專利名稱：放大器級、運算放大器、及放大信號的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及放大器級和具有該放大器級的運算放大器.本發(fā)明還 涉及放大信號的方法. 背景技術運算放大器通常包括輸入級和至少一個輸出級，該輸出級經常配置成A類級.這種情況下，輸出級內靜態(tài)電流基本上對應于最大輸出電流.特別是對于具有高峰值因數(shù)的信號，該高峰值因數(shù)是指交流信 號峰值和均方根值之間的高比例，A類工作模式導致高的電流消耗并因 此分別導致放大器級或運算放大器的低效率.在用于移動通信的系統(tǒng)中，根據(jù)使用的移動通信系統(tǒng)，在接收路 徑中具有運算放大器的電路塊高概率地處于所謂的監(jiān)聽模式.這種情 況下，具有運算放大器的電路塊是有效的但不接收信號，并因此未被 提供輸入信號.特別是對于A類工作模式的放大器，這導致高的電流 消耗和低的效率.圖9示出了例如可以用于Miller運算放大器的常規(guī)A類輸出級的示例性實施例.該放大器級包括兩個信號路徑，具有串聯(lián)連接的相應 NM0S晶體管NB1、 NB2和PM0S晶體管PB1、 PB2.放大器級的輸入INP， INM是由晶體管NB1、 NB2的控制輸入形成，信號路徑連接在電源電壓 抽頭VDD和參考電壓抽頭GND之間，分別連接在NM0S晶體管NB1、仰2 和PM0S晶體管PB1、 PB2之間的抽頭0UTM和0UTP提供放大的輸出信 號。流過PM0S晶體管PB1、 PB2的靜態(tài)電流受參考晶體管P0控制，該 參考晶體管PO連接到PMOS晶體管PB1、 PB2成為電流鏡，且輛合到參 考電流輸入IB用于接收參考電流.該靜態(tài)電流還對應于信號路徑的最 大輸出電流.電流值取決于晶體管PB1、 PB2和晶體管PB0之間的電流 鏡比例.通過例如由前置級或輸入級將輸入信號提供到輸入抽頭INP， INM，流過信號路徑的電流以及因此輸出OUTM、 OUTP處的輸出信號受 到影響.如前所述，對于具有小的或者甚至零幅值的輸入信號，仍有 高的靜態(tài)電流流動.備選地，可使用多個AB類放大器級，以替代所示的A類放大器級
作為輸出級.已知存在不同的AB類輸出級，其包括負反饋或者沒有負 反饋.無負反饋的AB類輸出級通常包括輸出晶體管的附加寄生電容，這 顯著降低了放大器級的頻率帶寬.此外，對于靜態(tài)電流模式的情形， 用于調整輸出晶體管控制電壓的附加電流和電流路徑的面積消耗具有 不需要的影響.另一方面，具有負反饋的AB類輸出級需要高的帶寬以用于該反饋 電路.這又導致高的電流消耗.對于在頻率帶寬方面具有嚴格要求的應用，例如無線局域網絡， WLAN，例如根據(jù)802. lln，因此需要很大程度上增大電流消耗以補償 帶寬損耗，這樣與常規(guī)A類輸出級相比在電流消耗方面不會產生顯著 的優(yōu)點。因此，對于在頻率帶寬方面具有嚴格要求的應用，幾乎單獨 使用A類運算放大器，這意味著具有A類輸出級的運算放大器.因此，既不使用A類也不使用AB類輸出級以實現(xiàn)低的電流消耗， 特別是對于靜態(tài)電流模式，而不減小可能輸出功率或可能頻率帶寬， 這樣的運算放大器并非已知.發(fā)明內容下文給出了簡要概述，從而提供對本發(fā)明一個或多個方面的基本 理解.該概述不是對本發(fā)明的綜述，且既不旨在確定本發(fā)明的關鍵和 重要要素，也不界定本發(fā)明的范圍.相反，該概述的主要目的是以簡 單的形式給出本發(fā)明的一個或多個概念，作為稍后進行的更詳細描述 的序言.一種放大器級包括笫一和笫二信號路徑，各個信號路徑分別包括 第一導電類型的笫一晶體管和笫二導電類型的笫二晶體管的串聯(lián)連 接，該第一晶體管包括配置成接收輸入信號至該放大器級的控制輸 入.在一個實施例中，該第一和第二信號路徑連接在電源電壓抽頭和 參考電壓抽頭之間.第一和笫二信號輸出分別形成于該笫一和第二路 徑內的相應第一和第二晶體管的相應連接節(jié)點.第二導電類型的第三 晶體管連接到相應第二晶體管作為各個該第一和第二路徑內的電流 鏡，而且第一導電類型的第四晶體管連接到相應第一晶體管作為電流 鏡，并配置成分別控制各個該第一和第二路徑內的另一個信號路徑的 第三晶體管.電流源并聯(lián)連接到各個該第一和第二路徑內的相應第
