CN113972906B - 宽带电平位移电路及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种宽带电平位移电路及其设计方法，基于电平位移单元结合频率补偿单元的结构设计，通过频率补偿单元产生宽带电平位移电路的零点，且产生的零点与宽带电平位移电路的第一极点相互抵消，只余下宽带电平位移电路的第二极点，使得宽带电平位移电路的带宽仅受较高的第二极点的影响，从而有效扩展了宽带电平位移电路的带宽；且频率补偿单元基于一个较小的补偿电容进行结构设计，有效节约了电路和芯片的面积，有利于结构小型化设计；整体电路结构简单，可以对输入信号进行大于一个晶体管发射结导通压降的直流电平位移，小信号增益几乎无衰减，近似为1，在有效扩展带宽的同时，电路的增益、摆幅，线性度等指标几乎不受影响。

Description

宽带电平位移电路及其设计方法

技术领域

本发明涉及半导体集成电路设计技术领域，尤其是涉及一种宽带电平位移电路及其设计方法。

背景技术

电平位移电路在放大器、比较器、电源、驱动器等模拟集成电路中起着十分重要的作用。由于nF～μF量级的耦合电容无法集成在单片模拟集成电路中，电路中不同放大级(功能模块)之间只能以直接耦合的方式进行连接。这意味着不同放大级(功能模块)之间的直流电平必须兼容，即前一级的输出直流电平和后一级的直流输入电平必须兼容(此处的“兼容”意味着直流工作点接近)，否则电路可能没有合适的静态工作点，这会影响后路的输出摆幅、线性度、带宽等指标，严重时甚至无法实现所需的功能。电平位移电路可以在前后模块直流电平不兼容的情况下，额外附加一个直流电平(增加或者减小)，使得前后模块之间的直流电平实现兼容，同时对电路的增益、摆幅、线性度和带宽等不利影响必须尽可能的降低。

常见的双极性电平位移电路主要分为三种：①、NPN型射极跟随器+电阻分压，该结构由于电阻分压会导致增益降低；②、NPN型射极跟随器+电流源，该结构只能实现一个二极管压降VBE的电平位移，缺少灵活性；③、NPN型射极跟随器+电阻+电流源，该结构可以实现任意大于一个二极管压降VBE压降，同时增益衰减极小，但是带宽受到较大影响；④、NPN型射极跟随器+电阻+电流源+补偿电容，该结构增加一个与电阻并联的电容可以大大改善带宽，但是所需电容值较大，会占用较大的芯片面积。

因此，目前急需一种带宽，结构简单且增益、摆幅、线性度等性能良好的电平位移电路。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于模拟集成电路的宽带电平位移电路技术方案，实现任意大于一个二极管压降V_BE的电平位移，且只需一个较小的电容，就有效改善了电平位移电路的带宽，同时不影响电路的小信号增益、摆幅、线性度等指标。

为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供的技术方案如下。

一种宽带电平位移电路，包括：

电平位移单元，其输入端接第一信号，对所述第一信号进行电平位移并输出，在输出端得到第二信号；

频率补偿单元，接所述电平位移单元，对所述电平位移单元进行频率补偿，以扩展带宽；

其中，所述频率补偿单元产生所述宽带电平位移电路的零点，且所述零点与所述宽带电平位移电路的第一极点相互抵消，余下所述宽带电平位移电路的第二极点，使得所述宽带电平位移电路的带宽仅受所述第二极点的影响，且所述第二极点大于所述第一极点。

可选地，所述电平位移单元和所述频率补偿单元均包括基于线性双极工艺的电路单元。

可选地，所述电平位移单元包括第一NPN晶体管、第二NPN晶体管、第一电阻及第二电阻，所述第一NPN晶体管的集电极接正电源，所述第一NPN晶体管的基极接所述第一信号，所述第一NPN晶体管的发射极经串联的所述第一电阻后接所述第二NPN晶体管的集电极，所述第二NPN晶体管的集电极输出所述第二信号，所述第二NPN晶体管的基极接偏置电压，所述第二NPN晶体管的发射极经串联的所述第二电阻后接负电源。

