CN101877537B - 宽带电压转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带电压转换器。在本发明的各实施例中，通过在两个并行级中分别处理输入信号的高频和低频分量，而不使用大的无源元件或低速器件，解决了常规电压转换器中差的低频响应、低速、高成本以及高功率消耗的问题。在输出端，被处理过的高频和低频分量在组合级中被无缝地合并，该组合级保持频率响应在整个转换器带宽上的完整性。

Description

宽带电压转换器
相关申请
本申请要求按照35U.S.C.§119于2009年5月1日提交的申请序列号为61/174,689的美国临时专利申请的优先权，其全部内容在此引入作为参考。
技术领域
本发明通常涉及用在集成电路(IC)中的电压转换器，更具体地，涉及在高速IC中使用的宽带电压转换器。
背景技术
在高速IC中，通常需要将信号从一个电压域驱动到另一个(更高或更低的)电压域，即转换信号电压。例如，在高速IC中，需要在“I/O”电压域和“核心”电压域之间转换电压信号，或者在“干净(clean)”的模拟电压域和“脏(dirty)”的数字电压域之间转换。这些要被转换的信号可以是单端信号或差分信号。在单端信号的情况下，电压转换有效地改变了所关心的信号的参考电压，在差分信号中，电压转换改变了信号的共模电压。
现有技术中存在电压转换电路的各种实现方式；下面讨论三种传统的实现方式。第一种实现方式通过使用与大电阻相连的大串联交流耦合电容器将信号电压从输入电压域转换到输出电压域。实际上，这些电容器阻断直流(DC)分量并使信号的交流(AC)分量通过，并且产生在输出电压域内的输出信号。这种实现方式需要很大的电阻和电容以使低频分量通过，在频率响应中没有不希望的“减弱”。然而，大电阻或大电容的使用会导致大的电路面积和高的成本，这些都是不希望的。另外，交流耦合电容的寄生电容将会对电路的高频性能产生负面的影响。
第二种实现方式使用射极跟随器或者源极跟随器以在输入和输出区间之间转变电压，因此不需要像在第一种实现方式中那样使用大的无源元件，具有对速度的最小折衷。然而，这种实现方式不容易允许信号电压电平的任意转变，尤其是对于差分信号来说，这种实现方式会产生不希望的特性，即输出共模电压正比于输入共模电压。
第三种实现方式使用跨导放大器以将输入电压信号转换成电流信号，该电流信号跨越电压域边界传递。在这种实现方式的输出侧，可以使用阻性负载或其它跨导级来将该电流信号转换回电压信号。这种方法也不需要大的无源元件，但是通常比上述讨论的两种方法的速度更慢，因为这种方法通常在信号通路中需要较低速的高压设备或者p型设备。
发明内容
在本发明的实施例中，通过在两个并行级中分别处理输入信号的高频和低频分量，而不使用大的无源元件或者低速设备，解决了电压转换器中差的低频响应、低速、高成本以及高功率消耗的问题。在输出端，被处理过的高频和低频分量在一个组合级被无缝地合并，该组合级在整个转换器带宽上保持频率响应的完整性。在各种实施例中，与本发明有关的电压转换器和方法可用于在宽频率范围内工作的RF通信系统中的可编程增益放大器(PGA)中。
因此，一方面，本发明涉及用于将在输入电压域内的输入信号转换成在输出电压域内的输出信号的电压电平转换器。该转换器包括低频级，高频级，以及组合级。该低频级接收并处理该输入信号以产生低频范围中的第一经处理的信号，其中该第一经处理的信号位于输出电压域内。该高频级接收并处理该输入信号以产生在高频范围内的第二经处理的信号，其中该第二经处理的信号确定该转换器的带宽。该组合级组合第一和第二经处理的信号以产生在输出电压域内的输出信号。
在各种实施例中，输入和输出信号中的至少一个是单端信号或差分信号。
在各种实施例中，转换器使用CMOS或者BiCMOS技术来实现。
在各种实施例中，低频级包括DC耦合放大器。在一个实施例中，DC耦合放大器包括跨导放大器，用于将输入电压信号转换成电流信号。DC耦合放大器还进一步包括转换级，用于接收和将电流信号转换为第一经处理的信号。在一个实施例中，该DC耦合放大器进一步包括共源共栅极，其可操作地连接在跨导放大器和转换级之间，用于在它们之间传输电流信号。
在各种实施例中，高频级包括AC耦合放大器。在一个实施例中，该AC耦合放大器包括用于放大输入信号的源极跟随器或射极跟随放大器，以产生第二经处理的信号。在另一实施例中，该AC耦合放大器进一步包括增益增强模块。
在一个实施例中，组合级包括RC、LC或RLC滤波器。
