CN106992761B - 一种跨阻放大器、芯片和通信设备 - Google Patents

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Abstract

一种跨阻放大器、芯片和通信设备，用以解决目前跨阻放大器不能在降低功耗的同时提高滤波性能的问题，该跨阻放大器包括的第一电路、第二电路和第三电路由无源器件组成，第一电路、第二电路分别与电流源、运算放大器和第三电路相连，第一电路用于接收第一电流并为第三电路提供第三电压以及对第一电流进行滤波整形后转换为第一电压输出；第二电路用于接收第二电流并为第三电路提供第四电压以及对第二电流进行滤波整形后转换为第二电压输出；第三电路用于配合第一电路和第二电路进行整形滤波；运算放大器用于为第一电路提供小信号虚地点。由于增加了第三电路，因此相对于现有的跨阻放大器在降低功耗的同时提高了滤波性能。

Description

一种跨阻放大器、芯片和通信设备
技术领域
本申请涉及芯片技术领域，特别涉及一种跨阻放大器、芯片和通信设备。
背景技术
跨阻放大器(Trans-Impedance Amplifier，TIA)可以用来将电流信号转换为电压信号，广泛应用于传感器的接收部分和射频收发机系统中。
目前，常用的TIA为如图1a所示的一阶有源结构的TIA和如图1b所示的二阶有源结构的TIA。具体的，虽然如图1a所示的一阶有源结构的TIA只包括一个运算放大器，相对于如图1b所示的二阶有源结构的TIA来说，在功耗方面占有优势，但是滤波能力较差，如图1b所示的二阶有源结构的TIA由于能够对输入电流进行二阶整形滤波，因此对带外干扰具有较强的抑制作用。
综上所述，目前常用结构的TIA均存在性能瓶颈。
发明内容
本申请提供一种跨阻放大器、芯片和通信设备，用以解决现有技术中的跨阻放大器不能在降低功耗的同时提高滤波性能的问题。
第一方面，提供了一种跨阻放大器，包括：第一电路、第二电路、第三电路和运算放大器，且第一电路、第二电路和第三电路由无源器件组成，其中：
第一电路分别与电流源、运算放大器和第三电路相连，用于接收电流源提供的第一电流，并基于第一电流为第三电路提供第三电压，以及对第一电流进行滤波整形后转换为第一电压输出、并提供给运算放大器；
第二电路分别与电流源、运算放大器和第三电路相连，用于接收电流源提供的第二电流，并基于第二电流为第三电路提供第四电压，以及对第二电流进行滤波整形后转换为第二电压输出、并提供给运算放大器；电流源提供的第一电流和第二电流为差分电流中的两路电流；
第三电路用于根据第三电压和第四电压，配合第一电路对第一电流进行整形滤波，并配合第二电路对第二电流进行整形滤波；
运算放大器用于为第一电路提供小信号虚地点，以使得第一电流进入第一电路，以及为第二电路提供小信号虚地点，以使得第二电流进入第二电路。
由于在本申请实施例中的跨阻放大器中只包括一个运算放大器，与如图1b所示的二阶有源结构的跨阻放大器相比减少了运算放大器的个数，因此本申请实施例的跨阻放大器的功耗较低，而本申请实施例中的跨阻放大器中包括第三电路，而第三电路能够根据第三电压和第四电压配合第一电路、第二电路分别对第一电路和第二电路中的电流进行整形滤波，因此与如图1a所示的一阶有源结构的跨阻放大器相比，提高了滤波性能，进而提高了抑制带外干扰的能力。
基于第一方面，在一种可能的设计中，第一电路包括第一部分和第二部分，第一部分与第二部分并联，且并联的一端与电流源和运算放大器的反向输入端相连，以及并联的另一端与运算放大器的第一输出端相连；
第一部分包括至少一个电容，至少一个电容通过串联方式和/或并联方式连接；第二部分包括至少一个第一电阻和至少一个第二电阻，至少一个第一电阻通过串联方式和/或并联方式连接，至少一个第二电阻通过串联方式和/或并联方式连接，至少一个第一电阻与至少一个第二电阻通过串联方式连接、且串联方式连接的连接点处与第三电路相连。
通过上述方式，简化了第一电路的实现方式。
