FI121447B - Kaskadiin kytkettyjen vahvistimien takaisinkytkentäverkko - Google Patents

Description

Kaskadiin kytkettyjen vahvistimien takaisinkytkentäverkko Äterkopplingsnät för kaskadkopplade förstärkare Tämä keksintö liittyy vahvistimiin yleisesti ja erityisesti gigahertsien taajuuksilla 5 toimiviin laajakaistaisiin takaisinkytkentävahvistimiin. Keksintö liittyy myös sellaisiin laajakaistaisiin matalakohinaisiin vahvistimiin, jotka voidaan valmistaa häviävän pienin kustannuksin. Viimeksi mainittu on tärkeä keksinnön mahdollinen sovelluskohde, jonka mielenkiintoisuutta lisää tämänhetkinen kiinnostus suurten bittino-peuksisten kuluttajatuotteiden tuottamiseen ultralaajakaistaisilla (UWB) tekniikoilla. 10 Muita mahdollisia sovelluksia ovat keksintöä rajaamatta transimpedanssivahvisti-met optisiin tietoliikennesovelluksiin.

Selvää on, että taloudellisista syistä keksinnön mukaisen vahvistimen tuottamiseksi olisi hyvä käyttää digitaalipiirien prosessointiin tarkoitettua perus-CMOS-prosessia. Riittävä kaistanleveys pienillä vahvistuksen vaihteluilla voidaan saavut-15 taa seuraavilla kolmella tekniikalla: 1) jaettu vahvistus, 2) monimutkaisen suoda-tinverkon käyttö piirin tulossa/lähdössä tai 3) takaisinkytkentävahvistus. Ensimmäisen vaihtoehdon käyttöä rajoittaa yleisellä tasolla tehonkulutuksen kasvu ja mahdollisesti vaativa suunnittelutyö, kun taas toisen vaihtoehdon käyttöön liittyy kasvanut piirin pinta-ala, vaativa suunnittelutyö ja parasiittisista aiheutuvat resistii-20 viset häviöt. Näillä perustein kolmas vaihtoehto, jossa passiivista takaisinkytkentä-verkkoa käyttäen piirin vahvistusta käytetään sen taajuusvasteen laajakaistaista-miseen, vaikuttaa parhaalta. Hyödyllisenä lisäpiirteenä mainittu tekniikka samalla stabiloi vahvistuksen sekä tulon/lähdön impedanssitasot, ja tämä tunnettu tekninen ratkaisu sopii käytettäväksi edulliseen integrointiin komplementaarisilla metalli-25 oksidi-puolijohdeprosesseilla (CMOS).

Kuitenkin käytettävän takaisinkytkennän määrää rajoittaa tarve pitää piiri stabiilina, ja tämä ongelma on perinteisesti ratkaistu käyttämällä erilaisia kompensointiverk-koja, joilla pyritään lisäämään käytettävän stabiilin takaisinkytkennän määrää. Tavanmukaiset mikroaaltoalueen takaisinkytkennät käyttävät tähän tarkoitukseen 30 monimutkaisia kompensointikapasitanssiverkkoja, mutta tämä tapa johtaa tehottomaan pinta-alan käyttöön, pidentyneeseen suunnitteluaikaan, ja se on herkkä parasiittisille. Esimerkki hyvin monimutkaisesta takaisinkytkentäverkosta nähdään kuvassa 1, jossa on esitetty viitteessä J.-H. C. Zhan ja S. S. Taylor, “A 5GHz resistive-feedback CMOS LNA for low-cost multi-standard applications,” Solid-State 2

Circuits, 2006 IEEE International Conference Digest of Technical Papers, 2006, s. 721-722, 730 raportoitu yksiasteinen UWB matalakohinainen vahvistin (LNA).

Joka tapauksessa simulointien perusteella tätä tunnetun tekniikan mukaista työtä on mahdotonta toistaa riittävällä suorituskyvyllä, jos käytetään modernia nanomet-5 riluokan viivanleveyden digitaalista CMOS-prosessia matalalla standardijänniteläh-teellä, koska päällekkäin asetettujen transistoreiden määrä rajaa saatavilla olevaa dynaamista aluetta (DR), ja koska tuon piirin monimutkaisen takaisinkytkentäpiirin suunnittelu on hyvin vaativaa. Perimmäinen rajoite on digitaalitransistorien matala ominaisvahvistus, joka laskee yksittäisen asteen vahvistuksen aivan liian alas.

