CN101501986B - 堆叠式缓冲器 - Google Patents

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Abstract

两个或更多个缓冲器可以被配置和布置成使得流过并且偏置第一缓冲器的静态电流也流过并且偏置第二缓冲器。第一和第二缓冲器可以例如是作为驱动开关电容器电路的输入的参考缓冲器来使用的源极跟随器。

Description

堆叠式缓冲器
背景技术
源极跟随器和射极跟随器是众所周知的缓冲器拓扑。在图1A和图1B中分别示出了p型金属氧化物半导体(PMOS)和n型金属氧化物半导体(NMOS)源极跟随器的示例。在各种情况下，电流源102用于为耦合在输入节点108与输出节点110之间的晶体管104、106生成偏置电流。正如本领域中众所周知的，当适当地偏置晶体管104、106时，各晶体管将调节其漏极与源极之间的电流流动以便维持基本上恒定的栅极到源极电压。因此在图1A的示例中，无论连接到输出节点110的负载阻抗的某些变化如何，在输出节点110处的电压VOUT都维持于在输入节点108处的电压VIN以下的基本上恒定的栅极到源极电压降(VGS)。类似地，在图1B的示例中，无论连接到输出节点110的负载阻抗的某些变化如何，在输出节点110处的电压VOUT都维持于在输入节点108处的电压VIN以上的基本上恒定的栅极到源极电压降(VGS)。尽管确实有许多更复杂的缓冲器拓扑结构，但是这些跟随器往往是最简单的并且其中一些也最具功率和噪声效率。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种电路包括：第一和第二缓冲器，被配置和布置成使得流过并且偏置第一缓冲器的静态电流也流过并且偏置第二缓冲器。
根据另一方面，一种方法涉及使流过并且偏置第一缓冲器的静态电流也流过并且偏置第二缓冲器。
根据另一方面，一种电路包括第一和第二缓冲器以及用于确定流过并且偏置第一缓冲器和第二缓冲器二者的静态电流的值的装置。
附图说明
图1A是现有技术NMOS源极跟随器电路的示意图；
图1B现有技术PMOS源极跟随器电路的示意图；
图2是实现本发明某些方面的堆叠式(stacked)缓冲器电路的示例的部分示意的部分框图；
图3是示出了图2中所示电路的一个示例性实施例的示意图；
图4是示出了图2中所示电路的另一示例性实施例的示意图；以及
图5是实现本发明某些方面的堆叠式缓冲器电路的另一示例的框图。
具体实施方式
存在要求多个缓冲器的许多应用。我们已经认识到可以通过在高电源与低电源之间堆叠两个或更多个缓冲器在功率方面获得优势。通过使用相同的静态电流来偏置堆叠中的所有缓冲器而不要求用于各个不同缓冲器的单独的偏置电流，可以显著地减少电路耗费的总功率。
虽然这里提供的示例是互补金属氧化物半导体(CMOS)拓扑结构中的堆叠式源极跟随器，但是应当认识到可以替换地采用使用各种其它拓扑结构的多个不同类型的缓冲器中任何类型的缓冲器并且本发明不限于所描述的特定类型的缓冲器。例如，以下电路或者其某些部分可以附加地或可替换地实施为双极拓扑结构中的射极跟随器。
图2是实现本发明某些方面的堆叠式缓冲器电路的示例的部分示意的部分框图。如图所示，该电路包括在高电源节点202(例如VDD)与低电源节点204(例如GND(接地))之间堆叠的NMOS晶体管M1和PMOS晶体管M2。在这一示例中，在NMOS和PMOS晶体管M1、M2的源极之间连接的是工作用以确定流过两个晶体管M1、M2的静态电流的电流偏置元件206。如下面更具体说明的那样，电流偏置元件206可以采用许多形式中的任何形式并且可以相对于缓冲器设置于许多位置中的任何位置，而本发明不限于将任何特定类型的器件或者电路用于这一目的。重要的在于电流偏置元件能够将流过和流在缓冲器晶体管M1、M2之间的静态电流确定至适合于当前应用的准确度水平。在一些实施例中，电路的负载之一(图2中未示出)甚至可以用作用于缓冲器的电流偏置元件。虽然下面讨论适合的电流偏置元件的几个示例，但是应当认识到本发明不限于使用所描述的特定电流偏置电路和技术。
