CN101626221A - 数字可编程转导放大器及使用该放大器的混合信号电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种数字可编程转导放大器，配合数字可编程电流镜，通过数字信号的控制改变整体的转导值，可应用于数字可编程电流模式集成电路、电压控制震荡器、可适应性频率调整机制，可适应性连续时间模拟滤波器。本发明将所有的电流镜都改造为数字可编程电流镜，且此种电流镜适用于转导放大器的第二级，可将固定增益的转导放大器改造成数字可编程可调增益的转导放大器。

Description

数字可编程转导放大器及使用该放大器的混合信号电路

技术领域

本发明涉及一种转导放大器，尤其是有关于一种数字可编程可调增益的转导放大器及使用该数字可编程可调增益的转导放大器的混信号(mixed signal)电路。

背景技术

传统的方法如图1所示，所使用的可编程电流镜都是改变输出端电流镜其并联的晶体管数目，借以改变晶体管等效宽度而达到改变输出电流大小的目的。然而，若要用于转导放大器的输出级，这样的做法会造成如，增益、频宽、稳定度等问题。因为输出电流大小会直接影响输出阻抗，而输出阻抗是影响增益、频宽重要的变量。

如美国专利号US6466100 B2及6462527 B1中所示，均是利用数字控制信号以控制开关并联晶体管的数目，借此方法实现改变晶体管的等效宽度，并利用一可变电流源用来提供输出级的偏压电流。其缺点为输出级的偏压电流会因控制信号而改变，所以输出阻抗变动很大。

另美国专利号6456158 B1中揭示一种使用电阻的转导放大器，其虽亦为数字可编程，然而众多的电阻容易产生噪声，且相较于本申请，其必须要多一个电流跟随器才能使输出看到的阻抗为高阻抗。

因此，本申请的发明人研究出一种转导放大器，尤其是有关于一种数字可编程转导放大器，来解决传统可编程电流镜的问题，令输出电流固定不动，利用开关的切换，改变参考电流与晶体管的宽度，进而达到可编程电流镜的功能。本发明提出的方法可将所有的电流镜都改造为数字可编程电流镜，且此种电流镜适用于转导放大器的第二级，可将固定增益的转导放大器改造成可调增益的转导放大器，使运用该转导放大器的混合信号电路可依反馈回路达到所需参数为定值的目的。

发明内容

本发明关于一种数字可编程转导放大器，其利用数字可编程的主动电流镜，进而实现高而固定的阻抗同时实现高精确转导的目的。

较佳的，该数字可编程转导放大器至少包括：

一主动电流镜电路，该主动电流镜电路至少包含：一，参考系统及参考系统偏压电流的第一电流源；二，输出端电流镜及输出端偏压电流的第二电流源；三，一多组的开关；四，一第一节点及一第二节点，该二节点分别位于参考系统及参考系统偏压电流的可变电流源的接点及主动电流镜及输出端的固定电流源的接点；其中，参考端的电流源设计为可变电流源，输出端的电流源设计为定值电流源，该可变电流源由该多组的开关所控制；以及

一定值转导放大器，该转导放大器的输出与该第一节点相连接。

其中较佳的，该数字可编程转导放大器的转导值可由下列方程式表示：

$I_{\mathrm{OUT}}=V_{\mathrm{IN}}\×G_m\×\frac{1}{g_{m1}}\×g_{m2}$

$I_{\mathrm{OUT}}=V_{\mathrm{IN}}\×G_m\×\frac{W_2}{W_1}$

以上的方程式有个假设前提，就是其VGS1与VGS2要相等且为一固定值，使输出的直流偏压电流为固定电流，欲实现此目的电流源Ivar要随着211晶体管宽度的变化而变化，这样VGS1才会固定不动，也才会等于VGS2。欲电流源Ivar要能随着晶体管M1宽度的变化而变化，我们需要使用可变电流源，并且需要利用开关去控制晶体管M1的宽度。