10 Mahdollinen vaihtoehto, joka käyttää kolmea peräkkäin kytkettyä vahvistinastetta, on kuvattu kuvaan 2 siten kuin se on esitetty viitteessä J. Janssens, M. Steyaert ja H. Miyakawa, “A 2.7 Volt CMOS broadband low noise amplifier,” VLSI Circuits, 1997, Digest of Technical Papers., 1997 Symposium on, 1997, s. 87-88, jonka pääasiallisena sisältönä on idea piirin isolaation parantamiseksi siten, että ta-15 kaisinkytkentävastusta ajetaan vahvistinasteella. Kuvan 2 piiri on itse asiassa muunnelma hyvin tunnetusta bipolaarein toteutetusta vahvistinkytkennästä, jossa emitteriseuraajaa käytetään ajamaan tuloporttiin kytkettyjä takaisinkytkentävastuk-sia. Kuitenkin vaikka esitetty kytkentä näyttää yksinkertaiselta, on sen käyttö mm. UWB-sovelluksiin ongelmallista, koska takaisinkytkentävahvistimen vahvistuksen 20 heikkeneminen taajuuden funktiona aiheuttaa vaikeita korkeataajuuksisia napoja takaisinkytkentäpiiriin. Tämän väitteen vahvistukseksi alkuperäisessä piirissä kuvassa 2 on kaksi ylimääräistä impedanssiverkkoa parasiittisten ilmiöiden kompensoimiseksi: ensin induktanssia 032 ja sen dc-blokkia 034 käytetään parasiittisten vaikutusten kumoamiseen, toiseksi on käytettävä vastus-kapasitanssi-verkkoa 25 (RC) 031,033 stabiilisuuden takaamiseksi.

Tämän keksinnön mukaisessa toteutuksessa käyttökelpoisen stabiilin takaisinkytkennän määrä kasvaa syöttämällä lähtösignaalia aktiivista astetta käyttäen takaisin ensimmäiseen sisäiseen solmupisteeseen kaskadin ensimmäisen vahvistimen lähdössä kuvassa 3 näytetyllä tavalla. Kaikkein edullisimmassa muodossa, rajoit-30 tumatta siihen, viimeisen vahvistinasteen kopiota, tai sen osaa, käytetään keksinnön mukaisena aktiivisena takaisinkytkentäasteena, koska tämä mahdollistaa takaisinkytkennän voimakkuuden tarkan säätämisen pelkästään skaalaamalla mainittua takaisinkytkentäastetta. Siten mainittu dc-kytketty aktiivinen takaisinkytken-täaste peilaa tarkasti skaalatun kopion lähtöasteen esivirroitus- ja signalointivirrois-35 ta takaisinkytkentäsignaaliksi. Esitetty viimeisen vahvistinastekopion käyttö on avain käytettävissä olevan stabiilin takaisinkytkennän lisäämiseksi, koska tällä ta- 3 voin toteutuu taajuuskompensointi yksittäisen vahvistinasteen navat ja nollat kopioimalla. Siten hyvin tunnettu stabiilisuusehto (A. S. Sedra ja K. C. Smith, Microelectronic Circuits, 5. painos Oxford University Press, 2003), jonka mukaan vahvistimen ja takaisinkytkennän taajuusvasteiden eron on oltava vähintään 20dB, on 5 helpompi ylläpitää. Mainittu parhaana pidetty toteutus myös välttää tunnetun tekniikan mukaisten toteutusten sisääntulon takaisinkytkentävahvistimen navoilla ja nollilla kuormittamisongelmat, ja suunnittelija voi halutessaan hyödyntää kahden takaisinkytkentäpolun tuomaa lisäjoustavuutta toteuttamalla osan halutusta ta-kaisinkytkennästä takaisinkytkentävastuksella, joka on kytketty kaskadivahvisti-10 men tulo- ja lähtöporttien väliin, kuten kuvassa 4. Eristys myös kasvaa ja kohina hieman laskee, koska takaisinkytkentävastuksen arvot voidaan asettaa suuremmiksi tai käytännössä äärettömiksi muuttamatta takaisinkytkennän määrää. Tämä on suoraa seurausta pienemmästä osasta, joka halutusta takaisinkytkennästä joudutaan nyt toteuttamaan vastuksella.

15 Kuva 1 näyttää tunnetun tekniikan mukaisen CMOS-LNA:n, jossa on monimutkainen passiivinen takaisinkytkentäverkko.

Kuva 2 näyttää tunnetun tekniikan mukaisen kaskadi-CMOS -LNA:n, jossa on vahvistimen ajama resistiivinen takaisinkytkentäverkko.

Kuva 3 näyttää ensimmäisen keksinnön mukaisen takaisinkytkentäverkon sovel-20 luksen kolmen vahvistinasteen kaskadiin.

Kuva 4 näyttää toisen keksinnön mukaisen takaisinkytkentäverkon sovelluksen kolmen vahvistinasteen kaskadiin.

Kuva 5 esittää keksinnön mukaisen takaisinkytkentäverkon käytöstä ultralaajakais-taisessa (UWB) matalakohinaisessa vahvistimessa (LNA) aiheutuvan taajuusvas-25 teen stabiloitumisen.

Kuva 6 vertaa simuloituja jännitevahvistuksia (ylempi) ja kaksiporttisimulaatiosta saatuja isolaatioparametreja S12 (alempi) sekä mainitulle takaisinkytkentäverkko-tekniikalle että perinteiselle pelkälle vastuspiirille.

Kuva 7 esittää yhden mahdollisen transistoritason toteutuksen mainitun takaisin-30 kytkentäverkkotekniikan sovelluksesta kuvassa 4 näytettyyn kolmen vahvistinas teen kaskadiin.