图2的电路中的相应源极-跟随器缓冲器可以与现有技术很相似地操作上文结合图1A和1B描述的独立的源极跟随器缓冲器。具体而言，晶体管M1可以调节在它的漏极与源极之间的电流流动，从而无论连接到第一输出节点210的负载阻抗的某些变化如何，在第一输出节点210(连接到NMOS晶体管M1的源极)处的电压VOUT1维持于在第一输入节点208(连接到NMOS晶体管M1的栅极)处的电压VIN1以下的基本上恒定的栅极到源极电压降(VGS)。同样地，晶体管M2可以调节在它的漏极与源极之间的电流流动，从而无论连接到第二输出节点214的负载阻抗的某些变化如何，在第二输出节点214(连接到PMOS晶体管M2的源极)处的电压VOUT2维持于在第二输入节点212(连接到PMOS晶体管M2的栅极)处的电压VIN2以上的基本上恒定的栅极到源极电压降(VGS)。
图3是与图2中所示电路相似的堆叠式缓冲器电路的示例实施例的示意图，其中电流偏置元件206包括在NMOS与PMOS晶体管M1、M2的源极之间引入电阻RBIAS的电阻器302。如果在第一和第二输出节点201、214处的电压已知，则可以选择电阻RBIAS以确定在下面的方程(1)中所示的静态电流IBIAS：
I BIAS = ( V OUT 1 - V OUT 2 ) R BIAS - - - ( 1 )
虽然图3的实施例中所采用的基于电阻器的电流偏置技术对于一些应用可能是起作用的，但是它在预期在输出节点210、214处的电压VOUT1、VOUT2在操作过程中要经历显著变化的情况下可能不是最佳选择。这是因为静态电流IBIAS可能随着在输出节点210、214处的电压VOUT1、VOUT2的改变而显著地变化，并且电阻器302也可能引入在两个输出节点210、214之间的串扰路径。
图4是与图2中所示电路相似的堆叠式缓冲器电路的另一示例实施例的示意图，其中电流偏置元件206更复杂和更强壮。如图所示，在这一示例中，电流偏置元件206包括电流源402、一对NMOS晶体管M3、M4和PMOS晶体管M5。NMOS晶体管M3的漏极和源极分别连接到NMOS晶体管M1的源极和PMOS晶体管M2的源极。NMOS晶体管M4连接二极管并且它的栅极/漏极(阳极端子)连接到NMOS晶体管M3的栅极而它的源极(阴极端子)连接到PMOS晶体管M5的源极。正如PMOS晶体管204那样，PMOS晶体管M5的栅极和漏极分别连接到输入节点212和下电源节点204。生成电流IBIAS的电流源402连接于高电源节点202与连接二极管的NMOS晶体管M4的阳极端子之间。
在操作中，NMOS晶体管M3充当用于源极跟随器器件M1、M2的浮动电流源。NMOS晶体管M3、M4形成伪电流镜，从而使晶体管M1、M2、M3中的静态电流基本上等于按照NMOS晶体管M3和M4的大小之比按比例决定的来自电流源402的输入电流IBIAS。PMOS晶体管M5可以相对于PMOS晶体管M2适当地按比例来决定，从而在它们的源极的电压相同。
在一些实施例中，电流偏置元件206可以附加地或可替换地包括配置成具有电压或者电流控制的电阻的一个或多个器件、比如在它的三极管区域中操作的器件。在这样的实施例中，可以基于所期望的操作参数来有选择地调整由这样的元件引入的电阻RBIAS。附加地或可替换地，电流偏置元件206的一个或多个部件可以有选择地被激活即开关，并且可以例如由周期性的开关控制信号来控制。
