具体实施方式

图1示出了具有自适应偏置的跨导器电路10的第一实施例，其中偏置电流响应于差分输入信号来被改变。跨导器电路包括施加输入信号inp的输入端子E10a和施加输入信号inn的输入端子E10b。

跨导器电路10还包括电流路径101，该电流路径包括晶体管150和用于调节该晶体管150的第一偏置电流的可控电流源110。晶体管150具有耦合到输入端子E10a的控制节点。特别地，晶体管150的栅极端子耦合到跨导器电路的输入端子E10a以接收输入信号inp。

跨导器电路10还包括电流路径102，该电流路径包括晶体管160和用于调节该晶体管160的第二偏置电流的可控电流源120。晶体管160具有耦合到输入端子E10b的控制节点。特别地，晶体管160的栅极节点耦合到输入端子E10b以接收输入信号inn。

图1中所示的跨导器电路10还包括控制电路200，该控制电路配置成响应于电流路径101的节点N1的第一电位和电流路径102的节点N2的第二电位中的至少一者来控制可控电流源110、120。电流路径101的节点N1位于晶体管150与可控电流源110之间。电流路径102的节点N2位于晶体管160与可控电流源120之间。

如图1所示，跨导器电路10包括生成输出信号outn的输出端子O10a。输出端子O10a连接到晶体管150的漏极端子。跨导器电路10还包括输出输出信号outp的输出端子O10b。该输出端子O10b连接到晶体管160的漏极端子。

如图1所示，控制电路200包括放大器250，所述放大器250具有输出节点O250以生成控制信号CS来控制可控电流源110和120。放大器250可以被配置为跨导放大器。放大器250包括输入节点I250a，该输入节点耦合到电流路径101、102以使得施加在放大器250的输入节点I250a处的感测信号Vx响应于节点N1的第一电位和节点N2的第二电位中的至少一者而被改变。

图1的跨导器电路10包括布置在电流路径101的节点N1与电流路径102的节点N2之间的链接电流路径103。控制电路200的放大器250的输入节点I250a连接到链接电流路径103的内部节点N103。控制电路200配置为响应于在链接电流路径103的内部节点N103处检测到的感测信号Vx，通过放大器250来生成控制信号CS以控制可控电流源110、120。

如图1的跨导器电路10的实施例所示，链接电流路径103可以包括电阻元件170和电阻元件180。电阻元件170和180这两者都可以被配置为具有相同电阻的电阻器。如根据图1的跨导器电路10的实施例所示，电阻元件170连接在电流路径101的节点N1与链接电流路径103的内部节点N103之间。电阻元件180连接在电流路径102的节点N2与链接电流路径103的内部节点N103之间。

参照图1，放大器250还包括用于施加参考信号Vrefx的输入节点I250b。特别地，放大器250被配置为响应于感测信号Vx和参考信号Vrefx来生成控制信号CS。

根据图1所示的跨导器电路10的该实施例，电流路径101可以包括可控电流源130。电流路径102可以包括可控电流源140。输出端子O10a布置在晶体管150与可控电流源130之间。输出端子O10b布置在晶体管160与可控电流源140之间。

控制电路200配置为响应于电流路径101的节点N1的第一电位和响应于电流路径102的节点N2的第二电位来控制可控电流源130和140。根据图1所示的跨导器电路10的该实施例，控制电路200配置为响应于在链接电流路径103的内部节点N103处检测到的感测信号Vx，通过放大器250来生成控制信号CS以控制可控电流源110、120和可控电流源130、140。

下面解释图1所示的跨导器电路10如何工作。为了更好地理解原理，假设跨导器电路10将不包括用于控制可控电流源110、120以及可选地控制可控电流源130和140的控制电路200。通过将第一输入信号inp施加到输入端子E10a并且将第二输入信号inn施加到输入端子E10b，来将差分输入电压施加到跨导器电路10。此外，输出端子O10a、O10b这两者都通过耦合到输出端子O10a、O10b的负载电路(图1中未示出)来保持在恒定电压。