4

Kuva 8 esittää toisen mahdollisen transistoritason toteutuksen mainitun takaisin-kytkentäverkkotekniikan sovelluksesta kuvassa 4 näytettyyn kolmen vahvistinas-teen kaskadiin.

Kaikissa kuvissa käytetään toisiaan vastaavia viitetunnisteita toisiaan vastaaville 5 elementeille, joilla on samanlainen käyttötarkoitus. Kuviin 1 ja 2 viitattiin edeltävässä tunnetun tekniikan tason kuvauksessa.

Kuva 3 kuvaa mainitun takaisinkytkentäverkon sovelluksen laajakaistaiseen kas-kadivahvistimeen 200, missä ensimmäinen vahvistin 61 syöttää signaalin piiriin, missä sitä edelleen vahvistaa toinen vahvistin 62, ja mistä kolmas vahvistin 63 10 syöttää sen piirin lähtöporttiin. Lopuksi vahvistettu signaali syötetään lähtöportista takaisin piirin ensimmäiseen sisäiseen solmupisteeseen 65 takaisinkytkentäverk-koa 60 käyttäen esitetyn keksinnön mukaisella tavalla. Takaisinkytkentäverkkoon 60 kuuluu oikein mitoitettu aktiivinen aste, jonka parhaana pidetty toteutus on kolmannen vahvistinasteen 63, tai sen osan, alasskaalattu kopio.

15 Kuva 4 kuvaa toisen takaisinkytkentäverkon sovelluksen laajakaistaiseen kaskadi-vahvistimeen 200, missä ensimmäinen vahvistin 61 syöttää signaalin piiriin, missä sitä edelleen vahvistaa toinen vahvistin 62, ja mistä kolmas vahvistin 63 syöttää sen piirin lähtöporttiin. Lopuksi vahvistettu signaali syötetään lähtöportista takaisin piirin ensimmäiseen sisäiseen solmupisteeseen 65 ja sen tuloporttiin takaisinkyt-20 kentäverkkoa 60 käyttäen esitetyn keksinnön mukaisella tavalla. Takaisinkytkentäverkkoon 60 kuuluu oikein mitoitettu aktiivinen aste, jonka parhaana pidetty toteutus on kolmannen vahvistinasteen 63, tai sen osan, alasskaalattu kopio, sekä yksi vastuspiiri 10.

Mainitun takaisinkytkentäteknologian edut käyvät ilmi taajuusvastediagrammista 25 kuvassa 5, missä käyrä 50 kuvaa vahvistimen vastetta ilman takaisinkytkentää, ja käyrät 51 ja 52 kuvaavat kahta erilaista taajuusvastetta samalla takaisinkytkentä-määrällä. Tunnetun tekniikan mukaiselle pelkästään vastuksella toteutetulle ta-kaisinkytkennälle kuvattu käyrä 51 näyttää selkeän amplitudipiikin, mikä ennustaa vaikeita aika-alueen asettumisilmiöitä ja mahdollisuutta oskillointiin. Vertailukohta-30 na mainitulle teknologialle kuvattu käyrä 52 on paljon tasaisempi, mikä ennustaa hyvää aika-alueen asettumista ja stabiilisuutta. Isolaatio piirin kahden portin välillä myös paranee, koska piirin takaisinkytkentävastusta voidaan nyt kasvattaa samaa takaisinkytkentää vastaten.

5

Kuva 6 vertailee simuloituja tuloksia kahdelle takaisinkytkentävahvistimelle, jotka kumpikin käyttävät osan samanlaisten samalla tavalla esivirroitettujen vahvistinten vahvistuksesta tuottaakseen suuremman n. 9 GHz:n kaistan samalla jäljellejäävällä 15 dB:n keskikaistan/dc-vahvistuksella. Siten kummatkin vahvistimet käyttävät 5 saman määrän takaisinkytkentää, siten että mainitulle keksinnölle simuloidut tulokset on merkitty merkillä 0. Tunnetun tekniikan mukaiselle pelkästään resistiivi-sesti takaisinkytketylle vahvistimelle simuloidut tulokset on vastaavasti merkitty merkillä +.

Kuvan 6 ylempi osakuva vertaa jännitevahvistuksen pilkitystä vahvistimen 3 dB:n 10 taajuuksien lähellä, ja tässä mainitun keksinnön soveltaminen silminnähden vähentää 15 dB:n esimerkkivahvistimen vasteen pilkitystä. Tämän tuloksen selkiyttämiseksi on syytä esittää kaksi seikkaa: 1) eri takaisinkytkentäverkon elementtiar-voin parannusta voidaan kasvattaa aina 3 dB:iin saakka tälle 15 dB:n vahvis-tinesimerkille sekä 2) kasvatettaessa takaisinkytkentää yli 10 GHz:n kaistojen tuot-15 tamiseksi 13 dB:n keskitaajuusalueen jännitevahvistuksella, osoittavat tunnetun tekniikan mukaiselle vahvistimelle saadut simulaatiotulokset epästabiilisuutta, kun taas mainittu takaisinkytkentävahvistin pysyy stabiilina. Kuvan 6 alempi osakuva vertaa toteutetuille 15 dB:n vahvistimille kaksiporttisimulaatiolla saatuja isolaa-tioparametreja S12 siten, että mainitulle takaisinkytkentäverkkoteknologialle näyte-20 tään selkeää 7 dB:n parannusta.

