阅读说明：本技术 放大器及放大方法 (Amplifier and amplifying method ) 是由 林嘉亮 管继孔 于 2019-09-18 设计创作，主要内容包括：本申请涉及放大器和放大方法。放大器包括：第一类型的第一电流源、共源极增益装置、负载、第二类型的第二电流源、第一共模网络及第二共模网络。第一类型的第一电流源依据第一偏压从源极节点拉入第一偏压电流。共源极增益装置用以接收输入电压,并依据第一偏压电流以输出输出电流至漏极节点。负载用以提供终端于漏极节点。第二类型的第二电流源依据第二偏压以输出第二偏压电流至漏极节点。第一共模网络依据固定转导参考电流以输出第一偏压。第二共模网络依据漏极节点的电压平均值与调节参考电压之间的差值以输出第二偏压。(The present application relates to an amplifier and an amplifying method. The amplifier includes: the current source circuit comprises a first current source of a first type, a common source gain device, a load, a second current source of a second type, a first common mode network and a second common mode network. A first current source of a first type pulls a first bias current from the source node in accordance with a first bias voltage. The common-source gain device is used for receiving an input voltage and outputting an output current to a drain node according to a first bias current. The load is used for providing a terminal at the drain node. The second current source of the second type outputs a second bias current to the drain node according to a second bias voltage. The first common mode network outputs a first bias voltage according to a fixed transconductance reference current. The second common mode network outputs a second bias voltage according to a difference between the average voltage value of the drain node and the regulated reference voltage.)

放大器及放大方法

技术领域

本公开涉及放大器，特别是涉及能在温度变化时同时保持增益及有效输出摆幅稳定性的放大器及其方法。

背景技术

参照图1A，现有高速的放大器100包括：电流源110、增益装置120、负载130。电流源110包括两个N型晶体管111p、111n。N型晶体管111p、111n依据偏压V_bcm从两个源极节点101p、101n分别拉入两个偏压电流I_bp、I_bn。增益装置120包括两个N型晶体管121p、121n及两个源极退化电阻器(source-degenerating resistor)122p、122n。增益装置120用以接收两个输入电压V_ip、V_in，并且依据由偏压电流I_bp、I_bn决定的偏压条件在两个漏极节点102p、102n分别输出两个输出电压V_op、V_on。负载130包括两个上拉电阻器(pull-up resistor)131p、131n。上拉电阻器131p、131n用以分别将两个漏极节点102p、102n的电压上拉至电源节点V_DD。

在功能上，放大器100接收输入信号V_i，输入信号V_i是一个包括两个输入电压Vip及Vin的差分信号。并且放大器100输出输出信号V_o，输出信号V_o是一个包括两个输出电压V_op、V_on的差分信号。增益装置120是基于共源式(common-source)的布局(topology)并依据两个偏压电流I_bp、I_bn提供增益。于此，增益是指输出信号V_o及输入信号V_i之间的振幅比例。放大器100在前案中是大众所知悉的，所以于此不再详细说明。

而且，前述的差分信号所包括的两个电压分别以两个下标“p”、“n”代表。例如输入信号V_i包括两个输入电压V_ip、V_in，而输出信号V_o包括两个输出电压V_op、V_on。放大器100包括两个部分，分别是第一半部及第二半部。第一半部之中所有的电压、电流、元件、及节点用下标“n”代表。而第二半部之中所有的电压、电流、元件、及节点用下标“p”代表。这两个半部名义上相同并执行相同的功能，除了第一半部接收输入电压V_ip并输出输出电压V_op，而第二半部接收输入电压V_in并输出输出电压V_on。此外，有两个标记为“101cm”、“102cm”的节点是由第一半部及第二半部所共用，而这两个节点被称为“共模节点”，并且用下标“cm”代表。并且，偏压V_bcm也是由第一半部及第二半部所共享，这就是为什么也用下标“cm”代表。因为两个半部是相同的，所以只用其中一个半部表示这两个半部是很便利的。通过只用其中一个半部表示这两个半部，并且移除下标“p”及“n”，但保留下标“cm”，结果就能得到放大器100h，如图1B所示。图1B是表示图1A中的放大器100的半电路。

