CN1868117B - 跨导电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将差分输入电压转换成差分输出电流的跨导电路，其中该电压分别是作为两个信号而被提供到两个输入IN+、IN-上的。依照本发明，所述差分输入电压的两个信号中的每一个分别经由跟随晶体管TF+、TF-而被提供给每一个输入IN+、IN-，其中所述跟随晶体管TF+、TF-分别通过其发射极而与所述输入IN+、IN-相连，并且在控制电极上接收所述信号。此外，该跨导所具有的两个输入IN+、IN-中的每一个分别连接到相应的电流源CS-、CS+，其中该电流源CS-、CS+分别是由跨导的另一个输入IN-、IN+来进行动态控制的，所述电流源CS-和CS+分别促使由所述电源流CS-、CS+提供给每一个输入IN+、IN-的电流消除输入电压信号的电压变化所导致的电流变化。

Description

跨导电路
发明领域
本发明涉及的是预定用于将两个输入上提供的差分输入电压转变成差分输出电流的跨导电路。特别地，本发明涉及的是预定用于在上变换器电路中实施并且显现出高线性度和低噪声的跨导。
发明背景
在专利文献US5497123中介绍了这样一种高线性度的差分跨导。这种差分跨导包含了两端，每一端各自包含单个输入跨导。该跨导是一个AB类跨导。由于这类跨导是其中消耗与被处理信号无关的A类跨导与其中只在执行信号处理时才存在消耗的B类跨导之间的中间物，因此这类跨导是非常有利的。AB类跨导的优点还在于：它们只呈现微弱的DC，并且在很大范围以内都是线性的。提出这种跨导是为了在接收链中的实现。同样，这种跨导还显现出低输入阻抗从而与映像带阻滤波器(imagerejection filter)输出阻抗相匹配。这样一来，由于所获得的增益与输入阻抗成反比，因此，所给出的跨导非常适合于接收链。而低输入阻抗则适用于那些其中跨导输入为片外(off-chip)输入的离散应用。
对集成应用而言，输入阻抗必须很高，以便减小消耗。此外，这种跨导不适合在那些通常要求上变换电路具有较大线性输入阻抗的传输链中使用。
发明概述
本发明人寻求设计出一种呈现高输入阻抗的低噪声、高线性度的AB类跨导。
这个目标以及其他目标是借助起始段落中给出的跨导电路实现的，其特征在于：所述差分输入电压的两个信号申的每一个经由跟随晶体管(follower transister)而被提供到每一个输入，所述跟随晶体管通过其发射极连接到所述输入，以及在控制电极上接收所述信号，该跨导的两个输入中的每一个连接到各自的电流源，电流源则由跨导的另一个输入进行动态控制，所述电流源还促使提供给每一个输入的电流消除输入电压信号的电压变化所导致的电流变化。
本发明结合使用了共集电极级以及从一个输入到另一个输入的正反馈，以便消除跟随晶体管中的电流变化，其中所述共集电极级是借助一个发射极与输入相连的跟随晶体管来实现的。实际上，简单的跟随晶体管是不能使用较大的输入电压来驱动低输入阻抗的。通过与提供正反馈的电流源相结合，跟随晶体管的集电极电流中产生的较大变化可以得到消除。实际上，除非以很大的电流进行驱动，否则这些电流变化会对所述跟随晶体管的基极-发射极电压进行调整，并且由此引入失真。这样则获取了一个线性的、低噪声的、高阻抗的AB类跨导电路。
本发明是以如下方式实现的，其中跨导电路包含了两端，每一端包含一个输入，一个输出，至少一个第一晶体管，其控制电极耦合用于接收偏压、第一电极连接到所述输出并且第二电极连接到所述输入，一个第二晶体管，其第一电极和控制电极共同耦合到所述输入并且第二电极耦合到电源端子。
非常有利的是，所述第一和第二晶体管具有相同的大小。
在本发明的实施方式中，每一端还包括与所述第二晶体管具有相同大小的第三晶体管，其中所述第三晶体管具有与所述第一晶体管以及所述第二晶体管的控制电极相耦合的控制电极，与另一端的输出相连的第一电极，以及与所述电源端子相连的第二电极.