一、第二、第三和第四晶體管之一.為了實現(xiàn)前述和相關目標，本發(fā)明包括在下文中全面描述且在權 利要求中具體指出的特征.下述描述和附困詳細地列出本發(fā)明的特定 說明性方面和實施.然而這些示出了少許的本發(fā)明原理可應用的各種 方式.結合附圖考慮對本發(fā)明的如下詳細描述，本發(fā)明的其他目標、 優(yōu)點和新穎特征將變得顯而易見.附困說明下文參照附圖通過示例性實施例詳細地解釋本發(fā)明，附圖中 困1為示出依據(jù)本發(fā)明的放大器級的第一示例性實施例的示意性圖示；圖2為示出依據(jù)本發(fā)明的放大器級的笫二示例性實施例的示意性圖示；圖3為示出依據(jù)本發(fā)明的放大器級的第三示例性實施例的示意性圖示；圖4為示出依據(jù)本發(fā)明的放大器級的第四示例性實施例的示意性圖示；圖5為示出依據(jù)本發(fā)明的放大器級的笫五示例性實施例的示意性圖示；圖6為示出依據(jù)本發(fā)明的運算放大器的示例性實施例的示意性圖示；圖7為示出常規(guī)運算放大器的諧波的示例性曲線困；圖8為示出依據(jù)本發(fā)明的運算放大器的諧波的示例性曲線困；以及圖9為示出常規(guī)放大器級的示意性困示.具體實施方式
在本發(fā)明的示例性實施例中，放大器級包括第一和第二信號路 徑，各個信號路徑分別包括第一導電類型的第一晶體管和第二導電類 型的第二晶體管的串聯(lián)連接，該第一晶體管包括用于提供輸入信號至該放大器級的控制輸入.第一和第二信號路徑連接在電源電壓抽頭和 參考電壓抽頭之間，第一和笫二信號輸出由相應笫一和笫二晶體管的 相應連接節(jié)點形成.此外，對于各個該第一和第二信號路徑，第二導電類型的笫三晶
體管被提供作為電流鏡，第三晶體管連接到相應笫二晶體管.該放大 器級包括分別用于各個該笫一和第二信號路徑的笫一導電類型的第四 晶體管，該第四晶體管連接到相應第一晶體管作為電流鏡且用于控制 另一個信號路徑的笫三晶體管.此外，對于各個該第一和第二信號路 徑，電流源并聯(lián)連接到相應的笫一、笫二、笫三和第四晶體管之一。依據(jù)本發(fā)明一個實施例，例如通過向相應的笫一晶體管提供差分 輸入信號來控制第一和笫二信號路徑內的電流.該受控電流在第一和 第二輔助電流路徑內按比例縮小第一因子.該第一和笫二信號路徑之 一的相應第二晶體管按照這樣的方式進行控制，即，使得相應的另一 個信號路徑的該輔助電流路徑內的該按比例縮小電流按比例放大第二 因子，該第二因子不同于該笫一因子.通過向該第一和第二信號路徑 或者向該第一和第二輔助電流路徑提供平衡電流，由此平衡該不同的 因子.例如使用相應電流源可以完成這一點.根據(jù)該受控電流可以提 供差分輸出信號.由于平衡電流是由附加電流源提供，信號路徑內的靜態(tài)電流也依 賴于該平衡電流，這意味著相應第一晶體管未被提供輸入信號，如果 該電流鏡和附加電流源相應地定制，則可以實現(xiàn)該放大器電路的低電 流消耗，特別是對于靜態(tài)電流模式，同時通過該放大器級可以獲得高 的頻率帶寬.

圖1示出了依據(jù)本發(fā)明的放大器級的示例性實施例，該放大器級包括第一和第二信號路徑SP1、 SP2.信號路徑SP1、 SP2分別包括NM0S 晶體管NB1、 NB2和PM0S晶體管PB1、 PB2的串聯(lián)連接.信號路徑SP1、 SP2連接在電源電壓抽頭VDD和參考電壓抽頭GND之間.該放大器級 的輸出抽頭0UTM、 OUTP提供于晶體管NB1、 PB1和NB2、 PB2的相應 連接節(jié)點處.此外，分別提供第三晶體管NBlb、 NB2b作為電流鏡晶體管，用于 與晶體管NB1、 NB2形成相應電流鏡.因此，晶體管NB1、 NBlb和NB2、 NB2b分別通過其源極和其柵極或控制輸入分別連接，晶體管NB1、 NB2 的控制輸入還形成該放大器級的信號輸入INP、 INM，用于提供差分輸 入信號.第二晶體管PB1、 PB2還分別輛合到電流鏡晶體管PBlb、 PB2b， 并與其形成另外的電流鏡.第二信號路徑SP2的上電流鏡PB2、 PB"
在第一輔助電流路徑API上耦合到第一信號路徑SP1的下電流鏡晶體 管NBlb的輸出。按照相同的方式，第一信號路徑SP1的上電流鏡PB1、 PBlb通過第二輔助電流路徑AP2輛合到第二信號路徑SP2的下電流鏡 晶體管NB2b.換言之，該笫一和笫二信號路徑組合的一個信號路徑的相應上電 流鏡分別輛合到該笫一和笫二信號路徑組合的另一個信號路徑的相應 下電流鏡.電流源II與第一信號路徑SP1的笫二晶體管PB1并聯(lián).固定電流 可由該電流源II供給到第一信號路徑SP1.相應地，第二電流源12 提供于第二信號路徑SP2內與第二晶體管PB2并聯(lián)，該電流源可以供 給電流到第二信號路徑SP2.電流源Il、 12例如形成為恒定電流源，且通常定制為使得這些電流源分別提供相同數(shù)值的電流.本實施例中的第一和第二信號路徑SP1、SP2內的晶體管NB1 、NBlb 和NB2、 NB2b定制為使得流過相應笫一晶體管NB1、 NB2的電流比流過 相應第四晶體管或電流鏡晶體管NBlb、 NB2b大第一因子M倍.這樣， 流過相應第一晶體管NB1、 NB2的電流可以按比例縮小笫一因子M倍， 使得流過電流鏡晶體管NBlb、 NB2b以及第一和笫二輔助電流路徑 AP1、 AP2的電流為相應按比例縮小的電流.上電流鏡的晶體管PB2、 PB2b和PBl、 PBlb可以按照確定方式類 似地定制，使得流過相應第二晶體管PB1、 PB2的電流比流過相應電流 鏡晶體管PBlb、 PB2b的電流大笫二因子N倍.