可选地，所述第二极点等于所述第二NPN晶体管的特征频率。

可选地，所述频率补偿单元包括电容，所述电容的一端接所述第一NPN晶体管的发射极，所述电容的另一端接所述第二NPN晶体管的发射极。

一种宽带电平位移电路的设计方法，包括：

形成电平位移单元，所述电平位移单元对输入信号进行电平位移并输出；

形成频率补偿单元，所述频率补偿单元与所述电平位移单元连接，构成所述宽带电平位移电路，所述宽带电平位移电路至少存在第一极点和第二极点，所述第二极点大于所述第一极点，所述频率补偿单元产生所述宽带电平位移电路的零点，且所述零点与所述第一极点相互抵消，余下所述第二极点，使所述宽带电平位移电路的带宽仅受所述第二极点的影响，以扩展所述宽带电平位移电路的带宽。

可选地，所述电平位移单元和所述频率补偿单元均采用线性双极工艺形成。

如上所述，本发明提供的宽带电平位移电路及其设计方法，至少具有以下有益效果：

基于电平位移单元结合频率补偿单元的结构设计，通过频率补偿单元产生宽带电平位移电路的零点，且产生的零点与宽带电平位移电路的第一极点相互抵消，只余下宽带电平位移电路的第二极点，使得宽带电平位移电路的带宽仅受较高的第二极点的影响，从而有效扩展了宽带电平位移电路的带宽。

附图说明

图1-图4为现有技术中电平位移电路的电路图。

图5为本发明一实施例中宽带电平位移电路的电路图。

图6为图5中宽带电平位移电路的小信号等效电路图。

图7为图4中电平位移电路的小信号等效电路图。

图8为本发明一实施例中图3、图4及图5对应的电平位移电路的增益随频率变化的仿真曲线图。

附图标号说明

1—电平位移单元，2—频率补偿单元，V_IN—第一信号、输入信号，V_OUT—第二信号、输出信号，Q₁—第一NPN晶体管，Q₂—第二NPN晶体管，R₁—第一电阻，R₂—第二电阻，V_CC—正电源，V_EE—负电源，VEE—负电压，V_b—偏置电压，C₁、C₁'—电容，g_m2—第二NPN晶体管Q₂的跨导，r_e2—第二NPN晶体管Q₂的电阻，C₂—输出信号V_OUT处的寄生电容，C_π2—第二NPN晶体管Q₂的基极和发射极之间的寄生电容，V_x—第二NPN晶体管Q₂的发射极电压。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。本说明书所附图示所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

如前述在背景技术中所述的，发明人在研究现有的电平位移电路时，发现：

1)、针对如图1所示的基于“NPN型射极跟随器+电阻分压”电平位移结构，第一NPN晶体管Q₁为射极跟随器，第一电阻R₁与第二电阻R₂构成电阻分压网络，具体地，第一NPN晶体管Q₁的集电极接正电源V_CC，第一NPN晶体管Q₁的基极接第一信号(输入信号)V_IN，第一NPN晶体管Q₁的发射极经依次串联的第一电阻R₁和第二电阻R₂后接负电源V_EE，第一电阻R₁与第二电阻R₂的公共端输出第二信号(输出信号)V_OUT，由于电阻分压网络的存在，第二信号V_OUT偏小，会导致整个电平位移结构的增益降低；

2)、针对如图2所示的基于“NPN型射极跟随器+电流源”电平位移结构，第一NPN晶体管Q₁为射极跟随器，第二NPN晶体管Q₂与第二电阻R₂构成电流源结构，具体地，第一NPN晶体管Q₁的集电极接正电源V_CC，第一NPN晶体管Q₁的基极接第一信号(输入信号)V_IN，第一NPN晶体管Q₁的发射极接第二NPN晶体管Q₂的集电极，且第一NPN晶体管Q₁的发射极输出第二信号(输出信号)V_OUT，第二NPN晶体管Q₂的基极接偏置电压V_b，第二NPN晶体管Q₂的发射极经串联的第二电阻R₂后接负电源V_EE，但该结构只能实现一个发射结导通压降V_BE的电平位移，缺少灵活性；