众所周知，这种实施方式可以为较大的输入电压提供高线性度的跨导传输函数。由于所述第三晶体管与所述第二晶体管具有相同大小，因此，就正、负输入电压而言，这个传输函数是对称的。
在输入电压的负偏移过程中，第一晶体管会对大量的电流进行处理。与此相反，在输入电压的正偏移过程中，第二和第三晶体管会对大量电流进行处理。通过共同操作，这些晶体管提供了这样一个传输函数，其中，无论所述第一和第二晶体管的相对大小怎样，该传输函数对正和负的输入电压来说都是线性的。在一种简单的实施方式中，第一和第二晶体管具有相同的太小。
由此，电流源是以如下方式实施的，其中所述电流源包含以大小为2的增益镜像(mirror)经由所述第二晶体管的电流的电流反射镜(mirror)。举例来说，所述电流反射镜包含了一个大小为所述第二晶体管的两倍的镜像晶体管，所述镜像晶体管具有与第一晶体管以及所述第二晶体管的控制电极相连的控制电极，与另一端的输入相连的第一电极，以及与所述电源端子相连的第二电极。
本发明还涉及一种预定在传输链中实现的芯片，以及一种包含了此类芯片的传输设备。
从下文描述的实施例中可以清楚了解本发明的这些和其他方面，并且本发明的这些和其他方面是参考下文描述的实施例而被阐述的。
附图简述
现在将参考附图并借助实例来对本发明进行更详细的描述，其中：
图1是现有技术所描述的跨导的示意图；
图2是依照本发明的跨导应用的示意图；
图3a描绘的是依照现有技术以及依照本发明的跨导传输函数；
图3b描绘的是用于本发明的跨导的输出电流；
图4描绘的是对依照本发明的跨导性能进行描述的图示；
图5示意性描绘了依照本发明的芯片；
图6描绘的是依照本发明的射频信号收发信机的框图。
发明详述
图1描绘的是现有技术中的跨导电路。这个跨导电路具有两个用于接收差分输入信号的输入IN+、IN-；以及用于提供差分输出信号的输出OUT+、OUT-。它包含了两个对称端，其中每一端都包括三个晶体管，即用于第一端的T1+、T2+、T3+以及用于第二端的T1-、T2-、T3-。所述晶体管是双极性或MOS晶体管，它具有分别与第一电极、控制电极以及第二电极相对应的集电极、基极以及发射极。
晶体管T1+和T1-具有耦合用于接收偏压的控制电极，分别与所述输出OUT+和OUT-相连的第一电极，以及分别与所述输入IN+、IN-相连的第二电极，其中这些电极由恒定电流Ibias进行偏置。
晶体管T2+和T2-采取的是二极管的结构，它具有共同耦合的集电极和基极，以及耦合用于接收来自电源端子PST的电源电压(例如接地)的发射极。
晶体管T3+和T3-使其控制电极与所述第一晶体管并且分别与所述第二晶体管T2+、T2-的控制电极相耦合，使其第一电极分别连接到另一端的输出OUT+以及OUT-，使其第二电极连接到所述电源端子PST。
这些晶体管与电源端子以及电路输入和输出之间的连接可以借助电阻器来实现。例如在图1中，所述第一晶体管T1+和T1-的第二电极与输入的连接是通过电阻器R1+和R1-实现的。所述第二和第三晶体管与电源端子PST的连接是通过电阻器R2+、R2-以及R3+、R3-实现的。在配对中，所述电阻器具有相等的值，并且非常有利的是，这些电阻器全都具有相同的值。对图2所描述的本发明的跨导电路来说，这个意见同样是适用的。