在一个实施例中，低频和高频级使用相同的晶体管来实现。
另一方面，本发明涉及一种将输入电压域内的输入信号转换成输出电压域内的输出信号的方法。该方法包括在低频级和高频级上接收输入信号。在一个实施例中，在低频级上，对输入信号进行处理，以产生低频范围内的第一经处理的信号，其中该第一经处理的信号位于输出电压域内。在高频级上，对输入信号进行处理，以产生高频范围内的第二经处理的信号，其中该第二经处理的信号确定转换器的带宽。该方法进一步包括在组合级结合第一和第二经处理的信号，以产生输出信号。
在各种实施例中，在电压电平转换电路中使用该方法，该电路使用CMOS或者BiCMOS技术来实现。
在各种实施例中，在低频级处理输入信号包括将输入电压信号转换成电流信号。在一个实施例中，在低频级的处理进一步包括将该电流信号转换成第一经处理的信号。
在各种实施例中，在高频级处理输入信号包括放大该输入信号的高频分量，以产生第二经处理的信号。
本发明前述和其它特征以及优势将会通过接下来的描述、附图和权利要求而变得更加明显。
附图说明
在附图中，不同附图中相似的附图标记通常指代相同的部件。而且，附图不必按比例绘制，相反通常重点在于示出本发明的原理。在下面的描述中，将参考以下的附图来对本发明的各种实施例进行描述，其中：
图1描绘了根据本发明示例性实施例的电压转换器的框图；
图2描绘了图1中描绘的电压转换器的CMOS实现方式；
图3描绘了根据本发明另一示例性实施例的电压转换器的框图。
图4描绘了图2中描绘的电压转换器的CMOS实现方式；
图5描绘了图1中描绘的电压转换器的合并的BiCMOS实现方式；以及
图6a描绘了图5中描绘的BiCMOS实现方式的频率响应幅值；
图6b描绘了图5中描绘的BiCMOS实现方式的频率响应相位。
具体实施方式
通常，在各种实施例中本发明涉及用于将信号从一个电压域转换到另一电压域的电压电平转换器和方法。为了提供对本发明的彻底理解，描述了某些示例性实施例，包括在RF(射频)通信系统中的用于如在从10MHZ到大约5000MHZ的射频(RF)范围内转换信号的电压电平转换器和方法。
图1示出了根据本发明示例性实施例的电压转换器100的框图。该示出的转换器将信号电压从输入电压域Vin转换到输出电压域Vout。该转换器100包括低频处理级102和高频处理级104，它们都接收相同的输入信号106。输入信号106可以是单端信号或差分信号。如果输入信号是单端信号，输入电压域Vin由输入信号106的参考值表示。当输入信号106是差分信号时，Vin由输入信号106的共模电压表示，并且在这种情况下，正如本领域技术人员所熟知的，输入信号106将会包括两个180度相移的信号，如106p、106n。
低频处理级102可以被配置为处理输入信号106以产生低频范围内的信号108。在一个实施例中，信号108的参考电压或者共模电压不去确定转换器的总带宽，但是与转换器100的输出信号的电压域直接相关。因此，信号108可以具有在希望的输出电压域Vout内的参考电压值(对于单端信号)或者共模电压值(对于差分信号)。
高频处理级104可以被配置为处理输入信号106以产生高频范围内的信号110。在一个实施例中，信号110的参考电压或者共模电压对转换器100输出信号的电压域没有贡献或者说与其不相关，但是确定转换器100的总带宽。通常地，可以选择级102、104的实现方式，使得转换器100对于低频范围和高频范围在速度、击穿电压、功率消耗和尺寸上具有良好的特性。例如，在一个实施例中，级104可以不使用无源元件或者任意低速或P型设备而实现。
在一个实施例中，低频经处理的信号108和高频经处理的信号110在组合级112处组合。该组合级112组合信号108、110以产生输出信号114，该输出信号114共同地具有信号108、110的属性。换句话说，输出信号114具有在希望的输出电压域Vout内的参考电压或者共模电压，并且还具有覆盖转换器100整个带宽的频率范围。在一个实施例中，为组合级112中的组件所选择的值确定频率(在转换器带宽范围内)，在该频率处，低频经处理的信号108和高频经处理的信号110被合并在一起，并且同时仍然能维持转换器100的整个频率响应的完整性。
图2示出了图1中的转换器100实施例的CMOS实现方式，相应地，在图1和图2中所示的组件使用了相同的标记。这种实现方式被示出，并将针对差分信号来进行讨论。
