TW201820780A - 可變增益放大器 - Google Patents

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Abstract

可變增益放大器包括輸入電晶體、輔助電晶體、有源電感器和輸入電流複製電路。輸入晶體管用於接收輸入信號，以在輸出端上產生輸出信號。輔助電晶體耦接於可變增益放大器的輸出端，其中，輸出端的電流流入輸入電晶體和輔助電晶體。第一有源電感器耦接於輸出端。輸入電流複製電路耦接於輸出端，其中，有源電感器和輸入電流複製電路用於分別產生電流至可變增益放大器的輸出端，以及，輸入電流複製電路產生至該輸出端的電流與輸入電晶體的電流相等。本發明可以同時實現寬增益範圍和寬頻寬。

Description

可變增益放大器
本發明涉及一種放大器，更特別地，涉及一種可變增益放大器（variable gain amplifier）。
可變增益放大器是增益可被調整的放大器級，其增益可以利用反饋回路提供的資訊進行調整。有三種基本類型的可變增益放大器適用於自動增益控制：線性型（linear）、指數型（exponential）和多項式型（polynomial）。指數型可變增益放大器也被稱為對數線性（linear-in-dB）可變增益放大器，由於其寬動態增益範圍被廣泛使用。為了具有更寬的增益範圍，優選使用輸入值“2x”（即，exp（2x））的指數函數（exponential function），然而，由於指數函數難以實現，因此頻寬總是被限制為低於1GHz，以及，它不適用於高速串列器/解串器（serializer/deserializer，serdes）系統。
有鑑於此，本發明的目的之一在於提供一種可變增益放大器，以解決上述問題。
根據本發明實施例，可變增益放大器包括第一輸入電晶體、第一輔助電晶體、第一有源電感器和輸入電流複製電路。第一輸入晶體管用於接收第一輸入信號，以在第一輸出端上產生第一輸出信號。第一輔助電晶體耦接於第一輸出端，其中，第一輸出端的電流流入第一輸入電晶體和第一輔助電晶體。第一有源電感器耦接於第一輸出端。輸入電流複製電路耦接於第一輸出端，其中，第一有源電感器和輸入電流複製電路用於分別產生電流至第一輸出端，以及，輸入電流複製電路產生至第一輸出端的電流與第一輸入電晶體的電流相等。
在本發明提供的可變增益放大器中，第一有源電感器和輸入電流複製電路用於分別產生電流至第一輸出端，輸入電流複製電路產生至第一輸出端的電流與第一輸入電晶體的電流相等，該可變增益放大器可以同時實現寬增益範圍和寬頻寬。
所屬技術領域中具有通常知識者在閱讀附圖所示優選實施例的下述詳細描述之後，可以毫無疑義地理解本發明的這些目的及其它目的。
以下描述為本發明實施的較佳實施例。以下實施例僅用來例舉闡釋本發明的技術特徵，並非用來限制本發明的範疇。在通篇說明書及申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的組件。所屬技術領域中具有通常知識者應可理解，製造商可能會用不同的名詞來稱呼同樣的組件。本說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區別組件的方式，而係以組件在功能上的差異來作為區別的基準。本發明的範圍應當參考后附的申請專利範圍來確定。在以下描述和申請專利範圍當中所提及的術語“包含”和“包括”為開放式用語，故應解釋成“包含，但不限定於…”的意思。此外，術語“耦接”意指間接或直接的電氣連接。因此，若文中描述一個裝置耦接至另一裝置，則代表該裝置可直接電氣連接於該另一裝置，或者透過其它裝置或連接手段間接地電氣連接至該另一裝置。
