CN106899274B - 可编程增益放大器、对应的装置和方法 - Google Patents
可编程增益放大器、对应的装置和方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106899274B CN106899274B CN201610362642.5A CN201610362642A CN106899274B CN 106899274 B CN106899274 B CN 106899274B CN 201610362642 A CN201610362642 A CN 201610362642A CN 106899274 B CN106899274 B CN 106899274B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- transistor
- input
- switching node
- sampling
- node
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 11
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims abstract description 59
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 56
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 claims abstract description 29
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 claims abstract description 29
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 26
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 26
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 26
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 claims abstract description 11
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 3
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims description 12
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims description 12
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 9
- 238000006880 cross-coupling reaction Methods 0.000 claims description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 claims description 4
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 4
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 3
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 2
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims 1
- 239000011295 pitch Substances 0.000 claims 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 claims 1
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 description 10
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000006870 function Effects 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- 238000002059 diagnostic imaging Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 101001091538 Homo sapiens Pyruvate kinase PKM Proteins 0.000 description 1
- 102100034911 Pyruvate kinase PKM Human genes 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/005—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements using switched capacitors, e.g. dynamic amplifiers; using switched capacitors as resistors in differential amplifiers
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03G—CONTROL OF AMPLIFICATION
- H03G3/00—Gain control in amplifiers or frequency changers
- H03G3/20—Automatic control
- H03G3/30—Automatic control in amplifiers having semiconductor devices
- H03G3/3036—Automatic control in amplifiers having semiconductor devices in high-frequency amplifiers or in frequency-changers
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03G—CONTROL OF AMPLIFICATION
- H03G1/00—Details of arrangements for controlling amplification
- H03G1/0005—Circuits characterised by the type of controlling devices operated by a controlling current or voltage signal
- H03G1/0088—Circuits characterised by the type of controlling devices operated by a controlling current or voltage signal using discontinuously variable devices, e.g. switch-operated