第一和第二因子M、 N對應于電流鏡的相應電流鏡比例.由此，電 流鏡NB1、 NBlb和電流鏡NB2、 NB2b的第一因子M通常相等，且電流 鏡PB1、 PBlb和電流鏡PB2、 PB2b的笫二因子N也相等.在圖1所示的使用場效應晶體管的示例性實施例中，第一和笫二 因子M、 N或者電流鏡比例例如對應于場效應晶體管的相應溝道寬度/ 長度比例.在一個示例性實施例中，笫一和第二因子M、 N不同.通過所提供的具有第一對晶體管NB1、 NB2和第二對晶體管PB1、 PB2的笫一和第二信號路徑SP1、 SP2，通過使用差分輸入信號控制第 一對晶體管NB1、 NB2來控制第一和第二信號路徑SP1、 SP2內的電流. 第一和第二信號路徑SP1、 SP2的受控電流分別在第一和第二輔助電流 路徑AP1、 AP2中按比例縮小第一因子M倍.各個信號路徑SP1、 SP2 的第二對晶體管PB1、 PB2受到控制，使得相應另一個信號路徑SP2、 SP1的輔助電流路徑AP1、 AP2內按比例縮小的電流按比例放大笫二因 子N倍.通過向笫一和笫二信號路徑提供平衡電流來平衡笫一和第二 因子M、N之間的差異.在本實施例中，這是通過第一和第二電流源II、 12來實現(xiàn).通過電流鏡晶體管PBlb、 PB2b控制笫二對晶體管PB1、 PB2導致 了對電流和信號路徑SP1、 SP2的進一步控制.取決于該受控電流，在 輸出抽頭0UTM、 OUTP提供差分輸出信號.使用輔助電流路徑AB1， AB2 控制上電流鏡PB1、 PBlb和PB2、 PB2b可以看作第一和笫二信號路徑 SP1、 SP2的交叉耦合.該電路例如可稱為交叉耦合鏡電路.如果差分輸入信號顯示零幅值，則意味著如果輸入INP， INM處的 電壓相等，則該放大器級處于平衡或均衡的狀態(tài)，這對應于靜態(tài)電流 模式。使用下述方程可以計算本實施例的相應靜態(tài)電流1。".受PMOS 晶體管控制的放大器級的信號路徑SP1、 SP2內的電流為I。ut=N'Ipar+I0' (1)由此Ip"對應于輔助電流路徑內的電流，1。對應于電流源II、 12 的電流。受NMOS晶體管控制的信號路徑SP1、 SP2內的電流為1。ut-M.Ip^ . (2)根據(jù)方程(1)和(2)，靜態(tài)電流I。"可以計算成為1。的函數(shù)且為電流鏡比例或第一和第二因子M、 N分別可以選擇為相對較大.這 導致輔助電流路徑AP1、 AP2內相對較小的控制電流例如，M=5 且N-4.因此M、 N應不同，由此對于本實施例，第一因子M應大于第 二因子N.工作于AB類工作模式的本發(fā)明放大器級與無負反饋的常規(guī)輸出 級不同之處在于僅分別包括輔助電流路徑AP1、 AP2，由此可以設置輸 出晶體管PB1、 PB2的控制電壓.由于附加使用了按比例縮小的控制電 流，則輔助電流路徑AP1、 AP2內的附加電流消耗通常小得可以忽略，這導致根據(jù)本發(fā)明該示例性實施例的放大器級的高效率.由于通過電流鏡來完成對PMOS晶體管PB1、 PB2的控制，PMOS晶 體管PB1、 PB2的柵極連接器或控制輸入顯示低的電阻負栽且因此提供
了高的頻率帶寬.當使用場效應晶體管時，輸出晶體管的晶體管寬度 可以選擇為相對較小，這是因為輸出晶體管的柵極源電壓與控制電壓 無關，這又導致減小的寄i柵極電容以及有利地高的頻率帶寬.通過分別選擇電流鏡比例或者第一和第二因子M、 N并通過選擇第 一和第二電流源II、 12的值I。，由此實現(xiàn)對第一和笫二信號路徑SP1、 SP2內靜態(tài)電流的調整.第一和第二因子M、 N通常不同.與具有負反 饋的常規(guī)AB類輸出級相反，在根據(jù)本發(fā)明的放大器級中可以省略用于 設置放大器級內靜態(tài)電流的附加控制回路.節(jié)省控制回路又導致該配 置的減小的電流消耗以及改善的頻率帶寬，該頻率帶寬通常由于這種 控制回路而減小.放大器級的信號路徑SP1、 SP2內的最大電流主要依 賴于該放大器級的輸入INP， INM處的控制電壓.根據(jù)圖1的示例性實施例，電流可以達到高的值.根據(jù)本發(fā)明的 放大器級因此包括高的驅動能力以及高的幅值范圍.通過圖1的示例，還可以有利地實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的放大器級可以 工作于低電源電壓，這意味著電源電壓抽頭和參考電壓抽頭之間低的 電壓差.最小電源電壓Vm可以由下式確定VSUP2 Vdsat(NBlb)+Vth(PBlb)+Vdsat(PBlb) (4)其中V"" (NBlb)分別為下電流鏡晶體管NBlb或NB"的飽和電 壓.V""(PBlb)為上電流鏡晶體管PBlb、 PB2b的飽和電壓，V"(PBlb) 為上電流鏡晶體管PBlb、 PB2b的閾值電壓.飽和電壓通常數(shù)值約為 0. 2V且閾值電壓通常數(shù)值約為0.4V，根據(jù)方程(4)的電源電壓Vm 下限的值約為0. 8V.常規(guī)AB類放大器級通常取決于2倍的閾值電壓， 因此需要顯著更高的電源電壓.根據(jù)困1的實施例，該實施例中所示 的晶體管可以分別用互補導電類型的晶體管替代.例如，所有第一導 電類型例如n溝道的晶體管可以用笫二導電類型例如p溝道的晶體管 替代.同樣，這種情況下所有第二導電類型的晶體管應該用第一導電 類型的晶體管替代.由此，需要考慮電源電壓抽頭和參考電壓抽頭 VDD、 GND處的電源電壓的極性.根據(jù)本發(fā)明備選實施例，除了場效應晶體管，還可以使用雙極晶 體管、BICMOS晶體管、或者其他晶體管類型.在本發(fā)明另一個示例性實施例中，放大器級包括第一和第二信號