参照图1B，进一步说明半电路的功能。放大器100h包括：电流源110h包括N型晶体管111、增益装置120h、负载130h。N型晶体管111依据偏压V_bcm从源极节点101拉入偏压电流I_b。增益装置120h包括N型晶体管121及源极退化电阻器122。增益装置120h用以接收输入信号V_i，并依据偏压电流I_b在漏极节点102输出输出信号V_o。负载130h包括上拉电阻器131。上拉电阻器131用以将漏极节点102上拉至电源节点V_DD，并因此提供终端于漏极节点102。

放大器100h具有两个重要特性，分别是增益及有效输出摆幅。增益是由共源增益装置120h的跨导与负载130h的阻抗之间的乘积所决定。有效输出摆幅由电源节点V_DD与输出信号V_o的平均值之间的差值所决定。所期盼的是即使电路温度发生变化时，放大器100h能保持基本相同的增益及有效输出摆幅。不幸的是增益装置120h的跨导是与温度高度相关的，并且当温度从-40摄氏温度(℃)升高到125摄氏温度时，能在相同的偏压电流下缩小两倍。为了维持相同的增益，偏压电流I_b必须依据温度进行调节。另一方面，假如偏压电流I_b被调节以维持相同的增益，则有效输出摆幅将随温度而变化。

因此，期盼有一种放大器能在温度变化时保持增益及有效输出摆幅。

发明内容

依据一些实施例，放大器包括第一类型的第一电流源、共源极增益装置、负载、第二类型的第二电流源、第一共模网络、及第二共模网络。第一类型的第一电流源依据第一偏压从源极节点拉入第一偏压电流。共源极增益装置用以接收输入电压，并依据第一偏压电流以输出输出电流至漏极节点。负载用以提供终端于漏极节点。第二类型的第二电流源依据第二偏压以输出第二偏压电流至漏极节点。第一共模网络依据固定转导参考电流以输出第一偏压。第二共模网络依据漏极节点的电压平均值与调节参考电压之间的差值以输出第二偏压。

依据一些实施例，放大方法包括以下步骤：依据第一偏压，使用第一类型的第一电流源从源极节点传导第一偏压电流；依据从源极节点输出的第一偏压电流，使用共源极增益装置将输入电压转换为传递至漏极节点的输出电流；利用负载作为漏极节点的终端；依据第二偏压电压，使用第二类型的第二电流源传导第二偏压电流至漏极节点；依据固定转导参考电流，以电流电压转换方式调整第一偏压；依据能隙参考电压的调节，产生调节参考电压；以及，依据调节参考电压与漏极节点的电压平均值之间的差值，以调整第二偏压电压。

附图说明

参照以下附图能更好地理解本公开的各个方面。附图中的元件不一定按照比例绘制，而是着重在用于清楚说明本公开的构造及运行原理。并且在附图的多个视图中以类似的符号标示对应的部件。

图1A为现有放大器的示意图。

图1B为图1A的现有放大器的半电路图的示意图。

图2A为本公开一些实施例的半电路表示的放大器的示意图。

图2B为图2A的另一些实施例的半电路表示的放大器的示意图。

图3为本公开一些实施例的放大方法的流程图。

符号说明

100、100h 放大器 110、110h电流源

120、120h 增益装置 130、130h负载

111、111p、111n、121、121p、121n N型晶体管

122、122p、122n 源极退化电阻

102、102p、102n 漏极节点

131、131p、131n 上拉电阻器

101cm、102cm 共模节点

101、101p、101n 源极节点

200A 放大器 200B 放大器

210h 第一电流源 220h 共源增益装置

230h 负载 240h 第二电流源

250cm 图块 260cm 图块

251cm 分流电容器 261cm 分流电容器

270cm 第一共模网络 280cm 第二共模网络

201 源极节点 202 漏极节点

201cm 第一共模节点 202cm 第二共模节点

211 N型晶体管 221 N型晶体管

222 源极退化电阻器 231 上拉电阻器

232 共模感测电阻器 241 P型晶体管

242 隔离电阻器 271 N型晶体管

272 N型晶体管 273 N型晶体管

274 运算放大器 275cm 替代共模网络

281 运算放大器 282 运算放大器

283 N型晶体管 286 电压调节电路

R₁ 电阻器 R₂ 电阻器

V_b1cm 第一偏压 V_b2cm 第二偏压

V_scm 第一共模电压 V_dcm 第二共模电压

V_DD1 电源节点 V_DD2 第二电源节点

V_bgref 能隙参考电压 V_ref 调节参考电压

V_d 漏极端电压 V_s 源极端电压

V_g 输入电压 V_mid 第二漏极端电压

V_ctl 控制电压 V_bcm 偏压

V_ip、V_in 输入电压 V_op、V_on 输出电压

V_i 输入信号 V_o 输出信号

V_DD 电源节点 I_cgref 固定转导参考电流

I_b1 第一偏压电流 I_b2 第二偏压电流

I_d 输出电流 I_b、I_bp、I_bn 偏压电流

310-370 步骤

具体实施方式

本公开涉及放大器。尽管在说明书中描述了数个被认为是实施本公开的优选模式，但应理解本公开仍可以诸多方式来实现，且不应限定于下述的特定实施例或实现下述特征的特定方式。在其他情况下，公知细节将不再赘述或讨论以避免模糊本公开重点。