在该实施例中，低频处理级102包括跨导放大器和两个“折叠”的共源共栅放大器。在一个实施例中，跨导放大器包括n型场效应晶体管(FET)T1和T2，它们两个的栅极接收输入信号106p、106n。输入信号106p、106n具有180度的相位差，并且共同组成了图1的差分输入信号106(其在输入电压域Vin范围内)。晶体管T1的源极被连接到接地的电流源I1。类似的，晶体管T2的源极被连接到接地的电流源I2。电阻R1被连接到电流源I1、I2的顶端。在节点202处，晶体管T1的漏极被连接到电流源I3的一端，电流源I3的另一端被连接到电压源Vdd。类似的，在节点204处，晶体管T2的漏极被连接到电流源I4的一端，电流源I4的另一端也被连接到电压源Vdd。在该实施例中，跨导放大器将输入电压信号106p、106n转换到节点202、204上提供的相应的电流信号206、208。
在一个实施例中，低频处理级102的折叠式共源共栅放大器包括晶体管T1和P型FETT3，并处理由来自I3的电流信号和电流信号206的差而获得的电流信号。其它的折叠式共源共栅放大器包括晶体管T2和p型FETT4，并处理由来自I4的电流信号和电流信号208的差而获得的电流信号。晶体管T3的漏极在节点202被连接，并且晶体管T4的漏极在节点204被连接。晶体管T3、T4的栅极被连接到偏置电压源Vcas，并且它们的源极分别被分别连接到负载电阻R2、R3。电阻R2、R3的其它端通常被连接到n型晶体管T5的源极，其栅极是自偏置的，并且漏极接地。在一个实施例中，Vcas不大于Vdd。在一个实施例中，晶体管T1、T2、T3、T4工作在输入电压域Vin内，以及晶体管T5工作在输出电压域Vout内。在一个实施例中，负载电阻R2、R3和晶体管T5组成转换级，以将来自节点202、204的电流信号转换成电压信号108p、108n。该转换级可包括以不同拓扑结构连接的其它无源和有源元件。
来自节点202的电流信号通过晶体管T3，并被转换回电阻R2处的电压信号108n。类似的，来自节点204的电流信号通过晶体管T4，并被转换回电阻R3处的电压信号108p。在一个实施例中，信号108p、108n的共模电压在期望的输出电压域Vout内，并且被计算为栅极和源极之间电压差、晶体管T5的Vgs和电流值(R2或R3)乘以电阻值(R2或R3)之和。电压信号108p、108n可以具有180度的相位差，并且在节点210、212上可用，从而分别提供给组合级112p、112n。
仍然参考图2，在一个实施例中，高频处理级104被实现为射极跟随差分放大器对。该差分放大器对包括两个n型FETT6、T7。晶体管T6、T7的栅极接收输入信号106p、106n，漏极通常被连接到电压源Vdd，源极通过电流源I5、I6接地。在一个实施例中，根据输入信号106p、106n的电压摆动，晶体管T6、T7在它们相应的源极处产生输出110p、110n，它们在节点214、216处被接收。信号110p、110n的共模电压可以小于Vdd，并且不在期望的输出电压域Vout内。在一个实施例中，差分放大器对的增益是g1，其中期望g1等于1。然而，在实际的实现方式中，由于在差分放大器对内的寄生元件，实现单位增益是不可能的，因此实际的增益可以小于1。因此，在一个实施例中，增益增强模块218在节点220、222处被连接。该增益增强模块218可包括n型FETT8、T9和电流源I7。
在一个实施例中，低频经处理的信号108p与高频经处理的信号110p在组合器112p处组合。类似的，低频经处理的信号108n与高频经处理的信号110n在组合器112n处组合。组合器112p、112n结构可以类似或不同。如图2所示，这两个组合器是相同的，并且每个都包括电阻和电容。组合器112p包括与电容C1连接的电阻R4，以及组合器112n包括与电容C2连接的电阻R5。在另一个实施例中，组合器112p、112n包括无源网络，该无源网络包括电阻、电容、和电感，或者包括电容和电感。
对于电阻R4处进入的信号108p，组合器112p可以作为一阶低通RC滤波器，对于到达电容器C1上的节点212处的信号110p，组合器112p可以作为一阶高通CR滤波器。低通和高通滤波器的截止频率是相同的，并且被计算为(R4+R3)的阻值与C1的电容乘积的倒数。因此，在频率响应意义上，低通信号108p和高通信号110p的组合可以是无缝的。