路徑SP1、 SP2，該信號路徑分別包括第一導電類型的笫一晶體管NB1、 NB2和第二導電類型的笫二晶體管PB1、 PB2.相應笫一晶體管NB1、 NB2包括控制輸入INP， INM，用于提供該放大器級的輸入信號.第一 和第二信號輸出0UTP， 0UTM分別由第一和第二晶體管HB1 、 NB2、 PB1 、 PB2的相應連接節(jié)點形成.另外提供了用于按比例縮小的裝置，該裝置將在笫一和笫二輔助 電流路徑AP1、 AP2內流過相應第一晶體管NB1、 NB2的電流縮小第一 因子M倍.此外提供了用于按比例放大的裝置，該裝置控制各個該信 號路徑內的第二晶體管，使得相應另一個信號路徑內的第一和第二輔 助電流路徑AP1、 AP2內按比例縮小的電流放大笫二因子N倍.第一和 第二因子M、 N不同.放大器級還包括用于平衡不同的因子M、 N的裝 置，該裝置提供平衡電流至笫一和笫二信號路徑SP1、 SP2或至第一和 第二輔助電流路徑AP1、 AP2.用于按比例縮小的裝置和用于按比例放大的裝置可分別包括電流 鏡，然而可以采用配置成或者其它方式設為提供這種電路功能的其他 電路，且這些備選視為落在本發(fā)明的范閨內.圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的放大器級的另一個示例性實施例。與圖1 所示實施例不同，第一和第二電流源Il、 12在本實施例中并聯(lián)連接到 上電流鏡晶體管PBlb、 PB2b,因此，電流由電流源II、 12供給到笫 一和笫二輔助電流路徑AP1、 AP2內.在本實施例中，同樣提供第一和第二信號路徑SP1、 SP2，其包括 第一導電類型的第一晶體管NB1、 NB2和第二導電類型的第二晶體管 PB1、 PB2的串聯(lián)連接.該第一和笫二信號路徑SP1、 SP2的相應笫一 晶體管NB1、 NB2提供有輸入信號，同時，第一導電類型的相應第四晶 體管NBlb、 NB2b提供有該輸入信號，該相應笫四晶體管作為電流鏡連 接到相應第一晶體管仰l、 NB2,通過第二導電類型的相應第三晶體管 PBlb、 PB2b來實現(xiàn)對該第一和笫二信號路徑SP1、 SP2的相應笫二晶 體管PB1、 PB2的控制，該相應第三晶體管作為電流鏡連接到相應笫二 晶體管PB1、 PB2.取決于流過相應第四晶體管NB2b， NBlb的電流來 實現(xiàn)對相應笫二晶體管PB1、 PB2的控制，通過與相應第三晶體管 PBlb、 PB2b并聯(lián)的電流源II、 12來實現(xiàn)靜態(tài)電流的設置.放大的信 號分別提供于第一和第二晶體管NB1、 NB2、 PB1、 PB2的相應連接節(jié)點， 備選地，靜態(tài)電流可以由并聯(lián)連接到笫一、笫二、笫三、或笫四晶體管NB1、 NB2、 PB1、 PB2、 NBlb、 NB2b、 PBlb、 PB2b之一的電流 源來設置.類似方程(3)，根據(jù)困2該實施例中的靜態(tài)電流1。"由下述方程 提供由此，笫二因子M應小于第一因子N.例如可以選擇對于第一因 子M的值為4，笫二因子N的值為5.所示放大器級可以稱之為具有交 叉耦合信號路徑SP1、 SP2的AB類放大器級.同樣通過輔助電流路徑 AP1、 AP2內的電流來實施對相應電流鏡的控制.由于該按比例放大和 按比例縮小，電流可以有利地保持小.因此，所示放大器級與常規(guī)放 大器級區(qū)別在于同時實現(xiàn)低的電流消耗和高的頻率帶寬.同樣在本實施例中，晶體管可以被互補導電類型的相應晶體管替 代.還可以由相應雙極晶體管或其他晶體管類型來替代該場效應晶體 管.例如，可以使用NPN晶體管替代NMOS晶體管并使用PNP晶體管替 代PM0S晶體管.圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的放大器級的另一個示例性實施例.在本 實施例中，第一和第二電流源Il、 12并聯(lián)連接到第一和第二信號路徑 SP1、 SP2的相應第一晶體管NB1、 NB2.這樣，第一和第二信號路徑 SP1、 SP2內的電流又直接受影響.由此，差分輸入信號被放大成差分電流.該差分電流按比例縮小 第一因子M倍。第一因子M例如分別是由晶體管NB1、 NBlb或NB2、 NB2b之間的電流鏡比例確定.通過將該按比例縮小的差分電流按比例放大笫二因子N倍，則可 以交叉控制該差分電流，其中該第二因子N不同于第一因子M.提供平 衡電流以影響該差分電流.依據(jù)該差分電流而傳遞差分輸出信號.備選實施例中，也可以提供該平衡電流以影響按比例縮小的差分 電流.通過選擇第一因子M和第二因子N的值同樣可以設置該放大器級 的靜態(tài)電流1。"，在本示例中這些因子對應于晶體管PB1、 PBlb和PB2、 PB2b的電流鏡比例.1。為流過第一和笫二電流源II、 12的電流，類似