Kuva 7 kuvaa yhden laajakaistaisen kaskadivahvistimen 200 parhaana pidetyistä toteutuksista, missä takaisinkytkentäverkko 60 on järjestetty mainitun keksinnön oppien mukaisesti muuttamaan kolmen vahvistinasteen 61, 62, 63 signaalivahvis-tusta laajakaistaiseen taajuusvasteeseen. On syytä kuitenkin huomioida, että kek-25 sintöä ei rajata tällä esimerkillä, koska kuka tahansa ammatti-insinööri suunnittelee helposti sellaisia muunnelmia, jotka ovat tässä hakemuksessa määritellyn keksinnön piirissä.

Ensimmäisessä vahvistimessa 61 on ensimmäinen NMOS-tulotransistori 31, jonka antosolmupiste on kytketty maapotentiaaliin, ja jonka hila-terminaali on kytketty 30 C1-arvoiseen dc-erotinkapasitanssiin 20 sekä Rb1-arvoiseen esivirroitusvastuk-seen 11. Kapasitanssin 20 toinen pää on kytketty signaalin tuloporttiin in, kun taas esivirroitusvastuksen 11 toinen pää on kytketty esivirroitusjännitteeseen vb1, joka voidaan tehdä millä tahansa alalla tunnetulla tavalla. On syytä huomata, että tämän hyvin tunnetun esivirroitusjärjestelyn käyttö ei sulje pois itse-esivirroittuvien 35 vahvistimien käyttöä tässä tai myöhemmissä toteutuksissa. NMOS-tulotransistorin nielusolmupiste on kytketty R1 -arvoiseen esivirroitusvastukseen 12, PMOS- 6 transistorin 32 nielusolmupisteeseen ja ensimmäiseen sisäiseen solmupisteeseen 65, joka on edelleen yhteydessä toisen vahvistimen tuloon 62. PMOS-transistorin 32 hilasolmupiste on liitetty C2-arvoiseen dc-erotinkapasitanssiin 21 sekä R1-arvoiseen esivirroitusvastukseen 12. Kapasitanssin 21 toinen pää on kytketty as-5 teen tuloporttiin ja se jakaa sen yhdessä kapasitanssin 20 kanssa. PMOS-transistorin antosolmupiste on edelleen liitetty positiiviseen käyttöjännitteeseen 301 (merkitty myös Vdd:llä), ja tähän päättyy komplementaarisen transistoripari-kytkennän 31, 32 kuvaus virtaa uudelleenkäyttävänä vahvistinasteena, jolla on tarkoitus parantaa signaali-kohinasuhdetta. Selvää on, että vaikka virran uudel-10 leenkäyttö on alalla hyvin tunnettu tekniikka, niin sen soveltaminen ei rajoita esitettyä keksintöä, joka liittyy takaisinkytkentäpiirin uudenlaiseen toteutukseen.

Ensimmäisen vahvistimen 61 jälkeen vahvistettua signaalia vahvistetaan edelleen toisella vahvistimella 62, joka on tässä parhaana pidetyssä toteutuksessa kytkentäkaavioltaan samanlainen ensimmäisen vahvistimen kanssa suunnitteluajan ly-15 hentämiseksi ja virran uudelleenkäytön hyödyntämiseksi. Toisessa vahvistimessa 62 on ensimmäinen NMOS-tulotransistori 33, jonka antosolmupiste on kytketty maapotentiaaliin, ja jonka hila-terminaali on kytketty C3-arvoiseen dc-erotinkapasitanssiin 22 sekä Rb2-arvoiseen esivirroitusvastukseen 13. Kapasitanssin 22 toinen pää on kytketty toisen asteen tuloporttiin, kun taas esivirroi-20 tusvastuksen 13 toinen pää on kytketty esivirroitusjännitteeseen vb2, joka voidaan tehdä millä tahansa alalla tunnetulla tavalla. NMOS-tulotransistorin nielusolmupis-te on kytketty R2-arvoiseen vastukseen 14, PMOS-transistorin 34 nielusolmupisteeseen ja kolmannen vahvistimen 63 tuloon. PMOS-transistorin 34 hilasolmupiste on liitetty C4-arvoiseen dc-erotinkapasitanssiin 23 sekä R2-arvoiseen esivirroitus-25 vastukseen 14. Kapasitanssin 23 toinen pää on kytketty asteen tuloporttiin ja se jakaa sen yhdessä kapasitanssin 22 kanssa. PMOS-transistorin antosolmupiste on edelleen liitetty mainittuun positiiviseen käyttöjännitteeseen 301 (merkitty myös Vdd:llä).

