CN101615894B - 可调线性运算跨导放大器 - Google Patents

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Abstract

可调线性运算跨导放大器包括差分电压-电流转换单元，适于响应第一和第二差分输入信号而在相应第一和第二输出节点产生第一和第二输出信号。第一电流放大单元适于响应所述第一输出信号和第一和第二控制信号而产生第三输出信号。第二电流放大单元适于响应所述第二输出信号和所述第一和第二控制信号而产生第四输出信号。

Description

可调线性运算跨导放大器
技术领域
本发明涉及一种运算跨导放大器(OTA)，尤其是涉及可调线性OTA。
背景技术
OTA响应差分输入电压产生输出电流。在图1中示出传统的OTA100。OTA 100包括电压-电流转换器(voltage to current converter)104，电压-电流转换器104包含运算放大器(OpAmp)108和112、CMOS晶体管116和120和耦合电阻124。运算放大器108包括非反相端109，电压Vin+施加到非反相端109。运算放大器108包括输出端110，晶体管116的栅极端(gate terminal)117耦合到输出端110。运算放大器108的反相端111耦合到晶体管116的源极端(source terminal)118。
运算放大器112包括非反相端113，电压Vin-施加到非反相端113。运算放大器112包括输出端114，晶体管120的栅极端121耦合到输出端114。运算放大器112的反相端115耦合到晶体管120的源极端122。
响应于差值测量(Vin+-Vin-)，其中Vin+和Vin-施加到相应运算放大器108和112的非反相端109和113，电压-电流转换器104产生电流Ii+和Ii-。第一电流镜128包括CMOS晶体管136和140。晶体管136包括栅极端137，晶体管140的栅极端141耦合到栅极端137。晶体管140包括漏极端(drain terminal)142，栅极端141耦合到漏极端142。晶体管137包括耦合到第一输出端的漏极端138。晶体管136包括源极端130，晶体管140的源极端143耦合到源极端130。电流镜128放大电流Ii+以产生电流Io+。
第二电流镜132包括CMOS晶体管144和148。晶体管144包括栅极端145，晶体管148的栅极端149耦合到栅极端145。晶体管144包括漏极端146，栅极端144耦合到漏极端146。晶体管148包括耦合到第二输出端的漏极端150。晶体管144包括源极端147，晶体管148的源极端151耦合到源极端147。电流镜132放大电流Ii-以产生电流Io-。
OTA 100的跨导(transconductance)Gm用下面的方程式表示：
Gm＝1/Rg，其中Rg是电阻124的值(1)
应该清楚的是，因为Gm只由Rg确定，OTA 100的跨导Gm是线性的。然而，由于Rg是恒定的，跨导Gm不易于调整。
另一传统的OTA 200在图2中示出。OTA 200在所有方面都与OTA 100(图1所示)相似，除了耦合电阻124被耦合晶体管204和208替代。相应晶体管204和208的源极端225和226耦合到晶体管116的源极端118。晶体管204和208相应漏极端227和228耦合到晶体管112的源极端122。电压VT施加到相应晶体管204和208的栅极端212和216。
OTA 200的跨导Gm由耦合晶体管204和208的导通电阻(on-resistance)值确定。由于耦合晶体管204和208的导通电阻可以由施加到晶体管204和208的相应栅极端212和216的电压VT调整，跨导Gm可以被调整(即，Gm是可调的)。然而，耦合晶体管204和208的导通电阻还依赖于VT非线性地改变，由此Gm中引入了非线性并降低了Gm的精确度。
发明内容
可调线性运算跨导放大器包括差分电压-电流转换单元，差分电压-电流转换单元适于响应第一和第二差分输入信号，而在相应第一和第二输出节点产生第一和第二输出信号。第一电流放大单元适于响应第一输出信号和第一和第二控制信号产生第三输出信号。第二电流放大单元适于响应第二输出信号和第一和第二控制信号产生第四输出信号。