文中所用術語“基本”或“大致”係指在可接受的範圍內，所屬技術領域中具有通常知識者能夠解決所要解決的技術問題，基本達到所要達到的技術效果。舉例而言，“大致等於”係指在不影響結果正確性時，所屬技術領域中具有通常知識者能夠接受的與“完全等於”有一定誤差的方式。
應當說明的是，本發明對以下實施例中的電晶體類型不做任何限制，其可以是N型金屬氧化物半導體（N-type metal-oxide semiconductor，NMOS）電晶體、P型金屬氧化物半導體（P-type metal-oxide semiconductor，PMOS）電晶體或其它類型的電晶體等等。為便於理解與說明，第1圖和第2圖示出了其中一種示例性實施例，對於所屬技術領域中具有通常知識者而言，基於本發明公開的示例性實施例將容易得出相應的變型實施例。此外，還應當說明的是，本發明提供的可變增益放大器可以是單端型放大器或差分型放大器，具體地，本發明不做任何限制，但為便於理解與說明，第1圖和第2圖所示的實施例以差分型放大器為例進行示例性說明。所屬技術領域中具有通常知識者基於本發明實施例公開的差分型可變增益放大器將容易得出單端型可變增益放大器的相應變型。因此，為簡潔起見，本發明對變型實施例的實現細節不再一一闡述。
第1圖是根據本發明一實施例示出的一種可變增益放大器100的示意圖。如第1圖所示，可變增益放大器100包括兩個輸入電晶體（例如，NMOS電晶體）M1和M2、兩個輔助電晶體（例如，NMOS電晶體）M7和M8、兩個有源電感器（active inductor）110_1和110_2以及輸入電流複製電路（input current replica circuit）120。此外，可變增益放大器100還可以包括增益控制器130（例如，數位增益控制器），以及兩個電流源140和150，以實現指數函數發生器。在該實施例中，輸入電晶體M1和M2用於接收輸入信號Vin+和Vin-，以分別在輸出端N1和N2處產生輸出信號Vo-和Vo+。在一些實施例中，輸入信號Vin+和Vin-，以及，輸出信號Vo-和Vo+分別為差分信號對。輔助電晶體M7的柵電極（gate electrode）和漏電極（drain electrode）耦接於輸入電晶體M1的漏電極（即，輸出端N1），以及，輔助電晶體M8的柵電極和漏電極耦接於輸入電晶體M2的漏電極（即，輸出端N2）。有源電感器110_1耦接於輸入電晶體M1的漏電極（即，輸出端N1），用於產生電流至輸出端N1；以及，有源電感器110_2耦接於輸入電晶體M2的漏電極（即，輸出端N2），用於產生電流至輸出端N2。輸入電流複製電路120耦接於輸入電晶體M1和M2的漏電極（即，輸出端N1和N2），用於複製輸入電晶體M1和M2的電流（例如I1和I2）。具體地，輸入電流複製電路120用於分別產生電流至輸出端N1和N2，其中，輸入電流複製電路120產生至輸出端N1的電流與輸入電晶體M1的電流相等，輸入電流複製電路120產生至輸出端N2的電流與輸入電晶體M2的電流相等。輸入電晶體M1和M2的源電極耦接於電流源（current source）140，以及，輸入電晶體M1的電流和輸入電晶體M2的電流的總和（即，I1+I2）等於電流源140提供的電流IB1 。輔助電晶體M7和M8的源電極耦接於電流源150，以及，輔助電晶體M7的電流和輔助電晶體M8的電流的總和（即，I7+I8）等於電流源150提供的電流IB2 。此外，增益控制器130用於控制輸入電流複製電路120以及電流源140、150的電流，以確定或調整可變增益放大器100的增益。應當說明的是，本發明實施例中所描述的電流均為直流（DC）電流。
在第1圖所示的實施例中，有源電感器110_1和110_2用於提高（boost）可變增益放大器的頻寬，而不會增加太多的晶片面積。輸入電流複製電路120用於產生寬的自調整增益範圍（tuning gain range）。電流源140和150提供的電流IB1 和IB2 被控制，以實現對數線性控制，特別是實現指數函數“exp（2x）”控制。在一實施例中，輸入電流複製電路120用於產生與輸入電晶體M1和M2的直流（DC）電流（即I1或I2）相等的電流（即I5和I6），以及，有源電感器110_1產生的電流與輔助電晶體M7的電流I7相等，有源電感器110_2產生的電流與輔助電晶體M8的電流I8相等。此外，電流IB1 和IB2 被控制，以具有不同的數值，從而通過改變電流IB1 和IB2 來改變增益。應當說明的是，除通過改變電流IB1 和IB2 的方式來改變增益之外，還可以通過其它方式來改變增益，例如，改變晶體管尺寸。在本發明實施例中，可變增益放大器100可被實現為指數函數（例如，“exp（2x）”）發生器，其具有更寬的動態控制範圍和寬頻寬。
第2圖是根據本發明一實施例示出的一種可變增益放大器100的詳細電路結構示意圖。如第2圖所示，有源電感器110_1包括電晶體（例如，NMOS電晶體）M3和電阻器R1，其中，電晶體M3的柵電極經由電阻器R1耦接於電源電壓（supply voltage）VDD，電晶體M3的漏電極耦接於電源電壓VDD，以及，電晶體M3的源電極耦接於輸入電晶體M1的漏電極（即，輸出端N1）。有源電感器110_2包括電晶體（例如，NMOS電晶體）M4和電阻器R2，其中，電晶體M4的柵電極經由電阻器R2耦接於電源電壓VDD，以及，電晶體M4的源電極耦接於輸入電晶體M2的漏電極（即，輸出端N2）。輸入電流複製電路120包括電流源210、電晶體（例如，NMOS電晶體）M21和M22，以及電晶體（例如，PMOS電晶體）M5、M6、M23和M24，其中，電晶體M21和M22的柵電極由電壓Vcm控制，電壓Vcm是輸入電晶體M1和M2的共模電壓（即Vin+和Vin-的共模電壓）。在本實施例中，電流源140、150和210中的每一個可以利用NMOS電晶體實現，以及，電流源140和210的柵電極均由相同的控制電壓（VB+VC）來控制，電流源150的柵電極由控制電壓（VB-VC）來控制，其中，VB和VC分別用於表示電壓。
以輸入電晶體M1、輔助電晶體M7和有源電感器110_1為例，可變增益放大器100的增益可以表示為：（1） 其中，“gm1”是輸入電晶體M1的跨導（transconductance），“gm3”是電晶體M3的跨導，“gm7”是輔助電晶體M7的跨導，“K”是常數因數，“（W1/L1）”是輸入電晶體M1的尺寸（即溝道寬度和溝道長度之比），“（W3/L3）”是電晶體M3的尺寸，“（W7/L7）”是輔助電晶體M7的尺寸。由於等式（1）中右邊項的分母具有兩個方根（root），因此，可變增益放大器100的增益變得難以控制。為此，本實施例提供一種設置來使得可變增益放大器的增益能夠表示為：，其中，為指數函數exp（2x）的近似值。
具體地，在本實施例中，電晶體M3的電流I3和電晶體M5的電流I5均流入輸出端N1，並且輸出端N1的電流流入輸入電晶體M1和輔助電晶體M7，即（I3+I5）等於（I1+I7）。因此，通過控制電流I5等於電流I1（電流源140和210都由相同的控制電壓（VB+VC）來控制），電流I3將等於電流I7。從而，若電晶體M3的尺寸和電晶體M7的尺寸相同，則可變增益放大器100的增益正比於：
應當說明的是，電晶體M3的尺寸和電晶體M7的尺寸也可以不相同，尺寸不相同時則對應不同的增益。此外，若輸入電晶體M1的溝道長度和電晶體M3的溝道長度相同，則增益可以進一步表示為：其中，“Vt”是電晶體（例如，NMOS電晶體）的閾值電壓。相應地，輸入電晶體M1的溝道長度和電晶體M3的溝道長度也可以不相同，不相同時則對應不同的增益。進一步地，上述等式可以表示為：，其中，
因此，由於術語“VB”和“VC”可以由增益控制器130控制，以及，閾值電壓“Vt”是已知的，因此，可變增益放大器100實際上可以用作具有指數函數exp（2x）的對數線性可變增益放大器。
關於輸入電晶體M2、輔助電晶體M8和有源電感器110_2，電晶體M4的電流I4和電晶體（例如，PMOS電晶體）M6的電流I6都流入輸出端N2，並且輸出端N2的電流流入輸入電晶體M2和輔助電晶體M8，即（I4+I6）等於（I2+I8）。類似地，電流I6被控制為等於電流I2，以使得電流I4等於電流I8。
應當說明的是，有源電感器110_1和110_2以及輸入電流複製電路120的實現僅用於說明性目的，它們不是對本發明的限制。在另一實施例中，有源電感器110_1和110_2可以由任何其它類型的有源電感器（例如，CMOS有源電感器）來實現，以及，輸入電流複製電路120可以使用其它電路結構來產生電流I5和I6，其分別等於電流I1和I2。這些替代設計均應當落在本發明的保護範圍內。
在一實施例中，第1圖或第2圖所示的可變增益放大器100可以是放大電路的單元（或級）。通過使用可變增益放大器100，放大電路可以僅使用較少的單元（或級）來實現具有期望的寬頻寬的增益範圍。例如，當放大電路包括本發明實施例提供的可變增益放大器時，模擬結果表明，增益範圍大於60dB，頻寬大於4.5GHz。若不採用本發明實施例提供的可變增益放大器，則增益級數將增加，從而由於使用了大量的增益級，頻寬受到限制。
簡要總結，在本發明實施例提供的可變增益放大器中，可變增益放大器可以用作具有指數函數exp（2x）的對數線性可變增益放大器，即具有寬動態控制範圍的可變增益放大器，其可視為指數函數發生器。此外，有源電感器用於提高（或改善）頻寬。因此，可以同時實現寬增益範圍和寬頻寬。
雖然已經對本發明實施例及其優點進行了詳細說明，但應當理解的係，在不脫離本發明的精神以及申請專利範圍所定義的範圍內，可以對本發明進行各種改變、替換和變更，例如，可以通過結合不同實施例的若干部分來得出新的實施例。所描述的實施例在所有方面僅用於說明的目的而並非用於限制本發明。本發明的保護範圍當視所附的申請專利範圍所界定者為准。所屬技術領域中具有通常知識者皆在不脫離本發明之精神以及範圍內做些許更動與潤飾。
100‧‧‧可變增益放大器
100_1、110_2‧‧‧有源電感器
120‧‧‧輸入電流複製電路
130‧‧‧增益控制器
M1、M2‧‧‧輸入電晶體
M7、M8‧‧‧輔助電晶體
140、150‧‧‧電流源
Vo+、Vo-‧‧‧輸出信號
N1、N2‧‧‧輸出端
I1、I2、I7、I8、IB1 、IB2、I3、I5、I4、I6‧‧‧電流
Vin-、Vin+‧‧‧輸入信號
M3、M4、M5、M6、M21、M22、M23、M24‧‧‧電晶體
R1、R2‧‧‧電阻器
VDD‧‧‧電源電壓
Vcm‧‧‧輸入電晶體M1和M2的共模電壓
VB、VC‧‧‧電壓
通過閱讀後續的詳細描述和實施例可以更全面地理解本發明，該實施例參照附圖給出，其中： 第1圖是根據本發明一實施例示出的一種可變增益放大器100的示意圖； 第2圖是根據本發明一實施例示出的一種可變增益放大器100的詳細電路結構示意圖。 在下面的詳細描述中，為了說明的目的，闡述了許多具體細節，以便所屬技術領域中具有通常知識者能夠更透徹地理解本發明實施例。然而，顯而易見的是，可以在沒有這些具體細節的情況下實施一個或複數個實施例，不同的實施例可根據需求相結合，而並不應當僅限於附圖所列舉的實施例。

Claims (12)

  1. 一種可變增益放大器，包括： 第一輸入電晶體，用於接收第一輸入信號，以在第一輸出端上產生第一輸出信號； 第一輔助電晶體，耦接於該第一輸出端，其中，該第一輸出端的電流流入該第一輸入電晶體和該第一輔助電晶體； 第一有源電感器，耦接於該輸出端；以及 輸入電流複製電路，耦接於該輸出端； 其中，該第一有源電感器和該輸入電流複製電路用於分別產生電流至該第一輸出端，以及，該輸入電流複製電路產生至該第一輸出端的電流與該第一輸入電晶體的電流相等。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的可變增益放大器，其中，該第一有源電感器產生至該第一輸出端的電流與該第一輔助電晶體的電流相等。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述的可變增益放大器，其中，該第一輸入電晶體的電流由第一電流源提供，該第一輔助電晶體的電流由第二電流源提供，以及，該可變增益放大器還包括： 增益控制器，用於控制該第一電流源提供的第一電流和該第二電流源提供的第二電流，以確定該可變增益放大器的增益。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述的可變增益放大器，其中，該可變增益放大器還包括： 第二輸入電晶體，用於接收第二輸入信號，以在第二輸出端上產生第二輸出信號，其中，該第一輸入信號和該第二輸入信號是差分信號對； 第二輔助電晶體，耦接於該第二輸出端，其中，該第二輸出端的電流流入該第二輸入電晶體和該第二輔助電晶體；以及 第二有源電感器，耦接於該第二輸出端； 其中，該第二有源電感器用於產生電流至該第二輸出端，該輸入電流複製電路還用於產生另一電流至該第二輸出端，以及，該輸入電流複製電路產生至該第二輸出端的電流與該第二輸入電晶體的電流相等。
  5. 根據申請專利範圍第4項所述的可變增益放大器，其中，該第二有源電感器產生至該第二輸出端的電流與該第二輔助電晶體的電流相等。
  6. 根據申請專利範圍第4項所述的可變增益放大器，其中，該第一輸入電晶體和該第二輸入電晶體的電流由第一電流源提供，該第一輔助電晶體和該第二輔助電晶體的電流由第二電流源提供；以及，該可變增益放大器還包括： 增益控制器，用於控制該第一電流源提供的第一電流和該第二電流源提供的第二電流，以確定該可變增益放大器的增益。
  7. 根據申請專利範圍第3項或第6項所述的可變增益放大器，其中，該輸入電流複製電路產生的電流由第三電流源提供，該第三電流源提供的電流與該第一電流源提供的該第一電流相等。
  8. 根據申請專利範圍第3項或第6項所述的可變增益放大器，其中，該第一電流不同於該第二電流。
  9. 根據申請專利範圍第8項所述的可變增益放大器，其中，該第一電流源受第一控制電壓的控制，該第二電流源受第二控制電壓的控制，其中，該第一控制電壓為VB+VC，該第二控制電壓為VB-VC，VB和VC表示電壓，以及，該可變增益放大器的增益是與數值VB和VC所形成的函數成比例的。
  10. 根據申請專利範圍第9項所述的可變增益放大器，其中，該可變增益放大器的增益是與成比例的，其中，，以及，Vt是該可變增益放大器內的電晶體的閾值電壓。
  11. 根據申請專利範圍第10項所述的可變增益放大器，其中，該可變增益放大器是具有輸入值（2*x）的指數函數發生器。
  12. 根據申請專利範圍第1項所述的可變增益放大器，其中，該第一有源電感器包括第一電阻器和第一電晶體，該第一電阻器和該第一電晶體耦接於電源電壓。
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