基于第一方面，在一种可能的设计中，第二电路包括第三部分和第四部分，第三部分与第四部分并联，且并联的一端与电流源和运算放大器的正向输入端相连，以及并联的另一端与运算放大器的第二输出端相连；
第三部分包括至少一个电容，至少一个电容通过串联方式和/或并联方式连接；第四部分包括至少一个第三电阻和至少一个第四电阻，至少一个第三电阻通过串联方式和/或并联方式连接，至少一个第四电阻通过串联方式和/或并联方式连接，至少一个第三电阻与至少一个第四电阻通过串联方式连接，且串联方式连接的连接点处与第三电路相连。
通过上述方式，简化了第二电路的实现方式。
基于第一方面，在一种可能的设计中，第三电路包括至少一个电容，至少一个电容通过串联方式和/或并联方式连接。
通过上述方式，简化了第三电路的实现方式，而且，通过上述设计的第三电路能够配合第一电路和第二电路提高了滤波能力，进而提高了跨阻放大器的抑制带外干扰的能力。
基于第一方面，在一种可能的设计中，第一电路由一个第一电容、一个第一电阻和一个第二电阻组成，第一电阻和第二电阻串联后与第一电容并联、且并联的一端与电流源和运算放大器的反向输入端相连，并联的另一端与运算放大器的第一输出端相连；第一电阻和第二电阻的串联连接点处与第三电路相连。
基于第一方面，在一种可能的设计中，第二电路由一个第二电容、一个第三电阻和一个第四电阻组成，第三电阻和第四电阻串联后与第二电容并联、且并联的一端与电流源和运算放大器的正向输入端相连，并联的另一端与运算放大器的第二输出端相连；第三电阻和第四电阻的串联连接点处与第三电路相连；
且第一电容与第二电容相等，第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻的阻值相等。
基于第一方面，在一种可能的设计中，第三电路由一个第三电容组成，且第三电容与第一电容和第二电容相等。
第二方面，提供了一种芯片，包括：第一方面提供的任一可能设计的跨阻放大器。
第三方面，提供了一种通信设备，包括第二方面提供的芯片。
附图说明
图1a为现有技术中一阶有源结构的跨阻放大器；
图1b为现有技术中二阶有源结构的跨阻放大器；
图2为本申请实施例跨阻放大器的结构示意图；
图3a和图3b分别为本申请实施例第一电路的结构示意图；
图4a和图4b分别为本申请实施例的第二电路的结构示意图；
图5为本申请实施例的第三电路的结构示意图；
图6为本申请实施例的跨阻放大器的结构示意图；
图7为本申请实施例中的跨阻放大器与一阶有源结构的跨阻放大器的幅频特性曲线对比图。
具体实施方式
本申请实施例中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本申请实施例中的字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
下面将结合附图对本申请实施例作进一步地详细描述。
跨阻放大器用来将电流信号转换为电压信号，可以集成到芯片中，应用在通信设备中，例如，应用到通信设备中传感器的接收部分，或者应用到通信设备的射频收发机系统中等。
由于本申请实施例的跨阻放大器中只包括一个运算放大器，与如图1b所示的二阶有源结构的跨阻放大器相比减少了运算放大器的个数，因此本申请实施例的跨阻放大器的功耗较低，而本申请实施例中的跨阻放大器中包括第三电路，而第三电路能够根据第三电压和第四电压配合第一电路、第二电路对第一电路和第二电路中的电流进行整形滤波，因此与如图1a所示的一阶有源结构的跨阻放大器相比，提高了滤波性能，进而提高了抑制带外干扰的能力。
如图2所示，本申请实施例的跨阻放大器200，包括：第一电路210、第二电路220、第三电路230和运算放大器240，且第一电路210、第二电路220和第三电路230由无源器件组成，其中：
第一电路210分别与电流源、运算放大器240和第三电路230相连，用于接收电流源提供的第一电流，并基于第一电流为第三电路230提供第三电压，以及对第一电流进行滤波整形后转换为第一电压输出、并提供给运算放大器240；