差分电压-电流转换单元包括第一和第二运算放大器，每个都具有相应非反相(non-inverting)输入端，相应第一和第二差分输入信号中的一个施加到相应非反相输入端。第一晶体管耦合到第一运算放大器并适于在第一输出节点产生第一输出信号。第二晶体管耦合到第二运算放大器并适于在第二输出节点产生第二输出信号。电阻被连接在第一和第二输出节点之间。
第一电流放大单元包括第三和第四运算放大器，每个都具有相应非反相输入端，相应第三和第四差分输入信号中的一个施加到相应非反相输入端。第一电流放大单元还包括第三和第四晶体管，每个都具有相应栅极端，耦合到相应第三和第四运算放大器的输出端。第一电流放大单元还包括第一电流镜电路(current mirror circuit)，耦合在第三和第四晶体管之间。
第二电流放大单元包括第五和第六运算放大器，每个都具有相应非反相输入端，相应第三和第四差分输入信号施加到相应非反相输入端。第二电流放大单元包括第七和第八晶体管，每个都具有相应栅极端，耦合到相应第五和第六运算放大器的输出端。第二电流放大单元还包括第二电流镜电路，耦合在第七和第八晶体管之间。
附图说明
为了更深入理解本发明的这些特征、示例实施例和可能的优点，结合附图将详述本发明，及其中：
图1和图2显示了传统的OTA；及
图3显示了根据一个示例实施例的可调线性OTA。
具体实施方式
图3显示了根据一个示范实施例的可调线性OTA 300。OTA 300包括电压-电流转换器304，电压-电流转换器304具有运算放大器310和334、CMOS晶体管320和344及耦合电阻330。
晶体管320和344每个都在相应漏极端324和348接收电流Ibias。运算放大器310包括非反相输入端312，差分输入电压Vin+施加到非反相输入端312。晶体管320包括栅极端322，运算放大器310的输出端314耦合到栅极端322。运算放大器310包括反相端316，晶体管320的源极端326耦合到反相端316。
类似地，差分输入电压Vin-施加到运算放大器334的非反相输入端336。运算放大器334包括输出端338，晶体管344的栅极端346耦合到输出端338。运算放大器334包括反相端340，晶体管344的源极端348耦合到反相端340。电阻330耦合在相应晶体管320和344的源极端326和348之间。响应于差值测量(Vin+-Vin-)，其中Vin+和Vin-施加到运算放大器310和334相应非反相输入端312和336，电压-电流转换器304产生了电流Ii+和Ii-。
电流放大器350(用虚线表示)放大电流Ii+以产生电流Io+。电流放大器350包括运算放大器352和354，及CMOS晶体管356、358、360和362。所述晶体管358和362配置成为电流镜，而运算放大器352和354分别控制晶体管356和360。
运算放大器352包括非反相端364，第一控制电压VY施加到非反相端364。运算放大器352包括输出端366，晶体管356的栅极端370耦合到输出端366。运算放大器352包括反相端368，晶体管356的源极端374和晶体管358的漏极端359耦合到反相端368。
运算放大器354包括非反相端376，第二控制电压VX施加到非反相端376。运算放大器354的输出端380耦合到晶体管360的栅极端382。运算放大器354包括反相端378，晶体管360的源极端384和晶体管362的漏极端363耦合到反相端378。
相应晶体管362和358的栅极端386和388耦合在一起，因而形成电流镜。电压电平移位器(voltage level shifter)390连接在晶体管320的源极端324与栅极端388和386之间。电压电平移位器390向工作在三极管(triode)或线性区域的晶体管358和362施加栅极电压，。
另一电流放大器3014(用虚线表示)包括运算放大器392和394，及CMOS晶体管396、398、3010和3012。晶体管3010和3012配置为电流镜，运算放大器392和394控制相应晶体管396和398。电压电平移位器3016向相应晶体管3010和3012的栅极端3018和3020提供栅极电压，电流放大器3014的配置类似于电流放大器350的配置。