3)、针对如图3所示的基于“NPN型射极跟随器+电阻+电流源”电平位移结构，第一NPN晶体管Q₁为射极跟随器，第一电阻R₁为输出电阻，第二NPN晶体管Q₂与第二电阻R₂构成电流源结构，具体地，第一NPN晶体管Q₁的集电极接正电源V_CC，第一NPN晶体管Q₁的基极接第一信号(输入信号)V_IN，第一NPN晶体管Q₁的发射极经串联的第一电阻R₁后接第二NPN晶体管Q₂的集电极，且第二NPN晶体管Q₂的集电极输出第二信号(输出信号)V_OUT，第二NPN晶体管Q₂的基极接偏置电压V_b，第二NPN晶体管Q₂的发射极经串联的第二电阻R₂后接负电源V_EE，该结构可以实现任意大于一个发射结导通压降V_BE的电平位移，同时增益衰减极小，但是带宽受到较大影响；

4)、针对如图4所示的基于“NPN型射极跟随器+电阻+电流源+补偿电容”电平位移结构，第一NPN晶体管Q₁为射极跟随器，第一电阻R₁为输出电阻，第二NPN晶体管Q₂与第二电阻R₂构成电流源结构，电容C₁为补偿电容，具体地，第一NPN晶体管Q₁的集电极接正电源V_CC，第一NPN晶体管Q₁的基极接第一信号(输入信号)V_IN，第一NPN晶体管Q₁的发射极经串联的第一电阻R₁后接第二NPN晶体管Q₂的集电极，且第二NPN晶体管Q₂的集电极输出第二信号(输出信号)V_OUT，第二NPN晶体管Q₂的基极接偏置电压V_b，第二NPN晶体管Q₂的发射极经串联的第二电阻R₂后接负电源V_EE，电容C₁与第一电阻R₁并联，该结构增加一个与第一电阻R₁并联的电容C₁可以大大改善带宽，但是所需电容值较大，会占用较大的芯片面积。

基于此，本发明在图3-图4的基础上，提出一种宽带电平位移电路的设计方法，其包括步骤：

S1、形成电平位移单元1，电平位移单元对输入信号V_IN进行电平位移并输出；

S2、形成频率补偿单元2，频率补偿单元2与电平位移单元1连接，构成宽带电平位移电路，宽带电平位移电路至少存在第一极点和第二极点，第二极点大于第一极点，频率补偿单元产生宽带电平位移电路的零点，且零点与第一极点相互抵消，余下第二极点，使宽带电平位移电路的带宽仅受第二极点的影响，以扩展宽带电平位移电路的带宽。

其中，电平位移单元1和频率补偿单元2均采用线性双极工艺形成，具体工艺可参考现有技术，在此不再赘述。也就是说，该电平位移电路基于基础的成熟的线性双极工艺形成，适合各种电压范围、高速、宽带等应用场合。

在本发明的一可选实施例中，执行完步骤S1-S2，得到如图5所示的宽带电平位移电路，其包括：

电平位移单元1，其输入端接第一信号V_IN，对第一信号V_IN进行电平位移并输出，在输出端得到第二信号V_OUT；

频率补偿单元2，接电平位移单元1，对电平位移单元1进行频率补偿，以扩展带宽；

其中，频率补偿单元2产生宽带电平位移电路的零点，且零点与宽带电平位移电路的第一极点相互抵消，余下宽带电平位移电路的第二极点，使得宽带电平位移电路的带宽仅受第二极点的影响，且第二极点大于第一极点。

详细地，如图5所示，电平位移单元1包括第一NPN晶体管Q₁、第二NPN晶体管Q₂、第一电阻R₁及第二电阻R₂，第一NPN晶体管Q₁的集电极接正电源V_CC，第一NPN晶体管Q₁的基极接第一信号V_IN，第一NPN晶体管Q₁的发射极经串联的第一电阻R₁后接第二NPN晶体管Q₂的集电极，第二NPN晶体管Q₂的集电极输出第二信号V_OUT，第二NPN晶体管Q₂的基极接偏置电压V_b，第二NPN晶体管Q₂的发射极经串联的第二电阻R₂后接负电源V_EE。