这里所描述的各种电路的输入节点208、212可以耦合到许多类型的信号源中的任何信号源(未示出)，而本发明不限于与任何特定类型的信号源一起使用。例如在一些实施例中，当电路将被用作参考缓冲器时，输入节点208、212可以耦合到一个或多个直流(DC)信号源。在其它实施例中，输入节点208、212中的一个或多个输入节点可以耦合到产生作为时间的函数而改变的信号的信号源。在一些实施例中，控制电路(图2-4中未示出)可以耦合到一个或多个信号源并且可以被配置和布置成控制这样的信号源以便独立地调整在输入节点208、212上提供的信号。
这里讨论的各种电路的输出节点210、214可以耦合到并且用来驱动许多类型的负载中的任何负载，而本发明不限于与任何特定类型的负载一起使用。在一些实施例中，电路可以例如作为参考缓冲器来操作，而输出节点210、214连接到的负载可以是一个或多个开关电容器电路(未示出)的输入，这些开关电容器电路被配置和布置成使得开关的钟控式操作使电荷从输出节点210、214有选择地转移到相应的电容器或者反之亦然。例如，美国专利号5,323,158、5,479,130和6,040,793中描述了这类开关电容器电路的示例，其全部内容通过引用结合在本申请中。
如上所言，为了实施本发明的某些实施例，不是必须采用上述特定类型的缓冲器和电流偏置元件。尽管在互补缓冲器(例如NMOS和PMOS源极跟随器)之间设置电流偏置元件206是可以堆叠两个或更多个缓冲器以便共用同一偏置电流的一种方式，但是很多其它实施也是可能的。现在将参照图5描述几个可能的替代实施。
如图5中所示，在一些实施例中，电路可以包括两个或更多个缓冲器502、504(可以是任何合适的类型或者配置)，这些缓冲器以流过并且偏置缓冲器之一502的静态电流IBIAS也流过并且偏置另一缓冲器504这样的方式堆叠于高电源节点202(例如VDD)与低电源节点204(例如GND)之间。虽然在所示示例中仅示出了两个缓冲器，但是应当认识到与两个缓冲器502、504一起还可以在高电源节点202与低电源节点204之间堆叠任何数目的附加的缓冲器。
可以用许多方式中的任何方式建立由两个或更多个缓冲器502、504共享的电流IBIAS，而本发明不限于用于这样做的任何特定的电路或者技术。如结合以上示例所讨论的，实现这样的结果的一种方式是在缓冲器之间、例如在图5中的位置506处引入电流偏置元件206。以这样的方式生成偏置电流IBIAS例如在采用两个或更多个互补晶体管作为缓冲器502、504时、比如在以上讨论的图2-4的示例中可能有意义。在其它实施例中，适合的电流偏置元件206可以附加地或替换地设置于例如位置508、510中的任一个或两个位置处。例如，如果缓冲器502、504都为NMOS源极跟随器，则在位置510处设置电流偏置元件206而不在位置506、508处设置任何部件可能有意义。同样地，如果缓冲器502、504都为PMOS源极跟随器，则在位置508设置电流偏置元件206而不在位置506、510设置任何部件可能有意义。
此外，在一些实施例中，适合的电流偏置元件可以设置于位置506、508、510中的多个位置或者可能甚至所有位置。在其它实施例中，电路可以不采用任何电流偏置元件而可以代之以依赖于由缓冲器502、504驱动以建立偏置电流IBIAS的电平的负载516、518中的一个或多个负载。在图5中的位置506、508、510处的省略号因此旨在于图示一个或多个电流偏置元件206、附加的缓冲器、其它电路元件或者可能简单地是所示电路节点之间的直接连接的可能位置。可以根据所采用的缓冲器的特定类型和要使用这种缓冲器的特定环境来选择所采用的电流偏置元件或者其它部件的特定数目、类型和位置。
