CN102045033A - 单端输入差动输出的放大器 - Google Patents

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Abstract

一种单端输入差动输出的放大器，包括第一输入端、第二输入端、第一输出端、第二输出端、第一模块以及第二模块。其中，第一输入端和第二输入端分别接收一单端输入信号，第一输出端和第二输出端提供一差动输出信号。第一模块耦接第一输入端、第一输出端和第二输出端。第二模块耦接第二输入端、第一输出端和第二输出端。第一模块和第二模块分别经由第一输入端和第二输入端接收单端输入信号，分别放大此单端输入信号，并且将单端输入信号转换为差动输出信号。除了内含的晶体管种类不同以外，第一模块和第二模块的电路对称。

Description

单端输入差动输出的放大器
技术领域
本发明是有关于-种单端输入差动输出的放大器(single-ended input differential output amplifier，亦称为balun amplifier)。
背景技术
在通讯系统中，单端输入差动输出的放大器通常位于射频系统最前端，接收来自天线的单端输入信号。由于位在射频系统最前端，这种放大器的设计应该尽量降低其本身的噪声。
图1是一种传统的单端输入差动输出的放大器100的电路图。其中电流源VS表示单端输入信号，电阻RL1和RL2表示负载的阻抗。放大器100接收单端输入信号VS，利用N通道金属氧化物半导体场效晶体管(n-channel metal oxide semiconductor field effect transistor，以下简称NMOS晶体管)M1所构成的共栅极放大器(common gate amplifier)和NMOS晶体管M2所构成的共源极放大器(common source amplifier)放大单端输入信号VS，并且将单端输入信号VS转换成差动输出讯号，在输出端A和B输出。
NMOS晶体管M1和M2会产生通道噪声(channel noise)，造成放大器100内部的噪声电流。噪声电流通过RL1和RL2，在输出端A、B之间造成差动输出信号的噪声电压。放大器100的设计可消除M1和M2所引起的部分噪声。
对于M1的通道噪声，放大器100利用RS、1/gm1和1/gm2的匹配，使RL1和RL2的负载电流相同。其中RS是天线端的阻抗，gm1和gm2分别是NMOS晶体管M1和M2的小信号模型的转导值(transconductance)。在RL1和RL2相等的情况下，可以使输出端A和B的噪声电压在差动输出信号中互相抵消，藉此消除M1所引起的噪声。
对于M2的通道噪声，NMOS晶体管M3和M4的交叉耦接(cross-coupling)提高了看进M4的源极(source)的阻抗Rc，使M2的一部分噪声电流经由M2的输出阻抗流入接地端，进而减少通过RL2的噪声电流，由此消除M2所引起的部分噪声。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单端输入差动输出的放大器，可以消除绝大部分的来自内部晶体管的噪声。
为实现上述目的，本发明提供的单端输入差动输出的放大器，包括第一输入端、第二输入端、第一输出端、第二输出端、第一模块、以及第二模块。其中，第一输入端和第二输入端分别接收一单端输入信号，第一输出端和第二输出端提供-差动输出信号。第一模块耦接第一输入端、第一输出端和第二输出端。第二模块耦接第二输入端、第一输出端和第二输出端。第一模块和第二模块分别经由第一输入端和第二输入端接收单端输入信号，分别放大此单端输入信号，并且将单端输入信号转换为差动输出信号。除了内含的晶体管种类不同以外，第一模块和第二模块的电路对称。
