CN114629466A - 具有信道选择滤波器的高线性WiGig基带放大器 - Google Patents

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Abstract

一种电路包括Sallen‑Key滤波器以及耦合到所述Sallen‑Key滤波器的可编程增益放大器，所述Sallen‑Key滤波器包括实现单位增益放大器的源极跟随器。所述电路能够经由对所述可编程增益放大器中的电流镜复制比率的调节来实现可编程增益，该可编程增益将所述电路的带宽与其增益设置去耦合。所述可编程增益放大器可以包括差分电压‑电流转换器、电流镜对以及可编程输出增益级。所述Sallen‑Key滤波器和所述可编程增益放大器中的至少一条支路可以包括按照相同电路配置进行布置的晶体管。

Description

具有信道选择滤波器的高线性WiGig基带放大器
本申请是申请日为2016年11月16日，申请号为CN201680067166.2，发明名称为“具有信道选择滤波器的高线性WiGig基带放大器”的中国发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年11月17日提交的美国临时申请No.62/256,460的优先权。该参考文献和所有其它外部参考文献通过引用将其整体并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及包括滤波器和可编程增益放大器的电路，并且具体而言，涉及提供独立滤波器带宽控制及增益的电路。
背景技术
背景技术描述包括对理解本发明可能有用的信息。并不是承认本文提供的信息中的任何消息是现有技术或与当前要求保护的发明相关的，或者明示或暗示引用的任何出版物是现有技术。
WiGig基带信号-处理系统的性能要求是三倍的。基于输入信号电平，期望在基带输出处生成足够的用于最大信噪比(SNR)的增益。还期望相对于指定的抑制电平来衰减带外信号并且能够适应在保持高线性的同时具有高的动态范围的输入信号。
图1是基带系统的图，其中滤波器功能是利用在闭环配置中的、耦合到配置为提供可编程增益的第二专用放大器的第一专用放大器来实现的。第一级是Sallen-Key滤波器，其具有大的输入阻抗和小的输出阻抗。至滤波器的输入经由电阻器R1，其输出端耦合到电阻器R2和耦合到输出端Vout的电容器C3。电阻器R2被耦合到电容器C4(其接地)和运算放大器的正输入端。输出端Vout被直接耦合到运算放大器的负输入端以用作单位增益缓冲器。运算放大器提供高增益并允许在不使用电感的情况下构建二阶滤波器。在这种情况下，在该Sallen-Key滤波器中描绘的阻抗提供了低通滤波器。这些滤波器可以被设计为低通、高通或带通滤波器。第二级经由图1中描绘的可调节阻抗Radj(1)和Radj(2)提供可调节增益。
发明内容
下面描述包括对理解本发明可能有用的信息。并不是承认本文提供的信息是现有技术或与当前要求保护的发明相关，或者明示或暗示引用的任何出版物是现有技术。
在本公开内容的一个方面中，一种电路包括Sallen-Key滤波器以及与Sallen-Key滤波器耦合的可编程增益放大器。所述Sallen-Key滤波器包括实现单位增益放大器的源极跟随器。所述可编程增益放大器被配置为经由对所述可编程增益放大器中的电流镜复制比率的调节来提供可编程增益，以将电路的带宽与其增益设置去耦合。可编程增益放大器可以包括差分电压-电流转换器、电流镜对和可编程输出增益级。在一些方面中，所述电路被配置为用作低通滤波器、高通滤波器或带通滤波器。
在另一方面中，一种电路包括耦合到可编程增益放大器的Sallen-Key滤波器，其中，所述电路包括在所述Sallen-Key滤波器内部的源极跟随器，所述源极跟随器包括按照第一电路配置进行布置的第一多个晶体管；并且所述可编程增益放大器内的至少一个支路包括按照至少第二电路配置进行布置的至少第二多个晶体管，所述至少第二电路配置与所述第一电路配置相同。在一些方面中，所述第一和至少第二多个晶体管具有相同的单元器件尺寸和电流密度。所述电路可以具有包括单元器件的均匀阵列的制造布局。本文公开了用于制造该电路和其它电路的方法。
