CN103201697A - 具有良好匹配的开关电流镜 - Google Patents

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Abstract

通过将开关信号施加到与电流镜的参考通路和输出通路二者中的晶体管串联的接地通路开关，电流镜电路展现出改进的电流匹配。开关信号可以包括可被调相的高频信号。可以通过由解码的数字调制数据使施加到每个对应的串联连接的接地通路开关的开关信号符合要求，来选择性使能多个匹配的、并联连接的输出晶体管。在一个实施例中，调制数据被解码为温度码表示。在一个实施例中，开关数据通路与参考和输出电路相同。

Description

具有良好匹配的开关电流镜
优先权
本申请要求于2010年9月30日提交的题为“Switched Current Mirror withGood Matching”的美国临时专利申请号No.61/388,326的优先权，通过引用方式将其公开的内容并入本文中。
背景技术
电流镜是已知电路，其设计用于通过控制一个有源器件(例如晶体管)中的电流来复制通过另一个有源器件的电流，以在不关乎负载的情况下保持输出电流恒定。相比于输入电流，输出电流可以施加到不同的节点，并且具有由使用的输入和输出晶体管的比来设置的(相对于参考电流的)电流比。
晶体管的尺寸比以及因此的电流比，可以通过并联连接多个输出晶体管来改变。通过添加与并联连接的输出晶体管串联的开关，在任何给定时刻的电流镜中激活的输出晶体管的数量可以通过对开关进行控制来改变，并且电流比可以这种方式而被动态地控制。当开关由数字信号控制时，模拟输出电流可被数字地控制，表现得像数字到模拟转换器(DAC)。
图1描绘了其中有源器件是NMOS晶体管M1和M2的电流镜。由于R1，电流I1流过参考晶体管M1，引起栅极-源极电压Vgs1。输出NMOS晶体管M2的栅极-源极电压Vgs2是相同的(Vgs1＝Vgs2)，以在当用作开关的晶体管M4处于导通状态时导致了电流I2。这在当开关S1处于上部位置时发生，以将高电压加在M4的栅极上。与参考晶体管M1串联的晶体管M3也用作开关，其始终是“接通”，这是因为其栅极端被绑定为高。当开关S1处于下部位置时，开关M4不导通，或是断开的，造成电流12转为零。因此，开关S1控制电流I2以与I1成比例或为零。
当参考晶体管M1和输出晶体管M2具有相等布局，并且开关晶体管M3和M4也相同(实际上，M3只针对这种路径匹配而存在，因为它始终处于“接通”状态)，并且当然地R1＝R2时，电流I1和I2是几乎相等的。在这种情况下，如果S1切换以将脉冲串施加在具有50％占空比的M4的栅极上，则电流比I2/I1是二分之一(1/2)。施加到M4的栅极的开关信号的频率和脉冲宽度将影响该电流比。开关速度和脉冲宽度受产品结温度和产品工艺扩散影响，这导致关于输出电流I2的不可接受的大的扩散。这种扩散的一些可由反馈系统进行补偿。然而，测量高频开关信号具有有限的准确度，从而限制这种反馈系统的性能。
发明内容
通过将开关信号施加到与电流镜的参考电路和输出电路二者中的晶体管串联的接地通路开关，电流镜电路展现出改进的电流匹配。开关信号可以包括可以被调相的高频信号例如射频(RF)载波。通过由解码的数字调制数据使施加到每个对应的串联连接的接地通路开关的开关信号符合要求，可以选择性地使能多个匹配的、并联连接的输出晶体管。在一个实施例中，调制数据被解码为温度码(thermometer-coded)表示。在一个实施例中，开关信号通路基本上与参考和输出电路相同。
一个实施例涉及高频调制电流镜电路。该电路包括在输出功率控制器与到信号地的开关通路之间的二极管连接的参考晶体管。该电路还包括在公共负载与到信号地的独立开关通路之间的并联连接的多个输出晶体管，其中输出晶体管的栅极都连接到该参考晶体管的栅极。该电路还包括：用作接收高频信号的高频输入，以及用作接收和解码数字调制码的数字解码器。多个逻辑功能与多个输出晶体管关联。每个逻辑功能用作接收高频信号和解码的调制码的位。每个逻辑功能的输出用作控制输出晶体管的相应的接地通路开关。
