CN101297477A - 跨导级装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电压－电流跨导级装置，它包含单端输入端、发射极耦合晶体管(1，2)对以及差动输出端。该发射极耦合晶体管对包括第一晶体管(1)和第二晶体管(2)，第三晶体管的发射极与所述第一晶体管(1)的集电极相连。此外所述装置还包括至少一个共集电极晶体管，它包括第四晶体管(4)和第五晶体管(5)，第四晶体管(4)最好或者可选择地连接到上述第二晶体管(2)的基极，第五晶体管(5)与上述第三晶体管(3)的基极相连。上述第四(4)或者第四和第五晶体管(5)的尺寸远远大于第二和第三晶体管的尺寸。它们被偏置在断开状态。在晶体管(4)的集电极处施加额外的电感将有助于进一步增加线性度。

Description

跨导级装置
技术领域
本发明涉及电压-电流跨导级(transconductance stage)装置，它包含单端输入端、发射极耦合晶体管对以及差动输出端，该发射极耦合晶体管对包括第一晶体管和第二晶体管，借此，第三晶体管的发射极连接到上述第一晶体管的集电极。本发明还涉及包括跨导级装置的混频器(mixer)和放大器。
背景技术
在许多不同种类的电路中，需要高的线性度。例如，这些装置或是元件可以是无线通信系统中的接收器和射频发射器。很多情况下，此类装置的线性度在很大程度上或者说主要是由系统中使用的放大器以及混频器的线性度所决定的。电压-电流跨导级对于放大器以及混频器的线性度是非常重要的；就线性度而言，该跨导级在很大程度上构成了限制因素。
同单端电路相比，平衡电路由于若干原因总是具有优势的。例如，在用于向下变频的混频器的输出端，平衡电路可以消除RF(射频)信号。为了能够构造平衡电路，往往需要单端输入-差动输出级。该级能够通过不同方式来提供。比如，可以在跨导级前使用单端输入-差动输出的无源平衡-不平衡变换器(平衡-不平衡电路)电路。然而，由电感与电容组成的无源平衡-不平衡变换器却需要大的芯片区域，并且经常引起损耗，这显然是不利的。
还可以将有源电路同时作为平衡-不平衡变换器和跨导级，其包括发射极耦合对(ECP)。图1示出了该单-差动发射极耦合对1001。这类跨导级可以做得很小巧，同时还可以在电压-电流转换过程中提供增益。
为了提高ECP跨导级的线性度，经常采用发射极负反馈技术。图2示出了该装置1002，其中在晶体管Q01、Q02的发射极分别安置电阻Re1、Re2。
正如IEEE J.Solid-State Circuits，1998年1月，第1期第33卷中Barrie Gilbert的文章“The multi-tanh principle：atutorial overview”所述的那样，可以通过采用multi-tanh原理来增强线性度。晶体管的差动对(EPC)的并联连接设置被采用。这种跨导单元或级就是我们熟知的基于multi-tanh原理的单元，其主要的思想就是单独的非线性(双曲正切，tanh)跨导功能将会被沿着输入-电压轴分离以达到总体更加线性的功能。最简单的例子就是所谓的“两联体”(doublet)，但是，其它的例如“三联体”(triplet)也是很常见的。
图3示出了multi-tanh两联体1003的简化实施。图3中，所谓的multi-tanh两联体包括并联的两个发射极耦合对。其中晶体管Q01与Q04的(物理)尺寸与另一发射极耦合对Q02与Q03的尺寸相差几倍。然而，这样的设计虽然增加了线性度，但是与EPC相比却降低了跨导的增益，并且实际的线性度的提高由于发射极耦合对基本的弱点而受到限制。线性度受制于发射极耦合对的原因在于，随着跨过晶体管基极的输入电压的增加，发射极耦合对中晶体管增加的跨导gm极大的降低了。
所以，在线性度要求较高的应用中，基于ECP跨导级的混频器和放大器常常是不能胜任的。
