TW202121833A - 高線性度輸入緩衝器 - Google Patents

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Abstract

示出了使用頻變阻抗電路在低頻中補償非線性的輸入緩衝器。在偽差分架構中，頻變阻抗電路耦接在翻轉電壓跟隨器的正輸入電晶體的汲極與翻轉電壓跟隨器的負輸入電晶體的汲極之間。在單端架構中，頻變阻抗電路耦接在翻轉電壓跟隨器的輸入電晶體的汲極和交流地之間。頻變阻抗電路包括電容器。

Description

高線性度輸入緩衝器
本申請涉及用於電阻抗轉換（electrical impedance transformation）的輸入緩衝器，以及，更特別地，涉及一種高線性度（HIGH-LINEARITY）輸入緩衝器。
輸入緩衝器（有時稱為緩衝放大器）是一種提供從一個電路到另一個電路的電阻抗轉換的輸入緩衝器，目的是防止信號源受到負載產生的任何電流（或電壓，針對電流緩衝器）的影響。信號是從負載電流“被緩衝的”。存在兩種主要類型的緩衝器：電壓緩衝器和電流緩衝器。
電壓跟隨器（Voltage follower）是電壓緩衝器的其中一種類型，其是將電壓從具有高輸出阻抗的電路轉換至具有低輸入阻抗的電路的一種電路。連接在這兩個電路之間的電壓緩衝器可防止低輸入阻抗電路（第二個電路）加載到（loading）第一個電路。無限輸入阻抗（Infinite input impedance），零輸出阻抗，絕對線性度（absolute linearity），高速等是理想電壓緩衝器的預期功能。
本發明提出了一種高線性度輸入緩衝器，其具有高線性度的翻轉電壓跟隨器。
根據本發明的一實施例，本發明提供了一種高線性度輸入緩衝器，該高線性度輸入緩衝器包括翻轉電壓跟隨器和頻變阻抗電路，翻轉電壓跟隨器被配置為偽差分架構；頻變阻抗電路耦接在該翻轉電壓跟隨器的正輸入電晶體的汲極和該翻轉電壓跟隨器的負輸入電晶體的汲極之間。
在一些實施例中，該頻變阻抗電路包括電容器。在另一些實施例中，該頻變阻抗電路還包括第一電阻性元件和第二電阻性元件。該正輸入電晶體的汲極通過該第一電阻性元件耦接到該電容器的第一端子，以及，該負輸入電晶體的汲極通過該第二電阻性元件耦接到該電容器的第二端子。在一些實施例中，該第一電阻性元件和該第二電阻性元件具有相同的電阻值。
在一些實施例中，該正輸入電晶體的閘極耦接該高線性度輸入緩衝器的正差分輸入，以及，該負輸入電晶體的閘極耦接該高線性度輸入緩衝器的負差分輸入。
在一些實施例中，該翻轉電壓跟隨器還包括正輸出電晶體和負輸出電晶體；其中，該正輸出電晶體的閘極耦接該正輸入電晶體的汲極，該正輸出電晶體的汲極耦接該正輸入電晶體的源極，以及，該正輸出電晶體輸出該高線性度輸入緩衝器的正差分輸出；該負輸出電晶體的閘極耦接該負輸入電晶體的汲極，該負輸出電晶體的汲極耦接該負輸入電晶體的源極，以及，該負輸出電晶體輸出該高線性度輸入緩衝器的負差分輸出，其中，該正輸出電晶體的源極和該負輸出電晶體的源極均接地。在一些實施例中，該翻轉電壓跟隨器還包括：第一電平轉換器，耦接在該正輸入電晶體的汲極和該正輸出電晶體的閘極之間；以及，第二電平轉換器，耦接在該負輸入電晶體的汲極和該負輸出電晶體的閘極之間。
在一些實施例中，該翻轉電壓跟隨器還包括第一偏置電晶體和第二偏置電晶體；其中，該第一偏置電晶體的汲極耦接該正輸入電晶體的汲極，該第二偏置電晶體的汲極耦接該負輸入電晶體的汲極；其中，該第二偏壓電晶體的閘極耦接該第一偏壓電晶體的閘極，以及，該第二偏置電晶體的源極和該第一偏置電晶體的源極都耦接到電壓源。
根據本發明的另一實施例，提供了一種高線性度輸入緩衝器，包括：翻轉電壓跟隨器，被配置為單端架構；以及，頻變阻抗電路，耦接在該翻轉電壓跟隨器的輸入電晶體的汲極和接地端之間。
在一些實施例中，該頻變阻抗電路包括電容器。在一些實施例中，該頻變阻抗電路還包括電阻性元件；其中，該電阻性元件和該電容器串聯耦接在該輸入電晶體的汲極和該接地端之間。