另一个实施例涉及在电流镜电路中调制高频信号的方法。通过经由受高频信号控制的开关来将晶体管选择性地耦接到信号地，从而控制流过二极管连接的参考晶体管的电流。通过经由受高频信号和数字调制码控制的相应开关将晶体管的一些选择性地耦接到信号地，来被选择性地控制流过并联连接的并具有公共负载的多个输出晶体管中的一些的电流，其中输出晶体管的栅极全部连接到参考晶体管的栅极。
附图说明
图1是现有技术的电流镜电路的示意图。
图2是根据本发明的一个实施例的电流镜电路的功能示意图。
图3是根据本发明的一个实施例的具有多个输出晶体管单元的电流镜电路的功能示意图。
图4是根据本发明的一个实施例的具有多个输出晶体管单元和改善匹配的电流镜电路的功能示意图。
图5是根据本发明的一个实施例在电流镜电路中调制高频信号的方法的流程图。
具体实施方式
图2描绘了改进的电流镜电路10，其中为解释清楚起见，保留来自图1的现有技术电路的晶体管符号。注意到，虽然描述的晶体管是NMOSFET，但这不是本发明的限制，并且可以利用其它晶体管类型。电流镜电路10被配置为射频(RF)放大器。在参考电路中由线性功率控制电路12控制输出功率，以控制流过二极管连接的参考晶体管M1和关联的串联连接的接地通路开关M3的电流I1。如本领域已知的那样，二极管连接的晶体管是在栅极节点和漏极节点之间短路的晶体管。如在现有技术中，输出晶体管M2与参考晶体管M1的栅极连接造成栅极-源极电压相等(Vgs1＝Vgs2)，导致了流过输出晶体管M2和其串联连接的接地通路开关M4的成比例电流I2。电感负载14将输出信号驱动到天线16。
在电流镜电路10中，两个接地通路开关M3和M4由从开关控制功能18生成的信号来控制。通常，开关信号是由于处理、温度变化等而造成的具有有限的上升/下降时间和未知的占空比的高频信号(例如RF)。通过将开关信号施加到参考电路的接地通路开关M3和输出电路的接地通路开关M4，维持了在参考电流I1和输出电流I2之间的匹配，这是因为开关信号的变化被等同地施加到电流镜的两侧。当M2和M4分别匹配M1和M3并且相同开关信号被施加到M3和M4时，I2＝I1。
在图2的电路中，输出电流I2以及因此的电流比I2/I1，可通过改变输出晶体管M2相对于参考晶体管M1的有效尺寸(例如通过并联连接两个或更多个输出晶体管)来缩放。通过将并联的输出晶体管M2独立地切换进和切换出电路，电流比I2/I1可被动态控制。这需要用于每个并联连接的输出晶体管M2的单独接地通路开关M4。除了独立地使能输出晶体管M2的能力之外(即，甚至对于固定的电流比配置)每个输出晶体管M2应该与接地通路开关M4串联连接，这是因为开关M3和M4的串联电阻影响镜的匹配。
在利用并联的输出晶体管的一个实施例中，图2的RF放大器实现适于用在例如蓝牙
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发送器中的极性调制器。在本实施例中，包括输出晶体管M2和串联连接的接地通路开关M4的输出电路20，可以被复制并与选择性地切换进和切换出输出电路20的晶体管并联连接，以动态地改变电流比I2/I1。特别地，相位信息被调制到2.45GHz的载波信号上，由输入到控制功能18的RF表示。该RF信号用于控制所有接地通路开关M3、M4的切换。也输入到开关控制功能18的二进制调幅(AM)码被解码并且单独的位连同调相的RF载波一起被施加到并联输出接地通路开关M4。
这个放大器电路在图3中更详细地描述。参考电路19中的线性功率控制电路12通过控制施加到二极管连接的参考晶体管M1的电压来控制施加到负载14和天线16的信号的输出功率。这确定了参考电路19中的电流I1，其被输出电路20中的总计为I2的电流镜像。电流镜的输出电路20包括多个并联连接的输出单元22(在一个实施例中，255个输出单元22)。每个输出单元22包括：栅极连接到参考晶体管M1的输出晶体管M2，被配置为用作开关的串联连接的接地通路晶体管M4，以及向接地通路开关M4施加开关信号的逻辑功能24。