进入CR高通滤波器的信号110p会由于电容器C1的存在而被DC阻断，同时其余的频率可经过不同的衰减而通过。因此，信号110p的DC分量与期望的输出电压域Vout不相关，并且信号110p可确定转换器100的总带宽。如上所讨论的，信号108p在输出电压域Vout内，因此一旦与高通信号110p组合，该组合器112p就会产生处于电压域Vout中的输出信号114p，并且具有与转换器100的带宽相同的频率范围。
类似于组合器112p的操作，组合器112n接收低频经处理的信号108n，并且作为该信号的一阶低通滤波器，以及在节点216接收高频经处理的信号110n，并且作为信号110n的一阶高通滤波器。这些滤波器的每一个的截止频率被计算为(R5+R2)的电阻值和C2的电容乘积的倒数，并且该截止频率可以不同于组合器112p的滤波器的截止频率。组合器112n组合信号108n和信号110n以产生输出信号114n，如希望的那样，该信号114n的共模电压位于输出电压域Vout内。
图3示出了根据本发明另一示例性实施例的电压转换器100的框图。该示出的转换器将信号电压从输入电压域Vin转换到输出电压域Vout。转换器100包括低频处理级102，提供总增益g1的高频处理级104，以及具有总增益g2的高频处理级302。在一个实施例中，只有一个需要与一个或多个高频处理级并行工作的低频处理级102，如级104、302。在另一实施例中，高频处理级110、304以不同的方式来实现，以提供不同的增益。这样的具有多个增益的转换器实现方式可以作为可编程增益放大器应用的一部分用于各种通信和信号处理系统。
在这个实施例中，所有级均接收相同的输入信号106，其可以是单端信号或差分信号。低频处理级102可以被配置为处理输入信号106并产生低频范围内的信号108。在一个实施例中，低频经处理的信号108的参考电压(对于单端信号)或者共模电压(对于差分信号)在期望的输出电压域Vout内。高频处理级104、302可以被配置为处理输入信号106，以分别产生在高频范围内的信号110、304。在一个实施例中，信号110、304确定转换器的总带宽。
在一个实施例中，低频经处理的信号108和高频经处理的信号110在组合级112处组合，以及信号108还与高频经处理的信号304在组合级306处组合。组合级112、306在结构上可以不同，以保持来自高频处理级104、302的不同增益。组合级112、306组合它们各自的输入信号以产生输出信号114、308。在一个实施例中，信号114、308每个都具有在期望输出电压域Vout内的参考电压或者共模电压，还具有覆盖转换器100整个带宽的频率范围。
图4示出了图3所示的转换器100的实施例的详细CMOS实现方式。该实现方式被示出并将针对差分信号来进行讨论。在该实现方式中，级102、104和组合器112p、112n在结构上与图2示出的级相同。
在该实现方式中，高频处理级104提供单位增益，即g1＝1，以及高频处理级302提供增益g2＝1/2。在一个实施例中，级302的实现方式是基于级104的实现方式的，即包括源极跟随差分放大器对和增益提高模块。然而，为了在输出端提供1/2的增益，差分输入信号106p、106n可以不直接地耦接到晶体管对的栅极，如级104所示出的那样。在一个实施例中，输入信号106p、106n被反馈到包括电阻R6、R7、R8的电压分配器网络。电容C3、C4可以分别并联连接到电阻R6、R7，从而使通过电压分配器网络处理的输入信号106p、106n的AC分量通过而阻断其DC分量。
在一个实施例中，组合器306p、306n的实现方式基于组合器112p、112n的实现方式，即每个都包括电阻和电容，但是根据级302的特定增益需求另外还包括电压分配器网络，该网络包括电阻R9、R10、R11。包括R9、R10、R11的电压分配器网络被连接到低频经处理的信号108p、108n(其确定输出信号的电压域Vout)。来自组合器306p、306n的输出信号308p、308n可以具有在区间Vout内的共模电压，具有等于1/2的增益。
图5示出了图1所示的转换器100的实施例的合并BiCMOS实现方式。在该实现方式中，双极面结型晶体管(BJT)T1、T2操作为用于转换器100的低频处理级102的跨导放大器，和用于转换器100的高频处理级104的射极跟随差分放大器对。晶体管T1、T2的基极接收包括信号106p、106n的差分信号，其中信号106p、106n具有在输入电压域Vin内的共模电压。跨导放大器108p、108n的输出可以在跨过连接到晶体管T1、T2集电极的电阻R1、R2的节点502、504处被接收。射极跟随差分放大器对110p、110n的输出可以通过电容C1、C2在晶体管T1、T2的射极处被接收。在一个实施例中，信号108p、110p在包括电阻R1和电容C1的组合级上进行组合，以产生输出信号114p。在另一实施例中，信号108n、110n在包含电阻R2和电容C2的组合级组合，以产生输出信号114n。输出信号114p、114n的共模电压可在输出电压域Vout内。