在电压中相对于例如施加给输入IN+的偏置点Vbias具有正侵入(positive incursion)的输入信号将会减小跨越晶体管T1+的基极发射极结的电压。与此相反，跨越晶体管T2+的基极发射机结的电压将会增大。晶体管T3+是由晶体管T2+与T3+形成的电流反射镜电路中的镜像晶体管。晶体管T2+的基极发射极电压的增大将被镜像给晶体管T3+，该晶体管则会增大输出OUT-提供的电流。
同时，在另一端，在电压中相对于偏置点Vbias具有负侵入的输入信号将被提供给输入IN-。它具有相反的作用。跨越晶体管T1-的基极发射极的电压会由这个负的电压增大。与此相反，跨越晶体管T2-的基极发射极结的电压将会减小。具有负电压的输入信号将会导致输出OUT-的电流增大，并且导致输出OUT+的电流减小。跨导的这两端的作用则是以相同的方式实行的。
在极端条件下，其中信号电流等于或大于偏置电流，并且不受对电路进行偏置的电流源的限制，这时，这个跨导将会继续以线性方式执行操作。在每一端，由于输入电压很大，晶体管T1或晶体管T2将会切断。例如，具有施加到输入IN+的较大正电压的输入信号将会切断晶体管T1+，但是会增大流经晶体管T2+的电流，而该电流则被镜像给输出OUT-。这个输出OUT-还会接收来自T1-的电流，同时T2-将会切断。实际上，施加于输入IN-的较大负电压将会切断晶体管T2-和T3-，但是将会线性增大在输出OUT-提供并且流经晶体管T1-的电流。因此，即使在有较大的正或负输入电压摆动的情况下，该跨导仍旧会保持线性。
然而如上所述，这个跨导具有很低的输入阻抗。并且，在所述跨导的每一个输入IN+和IN-都可以执行阻抗适配。如果有源的话，那么这种阻抗适配的部件将会存在向输入信号中添加失真的缺陷。实际上，在这个有源并且由此为非线性的适配电路中流动的电流的变化将会产生失真。
在图1中显示了输入电压信号δv的作用。这个作为IN+提供的电压变化+δv将会导致两个晶体管T1+和T1-中的每一个都出现电流变化δi。然后，这个电流变化将被镜像，并且在输出OUT+上将会获取一个经过放大的变化2δi。由于输入是由恒定电流Ibias偏置的，因此，阻抗适配部件必须提供或吸收电流I0+2δI或I0-2δi。由此，阻抗适配部件将会增大这种变化并添加失真。举例来说，在借助发射极跟随晶体管实现适配的时候，所述跟随晶体管的基极发射极电压由此应当会发生变化，而这将会导致失真。此外，当这个电路在低电流上短暂偏置时，它还会使得从适配电路中产生的噪声很高。
图2描绘的是本发明的跨导的示范性应用，其中该应用不会遭受上述缺陷。
依照本发明，所述差分输入电压的两个信号中的每一个分别经由跟随晶体管TF+以及TF-而被分别提供到每一个输入IN+和IN-，其中所述跟随晶体管TF+和TF-分别通过其发射极而与所述输入IN+、IN-相连，并且在控制电极上接收所述信号.此外，该跨导的两个输入IN+和IN-中的每一个分别连接到通过该跨导的另一个输入IN-和IN+动态控制的电流源CS-和CS+.所述电流源CS-和CS+分别促使所述电流源CS-和CS+提供给每一个相对输入IN+和IN-的电流消除输入电压信号的电压变化+δv以及-δv所导致产生的电流变化2δi.