在将小的差分输入信号施加到输入端子E10a和E10b的情况下，晶体管150和160各自仅将它们的源极电流改变一点，使它们的工作点几乎恒定。因此，差分输入电压被衰减并以合理的线性方式被传输到节点N1和节点N2。关于图1所示的跨导器电路10的实施例，在链接电流路径103中流动的电流与差分输入电压成比例。该电流在晶体管150和160的漏极节点处输出，即在输出端子O10a和O10b处输出。

当例如通过增加输入信号inp的电平/电位和降低输入信号inn的电平/电位来使差分输入电压增加时，因为流过晶体管150和160的导电路径的电流改变，因此晶体管150和160的各自的工作点也改变。因此，晶体管150和160这两者各自的跨导均以不同的方式改变，以使得在输出端子处生成的输出电流不再线性取决于差分输入电压。

参照图1，跨导器电路10设置有控制电路200，该控制电路响应于差分输入信号电平来调节晶体管150和160的偏置电流。特别地，控制电路200配置为专用自适应偏置电路，所述专用自适应偏置电路根据施加在输入端子E10a和E10b处的差分输入信号电压来增加通过晶体管150和160的偏置电流。

跨导器电路10的所提出的拓扑结构利用了这样的观察结果，即，电阻元件170与180之间的感测信号Vx随着源于晶体管150和160的非线性行为的输入端子E10a和E10b处的差分输入电压的增加(具有任一极性)而逐渐增加。晶体管150和160被拉离其在零差分输入信号电平处的空闲工作点越多，感测信号Vx的电平就变得越高。

最后，如果例如差分输入电压非常大并且为正，例如在输入端子E10a处的输入信号inp的电平为高并且在输入端子E10b处的输入信号inn的电平为低，则晶体管160完全关断，并且感测信号Vx将直接跟随输入信号inp的电平，其中晶体管150用作源极跟随器。

因此，感测信号Vx的电平是针对晶体管150和160的工作点的良好指示，以反映它们中的一个如何失去偏置电流。因此，感测信号Vx能够用于将附加偏置电流逐渐地引导到电路中，以防止过度的非线性传输特性或者甚至晶体管150或160的关断。

这种行为是利用包括被实现为放大器250的调节器电路250的控制电路200来实现的。特别地，当感测信号Vx的电平与参考信号Vrefx的电平相比增加时，控制电路200能够同时增加由可控电流源110、120、130和140来生成的所有四个电流I1、I2、I3和I4。

这样，在大的差分输入信号处晶体管150和160的变化的工作点所导致的差分输入信号与输出电流之间的不期望的非线性特性能够变平，而同时小的差分输入信号处的偏置电流(以及因此的功耗)保持为小。

必须注意，该电路不需要具有稳定性问题的高增益调节回路来调节由可控电流源110、120、130和140来生成的各自电流部分I1、I2、I3和I4。此外，电路的任何噪声贡献件都限于固有的电路元件，例如晶体管150、160、电阻元件170、180和可控电流源110、...、140，所述固有的电路元件将必须以某种方式存在于任何这样的跨导器电路中。

图2示出了具有自适应偏置的跨导器电路10的第二实施例，其中，详细示出了用于生成参考信号Vrefx的控制电路200的配置。根据图2所示的实施例，控制电路200包括调节电路250，该调节电路配置为用于生成控制信号CS来控制可控电流源110、...、140的放大器250。

控制电路200包括电流路径260，该电流路径包括电平移位晶体管262和用于在电流路径260中生成恒定电流I5的恒定电流源261。参考信号Vrefcm被施加到电平移位晶体管262的控制节点，并且还经由电阻器271被施加到输入端子E10a，并且经由电阻器272被施加到输入端子E10b。

与晶体管150和160匹配的电平移位晶体管262用于向下移位共模参考电压Vrefcm，该共模参考电压还用作两个高阻抗输入节点E10a和E10b的DC电压偏置的参考。虽然理论上这种电路拓扑结构对于具有恒定输入共模电压的某些应用而言是可行的，但是在MEMS麦克风应用中，必须考虑到，如果使用单端拓扑结构，则在输入端子E10a和E10b处的输入共模电压例如随输入信号inp和inn直接改变，或者由于高压MEMS传感器偏置节点上的瞬变而改变，并且这种改变被直接传输到内部节点N103。因此，感测信号Vx受共模电压影响，从而可能干扰自适应偏置的工作。