在一些實施例中，該輸入電晶體的閘極耦接該高線性度輸入緩衝器的輸入電壓。在一些實施例中，該翻轉電壓跟隨器還包括輸出電晶體，該輸出電晶體的閘極耦接該輸入電晶體的汲極，該輸出電晶體的汲極耦接該輸入電晶體的源極，以及，該輸出電晶體輸出該高線性度輸入緩衝器的輸出電壓。在一些實施例中，該翻轉電壓跟隨器還包括電平轉換器，該電平轉換器耦接在該輸入電晶體的汲極和該輸出電晶體的閘極之間。在一些實施例中，該翻轉電壓跟隨器還包括偏置電晶體，該偏置電晶體的汲極耦接該輸入電晶體的汲極，該偏置電晶體的源極耦接到該接地端，以及，該偏置電晶體的閘極被偏置電壓偏置。
本發明提供的高線性度輸入緩衝器包括頻變阻抗電路，能夠提供高線性度的輸出信號。本發明內容是通過示例的方式提供的，並非旨在限定本發明。在下面的詳細描述中描述其它實施例和優點。本發明由申請專利範圍限定。
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。
第1圖示出了翻轉電壓跟隨器（flipped voltage follower）100，其包括輸入電晶體（input transistor）M1，輸出電晶體（output transistor）M2，電平轉換器（level shifter）LS和偏置電晶體（bias transistor）M3。應當說明的是，在本說明書附圖中以特定形式的電晶體進行示例說明，例如P溝道金屬氧化物半導體（P-channel Metal Oxide Semiconductor，PMOS）電晶體、N溝道金屬氧化半導體（N-channel metal oxide semiconductor，NMOS）電晶體。但本發明並不限於此，本領域普通技術人員可以做出各種變型，例如，N型電晶體變型為P型電晶體，P型電晶體變型為N型電晶體的類似實施例，再例如，可以使用任何其它合適類型的電晶體，包括雙極結型電晶體（bipolar junction transistor，BJT）、異質結雙極型電晶體（heterojunction bipolar transistor，HBT）、結型場效應電晶體（junction field effect transistor，JFET）等。
輸入電晶體M1的閘極（gate）接收輸入電壓Vin。在輸入電晶體M1的汲極（drain）處，信號VA（＝增益*Vin）被產生，與輸入電壓Vin相比，信號VA是反相的（in a reverse phase）。電平轉換器LS耦接在輸入電晶體M1的汲極與輸出電晶體M2的閘極之間。透過（through）電平轉換器LS，信號VA的直流（direct current，DC）電壓被下拉至適當的電平，以驅動輸出電晶體M2。輸出電晶體M2的汲極耦接到輸入電晶體M1的源極（source）。偏置電晶體M3提供驅動電流（driving current）Id至輸入電晶體M1和輸出電晶體M2，其中，偏置電晶體M3的汲極耦接輸入電晶體M1的汲極，偏置電晶體M3的源極耦接電壓源（voltage source）（例如，電源電壓），以及，偏置電晶體M3的閘極耦接偏置電壓（bias voltage）Vbp。如第1圖所示，翻轉電壓跟隨器100在輸入電晶體M1與輸出電晶體M2之間的連接點處輸出輸出電壓Vout。
翻轉電壓跟隨器100包括迴路（loop），其迴路增益為Aloop。翻轉電壓跟隨器100的輸出阻抗Rout約為1/（gm1*Aloop），其中，gm1是輸入電晶體M1的跨導（transconductance）。通過使用迴路增益Aloop來提供高增益，可將輸出阻抗Rout抑製到低級別（low level）。因此，翻轉電壓跟隨器100適合用作執行從高到低電阻轉換（high-to-low resistance transformation）的輸入緩衝器。
然而，在翻轉電壓跟隨器100中，需要大尺寸（huge-sized）的輸入電晶體M1來減小輸出阻抗和噪聲。由於輸入電晶體M1的大寄生電容，翻轉電壓跟隨器100中的信號會隨輸入電壓Vin擺動。驅動電流Id將是依賴信號的電流（signal-dependent current），其導致諧波。