- H03G1/0094—Circuits characterised by the type of controlling devices operated by a controlling current or voltage signal using discontinuously variable devices, e.g. switch-operated using switched capacitors
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/20—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers
- H03F3/21—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers with semiconductor devices only
- H03F3/217—Class D power amplifiers; Switching amplifiers
- H03F3/2175—Class D power amplifiers; Switching amplifiers using analogue-digital or digital-analogue conversion
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/45—Differential amplifiers
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/45—Differential amplifiers
- H03F3/45071—Differential amplifiers with semiconductor devices only
- H03F3/45076—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier
- H03F3/45179—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier using MOSFET transistors as the active amplifying circuit
- H03F3/45264—Complementary cross coupled types
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
- H03F2200/312—Indexing scheme relating to amplifiers the loading circuit of an amplifying stage comprising one or more switches
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
- H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
- H03F2203/45288—Differential amplifier with circuit arrangements to enhance the transconductance
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Amplifiers (AREA)
- Control Of Amplification And Gain Control (AREA)
Abstract
本公开涉及可编程增益放大器、对应的装置和方法。可编程增益放大器包括:两个互补的交叉耦合晶体管对,以一个对中的每个晶体管具有与另一个对中的晶体管中的相应的一个晶体管的电流流动路径级联的电流流动路径的状态相互耦合。第一和第二耦合点形成在对之间;第一和第二采样电容器耦合至第一和第二耦合点。第一和第二输入级具有用以接收用于由第一和第二采样电容器采样的输入信号的输入。开关部件将第一和第二输入级耦合至采样电容器,使得输入信号被采样作为在采样电容器上的采样信号。开关部件激励互补的交叉耦合晶体管对,使得在采样电容器上采样的信号经受随时间呈指数增长的负电阻再生,以由此提供指数放大器增益。
Description
技术领域
本说明书涉及可编程增益放大器(PGA)。
一个或多个实施例的可能的应用可以包括超声(例如,便携式超声探测器)、医疗成像、硬盘(例如,读取通道)、无线通信等。
背景技术
可变增益放大器可以被用在增益控制环路中。
这些放大器的期望特征可以包括,例如:
具有例如50dB至60dB的最大增益和/或可能超过20MHz的恒定带宽的宽范围的增益变化,这意味着在几十GHz的数量级上的增益-带宽乘积;
低功耗;
以dB比例呈线性的增益控制。
用技术标准满足这些规范可能并不容易;尽管在该领域广阔的活动力,也仍然有改进的可编程增益放大器布置的需求。
发明内容
根据一个或多个实施例,可编程增益放大器具有所附权利要求中所阐述的特征。
一个或多个实施例还可以涉及对应的系统(例如,诸如便携式超声探测器等的超声装置、医疗成像系统、硬盘驱动器、无线通信设备)和对应的方法。
权利要求是在本文中所提供的一个或多个示例性实施例的本公开的不可分割的一部分。
一个或多个实施例可以提供线性再生放大器。
一个或多个实施例可以包括负电阻器,负电阻器包括具有差分布置的两个交叉耦合对和前置放大器级。
一个或多个实施例可以提供以下优点中的一个或多个:
高增益(可选地在单个级中,这有利于实现线性度),
宽的带宽,
低功耗,和
通过线性地(且精确地)改变再生时间实现的“自然”dB线性增益控制。
附图说明
现在将通过仅示例的方式参照附图来描述一个或多个实施例中,其中:
图1是一个或多个实施例的示意性框图示例,
图2包括两个部分a)和b),其中部分a)是对比如部分b)中所表示的某些定时信号的时间行为绘制的在一个或多个实施例中的输出电压的可能的时间行为的示例,
图3是一个或多个实施例的定时生成的示意性框图示例,和
图4在框图中进一步详细示出了图3的框图。
具体实施方式
在接下来的描述中,一个或多个特定细节被图示出,其目的是提供对实施例的示例的深入了解。实施例可以在没有特定细节中的一个或多个的情况下得到,或者可以利用其他方法、部件、材料等得到。在其他情况中,已知的结构、材料或操作未详细图示出或描述,使得实施例的某些方面将不被掩盖。
本说明书的体系中对“实施例”或“一个实施例”的引用意在指示出与实施例有关地描述的特别的配置、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此,可能存在于本说明书的一个或多个点中的诸如“在实施例中”或“在一个实施例中”等的短语不一定是指同一实施例。此外,特别的构造、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何适当的方式组合。
本文中所使用的附图标记仅仅为了方便而提供并因此不限定实施例的保护程度或范围。
为了简明起见,将在以下描述中借助于在括号之间的参考标号(例如,[X])来提到某些文献,其中标号指示了出现在本说明书的结尾的文献列表中的文献。
如所指示的,可编程增益放大器的期望的特征是dB线性增益控制。