运算放大器394包括非反相端3022，第二控制电压VX施加到非反相端3022，运算放大器392包括非反相端3024，第一控制电压VY施加到非反相端3024。正如所理解的，响应于差值测量(VX-VY)，电流放大器350和3014分别放大Ii+和Ii-以产生Io+和Io-。因而，电压差(VX-VY)用于调整或调节OTA 300的输出。
由于电压-电流转换器304中存在电阻330，OTA 300表现出线性响应。此外，响应于电压差(VX-VY)，运算放大器352和354调节(modulate)电流放大器350的增益，并且运算放大器392和394调节电流放大器3014的增益，因而允许OTA 300的增益易于调节。
电流增益Ai可以用下面的等式表示：
Ai＝Io+/Ii+＝Io-/Ii-＝VX/VY    (2)
OTA 300的跨导Gm可以用下面的方程式表示：
Gm＝2*(VX/VY)(1/Rg)＝K*(VX/VY)；其中K是常数(3)
从方程式(3)应该清楚，OTA 300跨导的Gm能够通过改变控制电压VX和VY来调节。此外，由于K是常数，Gm是线性的。
在一个实施示例中，Rg＝16KOhm和Ibias＝200uA。基于一个实施示例，计算出的Gm的调节范围和总谐波失真作为控制电压VX和VY的函数列在下面的表1中。
表1
  VY   VX   Gm(S)   THD(％)
  100m   10m   21.09u   18.77m
  100m   20m   31.57u   19.53m
  100m   30m   42.47u   20.04m
  100m   40m   53.72u   20.47m
  100m   50m   65.24u   21.00m
  100m   60m   76.94u   21.60m
  100m   70m   88.76u   22.29m
  100m   80m   100.6u   23.04m
  100m   90m   112.6u   24.00m
  100m   100m   124.5u   25.09m
  100m   110m   136.4u   26.40m
  100m   120m   148.4u   27.95m
  100m   130m   160.3u   29.80m
  100m   140m   172.1u   31.96m
  100m   150m   183.9u   34.55m
  100m   160m   195.7u   37.73m
  100m   170m   207.3u   41.72m
  100m   180m   218.9u   46.74m
  100m   190m   2304u   52.88m
从表1应该清楚OTA 300的跨导Gm是高度线性的。当VX从70mV变动到140mV时，d(Gm)/d(VX)变化不到1％。
还应该理解的是，附图/图形中描绘的一个或多个元件还能够以更加分离的或集成的方式实施，甚至能够在特定情况下被移除或者不工作，这根据特定应用是有用的。
正如在描述中和以下整个权利要求书中使用的，除非上下文另外明确规定，“一个”、“所述”和“该”包括复数引用。此外，正如在描述中和以下整个权利要求书中使用的，除非上下文另外明确规定，“在...中”的意思包括“在...中”和“在...上”。
对本发明描述实施例的前述说明，包括摘要中介绍的内容的说明，目的不是穷尽或将本发明限于在此公开的特定形式。因为在此描述的本发明的具体实施例和示例仅出于说明的目的，正如相关领域技术人员认识到且可理解的，在本发明的精神和范围内，各种等效的变型都是可能的。如所述，根据对本发明说明实施例的前述描述，可以对本发明进行这些变型且这些变型包括在本发明的精神和范围内。