于方程(3)或(5)，靜態(tài)電流I。"為:這種情況下，笫二因子N應大于笫一因子M.因此，同樣對于本 實施例，可以實現(xiàn)具有高的頻率帶寬和低的電流消耗的放大器級，圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的放大器級的另一個示例性實施例.第一 和第二電流源II， 12分別并聯(lián)連接到電流鏡晶體管NBlb、 NB2b，且 能夠影響輔助電流路徑AP1、 AP2內的控制電流.本實施例中可設置的 靜態(tài)電流1。"為這種情況下，笫一因子M應選擇為大于笫二因子N.為了能夠實現(xiàn)高的頻率帶寬，在一個示例中，輸出晶體管柵極節(jié) 點處的寄生電容應保持為盡可能小，例如通過使用短的或最小溝道長 度的晶體管可以實現(xiàn)這一點.相應電流鏡NB1、 NBlb、 NB2、 NB2b、 PB1、 PBlb、 PB2、 PB2b在這種情況下由于短溝道效應可能包括誤調整.這 是因為屬于各個電流鏡的相應晶體管潛在地未看到相同的源/漏電 壓.這分別會導致電流鏡比例或第一和笫二因子M、 N的有效變化.由此，根據(jù)方程(3)、 (5)、 (6)和(7)的靜態(tài)電流也會不利地 改變，因此無法滿足低的靜態(tài)電流.圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的放大器級的另一個示例性實施例，涉及 例如具有短溝道效應的晶體管.然而，也可以使用所示配置用于具有 更長溝道長度的晶體管或其他類型的晶體管，且這些備選視為落在本 發(fā)明的范圍之內.除了圖1所示實施例之外，圖5的放大器級包括相應笫五晶體管 PBlh、 PB2h和相應笫六晶體管NB5、 NB6，其分別形成串聯(lián)連接的電流 路徑且并聯(lián)連接到相應第三晶體管PBlb、 PB2b的控制路徑.相應第五 晶體管PBlh、 PB2h以及相應第二和笫三晶體管PB1、 PBlb、 PB2、 PB2b 為第二導電類型，其在該情形中為p溝道.相應笫六晶體管NB5、 NB6 形成為與笫一晶體管NB1、 NB2相同的笫一導電類型的晶體管，其在該 情形中為n溝道.用于第一和第二信號路徑SP1、SP2的相應笫五晶體管PBlh、PB2h連接到相應第二和第三晶體管PB1、 PB2、 PBlb、 PB2b作為電流鏡.由 此，對于各個該第一和笫二信號路徑SP1、 SP2，晶體管PBlb、 PB2b、 PBlh、 PB2h通常定制為使得流過相應第五晶體管PBlh、 PB2h的電流 比流過相應第三晶體管PBlb、 PB2b的電流至少小一個數(shù)量級.例如， 相應電流差別約20倍.分別通過第六晶體管NB5、 NB6上的控制電流，分別實現(xiàn)對晶體管 PB1、 PBlb、 PBlh和PB2、 PB2b、 PB2h的控制輸入的控制.相應笫六 晶體管NB5、 NB6分別連接在該第一和笫二信號路徑SP1、 SP2組合的 一個信號路徑的第四晶體管NBlb、 NB2b以及該第一和笫二信號路徑 SP1、 SP2組合的相應另一個信號路徑的第二、笫三和笫五晶體管PB1、 PBlb、 PBlh、 PB2、 PB2b、 PB2h之間，控制電壓可以提供到相應第六晶體管NB5、 NB6的控制輸入VBN. 由此該控制電壓應選擇為使得，耦合到相應第三晶體管PBlb、 PB2b的 漏極連接器的相應笫六晶體管NB5、 NB6的源極連接器顯示的電壓電平 近似對應于在靜態(tài)電流模式中在信號輸出0UTM、 OUTP有效的共模電壓 電平.由此，可以實現(xiàn)漏極和源極連接器之間晶體管PBlb、 PB2b處的 電壓比例與對應的輸出晶體管PB1、 PB2的電壓比例相似，因此，可以 有利地實現(xiàn)具有笫二因子N的期望電流鏡比例.相應地，分別通過笫三晶體管PBlb、 PB2b實現(xiàn)按比例放大，由此 相應第三晶體管PBlb、 PB2b的控制電壓依賴于該按比例縮小的電流和 控制輸入VBN處的控制電壓而被設置.通過插入相應第六晶體管NB5、 NB6，因此可以實現(xiàn)相應第三晶體 管PBlb、 PB2b的漏極電壓和柵極電壓相互去耦合.例如通過相應第五 晶體管PBlh、 PB2h實現(xiàn)了對第三晶體管PBlb、 PB2b的控制電壓分別 設置.如果第五晶體管PBlh、 PB2h的溝道寬度分別選擇為顯著小于笫 三晶體管PBlb、 PB2b的溝道寬度，則輔助電流路徑AP1、 AP2內的控 制電流以這樣的方式分為，即，該控制電流的較大部分流過相應笫三 晶體管PBlb、 PB2b且較小部分流過相應第五晶體管PBlh、 PB2h.例 如，該控制電流以這樣的方式分為，即，該控制電流的99%流過相應 第三晶體管PBlb、 PB2b且1 %流過相應笫五晶體管PBlh、 PB2h.因此， 相應第二晶體管PB1、 PB2的控制電壓進一步由第三晶體管PBlb、 PB2b 的溝道寬度確定。