另一方面提供了一种用于避免对Sallen-Key滤波器中的放大器中的晶体管的操作区域的线性依赖的方法。所述方法包括采用所述Sallen-Key滤波器中的源极跟随器来提供单位增益，所述源极跟随器包括有源器件和负载器件；以及选择Sallen-Key滤波器的输入信号的直流(DC)电平，以确保负载器件和用作可编程放大器的电流镜对中的器件中的至少一个的足够的裕度(headroom)。
如本文的描述以及随后的整个权利要求书中所使用的，除非上下文以其它方式明确指出，否则“一”、“一个”和“该”的含义包括复数参考。此外，如本文描述中所使用的，除非上下文明确以其它方式指出，否则“在...中”的含义包括“在...中”和“在...上”。
本文引用的数值范围仅仅旨在用作单独指代落入该范围内的每一个单独的值的速记方法。除非本文以其它方式指示，否则每一个单独的值都并入说明书中，就好像它在本文中单独列举一样。本文所描述的所有方法可以以任何适合的顺序执行，除非本文以其它方式指示或者通过上下文以其它方式清楚地否定。关于本文中的某些方面提供的任何和所有示例或示例性语言(例如“诸如”)的使用仅旨在更好地说明本工作，而不是以其它方式对本发明要求保护的范围进行限制。说明书中的任何语言都不应被理解为指示对本发明的实践必不可少的任何非要求保护的元素。
不应将本文所公开的本发明的可选元素或方面的分组理解为限制。每一个组成员都可以单独地或与组中的其它成员或本文中发现的其它元素进行参考和要求保护。出于便利和/或可专利性的原因，组中可以包括或者删除一个或多个组的成员。当发生任何这种包含或删除时，说明书在本文中被认为包含被修改的组，从而实现所附权利要求中使用的所有马库什组的书面描述。
附图说明
描绘所公开的方法的流程图包括可以表示计算机软件指令或指令组的“处理块”或“步骤”。替代地，处理块或步骤可以表示由诸如数字信号处理器或专用集成电路(ASIC)的功能等效电路执行的步骤。流程图没有描绘任何特定编程语言的语法。相反，流程图示出了本领域普通技术人员需要制造电路或生成计算机软件以执行根据本公开内容所需的处理的功能信息。应当注意的是，许多例程程序元素，例如循环和变量的初始化以及临时变量的使用都没有显示。本领域普通技术人员将理解的是，除非本文以其它方式指示，否则所描述的步骤的特定顺序仅是说明性的并且可以改变。除非以其它方式说明，否则下面描述的步骤是无序的，这意味着可以以任何方便或期望的顺序执行这些步骤。
图1是其中利用闭环配置中的、耦合到配置为提供可编程增益的第二专用放大器的第一专用放大器来实现滤波器功能的电路的框图。
图2是描绘根据本发明的一方面配置的滤波器和放大器的电路图。
图3是示出了根据本发明的方面执行的方法的步骤的流程图。
图4是示出了根据本发明的方面执行的方法的步骤的流程图。
具体实施方式
下面结合附图阐述的详细描述旨在作为对本工作的各个方面的描述，并不是旨在表示其中可以实践本工作的唯一方面。详细描述包括为了提供对本工作透彻理解的具体细节。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施本工作。在某些情况下，为了避免模糊本工作的概念，以框图形式显示了公知的结构和部件。
在本公开内容的每一个方面都可以表示发明元件的单个组合的情况下，本工作被认为包括所公开元件的所有可能的组合。因此，如果一个方面包括元件A、B和C，并且第二方面包括元件B和D，则即使没有明确地公开本工作也被认为包括A、B、C或D的其它剩余组合。
如本文所使用的，并且除非上下文以其它方式规定，否则术语“耦合到”旨在包括直接耦合(其中彼此耦合的两个元件彼此接触)和间接耦合(其中至少一个附加的元件位于这两个元件之间)两者。因此，术语“耦合到”和“与……耦合”被同义使用。
图2是描绘根据本发明的一个方面配置的滤波器和放大器的电路图。提供了一对信号输入节点(inp)和一对信号输出节点(outn)。晶体管(例如场效应晶体管)由M1-M8和M1b-M8b表示。电阻器由R0、R1-R3和R1b-R3b表示。电容器由C1、C2、C1b和C2b表示。C2和C2b的电容可以是可调节的(例如，可编程的)。电源电压、晶体管基极电压和地经由本领域常用的符号来表示。