本技术领域中技术人员应能理解本公开中所使用的关于微电子学的术语及基本概念，例如“节点”、“电路节点”、“信号”、“电压”、“电流”、“跨导(transconductance)”、“放大器”、“差分信号”、“共模(common-mode)”、“电流镜(current mirror)”、“能隙参考电压(bandgap reference voltage)”、“固定转导电流(constant-gm current)”、“偏压(bias)”、“电容器”、“电容值”、“电阻器”、“电阻值”、“互补式金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)”、“P型晶体管(PMOS)”、“N型晶体管(NMOS)”、“通道长度调制(channel length modulation)”、“阻抗”、“共源放大器”、“串迭(cascode)”、“源极退化(source degeneration)”、“运算放大器”、及“负反馈”。类似上述的术语及基本概念因已为本技术领域中技术人员所熟知，故于此不再详细解释。本技术领域中技术人员也能识别P型晶体管及N型晶体管的电路符号，并且能分辨哪一个是“源极”、“栅极”及“漏极”。

本公开是从工程方面(即，从本技术领域中技术人员的观点)来进行表述，而非从严谨的数学方面来进行表述。例如，“X等于Y”是表示“X与Y之间的差异小于特定的工程/实务允许误差”，而并非是要求理论上/数学上的绝对相等。“X明显小于Y”是表示“X与Y之间的比率小于特定的工程/实务允许误差”。

在本公开中，电源节点被认为是一个直流节点，因为电源节点的电压基本上是固定的。同样地，接地节点也是一个直流节点。

在本公开中，可能使用了“耦接”一词以及其衍生字词。在一些实施例中，“耦接”可用以表示两个或更多个元件彼此直接地物理接触或电性接触，或者还可能意味者两个或更多个元件彼此间接地电性接触。“耦接”一词仍可用以表示两个或更多个元件彼此协作或互动。

在本公开中，使用了差分信号，其中电压信号包括第一电压及第二电压，而电流信号包括第一电流及第二电流。并且，在本公开的一些实施例使用了差分电路。其中，差分电路包括第一半部、第二半部、及第一半部与第二半部共享的共模网络。除了第一半部及第二半部分别处理信号的第一部分(电压或电流)以及处理信号的第二部分(电压或电流)之外，第一半部及第二半部是相同的。为了简洁起见，使用差分电路的半电路进行说明，其中与半电路有关的电路块用下标“h”代表，与共模网络有关的电路块用下标“cm”代表，并且下标“p”及“n”不再使用。例如，图1B中的放大器100h即代表图1A中的放大器100的半电路。图1B中的增益装置120h即代表图1A中的增益装置120的半电路。图1B中的负载130h即代表图1A的负载130的半电路。

图2A为本公开一些实施例的半电路表示的放大器200A的示意图。参照图2A，在一些实施例中，放大器200A包括第一电流源210h、共源增益装置220h、负载230h、第二电流源240h、第一共模网络270cm及第二共模网络280cm。其中第一电流源210h包括N型晶体管211。第一电流源210h依据第一偏压V_b1cm从源极节点201拉入第一偏压电流I_b1。在一些实施例，共源增益装置220h包括N型晶体管221及源极退化电阻器222。共源增益装置220h用于接收输入电压V_g，并依据从源极节点201输出的第一偏压电流I_b1决定的偏压条件，从漏极节点202拉入输出电流I_d。其中源极退化电阻器222用以耦接源极节点201至第一共模节点201cm，并于第一共模节点201cm获得第一共模电压V_scm。负载230h用以提供终端于漏极节点202。负载230h包括上拉电阻器231及共模感测电阻器232。上拉电阻器231用以上拉漏极节点202的电压至电源节点V_DD1。共模感测电阻器232用以耦接漏极节点202至第二共模节点202cm，并于第二共模节点202cm获得第二共模电压V_dcm。第二电流源240h包括P型晶体管241和隔离电阻器242。第二电流源240h依据第二偏压V_b2cm，从第二电源节点V_DD2输出第二偏压电流I_b2至漏极节点202。第一共模网络270cm依据固定转导参考电流(constant-gm referencecurrent)I_cgref以建立第一偏压V_b1cm。第二共模网络280cm用以于第二共模节点202cm接收第二共模电压V_dcm，并依据能隙参考电压V_bgref输出第二偏压V_b2cm。

