JP6503344B2

JP6503344B2 - 多段増幅のための方法及び回路要素

Info

Publication number: JP6503344B2
Application number: JP2016518147A
Authority: JP
Inventors: サンカランスワミナサン; アレンクラメールブラッドレイ; アリハッサン; シーワルケニルマル
Original assignee: 日本テキサス・インスツルメンツ合同会社; テキサスインスツルメンツインコーポレイテッド
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2019-04-17
Anticipated expiration: 2034-09-30
Also published as: WO2015048704A3; EP3078115A2; CN105453422B; WO2015048704A2; EP3078115A4; US9143100B2; US20150091642A1; JP2016532346A; CN105453422A

Description

本願は、概して電子回路要素に関し、特に、多段増幅のための方法及び回路要素に関連する。

図１（従来技術）は、従来の多段増幅器の概略電気回路図であり、概して１００で示される。増幅器１００は、少なくとも第１及び第２の段１０２及び１０４を含み、これらは、利得がそれぞれＧｍ１及びＧｍ２であるトランスコンダクタンス増幅器である。増幅器１００は、ラインＳ_００及びＳ_０１から差動入力電圧を受信する。

第１の段１０２は、Ｓ_００の電圧（Ｖ_ＩＮ＋）とＳ_０１の電圧（Ｖ_ＩＮ−）との間の差（ΔＶ_ＩＮ）を増幅させるために利得Ｇｍ１を印加する。同様に、第２の段１０４は、ラインＳ_１０の電圧（Ｖ_１０）とラインＳ_１１の電圧（Ｖ_１１）との間の差（ΔＶ_１）を増幅させるために利得Ｇｍ２を印加する。従って、（ａ）ΔＶ_ＩＮに応答して、第１の段１０２は、Ｓ_１０の電流（Ｉ_１０）とＳ_１１の電流（Ｉ_１１）との間の差（ΔΙ_１）を生成し、（ｂ）ΔＶ_１に応答して、第２の段１０４は、ラインＳ_２０の電流（Ｉ_２０）とラインＳ_２１の電流（Ｉ_２１）と間の差（ΔΙ_２）を生成する。

図１に示すように、Ｓ_１０はレジスタＲ_１０に接続され、レジスタＲ_１０は、インダクタＬ_１の第１の端子を介して電圧供給ノードＶ_ＤＤに結合される。また、Ｓ_１１はレジスタＲ_１１に接続され、レジスタＲ_１１は、Ｌ_１の第２の端子を介してＶ_ＤＤに結合される。同様に、Ｓ_２０はレジスタＲ_２０に接続され、レジスタＲ_２０は、インダクタＬ_２の第１の端子を介してＶ_ＤＤに結合される。更に、Ｓ_２１はレジスタＲ_２１に接続され、レジスタＲ_２１は、Ｌ_２の第２の端子を介してＶ_ＤＤに結合される。

図２（従来技術）は、３ｄＢ帯域幅領域２０４を有する、増幅器１００のための利得（ｄＢ）対周波数の例示の曲線２０２のグラフである。図２に示すように、３ｄＢ帯域幅領域２０４は、その利得がピーク利得の３ｄＢ内である周波数の範囲である。Ｌ_１、Ｌ_２、Ｒ_１０、Ｒ_１１、Ｒ_２０、及びＲ_２１がなければ、３ｄＢ帯域幅領域２０８を有する例示の曲線２０６に従って、増幅器１００の性能は減少し得る。

比較として、Ｌ_１、Ｌ_２、Ｒ_１０、Ｒ_１１、Ｒ_２０、及びＲ_２１がある場合、（ａ）領域２０８において、３ｄＢ帯域幅領域２０４に対する主要な寄与がＲ_１０、Ｒ_１１、Ｒ_２０、及びＲ_２１により提供され、（ｂ）帯域幅拡張領域２１０において、Ｒ_１０、Ｒ_１１、Ｒ_２０、及びＲ_２１による寄与に加えて３ｄＢ帯域幅領域２０４に対する著しい寄与がＬ_１及びＬ_２により提供される。

それにもかかわらず、増幅器１００は欠点を有する。例えば、増幅器１００は、段毎に一つの受動磁気構成要素（例えば、インダクタ）を有する。磁場カップリング（例えば、近傍のインダクタのコイル巻き線間など）を介するあり得る干渉に対する対策として、それらの受動磁気構成要素間に間隔が置かれ、これにより、増幅器１００を含む集積回路におけるシリコンエリアが増大する。