因此，因为已经参照具体实施例介绍了本发明，变型、各种改变和替换的范围只是旨在于前述公开，且应该清楚的是，虽然在一些例子中采用本发明实施例的一些特征而没有相应地使用其它特征，却不背离所阐明的本发明的范围和精神。因此，参照本发明的实质范围和精神，可以进行许多变型来适应特定的情况或材料。意图在于使本发明不局限于下面的权利要求书使用的特定术语和/或局限于作为实现本发明预期的最佳模式公开的特定实施例，而是本发明将包括任何及所有落在所附权利要求书范围内的实施例和等效例。因此，本发明范围仅由所附权利要求书确定。

Claims (1)

1.一种可调线性运算跨导放大器，包括：
差分电压-电流转换单元，适于响应第一和第二差分输入信号而在相应第一和第二节点处产生第一和第二电流信号，其中所述差分电压-电流转换单元包括第一和第二运算放大器，所述第一和第二运算放大器各具有适于分别地接收第一和第二差分输入信号的非反向输入端，且所述第一和第二运算放大器各具有分别地耦合到所述第一和第二节点的反向输入端；
电阻器，耦合在所述第一和第二节点之间；
第一电流放大单元，适于响应所述第一电流信号和第一和第二控制信号而产生第一输出信号；及
第二电流放大单元，适于响应所述第二电流信号和所述第一和第二控制信号而产生第二输出信号。
2. 根据权利要求1所述的运算跨导放大器，其中所述差分电压-电流转换单元还包括：
第一晶体管，耦合到所述第一运算放大器的输出并适于在所述第一节点处产生所述第一电流信号；及
第二晶体管，耦合到所述第二运算放大器的输出并适于在所述第二节点处产生所述第二电流信号。
3. 根据权利要求1所述的运算跨导放大器，其中所述第一电流放大单元包括：
第三和第四运算放大器，各具有相应非反向输入端，适于接收所述相应第一和第二控制信号；
第三和第四晶体管，各具有相应栅极端，所述相应栅极端耦合到所述相应第三和第四运算放大器的输出端；及
电流镜电路，耦合在所述第三和第四晶体管之间。
4. 根据权利要求3所述的运算跨导放大器，其中所述电流镜电路包括第五和第六晶体管，各具有相应漏极端，所述相应漏极端耦合到所述第三和第四晶体管的相应源极端。
5. 根据权利要求4所述的运算跨导放大器，其中所述第五晶体管的栅极端耦合到所述第六晶体管的栅极端。
6. 根据权利要求4所述的运算跨导放大器，其中所述第三和第四运算放大器各具有相应反相端，所述相应反相端耦合到所述相应第五和第六晶体管的漏极端。
7. 根据权利要求4所述的运算跨导放大器，还包括第一电压电平移位器，所述第一电压电平移位器耦合到所述第五和第六晶体管的栅极端且适于施加栅极电压。
8. 根据权利要求1所述的运算跨导放大器，其中所述第二电流放大单元包括：
第五和第六运算放大器，各具有相应非反相输入端，适于接收所述相应第一和第二控制信号；
第七和第八晶体管，各具有相应栅极端，所述相应栅极端耦合到所述相应第五和第六运算放大器的输出端；及
电流镜电路，耦合在所述第七和第八晶体管之间。
9. 根据权利要求8所述的运算跨导放大器，其中所述电流镜电路包括第九和第十晶体管，各具有相应漏极端，所述相应漏极端耦合到所述相应第七和第八晶体管的源极端。
10. 根据权利要求9所述的运算跨导放大器，其中所述第九晶体管的栅极端耦合到所述第十晶体管的栅极端。
11. 根据权利要求9所述的运算跨导放大器，其中所述第五和第六运算放大器各具有相应反相端，所述相应反相端耦合到所述相应第九和第十晶体管的漏极端。
12. 根据权利要求9所述的运算跨导放大器，还包括第二电压电平移位器，所述第二电压电平移位器耦合到所述第九和第十晶体管的所述栅极端并适于施加栅极电压。
13. 根据权利要求1所述的运算跨导放大器，其中所述放大器的跨导由所述第一和第二控制信号的电压电平来控制。
14. 一种可调运算跨导放大器，包括：
差分电压-电流转换单元，适于响应第一和第二差分输入信号而在相应第一和第二输出节点处产生第一和第二输出信号，其中所述差分电压-电流转换单元包括第一和第二运算放大器，所述第一和第二运算放大器各具有适于分别地接收第一和第二差分输入信号的非反向输入端，且所述第一和第二运算放大器各具有分别地耦合到所述第一和第二节点的反向输入端；
第一电流放大单元，适于响应第一输出信号和第一和第二控制信号而产生第三输出信号；及
第二电流放大单元，适于响应第二输出信号和第一和第二控制信号而产生第四输出信号；
其中所述放大器的跨导用下面等式表示：Gm = K*(VX/VY)，