因此，根據(jù)流過相應第四晶體管NB2b、 NBlb的電流，相應第三晶 體管PBlb、 PB2b的控制電壓是由連接到相應第三晶體管PBlb、 PB2b 作為電流鏡的第五晶體管PBlh、 PB2h來調整.由此，相應笫二和笫三晶體管PB1、 PB2、 PBlb、 PB2b的相應電 流鏡比例可以依據(jù)分別提供到第六晶體管NB5、 NB6的控制電壓來調 整.在備選實施例中，提供了用于穩(wěn)定第二因子的裝置，其并聯(lián)連接 到用于按比例放大的裝置，并依據(jù)按比例縮小的電流和控制電壓來控 制該用于按比例放大的裝置.在所示實施例中，可以使用具有小溝道 長度的晶體管.因此可以減小該電路的寄生電容.這使得可以獲得更 高的頻率帶寬.此外，電流鏡比例可保持穩(wěn)定，因此在靜態(tài)電流模式 中可以設置低的靜態(tài)電流.根據(jù)本發(fā)明的所示放大器級因此可以工作 于低電流消耗.針對用于穩(wěn)定電流鏡比例的電路的額外努力由于微小 而可以忽，略.圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的運算放大器的示例性實施例.該運算放 大器包括作為運算放大器輸入級的差分放大器2、作為運算放大器輸出 級的放大器級1、以及用于調整放大器級1的共模電壓的共?？刂齐娐?3.放大器級1在一個示例中基本上對應于圖5所示依據(jù)本發(fā)明的放 大器級的實施例，備選地，圖1至4所示實施例中的一個可用作該輸 出級。電流源II、 12在本示例中形成為PM0S晶體管PBOl、 PB02. PM0S 晶體管PBOl、 PB02的控制輸入耦合到參考電流源P0，該參考電流源 還形成為PMOS晶體管.電流源Il、 12分別與參考電流源P0形成電流 鏡，該參考電流源PO被供給了參考電流輸入IB上的參考電流.差分放大器2包括實施為PMOS晶體管PAO的電流源，該PMOS晶 體管PAO還耦合到參考電流源PO.兩個信號路徑包括一對晶體管PA1、 PA2，其控制輸入IMP1和IM1形成該運算放大器的差分輸入.此外， 提供了分別串聯(lián)到晶體管PA1、 PA2的共源共柵晶體管(cascode transistor) PA3、 PA4.共源共柵晶體管PA3、 PA4的柵極連接器耦 合到輸入VBPCAS以提供笫一級連電壓(cascode voltage),此外，該兩個信號路徑中的每個都包括串聯(lián)連接的N0MS晶體管NA1、 NA3和NA2、 NA4.晶體管NA1、 NA2還形成為共源共柵晶體管， 其控制連接輛合到另外的輸入VBNCAS以提供第二級連電壓.晶體管 NA3、 NA4的控制連接連接到共模控制電路3以控制共模電壓.分別由晶體管NA1、 PA3和NA2、 PA4的連接節(jié)點形成的輸入級2 的差分輸出耦合到輸出級l的輸入INP、 INM.此外，輸出級l的笫一 和笫二信號路徑SP1、 SP2在電阻器R1、 R2和電容器C1、 C2上與輸入 級2的輸出耦合.共?？刂齐娐?包括使用PMOS晶體管來實施的電流源PCO以及連 接成一對差分電流路徑的晶體管PC1、 PC2、 NC1、 NC2、 NC3、 NC4.晶 體管PC2的控制輸入耦合到參考輸入VCMREF，以提供用于共?？刂频?參考電壓.相應晶體管PC1的控制連接通過包括電阻器R3、 R4和電容 器C3、 C4的耦合電路而輛合到輸出級l的信號輸出0UTM、 OUTP.在輸入級2中，提供于輸入INP1、 INM1的差分輸入信號被該差分 放大器預放大.也可以使用任何其他差分放大器電路，替代使用共源 共柵配置的該差分放大器.根據(jù)前文所述的本發(fā)明原理，該預放大輸 入信號在輸出級1內被放大.當放大榆入信號并連續(xù)地放大輸出級1 內的信號時，會在輸入信號和輸出信號之間產生相移.為了能夠保證 該運算放大器的穩(wěn)定性，通常需要將該相移限制為小于180°的角度. 因此在所示實施例中，提供了電容器C1、 C2，這些電容器補償了輸入和輸出信號之間的相移并因此改善了運算放大器的相位余量.按照此處所示方式連接的電容器Cl、 C2也可以稱為Miller電容 器。根據(jù)本發(fā)明的運算放大器在這一點上與常規(guī)Miller運算放大器相 當，電阻器R1、 R2實現(xiàn)了相位余量的進一步改善，但是也可以省略而 不改變該電路配置的基本原理.如前文所述，通過選擇笫一和第二因子M、 N并選擇由恒定電流源 II、 12提供的電流的值，由此實現(xiàn)該運算放大器榆出級l內靜態(tài)電流 的設置.差分運算放大器的共模控制用于調整共模電壓，并用于設置 輸出級l內的靜態(tài)電流.由于電流源Il、 12不是例如由交叉耦合和共 ?？刂菩纬傻目刂苹芈返囊徊糠?，因此輸出級1內的靜態(tài)電流與晶體 管的控制電壓無關.如前所述，通過分別提供晶體管NB5、 NB6控制榆入處的控制電 壓，相應晶體管PBlb和PB2b的漏極電壓受到控制，使得所述漏極電