増幅器の記載される例において、第１の段が、第１及び第２の入力電圧により形成される差動入力電圧を受信し、それに応答して第１の差動電流を、それぞれ第１及び第２のライン電圧を有する第１及び第２のラインで出力する。第２の段が、第１及び第２のライン電圧を受信し、それに応答して第２の差動電流を、それぞれ第３及び第４のライン電圧を有する第３及び第４のラインで出力する。変圧器が第１及び第２のコイルを含む。第１のコイルの第１の端子が、第１のレジスタを介して第１のラインに結合される。第１のコイルの第２の端子が、第２のレジスタを介して第２のラインに結合される。第２のコイルの第１の端子が、第３のレジスタを介して第３のラインに結合される。第２のコイルの第２の端子が、第４のレジスタを介して第４のラインに結合される。

従来の多段増幅器（従来技術）の概略電気回路図である。

図１の増幅器（従来技術）のための利得（ｄＢ）対周波数の例示の曲線のグラフである。

例示の実施例の多段増幅器の概略電気回路図である。

図３は、例示の実施例の多段増幅器の概略電気回路図であり、概して３００で示される。増幅器３００は、少なくとも第１及び第２の段１０２及び１０４、及びレジスタＲ_１０、Ｒ_１１、Ｒ_２０、及びＲ_２１を含む。しかし、増幅器３００は、Ｌ_１及びＬ_２（図１）の代わりに、破線の囲み３０２で示される変圧器を含む。

第１及び第２の段１０２及び１０４は、その利得がそれぞれＧｍ１及びＧｍ２であるトランスコンダクタンス増幅器である。第１の段１０２は、Ｖ_ＩＮ＋とＶ_ＩＮ−との間の差（ΔＶ_ＩＮ）を増幅させるために利得Ｇｍ１を印加する。同様に、第２の段１０４は、Ｓ_１０の電圧（Ｖ_１０）とＳ_１１の電圧（Ｖ_１１）と間の差（ΔＶ_１）を増幅させるために利得Ｇｍ２を印加する。従って、（ａ）ΔＶ_ＩＮに応答して、第１の段１０２は、Ｓ_１０の電流（Ｉ_１０）とＳ_１１の電流（Ｉ_１１）との間の差（ΔΙ_１）を生成し、（ｂ）ΔＶ_１に応答して、第２の段１０４は、Ｓ_２０の電流（Ｉ_２０）とＳ_２１の電流（Ｉ_２１）との間の差（ΔΙ_２）を生成する。

この例では、（ａ）ΔＶ_ＩＮが正である場合、ΔＩ_１が負であり、（ｂ）逆に、ΔＶ_ＩＮが負である場合、ΔＩ_１が正である。同様に、この例では、（ａ）ΔＶ_１が正である場合、ΔＩ_２が負であり、（ｂ）逆に、ΔＶ_１が負である場合、ΔＩ_２が正である。

変圧器３０２は、第１及び第２のコイル３０４及び３０６を含む。図３に示すように、（ａ）Ｒ_１０が、コイル３０４の第１の端子を介してＶ_ＤＤに結合され、（ｂ）Ｒ_１１が、コイル３０４の第２の端子を介してＶ_ＤＤ（これは、コイル３０４の第３の端子に結合される）に結合され、（ｃ）Ｒ_２１が、コイル３０６の第１の端子を介してＶ_ＤＤに結合され、（ｄ）Ｒ_２０が、コイル３０６の第２の端子を介してＶ_ＤＤ（これは、コイル３０６の第３の端子に結合される）に結合される。電流が、（ａ）コイル３０４を介して第１の方向に、及び（ｂ）コイル３０６を介して第１の方向と実質的に等しい（例えば、第１の方向と同じ）第２の方向に流れる。

変圧器３０２が理想的であり、無損失であり、完璧に結合される場合、Ｖ_２＝ｎ・Ｖ_１、Ｉ_２＝Ｉ_１／ｎ、及びＰ_ＩＮ＝Ｐ_ＯＵＴであり、ここで、（ａ）Ｖ_１はコイル３０４の第１及び第２の端子の電圧であり、（ｂ）Ｖ_２は、コイル３０６の第１及び第２の端子の電圧であり、（ｃ）Ｉ_１はコイル３０４を介する電流であり、（ｄ）Ｉ_２はコイル３０６を介する電流であり、（ｅ）ｎは、ｎがコイル３０４の巻線巻き数で除したコイル３０６の巻線巻き数に等しくなるように、コイル３０４及び３０６間の巻き線比であり、（ｆ）Ｖ_１・Ｉ_１＝Ｐ_ＩＮであり、これは、変圧器３０２の入力電力であり、（ｇ）Ｖ_２・Ｉ_２＝Ｐ_ＯＵＴであり、これは、変圧器３０２の出力電力である。

コイル３０４は、受動インピーダンスブーストを段１０２の出力ラインＳ_１０及びＳ_１１に提供する。同様に、コイル３０６は、受動インピーダンスブーストを段１０４の出力ラインＳ_２０及びＳ_２１に提供する。また、コイル３０４及び３０６間のカップリングに起因して、（ａ）コイル３０４は、能動フィードバックを段１０４の出力ラインＳ_２０及びＳ_２１に提供し、（ｂ）コイル３０６は、能動フィードバックを段１０２の出力ラインＳ_１０及びＳ_１１に提供する。このような能動フィードバックは、変圧器３０２のコスト及びサイズを低減する。

また、段１０２及び１０４は互いに一層近接して配置され得、これにより、増幅器３００を含む集積回路におけるシリコンエリアが低減される。例えば、増幅器３００は、段毎に一つの受動磁気構成要素の代わりに、２つの段（例えば、段１０２及び１０４）毎に一つの変圧器（例えば、変圧器３０２）を含む。また、磁場カップリングを避ける代わりに、変圧器３０２は、コイル３０４及び３０６間の制御されたＨフィールドカップリングを備えた磁場を含む。このような閉じ込め（containment）は、近傍の回路要素（例えば、近傍の磁気デバイス）間の拡散（proliferation）（不純化（adulteration））を低減する。

これらの種々の理由のため、増幅器３００の３ｄＢ帯域幅が拡張される。帯域幅拡張のこの理由のため、変圧器３０２の品質係数（ＱＦ）は高くする必要はない。従って、増幅器３００は低減されたフォームファクタを有し得る。