本申请是使用可变电流源与晶体管多组开关，控制参考端晶体管的等效宽度，而改变通过参考端晶体管的转导值，进而改变电流镜的电流放大倍率，电流放大倍率的改变，等同于改变整体电路的转导值。如图2所示，电流镜在参考端与输出端各分别有两个电流源，我们将参考端的电流源设计为可变电流源，输出端的电流源设计为定值电流源。电流模式中电流镜的放大倍率取决于输入与输出的电流比值，所以一旦改变其电流比值即是改变放大倍率，进而实现改变整体电路转导的目标。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为现有技术的示意图；

图2为本发明实施例示意图；

图3为本发明的另一实施例示意图；

图4为本发明的另一实施例示意图；

图5为本发明的另一实施例示意图；

图6为本发明的另一实施例示意图；

图7为本发明的另一实施例示意图；

图8为本发明运用于混信号电路的实施例示意图；以及

图9为本发明转导放大器的转导值的实施例示意图。

其中，附图标记

21      节点

22      节点

31      节点

201     转导放大器

211     参考系统

212     主动电流镜

213     可变电流源

214     固定电流源

300     放大器电路

301     转导放大器

311     参考系统

312     主动电流镜

403/404 晶体管

405/406 开关

501/502 晶体管

504/505 晶体管

506     开关

513     可变电流源

601/602/606   开关

M1            晶体管

具体实施方式

为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，将参照附图并配合实施例详细说明如下，但以下附图及实施例仅为辅助说明，本发明并不限于附图及实施例。

图3为本发明的可调式电流镜电路及一转导放大器。

其中，较佳的，如图3，将电压信号(V_IN)灌入转导放大器301可得一输出电流(I_O)，此一输出电流(I_O)为小信号输入电压信号(V_IN)乘上转导值(G_m)，整体放大器电路300只有在输入输出为高阻抗的节点，从节点31所看到的阻抗为(1/g_ml)，主动电流镜312的转导值为(g_m2)，这四者的乘积即为整体的小信号输出电流(I_OUT)，晶体管亦即参考系统311的宽度为W₁，晶体管亦即主动电流镜312的宽度为W₂，由方程式可知整体输出电流与参考系统及主动电流镜的宽度有关。所以我们可以改变晶体管的宽度，进而实现改变小信号输出电流的目的。但是我们又不希望改变直流时的输出电流与阻抗，所以我们采取的作法是改变参考系统的晶体管宽度。

如图4，为可变电流源与晶体管多组开关405/406的具体电路，使用数字控制信号来控制开关405/406的导通或断路，得以实现参考电流源与参考端晶体管403/404其等效宽度可变。其中为了电路整体线性度的考虑，在信号路径上所经过的电路要越少越好，所以我们把晶体管开关405/406置于参考端晶体管403/404的源极端，图4中，上(405)下(406)两组开关多组是相对称动作，同时导通，同时断路。

图5中，令507与VG1的电压相同，可变电流源通过晶体管504提供可变电流给晶体管505，开关506，可同时开启与关闭晶体管501与晶体管502，实现可变电流源513的功能，501/502两组的尺寸，可由504/505的比例决定，若505其尺寸为504的十倍，则501其尺寸也仅为502的十分之一，如此则可节省由可变电流源所消耗的功率。如果令参考端晶体管的宽度变化为binaryweight，那晶体管开关506的数量是取决于在数字可编程电流镜中需要几个位的分辨率，例如需要可变电流镜的分辨率为小于百分之十时，就需要四个晶体管开关，四个控制位分辨率可达百分之六点二五。

因为506的尺寸大小相同，且其动作也是同时开启与关闭晶体管开关，所以我们可将一组晶体管开关分享501与502，这电路分享的观念可带来节省面积的好处，我们共享了晶体管开关606，如图6所示，可同时开启与关闭晶体管601与晶体管602，也就是一个晶体管开关一次控制一对晶体管的导通与截止，于是我们只需要一组开关606，电路的线路上也更加简单。