在一些实施例，放大器200A还包括分流电容器251cm(示于图块250cm中)。分流电容器251cm用以在第一共模电压V_scm提供低通滤波，使得第一共模电压V_scm基本上等于源极端电压V_s的平均值。在一实施例中，分流电容器251cm包括寄生电容器。

在一些实施例，放大器200A还包括分流电容器261cm(示于图块260cm中)。分流电容器261cm用以在第二共模电压V_dcm提供低通滤波，使得第二共模电压V_dcm基本上等于漏极端电压V_d的平均值。在一实施例中，分流电容器261cm包括寄生电容器。

在一些实施例，采用隔离电阻器242用来在P型晶体管241的漏极端子与漏极节点202之间提供隔离，以减轻P型晶体管241的寄生电容对漏极节点202的影响。否则，寄生电容可能在漏极节点202带来不利的大电容性负载。

在一些实施例，能隙参考(bandgap reference)电压V_bgref约为1.23V，并且对温度是高准确及不敏感的。这部分在前案中是大众所知悉的，所以于此不再详细说明。

在一些实施例，第二共模网络280cm包括电压调节电路286及运算放大器282。电压调节电路286用以接收能隙参考电压V_bgref，并输出调节参考电压V_ref。运算放大器282依据第二共模电压V_dcm与调节参考电压V_ref之间的差值以输出第二偏压V_b2cm。负载230h、第二共模网络280cm及第二电流源240h构成负反馈回路。当第二共模电压V_dcm高于调节参考电压V_ref时，运算放大器282将迫使第二偏压V_b2cm上升，而导致P型晶体管241减小第二偏压电流I_b2，并因此导致漏极端电压V_d及第二共模电压V_dcm下降。当第二共模电压V_dcm低于调节参考电压V_ref时，运算放大器282将迫使第二偏压V_b2cm下降，而导致P型晶体管241增加第二偏压电流I_b2，并因此导致漏极端电压V_d及第二共模电压V_dcm上升。因此，负反馈回路可以迫使第二共模电压V_dcm跟着调节参考电压V_ref，例如：

V_dcm＝V_ref。 (1)

电压调节电路286包括运算放大器281、N型晶体管283、及两个电阻器R1、R2。电阻器R1、R2以负反馈式布局，使得：

电压调节电路286是前案中广泛使用的运算放大器式反馈电路，并且如何导出方程式(2)对于本技术领域中技术人员所熟知，故于此不再详细解释。

结合方程式(1)及方程式(2)，得到：

如前所述，第二共模电压V_dcm是等于漏极端电压V_d的平均值。由于漏极端电压V_d可以向上摆荡至电源节点V_DD1，因此“V_DD1-V_dcm”是漏极端电压V_d的有效摆幅。由于能隙参考电压V_bgref是高准确度并且对温度不敏感的，如前述的“R₂/R₁”，因此放大器200A的有效输出摆幅可以是高准确度的并且对温度不敏感。

固定转导电流是一个用于对晶体管提供偏压的电流，晶体管可以具有高准确度并且对温度不敏感的跨导。第一共模网络270cm包括N型晶体管271。N型晶体管271用以在二极管连接式的布局中接收固定转导参考电流I_cgref，并将其转换为第一偏压V_b1cm以控制N型晶体管211。N型晶体管271及N型晶体管211构成电流镜，使得第一偏压电流I_b1是通过固定转导参考电流I_cgref调整的电流，其比例因子由N型晶体管211的宽长比与N型晶体管271的宽长比之间的比例决定。因此，第一偏压电流I_b1也是固定转导电流。由于共源增益装置220h被固定转导电流提供偏流，共源增益装置220h能具有高准确度且对温度不敏感的跨导。所以放大器200A的增益可以是高准确度并且对温度不敏感。