行波(例如电磁波或者在人体内传播的压力波)可能经受到指数衰减。取决于线性控制而以dB线性地改变的指数增益因此是在打算处理对应的信号以便适当地补偿该衰减的放大器中的期望特征。dB线性控制牵涉到实施指数函数,这可能难以利用MOS技术实现。
可编程增益放大器可以准许多种实施方式。
这些实施方式中的一些(参见例如,IEEE电路系统I上的汇刊正式论文2006年8月第53卷第8期第1648页至1657页G.-H.Duong等人的:“95-dB线性低功率可变增益放大器”(G.-H.Duong,et al.:“A95-dB linear low-power variable gain amplifier”,IEEETrans.Circuits Syst.I,Reg.Papers,vol.53,no.8,pp.1648-1657,Aug.2006))可以基于指数函数的近似(例如,伪指数近似),这可能导致处于高增益和高功耗的有限的带宽。此外,该近似具有有限的操作范围。
其他实施方式(参见例如,IEEE固态电路的日志2002年5月第37卷第5期第553页至558页T.Yamaji等人的:“具有80-dB线性受控增益范围的温度稳定CMOS可变增益放大器”(T.Yamaji,et al.:“A temperature-stable CMOS variable-gain amplifier with 80-dB linearly controlled gain range”,IEEE J.Solid-State Circuits,vol.37,no.5,pp.553-558,May 2002))可以牵涉到电流“导引”。在该情况中,给定MOS二次特性,存在着用以产生指数函数的单独块的需要。
另一可能性(参见例如,IEEE固态电路的日志2009年9月第44卷第9期第2503页至2514页H.Elwan等人的:“65nm CMOS中的基于差分斜坡的65-dB线性VGA技术”(H.Elwan,etal.:“A differential-ramp based 65-dB linear VGA technique in 65nm CMOS”,IEEEJ.Solid-State Circuits,vol.44,no.9,pp.2503-2514,Sep.2009))牵涉到反馈环路中的运算放大器。在该情况中,可能会出现大面积占据并且可能需要复杂的斜坡生成器以便实现连续的增益范围。
在IEEE固态电路的日志2015年2月第50卷第2期第586页至596页H.Liu等人的“具有在0.18μm CMOS技术中的准确dB线性特性的基于单元的可变增益放大器”(H.Liu etal.,“Cell-Based Variable-Gain Amplifiers With Accurate dB-LinearCharacteristic in 0.18μm CMOS Technology,”IEEE J.Solid-State Circuits,vol.50,no.2,pp.586-596,Feb.2015)中公开了一种使用多级途径的开环构架。在这样的多级布置中,放大器的级联可以增加GBW,具有较高功耗和线性度不佳的缺点。此外,归因于添加的误差可能要求每个单个单元的准确修整以便在增益控制上实现良好的准确度。
再生放大被大规模地用在例如感测放大器、再生比较器中以使逻辑电平再生。
再生放大的基本操作原理可以举例如下。
对于t<0,经由“采样”开关在电容器C上采样输入信号Vin。采样开关随后断开并且电容器C经由“再生”开关与使跨电容器的电压再生的负电阻-R耦合。在时间t_reg之后,跨电容器的电压是正指数e(t_reg/RC)的Vin倍。
这使得通过线性地改变再生时间t_reg能够获得以dB线性受控的指数增益。
已观察到,再生放大可以用在基于闭合正反馈环路中的运算放大器的单端型的线性放大(例如作为分立部件实施方式(也就是非IC)的实施方式)中(参见例如,IEEE电路与系统I上的汇刊2009年9月第56卷第9期第1930页至1937页P.P.Schonwalder等人的“基带超再生放大”(P.P.Schonwalder et al.,“Baseband Superregenerative Amplification,”IEEE Trans.Circuits and Systems-I,vol.56,no.9,pp.1930-1937,Sept.2009))。这可能导致非常窄的带宽。
类似地观察到,出于电子器件的基础电路的交叉耦合对(参见例如,IEEE固态电路杂志2014年8月第6卷第3期第7页至10页B.Razavi的“交叉耦合对-部分I”(B.Razavi,“TheCross-Coupled Pair-Part I,”IEEE Solid-State Circuits Magazine,vol.6,no.3,pp.7-10,August 2014))处在最广泛采用的那些之中并且如今仍然在使用中。该装置布置产生了具有高增益和低功率的宽带正反馈,是模拟和数字应用两者中都期望的特征。它的小信号属性在振荡器、阻抗非元件(impedance negator)中一致地被利用并且以提高跨导器的增益,而双稳态行为在静态锁存器和存储器单元中被利用。传统上,它们的再生能力在感测放大器和高速比较器的设计中被利用。
一个或多个实施例因此可以依赖于离散时间线性放大上的交叉耦合对的性能,其中再生特征有利于可编程增益放大器(PGA)的实现。
如所指出的,PGA的期望的特征是提供dB线性增益控制的能力。这可能牵涉到实施指数函数,这可能是利用MOS器件的平方定律和线性I-V特性来实现的一个具有挑战性的任务。另外,增益变化的宽范围、大带宽和具有低功耗的轨到轨输出摆幅是期望的特征(参见例如,IEEE固态电路的日志2015年2月第50卷第2期第586页至596页H.Liu等人的“具有在0.18μm CMOS技术中的准确dB线性特性的基于单元的可变增益放大器”;IEEE固态电路的日志2013年2月第48卷第2期第456页至464页I.Choi等人的“具有增益误差补偿的准确dB线性可变增益放大器”(I.Choi et al.,“Accurate dB-Linear Variable Gain AmplifierWith Gain Error Compensation,”IEEE J.Solid State Circuits,vol.48,no.2,pp.456-464,Feb.2013);IEEE电路系统I上的汇刊正式论文2014年1月第61卷第1期第247页至257页R.Onet等人的“用于多标准WLAN/WiMAX/LTE接收器的紧凑型可变增益放大器”(R.Onet etal.,“Compact variable gain amplifier for a multistandard WLAN/WiMAX/LTEreceiver,”IEEE Trans.Circuits Syst.I,Reg.Papers,vol.61,no.1,pp.247–257,Jan.2014))。
一个或多个实施例因此可以基于如下认识:通过诉诸于再生放大,输出电压的指数增长可以使得能够实现dB线性增益控制。与此同时,再生可以大大地胜过连续时间放大器的线性增益带宽(GBW)权衡(参见例如,IEEE电路与系统I上的汇刊2009年9月第56卷第9期第1930页至1937页P.P.Schonwalder等人的“基带超再生放大”),从而产生了处于高频率且具有低功率的优异的驱动能力。