在图2所描绘的电路配置中，M2、M2b、M5和M5b提供源极-跟随器功能。源极-跟随器放大器包括耦合在电源电压VDD和地之间的两个串联堆叠器件，其中第一器件(即，有源器件)转换输入信号，而第二器件(即，负载器件)提供负载。负载器件由DC偏置电压进行偏置。源极-跟随器的输出信号与输入信号同相，并且电压增益大约为0dB并表现为线性。
集成电路中采用的低电源电压限制了电压裕度(即，可用的输出信号摆动)。为了缓解裕度问题，可以使用有源电流源负载。例如，负载器件可以向由输入驱动的有源器件提供受控电流负载。因此，负载器件提供DC偏置以操作源极跟随器。
部件R1、R2、C1、C2和M5用作Sallen-Key滤波器。因此，根据本公开内容的一个方面，将源极跟随器并入到Sallen-Key滤波器的设计中。图1中常规的Sallen-Key滤波器中的运算放大器限制了滤波器的高频行为，并且通常导致高功耗。源极跟随器可以显著地扩展该滤波器的高频行为的范围，同时实现更低的功耗。该源极跟随器具有与运算放大器类似的输入/输出特性。运算放大器呈现无限输入阻抗、良好的电流驱动以及在其输入和输出端的小输出阻抗。类似地，源极跟随器具有的属性包括具有高输入阻抗、良好的电流驱动以及在其输入和输出端的低输出阻抗。
部件M2、M2b和R0将电路图中描绘的电压Vx和Vxb之间的差分电压转换为通过晶体管M1和M1b的差分电流。晶体管对M1、M7和M1b、M7b提供增益等于M7和M1之间的器件比率的电流镜对。部件M7和R3形成第一输出增益级，并且部件M7b和R3b形成第二输出增益级，其中第一和第二输出增益级将输入差分电流转换为输出差分电压。
输入信号的总差分增益为：
Figure BDA0003586630530000051
滤波器传递函数是：
Figure BDA0003586630530000052
其中，
Figure BDA0003586630530000053
并且
Figure BDA0003586630530000054
根据本公开内容的一些方面，本文所公开的电路可以用于宽-带宽信号的基带处理，例如在WiGig标准中使用的那些。与常规电路相比，这些方面可以降低功耗。例如，常规Sallen-Key滤波器中放大器的闭环带宽需要与滤波器带宽相称。这通常要求高功耗，特别是在WiGig信号的情况下。然而，在本文所公开的方面中，源极跟随器实现了单位增益。
在本公开内容的一些方面中，可以实现改善的线性。在常规的Sallen-Key滤波器设计中，线性取决于滤波器的放大器中晶体管的操作区域。在其中呈现了足够的漏极-源极电压的那些晶体管的理想操作区域处于饱和。针对大的输入信号，晶体管裕度被减少。因此，放大器开环增益减小，并且假设放大器闭环增益为单位中断，这导致了线性降低。
在本公开内容的一些方面中，由于Sallen-Key滤波器中的源极跟随器(M5和M5b)提供单位增益，因此唯一的裕度考虑限于晶体管M4和M4b，这可以通过设置输入到更高的直流电平来解决。类似地，针对可编程增益放大器，当输入被设置为足够高的DC电平时，可以为晶体管M1和M7保证足够的裕度，这使得从M1到M7的电流复制不受输入信号电平的影响。在输出端处，在晶体管M8作为级联器件工作的情况下，可以轻微挤压裕度，而不影响电流复制(并且因此不影响线性)。
图2中示出的电路可以提供独立的滤波器带宽和增益控制。在常规的滤波器-放大器电路中，可编程增益放大器的带宽还是增益设置的函数。为了具有独立的带宽和增益控制(即，仅通过Sallen-Key滤波器控制的带宽，同时仅通过可编程增益放大器控制增益)，可编程增益放大器的带宽必须足够大以便最差-情况(worst-case)增益设置避免影响整体带宽，导致引起高功耗的次-优化设计。相反，在图2中示出的电路中，可以通过电流镜复制比率(W7/W1)和电阻比率(R3/R0)实现可编程增益。这使得能够实现高带宽而没有显著的功率消耗。因此，根据本公开内容的某些方面，可以实现独立的滤波器带宽和增益控制而不增加功耗预算。