详细地，如图5所示，频率补偿单元2包括电容C₁'，电容C₁'的一端接第一NPN晶体管Q₁的发射极，电容C₁'的另一端接第二NPN晶体管Q₂的发射极。

更详细地，如图5所示的宽带电平位移电路的工作原理分析如下：

如图5所示宽带电平位移电路的小信号等效电路如图6所示。假设前级传来的直流电平为第一信号V_IN，经过第一NPN晶体管Q₁的缓冲，其发射极的直流电平为V_IN-V_BE1，小信号增益非常接近1，即信号无衰减。第二NPN晶体管Q₂与第二电阻R₂通过偏置电压V_b设定了第一NPN晶体管Q₁的静态工作电流，该电流流过第一电阻R₁产生电压降，最终在第二NPN晶体管Q₂的集电极处输出第二信号V_OUT。从第二NPN晶体管Q₂的集电极向下看到的小信号阻抗非常大，约为R₂≈g_m2r_o2R_E，从输入信号V_IN到输出信号V_OUT的小信号增益如下式：

其中，g_m2是第二NPN晶体管Q₂的跨导，r_o2是第二NPN晶体管Q₂的小信号输出电阻。由于R₁＜＜g_m2r_o2R₂，上式近似为1，即输入信号V_IN到输出信号V_OUT的小信号增益基本为1，无衰减。

从输入信号V_IN到输出信号V_OUT的直流电平之差如下式：

V_IN-V_OUT＝V_BE1+I_C1R₁

其中，V_BE1是第一NPN晶体管Q₁的发射结导通压降，I_C1是第一NPN晶体管Q₁的集电极电流。

可以看出，调整I_C1的大小，可以实现任意大于V_BE1的电平位移，前提是各个晶体管(第一NPN晶体管Q₁和第二NPN晶体管Q₂)不能进入饱和区，且输出信号V_OUT直流电平要与后级兼容。

现在，考虑该电平位移电路的频率响应。从第一NPN晶体管Q₁的基极到发射极的小信号增益几乎为1，无衰减。从第一NPN晶体管Q₁的发射极向下看到的小信号等效电路如图6所示，图中已经假设了R₂>>r_e2，该条件一般情况下均成立。其传输函数如下：

上式存在两个极点和一个零点，假设C₁′<<C_π2，R₁＞＞r_e2，极点和零点分别如下：

其中，C₂是输出信号V_OUT处的寄生电容，C_π2是第二NPN晶体管Q₂的基极和发射极之间的寄生电容，w_T2是第二NPN晶体管Q₂的特征频率，即第二极点P₂等于第二NPN晶体管Q₂的特征频率。

在本发明中，需要将电平位移电路的第一极点P₁和零点Z₁相互抵消，第一极点P₁和零点Z₁抵消的条件如下：(R₁+R₂)C₁′＝R₂C₂。一般情况下，R₂＞＞R₁，所以C₁′≈C₂。C₂主要由第二NPN晶体管Q₂的集电极到地电容和下一级的输入电容构成，一般比较小，不超过2pF，所以图5中零点Z₁与第一极点P₁抵消所需要的电容(补偿电容)C₁'非常小。最终该电平位移电路的带宽仅受限于第二极点P₂(约等于第二NPN晶体管Q₂的特征频率)，这说明频率补偿后的带宽非常高。

作为对比，我们考虑一下图3和图4中的电平位移电路。图3和图4中的电平位移电路与图5相比，它们都能实现所需的直流电平位移和几乎无衰减的信号增益，区别在于是否有补偿电容和补偿电容的连接方式。图3中电路无补偿电容，带宽非常小，在此不再赘述。图4中的电平位移电路，第一电阻R₁并联了一个补偿电容C₁，其小信号等效电路如图7所示，R₂和C₂分别代表从输出信号V_OUT处向下看到的小信号等效电阻和等效电容，其传输函数如下：

该传输函数显示有一个极点和零点，分别如下：

如果要实现最优频率响应，零点P₀和极点Z₀需要抵消，需满足下式：

R₁C₁＝R₂C₂

零极点抵消后，图4所示的电平位移电路理论上不受频率响应限制，可以实现非常大的带宽。一般情况下，R₂＞＞R₁，所以图4中电平位移电路零极点抵消所需的补偿电容C₁远大于寄生电容C₂，这会占用极大的芯片面积。

