CN103151991A - 用于电感峰化的放大器电感器共享 - Google Patents

Abstract

一种用于具有至少两级的放大器的电感峰化的共享电感器的方法，该方法包括：计算用于进行电感峰化的至少两级中的单级的单级电感，以具有稳定的脉冲响应。通过将单级电感除以至少两级的级数来计算用于电感峰化的共享电感。在至少两级之中共享至少两个具有共享电感的电感器，以进行电感峰化。本发明还提供了一种用于电感峰化的放大器电感器共享。

Description

用于电感峰化的放大器电感器共享

技术领域

本发明总体上涉及放大器，更具体地，涉及放大器的电感峰化（inductive peaking）。

背景技术

电感峰化使用在许多放大器应用方式（例如宽带放大器）中，以增加带宽。通过插入电感器并且利用电感器阻抗随频率的增加来补偿随频率减少增益的影响，从而实现了带宽增加。然而，电感器占用了相对较大的集成电路芯片面积。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一种共享电感器的方法，用于具有至少两级的放大器的电感峰化，所述方法包括：计算用于电感峰化的所述至少两级中的单级的单级电感，以具有稳定的脉冲响应；通过将所述单级电感除以所述至少两级的级数来计算用于电感峰化的共享电感；以及在所述至少两级之中共享至少两个具有所述共享电感的电感器，以进行电感峰化。

在该方法中，基于所述单级的传递函数的阻尼因数计算所述共享电感。在该方法中，将所述阻尼因数给定为

其中，R是连接到所述单级的输出节点的电阻器的电阻值，C是所述输出节点的输出负载电容，并且L是所述单级电感。

在该方法中，计算所述共享电感，使得所述阻尼因数为大约

在该方法中，还包括：根据带宽规格确定单级的带宽。

在该方法中，所述单级具有的带宽大约为1/(2πRC)，其中，R是连接到所述单级的输出节点的电阻器的电阻值，并且C是所述输出节点的输出负载电容。

在该方法中，所述单级电感为R²C/2。

在该方法中，还包括：基于增益规格确定级数。

根据本发明的另一方面，提供了一种放大器，包括：至少两级，其中，所述至少两级串联连接，并且每级都提供所述放大器的部分放大器增益；以及至少两个电感器，其中，所述至少两级共享所述至少两个电感器，以进行电感峰化，并且用于电感峰化的所述至少两个电感器中的每个电感器的电感值都等于用于单级的电感值除以级数。

在该放大器中，所述用于单级的电感值被选择为使得所述单级具有稳定的脉冲响应。

在该放大器中，基于所述单级的传递函数的阻尼因数计算出所述用于单级的电感值。

在该放大器中，所述阻尼因数给定为

其中，R是连接到所述单级的输出节点的电阻器的电阻值，C是所述输出节点的输出负载电容，并且L是所述单级电感。

在该放大器中，计算所述单级的电感值，以使所述阻尼因数为约

在该放大器中，所述至少两级中的每级都是具有两个输入节点和两个输出节点的差分放大器。

在该放大器中，每级都包括：两个晶体管，连接到相应的两个电阻器和相应的所述两个输入节点；以及所述两个电阻器，连接到相应的所述两个输出节点。

在该放大器中，每级的带宽都为大约1/(2πRC)，其中，R是所述两个电阻器中的每个电阻器的电阻值，并且C是所述两个输出节点中的每个节点的输出负载电容。

在该放大器中，所述单级的电感值为R²C/2。

根据本发明的又一方面，提供了一种共享电感器的方法，用于具有至少两级的放大器的电感峰化，包括：根据带宽规格确定所述至少两级中的单级的带宽；基于增益规格确定所述至少两级的级数；计算用于电感峰化的所述单级的单级电感，以具有稳定的脉冲响应；通过将所述单级电感除以所述级数并且基于所述单级的传递函数的阻尼因数计算用于电感峰化的共享电感；以及在所述至少两级之中共享至少两个具有所述共享电感的电感器，以进行电感峰化。