总的，由于使用第一共模网络270m，放大器200A的增益可以是高准确度并且对温度不敏感。而由于使用第二共模网络280m，放大器200A的有效输出摆幅可以是高准确度并且对温度不敏感。

在一些实施例中，P型晶体管241由N型晶体管代替，并且交换运算放大器282的输入极性。在这样的配置中，负载230h、第二共模网络280cm及第二电流源240h仍然构成负反馈回路，并且放大器200A的有效输出摆幅仍然可以是高准确度并且对温度不敏感。

需注意的是，源极退化电阻器222还可以实现共模传感的功能。而且，在特殊情况下，源极退化电阻器222是0欧姆，即短路。

图2B为图2A的另一些实施例的半电路表示的放大器200B的示意图。参照图2B，在一些实施例中，以N型晶体管271及N型晶体管211实现的电流镜的准确度会受到N型晶体管211的通道长度调制效应而退化。例如，源极端电压V_s的平均电压低于第一偏压V_b1cm时，第一偏压电流I_b1将低于预期的理想电流镜像，因为N型晶体管211的漏源极电压差(drain-to-source voltage)低于N型晶体管271的漏源极电压差。或是，源极端电压V_s的平均电压高于第一偏压V_b1cm时，第一偏压电流I_b1将高于预期的理想电流镜像，因为N型晶体管211的漏源极电压差高于N型晶体管271的漏源极电压差。源极端电压V_s的平均值由源极退化电阻器222感测，并由第一共模节点201cm的第一共模电压V_scm代表。为了减轻N型晶体管211的通道长度调制效应，可以使用如图2B所示的替代实施例的放大器200B。放大器200B类似于图2的放大器200A，除了图2A中的共模网络270cm是由图2B中的替代共模网络275cm替换。替代共模网络275cm包括：以共源式布局的N型晶体管272、以串迭式布局的N型晶体管273及运算放大器274。N型晶体管272用于建立第一偏压V_b1cm，并且与N型晶体管211一起构成电流镜。N型晶体管273是串迭装置，并用于将固定转导参考电流I_cgref传递到N型晶体管272。运算放大器274依据第二漏极端电压V_mid(即，N型晶体管272的漏极端的电压)与第一共模电压V_scm之间的差值输出控制电压V_ctl，其中控制电压V_ctl控制N型晶体管273的栅极端。当源极端电压V_s的平均电压高于第二漏极端电压V_mid时，运算放大器274将迫使控制电压V_ctl下降。因为N型晶体管273的反相功能，导致第一偏压V_b1cm上升。并且因为N型晶体管211的反相功能，导致源极端电压V_s的平均电压下降。或者，当源极端电压V_s的平均电压低于第二漏极端电压V_mid时，运算放大器274将迫使控制电压V_ctl上升。由于N型晶体管273的反相功能，导致第一偏压V_b1cm下降。并且因为N型晶体管211的反相功能，导致源极端电压V_s的平均电压上升。因此，替代共模网络275cm实现以负反馈来调节第一偏压V_b1cm，并使源极端电压V_s的平均电压等于第二漏极端电压V_mid。因此，N型晶体管272及N型晶体管211不仅具有相同的栅源极电压差(gate-to-source voltage)，而且可以具有相同的漏源极电压差，据以消除了通道长度调制效应造成的电流镜像不准确性，并且允许高准确度的电流镜像。

图3为本公开一些实施例的放大方法的流程图。参照图3，在一些实施例，放大方法包括以下步骤：依据第一偏压V_b1cm，使用第一类型的第一电流源从源节点传导第一偏压电流I_b1(步骤310)；依据从源极节点输出的第一偏压电流I_b1，使用共源极增益装置将输入电压V_g转换为传递至漏极节点202的输出电流I_d(步骤320)；利用负载作为漏极节点202的终端(步骤330)；依据第二偏压V_b2cm，使用第二类型的第二电流源传导第二偏压电流I_b2至漏极节点202(步骤340)；依据固定转导参考电流I_cgref，以电流电压转换方式调整第一偏压V_b1cm(步骤350)；依据能隙参考电压V_bgref的调节，产生调节参考电压V_ref(步骤360)；以及，依据调节参考电压V_ref与漏极节点202的电压平均值之间的差值，以调整第二偏压V_b2cm(步骤370)。

虽然本公开的技术内容已经以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本公开，任何本领域技术人员，在不脱离本公开的构思所作些许的变动与润饰，皆应涵盖于本公开的范围内，因此本公开的专利保护范围当视权利要求所界定者为准。