本発明の特許請求の範囲内で、説明した例示の実施例に変形が成され得、多くの他の実施例が可能である。

Claims

増幅器であって、
第１の段であって、第１及び第２の入力電圧により形成される差動入力電圧を受信し、それに応答して、それぞれ第１及び第２のライン電圧を有する第１及び第２のラインに第１の差動電流を出力する、前記第１の段と、
前記第１の段に結合される第２の段であって、前記第１及び第２のライン電圧を受信し、それに応答して、それぞれ第３及び第４のライン電圧を有する第３及び第４のラインに第２の差動電流を出力する、前記第２の段と、
前記第１及び第２の段に結合される変圧器であって、前記変圧器が第１及び第２のコイルを含み、前記第１のコイルの第１の端子が第１のレジスタを介して前記第１のラインに結合され、前記第１のコイルの第２の端子が第２のレジスタを介して前記第２のラインに結合され、前記第２のコイルの第１の端子が第３のレジスタを介して前記第３のラインに結合され、前記第２のコイルの第２の端子が第４のレジスタを介して前記第４のラインに結合される、前記変圧器と、
を含み、
電圧供給ノードが、前記第１のコイルの第３の端子と前記第２のコイルの第３の端子とに結合される、増幅器。
請求項１に記載の増幅器であって、
前記第１及び第２の段が、それぞれ第１及び第２の利得を有する第１及び第２のトランスコンダクタンス増幅器である、増幅器。
請求項１に記載の増幅器であって、
前記第１のコイルが、電流を第１の方向に導通させるためのものであり、
前記第２のコイルが、電流を前記第１の方向と等しい第２の方向に導通させるためのものである、増幅器。
請求項１に記載の増幅器であって、
前記第１のコイルが、受動インピーダンスブーストを前記第１及び第２のラインに提供するためのものであり、
前記第２のコイルが、受動インピーダンスブーストを前記第３及び第４のラインに提供するためのものである、増幅器。
請求項１に記載の増幅器であって、
前記第１のコイルが、能動フィードバックを前記第３及び第４のラインに提供するためのものであり、
前記第２のコイルが、能動フィードバックを前記第１及び第２のラインに提供するためのものである、増幅器。
請求項１に記載の増幅器であって、
前記変圧器が、前記第１及び第２のコイル間の制御されたＨフィールドカップリングを備える磁場を収容するためのものである、増幅器。
増幅器であって、
第１及び第２の入力電圧により形成される差動入力電圧を受信し、それに応答して、それぞれ第１及び第２のライン電圧を有する第１及び第２のラインに第１の差動電流を出力する第１の段であって、第１の利得を有する第１のトランスコンダクタンス増幅器である、前記第１の段と、
前記第１の段に結合され、前記第１及び第２のライン電圧を受信し、それに応答して、それぞれ第３及び第４のライン電圧を有する第３及び第４のラインに第２の差動電流を出力する第２の段であって、第２の利得を有する第２のトランスコンダクタンス増幅器である、前記第２の段と、
前記第１及び第２の段に結合される変圧器であって、前記変圧器が第１及び第２のコイルを含み、前記第１のコイルの第１の端子が第１のレジスタを介して前記第１のラインに結合され、前記第１のコイルの第２の端子が第２のレジスタを介して前記第２のラインに結合され、前記第２のコイルの第１の端子が第３のレジスタを介して前記第３のラインに結合され、前記第２のコイルの第２の端子が第４のレジスタを介して前記第４のラインに結合され、前記第１のコイルが電流を第１の方向に導通させるためのものであり、前記第２のコイルが電流を前記第１の方向に等しい第２の方向に導通させるためのものである、前記変圧器と、
を含み、
電圧供給ノードが、前記第１のコイルの第３の端子と前記第２のコイルの第３の端子とに結合される、増幅器。
請求項７に記載の増幅器であって、
前記第１のコイルが、受動インピーダンスブーストを前記第１及び第２のラインに提供し、能動フィードバックを前記第３及び第４のラインに提供するためのものであり、
前記第２のコイルが、受動インピーダンスブーストを前記第３及び第４のラインに提供し、能動フィードバックを前記第１及び第２のラインに提供するためのものである、増幅器。
請求項８に記載の増幅器であって、
前記変圧器が、前記第１及び第２のコイル間の制御されたＨフィールドカップリングを備える磁場を収容するためのものである、増幅器。
方法であって、
増幅器の第１の段を用いて、第１及び第２の入力電圧により形成される差動入力電圧を受信し、それに応答して、それぞれ第１及び第２のライン電圧を有する第１及び第２のラインに第１の差動電流を出力することと、
前記増幅器の第２の段を用いて、前記第１及び第２のライン電圧を受信し、それに応答して、それぞれ第３及び第４のライン電圧を有する第３及び第４のラインに第２の差動電流を出力することと、
変圧器の第１のコイルの第１の端子を第１のレジスタを介して前記第１のラインに、前記第１のコイルの第２の端子を第２のレジスタを介して前記第２のラインに、前記変圧器の第２のコイルの第１の端子を第３のレジスタを介して前記第３のラインに、前記第２のコイルの第２の端子を第４のレジスタを介して前記第４のラインに、電圧供給ノードを前記第１のコイルの第３の端子と前記第２のコイルの第３の端子とに、結合することと、
を含む、方法。
請求項１０に記載の方法であって、
前記第１及び第２の段が、それぞれ、第１及び第２の利得を有する第１及び第２のトランスコンダクタンス増幅器である、方法。
請求項１０に記載の方法であって、
前記第１のコイルを介して、電流を第１の方向に導通させることと、
前記第２のコイルを介して、電流を前記第１の方向に導通させることと、
を更に含む、方法。
請求項１０に記載の方法であって、
前記第１のコイルを用いて、受動インピーダンスブーストを前記第１及び第２のラインに提供することと、
前記第２のコイルを用いて、受動インピーダンスブーストを前記第３及び第４のラインに提供することと、
を更に含む、方法。
請求項１０に記載の方法であって、
前記第１のコイルを用いて、能動フィードバックを前記第３及び第４のラインに提供することと、
前記第２のコイルを用いて、能動フィードバックを前記第１及び第２のラインに提供することと、
を更に含む、方法。
請求項１０に記載の方法であって、
前記変圧器を用いて、前記第１及び第２のコイル間の制御されたＨフィールドカップリングを備える磁場を収容することを更に含む、方法。
方法であって、
増幅器の第１の段を用いて、第１及び第２の入力電圧により形成される差動入力電圧を受信し、それに応答して、それぞれ第１及び第２のライン電圧を有する第１及び第２のラインに第１の差動電流を出力することと、
前記増幅器の第２の段を用いて、前記第１及び第２のライン電圧を受信し、それに応答して、それぞれ第３及び第４のライン電圧を有する第３及び第４のラインに第２の差動電流を出力することと、
変圧器の第１のコイルの第１の端子を第１のレジスタを介して前記第１のラインに、前記第１のコイルの第２の端子を第２のレジスタを介して前記第２のラインに、前記変圧器の第２のコイルの第１の端子を第３のレジスタを介して前記第３のラインに、前記第２のコイルの第２の端子を第４のレジスタを介して前記第４のラインに、電圧供給ノードを前記第１のコイルの第３の端子と前記第２のコイルの第３の端子とに、結合することと、
前記第１のコイルを介して、電流を第１の方向に導通させることと、
前記第２のコイルを介して、電流を第１の方向と等しい第２の方向に導通させることと、
を含み、
前記第１の段が第１の利得を有する第１のトランスコンダクタンス増幅器であり、前記第２の段が第２の利得を有する第２のトランスコンダクタンス増幅器である、方法。
請求項１６に記載の方法であって、
前記第１のコイルを用いて、受動インピーダンスブーストを前記第１及び第２のラインに提供し、能動フィードバックを前記第３及び第４のラインに提供することと、
前記第２のコイルを用いて、受動インピーダンスブーストを前記第３及び第４のラインに提供し、能動フィードバックを前記第１及び第２のラインに提供することと、
を更に含む、方法。
請求項１７に記載の方法であって、
前記変圧器を用いて、前記第１及び第２のコイル間の制御されたＨフィールドカップリングを備える磁場を収容することを更に含む、方法。