在该方法中，将所述阻尼因数给定为其中，R是连接到所述单级的输出节点的电阻器的电阻值，C是所述输出节点的输出负载电容，并且L是所述单级电感。

在该方法中，将所述共享电感计算为使得所述阻尼因数为约

附图说明

现将结合附图所进行的以下描述作为参考，其中：

图1是根据一些实施例的用于电感峰化的在多级中共享电感器的示例性放大器的示意图；

图2是根据一些实施例的图1中的放大器的示例性电路示意图；

图3A-图3B是根据一些实施例的类似于图2的示例性3级放大器以及没有针对不同电感值共享电感器的另一个示例性3级放大器的增益与频率之间的关系的示意图；

图4是根据一些实施例的类似于图2的示例性3级放大器以及没有针对不同电感值共享电感器的另一个示例性3级放大器的脉冲响应与时间之间的关系的示意图；

图5是根据一些实施例的用于对图2中的放大器进行电感峰化的共享电感器的示例性方法的流程图；

图6是根据一些实施例的图2中的具有Ln=L/N的示例性放大器，用于电感峰化的共享具有电感值L的电感器的另一个示例性放大器，没有共享电感器（具有用于电感峰化的独立的电感器）的有一个示例性放大器的电感器面积与级数之间的关系的示意图。

具体实施方式

下面，详细讨论本发明各实施例的制造和使用。然而，应该理解，本发明提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的概念。所讨论的具体实施例仅仅示出了制造和使用本发明的具体方式，而不用于限制本发明的范围。

图1是根据一些实施例的用于电感峰化的共享在多级中的电感器示例性放大器的示意图。放大器100具有N个级，例如：第一级102、第二级104、…、第N级106。N是大于1的整数。放大器输入信号Vi在通过提供相应的输出的每一级后被放大，例如在第一级后输出Vo1，在第二级104后输出Vo2，在第（N-1）级（未示出）后输出Vo(n-1)，并且在第N级后输出Von。

每级都具有如虚线示出的输出负载电容C。输出负载电容C不是一个加入到放大器100中的独立的物理元件，而是在每一级的每个输出节点处观察到的电容，主要源于下一（随后）级（或电路）。在其他实施例中，将独立的物理电容器在级的输出节点处加入到放大器100中。为了进行电感峰化（inductive peaking），放大器100的N个级共享在相同电流相位的电感器Ln。在该实例中，放大器100包括2个电感器Ln。在其他实施例中，电感器Ln的数量大于2。

图2是根据一些实施例的图1中的放大器的示例性电路示意图。放大器200包括第一级放大器202、第二级204、第三级206、…、第N级208。N是大于1的整数。第一级202具有差分输入Vip和Vin。第一级202的输出Vop1和Von1是第二级204的输入。第二级204的输出Vop2和Von2是第三级206的输入，等等。第N-1级（未示出）的输出Vop（n-1）和Von（n-1）是第N级208的输入。第N级208具有输出Vopn和Vonn。

每级都具有两个晶体管（例如，用于第一级202的T11和T12、用于第二级204的T21和T22、…、等等），这两个晶体管接收输入信号（例如，用于第一级202的Vin和Vip、用于第二级204的Vop1和Von1、…、等等）。每级的两个晶体管都连接到两个电阻器R、输入节点（例如，用于Vip和Vin的节点）、以及电流源I。每级的电阻器R都连接到相应的输出节点(例如，用于Vop1和Von1的节点)。为了对如图2中所示出的放大器200进行电感峰化，放大器200的N个级共享两个电感器Ln，其中，在每级中，每个电感器Ln都连接到相应的电阻器R（两个电阻器中的一个）。

由下列等式给出了每级（如202、204、206、208）的传递函数：

$\frac{V_{\mathrm{output}}}{V_{\mathrm{input}}}=g_m\left(\frac{R+\mathrm{sL}}{{\mathrm{LCs}}^2+\mathrm{RCs}+1}\right)=-g_{m}R\frac{s+2\mathrm{\ζ\ω}}{s^2+2\mathrm{\ξ\ωs}+{\mathrm{\ω}}^2}\frac{\mathrm{\ω}}{2\mathrm{\ξ}}$ 等式（1）

其中L是Ln的电感（对于单级），C是（单级的）输出节点的电容，R是电阻（对于单级），阻尼因数

gm是（单级的）一个晶体管（例如，T11或T12）的跨导。

例如，在第一级202中，Vinput是两个输入Vip和Vin之间的差，Voutput是两个输出Vop1和Von1之间的差。对于放大器200，选择阻尼因数和元件值如电阻和电容以便具有稳定的输出信号。在一个实例中，选择阻尼因数为