除了以上讨论的方面之外，图5图示了不同信号源512、514如何可以用来驱动缓冲器502、504中的相应缓冲器以及不同负载516、518如何可以由这些缓冲器502、504驱动。如上所言，例如在一些实施例中，当缓冲器502、504中的一个或多个缓冲器将被用作参考缓冲器时，信号源512、514中的一个或多个信号源可以包括直流(DC)信号源。在其它实施例中，信号源512、514中的一个或多个信号源可以被配置成产生作为时间的函数而改变的信号。也如以上所讨论的，控制电路520可以附加地耦合到信号源512、514中的一个或多个信号源并且可以被配置和布置成控制这样的信号源以便独立地调整向缓冲器502、504的输入提供的信号。
在一些实施例中，缓冲器502、504中的一个或多个缓冲器的输出可以反馈给控制电路520，由此允许控制电路520控制信号源512、514，从而缓冲器502、504中的一个或多个缓冲器更精确地跟踪参考信号。例如，信号源512中的一个或两个信号源可以包括具有差分输入和单端输出的运算放大器(未示出)的输出，而控制电路520可以包括运算放大器本身。通过将缓冲器502、504的输出反馈给这样的运算放大器的反相输入，并且在放大器的非反相输入上提供参考电压，放大器将控制向缓冲器的输入提供的信号，从而在缓冲器的输出处的电压与参考电压完全相同。在存在缓冲器502、502的输入与输出之间的固有电压差的实施例中，例如当缓冲器502、504包括具有特定栅极到源极电压降的源极跟随器时(例如像图2-4的实施例中那样)，这样的实施可以允许缓冲向运算放大器的非反相输入提供的参考电压而不向负载引入这样的电压差。
与以上所讨论的其它示例一样，图5中所示负载516、518可以包括许多器件或者电路中的任何器件或者电路，而本发明不限于与任何特定类型的负载一起使用。在一些实施例中，缓冲器502、504可以例如作为参考缓冲器来操作，而由缓冲器502、504驱动的负载516、518可以包括一个或多个开关电容器电路(未示出)，这些开关电容器电路被配置和布置成使得开关的钟控式操作使电荷从缓冲器502、504的输出有选择地传送到相应的电容器，或者反之亦然。例如，在美国专利号5,323,158、5,479,130和6,040,793中描述了这类开关电容器电路的示例，其全部内容通过引用结合在本申请中。
已经详细描述了本发明的几个实施例，本领域技术人员将容易想到各种修改和改进。这样的修改和改进旨在落入本发明的精神和范围内。因而，前面的描述仅作为示例而并非旨在于限制。本发明仅由下列权利要求及其等同物所限定的来限制。

Claims (19)

1.一种电路，包括：
第一和第二堆叠式缓冲器，每个缓冲器根据电流偏置操作，被配置和布置成使得流过并且在所述第一缓冲器的偏置输入处向所述第一缓冲器提供电流偏置的静态电流也流过并且在所述第二缓冲器的偏置输入处向所述第二缓冲器提供电流偏置，所述第一缓冲器具有耦合到第一信号源的第一输入和耦合到第一负载的第一输出，而所述第二缓冲器具有耦合到第二信号源的第二输入和耦合到与所述第一负载不同的第二负载的第二输出，
其中，包括电流源的电流偏置元件耦合在所述第一缓冲器的偏置输入和所述第二缓冲器的偏置输入之间，以向所述第一缓冲器和所述第二缓冲器提供所述静态电流。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述第一和第二堆叠式缓冲器中的至少一个缓冲器包括源极跟随器。
3.根据权利要求2所述的电路，其中所述第一和第二缓冲器的每一个包括源极跟随器。
4.根据权利要求1所述的电路，其中所述电流源确定所述静态电流的值。
5.根据权利要求4所述的电路，其中所述电流偏置元件包括跨导元件，该跨导元件被配置和布置成使得所述静态电流流过该跨导元件。