壓對應于由共?？刂齐娐?提供且在靜態(tài)電流模式中在輸出0UTM、 OUTP有效的共模電壓.在困7和8中，具有常規(guī)輸出級和根據(jù)本發(fā)明輸出級的雙級運算 放大器的線性行為在頻域內進行比較.因此幅值A分別視為依賴于頻 率f.圖7示出了具有常規(guī)輸出級的運算放大器的諧波曲線困.在圖8 中，示出了具有根據(jù)本發(fā)明榆出級的運算放大器的諧波示例性曲線 圖.在這兩種情形中，運算放大器按照倒相方式連接，這意味著電阻 器提供于輸入路徑以及反饋路徑內.在本示例中，運算放大器的輸出 連接到包括電阻性和電容性負栽并聯(lián)連接的負載.這兩個運算放大器 的相應輸入級和共?？刂齐娐酚上嗨祁愋托纬?為了比較線性行為， 均向兩個電路配置提供20MHz正弦輸入信號.從困7和8可以得知，常規(guī)運算放大器和具有本發(fā)明榆出級的運 算放大器的非線性行為相當，盡管使用交叉耦合的電流路徑.為了更 詳細的比較，結果歸納成表格形式.常規(guī)A類輸出級根據(jù)本發(fā)明的輸出級基波(2謹z)-IO. 7 dB-10.7 dB3次諧波(60MHz)-63. 8 dB-65.8 dB5次諧波(100MHz)-65.1 dB-64.2 dB7次諧波(14讓z)-71,4 dB-69.1 dB信號/總失真-50. 28 dB-50. 45 dB可以看出，盡管根據(jù)本發(fā)明的運算放大器的AB類工作模式，上升 諧波是類似的，由此信號失真率得到略微改善.然而，與常規(guī)A類輸 出級的靜態(tài)電流相比，包括輔助電流路徑內電流的本發(fā)明放大器級靜 態(tài)電流可以減小70%.盡管本發(fā)明已經參考一個或多個實施例進行說明和描述，但是在 不背離本發(fā)明精神和范圍的情況下可對所示示例進行變更和/或改進.尤其對于上述元件或結構(塊、單元、組件、器件、電路、系統(tǒng) 等)執(zhí)行的各種功能，用于描迷這些元件的術語(包括稱為"裝置") 如果沒有另外指出則旨在對應執(zhí)行所述元件指定功能的任何元件或結 構(例如，功能上等同)，即使在結構上不等同于在本發(fā)明所示示例性實施例中執(zhí)行該功能的所公開結構.此外，盡管已經參考多個實施例 中的僅僅一個來公開本發(fā)明的具體特征，該特征可以與任一指定或特 定應用所期望和優(yōu)選的其他實施例的一個或多個其他特征組合.
權利要求
1.一種放大器級，包括第一和第二信號路徑，分別包括第一導電類型的第一晶體管和第二導電類型的第二晶體管的串聯(lián)連接，所述第一晶體管包括配置成接收所述放大器級的輸入信號的控制輸入，所述第一和第二信號路徑分別連接在電源電壓抽頭和參考電壓抽頭之間；第一和第二信號輸出，分別形成于所述第一和第二路徑內相應第一和第二晶體管的相應連接節(jié)點處；第二導電類型的第三晶體管，在各個所述第一和第二路徑內連接到所述相應第二晶體管作為電流鏡；第一導電類型的第四晶體管，在各個所述第一和第二路徑內連接到所述相應第一晶體管作為電流鏡并配置成控制另一個信號路徑的所述第三晶體管；以及電流源，并聯(lián)連接到各個所述第一和第二路徑內相應第一、第二、第三和第四晶體管之一。
2. 如權利要求1所述的放大器級，其中對于各個所述笫一和第二信 號路徑，所述晶體管定制為使得流過相應第一晶體管的電流比流過相應 第四晶體管的電流大第一因子.
3. 如權利要求2所述的放大器級，其中對于各個所述第一和第二信 號路徑，所述晶體管定制為使得流過相應笫二晶體管的電流比流過相應 第三晶體管的電流大第二因子，其中所述第一和第二因子不同.
4. 如權利要求3所述的放大器級，其中所述晶體管包括場效應晶體 管且定制為使得所述第一和第二因子是由所述晶體管的相應溝道寬度-長度比例產生.
5. 如權利要求1所述的放大器級，其中所述電流源分別包括恒定電 流源。
6. 如權利要求1所述的放大器級，還包括第二導電類型的笫五晶體管，在各個所述笫一和笫二信號路徑內分 別連接到所述笫二和第三晶體管作為電流鏡；第一導電類型的第六晶體管，在各個所述第一和第二信號路徑內分 別連接在所述信號路徑之一的笫一晶體管和另一個信號路徑的第二、第 三和第五晶體管之間，和其中所述相應笫五和第六晶體管的電流路徑并聯(lián)連接到所述相應笫 三晶體管的控制路徑.
7. 如權利要求6所述的放大器級，其中對于各個所述第一和第二信 號路徑，所述晶體管定制為使得流過相應第五晶體管的電流比流過相應 第三晶體管的電流小至少一個數(shù)量級.