利用本专利申请所提出的构想，只要使用可变参考电流源与开关多组，就可将所有的电流镜改造为接受数字信号控制的数字可调式电流镜，如图7，原为wide-swing cascode current mirror，使用可变参考电流源与开关多组，即变为digitally programmable wide-swing cascode current mirror。配合固定增益的转导放大器，就改造为数字可编程转导放大器，可应用于自动化频率调整机制，在大多数的自动化调整机制中多采用主从式控制系统，主从式控制系统有个前提的假设，那就是主滤波器与从滤波器必须完全匹配，然后我们可以使用相同的控制信号，以控制主滤波器的中心频率与质量因子。这主从式(master-slave)控制系统中的控制信号可为模拟电压信号，或为数字电压信号，这两种不同的信号，也就决定了不同的反馈调整机制。

由于当控制信号改变时，因为电流镜转换比例由控制信号所决定，所以不同的控制信号会有相对应的电压增益(voltage gain，Gain)、单增益频率(unity-gain frequency，fu)与相位裕度(phase margin，PM)。可发现单增益频率会随着数字控制信号的增加而呈现单调性增加，这样的结果可以满足图8其调整机制的关键行为，此关键行为便是次要转导放大器(slave-OTA)其单增益频率会与所参考的输入信号频率做比较，然后次要转导放大器会因为频率的比较结果可改变其转导值进而改变单增益频率。

本发明使用数字电压控制信号来完成反馈调整机制，使用连续式近似算法(successive-approximation，SA)，由图8可发现，如果控制信号为数字信号的话，SAR储存的数字信号可直接给转导放大器作为调整转导的控制信号，则可以节省数字模拟转换器的成本，在连续近似模拟对数字数据转换器(successiveapproximation resister ADC，SAR ADC)电路的电路中，数字模拟转换器是相当关键的一个电路，如果可以节省此电路的成本，也将使整体设计复杂度大大地降低。

本领域技术人员可以了解该项发明亦可应用于其它模拟电路需要定值的闭回路，在此不再赘述。而其转导值的可程序化详见图9。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (12)

1.一种数字可编程转导放大器，其特征在于，该转导放大器至少包含：

一主动电流镜电路，该主动电流镜电路至少包含：

一参考系统；

一供参考系统偏压电流的第一电流源；

一输出端电流镜；

一供输出端偏压电流的第二电流源；

一多组的开关；

一第一节点及一第二节点，该二节点分别位于参考系统及参考系统偏压电流的第一电流源的接点及输出端电流镜及输出端的第二电流源的接点；

以及

一定值转导放大器，该转导放大器的输出与该第一节点相连接。

2.根据权利要求1所述的数字可编程转导放大器，其特征在于，该参考系统的第一电流源设计为可变电流源。

3.根据权利要求1所述的数字可编程转导放大器，其特征在于，该输出端的第二电流源设计为定值电流源。

4.根据权利要求3所述的数字可编程转导放大器，其特征在于，该可变电流源由该多组的开关所控制。

5.根据权利要求2或3所述的数字可编程转导放大器，其特征在于，该数字可编程转导放大器的转导放大值可被表示为：

该转导放大器的转导放大值乘以该定值电流源与该可变电流源的比值。

6.根据权利要求2所述的数字可编程转导放大器，其特征在于，该可变电流源为晶体管。

7.根据权利要求3所述的数字可编程转导放大器，其特征在于，该定值电流源为晶体管。

8.根据权利要求6或7所述的数字可编程转导放大器，其特征在于，该数字可编程转导放大器的转导放大值可被表示为：

该转导放大器的转导放大值乘以该定值电流源晶体管与可变电流源晶体管的宽度的比值。

9.根据权利要求6所述的数字可编程转导放大器，其特征在于，该可变电流源的晶体管为迭接共源共栅。

10.根据权利要求7所述的数字可编程转导放大器，其特征在于，该定值电流源的晶体管为迭接共源共栅。

11.根据权利要求1所述的数字可编程转导放大器，其特征在于，该数字可编程转导放大器可运用于混信号电路的闭回路中。

12.根据权利要求1所述的数字可编程转导放大器，其特征在于，该混信号电路为滤波器。

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