在各种实施例中，转换器100在电源Vdd和Vss之间提供电力，其中电源Vdd和Vss中的每一个都可以是正或负电源。
图6a、6b分别绘出了图5的BiCMOS实现方式的频率响应的幅值和相位。曲线602、604示出了低频处理级102(即跨导放大器)的输出的频率响应的幅值和相位，曲线606、608示出了高频处理级104(即射极跟随差分放大器)的输出的频率响应的幅值和相位，曲线610、612示出了组合输出的频率响应的幅值和相位。
因此可以看到，上文描述了一种很有利的方法以在高速IC内的不同电压域之间转换信号电压。这里使用的术语和表述都是用于描述的术语而不是用于限制的目的，并且使用这些术语和表述的目的并不是要排除这里示出和描述的特征或其各部分的任何等效方式，将会认识到的是，在本发明权利要求的范围内还可以有各种变形方式。

Claims (20)

1.一种电压域转换器，用于将输入电压域内的输入信号转换为输出电压域内的输出信号，所述转换器包括： 
低频级，用于接收和处理输入信号以产生在低频范围内的第一经处理的信号，其中第一经处理的信号在输出电压域内； 
高频级，用于接收和处理输入信号以产生在高频范围内的第二经处理的信号，其中该第二经处理的信号确定转换器的带宽；以及 
组合级，用于组合第一和第二经处理的信号以产生输出信号。 
2.根据权利要求1所述的电压域转换器，其中输入信号和输出信号中的至少一个是单端信号或差分信号。 
3.根据权利要求1所述的电压域转换器，其中转换器使用CMOS或者BiCMOS技术来实现。 
4.据权利要求1所述的电压域转换器，其中低频级包括DC耦合放大器。 
5.根据权利要求4所述的电压域转换器，其中所述DC耦合放大器包括用于将输入电压信号转换为电流信号的跨导放大器。 
6.根据权利要求5所述的电压域转换器，其中所述DC耦合放大器进一步包括用于接收电流信号并将其转换为第一经处理的信号的转换级。 
7.根据权利要求6所述的电压域转换器，其中所述DC耦合放大器进一步包括操作地连接在跨导放大器和转换级之间的、用于在它们之间传输电流信号的共源共栅级。 
8.根据权利要求1所述的电压域转换器，其中高频级包括AC耦合放大器。 
9.根据权利要求8所述的电压域转换器，其中所述AC耦合放大器包括用于放大输入信号以产生第二经处理的信号的源极跟随器或者射极跟随放大器。 
10.根据权利要求8所述的电压域转换器，其中所述AC耦合放大器进一步包括增益增强模块。 
11.根据权利要求1所述的电压域转换器，其中所述组合级包括RC、LC或RLC滤波器。 
12.根据权利要求1所述的电压域转换器，其中使用相同的晶体管来实现低频级和高频级。 
13.一种将在输入电压域内的输入信号转换为在输出电压城内的输出信号的方法，所述方法包括： 
在低频级接收和处理输入信号，以产生在低频范围内的第一经处理的信号，其中第一经处理的信号位于输出电压域内； 
在高频级接收和处理输入信号，以产生在高频范围内的第二经处理的信号，其中第二经处理的信号确定转换器的带宽；以及 
在组合级组合第一和第二经处理的信号，以产生输出信号。 
14.根据权利要求13的方法，其中输入信号和输出信号中的至少一个是单端信号或差分信号。 
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述方法被用在电压域转换电路中，所述转换电路使用CMOS或者BiCMOS技术来实现。 
16.根据权利要求13所述的方法，其中在低频级处理输入信号包括将输入电压信号转换为电流信号。 
17.根据权利要求16所述的方法，其中在低频级处理输入信号进一步包括将电流信号转换为第一经处理的信号。 
18.根据权利要求13所述的方法，其中在高频级处理输入信号包括放大输入信号的高频分量以产生所述第二经处理的信号。 
19.根据权利要求13所述的方法，其中组合级包括RC、LC或RLC滤波器。 
20.根据权利要求13所述的方法，其中使用相同的晶体管来实现低频级和高频级。 
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