输出单元22是彼此组件匹配的。此外，输出晶体管M2和接地通路开关晶体管M4分别匹配参考晶体管M1和接地通路开关晶体管M3。如本文中使用的，组件匹配意味着在集成电路(IC)中实现的单元的有源特征的物理尺寸、导线长度、布局、环境等等是尽可能紧密匹配的。组件匹配的一个已知方法是在库中建立代表电路例如输出单元22，并且在IC芯片上“实例化”或创建同一库单元的多个实例，以创建多个实际的组件匹配的单元22。
解码器26接收二进制AM数据(例如以8位字节)。解码器将8位AM数据解码成例如255个温度码位。一个这样的位被施加到每个相对应的输出单元22的逻辑功能24。调相的RF载波信号被施加到逻辑功能24的另一输入。在(例如其中解码器26的输出为正逻辑的)一个实施例中，每个逻辑功能24实现在对应的解码的AM位和RF载波信号之间的逻辑“与”(AND)。在这种情况下，当对应的解码的AM位是逻辑1时，RF载波信号被施加到每个输出单元22中的接地通路开关晶体管M4的栅极。RF载波信号还被施加到在参考电路19中的接地通路开关晶体管M3的栅极。因此，对于具有对应的“使能的”解码的AM位的每个输出单元22，单元22中的电流与通过参考晶体管M1的电流匹配。因为输出单元22是并联连接的，所以这些电流在输出14处加和。对于对应的解码的AM位是逻辑零的每个输出单元22，接地通路开关M4断开，并且没有电流流入单元22。因而，施加到负载14的输出电流的幅度由数字AM调制码来确定。特别地，输出电流是参考电流的整数倍，乘数是使能的输出单元22的数量。
注意到，提供255个输出单元22以及将8位AM数据解码成温度码表示，提供了最大的控制粒度，这是因为总和电流I2的幅度可以取255个值中的任意一个。然而，这不是本发明的限制性特征。在其它实施例中，可以利用不同的数字编码或码的组合(例如，二进制组合和温度码)。这在具有输出电流I2幅度的控制粒度的某些丧失的情况下，可以通过提供少于255个输出单元22来减少电流镜电路的硅面积。
图4描绘了具有更大匹配的、以及因此更稳定的和可预测的输出电流I2的电流镜放大器电路。在本实施例中，参考电路19将相同的组件匹配的单元22用作并联连接的输出电路20。即，参考晶体管M1和串联连接的接地通路开关晶体管M3不但分别紧密匹配输出晶体管M2和接地通路开关晶体管M4，而且它们基本上是相同的。例如，单元22优选是来自库中的相同布局单元的实例。此外，单元22以及因此的参考电压电路19，包括逻辑功能24。为了在所有时间都使能参考电路19，逻辑功能24的一个输入被绑定为静态使能值，例如在“与”门情况下的逻辑1。这确保了施加到参考接地通路开关晶体管M3的栅极的RF开关信号与施加到每个使能的输出单元22的接地通路开关晶体管M4精确匹配(例如，基本上相同的传播延迟、扇出(fan-out)、驱动强度、电容负载，等等)。
图5描绘了在电流镜电路中调制高频信号的方法100。高频信号(例如调相的RF载波信号)被接收(方框102)。高频信号被施加到与参考晶体管串联的接地通路开关(例如被配置用作开关的晶体管)，以控制通过参考晶体管的电流(方框104)。数字调制数据(例如调幅数据)被接收并解码为例如温度码形式(方框106)。并联连接的并且每个栅极连接到参考晶体管的多个输出晶体管，通过将解码的调制数据和高频信号的逻辑功能(例如“与”)施加到与每个输出晶体管串联的接地通路开关(例如被配置为用作开关的晶体管)，来被选择性地使能，以控制通过输出晶体管的电流(方框108)。使能的输出晶体管的电流(其每个均与通过参考晶体管的电流成比例)随后被加和，以形成调制的输出电流。
在无需任何反馈机制的情况下，如本文中公开的电流镜电路相比于现有技术的电流镜，展现出优异的电流匹配。通过使用相同或紧密关联的开关信号来开关电流镜的参考电路和输出电路二者，开关信号的变化(例如有限的上升/下降时间和未知的占空比)不恶化地影响电流匹配，这是因为同样的效果被实现在电流镜的每一侧。通过输出单元彼此之间以及与参考电路密切匹配、并且经由解码的调制数据而有选择地使能输出单元，本发明的实施例实现了具有可预测的、性能稳定的和操作高效的调制放大器。