更详细地，为了比较直观的对比图5相比于图3和图4的改善，图8给出了采用40V线性双极工艺构成的相应电平位移电路的SPICE交流仿真结果。如图8所示，图3对应的电平位移电路在-3dB增益下的带宽为6MHz，无补偿电容；图4对应的电平位移电路在-3dB增益下的带宽为1.5GHz，但是所需的补偿电容高达20pF；图5对应的电平位移电路在-3dB增益下的带宽为350MHz，所需补偿电容只有0.9pF。其中，仿真时第一NPN晶体管Q₁和第二NPN晶体管Q₂的特征频率为450MHz，图4对应的电平位移电路虽然在-3dB增益下的带宽较大，但在电路的实际应用中，图4对应的电平位移电路的带宽将受限信号链路中晶体管的特征频率与其他电路模块的频率响应，带宽相对受限，且所需的补偿电容较大，这会占用极大的芯片面积，不利于结构小型化设计。

需要说明的是，如图5所示的宽带电平位移电路的传输函数还存在由多个节点或者晶体管的寄生电容引起的超高频极点，不过由于超高频极点对其带宽几乎没有响应，在此不做等效分析，仅仅对影响其带宽的两个中低频极点和零点进行了分析。此外，该电平位移电路基于线性双极工艺进行设计，如果采用更先进的工艺，可以进一步提高带宽。

综上所述，本发明的宽带电平位移电路及其设计方法，基于电平位移单元结合频率补偿单元的结构设计，通过频率补偿单元产生宽带电平位移电路的零点，且产生的零点与宽带电平位移电路的第一极点相互抵消，只余下宽带电平位移电路的第二极点，使得宽带电平位移电路的带宽仅受较高的第二极点的影响，从而有效扩展了宽带电平位移电路的带宽；且频率补偿单元基于一个较小的补偿电容进行结构设计，有效节约了电路和芯片的面积，有利于结构小型化设计；整体电路结构简单，可以对输入信号进行大于一个晶体管发射结导通压降的直流电平位移，小信号增益几乎无衰减，近似为1，在有效扩展带宽的同时，电路的增益、摆幅，线性度等指标几乎不受影响；该电平位移电路基于线性双极工艺形成，适合各种电压范围、高速、宽带等应用场合。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种宽带电平位移电路，其特征在于，包括：

电平位移单元，其输入端接第一信号，对所述第一信号进行电平位移并输出，在输出端得到第二信号；

频率补偿单元，接所述电平位移单元，对所述电平位移单元进行频率补偿，以扩展带宽；

其中，所述频率补偿单元产生所述宽带电平位移电路的零点，且所述零点与所述宽带电平位移电路的第一极点相互抵消，余下所述宽带电平位移电路的第二极点，使得所述宽带电平位移电路的带宽仅受所述第二极点的影响，且所述第二极点大于所述第一极点。

2.根据权利要求1所述的宽带电平位移电路，其特征在于，所述电平位移单元和所述频率补偿单元均包括基于线性双极工艺的电路单元。

3.根据权利要求1所述的宽带电平位移电路，其特征在于，所述电平位移单元包括第一NPN晶体管、第二NPN晶体管、第一电阻及第二电阻，所述第一NPN晶体管的集电极接正电源，所述第一NPN晶体管的基极接所述第一信号，所述第一NPN晶体管的发射极经串联的所述第一电阻后接所述第二NPN晶体管的集电极，所述第二NPN晶体管的集电极输出所述第二信号，所述第二NPN晶体管的基极接偏置电压，所述第二NPN晶体管的发射极经串联的所述第二电阻后接负电源。

4.根据权利要求3所述的宽带电平位移电路，其特征在于，所述第二极点等于所述第二NPN晶体管的特征频率。

5.根据权利要求3所述的宽带电平位移电路，其特征在于，所述频率补偿单元包括电容，所述电容的一端接所述第一NPN晶体管的发射极，所述电容的另一端接所述第二NPN晶体管的发射极。

6.一种宽带电平位移电路的设计方法，其特征在于，包括：

形成电平位移单元，所述电平位移单元对输入信号进行电平位移并输出；

形成频率补偿单元，所述频率补偿单元与所述电平位移单元连接，构成所述宽带电平位移电路，所述宽带电平位移电路至少存在第一极点和第二极点，所述第二极点大于所述第一极点，所述频率补偿单元产生所述宽带电平位移电路的零点，且所述零点与所述第一极点相互抵消，余下所述第二极点，使所述宽带电平位移电路的带宽仅受所述第二极点的影响，以扩展所述宽带电平位移电路的带宽。

7.根据权利要求6所述的宽带电平位移电路的设计方法，其特征在于，所述电平位移单元和所述频率补偿单元均采用线性双极工艺形成。