根据本公开内容的某些方面的电路设计可以有助于制造包括与可编程增益放大器耦合的Sallen-Key滤波器的电路。Sallen-Key滤波器内部的放大器与可编程增益放大器之间的电路结构(例如，支路M6、M5、M4，支路M3b、M2、M1以及支路M8、M7)的相似性可以被利用以促进布局、简化设计、降低制造成本、和/或改善芯片功能。通过调整晶体管的尺寸以提供常见的单元器件尺寸和电流密度，可以使布局高度紧凑并提供均匀的单元器件阵列，该均匀的单元器件阵列可以减轻某些与布局有关的效应。因此，本公开内容的方面包括集成电路的设计和制造，其可以包括被配置为根据本文所公开的设计方面来制造集成电路的方法、装置和可编程控制系统。
尽管图2示出了电路的低通实施方式，但是本文所公开的新颖方面可以用于替代的电路配置，并且可以适用于可期望用于基带、中频和射频处理的各种类型的滤波器特性中的任何一种。
作为示例的方式，可以通过利用电容器替换R1、R2、R1b和R2b以及利用电阻器替代C1、C2、C1b和C2b来提供高通实施方式。产生的高通带宽为
Figure BDA0003586630530000071
在另一方面中，带通应用可以通过将高通滤波器与低通滤波器级联来实现。例如，AC耦合电容器可以跟随有所描绘的低通滤波器实施方式。对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以根据本文所公开的教导提供这些和相关电路的替代滤波器设计和应用。
来自M6、M6b、M3和M3b的偏置电流将影响电路性能。大的偏置电流将允许器件M5和M2具有大的跨导gm，这降低了用于单位增益的源极跟随器级的输出阻抗。然而，对于给定的电流密度，过大的偏置电流通常导致更大的器件尺寸。这可能在Sallen-Key滤波器输出端以及源极跟随器M2的输出端处引起大的电容负载，导致减小的带宽。因此，根据本文所公开的方面设计的电路可以考虑这种折衷，例如以相对于前述参数的最佳设计来产生电路。
图3是描绘了可以根据本公开内容的各方面执行的步骤的流程图。这些步骤可以包括用于避免对Sallen-Key滤波器中的放大器中的晶体管的操作区域的线性依赖的方法。第一步骤301包括采用Sallen-Key滤波器中的源极跟随器。源极跟随器包括有源器件和负载器件，并且可以提供单位增益。第二步骤302包括确定滤波器放大器电路的晶体管中的至少一个中所需的裕度，例如负载器件和用作可编程放大器的电流镜对中的器件。第三步骤303包括选择Sallen-Key滤波器的输入信号的DC电平以确保在至少一个晶体管中足够的裕度。
图4是描绘了根据本公开内容的方面配置的方法的流程图。如上面关于图2所示，可以利用Sallen-Key滤波器内部的放大器与可编程增益放大器之间的电路结构(例如，支路M6、M5、M4，支路M3b、M2、M1，支路M8、M7)中的相似性来有助于布局、简化设计、降低制造成本和/或改善芯片功能。
用于制造集成电路的方法中的第一步骤401包括采用Sallen-Key滤波器和至少一个可编程增益放大器共用的晶体管布局。第二步骤402包括设计Sallen-Key滤波器和可编程增益放大器(以及可选的其它电路和/或电路部分)以包括晶体管布局。这可以提供用于生成Sallen-Key滤波器和可编程增益放大器的电路设计。可以可选地在步骤402之前的第三步骤403包括调整布局中的晶体管的尺寸以提供共用的单元器件尺寸和电流密度。步骤402和/或403还可以包括将布局设计为高度紧凑并且提供可以减轻布局相关效应的单元器件的均匀阵列。基于生成的电路设计，在404处制造Sallen-Key滤波器和可编程增益放大器。
根据本公开内容的一些方面配置的方法可以提供根据本文所公开的电路配置的集成电路的设计。在一些方面中，方法被配置为提供根据本文所公开的设计的集成电路的制造。根据前述设计方面，本文所公开的方法可以包括被配置为设计和/或制造集成电路的可编程系统。