8. —種放大器級，包括笫一和第二信號路徑，具有笫一導電類型的相應笫一晶體管和笫二 導電類型的相應第二晶體管，所述第一晶體管包括配置成接收所述放大 器級的輸入信號的控制輸入；第一和第二信號輸出，分別形成于所述笫一和第二晶體管的相應連接節(jié)點；用于以第一因子按比例縮小流過所述相應笫一晶體管的電流的幕 置，所述按比例縮小的電流在笫一和第二輔助電流路徑內流動；用于按比例放大所述按比例縮小的電流的裝置，所述按比例放大裝 置可操作地分別控制所述信號路徑之一的笫二晶體管，使得與所述相應 另 一個信號路徑相關聯(lián)的笫 一和笫二輔助電流路徑內的所述按比例縮小 電流被按比例放大第二因子，所述笫二因子不同于笫一因子；以及用于平衡所述不同因子的裝置，以提供平衡電流至所述笫一和第二 信號路徑或至所述第 一和笫二輔助電流路徑.
9. 如權利要求8所述的放大器級，其中所述按比例縮小裝置和所述 按比例放大裝置都包括電流鏡.
10. 如權利要求8所述的放大器級，還包括與所述按比例放大裝置 并聯(lián)連接的用于穩(wěn)定所述第二因子的裝置，所述穩(wěn)定裝置可搮作地依據(jù) 所述按比例縮小電流和控制電壓來控制所述按比例放大裝置.
11. 用于放大信號的方法，包括提供第一和笫二信號路徑，分別具有第一導電類型的相應笫一晶體 管和第二導電類型的相應第二晶體管，所述笫一晶體管包括配置成接收 輸入信號的控制輸入；通過使用差分榆入信號控制所述第一晶體管，由此控制所述第一和 第二信號路徑內的電流；將第一和第二輔助電流路徑內的受控電流按比例縮小第一因子；分別控制所述信號路徑之一的第二晶體管，使得相應另一個所述信號路徑內的輔助電流路徑內的按比例縮小電流被按比例放大第二因子，所述第二因子不同于笫一因子；通過提供平衡電流至所述笫一和第二信號路徑或者至所述第一和第 二輔助電流路徑來平衡所述不同因子；以及根據(jù)所述受控電流傳遞差分輸出信號.
12. 如權利要求ll所述的方法，其中所述按比例放大或者按比例縮 小之一或二者通過電流鏡完成.
13. 如權利要求ll所述的方法，其中所述按比例放大包括提供相應 另一個晶體管和所述相應另一個晶體管的控制電壓，以及依據(jù)所述按比例縮小電流和所述控制電壓來調整所述按比例放大.
14. 一種用于放大信號的方法，包括提供笫一和第二信號路徑，分別包括笫一導電類型的第一晶體管和 笫二導電類型的笫二晶體管的串聯(lián)連接，所述笫一和笫二信號路徑連接 在電源電壓抽頭和參考電壓抽頭之間；使用輸入信號分別控制所述第一和第二信號路徑的所述笫一晶體管；使用所述輸入信號控制第一導電類型的相應第四晶體管，所述相應第四晶體管連接到所述相應第一晶體管作為電流鏡；使用第二導電類型的相應笫三晶體管控制所述笫一和第二信號路徑的相應笫二晶體管，所述第三晶體管連接到相應第二晶體管作為電流 鏡，所述控制是根據(jù)流過所述笫四晶體管的電流；使用電流源調整靜態(tài)電流，所述電流源分別并聯(lián)連接到所述笫一和 第二信號路徑的所述第一、第二、第三和第四晶體管之一；以及分別在所述第 一和第二晶體管的相應連接節(jié)點處提供放大信號.
15. 如權利要求14所述的方法，其中對于各個所述笫一和笫二信號 路徑，流過所述相應第一晶體管的電流比流過所述相應第四晶體管的電 流大笫一因子.
16. 如權利要求15所述的方法，其中對于各個所迷笫一和笫二信號 路徑，流過所述相應第二晶體管的電流比流過所述相應笫三晶體管的電 流大笫二因子.
17. 如權利要求16所述的方法，其中所述笫一和第二因子不同.
18. 如權利要求14所述的方法，還包括使用笫二導電類型的笫五晶體管控制所述相應第三晶體管的控制電壓，所述第五晶體管連接到所述 相應第三晶體管作為電流鏡，所述控制是根據(jù)流過所述第四晶體管的電 流.
19. 如權利要求18所述的方法，包括基于提供到第一導電類型的相 應笫六晶體管的控制電壓，控制所述相應笫二和笫三晶體管的相應電流鏡性能。
20. —種用于放大信號的方法，包括 將差分輸入信號放大為差分電流； 將所述差分電流按比例縮小第一因子；通過以第二因子按比例放大所述按比例縮小的差分電流來交叉控制 所述差分電流，所述第二因子不同于第一因子；提供平衡電流用于影響所述差分電流或所述按比例縮小的差分電 流；以及根據(jù)所述差分電流傳遞差分榆出信號.
全文摘要
一種放大器級，包括第一和第二信號路徑，包括第一導電類型的第一晶體管和第二導電類型的第二晶體管的串聯(lián)連接，所述第一晶體管形成控制輸入以用于接收放大器級的輸入信號。放大器級還包括第一和第二信號輸出，其分別由該相應第一和第二晶體管的相應連接節(jié)點形成。對于各個第一和第二信號路徑，放大器級分別包括第二導電類型的第三晶體管和第一導電類型的第四晶體管，第三晶體管連接到相應第二晶體管作為電流鏡，第四晶體管連接到相應第一晶體管作為電流鏡并用于控制另一個信號路徑的第三晶體管。此外，對于各個第一和第二信號路徑，提供電流源，該電流源并聯(lián)連接到相應第一、第二、第三和第四晶體管之一。
文檔編號H03F3/45GK101114810SQ20071013699
公開日2008年1月30日 申請日期2007年7月26日 優(yōu)先權日2006年7月26日
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