具体的，第一电路210的第一端211分别与电流源的一端、运算放大器240的反向输入端241相连，第一电路210的第二端212与运算放大器240的第一输出端242相连，第一电路210的第三端213与第三电路230的一端231相连，第一电路210用于通过第一端211接收电流源提供的第一电流，以及基于第一电流为第三电路230的一端231提供第三电压，并对第一电流进行滤波整形后转换为第一电压，通过第二端212输出，由于第一电路210的第二端212与运算放大器240的第一输出端242相连，因此将第一输出端242的电压置为第一电压。
第二电路220分别与电流源、运算放大器240和第三电路230相连，用于接收电流源提供的第二电流，并基于第二电流为第三电路230提供第四电压，以及对第二电流进行滤波整形后转换为第二电压输出、并提供给运算放大器240；电流源提供的第一电流和第二电流为差分电流中的两路电流。
具体的，第二电路220的第一端221分别与电流源的另一端、运算放大器240的正向输入端243相连，第二电路220的第二端222与运算放大器240的第二输出端244相连，第二电路220的第三端223与第三电路230的另一端232相连，第二电路220用于通过第二电路220的第一端221接收电流源提供的第二电流，以及基于第二电流为第三电路230的另一端232提供第四电压，并对第二电流进行滤波整形后转换为第二电压，通过第二端222输出；由于运算放大器240的第二输出端244与第二端222相连，因此，第二电路220将第二输出端244的电压置为第二电压。
第三电路230用于根据第三电压和第四电压，配合第一电路210对第一电流进行整形滤波，并配合第二电路220对第二电流进行整形滤波。
运算放大器240用于为第一电路210提供小信号虚地点，以使得第一电流进入第一电路，以及为第二电路220提供小信号虚地点，以使得第二电流进入第二电路。
运算放大器240，用于分别为第一电路210、第二电路220提供小信号虚地点。
具体的，运算放大器240通过反向输入端241为第一电路210的第一端211提供小信号虚地点，以使得第一端211的电压置零，从而使得电流源提供的第一电流进入第一电路210，运算放大器240通过正向输入端243为第二电路220的第一端221提供小信号虚地点，以使得第一端221的电压置零，从而使得电流源提供的第二电流进入第二电路220。
应理解，无源器件包括电容、电感和电阻等器件，第一电路、第二电路和第三电路的可以通过无源器件组成电路来实现本申请实施例中的功能，在此不限定无源器件的个数与类型。
在一种可能的设计中，第一电路210包括第一部分和第二部分，第一部分与第二部分并联，且并联的一端(即第一端211)与电流源和运算放大器240的反向输入端241相连，以及并联的另一端(即第二端212)与运算放大器240的第一输出端242相连。
其中第一部分包括至少一个电容，至少一个电容通过串联方式和/或并联方式连接，第二部分包括至少一个第一电阻和至少一个第二电阻，至少一个第一电阻通过串联方式和/或并联方式连接，至少一个第二电阻通过串联方式和/或并联方式连接，至少一个第一电阻与至少一个第二电阻通过串联方式连接，至少一个第一电阻与至少一个第二电阻通过串联方式连接、且串联方式连接的连接点处与第三电路230相连。具体的，串联方式连接的连接点处与第三电路230的一端231相连，且串联方式连接的连接点处为第一电路210的第三端213。
例如，如图3a所示的第一电路210的第一部分包括三个电容C1、C2和C3，第二部分包括第一电阻R1和第二电阻R2，如图3b所示的第一电路210的第一部分包括一个电容C1，第二部分包括第一电阻R1、第一电阻R2和第二电阻R3，除图3a和图3b所示的第一电路210以外，本申请实施例中的第一电路210还可以为其它与图3a和图3b的等效连接方式。
在一种可能的实现方式中，示例的，第二电路220包括第三部分和第四部分，且并联的一端(即第一端221)与电流源和运算放大器240的正向输入端243相连，以及并联的另一端(及第二端222)与运算放大器240的第二输出端244相连。