这使得电感L=R²C/2。关于阻尼因数的更多细节将在下面进一步描述。放大器200可在许多应用方式中使用，例如，宽带运算放大器、限幅放大器、跨阻抗放大器、等等。

图3A-图3B是根据一些实施例的类似于图2的示例性3级放大器以及没有针对不同电感值共享电感器的另一个示例性3级放大器的增益与频率之间的关系的示意图。在图3A中，波形302表示类似于图2的示例性3级放大器的增益与频率之间的关系，该示例性3级放大器具有大于L/3的电感Ln，其中L是基于关系式

计算得到的用于单级的值，阻尼因数为 $\mathrm{\ξ}=\frac{\sqrt{2}}{2}.$

另一波形304表示另一没有共享电感器的示例性3级放大器（每级都具有独立的电感器）的增益与频率之间的关系。波形302示出了在多级中共享的具有大于L/3的电感Ln，由于阻尼因数小于

使得增益与频率之间的关系图不稳定。

在图3B中，波形306表示具有小于L/3的电感Ln的示例性3级放大器的增益与频率之间的关系，其中L是如上描述计算得到的值，与阻尼因数为

相对应。另一波形308表示另一没有共享电感器的示例性3级放大器（每级都具有独立的电感器）的增益与频率之间的关系。波形306示出了具有在多级中共享的小于L/3的电感Ln，由于阻尼因数大于使得带宽减小。

共享Ln=L/N的电感的放大器具有与不共享电感器（每级都具有独立的电感器）的放大器相似的带宽。例如，对于共享两个L/2的电感器的示例性2级放大器，BW大约为21GHz，而不共享电感器（使用4个电感器）的示例性放大器具有大约19.5GHz的BW。同样，对于共享两个L/3的电感器的示例性3级放大器，BW为大约16.9GHz，而一个不具有共享电感器（使用6个电感器）的示例性放大器具有大约16.7GHz的BW。

图4是根据一些实施例的类似于图2的示例性3级放大器以及没有针对不同电感值共享电感器的另一个示例性3级放大器的脉冲响应与时间之间的关系的示意图。波形402表示类似于图2的示例性3级放大器的脉冲响应与时间之间的关系，该3级放大器具有大于L/3的电感Ln，其中，L是对应于

的阻尼因数的值。波形402示出需要花费相对较长的时间使脉冲响应稳定。

波长404表示图2中的示例性3级放大器的脉冲响应与时间的关系，该放大器具有等于L/3的电感Ln，其中L是如上描述计算得到的值，对应于阻尼因数波形406示出了另一没有共享电感器（每级都具有独立的电感器）的示例性3级放大器的脉冲响应与时间之间的关系。波形404和406示出了相似的脉冲响应。

波形408表示图2中的具有小于L/3的电感Ln的示例性3级放大器的脉冲响应与时间之间的关系，其中L是与阻尼因数

相对应的值。波形408示出了脉冲响应相对较慢（由于带宽减小）。

以上在图3A、图3B、和图4的仿真结果还应用到具有不同级数的放大器200中。例如，对于N级，如果Ln大于L/N，则放大器的增益与频率之间的关系将不稳定，而如果Ln小于L/N，则放大器将具有减小的带宽BW（N是大于1的整数）。因此，在一些实施例中，图2中的放大器200具有电感=L/N的电感器Ln，以提供稳定的增益与频率之间的关系，并且提供了具有改进带宽的脉冲响应。例如，对于2级放大器的Ln=L/2，对于5级放大器的Ln=L/5，等等。

图5是根据一些实施例的用于对图2中的放大器进行电感峰化的共享电感器的示例性方法的流程图。在步骤502，根据放大器的带宽（BW）规格确定单级的带宽。基于诸如连接到单级的输出节点的电阻器R和单级的输出负载电容C的元件值确定出带宽。例如，如果计算得到的带宽BW=1/(2πRC),那么当R为100Ω，并且C为500fF时，BW=3.18GHz。如果放大器的BW规格为3GHz，那么计算得到的带宽BW满足BW规格。

在步骤504中，基于增益规格确定级数N（N>1）。例如，如果增益规格为30dB并且每级的增益为10dB，则N=3级。在步骤506中，计算单级电容L以进行电感峰化，从而具有稳定的脉冲响应，例如，基于大约

的阻尼因数计算单级电容L。例如，指定元件R和C的上述实例值，并且为了使阻尼因数为

那么L=R²C/2=2.5nH。

在步骤508中，通过将单级电感除以级数N计算得到在图1和图2中的用于电感峰化的共享电感，例如Ln。例如，指定L为上述实例值，放大器为3级放大器，那么Ln=L/3=0.833nH。在步骤510中，在多级中共享至少2个具有共享电感Ln的电感器，以进行电感峰化，例如，如图2所示。