应当注意的是，可以通过包括服务器、接口、系统、数据库、代理、对等体、引擎、模块、控制器的计算设备或者单独或整体操作的其它类型的计算设备的任何适合的组合来执行针对该方法的任何语言。应当理解的是，计算设备包括被配置为执行存储在有形、非暂时性计算机可读存储介质(例如，硬盘驱动、固态驱动、RAM、闪存、ROM等)上的软件指令的处理器。软件指令优选地配置计算设备以提供如相对于所公开的电路和方法所公开的作用、责任或其它功能。
对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本文的发明构思的情况下，除了已经描述的那些以外，还可以有更多的修改。因此，本发明的主题除了在所附权利要求的精神中之外将不受限制。而且，在解释说明书和权利要求书两者中，所有术语应当以与上下文一致的最宽泛可能的方式进行解释。具体地，术语“包括”和“包含”应当被解释为以非排他方式参考元件、部件或步骤，表示所提及的元件、部件或步骤可以存在、或被利用、或与未明确引用的其它元素、部件或步骤进行组合。在说明书权利要求涉及从由A、B、C...及N组成的组中选择的某项中的至少一项的情况下，文本应当被解释为只需要来自该组的一个元件，而不是A加N或B加N等。

Claims (18)

1.一种WiGig基带信号处理电路，包括：
第一级滤波器，包括构成单位增益放大器的源极跟随器；以及
可编程增益放大器，其耦合到所述第一级滤波器，所述基带信号处理电路被配置以通过至少对所述可编程增益放大器中的电流镜复制比率的调整来至少提供可编程增益，以将所述基带信号处理电路的带宽设定与其增益设置去耦合。
2.根据权利要求1所述的WiGig基带信号处理电路，其中，所述电流镜复制比率是电流镜的一对晶体管之间的比率。
3.根据权利要求1所述的WiGig基带信号处理电路，其中，所述源极跟随器的输入信号与所述源极跟随器的输出信号同相。
4.根据权利要求1所述的WiGig基带信号处理电路，其中所述可编程增益放大器包括：
差分电压-电流转换器、电流镜对和可编程输出增益级。
5.根据权利要求4所述的WiGig基带信号处理电路，其中，所述差分电压-电流转换器和第一电流镜共享第一晶体管，并且所述差分电压-电流转换器和第二电流镜共享第二晶体管。
6.根据权利要求4所述的WiGig基带信号处理电路，还包括：
所述可编程输出的第一增益级和所述第一电流镜共享第三晶体管；以及
所述可编程输出的第二增益级和所述第二电流镜共享第四晶体管。
7.根据权利要求6所述的WiGig基带信号处理电路，其中，所述第一增益级和所述第二增益级将输入差分电流转换成输出差分电压。
8.根据权利要求1所述的WiGig基带信号处理电路，其中，所述源极跟随器包括：
第一电路，包括第一多个晶体管；以及
第二电路，其在所述可编程增益放大器内的分支中，包含第二多个晶体管，其中所述第二电路具有与所述第一电路相同的配置。
9.根据权利要求1所述的WiGig基带信号处理电路，其中，所述可编程增益放大器的增益基于所述电流镜复制比率以及第一电阻器与第二电阻器之间的比率。
10.根据权利要求1所述的WiGig基带信号处理电路，其中，所述第一级滤波器包括低通滤波器。
11.根据权利要求1所述的WiGig基带信号处理电路，其中，所述第一级滤波器包括高通滤波器。
12.根据权利要求1所述的WiGig基带信号处理电路，其中，所述第一级滤波器包括带通滤波器。
13.根据权利要求1所述的WiGig基带信号处理电路，其中，所述第一级滤波器被配置为Sallen-Key滤波器。
14.根据权利要求1所述的WiGig基带信号处理电路，还包括：
包括单元器件的均匀阵列的集成电路布局。
15.根据权利要求8所述的WiGig基带信号处理电路，其中，所述第一多个晶体管和所述第二多个晶体管具有相同的单元器件尺寸和电流密度。
16.根据权利要求8所述的WiGig基带信号处理电路，其中，所述第一电路被配置为有源器件，而所述第二电路被配置为负载器件。
17.根据权利要求16所述的WiGig基带信号处理电路，其中，所述负载器件向所述有源器件提供受控的电流负载。
18.根据权利要求16所述的WiGig基带信号处理电路，其中，所述负载器件提供直流偏置以操作所述源极跟随器。
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