本发明另提出一种单端输入差动输出的放大器，包括第一输入端、第二输入端、第一输出端、第二输出端、第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、以及第四晶体管。其中，第一输入端和第二输入端分别接收一单端输入信号，第一输出端和第二输出端提供一差动输出信号。第一晶体管耦接于第一输入端和第一输出端之间，自第一输入端接收单端输入信号，在第一输出端输出放大之后的单端输入信号。第二晶体管耦接于第一输入端和第二输出端之间，自第一输入端接收单端输入信号，在第二输出端输出放大之后的单端输入信号。第三晶体管耦接于第二输入端和第一输出端之间，自第二输入端接收单端输入信号，在第一输出端输出放大之后的单端输入信号。第四晶体管耦接于第二输入端和第二输出端之间，自第二输入端接收单端输入信号，在第二输出端输出放大之后的单端输入信号。
上述单端输入差动输出的放大器巧妙地利用四个晶体管和其它组件之间的耦接关系，具有电路简单和低噪声的特性。
附图说明
图1是公知的一种单端输入差动输出的放大器的电路图。
图2是依照本发明一实施例的一种单端输入差动输出的放大器的电路图。
图3和图4是图2的单端输入差动输出的放大器的消除通道噪声的示意图。
图5是依照本发明另一实施例的一种单端输入差动输出的放大器的电路图。
图6是依照本发明另一实施例的一种单端输入差动输出的放大器的电路图。
附图中主要组件符号说明
100、200：单端输入差动输出的放大器
210：第一模块
220：第二模块
250：天线端电路
500、600：单端输入差动输出的放大器
A、B：输出端
B1、B2：偏压电路
C1-C6：电容
GND：接地端
I1、I2：输入端
IA、IB、IC、ID、IE、IF、In、In′、In″：噪声电流
L1、L2：电感
M1、M2、M3、M4：晶体管
O1、O2：输出端点
R1-R8、RL、RL1、RL2、RS：电阻
Ra、Rc：阻抗
ro3、ro4：晶体管的输出阻抗
VB1、VB2：偏压
VCC：电源端
Vn：噪声电压
VS：单端输入信号
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
图2是依照本发明一实施例的一种单端输入差动输出的放大器200的电路图。放大器200包括输入端I1、I2、输出端O1、O2、电感L1、L2、电容C3、C4、以及模块210、220。电感L1耦接于输入端I1与电源端VCC之间。电感L2耦接于输入端I2与接地端GND之间。电容C3耦接于输入端I1和天线端电路250之间。电容C4耦接于输入端I2和天线端电路250之间。模块210耦接输入端I1以及输出端O1、O2。模块220耦接输入端I2以及输出端O1、O2。
天线端电路250其中，VS表示来自天线的单端输入信号，RS表示天线端电路250的等效阻抗。电容C3、C4分别将单端输入信号VS耦合至输入端I1、I2。放大器200分别在输入端I1、I2接收单端输入信号VS，放大单端输入信号VS，并且将单端信号VS转换成差动信号，在输出端O1、O2输出。电阻RL表示放大器200的负载阻抗。
电感L1、L2的作用是抗流器(choke)，也就是传递直流信号，并且阻挡小信号。因此电感L1、L2对小信号而言有极大的阻抗。电感L1、L2也可以用高阻抗(远大于Rs)的电阻取代。
模块210包括P通道金属氧化物半导体场效晶体管(p-channel metal oxide semiconductor field effect transistor，以下简称PMOS晶体管)M1、M2、电容C1、电阻R1、以及偏压电路B1。PMOS晶体管M1耦接于输入端I1和输出端O1之间，PMOS晶体管M2耦接于输入端I1和输出端O2之间。电容C1耦接于输入端I1和PMOS晶体管M2的栅极之间。电阻R1耦接PMOS晶体管M2的栅极。偏压电路B1耦接电阻R1和PMOS晶体管M1的栅极。
PMOS晶体管M1构成一个共栅极放大器，这个共栅极放大器自输入端I1接收单端输入信号VS，在输出端O1输出放大之后的单端输入信号VS。PMOS晶体管M2构成一个共源极放大器，这个共源极放大器经由电容C1自输入端I1接收单端输入信号VS，在输出端O2输出放大之后的单端输入信号VS。上述的共栅极放大器和共源极放大器的输出极性相反，所以能将单端输入信号VS转换为差动输出信号，在输出端O1、O2输出。偏压电路B1提供上述的共栅极放大器和共源极放大器操作所需的偏压。电阻R1并无电流通过，其作用是使PMOS晶体管M1和M2的栅极偏压一致。