由此，通过实施正反馈，可以为输入提供一个在幅度上与所吸收的电流相等的电流。于是，最终得到的输入阻抗Zin将会很大。实际上，信号δv产生的是一个微弱的电流信号δI＝2δi-2δi，而跟随晶体管所见的输入阻抗Zin＝δv/δI将会很大。跟随晶体管TF不再具有要提供到跨导输入的电流变化，并且即使处于很高的输入电压，它也不会产生任何失真。
在下文中将会公开图2中的左侧的机能。关于右侧机能的描述则与之相似。在图2中描述了这样一种情况，其中电阻器R1+、R2+具有相同的值，晶体管T1+、T2+也具有相同的大小。如先前所看到的那样，电压变化+δv将会产生一个电流，这个电流则会在包含T1+的分支以及包含T2+的分支中一分为二。由此，在每一个分支中将会产生两个电流变化δi。在T2+中产生的电流变化δi由T3+镜像到输出OUT-。而输出OUT-上的这个电流变化δi的效应可以添加到包含T1-的分支所产生的电流变化效应中。在将经由T2-所产生的电流变化δi通过T3-镜像到输出OUT+的时候，在OUT+上将会观察到相同的现象。
图2分别给出了电流源CS+和CS-的示范性实施方式。所述电流源CS+和CS-各自包含了一个电流反射镜，其中所述反射镜分别包含了镜像晶体管TM+和TM-，该晶体管具有分别与所述第二晶体管T2+、T2-的第一和控制电极相连的控制电极，分别与另一端的输入IN-和IN+相连的第一电极，以及与所述电源端子PST相连的第二电极。
电流是以大小为2的增益来镜像的，由此消除了在相对输入进入的电流变化。因此，在这里可以使用大小为T2大小两倍的晶体管TM+和TM-。在实践中，晶体管并没有呈现出理想的特性，所述镜像晶体管TM的大小是根据输出电流的需要范围来进行适配的。所述镜像晶体管TM+、TM-与所述电源端子的连接可以通过电阻器RM+、RM-来实现。较为有利的是，这种电阻器与那些结合所述第二和第三晶体管所使用的电阻器具有相同的值。依照这种应用的跨导呈现出很高的输入阻抗，并且对较大的正负电压摆动来说是对称的，此外，对大小为5mA的偏置电流来说，该跨导还呈现出了图3a所示的良好的线性度。通过观察可以看出，曲线PAC所描绘的现有技术中的传输函数的线性度不如曲线IC所描绘的本发明的传输函数。如所示，即使是对很高的输入电流而言，本发明的跨导都是线性的。图3b描绘的是本发明跨导的两个输出电流I(OUT+)以及I(OUT-)。每一个输出电流并不是线性的，但是差分输出电流I(OUT+)-I(OUT-)＝Idiff却完全是线性的。
实际上，跨导的每一个输入IN+、IN-分别是由相对电流源CS-和CS+所实现的反馈来直接偏置的，而不是由恒定电流源来进行偏置的。
在图4中对本发明的性能进行了图示说明.该图显示了针对图1所示的现有技术实施方式以及图2所示的本发明的实施方式所执行的双音分析的结果.第一个音调是一个幅度为V并且频率为F1＝375MHz的差分电压，而第二个音调则是一个具有相同幅度V以及频率F2＝385MHz的差分电压.这两个音调是在跨导的输入注入的.在跨导输出，以电流IM1F1和IM1F2形式的两个主音调是在相应频率F1和F2上获取的.以电流IM3F1以及IM3F2形式的两个辅音调则是在频率F1’＝365MHz以及F2’＝395MHz上获取的.这些辅音调是由跨导的非线性度产生的.在图4中描绘了对应于频率F1的音调IM1F1，以及对应于频率F1的音调IM1F1与IM3F1之间的差值.这个差值越高，跨导的线性度也就越大.对应于F2的曲线与之是类似的.由此可以观察到的是，在相同的偏置电流上，对较大的输入和输出信号而言，本发明的跨导要比现有技术中的跨导的线性度更高.这个结果是通过如下事实来说明的，差值IM1F1-IM3F1较大，并且代表跨导增益的IM1F1的斜率不会因为高的输入电压而下降.此外还可以观察到的是，本发明的跨导要高于现有技术中的跨导.这个结果则是通过IM1F曲线所表示的增益来描述的.举例来说，可以观察到的是，本发明的跨导可以产生两个幅度为15mA并且差值IM1F1-IM3F1为40dB的差分音调，并且全局偏置电流仅为10mA.这两个差分音调是以低于1dB的增益变化获取的.在低信号电平，差值IM1F1-IM3F1比借助现有技术获取的差值高12dB，在更高的输入电压，还要高更多(高达26dB).