Toisen vahvistimen 62 jälkeen vahvistettua signaalia vahvistetaan edelleen kol-30 mannella vahvistimella 63, joka on tässä parhaana pidetyssä toteutuksessa kytkentäkaavioltaan samanlainen ensimmäisen vahvistimen kanssa suunnitteluajan lyhentämiseksi ja virran uudelleenkäytön hyödyntämiseksi. Kolmannessa vahvistimessa 63 on ensimmäinen NMOS-tulotransistori 35, jonka antosolmupiste on kytketty maapotentiaaliin, ja jonka hila-terminaali on kytketty C5-arvoiseen dc-35 erotinkapasitanssiin 24 sekä Rb3-arvoiseen esivirroitusvastukseen 15. Kapasitanssin 24 toinen pää on kytketty kyseisen asteen tuloporttiin, kun taas esivir- 7 roitusvastuksen 15 toinen pää on kytketty esivirroitusjännitteeseen vb3, joka voidaan tehdä millä tahansa alalla tunnetulla tavalla. NMOS-tulotransistorin nielusol-mupiste on kytketty R3-arvoiseen vastukseen 16, PMOS-transistorin 36 nielusol-mupisteeseen ja vahvistimen 200 out:illa merkittyyn lähtöporttiin. PMOS-5 transistorin 36 hilasolmupiste on liitetty C6-arvoiseen dc-erotinkapasitanssiin 25 sekä R3-arvoiseen esivirroitusvastukseen 16. Kapasitanssin 25 toinen pää on kytketty asteen tuloporttiin ja se jakaa sen yhdessä kapasitanssin 24 kanssa. PMOS-transistorin antosolmupiste on edelleen liitetty mainittuun positiiviseen käyttöjännitteeseen 301.

10 Kaskadivahvistinasteiden 61, 62, 63 vahvistuksen muuttamiseksi (ult- ra)laajakaistaiseksi taajuusvasteeksi, vahvistettu signaali syötetään takaisin piirin lähtöportista sen ensimmäiseen sisäiseen solmupisteeseen 65 ja piirin tuloporttiin takaisinkytkentäverkolla 60, joka on koottu mainitun keksinnön opetusten mukaisesti. Takaisinkytkentäverkkoon 60 kuuluu kopio 30 lähtövahvistinasteesta 63, tai 15 sen osasta, sekä yhdestä Rfbk-arvoisesta vastuksesta 10. Parhaana pidetyssä toteutuksessa lähtövahvistinasteen 63 kopio on yksi PMOS-transistori 30, mutta sen toimintapiste on helposti määrätty valitsemalla sen leveysmurto-osaksi lähtöasteen 63 PMOS-transistorin 36 leveydestä. Tällä tavoin kopioidaan hyvin määritelty osa lähdön signaalivirrasta takaisin ensimmäiseen sisäiseen solmupisteeseen 65. So-20 velluksesta riippuen koko haluttu takaisinkytkentä voitaisiin toteuttaa laitteella 30, mutta tässä parhaana pidetyssä toteutuksessa on käytetty vastusta 10, jotta a) saataisiin parannettua sisääntuloportin sovitusta 50 ohmiin ja b) saataisiin suunnittelijalle yksi vapausaste lisää stabiilin takaisinkytkennän suunnittelemiseksi ilman kompensointipiirejä.

25 Kuva 8 kuvaa vielä toisen laajakaistaisen kaskadivahvistimen 200 parhaana pidetyistä toteutuksista, missä takaisinkytkentäverkko 60 on järjestetty mainitun keksinnön oppien mukaisesti muuttamaan kolmen vahvistinasteen 61, 62, 63 signaa-livahvistusta laajakaistaiseen taajuusvasteeseen. Tässä parhaana pidetyssä toteutuksessa asteiden välinen suora yhteys vie ensimmäiselle asteelle tehdyn esivir-30 roituksen toiselle ja kolmannelle vahvistinasteelle. Tästä seuraa resursseja säästävä toteutus, johon ei tarvitse luoda kahta esivirroitusjännitettä, kahta dc-estokapasitanssia (parasiittisineen) ja kahta vastusta.

Ensimmäisessä vahvistimessa 61 on ensimmäinen NMOS-tulotransistori 31, jonka antosolmupiste on kytketty maapotentiaaliin, ja jonka hila-terminaali on kytketty 35 C1-arvoiseen dc-erotinkapasitanssiin 20 sekä Rb1-arvoiseen esivirroitusvastukseen 11. Kapasitanssin 20 toinen pää on kytketty signaalin tuloporttiin in, kun taas 8 esivirroitusvastuksen 11 toinen pää on kytketty esivirroitusjännitteeseen vb1, joka voidaan tehdä millä tahansa alalla tunnetulla tavalla. NMOS-tulotransistorin nie-lusolmupiste on kytketty R1 -arvoiseen esivirroitusvastukseen 12, PMOS-transistorin 32 nielusolmupisteeseen ja ensimmäiseen sisäiseen solmupisteeseen 5 65, joka on edelleen yhteydessä toisen vahvistimen tuloon 62. PMOS-transistorin 32 hilasolmupiste on liitetty C2-arvoiseen dc-erotinkapasitanssiin 21 sekä R1-arvoiseen esivirroitusvastukseen 12. Kapasitanssin 21 toinen pää on kytketty asteen tuloporttiin, ja se jakaa sen yhdessä kapasitanssin 20 kanssa. PMOS-transistorin antosolmupiste on edelleen liitetty positiiviseen käyttöjännitteeseen 10 301 (merkitty myös Vdd:llä), ja tähän päättyy komplementaarisen transistoripari- kytkennän 31, 32 kuvaus virtaa uudelleenkäyttävänä vahvistinasteena, jolla on tarkoitus parantaa signaali-kohinasuhdetta. Selvää on, että vaikka virran uudelleenkäyttö on alalla hyvin tunnettu tekniikka, niin sen soveltaminen ei rajoita esitettyä keksintöä, joka liittyy takaisinkytkentäpiirin uudenlaiseen toteutukseen.