图1是包括了分别由Mn-a、Mn-b和Mp-a、Mp-b指定的两个互补的交叉耦合晶体管(例如,MOS)对的一个或多个实施例的示意性框图示例。
两个对可以以如下方式相互耦合:使得一个对中的每个晶体管的电流流动路径(即,电流源-电流宿(current source-current sink)路径、例如FET中的源极-漏极路径)与另一个对中的晶体管中的相应的一个的电流流动路径级联。
例如,在图1的示例性布置中:
-第一对中的晶体管Mn-a的电流流动路径与第二对中的晶体管Mp-a的电流流动路径级联;
-第一对中的晶体管Mn-b的电流流动路径与第二对中的晶体管Mp-b的电流流动路径级联。
在一个或多个实施例中,采样电容器Ca、Cb(例如,具有相同电容值)可以设置在晶体管对间的耦合点A、B(例如级联的电流流动路径的共用点(这里是漏极))与接地之间。
在一个或多个实施例中,采样电容器Ca、Cb可以由例如具有相同跨导值gm,in的由10、12指定的相应的跨导器级驱动。
跨导器级10、12可以具有用于接收输入(电压)信号Vin-、Vin+的相应的输入端子和用以提供待在电容器Ca、Cb上被采样的相应的输出信号的输出端子。
在一个或多个实施例中,跨导器级10、12可以利用CMOS反相器来实施以提供待在电容器Ca、Cb上被采样的相应的输出信号Vout+、Vout-。
在一个或多个实施例中,电路可以利用由开关(例如,诸如MOSFET等的电子开关)钟控的操作设置在供电电压轨Vdd与接地之间,该开关包括:
-(第一)开关101,用第一相位Φ1钟控,该开关设置在点A与B之间;
-(第二)组开关201、202、203、204、205、206,用第二相位Φ2钟控并且被配置成i)将跨导器级10、12的输出耦合至相应的采样电容器Ca、Cb,和ii)将跨导器级10、12耦合在供电电压Vdd与接地之间;
-(第三)组开关301、302,用第三相位Φ3钟控并且被配置成将两个互补的交叉耦合晶体管对Mn-a、Mn-b和Mp-a、Mp-b耦合在电压Vdd与接地之间。
将领会的是,虽然不是强制性的,但是当跨导器级10、12的输出被耦合至相应的采样电容器Ca、Cb时将跨导器级10、12耦合在供电电压Vdd与接地之间可以有利于降低功耗,只要跨导器级10、12将(仅)在信号采样到电容器Ca、Cb上期间被激励。
在本文中所举例的,通过相位Φi(i=1、2、3)钟控的某开关/组开关意味着开关/多个开关将在表示相位的信号是“高”时闭合(也就是接“通”、例如进行导电),并且在表示相位的信号是“低”时断开(也就是关“断”、例如不进行导电)。三个相位(Φ1、Φ2、Φ3)的可能的时间行为被举例在图2的部分b)中。
这对应于具有四个根据下表的随后的复位、采样、再生和保持间隔Tres、Tsmp、Treg、Thld的时段TCK的电路的循环操作。
将另外领会的是,如下文中所举例的操作可以利用可由本领域技术人员设想到的不同布置的开关和相位来得到。
无论实施例的什么特定细节,在时段TCK期间,差分输出(Vout+-Vout-)都可以通过在Φ1和Φ3同时为高而Φ2为低的情况下接通交叉耦合对、经由具有设置为大约Vdd/2的共模电压的开关101将两个电容器Ca、Cb短接而首先在复位Tres期间归零。
在采样(Φ2为高,以及Φ1和Φ3为低)期间,输入信号可以被部分放大并且在Ca、Cb上被采样。在Φ2的结束时,假定合理的短采样时间Tsmp,则差分输入电压Vin(Vin+-Vin-)通过(gm,in/Ca,b).Tsmp被近似地放大。
再生可以接着通过向交叉耦合对Mn-a、Mn-b和Mp-a、Mp-b供电(Φ3为高以及Φ1和Φ2为低)而在Treg期间发生。交叉耦合对Mn-a、Mn-b和Mp-a、Mp-b可以使Ca、Cb与负电阻形成分路,从而产生负时间常数τreg=-Ca,b/gm,xc(其中gm-xc=(gm,n+gm,p))和Vout的指数增长。
在再生、即Treg之后,电路可以进入交叉耦合对被关断的情况下的保持模式Thld(Φ1、Φ2和Φ3全部为低)并且Vout的最终值被存储在Ca和Cb上。
由Vin的采样值经历的增益可以表达为:
Av=(gm,in/Ca,b).Tsmp.eT reg /│τ reg│
也就是具有归因于采样的第一项和归因于再生的第二项,其展现出在Treg/|τreg|上的指数依赖性。
在一个或多个实施例中,dB线性增益控制因此可以通过线性地改变Treg来实现。
再生允许高增益,从而产生了对于GBW的非常高的值。
例如,利用时钟频率fck=100MHz,信号带宽可以通过采样时间操作限制为50MHz。
在一个或多个实施例中,利用例如gm,xc=2.5mS和Ca=Cb=2pF,|τreg|=800ps。
假定采样阶段Tsmp中的0dB增益和限制为0.5TCK的Treg(以留下用于复位、采样和保持阶段的余量),则可以实现54.3dB的增益。对应的GBW是25.9GHz,比利用交叉耦合对的相同gm驱动Ca、Cb的连续时间放大器的GBW高大约130倍。
在一个或多个实施例中,为了避免处于高增益的饱和,静态和动态偏移可以经由如图1所示的两个电流源I1和I2(例如,以本身已知的方式由电荷泵差分地驱动)被校正。
在一个或多个实施例中,放大器噪声性能可以主要由输入跨导器10、12和交叉耦合对Mn-a、Mn-b和Mp-a、Mp-b决定。
考虑到热噪声,发现等效输入噪声功率v2 n,in包括独立于gm,n和gm,p的来自交叉耦合对的贡献。此外,在采样阶段中的适度增益被发现足以使它可忽略不计,留下了输入跨导器作为主噪声源。
在一个或多个实施例中,增加Tsmp被发现降低了v2 n,in,其中Tsmp还增加了采样阶段中的增益。
合理的选择可以因此通过输入跨导器的噪声性能与增益压缩之间的折衷来决定。在采样阶段中提供了12.8dB增益和v2 n,in=(54.3μVrms)2的诸如gm,in=3.5mS(S=西门子)和Tsmp=2.5ns等的值被发现提供满意的操作。
在一个或多个实施例中,三个级联的脉冲生成器14、16、18可以由外部时钟CK驱动,并且在16和18的输入处具有逻辑反相器15和17可以提供如图2中所描绘的放大器控制信号。利用这样的级联连接,可以避免相位的重叠。
在一个或多个实施例中,时间Treg的线性变化可以通过使电容的充电电流随数字至模拟(DAC)电流变化而得到。
在一个或多个实施例中,可以使Treg是可编程的,例如通过将Φ3提供为OR(或)门20的输出,OR门20使Φ1(在脉冲生成器14的输出处取得)以及如图4中所举例实施的脉冲生成器18的输出作为其输入。在图3中所举例的布置中,Φ2可以在脉冲生成器16的输出处取得。
如图4中所举例的脉冲生成器18包括接收来自反相器17的输出作为CLK输入IN(D输入被设置为Vdd)的输入触发器180,而来自触发器180的输出Q将输出OUT提供至门20。
来自触发器180的输出Q也可以经由反相器181作为(低电平有效的)使能信号neg(en)被馈送至数字至模拟转换器(I-DAC)182。DAC 182可以接收调节信号dreg(例如,<5:0>),并且除了参考电流Iref之外还朝向晶体管(例如,MOSFET)M1提供输出电流I0,晶体管M1的控制电极(例如,栅极)可以耦合至来自反相器180的输出。电容器C0可以设置在晶体管M1的至DAC 182的耦合点(例如,漏极)与接地之间。晶体管M1的至DAC 182的耦合点也可以经由反相器183被称为FF 180的复位输入。
图4的布置的操作可以描述如下。
