CN102723918A

CN102723918A - 一种跨导放大器、电阻、电感以及滤波器

Info

Publication number: CN102723918A
Application number: CN2012102124048A
Authority: CN
Inventors: 程序; 郭桂良; 阎跃鹏
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Ruili Flat Core Microelectronics Guangzhou Co Ltd
Priority date: 2012-06-21
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2032-06-21
Also published as: CN102723918B

Abstract

本发明公开了一种跨导放大器、电阻、电感以及滤波器，本发明的跨导放大器采用两组放大器构成，其中一组放大器由第一NMOS管、第三NMOS管组成，一组放大器由第二NMOS管、第四NMOS管组成，两组放大器的输出端交叉连接，从而可以利用电流相减的方式消除奇次项谐波，从而实现跨导放大器的低功耗高线性度。进而由所述跨导放大器模拟得到的电阻、电感、以及由所述电阻和/或电感构成的电路也可以实现低功耗高线性度。

Description

一种跨导放大器、电阻、电感以及滤波器

技术领域

本申请涉及电路领域，尤其涉及一种跨导放大器、电阻、电感以及滤波器。

背景技术

随着通信技术，尤其是移动通信技术和计算技术的飞速发展，作为现代接收机尤其是零中频接受机中的一个关键模块，跨导-电容（Gm-C）有源滤波器能在混频器之后进行信号的滤波处理，为后级的可变增益放大器提供杂散频谱较少的信号，既能有效地在可变增益放大器（VGA，Variable GainAmplifier）、模拟/数字转换器（ADC，Analog-to-Digital Converter）之前初步处理信号，又能防止后级的可变增益放大器由于带外信号过大而饱和。

在移动数字视频广播系统中，位于接收机中频部分的Gm-C滤波器，需要处理较大的输入信号，要求滤波器在功耗很低的情况下保证较高的线性度。

发明内容

有鉴于此，本申请要解决的技术问题是，提供一种跨导放大器、电阻、电感以及滤波器，能够使得滤波器在功耗很低的情况下保证较高的线性度。

为此，本申请实施例采用如下技术方案：

一种跨导放大器，包括：

第一NMOS管和第二NMOS管的栅极连接跨导放大器的正相输入端；

第三NMOS管和第四NMOS管的栅极连接跨导放大器的负相输入端；

第一NMOS管的源极、第二NMOS管的源极、第三NMOS管的源极以及第四NMOS管的源极均连接第六NMOS管的漏极，且，均连接第五NMOS管的源极；

第六NMOS管的源极接地，栅极连接第五NMOS管的漏极；

第七PMOS管的源极、第八PMOS管的源极以及第九PMOS管的源极连接跨导放大器的电源电压输入端；

第七PMOS管的漏极、第一NMOS管的漏极以及第四NMOS管的漏极均连接跨导放大器的第一输出端；

第八PMOS管的漏极连接第五NMOS管的漏极；

第九PMOS管的漏极、第二NMOS管的漏极以及第三NMOS管的漏极均连接跨导放大器的第二输出端；

第五NMOS管的栅极连接跨导放大器的参考电压端；第七PMOS管和第九PMOS管的栅极分别连接跨导放大器的共模反馈电压端；第八PMOS管的栅极连接正相偏置电压端。

第一NMOS管的尺寸分别大于第二NMOS管和第四NMOS管的尺寸，且第三NMOS管的尺寸分别大于第二NMOS管和第四NMOS管的尺寸时，所述第一输出端为跨导放大器的负相输出端，所述第二输出端为跨导放大器的正相输出端；

第一NMOS管的尺寸分别小于第二NMOS管和第四NMOS管的尺寸，且第三NMOS管的尺寸分别小于第二NMOS管和第四NMOS管的尺寸时，所述第一输出端为跨导放大器的正相输出端，所述第二输出端为跨导放大器的负相输出端。

还包括：

第十PMOS管的源极以及第十一PMOS管的源极连接跨导放大器的电源电压输入端；

第十PMOS管的栅极与第十一PMOS管的栅极连接；

第十PMOS管的漏极连接跨导放大器的共模反馈电压端，且，通过第一电阻以及第一电容连接第十PMOS管的栅极，且，分别连接第十二NMOS管的漏极以及第十三NMOS管的漏极；