其中Gm是所述跨导，K是常数，且VX与VY分别是所述第一和第二控制信号。
15. 根据权利要求1所述的运算跨导放大器，其中所述放大器实现为半导体集成电路。
16. 一种可调运算跨导放大器，包括：
第一运算放大器，具有非反向输入端，适于接收第一差分输入信号；
第二运算放大器，具有非反向输入端，适于接收第二差分输入信号；
第一晶体管，耦合到所述第一运算放大器并适于在第一输出节点处产生第一输出信号；
第二晶体管，耦合到所述第二运算放大器并适于在第二输出节点处产生第二输出信号；
电阻，耦合在所述第一和第二输出节点之间；
第一电流放大器，适于响应所述第一输出信号与第一和第二控制信号而产生第三输出信号；及
第二电流放大器，适于响应所述第二输出信号与所述第一和第二控制信号而产生第四输出信号。
17. 根据权利要求16所述的运算跨导放大器，其中所述放大器的跨导由下面的等式表示：
Gm = K*(VX/VY)，其中Gm是所述跨导，K是常数，及VX和VY分别是所述第一和第二控制信号的电压。
18. 根据权利要求16所述的运算跨导放大器，其中所述第一电流放大器包括：
第三和第四运算放大器，各具有相应非反向输入端，适于接收所述相应第一和第二控制信号；
第三和第四晶体管，各具有相应栅极端，所述相应栅极端耦合到所述相应第三和第四运算放大器的输出端；及
第一电流镜电路，耦合在所述第三和第四晶体管之间。
19. 根据权利要求16所述的运算跨导放大器，所述第二电流放大器包括：
第五和第六运算放大器，各具有相应非反向输入端，适于接收所述相应第一和第二控制信号；
第五和第六晶体管，各具有相应栅极端，所述相应栅极端耦合到相应所述第五和第六运算放大器的输出端；及
第二电流镜电路，耦合在所述第五和第六晶体管之间。
20. 一种可调运算跨导放大器，包括：
电压-电流转换器，适于接收差分输入电压并响应于此而在第一和第二节点处输出第一和第二电流；
电阻器，耦合在所述第一和第二节点之间；
第一电路，适合于在所述第一节点处接收所述第一电流并响应于第一和第二控制电压而输出放大的第三电流，所述第一电路包括第一电流镜电路，该第一电流镜电路具有第一引脚和镜像到第一引脚的第二引脚，该第一引脚包括接收所述第一控制电压的电压-电流转换器，该第二引脚包括接收所述第二控制电压的电压-电流转换器；及
第二电路，适合于在所述第二节点处接收所述第二电流并响应于所述第一和第二控制电压而输出放大的第四电流，所述第二电路包括第二电流镜电路，该第二电流镜电路具有第一引脚和镜像到第一引脚的第二引脚，该第一引脚包括接收所述第一控制电压的电压-电流转换器，该第二引脚包括接收所述第二控制电压的电压-电流转换器。
21. 一种可调运算跨导放大器，包括：
电压-电流转换器，适于接收差分输入电压并响应于此而输出第一和第二电流，其中所述电压-电流转换器包括第一和第二运算放大器，所述第一和第二运算放大器各具有适于分别地接收第一和第二差分输入信号的非反向输入端，且所述第一和第二运算放大器各具有分别地耦合到所述第一和第二节点的反向输入端；
第一电路，适于接收所述第一电流并响应于第一和第二控制电压而输出放大的第三电流；及
第二电路，适于接收所述第二电流并响应于所述第一和第二控制电压而输出放大的第四电流；
其中所述第三电流与所述第一电流的比率，及所述第四电流与所述第二电流的比率，是由所述第一电压与所述第二电压的比率确定的。
22. 一种可调运算跨导放大器，包括：
电压-电流转换器，适于接收差分输入电压并响应于此而输出第一和第二电流，其中所述电压-电流转换器包括第一和第二运算放大器，所述第一和第二运算放大器各具有适于分别地接收第一和第二差分输入信号的非反向输入端，且所述第一和第二运算放大器各具有分别地耦合到所述第一和第二节点的反向输入端；
第一电路，适于接收所述第一电流并响应于第一和第二控制电压而输出放大的第三电流；及
第二电路，适于接收所述第二电流并响应于第一和第二控制电压而输出放大的第四电流；
其中所述电压-电流转换器包括跨导电阻，并且其中所述放大器的跨导由K*(VX/VY)限定，其中K是常数，及VX和VY分别是第一和第二控制电压。
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