6.根据权利要求5所述的电路，其中所述跨导元件包括电流调节晶体管，该电流调节晶体管被布置成使得所述静态电流在它的电流电极之间流动。
7.根据权利要求6所述的电路，其中所述电流偏置元件还包括二极管器件，其中所述电流源耦合于所述二极管器件的阳极与所述电流调节晶体管的控制电极之间以向其提供电流。
8.根据权利要求7所述的电路，还包括：第三缓冲器，具有耦合到所述二极管器件的阴极的输出和耦合到所述第二缓冲器的输入的输入。
9.根据权利要求1所述的电路，其中所述第一和第二负载包括向至少一个开关电容器电路的输入，所述开关电容器电路被配置和布置成使得开关的钟控式操作使相应的电容器有选择地连接到所述第一和第二缓冲器的所述第一和第二输出。
10.根据权利要求1所述的电路，还包括配置和布置成独立地调整所述第一和第二信号源的输出的控制电路。
11.根据权利要求1所述的电路，其中所述第一和第二信号源被配置成向所述第一和第二输入提供直流信号。
12.根据权利要求1所述的电路，其中所述第一和第二信号源被配置成向所述第一和第二输入提供作为时间的函数而改变的信号。
13.一种方法，包括以下步骤：
(a)使流过并且在第一缓冲器的偏置输入处向所述第一缓冲器提供电流偏置的静态电流也流过并且在第二缓冲器的偏置输入处向所述第二缓冲器提供电流偏置，所述第一缓冲器和所述第二缓冲器中的每一个根据电流偏置操作；
(b)在所述第一和第二缓冲器的输入处接收相应的输入信号；以及
(c)向相应的负载提供来自所述第一和第二缓冲器的输出的缓冲的输出信号，
其中，包括电流源的电流偏置元件耦合在所述第一缓冲器的偏置输入和所述第二缓冲器的偏置输入之间，以向所述第一缓冲器和所述第二缓冲器提供所述静态电流。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一和第二缓冲器中的至少一个缓冲器包括源极跟随器。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一和第二缓冲器的每一个包括源极跟随器。
16.根据权利要求13-15中任意一项权利要求所述的方法，其中所述步骤(a)包括利用耦合到所述第一和第二缓冲器中至少一个缓冲器的电流调节晶体管来调节所述静态电流，使得所述静态电流在它的电流电极之间流动。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述步骤(a)还包括以下步骤：使所述电流调节晶体管调节所述静态电流，从而所述静态电流基本上镜像由电流源生成的电流。
18.根据权利要求13所述的方法，还包括以下步骤：向至少一个开关电容器电路的输入提供来自所述第一和第二缓冲器的所述输出的所述缓冲的输出信号，所述开关电容器电路被配置和布置成使得开关的钟控式操作使相应的电容器有选择地连接到所述第一和第二缓冲器的所述输出。
19.一种电路，包括：
第一缓冲器，具有耦合到第一信号源的第一输入、耦合到第一负载的第一输出和用于接收第一电流偏置的偏置输入，所述第一缓冲器根据所述第一电流偏置操作；
第二缓冲器，具有耦合到第二信号源的第二输入、耦合到与所述第一负载不同的第二负载的第二输出和用于接收第二电流偏置的偏置输入，所述第二缓冲器根据所述第二电流偏置操作；以及
用于确定流过并且在所述第一缓冲器和所述第二缓冲器各自的偏置输入处向所述第一缓冲器和所述第二缓冲器二者提供电流偏置的静态电流的值的装置，
其中，所述用于确定静态电流的值的装置包括耦合在所述第一缓冲器的偏置输入和所述第二缓冲器的偏置输入之间以向所述第一缓冲器和所述第二缓冲器提供所述静态电流的电流源。
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