输出OUT利用通过M1被短接至接地的电容器C0而通常为低。触发器的CLK输入上的上升沿触发输出脉冲,例如其中触发器180的输出Q变成高,使得C0能够经由电流I0充电。当跨C0的电压达到反相器183的逻辑阈值时,触发器180被复位并且其输出Q变成低。I0可以经由DAC 182被设置具有例如6位分辨率,从而允许了在输出脉冲持续时间上的线性控制。
在一个或多个实施例中,在控制信号中的定时抖动可能会限制放大器信噪比(SNR),这主要是针对采样和再生阶段、也就是Φ1和Φ3的情况。对应的SNR可以被表达为σsmp和σreg的函数,即表示在Tsmp和Treg上的均方根抖动。
在一个或多个实施例中,图3和图4的脉冲生成器可以被设计为实现例如8ps的最大抖动,从而导致大约50dB的SNRsmp和大约40dB的SNRreg。
在本文中所举例的一个或多个实施例可以适于例如在0.18μm CMOS技术中实施。
由申请人执行的测量已显示具有大约0.6dB最大增益误差的跨越50MHz带宽的从15dB到66dB的dB线性放大。当驱动2pF负载电容器时,在本文中所举例的一个或多个实施例可以实现具有仅420μW功耗的多达100HGz的GBW。
在由申请人执行的测试(例如,使PGA操作于20dB和60dB的两个增益设置以及10MHz与100MHz的两个不同时钟频率)中,包括了控制信号生成的内核功耗被发现随时钟频率几乎线性地上升,在100MHz处Vdd=1.8V的情况下具有420μW的值
通过在确定Treg时改变DAC 180的控制代码dreg,得到了具有与理想dB线性曲线相距+/-0.6dB最大偏差的从15dB到66dB的增益范围。频率响应被发现多达50MHz都几乎是平坦的(小于3dB变化),独立于增益设置。从测量估计出(76μVrms)2的等效输入噪声功率,对应于跨越10.7nV/(Hz)1/2的50MHz带宽分布的功率谱密度。
执行了在处于45dB增益的输入-输出曲线和THD方面的失真测试,具有-2dBV(在50Ω负载上的8dBm)的输出1dB增益-压缩点OP1dB。处于OP1dB的THD被发现是-32dB并且与从10dB开始退下来的-40dB相比更好。利用由100kHz分开的-14.7dBV的两个单音的IM3测试指示出低于主单音的处于38.1dB的IM3,对应于4.3dBV(14.3dBm)的等效OIP3。
噪声和失真因此被发现是与以类似带宽和dB线性增益控制为特征的其他放大器布置相比相当的或者更好。例如,IEEE固态电路的日志2013年2月第48卷第2期第456页至464页I.Choi等人的“具有增益误差补偿的准确dB线性可变增益放大器”的布置在65nmCOMS中示出具有限制为14.8MHz的带宽和五倍高的功耗的较低噪声。
在本文中所举例的一个或多个PGA实施例因此被发现能够直接驱动大负载电容器而显示出具有仅420μW功耗的100GHz的GBW。
一个或多个实施例中的再生电路的存在可以例如通过观察示出了线性放大器的输出与再生放大器的输出之间的明显差异的信号的随时间的趋势来检测。
一个或多个实施例因此可以提供一种可编程增益放大器,包括:
-两个互补的交叉耦合晶体管(例如,MOS)对(参见例如Mn-a、Mn-b;Mp-a、Mp-b),以一个对中的每个晶体管具有与另一个对中的晶体管中的相应的一个晶体管的电流流动路径级联的电流流动路径的状态相互耦合,以在所述互补的交叉耦合晶体管对之间提供第一和第二耦合点(例如,A、B);
-第一和第二采样电容器(例如,Ca、Cb),被分别设置在所述第一耦合点与接地之间和所述第二耦合点与接地之间;
-第一和第二输入(例如,10、12)级,具有用于接收用于由所述第一和第二采样电容器采样的输入信号(例如,Vin-、Vin+)的输入端子;
-开关部件(例如,201至206;301、302),可选择性地激活:
-i)以将所述第一和第二输入级耦合至所述第一和第二采样电容器,其中所述输入信号被采样作为在所述第一和第二采样电容器上的采样信号(例如,Vout+,Vout-),以及
-ii)以激励所述互补的交叉耦合晶体管对,由此在所述第一和第二采样电容器上的所述采样信号经受随时间呈指数增长的负电阻再生,由此提供指数放大器增益。
一个或多个实施例可以包括设置在所述第一和第二采样电容器之间的另一开关部件(例如,101),所述另一开关部件可激活以将所述第一和第二采样电容器短路以用于放大器复位(例如,Tres)。
在一个或多个实施例中,所述第一和第二输入级可以包括跨导器级,可选地反相器类型的、例如CMOS跨导器级。
一个或多个实施例可以包括定时电路(例如,14至18、20),用于激活(参见例如相位Φ3)所述开关部件(例如,301、302)以在所述负电阻再生期间跨越受控时间跨度(例如,Treg)激励所述互补的交叉耦合晶体管对,由此控制所述指数放大器增益。
在一个或多个实施例中,所述定时电路可以包括:
-数字至模拟转换器(例如,182),具有用于接收表示所述受控时间跨度的数字信号(dreg)的输入,并且产生取决于所述数字信号的充电电流(例如,I0),
-定时电容器(例如,C0),用所述充电电流充电,
-逻辑电路(例如,触发器180),被配置用于当所述定时电容器上的电荷达到电荷阈值时激活(Φ3)所述开关部件以激励所述互补的交叉耦合晶体管对。
一个或多个实施例可以提供包括如先前所讨论的可编程增益放大器的电子装置。诸如便携式超声探测器等的超声装置、医疗成像系统、硬盘驱动器、无线通信设备可以是这样的装置的示例。
在一个或多个实施例中,如先前所讨论的可编程增益放大器可以通过激活所述开关部件来操作:
-在采样间隔(例如,Tsmp)期间以将所述第一和第二输入级耦合至所述第一和第二采样电容器,由此所述输入信号被采样作为在所述第一和第二采样电容器上的采样信号,
-在跟随所述采样间隔的再生间隔(例如,Treg)期间以激励所述互补的交叉耦合晶体管对,由此在所述第一和第二采样电容器上的所述采样信号经受随时间呈指数增长的负电阻再生,由此提供指数放大器增益。
一个或多个实施例可以包括改变所述再生间隔的持续时间由此改变所述指数放大器增益。
一个或多个实施例可以包括以下项中的至少一项:
-在所述再生间隔之后将所述互补的交叉耦合晶体管对去激励,其中归因于负电阻再生而随时间呈指数增长的所述采样信号在所述第一和第二采样电容器上被保持(Thld);和/或
-在放大器复位间隔(例如,Tres)期间将所述第一和第二采样电容器短路。
在不影响基本原理的情况下,细节和实施例可以相对于已通过仅示例的方式所公开的那些是变化的、甚至显著地变化,而不脱离保护的程度。
保护的程度由所附权利要求限定。
以上所描述的各种实施例可以被组合以提供进一步的实施例。在该说明书中提到的和/或申请数据表中列出的美国专利、美国专利申请出版物、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利出版物所有都通过引用全部合并于此。实施例的多个方面可以被修改,如果有必要采用各种专利、申请和出版物的概念以提供又进一步的实施例的话。
可以鉴于以上详述的描述对实施例做出这些和其他改变。一般情况下,在以下权利要求中,所使用的术语不应该被解释成将权利要求限制为说明书和权利要求中所公开的特定实施例,而是应该解释成包括所有可能的实施例连同这样的权利要求所赋予的等效物的全部范围。因此,权利要求不受本公开的限制。
Claims (19)
1.一种可编程增益放大器,包括:
两个互补的交叉耦合晶体管对,以一个对中的每个晶体管具有与另一个对中的晶体管中的相应的一个晶体管的电流流动路径级联的电流流动路径的状态相互耦合,以在所述互补的交叉耦合晶体管对之间提供第一耦合点和第二耦合点;