第三部分包括至少一个电容，至少一个电容通过串联方式和/或并联方式连接，第四部分包括至少一个第三电阻和至少一个第四电阻，至少一个第三电阻通过串联方式和/或并联方式连接，至少一个第四电阻通过串联方式和/或并联方式连接，至少一个第三电阻与至少一个第四电阻通过串联方式连接，且串联方式连接的连接点处与第三电路230相连，具体的，串联方式连接的连接点处与第三电路230的另一端232相连，且串联方式连接的连接点处为第二电路220的第三端223。
例如，如图4a所示的第二电路220的第三部分包括三个电容C1、C2、C3和电容C4，第四部分包括第三电阻R1和第四电阻R2，如图4b所示的第二电路220的第三部分包括一个电容C1，第三部分包括第三电阻R1、第三电阻R2和第四电阻R3，除图4a和图4b所示的第二电路220以外，本申请实施例中的第二电路220还可以为其它与图4a和图4b的等效连接方式。
应理解，在本申请实施例的第一电路210和第二电路220的连接方式可以相同，也可以不同，且不限定第一电路210、第二电路220中电容的个数，以及第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻的个数。
在一种可能的设计中，第三电路230包括至少一个电容，至少一个电容通过串联方式和/或并联方式连接。
示例的，若第三电路230包括2个电容C1和C2，如图5所示，第三电路230中C1和C2并联，其中第三电路230的一端与第一电路210的第三端213连接，第三电路230的另一端与第二电路220的第三端223连接。应理解，在本申请实施例中不限制第三电路230中所包括的电容的个数。
需要说明的是，在本申请实施例中，可根据实际情况的需要设置电阻和电容的大小，以得到所需的电压。
下面以图6所示的跨阻放大器为例，假设运算放大器在工作频率范围内的增益无穷大，通过小信号方程对本申请实施例的跨阻放大器进行定性分析。
如图6所示，跨阻放大器包括C1、R1、R2、C3、C2、R3、R4以及运算放大器，其中电流源向跨阻放大器提供差分电流，由C1、R1和R2组成第一电路，由C3组成第三电路，由C2、R3和R4组成第二电路，其中差分电流中的一路通过p1流入第一电路，差分电流中的另一路通过n1流入第二电路。
由于运算放大器的反向输入端和正向输入端为第一电路210、第二电路220提供小信号虚地点，假设在图6所示的a点、b点、p2点和n2点处的电压分别为Va、Vb、Vp和Vn，电流源向第一电路提供的电流为i1，向第二电路提供的电流为i2，则分别流经a点、b点、c点和d点的电流之和为0，则有：
其中ω为工作频率，当R1＝R2＝R3＝R4＝R，C1＝C2＝C3＝C时，则得到传递函数为：
从传递函数可以看出传递函数中包括两个极点和一个零点，其中一个零点和一个极点在近通带处形成了零极点对儿，相对于一阶有源RC结构，带内平坦度有所提高。如果是同等3dB转角频率的情况下，本申请实施例的跨阻放大器较一阶有源结构的跨阻放大器有更好的带外抑制特性。如图7所示的曲线1为当R1＝R2＝R3＝R4＝R，C1＝C2＝C3＝C时的幅频特性曲线，而曲线2为未增加C3时一阶有源结构的跨阻放大器的幅频特性曲线，从图7中可以看出本申请实施例的跨阻放大器在近通带处呈现二阶特性，具有更好的平坦度。其中，图7中曲线1和曲线2的3dB转角频率是不同的，曲线1的3dB转角频率为A，曲线2的3dB转角频率为B，如果本申请实施例的跨阻放大器和一阶有源结构的跨阻放大器具有相同的3dB转角频率要求，则本申请实例的幅频特性曲线具有更好的带外抑制特性，同时只使用了一个运算放大器，较二阶有源结构的跨阻放大器节约了功耗。
此外，本申请实施例中还提供了一种芯片，包括本申请实施例提供的任一跨阻放大器。
本申请实施例还提供了一种通信设备，包括本申请实施例提供的芯片。
由于跨阻放大器在芯片或者通信设备中的连接方式参见如图1所示的跨阻放大器的连接方式，在此不再赘述。