图5描述的是预定用于在依照本发明的收发信机中实施的芯片FTCT。所述芯片包含了至少一个先前所述的跨导TRCD，以及一个专用于提供频率偏移信号的混合器电路MIX，其中该信号来自所述跨导TRCD所输出的电流。
图6描述的是依照本发明的射频信号收发信机FCS的框图。通常，所述收发信机预定用于经由天线ANT来接收和发射信号。通信设备COM控制对天线ANT的访问。所述通信设备COM至少与接收链RX以及传输链TX相连。所述接收链RX至少包含一个信号处理电路SPC以及一个频率变换单元FTCR，其中该单元通常是由混合器电路构成的。处理单元MC跟随在这些电路之后。该处理单元MC还对所要传送的信号进行处理，由此与传输链TX相连，所述传输链则至少包含一个先前在图5中描述的芯片中实施的频率变换单元FTCT以及一个放大单元AMPT。非常有利的是，这种收发信机是一个通信设备：移动电话......。在本发明的这个示范性的应用中，本发明是在上变换电路中实行的，对所述电路而言，本发明的特性是非常适合的。
应该理解的是，本发明并不局限于前述实施例，在不脱离所附权利要求所限定的发明实质和范围的情况下，各种修改和变更都是可行的。就此而论，在这里给出下列结束语评论。
应该理解的是，跨导的线性度还可以通过跨导电阻器的值而以常规方式调整。特别地，修改R0的值即可实现这种改进。
应该理解的是，在本发明的电路中可以添加隔离装置。举例来说，在所述第三晶体管的集电极以及相对输出之间，晶体管可以以与所述第三晶体管共射的方式来实现。这样可以避免诸如混合器电路之类的所述跨导充电所引发的干扰。
应该理解的是，本发明并不局限于前述电信应用。本发明可以用在任何那些使用了在进一步处理之前需要频率变换的接收链的应用中。
应该理解的是，本发明并不局限于前述移动电话应用。它可以用在任何使用了出现偏移频率的系统的应用中，例如汽车应用。
应该理解的是，依照本发明的方法并不局限于上述实施方式。
在后续的权利要求中，任何参考符号不应理解成是对权利要求加以限制.很明显，使用动词“包含”及其变形并不排除在权利要求所限定的步骤或部件之外还存在其他步骤或部件.处于部件或步骤之前的冠词“一”或“一个”并不排除存在多个这种部件或步骤.

Claims (8)

1.一种预定用于将差分输入电压转换成差分输出电流的跨导电路，其中该差分输入电压是作为两个输入上的两个信号提供的，其特征在于：所述差分输入电压的两个信号中的每一个经由跟随晶体管被提供到每一个输入，所述跟随晶体管通过其发射极与所述输入相连，并且在控制电极上接收所述差分输入电压的信号，该跨导电路的两个输入中的每一个都连接到一个相应的电流源，该电流源由该跨导电路的另一个输入动态控制，所述电流源促使由所述电流源提供给每一个输入的电流消除输入电压信号的电压变化所导致的电流变化。
2.如权利要求1所述的跨导电路，其中，该跨导电路包含两端，每一端都包含一个输入；一个输出；至少一个第一晶体管，该第一晶体管具有耦合用于接收偏压的控制电极、与所述输出相连的第一电极以及与所述输入相连的第二电极；以及第二晶体管，该第二晶体管具有共同耦合到所述输入的第一电极和控制电极以及耦合到电源端子的第二电极。
3.如权利要求2所述的跨导电路，其中，所述第一和第二晶体管具有相同的大小。
4.如权利要求2和3之一所述的跨导电路，其中，每一端还包括与所述第二晶体管具有相同大小的第三晶体管，其中所述第三晶体管具有与所述第一晶体管以及所述第二晶体管的控制电极相耦合的控制电极，与另一端的输出相连的第一电极，以及与所述电源端子相连的第二电极。
5.如权利要求2所述的跨导电路，其中，所述电流源包含以大小为2的增益来镜像经由所述第二晶体管的电流的电流反射镜。
6.如权利要求5所述的跨导电路，其中，所述电流反射镜包含一个大小为所述第二晶体管两倍的镜像晶体管，所述镜像晶体管具有与所述第二晶体管的第一以及控制电极相连的控制电极，与另一端的输入相连的第一电极，以及与所述电源端子相连的第二电极。
7.一种预定用于在收发信机中实施的芯片，其中该芯片至少包含权利要求1-6之一所述的跨导电路。
8.一种射频信号收发信机，其中包含至少一个如权利要求7所述的芯片。
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