第十一PMOS管的漏极、第十一PMOS管的栅极、第十四NMOS管的漏极以及第十五NMOS管的漏极连接；

第十二NMOS管的栅极连接跨导放大器的正相输出端，第十三NMOS管的栅极和第十四NMOS管的栅极连接参考电压端；第十五NMOS管的栅极连接跨导放大器的负相输出端；

第十二NMOS管的源极、第十三NMOS管的源极、第十六NMOS管的漏极连接；第十四NMOS管的源极、第十五NMOS管的源极、第十七NMOS管的漏极连接；

第十六NMOS管的栅极和第十七NMOS管的栅极连接负相偏置电压端；第十六NMOS管的源极以及第十七NMOS管的源极接地。

一种电阻，包括权利要求1或2所述的跨导放大器，其中，

跨导放大器的负相输出端与跨导放大器的共模反馈电压端连接；

跨导放大器的正相输出端与跨导放大器的负相输入端连接，该连接的连接点作为电阻的第一端；

跨导放大器的负相输入端作为电阻的第二端。

一种电阻，包括权利要求3所述的跨导放大器，其中，

跨导放大器的正相输入端与跨导放大器的负相输出端连接，该连接的连接点作为所述电阻的第一端；

跨导放大器的负相输入端与跨导放大器的正相输出端连接，该连接的连接点作为所述电阻的第二端。

一种电阻，包括两个如权利要求1或2所述的跨导放大器，分别为第一跨导放大器和第二跨导放大器，其中，

第一跨导放大器的负相输出端与第一跨导放大器的共模反馈电压端连接；第二跨导放大器的负相输出端与第二跨导放大器的共模反馈电压端连接；

第一跨导放大器的正相输出端作为电阻的第一端，第一跨导放大器的正相输入端作为电阻的第二端；

第一跨导放大器的正相输出端、第二跨导放大器的正相输入端以及第二跨导放大器的正相输出端相互连接；第二跨导放大器的负相输入端、第二跨导放大器的正相输出端、第一跨导放大器的正相输入端、第一跨导放大器的负相输入端相互连接。

一种电感，包括两个如权利要求1或2所述的跨导放大器，分别为第一跨导放大器和第二跨导放大器，其中，

电感的第一端通过第二电容接地，且分别与第一跨导放大器的正相输出端、第二跨导放大器的正相输入端连接；电感的第二端分别与第一跨导放大器的正相输入端、第二跨导放大器的正相输出端连接；

第一跨导放大器的负相输入端接地，第二跨导放大器的负相输入端接地。

一种滤波器，包括所述跨导放大器，和/或，所述电阻，和/或，所述电感。

对于上述技术方案的技术效果分析如下：

本申请的跨导放大器采用两组放大器构成，其中一组放大器由第一NMOS管、第三NMOS管组成，一组放大器由第二NMOS管、第四NMOS管组成，两组放大器的输出端交叉连接，从而可以利用电流相减的方式消除奇次项谐波，从而实现跨导放大器的低功耗高线性度；进而包含所述跨导放大器的滤波器也能够在功耗低的情况下获得较高的线性度。

附图说明

图1为本申请跨导放大器第一实施例示意图；

图2为本申请共模反馈电路结构示意图；

图3为本申请电阻第一实施例示意图；

图4为本申请电阻第二实施例示意图；

图5为本申请电感的第一实施例示意图；

图6为本申请电阻第三实施例示意图；

图7为本申请一种7阶椭圆滤波器结构示意图；

图8为本申请图1所示跨导放大器中翻转电压跟随器简化图；

图9为本申请图1所示跨导放大器中翻转电压跟随器开环增益分析图；

图10为本申请图1跨导放大器非线性效应消除原理示意图。

具体实施方式

以下，结合附图详细说明本申请跨导放大器、电阻、电感以及滤波器的实现。

图1是本申请跨导放大器结构示意图，如图1所述，该跨导放大器包括：

第一NMOS管M1和第二NMOS管M2的栅极连接跨导放大器的正相输入端VINP；

第三NMOS管M3和第四NMOS管M4的栅极连接跨导放大器的负相输入端VINN；

第一NMOS管M1源极、第二NMOS管M2的源极、第三NMOS管M3的源极以及第四NMOS管M4的源极均连接第五NMOS管M5的源极，且，均连接第六NMOS管M6的漏极；