图3示出了具有自适应偏置的跨导器电路10的第三实施例，其中，控制电路200包括与图2相比的另一(改进的)拓扑结构，以生成参考信号Vrefx。

图3的跨导器电路10的控制电路200包括电流路径201和电流路径202。电流路径201包括晶体管230和用于在电流路径201中生成晶体管230的偏置电流的恒定电流源210。晶体管230具有耦合到输入端子E10a的控制节点。电流路径202包括晶体管240和用于在电流路径202中生成晶体管240的另一偏置电流的恒定电流源220。晶体管240具有耦合到输入端子E10b的控制节点。

放大器250的输入节点I250b耦合到电流路径201和电流路径202，以使得参考信号Vrefx响应于电流路径201的节点N3的电位和响应于电流路径202的节点N4的电位而被改变。节点N3位于晶体管230与恒定电流源210之间的电流路径201中。节点N4位于晶体管240与恒定电流源220之间的电流路径202中。

根据图3所示的跨导器电路10的该实施例，控制电路200包括布置在电流路径201的节点N3与电流路径202的节点N4之间的链接电流路径203。放大器250的输入节点I250b连接到链接电流路径203的内部节点N203。

如图3所示，链接电流路径203包括电阻元件260和电阻元件270，所述电阻元件均可以实现为电阻器。电阻元件260连接在电流路径201的节点N3与链接电流路径203的内部节点N203之间。电阻元件270连接在电流路径202的节点N4与链接电流路径203的内部节点N203之间。

图3的跨导器电路10的控制电路200的配置与晶体管230和240一起使用辅助晶体管对，该辅助晶体管对允许生成与输入端子E10a和E10b处的输入共模电压一起移动的参考信号Vrefx。因此，放大器级250仅检测由晶体管150和160的各自工作点的改变所引起的感测信号Vx的电平的增加，而控制电路不受输入共模电压的变化的影响。这使得图3所示的控制电路拓扑结构的自适应偏置方案能够鲁棒性地对抗这种变化。

关于图1到图3中所示的跨导器电路的各自实施例，必须注意，晶体管150和160以及晶体管230和240(图3)可以被实现为n型晶体管(例如NMOS晶体管)，或者被实现为p型晶体管(例如PMOS晶体管)。此外，晶体管也可以被实现为JFET晶体管。NMOS晶体管的使用有利地使得能够为晶体管提供适当的跨导和低面积消耗。

图1到图3中所示的跨导器电路的各自实施例包括可控电流源110、120、130和140。必须注意，为了调整晶体管150和160的偏置电流，如果电流路径101和102中的每个仅包括一个可控电流源就足够了。假设晶体管150和160是n型的，例如实现为NMOS晶体管，则只有电流源110和120需要被配置为可控电流源，同时保持电流源130和140的电流恒定。如果晶体管150和160实现为p型晶体管，例如实现为PMOS晶体管，则有必要仅将电流源130和140实现为可控电流源，同时保持电流源110和120的电流恒定。总之，通过在电流路径101和102的每个中仅使用一个可控电流源，跨导器电路10的拓扑结构能够通过接受可变输出共模电流而被简化。

根据另一可能的实施例，可以在晶体管150、160的漏极节点处设置共源共栅晶体管，这使得能够跨导器电路的输出阻抗。

图1到图3中所示的跨导器电路10的所示实施例包括在链接电流路径103中的电阻元件170、180和在链接电流路径203中的电阻元件260和270。根据图1至图3的跨导器电路10的一个修改实施例，电阻元件170和180能够被去除/设置为零。在这种情况下，节点N1和N2直接连接。可选地，电阻元件260和270也可以被去除/设置为零，以使得节点N3和N4彼此直接连接。跨导器电路的这种简化的拓扑结构使得电路的面积消耗能够减小。

根据图1至图3所示的跨导器电路10的一个可能实施例，可以将有意的输入电压偏移添加到控制电路200的放大器级250。这种修改有利地使得能够确保自适应偏置过程的控制不会在达到差分输入信号的某个信号电平之前就开始。