IEEE journal of Solid-State Circuits，1997年9月，第9期第32卷Barrie Gilbert的文章The micromixer：A highly linearvariant of the Gilbert Mixer using abisymmetric class-AB inputstage”中，已经就上述问题提出了一种解决方法。图4示出了一个所谓的微型混频器(Micromixer)中所使用的跨导级的简化电路图。在给定输入信号Vin时，输出电流I+与I-应该振幅相等但是相位相反。考虑到Q02与Q03的输入阻抗通常情况下非常小，电阻R01、R02和R03则被用来增加输入阻抗。然而，尽管与ECP相比，线性度有所改善，但是微型混频器跨导存在的一个问题就是，当输入的RF功率进一步增加时，线性度将迅速变差或下降。这是因为Q02、Q03的基极-发射极电压的直流(DC)分量Vbe，会随着输入RF功率的增加而降低。这会导致增益压缩以及信号失真。Vbe降低的原因为：当输入功率增加时，通过Q02与Q03的发射极的直流电流Idc会增加。从而直流电压Vbe(Q02)+Vbe(Q03)＝Vb-Idc(R03+R02)降低，Vb是Q03基极的偏压。此处假设通过Q02与Q03的直流电流Idc相同并且晶体管的发射极电阻已包含在R02和R03中。
由此可见，目前还没有线性度令人满意的跨导能够应用于一些重要的应用，比如在无线通信系统以及其他应用中。
发明内容
因此，我们所需要的就是拥有好的或者是高的线性度的电压-电流跨导级装置。特别地，需要具有单输入-差动输出平衡-不平衡变换器功能的跨导级，其应当是紧凑的、不占用大的芯片面积并且还是高线性的。进一步，我们还需要这样一种装置，其在具有高的线性度的同时能够没有跨导性损耗。特别是需要这样一个跨导级，其能够不被上述的例如ECP的缺点所限制，或者特别是当输入电压增大时其线性度和跨导性仍然能够被保持。特别是还需要这样一种跨导级，其能够忍受高的输入信号(高的输入电压)并具有大的动态范围。最为特别的是需要廉价易于制造并且不复杂的跨导级。尤其是需要能够被用来提供具有高的线性度的放大器、混频器以及其他元件的跨导级。特别是需要这样的跨导级，其能够用于无线通信系统的元件中，特别是能用于要求高的线性度的无线电接收器和发射器中。此外，需要高度线性的放大器、混频器、特别是接收器和发射器是。
所以，最初提到的电压-电流跨导级装置进一步包括共集电极晶体管，该共集电极晶体管包括连接到所述第二晶体管的基极的第四晶体管。尤其是，所述第四晶体管的基极连接到第三晶体管的发射极(以及第一个晶体管的集电极)，第四晶体管的发射极连接到第二晶体管的基极。在一个优选实施例中，第五晶体管连接到所述第三晶体管的基极。优选地，所述第四或者第四和第五晶体管的尺寸分别远大于所述第二和第三晶体管的尺寸。特别是，所述第四或是第四和第五晶体管的发射极的尺寸分别远大于第二、第三晶体管的发射极尺寸。特别是，第四或是第四和第五晶体管的发射极的尺寸分别大约是，或者高达第二和/或第三晶体管的发射极尺寸的N倍，这里N大约为10。
尤其是，第四和/或第五晶体管的发射极的尺寸分别超过所述第二和/或第三晶体管发射极尺寸的N倍，这里N大于10，例如，高达大约20。(N当然也有可能小于10，但是通常不小于4-5)
在特别的实施例中，所述第四或第四和第五晶体管的集电极电流分别是所述第二和第三晶体管的基极偏置电流。特别的，第四晶体管或第四和第五晶体管被偏置在断开状态，所以集电极电流非常的小。
特别的，当输入功率增加时，所述第四晶体管或第四和第五晶体管的基极-发射极电压分别适于迅速下降，以至于相应的所述第二和第三晶体管的基极-发射极电压的直流电压分量会增加或者不变，这样，即使在大的射频输入功率的情况下仍然可以提供好的线性度。