模块220包括NMOS晶体管M3、M4、电容C2、电阻R2、以及偏压电路B2。除了内含的晶体管种类不同以外，模块210和220的电路是对称的。模块220其中的NMOS晶体管M3、M4、电容C2、电阻R2、以及偏压电路B2和模块210其中的PMOS晶体管M1、M2、电容C1、电阻R1、以及偏压电路B1一一对应，有相同的耦接关系和功能，只是将输入端I1换成输入端I2。因此模块220的细节就不再赘述。
为了阻抗匹配，PMOS晶体管M1和NMOS晶体管M3的小信号模型的转导值的并联等效阻抗必须等于天线端电路250的等效阻抗RS。本实施例中，1/gm1和1/gm3各为Rs的两倍，其中gm1和gm3分别是PMOS晶体管M1和NMOS晶体管M3的转导值。
以下说明放大器200如何消除晶体管M1-M4的通道噪声。图3是放大器200消除M3的通道噪声的示意图。图4是放大器200消除M4的通道噪声的示意图。为了简洁起见，图3和图4省略了电阻R1和R2。
图3当中，电流源In表示NMOS晶体管M3的通道噪声电流。噪声电流In分为IA和IB两路。流向M3自身的噪声电流IB会在M3的漏极(drain)抵消一部分In，使噪声电流In′小于In。电流IC也会在输出端O1抵消一部分In′，使负载阻抗RL的噪声电流In″小于In′。M3的通道噪声电流In在输入端I1、I2所产生的噪声电压Vn会造成分别流经晶体管M2和M4的电流ID和IE，进而造成流经负载阻抗RL的电流IF。电流IF可以抵消大部分的噪声电流In″，因此消除输出端O1、O2之间的输出噪声电压。以上就是放大器200消除NMOS晶体管M3的通道噪声的机制，PMOS晶体管M1的通道噪声也是利用相同的机制消除。
图4当中，电流源In表示NMOS晶体管M4的通道噪声电流，ro3和ro4分别表示晶体管M2和M4的输出阻抗。如果没有电容C1、C2的耦合路径，由于电阻RS耦接PMOS晶体管M1和M2的源极，从右边看进RL的等效电阻Ra会非常大，使得流经RL的噪声电流非常小。电容C1、C2的耦合路径会稍微降低等效电阻Ra，不过降低后的等效电阻Ra仍然远大于输出阻抗ro3和ro4。电阻分流的效应会使M4的通道噪声电流In仅在RL产生很小的噪声电流，因此在输出端O1和O2之间仅造成很小的噪声电压。以上就是放大器200抑制NMOS晶体管M4的通道噪声的机制，PMOS晶体管M2的通道噪声也是利用相同的机制来加以抑制。
虽然晶体管M1-M4都会产生通道噪声，但是放大器200的电路设计可以消除绝大部分的输出噪声电压，因此放大器200有极佳的低噪声效能。
图5是依照本发明另一实施例的一种单端输入差动输出的放大器500的电路图。放大器500和图2的放大器200的不同的处是用电容C5、C6和电阻R3-R8组成偏压电路，以提供晶体管M1-M4操作所需的偏压。其中，电阻R3耦接输出端O1，电阻R4耦接于电阻R3与PMOS晶体管M1的栅极之间，电阻R5耦接于电阻R3与NMOS晶体管M3的栅极之间。电阻R6耦接输出端O2，电阻R7耦接于电阻R6与PMOS晶体管M2的栅极之间，电阻R8耦接于电阻R6与NMOS晶体管M4的栅极之间。电容C5耦接于PMOS晶体管M1的栅极与电源端VCC之间。电容C6耦接于NMOS晶体管M3的栅极与接地端GND之间。
晶体管M1和M3藉由电阻R3-R5连接成两个串联的二极管，晶体管M2和M4也藉由电阻R6-R8连接成两个串联的二极管。电阻R3-R8都有大电阻值，以避免影响M1-M4所构成的放大器的操作。为了共栅极放大器的操作所需，电容C5、C6在小信号模型让晶体管M1和M3的栅极接地。这种简单的偏压电路可以固定输出端O1和O2的直流电压，使放大器500不需要传统而复杂的共栅极偏压电路。