图4A和图4B示出了将输入电压偏移添加到控制电路200的一个可能实施方式。根据图4A所示的跨导器电路10的实施例，具有电阻器282的电流源281耦合到放大器250的输入节点I250b，例如反相输入节点。根据另一可能的实施例，如图4B所示，通过提供施加到电阻元件170与180之间的内部节点N103的电流源或电流阱283，可以将输入电压偏移添加到控制电路200。图4B以虚线示出了通过提供施加到电阻元件260与270之间的内部节点N203的电流源或电流阱284来将输入电压偏移添加到放大器级250的一个替代实施例。

图4C示出了图1的跨导器电路10的一个实施例，其中，各自的恒定电流源191、192、193和194并联连接到可控电流源110、120、130和140中的每个。将恒定/不可调整电流源191、...、194并联添加到可控/可调整电流源110、...、140，有利地使得即使在自适应偏置未变为激活的情况下也能够建立一限定偏置电流。图4C中仅针对图1的跨导器电路10的配置示出了将恒定电流源191、...、194并联添加到可控电流源，但也可以针对图2和图3所示的跨导器电路10的实施例来使用所述并联添加。

根据跨导器电路的一个可能实施例，能够将电流源110和120的部分或全部添加到电阻元件170与180之间的内部节点N103。根据一个替代实施例，电流源110和120的部分或全部能够连接到通过将两个电阻元件170和180分成四个电阻元件来获得的附加节点对。以相同的方式，电流源210和220的部分或全部能够连接到电阻元件260与270之间的内部节点N203。根据一个替代实施例，恒定电流源210和220的部分或全部能够耦合到通过将电阻元件260和270分成四个电阻元件来获得的附加节点对。

图5示出了传感器装置1的应用，其中具有自适应偏置的跨导器电路10可以用作传感器20和模数转换器30之间的接口。传感器装置1包括具有自适应偏置的跨导器电路10，该跨导器电路配置成生成输出电流信号outp、outn。传感器20可以被实现为例如MEMS麦克风或压力传感器或电阻传感器或电感传感器或电容传感器或地震传感器中的一个。

传感器20包括用于检测影响换能器21的环境信号的换能器21。换能器21配置为响应于环境信号来生成电压信号inn、inp。模数转换器30具有用于接收输出电流信号outp、outn的输入侧I30。模数转换器30被配置为响应于输出电流信号outn、outp来生成数字输出信号。根据一个可能实施例，模数转换器30可以配置为具有连续定时的转换器。

跨导器电路10连接到传感器20，以在输入端子E10a和E10b处接收来自传感器20的电压信号inp、inn。跨导器电路10还连接到模数转换器30，以向模数转换器30的输入侧I30提供输出电流信号outp、outn。跨导器电路10和模数转换器30可以被实现为ASIC级。

关于传感器装置1，跨导器电路10被用作传感器输入级，所述传感器输入级允许根据差分输入信号的电平来调整输入晶体管的偏置。特别地，跨导器电路被配置为使用例如分接在负反馈电阻器170和180之间的感测信号Vx，以及分接在辅助晶体管对的源极节点处的参考信号Vrefx，以导出所需的偏置电流。

在不使用除了固有存在的部件之外的附加噪声贡献件的情况下，例如输入晶体管及其偏置电流源和负反馈电阻器，可以有利地实现跨导器电路10。另一个优点是，功耗在施加小的差分输入信号的情况下为低，并仅随着更大的差分输入信号而增加。这对于音频应用是有益的，因为差分输入信号在大多数时间通常是小的。跨导器电路10仅在小的差分输入信号处显示低噪声，并仅随着更大的差分输入信号而增加。对于音频应用而言，因为人类听觉能够感知的最大SNR(信噪比)是有限的，因此对于大的差分输入信号的噪声增加通常是可接受的。此外，电路的设计允许在设计期间的THD(总谐波失真)与功耗之间的折衷被有效地调整。不必需提供使得在大信号动态范围处稳定的昂贵的高增益调节回路。

附图标记列表

1 传感器装置

10 跨导器电路

20 传感器

21 换能器

30 模数转换器

101,102 电流路径

110,...,140 可控电流源

150,160 晶体管

170,180 电阻元件

200 控制电路

201,202 电流路径

210,220 恒定电流源

230,240 晶体管

250 放大器

260,270 电阻元件

N1,...,N4 节点

N103,N203 内部节点

103,203 链接电流路径

inp,inn 输入信号

outn,outp 输出信号