尽管在本申请中已描述了的一些可以实现的具体实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括本申请所描述的实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种跨阻放大器，其特征在于，包括：第一电路、第二电路、第三电路和运算放大器，且所述第一电路、所述第二电路和所述第三电路由无源器件组成，其中：
所述第一电路，分别与电流源、所述运算放大器和所述第三电路相连，用于接收所述电流源提供的第一电流，并基于所述第一电流为所述第三电路提供第三电压，以及对所述第一电流进行滤波整形后转换为第一电压输出、并提供给所述运算放大器，所述第三电压与所述第一电压不同；
所述第二电路，分别与所述电流源、所述运算放大器和所述第三电路相连，用于接收所述电流源提供的第二电流，并基于所述第二电流为所述第三电路提供第四电压，以及对所述第二电流进行滤波整形后转换为第二电压输出、并提供给所述运算放大器；所述电流源提供的所述第一电流和所述第二电流为差分电流中的两路电流，所述第四电压与所述第二电压不同；
所述第三电路，用于根据所述第三电压和所述第四电压，配合所述第一电路对所述第一电流进行整形滤波，并配合所述第二电路对所述第二电流进行整形滤波；
所述运算放大器，用于为所述第一电路提供小信号虚地点，以使得所述第一电流进入所述第一电路，以及为所述第二电路提供小信号虚地点，以使得所述第二电流进入所述第二电路。
2.如权利要求1所述的跨阻放大器，其特征在于，所述第一电路包括第一部分和第二部分，所述第一部分与所述第二部分并联，且并联的一端与所述电流源和所述运算放大器的反向输入端相连，以及并联的另一端与所述运算放大器的第一输出端相连；
所述第一部分包括至少一个电容，所述至少一个电容通过串联方式和/或并联方式连接；
所述第二部分包括至少一个第一电阻和至少一个第二电阻，所述至少一个第一电阻通过串联方式和/或并联方式连接，所述至少一个第二电阻通过串联方式和/或并联方式连接，所述至少一个第一电阻与所述至少一个第二电阻通过串联方式连接、且串联方式连接的连接点处与所述第三电路相连。
3.如权利要求1或2所述的跨阻放大器，其特征在于，所述第二电路包括第三部分和第四部分，所述第三部分与所述第四部分并联，且并联的一端与所述电流源和所述运算放大器的正向输入端相连，以及并联的另一端与所述运算放大器的第二输出端相连；
所述第三部分包括至少一个电容，所述至少一个电容通过串联方式和/或并联方式连接；
所述第四部分包括至少一个第三电阻和至少一个第四电阻，所述至少一个第三电阻通过串联方式和/或并联方式连接，所述至少一个第四电阻通过串联方式和/或并联方式连接，所述至少一个第三电阻与所述至少一个第四电阻通过串联方式连接，且串联方式连接的连接点处与第三电路相连。
4.如权利要求1或2所述的跨阻放大器，其特征在于，所述第三电路包括至少一个电容，所述至少一个电容通过串联方式和/或并联方式连接。
5.如权利要求1所述的跨阻放大器，其特征在于，所述第一电路由一个第一电容、一个第一电阻和一个第二电阻组成，所述第一电阻和所述第二电阻串联后与所述第一电容并联、且并联的一端与所述电流源和所述运算放大器的反向输入端相连，并联的另一端与所述运算放大器的第一输出端相连；所述第一电阻和所述第二电阻的串联连接点处与所述第三电路相连。
6.如权利要求1或5所述的跨阻放大器，其特征在于，所述第二电路由一个第二电容、一个第三电阻和一个第四电阻组成，所述第三电阻和所述第四电阻串联后与所述第二电容并联、且并联的一端与所述电流源和所述运算放大器的正向输入端相连，并联的另一端与所述运算放大器的第二输出端相连；所述第三电阻和所述第四电阻的串联连接点处与第三电路相连；
所述第一电容与所述第二电容相等，所述第一电阻、所述第二电阻、所述第三电阻和所述第四电阻的阻值相等。
7.如权利要求6所述的跨阻放大器，其特征在于，所述第三电路由一个第三电容组成，且所述第三电容与所述第一电容和所述第二电容相等。
8.一种芯片，其特征在于，包括如权利要求1至7任一所述的跨阻放大器。
9.一种通信设备，其特征在于，包括如权利要求8所述的芯片。
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