15 Ensimmäisen vahvistimen 61 jälkeen vahvistettua signaalia vahvistetaan edelleen toisella vahvistimella 62, joka on tässä parhaana pidetyssä toteutuksessa kytkentäkaavioltaan melkein samanlainen ensimmäisen vahvistimen kanssa suunnittelu-ajan lyhentämiseksi ja virran uudelleenkäytön hyödyntämiseksi. Toisessa vahvistimessa 62 on ensimmäinen NMOS-tulotransistori 33, jonka antosolmupiste on 20 kytketty maapotentiaaliin, ja jonka hila-terminaali on kytketty C3-arvoiseen dc-erotinkapasitanssiin 22 sekä R2-arvoiseen esivirroitustakaisinkytkentävastukseen 14. Kapasitanssin 22 toinen pää on kytketty asteen tuloporttiin, kun taas takaisin-kytkentävastuksen 14 toinen pää on kytketty esivirroitusjännitteeseen NMOS:in nielusolmupisteeseen takaisinkytkentäsilmukan sulkemiseksi ja transistorin esivir-25 roittamiseksi sopivalla tavalla. NMOS-tulotransistorin nielusolmupiste on edelleen kytketty PMOS-transistorin 34 nielusolmupisteeseen ja vastaavalla tavalla kolmannen vahvistimen 63 tuloon. PMOS-transistorin 34 hilasolmupiste on kytketty suoraan (dc-kytketty) mainittuun ensimmäiseen sisäiseen solmupisteeseen, joka on edelleen kytketty ensimmäisen asteen 61 lähtöön, ja sen antosolmupiste on lii-30 tetty Vdd:llä merkittyyn positiiviseen käyttöjännitteeseen 301. Toisen asteen toimintapiste on näin hyvin määrätty, koska mainitun PMOS:in hilan dc-kytkentä peilaa tarkasti ensimmäisen asteen 61 toimintapisteen, joka tuodaan mainittuun ensimmäisen asteen lähtöön aiemmin mainitulla ensimmäisen asteen PMOS-transistorin paikallisella takaisinkytkentävastuksella 12. 1

Toisen vahvistimen 62 jälkeen vahvistettua signaalia vahvistetaan edelleen kolmannella vahvistimella 63, joka on tässä parhaana pidetyssä toteutuksessa kyt- 9 kentäkaavioltaan samanlainen ensimmäisen vahvistimen kanssa suunnitteluajan lyhentämiseksi ja virran uudelleenkäytön hyödyntämiseksi. Kolmannessa vahvistimessa 63 on ensimmäinen NMOS-tulotransistori 35, jonka antosolmupiste on kytketty maapotentiaaliin, ja jonka hila-terminaali on dc-kytketty toisen asteen 62 5 lähtöön. Kolmannen asteen toimintapiste on näin hyvin määrätty, koska mainitun NMOS:in hilan dc-kytkentä peilaa tarkasti toisen asteen 62 toimintapisteen, joka tuodaan mainittuun toisen asteen lähtöön aiemmin mainitulla toisen asteen NMOS-transistorin 33 paikallisella takaisinkytkentävastuksella 14. NMOS-tulotransistorin nielusolmupiste on kytketty R3-arvoiseen vastukseen 16, PMOS-10 transistorin 36 nielusolmupisteeseen ja vahvistimen 200 out:illa merkittyyn lähtö-porttiin. PMOS-transistorin 36 hilasolmupiste on liitetty C6-arvoiseen dc-erotinkapasitanssiin 25 ja mainittuun vastukseen 16 mainitun PMOS-transistorin paikallisen esivirroitustakaisinkytkentäsilmukan sulkemiseksi. Kapasitanssin 25 toinen pää on kytketty asteen tuloporttiin, johon se kytkeytyy yhdessä kapasitans-15 sin NMOS-transistorin 25 hilan kanssa. PMOS-transistorin antosolmupiste on edelleen liitetty mainittuun positiiviseen käyttöjännitteeseen 301.