在一个实施例中，为了进一步增加所述晶体管的输入阻抗，会在第一晶体管和/或第二晶体管和第三晶体管的发射极处提供或连接电阻或是电感。更有利的是，所述第四晶体管或第四和第五晶体管被安排以将所述第一晶体管和/或第二晶体管和第三晶体管的输入阻抗增加到一个期望的水平，这样就不再需要额外的电阻或不需要电阻来增加所述第一、第二和第三晶体管的输入阻抗了。
在一个特定实施例中，使用一个负载电感来给特别是第四晶体管的集电极加载(load)。当然，如果包括的话，负载电感也可以(或备选的)被提供来给所述第五晶体管的集电极加载。
在本发明的一个实施例中，基极集电极(BC)结电容器和负载电感(如前所述可供选择性提供)形成可调谐串联共振器。特别是，为了进一步通过降低由2×W0与原始信号的分量之间的交互作用产生的三阶互调失真来增加线性度，将输入信号(即输入电压)的频率设为W0，并且前述的可调谐串联共振器适于被调谐，以使在两倍输入频率即2×W0时发生共振，以至于所述输入信号的二次谐波将会在输入端短接至地。
在特定实施例中，晶体管可以是双极型晶体管。特别是，跨导级在SiGe或是GaAs中实施。需要明确的是其他的材料也可以被使用，并且不一定必须是双极型晶体管，FET或者是CMOS等都可以使用。特别的，本装置包含集成电路(IC)。
所以，为了解决先前提出来的问题，本发明将提供一种如前所述的包含跨导级的混频器。此外还会提供一种包含上述任意一个实施例所述的跨导级的放大器。特别是，前述跨导级可用在无线通信系统中的一个或多个元件例如接收器和发射器中，以提供高的线性度。当然，其他实施方式也是可行的。
附图说明
下面，将会以非限制方式参考附图来进一步说明本发明，其中：
图1示出了现有的有源电路，此电路包含了发射极耦合对，并且同时作为单-差动平衡-不平衡变换器和跨导级；
图2示出了一个在图1的基础上增加了发射极负反馈的电阻的ECP跨导级；
图3示出了另一个现有的包含ECP的跨导级，也即所谓的multi-tanh两联体；
图4示出了在微型混频器(Micromixer)中使用的现有的跨导级；
图5示出了根据本发明第一实施例的跨导级；
图6示出了图5所示的跨导级的变型实施例；
图7示出了具有集电极负载电感的本发明的另一实施例。
具体实施方式
图1示出了有源电路的发射极耦合对(ECP)装置1001，其具有两个发射极耦合晶体管Q01与Q02并同时充当平衡-不平衡变换器与跨导级。
图2示出了一个类似的ECP跨导级1002，出于发射极负反馈的目的，其在各自的发射极连接了电阻Re1与Re2，这是一个已知的增加如图1所示的装置的线性度的方法。
图3示出了一个现有的multi-tanh两联体1003。它同时也示出了改善线性度的另一种方法。Q01与Q04的大小和Q02与Q03相差几倍。然而，特别是由于晶体管的跨导随着跨过晶体管基极施加的输入电压的增加而剧烈降低的原因，对许多应用的线性度要求，所有的发射极耦合都不令人满意。
图4示出了根据一个实施例的所谓的微型混频器1004，或者特别是微型混频器中使用的跨导级。在给定输入信号Vin时，输出电流I+与I-振幅相等但是相位相反。如前所述，电阻R01、R02和R03被用来增加输入阻抗。由于Q02、Q03的基极-发射极电压的直流分量(即，VBE)随着输入功率的增加而降低的原因当输入RF功率增加时，线性度将迅速下降。如前所述，当输入功率增加时，通过Q02与Q03的发射极的直流电流增加，直流电压VBE(Q02)+VBE(Q03)＝Vb-IDC(R02+R03)将会降低，此处Vb是Q03基极的偏压。
图5则示出了根据本发明的装置，其中，其它装置中所存在的随着输入功率增加而线性度降低或恶化的问题在本装置中被减小或克服。图5中示出了单端输入-差动输出的跨导级101。
根据本发明的该实施例，两个共集电极晶体管Q44以及Q55被提供或连接到Q2与Q32，3的基极，该Q2与Q3基本上与图4中的Q02、Q03相对应。特别的，晶体管Q44，以及晶体管Q55在改善跨导级线性度时起到重要的作用。实际上，同图4中装置完全不同的是，当输入功率增加或保持不变时，Q22(Vbe)基极发射极电压的直流分量增加而不是减少。因此，跨导级就能够忍受较大的输入信号并且其动态范围可以扩展到较大的范围。