第2圖示出了抑制諧波的翻轉電壓跟隨器200。在第2圖的示例中，翻轉電壓跟隨器200為偽差分架構（pseudo-differential architecture）。與在負輸入電晶體M1n的汲極處的信號VA’相比，在正輸入電晶體M1p的汲極處的信號VA是反相的。電阻器Rc耦接在正輸入電晶體M1p的汲極和負輸入電晶體M1n的汲極之間。通過電阻器Rc，諧波被消除。
然而，為了傳遞足夠的電流，小的（small）電阻器Rc被配置在翻轉電壓跟隨器200中。在低頻響應中，迴路增益Aloop被小的電阻器Rc顯著抑制（significantly suppressed）。因此，在低頻區域中，翻轉電壓跟隨器200的約為1/（gm1*Aloop）的輸出阻抗Rout非理想地增大。從而，高到低電阻轉換的能力被降低。
第3圖示出了根據本發明示例性實施例的翻轉電壓跟隨器300。在第3圖的示例中，翻轉電壓跟隨器300為偽差分架構。耦接在正輸入電晶體M1p的汲極和負輸入電晶體M1n的汲極之間的裝置（device）是頻變阻抗電路（frequency-dependent impedance circuit）302，頻變阻抗電路302包括第一電阻器304，電容器Cc和第二電阻器306。電容器Cc在低頻區域中提供大阻抗（significant impedance），以防止迴路增益Aloop的下降（drop），從而使翻轉電壓跟隨器300的輸出阻抗Rout被保持為低（is kept low）。翻轉電壓跟隨器300適合用作執行完美的高到低電阻轉換的高線性度輸入緩衝器。或者描述為：本發明提供的高線性度輸入緩衝器包括翻轉電壓跟隨器和頻變阻抗電路，其中，頻變阻抗電路耦接在該翻轉電壓跟隨器的正輸入電晶體的汲極和該翻轉電壓跟隨器的負輸入電晶體的汲極之間，能夠在低頻區域中表現為大阻抗，以防止迴路增益Aloop的下降，從而實現隨著信號頻率的高到低電阻轉換。
在第3圖中，正輸入電晶體M1p的汲極通過第一電阻器304耦接到電容器Cc的第一端子（first terminal）n1，負輸入電晶體M1n的汲極通過第二電阻器304耦接到電容器Cc的第二端子n2。第一電阻器304和第二電阻器306具有相同的電阻值（resistance）Rc/2。本發明並不限於將頻變阻抗電路限制為第3圖所示的電路302。凡是能夠在低頻區域中減小整個翻轉電壓跟隨器的輸出阻抗Rout（例如，增大翻轉電壓跟隨器的迴路增益Aloop）的任意頻變阻抗電路都可以代替第3圖的電路302。
在以下段落中敘述了翻轉電壓跟隨器300的電路細節。
正輸入電晶體（positive input transistor）M1p的閘極耦接翻轉電壓跟隨器300的正差分輸入（positive differential input）Vinp。負輸入電晶體（negative input transistor）M1n的閘極耦接翻轉電壓跟隨器300的負差分輸入（negative differential input）Vinn。
翻轉電壓跟隨器300還包括正輸出電晶體M2p，負輸出電晶體M2n，第一電平轉換器LSp和第二電平轉換器LSn。第一電平轉換器LSp耦接在正輸入電晶體M1p的汲極和正輸出電晶體M2p的閘極之間。第二電平轉換器LSn耦接在負輸入電晶體M1n的汲極和負輸出電晶體M2n的閘極之間。在一些示例性實施例中，其它組件（component）可以代替電平轉換器LSp和LSn來將正輸入電晶體M1p的汲極耦接至正輸出電晶體M2p的閘極，以及將負輸入電晶體M1n的汲極耦接至負輸出電晶體M2n的閘極。如第3圖所示，翻轉電壓跟隨器300在正輸入電晶體M1p和正輸出電晶體M2p之間的連接點處輸出正差分輸出Vop，以及，在負輸入電晶體M1n和負輸出電晶體M2n之間的連接點處輸出負差分輸出Von。
翻轉電壓跟隨器300還包括第一偏置電晶體M3p和第二偏置電晶體M3n。第一偏置電晶體M3p的汲極耦接正輸入電晶體M1p的汲極。第二偏置電晶體M3n的汲極耦接負輸入電晶體M1n的汲極。第二偏置電晶體M3n的閘極耦接第一偏置電晶體M3p的閘極。第二偏置電晶體M3n的源極和第一偏置電晶體M3p的源極都耦接到電壓源（例如，電源電壓）。