Kaskadivahvistinasteiden 61, 62, 63 vahvistuksen muuttamiseksi (ult- rajlaajakaistaiseksi taajuusvasteeksi, vahvistettu signaali syötetään takaisin piirin lähtöportista sen ensimmäiseen sisäiseen solmupisteeseen 65 ja piirin tuloporttiin 20 takaisinkytkentäverkolla 60, joka on koottu mainitun keksinnön opetusten mukaisesti. Takaisinkytkentäverkkoon 60 kuuluu kopio 30 lähtövahvistinasteesta 63, tai sen osasta, sekä yhdestä Rfbk-arvoisesta vastuksesta 10. Tässä parhaana pidetyssä toteutuksessa lähtövahvistinasteen 63 kopio on yksi PMOS-transistori 30, mutta sen toimintapiste on hyvin määrättävissä valitsemalla sen leveys murto-25 osaksi lähtöasteen 63 PMOS-transistorin 36 leveydestä. Tällä tavoin kopioidaan hyvin määritelty osa lähdön signaalivirrasta takaisin ensimmäiseen sisäiseen solmupisteeseen 65. Sovelluksesta riippuen koko haluttu takaisinkytkentä voitaisiin toteuttaa laitteella 30, mutta tässä parhaana pidetyssä toteutuksessa on käytetty vastusta 10, jotta a) saataisiin parannettua sisääntuloportin sovitusta 50 Ω, ja b) 30 saataisiin suunnittelijalle yksi vapausaste lisää stabiilin takaisinkytkennän suunnittelemiseksi ilman kompensointipiirejä.

Oheinen materiaali on annettu mainitun keksinnön havainnollistamiseksi. Siksi on ilmeistä, että alan ammattilaiset voivat suunnitella monia muunnelmia, jotka, vaikka niitä ei olekaan tässä erikseen näytetty tai kuvattu, toteuttavat keksinnön peri-35 aatteen ja kuuluvat siksi sen piiriin.

10

Esimerkiksi keksintöä ei rajata kolmiasteisen kaskadivahvistin 200 esimerkillä, vaan pikemminkin kahden tai useamman aktiivisen asteen kaskadi voi kuulua kuvatun keksinnön piiriin. Muita muunnelmia voivat olla, keksintöä rajoittamatta, mainitun aktiivisen takaisinkytkentäasteen 30 käyttäminen siten, että sen tulon ja vah-5 vistimen 200 väliin asetetaan tasajännite-erotin; mainitun takaisinkytkentäasteen 30 kytkeminen mainittuun ensimmäiseen sisäiseen solmupisteeseen 65 impe-danssiverkolla; mainitun valinnaisen takaisinkytkentävastuksen 10 toteuttaminen N- tai PMOS-transistorilla tai useilla transistoreilla; mainitun valinnaisen takaisinkytkentävastuksen 10 toteuttaminen säädettäväarvoisella vastuslaitteella; mainitun 10 valinnaisen takaisinkytkentävastuksen 10 toteuttaminen impedanssina, johon kuuluu kapasitanssi-, vastus- ja/tai induktanssitoteutuksia.

Kaikkia esitetyn takaisinkytkentäverkon 60 kuvattuja toteutuksia voi kuka tahansa alan ammattilainen helposti muuntaa kuhunkin sovellukseen sopivaksi, mutta tuotettu kytkentä pysyy silti mainitun keksinnön piirissä. Mainittuihin muunnelmiin kuu-15 luu, niitä rajoittamatta, kaikkien tai osan piirilohkoista (60, 61, 62, 63) toteuttaminen komplementaarisilla piireillä, siten että N- ja PMOS-transistoreiden roolit ja kytkennät vaihdetaan keskenään. Lisäksi, vaikka täysin integroitua toteutusta onkin pidettävä parhaana, voidaan mainittua kaskadivahvistimen 200 tuloporttia muunnella toteuttamalla toinen tai molemmat dc-erotin kapasitansseista (20, 21) 20 ulkoisilla kapasitansseilla. Mainitunlaista toteutusta voitaisiin tarvita mm. mainittujen integroitujen kapasitanssien parasiittisista vastuksista aiheutuvan ylimääräisen kohinan poistamiseksi tai IC-alan rajaamiseksi. Ominaisuuksien edelleen parantamiseksi mainitun kaskadivahvistimen 200 eteen voitaisiin kytkeä induktiivinen impedanssielementti impedanssisovituksen ja mahdollisesti kohinaominaisuuksien 25 parantamiseksi.

Kuvatun keksinnön piiriin mahtuviin muunnelmiin kuuluu myös useiden keksin-nönmukaisten kaskadivahvistimien 200 kopioiden kytkeminen kaskadiin, tai kahden tai useamman mainitun vahvistimen kytkeminen rinnakkain ajamaan kahta tai useampaa lähtöporttia. Viimeksi mainittu voidaan helposti muokata käytettäväksi 30 symmetrisenä vahvistimena, jossa yksi rinnakkaisista vahvistimista ajaa saman-vaiheista lähtöporttia toisen ajaessa vastakkaisessa vaiheessa olevaa lähtöporttia. Symmetrinen tulosignalointi voidaan järjestää hyvin tunnetuin tekniikoin kuten peilaamalla, ulkoisia baluneita käyttäen jne.