第一采样电容器和第二采样电容器,被分别设置在所述第一耦合点与接地之间和所述第二耦合点与接地之间;
第一输入级和第二输入级,具有用于接收用于由所述第一采样电容器和所述第二采样电容器采样的输入信号的输入端子;
第一开关部件,可选择性地激活:
以将所述第一输入级和所述第二输入级耦合至所述第一采样电容器和所述第二采样电容器,其中所述输入信号被采样作为在所述第一采样电容器和所述第二采样电容器上的采样信号,以及
以激励所述互补的交叉耦合晶体管对,使得在所述第一采样电容器和所述第二采样电容器上的所述采样信号经受随时间呈指数增长的负电阻再生,由此提供指数放大器增益。
2.根据权利要求1所述的可编程增益放大器,包括设置在所述第一采样电容器和所述第二采样电容器之间的第二开关部件,所述第二开关部件可激活以将所述第一采样电容器和所述第二采样电容器短路用于所述可编程增益放大器的复位。
3.根据权利要求2所述的可编程增益放大器,其中所述第一输入级和所述第二输入级包括跨导器级。
4.根据权利要求3所述的可编程增益放大器,其中所述第一输入级和所述第二输入级包括CMOS跨导器级。
5.根据权利要求4所述的可编程增益放大器,进一步包括定时电路,所述定时电路用于激活所述第一开关部件以在所述负电阻再生期间跨越受控时间跨度激励所述互补的交叉耦合晶体管对,由此控制所述指数放大器增益。
6.根据权利要求5所述的可编程增益放大器,其中所述定时电路包括:
数字至模拟转换器,具有用于接收表示所述受控时间跨度的数字信号的输入,并且产生取决于所述数字信号的充电电流,
定时电容器,用所述充电电流充电,
逻辑电路,被配置用于当所述定时电容器上的电荷达到电荷阈值时激活所述第一开关部件以激励所述互补的交叉耦合晶体管对。
7.一种电子装置,包括:
可编程增益放大器,包括:
两对互补的交叉耦合晶体管,一个对中的每个晶体管具有与另一个对中的晶体管中的一个晶体管串联的电流流动路径,第一耦合节点和第二耦合节点形成在所述两对互补的交叉耦合晶体管之间的互连处,并且所述两对互补的交叉耦合晶体管被耦合在供电电压节点与参考电压节点之间;
第一采样电容器和第二采样电容器,被分别耦合至所述第一耦合节点和所述第二耦合节点;
第一输入电路和第二输入电路,具有被配置成分别接收第一输入信号和第二输入信号的输入,并且分别具有第一输出和第二输出;
开关电路,被配置成在采样间隔期间将所述输入电路的所述第一输出和所述第二输出耦合至所述第一耦合节点和所述第二耦合节点,以对所述第一采样电容器和所述第二采样电容器充电并由此采样所述第一输入信号和所述第二输入信号,并且所述开关电路进一步被配置成在再生间隔期间提供在供电节点上的供电电压和在所述参考电压节点上的参考电压,以产生跨越所述再生间隔呈指数增加的跨所述第一耦合节点和所述第二耦合节点的电压;
电子电路装置,被耦合至所述可编程增益放大器的所述第一耦合节点和所述第二耦合节点。
8.根据权利要求7所述的电子装置,其中所述开关电路被进一步配置成:在复位间隔期间将所述第一耦合节点耦合至所述第二耦合节点,并且使所述供电电压节点和所述参考电压节点分别与所述供电电压和所述参考电压隔离,并且还使所述输入电路的所述第一输出和所述第二输出分别与所述第一耦合节点和所述第二耦合节点隔离。
9.根据权利要求8所述的电子装置,其中所述两对互补的交叉耦合晶体管包括:
一对交叉耦合的PMOS晶体管,其中所述一对交叉耦合的PMOS晶体管中的一个晶体管被耦合在所述供电电压节点与所述第一耦合节点之间,并且所述一对交叉耦合的PMOS晶体管中的另一个晶体管被耦合在所述供电电压节点与所述第二耦合节点之间;和
一对交叉耦合的NMOS晶体管,其中所述一对交叉耦合的NMOS晶体管中的一个晶体管被耦合在所述第一耦合节点与所述参考电压 节点之间,并且所述一对交叉耦合的NMOS晶体管中的另一个晶体管被耦合在所述第二耦合节点与所述参考电压 节点之间。
10.根据权利要求9所述的电子装置,其中所述第一输入电路和所述第二输入电路中的每个输入电路包括跨导器级。
11.根据权利要求10所述的电子装置,其中每个跨导器级包括CMOS反相器。
12.根据权利要求11所述的电子装置,进一步包括产生多个控制信号的定时电路,所述开关电路响应于所述多个控制信号而在所述采样间隔、再生间隔和复位间隔中可操作。
13.根据权利要求12所述的电子装置,其中所述定时电路被配置成使所述再生间隔的持续时间变化以由此控制所述可编程增益放大器的指数增益。
14.根据权利要求13所述的电子装置,其中所述定时电路包括被配置成接收确定所述再生间隔的所述持续时间的数字输入的数字至模拟转换器。
15.根据权利要求7所述的电子装置,其中所述电子电路装置包括超声电路装置、医疗成像电路装置、硬盘电路装置和无线通信电路装置之一。
16.一种方法,包括:
在采样间隔期间在第一耦合节点和第二耦合节点上存储输入信号的值;
在所述采样间隔之后的再生间隔期间呈指数放大跨所述第一耦合节点和所述第二耦合节点的电压,所述呈指数放大包括激励耦合至所述第一耦合节点和所述第二耦合节点的两个互补的交叉耦合晶体管对;
选择性地改变所述再生间隔的持续时间以由此改变所述指数放大的指数增益。
17.根据权利要求16所述的方法,其中选择性地改变包括:
用具有基于调节值的值的电流对电容器充电;和
响应于跨所述电容器的电压终止所述再生间隔。
18.根据权利要求16所述的方法,进一步包括在所述采样间隔之前发生的复位间隔期间使所述第一耦合节点和所述第二耦合节点上的电压平衡。
19.根据权利要求16所述的方法,进一步包括以下步骤中的至少一个步骤:
在所述再生间隔之后将所述两个互补的交叉耦合晶体管对去激励;和
在所述再生间隔之后去激励时,将指数输出信号存储在所述第一耦合节点和所述第二耦合节点上,所述指数输出信号对应于跨越所述再生间隔的时间呈指数增长的、在所述采样间隔之后的所述耦合节点上的所述输入信号的值。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
ITUB2015A009673A ITUB20159673A1 (it) | 2015-12-21 | 2015-12-21 | Amplificatore a guadagno programmabile, dispositivo e procedimento corrispondenti |
IT102015000085908 | 2015-12-21 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN106899274A CN106899274A (zh) | 2017-06-27 |
CN106899274B true CN106899274B (zh) | 2019-09-24 |
Family
ID=55538556
Family Applications (2)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201620498293.5U Withdrawn - After Issue CN205883178U (zh) | 2015-12-21 | 2016-05-26 | 可编程增益放大器以及电子装置 |
CN201610362642.5A Active CN106899274B (zh) | 2015-12-21 | 2016-05-26 | 可编程增益放大器、对应的装置和方法 |