第六NMOS管M6的源极接地，栅极连接第五NMOS管M5的漏极；

第七PMOS管M7的源极、第八PMOS管M8的源极以及第九PMOS管M9的源极连接跨导放大器的电源电压输入端VC；

第七PMOS管M7的漏极、第一NMOS管M1的漏极以及第四NMOS管M4的漏极均与跨导放大器的第一输出端VOUT1连接；

第八PMOS管M8的漏极连接第五NMOS管M5的漏极；

第九PMOS管M9的漏极、第二NMOS管M2的漏极以及第三NMOS管M3的漏极均与跨导放大器的第二输出端VOUT2连接；

第五NMOS管M5的栅极连接跨导放大器的参考电压端VREF；第七PMOS管M7的栅极和第九PMOS管M9的栅极分别连接跨导放大器的共模反馈电压端VCMFB；第八PMOS管M8的栅极连接正相偏置电压端VBIASP。

其中，跨导放大器的第一输出端VOUT1和第二输出端VOUT2中，哪个为正相输出端，哪个为负相输出端由第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三NMOS管M3和第四NMOS管M4的尺寸比例决定，假设第一NMOS管M1和第三NMOS管M3的尺寸分别大于第二NMOS管M2、第四NMOS管M4的尺寸，则可以认为跨导放大器中第一NMOS管M1和第三NMOS管M3组成的放大器为主放大器，第二NMOS管M2和第四NMOS管M4组成的放大器作为副放大器，则第一输出端VOUT1为跨导放大器的负相输出端，第二输出端VOUT2为跨导放大器的正相输出端；相反，第一NMOS管M1和第三NMOS管M3的尺寸分别小于第二NMOS管M2、第四NMOS管M4的尺寸，则第一输出端VOUT1为跨导放大器的正相输出端，第二输出端VOUT2为跨导放大器的负相输出端。

图1所示的跨导放大器结构采用两组放大器构成，其中一组放大器由第一NMOS管M1、第三NMOS管M3组成，一组放大器由第二NMOS管M2、第四NMOS管M4组成，两组放大器的输出端交叉连接，从而可以利用电流相减的方式消除奇次项谐波，从而实现跨导放大器的低功耗高线性度。

图1所示的跨导放大器在实际应用场景中，需要跨导放大器实现双端输入单端输出时，则跨导放大器的负相输出端可以与跨导放大器的共模反馈电压端VCMFB连接，实现跨导放大器的双端输入单端输出。

或者，在实际应用场景中，需要跨导放大器实现双端输入双端输出时，一般需要对图1所示的跨导放大器的共模电平进行控制，也即对跨导放大器的共模反馈电压端VCMFB的电压进行控制，此时，图1所示的跨导放大器可以进一步包括如图2所示的共模反馈电路，由图1和图2结合构成另一种本申请实施例的跨导放大器结构，如图2所示，所述共模反馈电路包括：

第十PMOS管M10的源极以及第十一PMOS管M11的源极连接跨导放大器的电源电压输入端VC；

第十PMOS管M10的栅极与第十一PMOS管M11的栅极连接；

第十PMOS管M10的漏极连接跨导放大器的共模反馈电压端VCMFB，且，通过第一电阻R1以及第一电容C1连接第十PMOS管M10的栅极，且，分别连接第十二NMOS管M12的漏极以及第十三NMOS管M13的漏极；

第十一PMOS管M11的漏极连接第十一PMOS管M11的栅极、第十四NMOS管M14的漏极以及第十五NMOS管M15的漏极；

第十二NMOS管M12的栅极连接跨导放大器的正相输出端VOUTP，第十三NMOS管M13的栅极和第十四NMOS管M14的栅极连接参考电压端VREF；第十五NMOS管M15的栅极连接跨导放大器的负相输出端VOUTN；

第十二NMOS管M12的源极以及第十三NMOS管M13的源极连接第十六NMOS管M16的漏极；第十四NMOS管M14的源极和第十五NMOS管M15的源极连接第十七NMOS管M17的漏极；

第十六NMOS管M16的栅极和第十七NMOS管M17的栅极连接负相偏置电压端VBIASN；第十六NMOS管M16的源极以及第十七NMOS管M17的源极接地。

所述第一电阻R1可以通过无源电阻实现，通过所述第一电阻R1和第一电容C1可以实现零极点分离，从而提升共模反馈电路和跨导放大器电路的共模稳定性。

对于图1所示跨导放大器以及图1和图2结合构成的跨导放大器：

在图1中，第八PMOS管M8的栅极所连接的正相偏置电压端VBIASP一般可以为一个固定电平值，一般会选择为输出共模电平，比如电源电压为5V，输出共模电平和正相偏置电压端VBIASP的电平一般就选择为电源电压的一半即2.5V；而在图2中，可以为负相偏置电压端VBIASN提供一个固定电压或者电流偏置，只要能提供稳定电流使得共模反馈电路正常工作即可。。

一般的，可以为参考电压端VREF输入某一固定值的电压，具体的电压数值可以在实际应用中根据应用环境确定，这里不限制。

电源电压输入端VC一般连接跨导放大器的电源，用于为跨导放大器中的各个器件供电。

其中，在实际应用中如滤波器中需要使用电阻或者电感时，可以使用上述图1所示的跨导放大器，或者图1和图2结合得到的跨导放大器进行电阻或者电感的模拟。

具体的，在需要使用双端输入单端输出的跨导放大器的应用场景中，可以通过图1所示的跨导放大器模拟电阻或者电感，使得电路中的电阻和电感从无源器件变为有源器件；如图3和图4所示为图1的跨导放大器模拟得到的电阻结构示意图，如图5所示为图1的跨导放大器模拟得到的电感结构示意图；

在需要使用双端输入双端输出的跨导放大器的应用场景中，可以通过图1和图2结合得到的跨导放大器模拟电阻或者电感；如图6所示为图1和图2结合得到的跨导放大器模拟得到的电阻结构示意图。

如图3所示，跨导放大器模拟得到的电阻结构包括：

跨导放大器gm，所述跨导放大器gm可以使用图1所示的结构实现；

另外，该电阻还包括：

跨导放大器gm的负相输出端与跨导放大器gm的共模反馈电压端连接（图中未示出）；

跨导放大器gm的正相输出端与跨导放大器gm的负相输入端连接，该连接的连接点作为电阻的第一端；

跨导放大器gm的负相输入端作为电阻的第二端。

其中，该电阻可以作为接地电阻或者浮地电阻，当图3中所述电阻第一端和第二端中有一端接地，另一端连接其他器件时，该电阻为接地电阻；当电阻的第一端和第二端均连接其他器件时，该电阻为浮地电阻。

图3所示的电阻中，仅通过一个跨导放大器进行电阻的模拟，为了使得跨导放大器模拟得到的电阻的性能更为接近实际的电阻，在实际应用中还可以通过两个图1所示的跨导放大器实现电阻的模拟，如图4所示，该电阻结构包括：

两个图1所示跨导放大器，分别为第一跨导放大器gm11和第二跨导放大器gm21，其中，

第一跨导放大器gm11的负相输出端与第一跨导放大器gm11的共模反馈电压端连接；第二跨导放大器gm21的负相输出端与第二跨导放大器gm21的共模反馈电压端连接；

第一跨导放大器gm11的正相输出端作为电阻的第一端，第一跨导放大器gm11的正相输入端作为电阻的第二端；

第一跨导放大器gm11的正相输出端、第二跨导放大器gm21的正相输入端以及第二跨导放大器gm21的正相输出端相互连接；第二跨导放大器gm21的负相输入端、第二跨导放大器gm21的正相输出端、第一跨导放大器gm11的正相输入端、第一跨导放大器gm11的负相输入端相互连接。

图5为图1所示的跨导放大器模拟得到的电感，如图5所示，该电感包括：

两个图1中所示的跨导放大器，分别为第一跨导放大器gm11和第二跨导放大器gm21，其中，

所述电感的第一端通过第二电容C2接地，且分别与第一跨导放大器gm11的正相输出端、第二跨导放大器gm21的正相输入端连接；电感的第二端分别与第一跨导放大器gm11的正相输入端、第二跨导放大器gm21的正相输出端连接；

第一跨导放大器gm11的负相输入端接地，第二跨导放大器gm21的负相输入端接地。

图6为跨导放大器模拟得到的电阻示意图，包括：

跨导放大器gm，该跨导放大器可以通过图1和图2结合得到的跨导放大器实现；

该电阻还包括：

跨导放大器gm的正相输入端与跨导放大器gm的负相输出端连接，该连接的连接点作为所述电阻的第一端；

跨导放大器gm的负相输入端与跨导放大器gm的正相输出端连接，该连接的连接点作为所述电阻的第二端。

以上图3~图6所示的电阻和电感均为有源器件，在实际应用中可以对应替换无源电阻和电感，例如在图7所示的7阶椭圆滤波器结构中，即可以使用图3或图4或图6所示的电阻实现图7中的电阻R1和R2，而不使用无源电阻，使用图5中的电感实现图7中的电感L2、L3、L4，而不使用无源电感。由于其中的跨导放大器的低功耗高线性度，因此，保证了由所述跨导放大器实现的所述电阻以及电感的低功耗和高线性度，进而相对于使用无源电阻和/或电感的滤波器，包含所述电阻和/电感的滤波器的截止频率、线性度等特性不随温度、工艺角等因素的影响，使得滤波器功耗低且线性度高。

当然，图7所示的滤波器仅为举例，本申请的电阻和电感还可以应用到其他滤波器，甚至其他的包含电阻和/或电感的电路结构中，同样可以降低这些电路的功耗，提高线性度。

最后，对于图1中所示的跨导放大器的工作原理进行说明：

在图1中，第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三NMOS管M3、第四NMOS管M4组成两组非对称差分放大电路，第五NMOS管M5和第六NMOS管M6组成翻转电压跟随器结构，该翻转电压跟随器尤其可以适用于低压应用场合中，用以在第五NMOS管M5的源级和第六NMOS管M6的漏极提供一个低阻点（例如可以为20欧到100欧的阻值），第八PMOS管M8给翻转电压跟随器结构提供电流偏置，第七PMOS管M7和第九PMOS管M9作为共模反馈管使用。

进一步的，对图1中的翻转电压跟随器进行进一步说明。如图8所示，将图1中除翻转电压跟随器之外的电路可以等效为电流源IBIAS，从而形成图8所示的翻转电压跟随器结构，该跟随器可以看成简单的第五NMOS管M5加上一个起并联反馈作用的第六NMOS管M6；流过第六NMOS管M6的电流保持恒定，忽略体效应和沟长调制效应，V_SGM1保持恒定，电压增益为1。这种跟随器结构可以吸收大量电流，而它吸收电流的能力取决于IBIAS的大小。

跟随器的吸收电流能力来源于输出节点的低阻抗效应，图9所示为翻转电压跟随器进行开环增益分析时的等效电路，可以根据图9所示模型推导出跟随器的输出阻抗大约为：

r₀=1/(g_M1g_M2r_o1) (1)

其中，g_M1为第一NMOS管M1的跨导；g_M2为第二NMOS管M2的跨导，r_o1为第一NMOS管M1的输出电阻。

如图1所示，参考电压端的电压V_ref取为

即输入共模电平。第一NMOS管M1与第三NMOS管M3的尺寸相等，第二NMOS管M2与第四NMOS管M4的尺寸相等，而第一NMOS管M1、第三NMOS管M3与第二NMOS管M2、第四NMOS管M4的尺寸存在一定比例，这样图1所示的跨导放大器就形成了不对称差分输入对管结构。如图10所示，可以认为图1所示跨导放大器中包含两个子跨导放大器构成，其中，第一子跨导放大器Gm1由第一NMOS管M1、第三NMOS管M3构成，第二子跨导放大器Gm2由第二NMOS管M2、第四NMOS管M4构成；

一般来说跨导放大器的输入输出特性可以近似为：

I_out=g_m1V_inp+g_m2V_inp ²+g_m3V_inp ³+g_m4V_inp ⁴+…(2)

g_mi表示跨导放大器的第i阶高次跨导项系数，i为自然数。在实际应用中，需要尽量的消除或减少一阶基频分量之外的所有高阶非线性分量。

因此，图1中第一子跨导放大器Gm1的正相输出端输出的电流为：

I_outp,1=g_m1,1V_inp+g_m2,1V_inp ²+g_m3,1V_inp ³+g_m4,1V_inp ⁴+…；

第一子跨导放大器Gm1的负相输出端输出的电流为：

I_outn,1=g_m1,1V_inn+g_m2,1V_inn ²+g_m3,1V_inn ³+g_m4,1V_inn ⁴+…；

第二子跨导放大器Gm2的正相输出端输出的电流为：

I_outp,2=g_m1,2V_inp+g_m2,2V_inp ²+g_m3,2V_inp ³+g_m4,2V_inp ⁴+…；

第二子跨导放大器Gm2的负相输出端输出的电流为：

I_outn,2=g_m1,2V_inn+g_m2,2V_inn ²+g_m3,2V_inn ³+g_m4,2V_inn ⁴+…；

其中，g_mi，j表示第j个子跨导放大器Gm_j的输出电流中的第i阶高次跨导项系数。例如g_m4,2表示第二子跨导放大器Gm2的输出电流中的第4阶高次跨导项系数。此外，V_inp表示子跨导放大器的正向输入电压；V_inn表示子跨导放大器的负向输入电压。

因此，如图10所示，图1所示电路采用两个子跨导放大器gm1和gm2的输出端交叉连接的结构时，两个子跨导放大器的输出项交叉求和，两个子跨导放大器具有不同符号的奇次项就被抵消掉一部分，因此图1所示的跨导放大器的非线性可以被减少，从而使得图1所示的跨导放大器得到较高的线性度。理想情况下，图1所示跨导放大器的输出电流I_out=(g_m1，1-g_m1，2)(V_inp-V_inn)。

本申请实施例的跨导放大器，是一种宽输入电压范围的恒定跨导AB类放大器电路结构，它由不对称差分MOS管交叉耦合而成，能在亚微米和深亚微米CMOS工艺条件下，以较低的功耗条件实现很高的线性度和恒定跨导范围，其线性度随电源电压、温度、工艺角等环境条件变化很小。

本申请实施例的跨导放大器和/或电阻和/或电感，能够适用于各种现有的电路中，尤其是滤波器，例如Gm-C滤波器中，以满足接收机系统线性度高的要求；另外，所述跨导放大器还可以应用于移动视频信号传输和开关电容电路中，满足两者对高线性度的要求。

由图2所示的共模反馈电路结合图1形成的跨导放大器，其稳定性较高，对于高频应用极为适合；

另外，本申请实施例的跨导放大器在深亚微米CMOS标准工艺下，能适应较低的电源电压，符合当今低压CMOS趋势。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims

1.一种跨导放大器，其特征在于，包括：

第六NMOS管的源极接地，栅极连接第五NMOS管的漏极；

第八PMOS管的漏极连接第五NMOS管的漏极；

2.根据权利要求1所述的跨导放大器，其特征在于，第一NMOS管的尺寸分别大于第二NMOS管和第四NMOS管的尺寸，且第三NMOS管的尺寸分别大于第二NMOS管和第四NMOS管的尺寸时，所述第一输出端为跨导放大器的负相输出端，所述第二输出端为跨导放大器的正相输出端；

3.根据权利要求1或2所述的跨导放大器，其特征在于，还包括：

第十PMOS管的栅极与第十一PMOS管的栅极连接；

4.一种电阻，其特征在于，包括权利要求1或2所述的跨导放大器，其中，

跨导放大器的负相输入端作为电阻的第二端。

5.一种电阻，其特征在于，包括权利要求3所述的跨导放大器，其中，

6.一种电阻，其特征在于，包括两个如权利要求1或2所述的跨导放大器，分别为第一跨导放大器和第二跨导放大器，其中，

7.一种电感，其特征在于，包括两个如权利要求1或2所述的跨导放大器，分别为第一跨导放大器和第二跨导放大器，其中，

8.一种滤波器，其特征在于，包括权利要求1至3任一项所述的跨导放大器，和/或，权利要求4至6任一项所述的电阻，和/或，权利要求7所述的电感。