图6是依照本发明另一实施例的一种单端输入差动输出的放大器600的电路图。放大器600和图5的放大器500的不同的处是增加了晶体管M1-M4的交叉耦接，也就是晶体管M1的本体(body)耦接晶体管M2的源极(source)，晶体管M2的本体耦接晶体管M1的源极，晶体管M3的本体耦接晶体管M4的源极，晶体管M4的本体耦接晶体管M3的源极。以上的交叉耦接可以在小信号模型提高晶体管M1-M4的转导值，以消除更多噪声。
以上实施例的单端输入差动输出的放大器具有电路简单、低噪声、以及阻抗匹配的特点，其中每一个晶体管都有放大信号的功能。上述的单端输入差动输出的放大器利用自身的电路设计来消除噪声，没有会造成直流压降的多余组件，可在电压较低的电源的下操作。
虽然本发明已以实施例描述如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应当以申请的权利要求范围所界定的内容为准。

Claims (22)

1.一种单端输入差动输出的放大器，包括：
一第一输入端，接收一单端输入信号；
一第二输入端，接收该单端输入信号；
一第一输出端；
一第二输出端，其中该第一输出端和该第二输出端提供一差动输出信号；
一第一模块，耦接该第一输入端、该第一输出端和该第二输出端；以及
一第二模块，耦接该第二输入端、该第一输出端和该第二输出端；其中
该第一模块和该第二模块分别经由该第一输入端和该第二输入端接收该单端输入信号，分别放大该单端输入信号，并且将该单端输入信号转换为该差动输出信号；
除了内含的晶体管种类不同以外，该第一模块和该第二模块的电路对称。
2.如权利要求1所述的单端输入差动输出的放大器，其中，该第一模块包括：
一第一共栅极放大器，由一第一晶体管构成，耦接于该第一输入端和该第一输出端之间，自该第一输入端接收该单端输入信号，在该第一输出端输出放大之后的该单端输入信号；以及
一第一共源极放大器，由一第二晶体管构成，耦接于该第一输入端和该第二输出端之间，自该第一输入端接收该单端输入信号，在该第二输出端输出放大之后的该单端输入信号；
而且该第二模块包括：
一第二共栅极放大器，由一第三晶体管构成，耦接于该第二输入端和该第一输出端之间，自该第二输入端接收该单端输入信号，在该第一输出端输出放大之后的该单端输入信号；以及
一第二共源极放大器，由一第四晶体管构成，耦接于该第二输入端和该第二输出端之间，自该第二输入端接收该单端输入信号，在该第二输出端输出放大之后的该单端输入信号。
3.如权利要求2所述的单端输入差动输出的放大器，其中，该第一晶体管和该第二晶体管为PMOS晶体管，该第三晶体管和该第四晶体管为NMOS晶体管。
4.如权利要求2所述的单端输入差动输出的放大器，其中，该第一模块包括：
一第一电容，耦接于该第一输入端和该第二晶体管的栅极之间；
而且该第二模块包括：
一第二电容，耦接于该第二输入端和该第四晶体管的栅极之间。
5.如权利要求2所述的单端输入差动输出的放大器，其中，该第一模块包括：
一第一电阻，耦接该第二晶体管的栅极；以及
一第一偏压电路，耦接该第一电阻和该第一晶体管的栅极，提供该第一共栅极放大器和该第一共源极放大器操作所需的偏压；
而且该第二模块包括：
一第二电阻，耦接该第四晶体管的栅极；以及
一第二偏压电路，耦接该第二电阻和该第三晶体管的栅极，提供该第二共栅极放大器和该第二共源极放大器操作所需的偏压。
6.如权利要求2所述的单端输入差动输出的放大器，其中，该第一晶体管和该第三晶体管连接成两个串联的二极管，该第二晶体管和该第四晶体管也连接成两个串联的二极管。
7.如权利要求6所述的单端输入差动输出的放大器，包括：
一第三电阻，耦接该第一输出端；
一第四电阻，耦接于该第三电阻与该第一晶体管的栅极之间；
一第五电阻，耦接于该第三电阻与该第三晶体管的栅极之间；
一第六电阻，耦接该第二输出端；
一第七电阻，耦接于该第六电阻与该第二晶体管的栅极之间；以及
一第八电阻，耦接于该第六电阻与该第四晶体管的栅极之间。
8.如权利要求2所述的单端输入差动输出的放大器，其中，该第一晶体管的本体耦接该第二晶体管的源极，该第二晶体管的本体耦接该第一晶体管的源极；该第三晶体管的本体耦接该第四晶体管的源极，该第四晶体管的本体耦接该第三晶体管的源极。