翻轉電壓跟隨器300可以有各種變型，因此，任何包括耦接在正輸入電晶體的汲極和負輸入電晶體的汲極之間的頻變阻抗電路（例如，電路302）的偽差分翻轉電壓跟隨器都應被認為在本發明的保護範圍內。
第4圖示出了根據本發明的另一示例性實施例的翻轉電壓跟隨器400。在第4圖的示例中，翻轉電壓跟隨器400為單端架構（single-ended architecture）。頻變阻抗電路（其阻抗為z(w)）402耦接在翻轉電壓跟隨器400的輸入電晶體M1的汲極與接地端（例如，交流地、直流地、電壓源或接地電壓）之間。頻變阻抗電路402包括電容器和電阻器，其串聯耦接在輸入電晶體M1的汲極與接地端（如交流地）之間。電容器Cc在低頻區域中提供大阻抗，以防止迴路增益Aloop的下降，從而使得翻轉電壓跟隨器400的輸出阻抗Rout保持為低。翻轉電壓跟隨器400適合用作高線性度輸入緩衝器，其執行完美的高到低電阻轉換。
在這些段落中敘述了翻轉電壓跟隨器400的電路細節。輸入電晶體M1的閘極接收翻轉電壓跟隨器400的輸入電壓Vin。翻轉電壓跟隨器400還包括輸出電晶體M2，電平轉換器LS和偏置電晶體M3。或者描述為：高線性度輸入緩衝器包括翻轉電壓跟隨器和頻變阻抗電路404。輸出電晶體M2的閘極耦接到輸入電晶體M1的汲極，其中，電平轉換器LS耦接在輸入電晶體M1的汲極和輸出電晶體M2的閘極之間。輸出電晶體M2的汲極耦接輸入電晶體M1的源極，以輸出翻轉電壓跟隨器400的輸出電壓Vo。偏置電晶體M3的汲極耦接輸入電晶體M1的汲極，偏置電晶體M3的源極耦接到接地端（如交流地），以及，偏置電晶體M3的閘極被偏置電壓Vbp偏置。
翻轉電壓跟隨器400可以有很多變型。任何包括耦接在輸入電晶體的汲極和交流地之間的頻變阻抗電路（例如，電路402）的單端翻轉電壓跟隨器都應該被認為在本發明的範圍內。
在一些實施例中，說明書中提到的電阻器可以是任意的電阻性元件（any resistive element）。
在申請專利範圍中使用諸如“第一”，“第二”，“第三”等序數術語來修改申請專利要素，其本身並不表示一個申請專利要素相對於另一個申請專利要素的任何優先權、優先級或順序，或執行方法動作的時間順序，但僅用作標記，以使用序數詞來區分具有相同名稱的一個申請專利要素與具有相同名稱的另一個元素要素。
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。
100,200,300,400:翻轉電壓跟隨器 M1:輸入電晶體 M2:輸出電晶體 M3:偏置電晶體 LS:電平轉換器 M3p:第一偏置電晶體 M3n:第二偏置電晶體 M1p:正輸入電晶體 M1n:負輸入電晶體 M2p:正輸出電晶體 M2n:負輸出電晶體 LSp:第一電平轉換器 LSn:第二電平轉換器 302,402:頻變阻抗電路 304:第一電阻器 306:第二電阻器 Cc:電容器 n1:電容器Cc的第一端子 n2:電容器Cc的第二端子 Vbp:偏置電壓 Vinp:正差分輸入 Vinn:負差分輸入 Vop:正差分輸出 Von:負差分輸出
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。 第1圖示出了翻轉電壓跟隨器（flipped voltage follower）100，其包括輸入電晶體M1，輸出電晶體M2，電平轉換器（level shifter）LS和偏置電晶體M3。 第2圖示出了抑制諧波的翻轉電壓跟隨器200。 第3圖示出了根據本發明示例性實施例的翻轉電壓跟隨器300。 第4圖示出了根據本發明另一示例性實施例的翻轉電壓跟隨器400。 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，不同的實施例或不同實施例中披露的不同特徵可根據需求相結合，而並不應當僅限於附圖所列舉的實施例。
300:翻轉電壓跟隨器
M3p:第一偏置電晶體
M3n:第二偏置電晶體