Voidaan todeta, että annetut muunnelmat eivät rajoita esitettyä keksintöä, sillä 35 alan ammattilaisen on helppo laatia useita lisämuunnelmia, jotka silti kuuluvat mainitun keksinnön piiriin.

Claims (8)

1. Moniasteisen vahvistimen takaisinkytkentäverkon CMOS-toteutus, johon kuuluu takaisinkytkentävastus (10) kytkettynä kaskadivahvistimen lähtöportista mainitun 5 vahvistimen tuloporttiin, ja takaisinkytkentävahvistinaste (30) kytkettynä mainitun vahvistimen lähdöstä sen ensimmäiseen sisäiseen solmupisteeseen (65) kaskadin ensimmäisen vahvistimen lähdössä, tunnettu siitä, että mainittuun takaisinkytken-tävahvistinasteeseen (30) kuuluu PMOS-transistori, joka peilaa lähtöasteen esivir-roitus- ja signaalivirtaa takaisinkytkentäsignaaliksi tunnustelemalla sitä hilasolmu-10 pisteellä ja tuottamalla takaisinkytkentäsignaalinsa suoraan mainittuun ensimmäiseen sisäiseen solmupisteeseen (65) kytketyn nielusolmupisteen kautta; missä mainittuun kaskadivahvistimeen kuuluu kolme kopiota piirikaavioltaan samanlaisesta esivirroitetusta CMOS-vahvistinasteesta (61, 62, 63), joilla voi jokaisella olla erilaisia elementtiarvoja halutun suorituskyvyn mukaisesti; ja missä mainittuihin pii-15 rikaavioltaan samanlaisiin esivirroitettuihin CMOS-vahvistinasteisiin kuuluu ensimmäinen NMOS-tulotransistori, jolla on kuormana PMOS-tulotransistori esivirroi-tettujen vahvistinasteiden muodostamiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukaisen takaisinkytkentäverkon CMOS-toteutus, jossa mainitut kaskadin vahvistinasteet (61, 62, 63) on dc-kytketty ensimmäisen asteen 20 esivirroitus- ja signaalivirran peilaamiseksi, jolloin tämä järjestely on tunnettu siitä, että mainittu kaskadin toinen vahvistinaste (62) on dc-kytketty PMOS-transistorin (34) tulohilalle, jolloin sen NMOS-tulotransistorin (33) kuorma on esivirroitettu ja li-nearisoitu paikallisella takaisinkytkentävastuksella (14); jossa mainitun toisen vah-vistinasteen NMOS-tulotransistorin hilaa (33) ajetaan tulosignaalilla dc-25 erotinkondensaattorin (22) kautta; jossa mainittu kolmas vahvistinaste (63) on dc-kytketty NMOS-transistorin (35) tulohilalle, jolloin sen PMOS-tulotransistorin (36) kuorma on esivirroitettu ja linearisoitu paikallisella takaisinkytkentävastuksella (16); ja jossa mainitun kolmannen asteen PMOS-tulotransistorin (36) hilaa ajetaan tulosignaalilla dc-erotinkondensaattorin (25) kautta. 1

3. Patenttivaatimusten 1 tai 2 mukaiset piirit, tunnettu siitä, että kaikki tai osat piiri- lohkoista (60, 61, 62, 63) ovat komplementaarisia mainituille toteutuksille siinä mielessä, että N- ja PMOS-transistorien roolit ja kytkennät on niissä vaihdettu keskenään.

4. Jonkin edellä mainitun patenttivaatimuksen mukainen takaisinkytkentäverkon toteutus, tunnettu siitä, että joko toinen tai molemmat integroiduista dc-erotinkapasitansseista kaskadivahvistimen (200) ensimmäisen vahvistinasteen (61) tulossa on toteutettu ulkoisilla, integroimattomilla kapasitansseilla.

5. Jonkin edellä mainitun patenttivaatimuksen mukainen takaisinkytkentäverkon toteutus, tunnettu siitä, että kaskadivahvistinta (200) edeltää induktiivinen impe-danssielementti.

6. Jonkin edellä mainitun patenttivaatimuksen mukainen takaisinkytkentäverkon toteutus, tunnettu siitä, että jotkin tai kaikki vahvistinasteet ovat itsestään esivir- 10 roittuvia.

7. Jonkin edellä mainitun patenttivaatimuksen mukainen takaisinkytkentäverkon toteutus, tunnettu siitä, että siinä useita kaskadivahvistimen (200) kopioita on kytketty peräkkäin vahvistinasteeksi.

8. Jonkin edellä mainitun patenttivaatimuksen mukainen takaisinkytkentäverkon 15 toteutus, tunnettu siitä, että siinä useita kaskadivahvistimen (200) kopioita on kytketty rinnakkain ajamaan useita lähtöportteja. 1 Jonkin edellä mainitun patenttivaatimuksen mukainen takaisinkytkentäverkon toteutus, tunnettu siitä, että se on toteutettu integroituna piirinä.