图6是根据一些实施例的图2中的具有Ln=L/N的示例性放大器，用于电感峰化的共享具有电感值L的电感器的另一个示例性放大器，没有共享电感器（具有用于电感峰化的独立的电感器）的有一个示例性放大器的电感器面积与级数之间的关系的示意图。

线602示出当放大器没有在多级中共享电感器（具有独立的电感器以进行电感峰化）时的电感器面积。该线示出了电感器面积随着级数线性增加。线604示出当放大器共享具有与单级相同的电感L的电感器时的电感器面积。线606示出用于图2中的示例性放大器的、具有电感Ln=L/N的电感器面积，这表示出与其他实例的放大器相比，电感器面积大大减小，随着级数的增加，差距变得越来越明显。

根据一些实施例，一种用于具有至少两级的放大器的电感峰化的共享电感器的方法包括：计算用于电感峰化的至少两级中的单级的单级电感，以具有稳定的脉冲响应。通过将单级电感除以至少两级的级数从而计算得到用于电感峰化的共享电感。在至少两级之中共享至少两个具有共享电感的电感器，以进行电感峰化。

根据一些实施例，一种放大器包括：至少两级，其中，至少两级串联连接，并且每级提供了放大器的部分放大器增益。该放大器包括：至少两个电感器。该至少两级共享至少两个用于电感峰化的电感器。至少两个电感器中的每个电感器都具有用于电感峰化的电感值，其等于单级电感除以级数。

本领域技术人员将会理解本发明可以有多种变化的实施例。虽然已经对本发明实施例和它们的特征进行了详细地描述，应当理解，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以在此进行多种变化、替换以及改变。此外，本申请的范围不局限于说明书中所描述的工艺、机器、制造以及要素组合、装置、方法和步骤的特定实施方式。本领域技术人员根据所公开的实施例将会容易理解：根据本发明，目前存在的或随后改进的、能够实施与本文所描述的相应实施方式大体相同的功能或实现大体相同的结果的工艺、机器、制造、要素组合、装置、方法或步骤也可以利用。

以上方法实施例示出了示例性步骤，但并不一定要求按照所示顺序实施。根据本发明实施例的主旨和范围，可以对步骤做适当的增加、替换、改变顺序和/或删除。结合了不同权利要求和/或不同实施例的实施例仍然属于本发明的范围之内，并且对本领域普通技术人员审阅本发明之后而言也是显而易见的。

Claims (10)

1.一种共享电感器的方法，用于具有至少两级的放大器的电感峰化，所述方法包括：

计算用于电感峰化的所述至少两级中的单级的单级电感，以具有稳定的脉冲响应；

通过将所述单级电感除以所述至少两级的级数来计算用于电感峰化的共享电感；以及

在所述至少两级之中共享至少两个具有所述共享电感的电感器，以进行电感峰化。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所述单级的传递函数的阻尼因数计算所述共享电感。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，将所述阻尼因数给定为

其中，R是连接到所述单级的输出节点的电阻器的电阻值，C是所述输出节点的输出负载电容，并且L是所述单级电感。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，计算所述共享电感，使得所述阻尼因数为大约

5.根据权利要求1所述的方法，还包括：根据带宽规格确定单级的带宽。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述单级具有的带宽大约为1/(2πRC)，其中，R是连接到所述单级的输出节点的电阻器的电阻值，并且C是所述输出节点的输出负载电容。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述单级电感为R²C/2。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括：基于增益规格确定级数。

9.一种放大器，包括：

至少两级，其中，所述至少两级串联连接，并且每级都提供所述放大器的部分放大器增益；以及

至少两个电感器，

其中，所述至少两级共享所述至少两个电感器，以进行电感峰化，并且用于电感峰化的所述至少两个电感器中的每个电感器的电感值都等于用于单级的电感值除以级数。

10.一种共享电感器的方法，用于具有至少两级的放大器的电感峰化，包括：

根据带宽规格确定所述至少两级中的单级的带宽；

基于增益规格确定所述至少两级的级数；

计算用于电感峰化的所述单级的单级电感，以具有稳定的脉冲响应；

通过将所述单级电感除以所述级数并且基于所述单级的传递函数的阻尼因数计算用于电感峰化的共享电感；以及

在所述至少两级之中共享至少两个具有所述共享电感的电感器，以进行电感峰化。

Images