M1p:正輸入電晶體
M1n:負輸入電晶體
M2p:正輸出電晶體
M2n:負輸出電晶體
LSp:第一電平轉換器
LSn:第二電平轉換器
302:頻變阻抗電路
304:第一電阻器
306:第二電阻器
Cc:電容器
n1:電容器Cc的第一端子
n2:電容器Cc的第二端子
Vbp:偏置電壓
Vinp:正差分輸入
Vinn:負差分輸入
Vop:正差分輸出
Von:負差分輸出

Claims (15)

  1. 一種高線性度輸入緩衝器，包括： 翻轉電壓跟隨器，被配置為偽差分架構；以及， 頻變阻抗電路，耦接在該翻轉電壓跟隨器的正輸入電晶體的汲極和該翻轉電壓跟隨器的負輸入電晶體的汲極之間。
  2. 如請求項1所述之高線性度輸入緩衝器，其中，該頻變阻抗電路包括電容器。
  3. 如請求項2所述之高線性度輸入緩衝器，其中，該頻變阻抗電路還包括第一電阻性元件和第二電阻性元件； 該正輸入電晶體的汲極通過該第一電阻性元件耦接到該電容器的第一端子，以及，該負輸入電晶體的汲極通過該第二電阻性元件耦接到該電容器的第二端子。
  4. 如請求項3所述之高線性度輸入緩衝器，其中，該第一電阻性元件和該第二電阻性元件具有相同的電阻值。
  5. 如請求項3所述之高線性度輸入緩衝器，其中，該正輸入電晶體的閘極耦接該高線性度輸入緩衝器的正差分輸入，以及，該負輸入電晶體的閘極耦接該高線性度輸入緩衝器的負差分輸入。
  6. 如請求項5所述之高線性度輸入緩衝器，其中，該翻轉電壓跟隨器還包括正輸出電晶體和負輸出電晶體； 其中，該正輸出電晶體的閘極耦接該正輸入電晶體的汲極，該正輸出電晶體的汲極耦接該正輸入電晶體的源極，以及，該正輸出電晶體輸出該高線性度輸入緩衝器的正差分輸出；以及， 該負輸出電晶體的閘極耦接該負輸入電晶體的汲極，該負輸出電晶體的汲極耦接該負輸入電晶體的源極，以及，該負輸出電晶體輸出該高線性度輸入緩衝器的負差分輸出， 其中，該正輸出電晶體的源極和該負輸出電晶體的源極均接地。
  7. 如請求項6所述之高線性度輸入緩衝器，其中，該翻轉電壓跟隨器還包括： 第一電平轉換器，耦接在該正輸入電晶體的汲極和該正輸出電晶體的閘極之間；以及， 第二電平轉換器，耦接在該負輸入電晶體的汲極和該負輸出電晶體的閘極之間。
  8. 如請求項7所述之高線性度輸入緩衝器，其中，該翻轉電壓跟隨器還包括第一偏置電晶體和第二偏置電晶體； 其中，該第一偏置電晶體的汲極耦接該正輸入電晶體的汲極，該第二偏置電晶體的汲極耦接該負輸入電晶體的汲極； 其中，該第二偏壓電晶體的閘極耦接該第一偏壓電晶體的閘極，以及，該第二偏置電晶體的源極和該第一偏置電晶體的源極都耦接到電壓源。
  9. 一種高線性度輸入緩衝器，包括： 翻轉電壓跟隨器，被配置為單端架構；以及， 頻變阻抗電路，耦接在該翻轉電壓跟隨器的輸入電晶體的汲極和接地端之間。
  10. 如請求項9所述之高線性度輸入緩衝器，其中，該頻變阻抗電路包括電容器。
  11. 如請求項10所述之高線性度輸入緩衝器，其中，該頻變阻抗電路還包括電阻性元件； 其中，該電阻性元件和該電容器串聯耦接在該輸入電晶體的汲極和該接地端之間。
  12. 如請求項11所述之高線性度輸入緩衝器，其中，該輸入電晶體的閘極耦接該高線性度輸入緩衝器的輸入電壓。
  13. 如請求項12所述之高線性度輸入緩衝器，其中，該翻轉電壓跟隨器還包括輸出電晶體，該輸出電晶體的閘極耦接該輸入電晶體的汲極，該輸出電晶體的汲極耦接該輸入電晶體的源極，以及，該輸出電晶體輸出該高線性度輸入緩衝器的輸出電壓。
  14. 如請求項13所述之高線性度輸入緩衝器，其中，該翻轉電壓跟隨器還包括電平轉換器，該電平轉換器耦接在該輸入電晶體的汲極和該輸出電晶體的閘極之間。
  15. 如請求項14所述之高線性度輸入緩衝器，其中，該翻轉電壓跟隨器還包括偏置電晶體，該偏置電晶體的汲極耦接該輸入電晶體的汲極，該偏置電晶體的源極耦接到該接地端，以及，該偏置電晶體的閘極被偏置電壓偏置。
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