9.如权利要求1所述的单端输入差动输出的放大器，包括：
一第三电容，耦接于该第一输入端和一天线端电路之间；以及
一第四电容，耦接于该第二输入端和该天线端电路之间，其中该天线端电路提供该单端输入信号。
10.如权利要求9所述的单端输入差动输出的放大器，其中，该第一晶体管的转导值和该第三晶体管的转导值的并联等效阻抗等于该天线端电路的等效阻抗。
11.如权利要求1所述的单端输入差动输出的放大器，包括：
一第一抗流器，耦接于该第一输入端与一电源端之间，传递直流信号并阻挡小信号；以及
一第二抗流器，耦接于该第二输入端与一接地端之间，传递直流信号并阻挡小信号。
12.如权利要求11所述的单端输入差动输出的放大器，其中，该第一抗流器和该第二抗流器各包括一电感。
13.如权利要求11所述的单端输入差动输出的放大器，其中，该第一抗流器和该第二抗流器各包括一电阻。
14.一种单端输入差动输出的放大器，包括：
一第一输入端，接收一单端输入信号；
一第二输入端，接收该单端输入信号；
一第一输出端；
一第二输出端，其中该第一输出端和该第二输出端提供一差动输出信号；
一第一晶体管，耦接于该第一输入端和该第一输出端之间，自该第一输入端接收该单端输入信号，在该第一输出端输出放大之后的该单端输入信号；
一第二晶体管，耦接于该第一输入端和该第二输出端之间，自该第一输入端接收该单端输入信号，在该第二输出端输出放大之后的该单端输入信号；
一第三晶体管，耦接于该第二输入端和该第一输出端之间，自该第二输入端接收该单端输入信号，在该第一输出端输出放大之后的该单端输入信号；以及
一第四晶体管，耦接于该第二输入端和该第二输出端之间，自该第二输入端接收该单端输入信号，在该第二输出端输出放大之后的该单端输入信号。
15.如权利要求14所述的单端输入差动输出的放大器，其中，该第一晶体管和该第二晶体管为PMOS晶体管，该第三晶体管和该第四晶体管为NMOS晶体管。
16.如权利要求14所述的单端输入差动输出的放大器，其中，该第一晶体管构成一第一共栅极放大器，该第二晶体管构成一第一共源极放大器，该第三晶体管构成一第二共栅极放大器，该第四晶体管构成一第二共源极放大器。
17.如权利要求14项所述的单端输入差动输出的放大器，包括：
一第一电容，耦接于该第一输入端和该第二晶体管的栅极之间；以及
一第二电容，耦接于该第二输入端和该第四晶体管的栅极之间。
18.如权利要求14所述的单端输入差动输出的放大器，包括：
一第一电阻，耦接该第二晶体管的栅极；
一第一偏压电路，耦接该第一电阻和该第一晶体管的栅极，提供该第一晶体管和该第二晶体管操作所需的偏压；
一第二电阻，耦接该第四晶体管的栅极；以及
一第二偏压电路，耦接该第二电阻和该第三晶体管的栅极，提供该第三晶体管和该第四晶体管操作所需的偏压。
19.如权利要求14所述的单端输入差动输出的放大器，其中，该第一晶体管和该第三晶体管连接成两个串联的二极管，该第二晶体管和该第四晶体管也连接成两个串联的二极管。
20.如权利要求19所述的单端输入差动输出的放大器，包括：
一第三电阻，耦接该第一输出端；
一第四电阻，耦接于该第三电阻与该第一晶体管的栅极之间；
一第五电阻，耦接于该第三电阻与该第三晶体管的栅极之间；
一第六电阻，耦接该第二输出端；
一第七电阻，耦接于该第六电阻与该第二晶体管的栅极之间；以及
一第八电阻，耦接于该第六电阻与该第四晶体管的栅极之间。
21.如权利要求14所述的单端输入差动输出的放大器，包括：
一第三电容，耦接于该第一输入端和一天线端电路之间；以及
一第四电容，耦接于该第二输入端和该天线端电路之间，其中该天线端电路提供该单端输入信号。
22.如权利要求21所述的单端输入差动输出的放大器，其中，该第一晶体管的转导值和该第三晶体管的转导值的并联等效阻抗等于该天线端电路的等效阻抗。
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