(fā)器，所說的信道濾波器或者每個信道濾波器包括多個平衡回轉(zhuǎn)器，每一個平衡回轉(zhuǎn)器包括多個相互連接的前饋和反饋MOS單端跨導(dǎo)器、平衡的輸入端和輸出端，分別耦合在平衡的輸入端和輸出端之間的共模反饋裝置、和為每個跨導(dǎo)器提供非互易的反饋電容以使跨導(dǎo)的穿心電容變?yōu)榛ヒ讖亩泻突剞D(zhuǎn)器的穿心電容的裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的收發(fā)器，其中每個單端跨導(dǎo)器包括一個pMOS晶體管和一個nMOS晶體管，所述pMOS晶體管和nMOS晶體管的漏極連接在一起，所述pMOS晶體管和nMOS晶體管的源極連接到對應(yīng)的第一和第二電源連線，所述pMOS晶體管和nMOS晶體管的柵極耦合到一個輸入端，相互連接的漏極的連接點(diǎn)連接到一個輸出端，其特征在于非互易的反饋電容包括一個耦合在輸入端和輸出端之間的一個電容性器件。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的收發(fā)器，其特征在于電容性器件包括一個MOS晶體管，該MOS晶體管具有連接在一起的源極和漏極以及一個柵極，該MOS晶體管的柵極耦合到跨導(dǎo)器輸入端，一個源極跟隨器晶體管將相互連接的源極和漏極耦合到跨導(dǎo)器輸出端。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的收發(fā)器，其特征在于電容性器件的電容值與pMOS晶體管和nMOS晶體管的柵-源電容之和相關(guān)聯(lián)。
11.一種包括根據(jù)權(quán)利要求6所述的濾波器的集成電路。
12.一種包括根據(jù)權(quán)利要求7-10中任何一個所述的收發(fā)器的集成電路。
全文摘要
一種平衡回轉(zhuǎn)器，包括由MOSFET制造的單端反向甲乙類跨導(dǎo)器的相互連接對以及連接在平衡輸入端(18、19)和輸出端(22、23)之間的共模反饋電路(26)。通過在每個跨導(dǎo)器(TC1－TC4)中提供非互易的反饋電容(Cf)以使穿心電容變?yōu)榛ヒ椎膹亩梢灾泻突剞D(zhuǎn)器的穿心電容，可以克服由于在跨導(dǎo)中產(chǎn)生高頻寄生穿通路徑引起的畸變導(dǎo)致的頻率響應(yīng)峰。
文檔編號H03H11/42GK1613181SQ02826741
公開日2005年5月4日 申請日期2002年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月4日
發(fā)明者J·B·休斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司