Family Applications Before (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201620498293.5U Withdrawn - After Issue CN205883178U (zh) | 2015-12-21 | 2016-05-26 | 可编程增益放大器以及电子装置 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US9853617B2 (zh) |
EP (1) | EP3185415B1 (zh) |
CN (2) | CN205883178U (zh) |
IT (1) | ITUB20159673A1 (zh) |
Families Citing this family (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2017070389A1 (en) * | 2015-10-21 | 2017-04-27 | Chirp Microsystems, Inc. | Efficient on-chip high-voltage driver circuit for ultrasonic transducer |
US10033364B1 (en) * | 2017-05-31 | 2018-07-24 | Silicon Laboratories Inc. | Low power compact peak detector with improved accuracy |
US10396779B2 (en) * | 2017-05-31 | 2019-08-27 | Texas Instruments Incorporated | Ground switching for speaker current sense |
FR3072520B1 (fr) | 2017-10-16 | 2020-09-04 | St Microelectronics Tours Sas | Circuit de commande d'un thyristor ou triac |
US10505509B2 (en) * | 2017-10-31 | 2019-12-10 | Cisco Technology, Inc. | Process and temperature insensitive linear circuit |
CN107634732B (zh) * | 2017-11-06 | 2023-10-20 | 长鑫存储技术有限公司 | 一种时间放大器以及半导体存储器 |
CN110098824B (zh) * | 2019-05-09 | 2020-10-09 | 中国电子科技集团公司第二十四研究所 | 基于衬底增强型的比较器及电子设备 |
CN111181386B (zh) * | 2020-01-14 | 2021-05-14 | 电子科技大学 | 一种增益可变的交叉耦合型电荷泵 |
CN111211771B (zh) * | 2020-02-26 | 2023-10-24 | 中国科学院微电子研究所 | 一种高速数据缓冲器 |
CN112436811B (zh) * | 2020-10-13 | 2021-06-08 | 华南理工大学 | 一种基于金属氧化物tft的运算放大器、芯片及方法 |
CN113328711B (zh) * | 2021-06-21 | 2022-07-26 | 浙江大学 | 恒定跨导轨到轨输入差分输出的高速可编程增益放大器 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5548453A (en) * | 1992-10-30 | 1996-08-20 | Sony Corporation | Reproducing circuit for magneto-resistive head having an initial amplifying stage, a differential amplifying stage, and means for controlling the time of operation thereof |
US6486711B1 (en) * | 1998-07-15 | 2002-11-26 | Texas Instruments Incorporated | Capacitor-based exponential programmable gain amplifier |
CN1734930A (zh) * | 2004-08-12 | 2006-02-15 | 因特格瑞特科技有限公司 | 使用开关的高线形可编程序增益放大器 |
US7276962B1 (en) * | 2005-11-21 | 2007-10-02 | National Semiconductor Corporation | Circuit topology for reduced harmonic distortion in a switched-capacitor programmable gain amplifier |
CN101375504A (zh) * | 2006-01-24 | 2009-02-25 | 英国福威科技有限公司 | 低噪声放大器 |
CN101826843A (zh) * | 2010-05-06 | 2010-09-08 | 复旦大学 | 一种在低增益时线性度优化的可变增益放大器 |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6750727B1 (en) * | 2000-05-17 | 2004-06-15 | Marvell International, Ltd. | Low phase noise MOS LC oscillator |
US6784734B2 (en) * | 2002-06-05 | 2004-08-31 | Texas Instruments Incorporated | All digital transistor high gain operational amplifier using positive feedback technique |
-
2015
- 2015-12-21 IT ITUB2015A009673A patent/ITUB20159673A1/it unknown
-
2016
- 2016-05-26 CN CN201620498293.5U patent/CN205883178U/zh not_active Withdrawn - After Issue
- 2016-05-26 CN CN201610362642.5A patent/CN106899274B/zh active Active
- 2016-05-31 US US15/168,832 patent/US9853617B2/en active Active
- 2016-05-31 EP EP16172129.5A patent/EP3185415B1/en active Active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5548453A (en) * | 1992-10-30 | 1996-08-20 | Sony Corporation | Reproducing circuit for magneto-resistive head having an initial amplifying stage, a differential amplifying stage, and means for controlling the time of operation thereof |