本领域技术人员将容易地意识到，本文中教导的发明概念的许多变化是欣然可以的，并且落入所附权利要求的范围内。例如，逻辑功能24可以如需要或期望的那样由与解码器26产生的对应的逻辑电平的任何逻辑与来实现，所述逻辑包括“与”、“与非”(NAND)、“或”(OR)、“或非”(NOR)、“异或”(XOR)、或“异或非”(XNOR)功能或它们的组合。此外，解码器26可以将调制数据解码为除温度码值之外的表示。此外，虽然本文中的代表电路具有作为放大器的实用性，但从公开中显然地，相同的发明原理可以适于实现其它电路功能例如简单的数字到模拟转换(DAC)。通常，在不脱离本发明的本质特性的情况下，本发明可以以本文中具体阐述的方式之外的其它方式来实现。本实施例在所有方面中都被认为是说明性的而非限制性的，并且来自所附权利要求的含义和等效范围内的所有变更都旨在被包含在其中。

Claims (22)

1.一种高频调制电流镜电路，包括：
在输出功率控制器与到信号地的开关通路之间的二极管连接的参考晶体管；
在公共负载与到信号地的独立开关通路之间的并联连接的多个输出晶体管，输出晶体管的栅极都连接到参考晶体管的栅极；
用作接收高频信号的高频输入；
用作接收和解码数字调制码的数字解码器；以及
与多个输出晶体管对应的多个逻辑功能，每个逻辑功能用作接收高频信号和解码的调制码的位，每个逻辑功能的输出用作控制输出晶体管的相应的接地通路开关。
2.根据权利要求1所述的电路，其中参考晶体管和接地通路开关与多个输出晶体管和接地通路开关的每个，被形成为组件匹配的单元。
3.根据权利要求1所述的电路，其中每个逻辑功能实现逻辑“与”功能。
4.根据权利要求1所述的电路，其中高频信号包括射频(RF)载波信号。
5.根据权利要求4所述的电路，其中RF载波信号是被调相的。
6.根据权利要求1所述的电路，其中数据调制码包括幅度调制数据。
7.根据权利要求6所述的电路，其中电流镜电路实现极性调制器。
8.根据权利要求1所述的电路，其中高频信号用作直接控制参考晶体管的接地通路开关。
9.根据权利要求1所述的电路，还包括额外逻辑功能，其将相同逻辑实现为多个逻辑功能，从而用于接收高频信号和静态使能值，额外逻辑功能的输出用作控制参考晶体管的接地通路开关。
10.根据权利要求9所述的电路，其中组件匹配的单元还包括相应的逻辑功能。
11.根据权利要求1所述的电路，其中解码的调制码是温度码。
12.一种在电流镜电路中调制高频信号的方法，包括：
通过经由受高频信号控制的开关来将晶体管选择性地耦接到信号地，从而控制流过二极管连接的参考晶体管的电流；以及
通过经由受高频信号和数字调制码控制的相应开关而将晶体管中的一个或多个选择性地耦接到信号地，来被选择性地控制流过并联连接的并具有公共负载的多个输出晶体管中的一个或多个晶体管的电流，其中输出晶体管的栅极全部连接到参考晶体管的栅极。
13.根据权利要求12所述的方法，其中参考晶体管、输出晶体管和它们相应的接地通路开关，被形成为组件匹配的单元。
14.根据权利要求12所述的方法，其中选择性地控制流过输出晶体管中的一些的电流包括：使用施加到高频信号和数字调制码的逻辑操作的输出来控制接地通路开关。
15.根据权利要求14所述的方法，其中逻辑操作是逻辑“与”功能。
16.根据权利要求12所述的方法，还包括接收数字调制数据以及对数据进行解码以生成数字调制码。
17.根据权利要求16所述的方法，其中数字调制码是温度码。
18.根据权利要求12所述的方法，其中通过经由受高频信号控制的开关来将晶体管选择性耦接到信号地从而控制流过二极管连接的参考晶体管的电流包括：使用高频信号来直接控制接地通路开关。
19.根据权利要求12所述的方法，其中通过经由受高频信号控制的开关来将晶体管选择性耦接到信号地从而控制流过二极管连接的参考晶体管的电流包括：使用在高频信号和静态使能信号上施加的逻辑操作的输出来控制接地通路开关。
20.根据权利要求19所述的方法，其中逻辑操作是逻辑“与”功能，并且静态使能信号是逻辑“1”。
21.根据权利要求19所述的方法，其中组件匹配的单元还包括实现逻辑操作的电路。
22.根据权利要求12所述的方法，其中高频信号是调相的射频(RF)信号。
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