根据本发明，Q44和Q55的尺寸远大于Q22与Q33的尺寸。此处的尺寸指的是物理尺寸，即，发射极的长乘以宽。发射极尺寸的比值，比如说，可以是10∶1。需要明确的是，这仅仅是一个举例，可以小于或大于这个比率，例如可以下至4∶1上至20∶1或更高。这是为了避免输入端的交流(AC)电压大部分被供给Q4 4和Q5 5的基极-发射极端口。需要注意的是，输入端的交流电压在Q22和Q44或者是Q33以及Q55的基极-发射极端口被分配(split)。
有利的是，Q44和Q55偏置在断开状态，使得他们的静态集电极电流非常小，因为这些电流形成Q22与Q33的基极偏置电流。根据本发明，随着输入功率增加Q44和Q55的基极-发射极电压迅速下降。反过来这也将使Q22与Q33的相应的直流电压增加。因此，由于具有了根据本发明的电路结构，跨导级的线性度将会得到改善，特别是在大RF输入功率的情况下。此外，通过增加Q44和Q55，输入阻抗也增加了，这样也就不需要或很少需要如图4的微型混频器那样为了提升输入阻抗而使用电阻R01、R02和R03了。在图5所示的实施例中这些电阻被省去了。
另一实施例(并未图示)只提供了如图5中所示的晶体管Q44，即晶体管Q55并未被包括。除此之外，此形式的其他特征都与图5所示一致。
图6示出了另一实施例，与图5类似，提供了装置102，其中提供了电阻R1、R2、R3与R4，以进一步增加输入阻抗，然而它们其实也可以不必象图4所示的微型混频器中那样使用。当然此形式也适用于上述只提供晶体管Q44的实施例。需要注意的是，所有的或是同样的电阻R1--R4可以使用电感来替代。
图7示出了装置103，其中，电感L1被用作Q4的集电极负载。电感L1与Q4的基极集电极结电容构成了串联共振器，此共振器可以被调谐以使在2×w0的时候产生共振。其中w0表示输入信号的频率。这意味着输入信号的二次谐波将会在输入短接至地(ground)，从而进一步增加线性度。尽管在图7中示出了晶体管Q55，但是需要明确的是，包含晶体管Q5 5的装置是本发明的特别有益的实施例，重要的是包括了晶体管Q4 4。
特别的，在一个非常有益的实施例中晶体管使用双极型晶体管。在另一个可替代的实施例中，将采用MOSFET、其他MOS器件或类似物。最为合适的可以是SiGe HBT和GaAs HBT。
在集成电路(IC)中本装置的实施是非常直观的并且不需要特别的方法与步骤。从集成电路设计的角度看，增加晶体管Q4 4或是两个晶体管Q4 4和Q5 5以及出于给Q4 4和/或Q5 5加载的目的而增加一个或是多个电感，除了可以改进线性度以外，既不会增加电路的复杂度也不会影响电路其他实质的方面，只是装置的噪音指数(figure)有可能会有轻微的上升。
需要清楚的是，尽管包含了晶体管Q1、Q2的电路的部分的形式类似于具有所谓β帮手(helper)Q4的电流镜，但是这部分电路起到的作用却完全不同，并且根据本发明的Q4是有源跨导级的集成部分。输入RF信号适用于Q4。相反的，在电流镜结构中，Q4的相应对应物起到了直流偏置的作用以稳定镜电流，并且它同输入RF信号完全隔离。
应该明确的是，本发明能够在所附的权利要求的保护范围内以多种方式变化。本发明不局限于前面所具体讨论和阐述的实施例，还可以使用不同的材料和不同的尺寸，并且为了提供特定的特性还可以增加例如电感和电阻等额外的负载，虽然这些东西对于本发明的原理而言并不是必须的。

Claims (22)

1、一种电压-电流跨导级装置，其包含单端输入端、发射极耦合晶体管(1，2)对、第三晶体管的发射极以及差动输出端，其中该发射极耦合晶体管对包括第一晶体管(1)和第二晶体管(2)，该第三晶体管的发射极连接到所述第一晶体管(1)的集电极，其特征在于：
所述装置还包括共集电极晶体管，该共集电极晶体管包括第四晶体管(4)，该第四晶体管连接到所述第二晶体管(2)的基极，其中，所述第四(4)的尺寸远大于所述第二和第三晶体管的尺寸。
2、根据权利要求1所述的跨导级装置，其特征在于：
第四晶体管(4)还被连接到第三晶体管(3)的发射极，并且优选的是第一晶体管的集电极。
3、根据权利要求1或2所述的跨导级装置，其特征在于：
第五晶体管(5)连接到所述第三晶体管(3)的基极。
4、根据权利要求1-3中任一项的跨导级装置，其特征在于：
所述第四(4)或第四和第五(5)晶体管的发射极尺寸分别远大于所述第二和第三晶体管(2，3)的发射极尺寸。
5、根据权利要求4的跨导级装置，其特征在于：
所述第四或第四和第五晶体管(4，5)的发射极尺寸分别约为或达到N×第二和/或第三晶体管(2，3)的发射极尺寸，N≈10。
6、根据权利要求4的跨导级装置，其特征在于：
所述第四(4)或第四和第五晶体管(4，5)的发射极尺寸分别大于N×所述第二和/或第三晶体管(2，3)的发射极尺寸，N＞10。
7、根据权利要求1-6中任一项的跨导级装置，其特征在于：
所述第四(4)或第四和第五晶体管(4，5)的集电极电流分别是所述第二和第三晶体管(2，3)的基极偏置电流。
8、根据权利要求7的跨导级装置，其特征在于：
所述第四(4)或第四和第五晶体管(4，5)的集电极电流适于被偏置在各个晶体管的断开状态使得它们非常小。
9、根据权利要求6或7的跨导级装置，其特征在于：
提供第二偏置装置(5)来偏压所述第四(4)和/或第五晶体管(4，5)的集电极电流，使得形成所述第二和第三晶体管的基极偏置电流的所述集电极电流非常小。
10、根据前述任一权利要求的跨导级装置，其特征在于：
当输入功率增加时，所述第四(4)或第四和第五晶体管(4，5)的基极-发射极电压分别适于迅速下降，以至于相应的所述第二和第三晶体管(2，3)的基极-发射极电压的直流电压分量会增加，这样，即使在大的射频输入功率的情况下都可以提供好的线性度。
11、根据前述任一权利要求的跨导级装置，其特征在于：
所述第四(4)或第四和第五晶体管(4，5)用于将所述第一和/或第二和/或第三晶体管(1，2，3)的输入阻抗增加到期望的水平。
12、根据权利要求11的跨导级装置，其特征在于：
电阻(6，7，8)或是电感被提供在或者是被连接到所述第一和/或第二和/或第三晶体管(1，2，3)的发射极以进一步增加所述晶体管的输入阻抗。
13、根据前述任一权利要求的跨导级装置，其特征在于：
负载电感(5)被配置来给第四晶体管(4)的集电极加载。
14、根据权利要求12的跨导级装置，其特征在于：
第四晶体管(4)包含基极-集电极结电容，其中，所述电容和负载电感(4)形成可调谐的串联共振器。
15、根据权利要求14的跨导级装置，其特征在于：
输入信号的频率为W0，并且可调谐的串联共振器适于被调谐使得共振发生在两倍的输入频率，即2W0，以至于输入信号的二次谐波将会在输入端短接至地。
16、根据前述任一权利要求的跨导级装置，其特征在于：
所述晶体管(1，2，3，4，5)是双极晶体管。
17、根据前述任一权利要求的跨导级装置，其特征在于：
其在SiGe或是GaAs中实施。
18、根据前述任一权利要求的跨导级装置，其特征在于：
其包含集成电路(IC)。
19、根据权利要求1-18任一项的跨导级装置，其特征在于：
所述第四晶体管或第四和第五晶体管(4，5)处于断开状态。
20、包含如权利要求1-19中任一项所述的跨导级装置的混频器。
21、包含如权利要求1-19中任一项所述的跨导级装置的放大器。
22、根据权利1-17中任一项所述的跨导级装置在无线通信系统的元件中的应用。
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