US6486711B1 (en) * | 1998-07-15 | 2002-11-26 | Texas Instruments Incorporated | Capacitor-based exponential programmable gain amplifier |
CN1734930A (zh) * | 2004-08-12 | 2006-02-15 | 因特格瑞特科技有限公司 | 使用开关的高线形可编程序增益放大器 |
US7276962B1 (en) * | 2005-11-21 | 2007-10-02 | National Semiconductor Corporation | Circuit topology for reduced harmonic distortion in a switched-capacitor programmable gain amplifier |
CN101375504A (zh) * | 2006-01-24 | 2009-02-25 | 英国福威科技有限公司 | 低噪声放大器 |
CN101826843A (zh) * | 2010-05-06 | 2010-09-08 | 复旦大学 | 一种在低增益时线性度优化的可变增益放大器 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Understanding the regenerative comparator circuit;Abidi等;《Custom Integrated Circuits Conference. IEEE》;20141231;正文第5-6页,图9-10 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
ITUB20159673A1 (it) | 2017-06-21 |
EP3185415A1 (en) | 2017-06-28 |
EP3185415B1 (en) | 2018-07-25 |
CN106899274A (zh) | 2017-06-27 |
CN205883178U (zh) | 2017-01-11 |
US9853617B2 (en) | 2017-12-26 |
US20170179897A1 (en) | 2017-06-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN106899274B (zh) | 可编程增益放大器、对应的装置和方法 | |
US9634666B2 (en) | Push-pull driver, a transmitter, a receiver, a transceiver, an integrated circuit, a method for generating a signal at an output | |
US20110227646A1 (en) | Discrete time operational transconductance amplifier for switched capacitor circuits | |
CN105917579B (zh) | 放大器系统和方法 | |
TW201004137A (en) | Amplifier with improved linearization | |
CN104038168B (zh) | 用于缓冲线性化的设备和方法 | |
WO2009155566A1 (en) | Amplifier with gain expansion stage | |
CN113016138B (zh) | 被斩断三角波pwm量化器和具有可控的模拟增益和可校准影响特性的多个非理想的增益的量化器的pwm调制器 | |
TWI594584B (zh) | 經改良的無線電接收器 | |
CN102545806A (zh) | 差动放大器 | |
US7592866B2 (en) | Widebrand differential amplifier including single-ended amplifiers coupled to a four-port transformer | |
US10483916B2 (en) | Systems and methods for ring-oscillator based operational amplifiers for scaled CMOS technologies | |
Sautto et al. | 5.6 A 420µW 100GHz-GBW CMOS Programmable-Gain Amplifier leveraging the cross-coupled pair regeneration | |
US10555269B2 (en) | Amplifier circuit having controllable output stage | |
CN110603731B (zh) | 具有可配置最终输出级的放大器中的切换 | |
Heo et al. | Low‐power programmable high‐gain time difference amplifier with regeneration time control | |
CN104065352B (zh) | 信号生成电路 | |
Ramirez-Angulo et al. | New improved CMOS class AB buffers based on differential flipped voltage followers | |
CN102035485A (zh) | 一种输出稳定的高增益线性放大器 | |
Adduci et al. | Switching power audio amplifiers with high immunity to the demodulation filter effects | |
US9263990B2 (en) | Impedance transformer for use with a quadrature passive CMOS mixer | |
Zhu et al. | Cell-based wideband variable-gain amplifier with accurate gain adjustment in 65 nm CMOS technology | |
US20200177167A1 (en) | Dual bootstrapping for an open-loop pulse width modulation driver | |
Mei et al. | A Broadband dB-linear VGA with third-order interleaving active feedback | |
RU2628243C1 (ru) | Дифференциатор для обработки аналоговых сигналов (варианты) |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |