TWI420804B - 巢狀式跨阻抗放大器 - Google Patents

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Description

巢狀式跨阻抗放大器
本發明涉及跨阻抗放大器(TIA：transimpedance amplifier)，尤其涉及具有增加的增益帶寬積的巢狀式跨阻抗放大器。
跨阻抗放大器(TIA)是熟知型式的一種電子電路。現參考圖1，TIA 100包括具有增益參數(-gm )的運算放大器(opamp)105。opamp 105並聯連接到電阻器(Rf )110。TIA 100的輸入是電流(△i)115。TIA 100的輸出是電壓(△vo )120。
現參考圖2，TIA 100的opamp 105被電流源205和具有增益-gm 的電晶體210取代。圖1和圖2中的TIA 100常被稱為互電導放大器(transconductance amplifier)，因為它將輸入電流△i轉換為輸出電壓△vo 。
現參考圖3，TIA 300將輸入電壓(△vi )305轉換為輸出電壓(△vo )310。TIA 300還包括連接到電晶體320的電阻器315。TIA 300典型地使用於須要相當低的帶寬的應用中。
現參考圖4，TIA 400將輸入電壓(△vi )405轉換為輸出電壓(△vo )410。TIA 400包括第二opamp 415，其串聯連接到電阻器(Rf )420和opamp 425的並聯組合。TIA 400典型使用於具有帶寬要求比TIA 300高的應用中。
通常，TIA的帶寬的極限是用於opamp中的電晶體的臨界頻率fT 的某個分數。在諸如砷化鎵(GaAs)電晶體這樣的雙載子接合電晶體(BJT)的情況下，TIA的帶寬約等於fT 的10%-20%。對於金屬氧化物半導體(MOS)電晶體，TIA的帶寬典型是fT 的幾個百分比(即約為2%-6%)。
現參考圖5，TIA 500可被組態為利用每個opamp 502和504的兩個輸入差動地工作。一個輸入505以類似於標準組態TIA中的接地或虛擬接地的方式充當參考。輸入電壓△vi 和輸出電壓△vo 被測量為參考輸入505和第二輸入510之間的電壓差。回饋電阻器514和516被跨接在opamp 504的輸入和輸出上。
現參考圖6，具有相對較高的帶寬要求的一種TIA應用是光學感測器 的TIA應用。光學感測器電路600包括與光敏二極體605耦合的TIA 100的opamp 105和電阻器110。光敏二極體605的輸出是電流Iphoto 610，它作為TIA 100的輸入。
應用越來越要求高帶寬和高增益。示例包括諸如光纖接收器這樣的光學感測器，以及用於高速硬碟驅動器的前置放大器寫入器。
一種巢狀式跨阻抗放大器(TIA)電路包括：具有輸入和輸出的第零階TIA，以及第一運算放大器(opamp)。該opamp包括：與該第零階TIA的該輸出通信的輸入，被該輸入驅動的第一電晶體，被第一偏壓驅動並且與該第一電晶體通信的第二電晶體，與該第二電晶體通信的第一電流源，以及處於第一電晶體和第二電晶體之間的節點處的輸出。
在其他特徵中，第二電流源與第一電晶體通信。opamp的增益大於第零階TIA的增益。opamp的帶寬小於第零階TIA的帶寬。
在其他特徵中，第零階TIA包括：包括第一輸入和第一輸出的第一opamp，以及包括第二輸入和第二輸出的第二opamp。第二輸入與第一輸出通信。電阻包括與第二輸出通信的一端和與第二輸入通信的第二端。
一種巢差動模式跨阻抗放大器(TIA)電路包括：具有第一和第二輸入以及第一和第二輸出的第零階差動模式TIA，以及第一差動模式運算放大器(opamp)。該opamp包括：與該第零階差動模式TIA的該輸出中各一通信的輸入，被該第一輸入驅動的第一電晶體，被該第二輸入驅動的第二電晶體，被第一偏壓驅動並且與該第一電晶體通信的第三電晶體，被第一偏壓驅動並且與該第二電晶體通信的第四電晶體，與該第三電晶體通信的第一電流源，與該第四電晶體通信的第二電流源，以及處於第一電晶體和第三電晶體之間以及第二電晶體和第四電晶體之間的各連接處的第一和第二輸出。
在其他特徵中，該巢狀差動模式TIA電路包括與第一電晶體和第二電晶體通信的第三電流源。第一差動模式opamp的增益大於第零階差動模式TIA的增益。第一差動模式opamp的帶寬小於第零階差動模式TIA的帶寬。
在其他特徵中，該第零階差動模式TIA包括：包括輸入和輸出的第二差動模式opamp，以及包括輸入和輸出的第三差動模式opamp。第三差動模式opamp的輸入與該第二差動模式opamp的各輸出通信。電阻包括第一端和第二端。第一和第二端與第三差動模式opamp的各輸入和輸出通信。
一種巢狀差動模式跨阻抗放大器(TIA)電路包括：具有第一和第二輸入以及第一和第二輸出的第零階差動模式TIA，以及具有第一和第二輸入以及第一和第二輸出的差動模式推挽式opamp。第一和第二輸入與該第零階差動模式TIA的該第一和第二輸出中的各輸出通信。
在其他特徵中，差動模式推挽式opamp的增益大於第零階差動模式TIA的增益，並且差動模式推挽式opamp的帶寬小於第零階差動模式TIA的帶寬。
在其他特徵中，該第零階差動模式TIA包括：包括輸入和輸出的第二差動模式opamp，以及包括輸入和輸出的第三差動模式opamp。第三差動模式opamp的輸入與第二差動模式opamp的各輸出通信。電阻包括第一端和第二端。第一和第二端與第三差動模式opamp的相應輸入和輸出通信。
一種巢狀式跨阻抗放大器(TIA)電路包括：具有輸入和輸出的第零階TIA，具有輸出和與該第零階TIA的該輸出通信的輸入的第一運算放大器(opamp)，用於向第零階TIA施加第一電壓的第一電源供應器輸入，以及用於接收第二電壓的第二電源供應器輸入。電荷泵模組基於第一電壓和第二電壓形成第三電壓。第三電壓被施加到該opamp。
在其他特徵中，該第零階TIA包括：包括第一輸入和第一輸出的第一opamp，以及包括第二輸入和第二輸出的第二opamp。第二輸入與第一輸出通信。電阻包括與第二輸出通信的一端和與第二輸入通信的第二端。
在其他特徵中，電壓調節器調節第二電壓。發光二極體與opamp輸出通信。第一電壓大於第二電壓。第三電壓約等於第一電壓和第二電壓的和。第一電壓否則被施加到類比電路，並且第二電壓否則被施加到數位電路。第一電壓在約2.5V到3.3V之間。第二電壓約為1.2V。
一種差動跨阻抗放大器電路包括：具有第一反相輸入、第一非反相輸入、第一反相輸出和第一非反相輸出的第一運算放大器；具有第二反相輸 入、第二非反相輸入、第二反相輸出和第二非反相輸出的第二運算放大器，其中第二反相輸出與第一非反相輸入通信，並且第二非反相輸出與第一反相輸入通信；與第一非反相輸入和第一反相輸出通信的第一回饋元件；與第一反相輸入和第一非反相輸出通信的第二回饋元件；與第二反相輸入和第一反相輸出通信的第三回饋元件；以及與第一非反相輸入和第一非反相輸出通信的第四回饋元件。
在其他特徵中，第三和第四回饋元件分別包括第一和第二電阻。第三和第四回饋元件分別包括第一和第二電容。第一和第二回饋元件分別包括第一和第二電阻。第一和第二回饋元件分別包括第一和第二電容。第一和第二回饋元件各自包括與電感和第二電阻串聯的第一電阻，該電感和第二電阻與電容並聯。該電容包括可變電容。第一和第二回饋元件各自包括與電容並聯的電阻。該電容包括可變電容。
在其他特徵中，第一和第二回饋元件各自包括與電感串聯的第一電阻，該第一電阻和電感與電容和第二電阻並聯。該電容包括可變電容。第一和第二運算放大器是互電導放大器。
在其他特徵中，積分器包括該差動跨阻抗放大器。
一種單巢狀式跨阻抗放大器電路包括：具有第三反相輸入、第三非反相輸入、第三反相輸出和第三非反相輸出的第三運算放大器；以及該差動跨阻抗放大器電路。第二反相輸入與第三非反相輸出通信，並且第二非反相輸入與第三反相輸出通信。
一種雙巢狀差動跨阻抗放大器電路包括：單巢狀跨阻抗放大器電路；以及具有第四反相輸入、第四非反相輸入、第四反相輸出和第四非反相輸出的第四運算放大器。第四反相輸出與第三非反相輸出通信，並且第四非反相輸出與第三反相輸入通信。
在其他特徵中，第五回饋元件與第四反相輸出和第一反相輸出通信。第六回饋元件與第四非反相輸出和第一非反相輸出通信。第五和第六回饋元件分別包括第一和第二電阻。第五和第六回饋元件包括第一和第二電容。
一種Sigma-Delta類比-至-數位轉換器包括該差動跨阻抗放大器。該Sigma-Delta類比-至-數位轉換器包括：包括一個接收輸入信號的輸入的差 動放大器模組；與差動放大器模組的輸出通信的積分器模組；接收積分器模組的輸出的比較器模組；以及與比較器模組的輸出和差動放大器模組的另一輸入通信的數位-至-類比轉換器模組。
在其他特徵中，濾波器和抽選模組接收比較器模組的輸出。差動放大器模組、積分器模組和比較器模組中的至少一個包括該差動跨阻抗放大器。
一種差動跨阻抗放大器電路包括：具有第一反相輸入、第一非反相輸入、第一反相輸出和第一非反相輸出的用於放大的第一放大裝置；具有第二反相輸入、第二非反相輸入、第二反相輸出和第二非反相輸出的用於放大的第二放大裝置，其中第二反相輸出與第一非反相輸入通信，並且第二非反相輸出與第一反相輸入通信；與第一非反相輸入和第一反相輸出通信的用於提供回饋的第一回饋裝置；與第一反相輸入和第一非反相輸出通信的用於提供回饋的第二回饋裝置；與第二反相輸入和第一反相輸出通信的用於提供回饋的第三回饋裝置；以及與第一非反相輸入和第一非反相輸出通信的用於提供回饋的第四回饋裝置。
在其他特徵中，第三和第四回饋裝置分別包括用於提供電阻的第一和第二電阻裝置。第三和第四回饋裝置分別包括用於提供電容的第一和第二電容裝置。第一和第二回饋裝置分別包括用於提供電阻的第一和第二電阻裝置。第一和第二回饋裝置分別包括用於提供電容的第一和第二電容裝置。第一和第二回饋裝置各自包括與用於提供電感的電感裝置和用於提供電阻的第二電阻裝置串聯的用於提供電阻的第一電阻裝置，該電感裝置和第二電阻裝置與用於提供電容的電容裝置並聯。該電容裝置提供可變電容。第一和第二回饋裝置各自包括與用於提供電容的電容裝置並聯的用於提供電阻的電阻裝置。該電容裝置提供可變電容。第一和第二回饋裝置各自包括與用於提供電感的電感裝置串聯的用於提供電阻的第一電阻裝置，該第一電阻裝置和電感裝置與用於提供電容的電容裝置和用於提供電阻的第二電阻裝置並聯。該電容裝置提供可變電容。第一和第二放大裝置包括互電導放大器。
一種單巢狀式跨阻抗放大器電路包括：具有第三反相輸入、第三非反相輸入、第三反相輸出和第三非反相輸出的用於放大的第三放大裝置；以 及該差動跨阻抗放大器電路。第二反相輸入與第三非反相輸出通信，並且第二非反相輸入與第三反相輸出通信。
一種雙巢狀式跨阻抗放大器電路包括：單巢狀跨阻抗放大器電路；以及具有第四反相輸入、第四非反相輸入、第四反相輸出和第四非反相輸出的用於放大的第四放大裝置。第四反相輸出與第三非反相輸出通信，並且第四非反相輸出與第三反相輸入通信。
在其他特徵中，用於提供回饋的第五回饋裝置與第四反相輸出和第一反相輸出通信。用於提供回饋的第六回饋裝置與第四非反相輸出和第一非反相輸出通信。第五和第六回饋裝置分別包括用於提供電阻的第一和第二電阻裝置。
一種Sigma-Delta類比-至-數位轉換器包括該差動跨阻抗放大器。該Sigma-Delta類比-至-數位轉換器包括：包括一個接收輸入信號的輸入的用於放大的差動放大器裝置；與差動放大器裝置的輸出通信的用於積分的積分器裝置；接收積分器裝置的輸出的用於比較的比較器裝置；以及與比較器裝置的輸出和差動放大器裝置的另一輸入通信的用於轉換的數位-至-類比轉換器裝置。
在其他特徵中，用於濾波和抽選的濾波器和抽選裝置接收比較器裝置的輸出。差動放大器裝置、積分器裝置和比較器裝置中的至少一個包括該差動跨阻抗放大器。
一種差動跨阻抗放大器電路包括：具有第一反相輸入、第一非反相輸入、第一反相輸出和第一非反相輸出的第一運算放大器；具有第二反相輸入、第二非反相輸入、第二反相輸出和第二非反相輸出的第二運算放大器，其中第二反相輸出與第一非反相輸入通信，並且第二非反相輸出與第一反相輸入通信；具有第三反相輸入、第三非反相輸入、第三反相輸出和第三非反相輸出的第三運算放大器；其中第二反相輸入與第三非反相輸出通信，並且第二非反相輸入與第三反相輸出通信；具有第四反相輸入、第四非反相輸入、第四反相輸出和第四非反相輸出的第四運算放大器同，其中第四反相輸出與第三非反相輸出通信，並且第四非反相輸出與第三反相輸入通信；與第二非反相輸入和第二反相輸出通信的第一回饋元件；與第二 反相輸入和第二非反相輸出通信的第二回饋元件；與第三非反相輸入和第一反相輸出通信的第三回饋元件；與第三反相輸入和第一非反相輸出通信的第四回饋元件；與第四反相輸入和第一反相輸出通信的第五回饋元件；以及與第四非反相輸出和第一非反相輸出通信的第六回饋元件。
在其他特徵中，第一和第二回饋元件分別包括第一和第二電阻。第三和第四回饋元件分別包括第一和第二電阻。第五和第六回饋元件分別包括第一和第二電阻。
一種Sigma-Delta類比-至-數位轉換器包括該差動跨阻抗放大器。該Sigma-Delta類比-至-數位轉換器包括：包括一個接收輸入信號的輸入的差動放大器模組；與差動放大器模組的輸出通信的積分器模組；接收積分器模組的輸出的比較器模組；以及與比較器模組的輸出和差動放大器模組的另一輸入通信的數位-至-類比轉換器模組。
在其他特徵中，濾波器和抽選模組接收比較器模組的輸出。差動放大器模組、積分器模組和比較器模組中的至少一個包括該差動跨阻抗放大器。
一種差動跨阻抗放大器電路包括：具有第一反相輸入、第一非反相輸入、第一反相輸出和第一非反相輸出的用於放大的第一放大裝置；具有第二反相輸入、第二非反相輸入、第二反相輸出和第二非反相輸出的用於放大的第二放大裝置，其中第二反相輸出與第一非反相輸入通信，並且第二非反相輸出與第一反相輸入通信；具有第三反相輸入、第三非反相輸入、第三反相輸出和第三非反相輸出的用於放大的第三放大裝置；其中第二反相輸入與第三非反相輸出通信，並且第二非反相輸入與第三反相輸出通信；具有第四反相輸入、第四非反相輸入、第四反相輸出和第四非反相輸出的用於放大的第四放大裝置同，其中第四反相輸出與第三非反相輸出通信，並且第四非反相輸出與第三反相輸入通信；與第二非反相輸入和第二反相輸出通信的用於提供回饋的第一回饋裝置；與第二反相輸入和第二非反相輸出通信的用於提供回饋的第二回饋裝置；與第三非反相輸入和第一反相輸出通信的用於提供回饋的第三回饋裝置；與第三反相輸入和第一非反相輸出通信的用於提供回饋的第四回饋裝置；與第四反相輸入和第一反相輸出通信的用於提供回饋的第五回饋裝置；以及與第四非反相輸出和第 一非反相輸出通信的用於提供回饋的第六回饋裝置。
在其他特徵中，第一和第二回饋裝置分別包括用於提供電阻的第一和第二電阻裝置。第三和第四回饋裝置分別包括用於提供電阻的第一和第二電阻裝置。第五和第六回饋裝置分別包括用於提供電阻的第一和第二電阻裝置。
一種Sigma-Delta類比-至-數位轉換器包括該差動跨阻抗放大器。該Sigma-Delta類比-至-數位轉換器包括：包括一個接收輸入信號的輸入的用於放大的差動放大器裝置；與差動放大器裝置的輸出通信的用於積分的積分器裝置；接收積分器裝置的輸出的用於比較的比較器裝置；以及與比較器裝置的輸出和差動放大器裝置的另一輸入通信的用於轉換的數位-至-類比轉換器裝置。
在其他特徵中，用於濾波和抽選的濾波器和抽選裝置接收比較器裝置的輸出。差動放大器裝置、積分器裝置和比較器裝置中的至少一個包括該差動跨阻抗放大器。
一種跨阻抗放大器包括具有輸入和輸出的第一運算放大器。第二運算放大器具有輸入和與第一運算放大器的輸入通信的輸出。第一回饋元件具有與第一運算放大器的輸入通信的一端和與第一運算放大器的輸出通信的另一端，其中第一回饋元件包括第一電容。第二回饋元件具有與第一運算放大器的輸入通信的一端和與第一運算放大器的輸出通信的另一端。
在其他特徵中，第二回饋元件包括第一電阻。第一電容包括可變電容。第一回饋元件包括與第一電容並聯的第一電阻。第二回饋元件包括與第一電感串聯的第一電阻。第一電容包括可變電容。第一電阻具有與第一和第二回饋元件的另一端通信的一端和與第二運算放大器的輸出通信的另一端。第一回饋元件還包括與第一電容串聯的第一電阻，並且第二回饋元件包括與第二電阻並聯的第一電感。一種差動跨阻抗放大器包括該跨阻抗放大器。
一種Sigma-Delta類比-至-數位放大器包括該差動跨阻抗放大器。該Sigma-Delta類比-至-數位轉換器包括：包括一個接收輸入信號的輸入的差動放大器模組；與差動放大器模組的輸出通信的積分器模組；接收積分器 模組的輸出的比較器模組；以及與比較器模組的輸出和差動放大器模組的另一輸入通信的數位-至-類比轉換器模組。
在其他特徵中，濾波器和抽選模組接收比較器模組的輸出。差動放大器模組、積分器模組和比較器模組中的至少一個包括該差動跨阻抗放大器。
一種跨阻抗放大器包括具有輸入和輸出的用於放大的第一放大裝置。用於放大的第二放大裝置具有輸入和與第一放大裝置的輸入通信的輸出。用於提供回饋的第一回饋裝置具有與第一放大裝置的輸入通信的一端和與第一放大裝置的輸出通信的另一端。第一回饋裝置包括用於提供電容的第一電容裝置。用於提供回饋的第二回饋裝置具有與第一放大裝置的輸入通信的一端和與第一放大裝置的輸出通信的另一端。
在其他特徵中，第二回饋裝置包括用於提供電阻的第一電阻裝置。第一電容裝置包括用於提供可變電容的可變電容裝置。第一回饋裝置包括與第一電容裝置並聯的用於提供電阻的第一電阻裝置。第二回饋裝置包括與用於提供電感的第一電感裝置串聯的用於提供電阻的第一電阻裝置。第一電容裝置包括用於提供可變電容的可變電容裝置。用於提供電阻的第一電阻裝置具有與第一和第二回饋裝置的另一端通信的一端和與第二放大裝置的輸出通信的另一端。第一回饋裝置還包括與第一電容裝置串聯的用於提供電阻的第一電阻裝置，並且第二回饋裝置包括與用於提供電阻的第二電阻裝置並聯的用於提供電感的第一電感裝置。一種差動跨阻抗放大器包括該跨阻抗放大器。
一種Sigma-Delta類比-至-數位放大器包括該差動跨阻抗放大器。該Sigma-Delta類比-至-數位轉換器包括：包括一個接收輸入信號的輸入的用於放大的差動放大器裝置；與差動放大器裝置的輸出通信的用於積分的積分器裝置；接收積分器裝置的輸出的用於比較的比較器裝置；以及與比較器裝置的輸出和差動放大器裝置的另一輸入通信的用於轉換的數位-至-類比轉換器裝置。
在其他特徵中，濾波器和抽選裝置接收比較器裝置的輸出。差動放大器裝置、積分器裝置和比較器裝置中的至少一個包括該差動跨阻抗放大器。
本發明的其他應用領域將會從以下提供的詳細描述中顯現出來。應當 理解，詳細描述和特定示例雖然指示了本發明的優選實施例，但卻只欲用於說明，而不欲限制本發明的範圍。
以下對較佳實施例之說明僅為示範性質，且其用意並非限制本發明、其應用或使用。
本發明解決了增加TIA的增益帶寬積的需求。增益帶寬積的提高是藉由使一個“TIA”與另一個TIA巢狀來實現的。換言之，諸如回饋電阻器、電容器及/或opamp之類的額外電路元件被添加在TIA的輸入方及/或輸出方。在圖15-17中，提供了輸入寄生電容的容性消去。在圖20-24中，提供了額外回饋電阻。在圖23和圖24中，提供了輸入及/或回饋電容。
現參考圖7、圖8和圖9，通過向第零階TIA添加opamp、回饋電阻器及/或電容器而構造了“巢狀”TIA。在圖10和圖11中，還可以構造工作在差動模式的巢狀TIA。
現參考圖7，其中說明第一階巢狀TIA 700。來自圖4的標號被用於圖7中以標識類似的元件。TIA 700包括傳統的TIA 705(以這裏也稱之為“第零階”TIA)、opamp 710和回饋電阻器715。回饋電阻器715可以是標準的固定值電阻器、非線性可變電阻器或MOS電阻器。電容器720也被連接在TIA 700的輸入和接地(或虛擬接地)之間。
通過以這種方式巢狀TIA，可實現增益帶寬積的提高。例如，使用MOS電晶體的第一階巢狀TIA 700可實現達到臨界頻率fT 的10%-20%的帶寬。這個範圍代表了比相應的第零階TIA的帶寬大五至十倍的帶寬。
現參考圖12和圖13，其中顯示圖示第零階TIA和第一階巢狀TIA的特性增益帶寬曲線的圖線。一般來說，較高值的增益與較低值的帶寬相關聯，較低值的增益與較高值的帶寬相關聯。定義為輸出電壓△vo 除以輸入電壓△vi 的增益A通常是幾百或幾千數量級(即約等於102 -103 )。0.13μm CMOS工藝的臨界頻率(fT )的典型範圍是30GHz-40GHz。
在圖12中，顯示三個典範特性曲線。高增益值產生約1GHz的帶寬值。中等增益值產生約2GHz的帶寬。其他值的增益和帶寬也是可能的。例如， TIA可以具有高於圖12所示的最大值的特性增益值和小於1GHz的帶寬。TIA可具有低於圖12所示的最小值的特性增益值和大於2GHz的帶寬。可以瞭解，帶寬按增益的反函數的方式變化。該函數可被稱為“擴展”。使用MOS電晶體的TIA的擴展比使用雙載子接合電晶體的擴展要大。從而，MOS電晶體提高TIA帶寬性能的需求比BJT電晶體要強烈。
圖12說明典範帶寬值沒有限定帶寬上限和下限。在許多實際應用中，1GHz或2GHz量級的帶寬太低了。諸如OC 192光纖接收機這樣的許多應用要求10GHz量級的帶寬。高速硬碟驅動器的前置放大器通常也要求幾GHz數量級的帶寬。現參考圖13，處於典型增益值的第一階巢狀TIA可具有約10GHz的帶寬。
現參考圖8，第二階巢狀TIA 800構建在第一階巢狀TIA 700之上。來自圖4和圖7的標號被用於圖8中以標識類似的元件。第二階巢狀TIA 800包括處於第一階巢狀TIA 700的輸入處的opamp 805和處於第一階巢狀TIA 700的輸出處的opamp 810。還添加了跨接在opamp 805的輸入和opamp 810的輸出上的額外的回饋電阻器815。使用第二階巢狀TIA 800產生的示例性的增益帶寬曲線在圖14中示出。對於典型增益值，可實現約20GHz的帶寬。
現參考圖9，通過添加額外的opamp和回饋電阻器，可構造更高階的巢狀TIA。來自圖4、圖7和圖8的標號被用於圖9中以標識類似的元件。例如，第三階巢狀TIA 900包括opamp 905和910以及回饋電阻器915。通過重復本發明的技術可以實現更高值的增益或帶寬(或兩者)。但是，由於寄生雜訊和增大的功率耗散，電路效率隨著添加額外的巢狀級別而減小。一般來說，第一階巢狀TIA或第二階巢狀TIA通常將會提供充分的性能。
現參考圖10，其中示出了差動模式第一階巢狀TIA 1000。來自圖5的標號被用於圖10中以標識類似的元件。opamp 1002被連接到opamp 504的輸出。回饋電阻器1006和1008被連接到差動模式TIA 500的輸入和opamp 1002的輸出。TIA的增益帶寬積增大了。
現參考圖11，以類似於圖9的第n階巢狀TIA的方式構造了差動模式 第n階巢狀TIA 1100。來自圖5和圖10的標號被用於圖11中以標識類似的元件。以類似地方式連接額外的opamp 1104和1108以及回饋電阻器1112和1114。差動模式TIA的增益帶寬特性與圖12-14所示的增益帶寬特性基本類似。
注意，用於巢狀TIA中的opamp可採用雙載子接合電晶體(BJTs)(例如砷化鎵(GaAs)電晶體)或金屬氧化物半導體(MOS)電晶體(例如CMOS或BICMOS電晶體)。出於諸如容易製造和功耗特性更好之類的實際考慮，本發明的優選實施例使用MOS電晶體。
現參考圖15，其中示出了具有額外的回饋電容C1 的第一階巢狀TIA 700，該額外回饋電容C1 基本上抵消了opamp 415的輸入處的輸入電容CP1 的效果。回饋電容C1 具有與opamp 415的輸入通信的第一端和與opamp 425的輸出通信的第二端。
現參考圖16，其中示出了具有額外的回饋電容C1 和C2 的圖8的第二階巢狀TIA 800，這兩個額外回饋電容C1 和C2 分別基本上抵消了opamp 415和805的輸入處的輸入電容CP1 和CP2 的效果。回饋電容C1 具有與opamp 415的輸入通信的第一端和與opamp 425的輸出通信的第二端。回饋電容C2 具有與opamp 805的輸入通信的第一端和與opamp 710的輸出通信的第二端。
現參考圖17，其中示出了具有額外的回饋電容C1 、C2 、...和CN 的圖9的第n階巢狀TIA，這些額外回饋電容C1 、C2 、...和CN 分別基本上抵消了opamp 415、805和905的輸入處的輸入電容CP1 、CP2 、...和CPN 的效果。回饋電容C1 具有與opamp 415的輸入通信的第一端和與opamp 425的輸出通信的第二端。回饋電容C2 具有與opamp 805的輸入通信的第一端和與opamp 710的輸出通信的第二端。回饋電容CN 具有與opamp 905的輸入通信的第一端和與opamp 810的輸出通信的第二端。
現參考圖18，其中示出了具有額外的回饋電容器C1A 和C1B 的第一階巢狀差動模式TIA 1000，這兩個額外回饋電容器C1A 和C1B 分別基本上抵消了差動模式opamp 502的輸入處的輸入寄生電容CP1 和CP2 的效果。回饋電容C1A 具有與差動模式opamp 502的輸入通信的第一端和與差動模式opamp 504的輸出通信的第二端。在圖19中，以類似的方式，額外電容C2A 和C2B 被添加到第二階巢狀差動模式TIA以抵消寄生電容CP2A 和CP2B 。更高階的電路使用類似的方法。
現參考圖20，其中示出了具有額外的回饋電阻2010的圖7的第一階巢狀TIA。回饋電阻2010具有與opamp 710的輸入通信的第一端。電阻2010的第二端與opamp 710的輸出通信。
現參考圖21，其中示出了具有額外的回饋電阻2110的圖8的第二階巢狀TIA。回饋電阻2110具有與opamp 810的輸入通信的第一端。電阻2110的第二端與opamp 810的輸出通信。
現參考圖22，其中示出了具有額外的回饋電阻2210的圖15的第一階巢狀TIA。回饋電阻2210具有與opamp 710的輸入通信的第一端。電阻2210的第二端與opamp 710的輸出通信。
現參考圖23，其中示出了具有輸入電容CIN 、回饋電容CFB 和回饋電阻2310的圖7的第一階巢狀TIA。輸入電容CIN 具有為巢狀TIA 700接收輸入信號的第一端和與opamp 415的輸入通信的第二端。回饋電容CFB 具有與opamp 415的輸入通信的第一端和與電阻715的一端通信的第二端。
額外的回饋電阻、輸入電容及/或回饋電容也可被添加到差動模式巢狀TIA。現參考圖24，其中示出了具有第一和第二輸入電容CIN1 和CIN2 、第一和第二回饋電容CFB1 和CFB2 以及回饋電阻2410和2412的圖10的第一階差動模式巢狀TIA。輸入電容CIN1 和CIN2 具有為巢狀差動模式TIA接收輸入信號的第一端和與opamp 502的輸入通信的第二端。回饋電容CFB1 和CFB2 具有與opamp 502的輸入通信的第一端和分別與電阻1006和1008的第一端通信的第二端。第一和第二回饋電阻2410和2412具有連接到輸入的第一端和連接到差動模式opamp 1002的輸出的第二端。
可以瞭解，回饋電容(圖15-19)、回饋電阻(圖20-24)以及輸入和回饋電容(圖23和圖24)可以按任何組合用於第一階、第二階、...或第n階巢狀TIA及/或差動模式TIA上。
現參考圖25，其中示出了示例性的碟驅動系統2500，該碟驅動系統2500包括寫碟驅動器2514的碟驅動寫電路2510。碟驅動讀電路2516包括具有按上述方式實現的標識為2520的巢狀TIA或巢狀差動模式TIA的前置放大 電路2518。
現參考圖26，其中示出了包括opamp 710的第一實現的圖7的第一階巢狀TIA 700。opamp 710包括與第二電晶體2602串聯的第一電晶體2600。第一電晶體2600的閘極被第零階TIA 705的輸出驅動。第二電晶體2602的閘極被偏壓VB 驅動。在將第一電晶體2600的源極與第二電晶體2602的汲極相連的節點取得TIA 700的信號輸出。第一電流源2604從第二電晶體2602的源極汲取電流。可利用汲極電壓Vdd2 為opamp 710供電。電源供應器選項在下文更詳細描述。
現參考圖27，其中示出了包括opamp 1002的第一實現的圖10的差動模式第一階巢狀TIA 1000。opamp 1002包括與第二電晶體2702通信的第一電晶體2700。第一電晶體2700的閘極被差動第零階TIA 500的輸出驅動。第二電晶體2702的閘極被偏壓VB 驅動。在將第一電晶體2700的源極與第二電晶體2702的汲極相連的節點取得TIA 1000的第一信號輸出。第一電流源2704從第二電晶體2702的源極汲取電流。
第三電晶體2706與第四電晶體2708通信。第三電晶體2706的閘極被差動第零階TIA 500的另一輸出驅動。第四電晶體2708的閘極被VB 驅動。在將第三電晶體2706的源極與第四電晶體2708的汲極相連的節點取得TIA1000的第二信號輸出。第二電流源2710從第二電晶體2702的源極汲取電流。可利用汲極電壓Vdd2 為opamp 1002供電。電源供應器選項在下文更詳細描述。跨第一和第三電晶體2700、2706各自源極處的第一和第二信號輸出取得差動信號輸出。
現參考圖28，其中示出了包括opamp 710的第二實施的圖26的第一階巢狀TIA 700。第二實施包括向第一電晶體2600的汲極提供電流的第二電流源2610。第二電流源2610從Vdd2 汲取電流。
現參考圖29，其中顯示包括opamp 1002的第二實施的圖27的差動模式第一階巢狀TIA 1000。第二實施包括向第一電晶體2700和第三電晶體2706的汲極提供電流的第三電流源2712。第三電流源2712從Vdd2 汲取電流。
現參考圖30，其中顯示包括opamp 1002的第三實施的圖10的差動模 式第一階巢狀TIA 1000。opamp 1002包括如圖所示的推挽組態。opamp 1002接收正偏壓VBP 和負偏壓VBN 。跨節點Vout+ 和Vout- 取得差動輸出信號。
現參考圖31-33，其中顯示增益曲線族。增益曲線代表如上該的各種第一階巢狀TIA的典型增益模式。每個圖線的對數垂直軸代表增益A=Vout /Vin 。每個圖線的對數水平軸代表信號頻率。圖31的圖線代表各種opamp的增益曲線3100。比起第零階TIA來，opamp提供更低的增益和更高的帶寬。opamp增益以20dB/十倍頻程的速率下降。
圖32的圖線代表了各種TIA的增益曲線族3200。具有最小帶寬的增益曲線3200對應於第零階TIA。具有更高帶寬的增益曲線3200對應於巢狀程度越來越高的TIA。與opamp相比，TIA一般提供較高的增益和中等帶寬。第零階TIA增益以20dB/十倍頻程的速率下降。
圖33的圖線代表各種第一階巢狀TIA的增益曲線族3300。增益在最低頻率處相對平坦。由於圖31所示的opamp的增益效應，隨著頻率增大增益以20dB/十倍頻程的速率滾降。由於opamp和所選第零階TIA的組合效應，隨著頻率繼續增大增益以40dB/十倍頻程的速率下降。
現參考圖34，其中示出了第一階巢狀TIA的電源供應器佈置的功能方塊圖。電源供應器佈置為TIA晶片提供了三個唯一的電壓級別，儘管它為兩個電壓和接地提供了外部連接。雖然圖34示出了連接到圖7的第一階巢狀TIA 700的電源供應器，但是本領域的技術人員可以理解，該電源供應器也可與其他單端和差動第一階巢狀TIA一起使用。類比電源供應器Vdda 與外部連接之一相關聯並向第零階TIA提供電力。在一些實施例中，Vdda 處於約2.5V到3.3V之間。
類比電源供應器Vdda 還向電荷泵模組3400提供電力。電荷泵模組3400還接收來自數位電源供應器Vddd 的電力。Vddd 與外部連接中的第二外部連接相關聯。可將電荷泵模組3400與第一階巢狀TIA加工在同一晶片上。在一些實施例中，Vddd 約為1.2V。在一些實施例中，Vddd 在被施加到電荷泵模組3400之前可被電壓調節器模組3402調節。電荷泵模組3400生成約等於Vdda +Vddd 的第二數位電壓Vdd2 。因此Vdd2 >Vdda 。本領域的技術人員可以瞭解，由於電荷泵模組3400固有的損耗及/或效率低下，Vdd2 並不精確等於 Vdda +Vddd 。
現參考圖35，其中示出了圖35的電源供應器的應用。Vdda 由電池3500提供。電池3500可以是電壓在2.7V到4.2V之間的鋰離子電池。發光二極體(LED)與opamp 710的輸出通信。在一些實施例中，LED具有約3.5V的導通電壓VD 。電荷泵模組3400將來自電池3500的Vdda 添加到Vddd ，以生成用於驅動LED 3502的充足電壓。由於Vddd 一般只提供約1.2V，因此它不能被單獨用來為LED 3502供電。電荷泵模組3400提供來自Vdda 的額外電壓以便向LED提供約3.7V到4.2V，這高於了3.5V VD 。3.7V到4.2V的範圍考慮到了電荷泵模組3400的損耗及/或效率不良，因此並不精確等於Vdda +Vddd 。
本發明還解決了增大TIA的增益帶寬積的需求。增益帶寬積的提高可通過使一個“TIA”與另一個TIA巢狀來實現。換言之，諸如回饋電阻、電容及/或opamp之類的額外電路元件被添加在TIA的輸入方及/或輸出方。
現參考圖36，其中示出了具有內部TIA 3602的巢狀跨阻抗放大器(TIA)電路3600。跨阻抗放大器3602包括第一運算放大器3604和第二運算放大器3606。此圖和接下來的圖中示出的每個運算放大器具有以不存在“o”符號而標識的非反相輸入和非反相輸出，以及由“o”符號標識的反相輸入和反相輸出。跨阻抗放大器3602還包括與非反相輸入和反相輸出通信的第一回饋電阻3608，以及與反相輸入和非反相輸出通信的第二電阻3610。
巢狀跨阻抗放大器3600還包括第三運算放大器3612，該第三運算放大器3612也具有反相輸入和輸出以及非反相輸入和輸出。運算放大器3612具有與放大器3606的非反相輸入通信的反相輸出，以及與放大器3606的反相輸入通信的非反相輸出。
回饋電阻3614與放大器3612的非反相輸出和放大器3604的反相輸出通信。放大器3612的反相輸出與放大器3604的非反相輸出通信。即，電阻3614與放大器3606的反相輸入通信，而電阻3616與放大器3606的非反相輸入通信。
現參考圖37，其中示出了雙巢狀跨阻抗放大器3700。雙巢狀跨阻抗放大器包括圖36的跨阻抗放大器3602和巢狀跨阻抗放大器結構3600。因此 將不再描述這些公共的電路元件。在該實施例中，示出了也具有反相和非反相輸入和輸出的另一個放大器3702。在該實施例中，放大器3702的反相輸出與放大器3612的非反相輸入通信。放大器3702的非反相輸出與放大器3612的反相輸入通信。回饋電阻3704與放大器3702的反相輸出和放大器3612的非反相輸入的公共節點通信。電阻3704還與放大器3604的反相輸出通信。第二回饋電阻3705與放大器3702的非反相輸出和放大器3612的反相輸入之間的公共節點以及放大器3604的非反相輸出通信。
通過提供圖36和圖37中示出的差動和回饋結構，提出了給定巢狀級別的更少的反相。結果是如圖7所示的器件可能進行更高頻率的操作。在這些示例中，巢狀發生在輸出節點處，從而導致隨著巢狀級別增加，輸出失真增強。
現參考圖38，圖36所示的跨阻抗結構3602被用於巢狀TIA 3800中。在該實施例中，運算放大器3802的反相輸入與放大器3604的非反相輸出通信。放大器3802的非反相輸入與放大器3604的反相輸出通信。
另一個放大器3804具有與放大器3606的非反相輸入通信的反相輸出。放大器3804的非反相輸出與放大器3606的反相輸入通信。另一個運算放大器3806具有與放大器3804的非反相輸入通信的反相輸出和與放大器3804的反相輸入通信的非反相輸出。第一回饋電阻3808與放大器3804的反相輸出和放大器3606的非反相輸入之間的公共節點以及放大器3802的反相輸出通信。另一個回饋電阻3810與放大器3804的非反相輸出和放大器3606的反相輸入之間的公共節點以及放大器3802的非反相輸出通信。
回饋電阻3812與放大器3806的非反相輸出和放大器3804的反相輸入之間的公共節點以及放大器3802的反相輸出通信。另一個電阻3814與放大器3806的反相輸出和放大器3804的非反相輸入之間的公共節點以及放大器3802的非反相輸出通信。
可執行不同類型的巢狀以構建更高階的巢狀跨阻抗放大器。放大器3802對於巢狀來說是不重要的。如果電路的輸入是電流而不是電壓，則可能不需要放大器3806。
現參考圖39A和圖39B，其中分別示出了具有容性回饋的差動和單端 跨阻抗放大器。在圖39A中，示出了與圖36的跨阻抗放大器3602類似的差動跨阻抗放大器3900，其具有與電阻3608並聯的第一電容3902和與電阻3610並聯的第二電容3904。在該實施例中，可通過包括電容3902和3904來改善跨阻抗網路的頻率回應或穩定性。可以瞭解，如果需要的話可以用電感來取代電容。
在圖39B中，示出了與圖39A所示的差動組態類似的單端跨阻抗放大器3900’。在圖39B中，以撇號“’”來標記類似的元件。放大器3604’及/或3606’的互電導gm 可為負，並且/或者信號可耦合到放大器3604’及/或3606’的反相輸入。
現參考圖40A和圖40B，在差動和單端跨阻抗放大器的回饋中分別包括了LC儲能電路。在圖40A中，示出了差動跨阻抗放大器4000。在該實施例中，第一運算放大器4002具有與放大器4004的反相輸出通信的非反相輸入。放大器4002的反相輸入與放大器4004的非反相輸出通信。回饋元件4006與放大器4002的非反相輸入和放大器4004的反相輸出的公共節點以及放大器4002的反相輸出通信。類似地，第二回饋元件4008與放大器4002的反相輸入和放大器4004的非反相輸出的公共節點以及放大器4002的非反相輸出通信。
回饋元件4006包括電阻4010以及電阻4012和電感4014的串聯組合。在一些實現方式中，電感4014可以是可變電感。可變電容4016與電感4012和電感4014的串聯組合並聯耦合。該並聯組合與電阻4010串聯耦合。類似地，回饋元件4008以類似的方式組態為具有電阻4020、與電感4024串聯的第二電阻4022以及可變電容4026。
可變電容4016和4026被用於說明LC儲能電路的各種諧振頻率可通過改變電容值來調整。在實際實施例中，可使用設置到所需駐留頻率的固定電容。電路4000可適於用作希望包括超寬頻帶操作(例如50MHz-1GHz)的TV調諧器中的RF放大器。電路通過結合寬帶操作的跨阻抗放大器屬性利用LC儲能，從而使得需要的信號被放大的程度大於不需要的信號。並聯LC儲能電路使得回饋網路在LC儲能電路的諧振頻率下具有高阻抗。
圖40所示的結構也可被巢狀在如上所示的放大器結構中。利用每個後 續的巢狀，只有感興趣的信號頻率被放大，從而使得巢狀行為在LC儲能元件的駐留頻率下有效。因此，巢狀LC儲能電路跨阻抗放大器的選擇性顯著改善，而帶外信號卻沒有被放大。這通過不放大不需要的信號而改善了放大器的失真性能。同時，由於巢狀跨阻抗放大器的性質，帶內信號以極低的失真被放大。
在圖40B中，示出了與圖40A所示的差動組態類似的單端跨阻抗放大器4000’。在圖40B中，以撇號“’”來標記類似的元件。放大器4002’及/或4004’的互電導gm 可為負，並且/或者信號可耦合到放大器4002’及/或4004’的反相輸入。
現參考圖41A和圖41B，其中分別示出了差動和單端跨阻抗放大器的另一實施例的概要圖。在圖41A中，示出了使用LC電路的差動跨阻抗放大器4100中。在該實施例中，第一運算放大器4102與第二放大器4104通信。放大器4104的反相輸出與放大器4102的非反相輸入通信。放大器4104的非反相輸出與放大器4102的反相輸入通信。第一LC電路4106與放大器4102的非反相輸入和放大器4102的反相輸出通信。第二LC電路4108與放大器4102的反相輸入和非反相輸出通信。
LC電路4106包括與電阻4112串聯的電感4110。LC電路4106還包括與電阻4116串聯的電容4114。電容4114和電阻4116的串聯組合與電感4110和電阻4112的串聯組合並聯。
LC電路4108是以類似於LC電路4106的方式組態的。LC電路4108包括與電阻4122串聯的電感4120。電容4124與電阻4126串聯。電感4120和電阻4122的串聯結合與電容4124和電阻4126的串聯結合並聯。
通過如圖40所示提供與LC儲能電路並聯的電阻，或者向電感和電容都添加電阻，可避免電路的振盪。與圖40相比，額外的電阻防止了在高頻率下放大器的極性變化。這被用來防止巢狀跨阻抗結構內的回饋操作。
在圖41B中，示出了與圖41A所示的差動組態類似的單端跨阻抗放大器4100’。在圖41B中，以撇號“’”來標記類似的元件。放大器4102’及/或4104’的互電導gm 可為負，並且/或者信號可耦合到放大器4102’及/或4104’的反相輸入。
現參考圖42，其中示出了利用巢狀跨阻抗放大器形成的積分器4200。該實施例與圖37所示的雙巢狀跨阻抗放大器相同，只不過電阻3704和3705已被電容4202和4204所取代。
由於跨阻抗組態，積分器4200具有高帶寬。即使在高頻率下，阻抗輸出也很低。由於低輸出阻抗，積分器4200可用于驅動大容性負載。積分器4200的一個應用可為以千兆赫的採樣頻率工作的Sigma-Delta類比-至-數位轉換器。
現參考圖43A-43G，其中示出了本發明的各種典型實現方式。現參考圖43A，本發明可實現在硬碟驅動器(HDD)4300的放大器及/或積分器中。本發明可實現及/或被實現在信號處理及/或控制電路中的任何一個或兩者(在圖43A中將其統一標識為4302)以及/或者電源供應器4303之中。在一些實現方式中，HDD 4300中的信號處理及/或控制電路4302及/或其他電路(未圖示)可處理資料、執行編碼及/或加密、執行計算、對輸出到及/或接收自磁儲存媒體4306的資料進行格式化。
HDD 4300可以經由一條或多條有線或無線通信連接4308與諸如電腦這樣的主機裝置(未圖示)、諸如個人數位助理、行動電話、媒體或MP3播放器之類的移動計算裝置及/或其他裝置通信。HDD 4300可連接到記憶體4309，例如隨機訪問記憶體(RAM)、諸如快閃記憶體這樣的低等待時間非揮發性記憶體、唯讀記憶體(ROM)及/或其他合適的電子資料儲存體。
現參考圖43B，本發明可實現在數位多功能碟(DVD)驅動器4310的放大器及/或積分器中。本發明可實現及/或被實現在信號處理及/或控制電路中的任何一個或兩者(在圖43B中將其統一標識為4312)、DVD驅動器4310的大容量資料儲存裝置以及/或者電源供應器4313中。DVD 4310中的信號處理及/或控制電路4312及/或其他電路(未圖示)可處理資料、執行編碼及/或加密、執行計算、對讀取自及/或寫入到光儲存媒體4316的資料進行格式化。在一些實施例中，DVD 4310中的信號處理及/或控制電路4312及/或其他電路(未圖示)還可執行諸如編碼及/或解碼之類的其他功能以及/或者與DVD驅動器相關聯的任何其他信號處理功能。
DVD驅動器4310可以經由一條或多條有線或無線通信連接4317與諸 如電腦、電視或其他裝置之類的輸出裝置(未圖示)通信。DVD 4310可與以非揮發方式儲存資料的大容量資料儲存裝置4318通信。大容量資料儲存裝置4318可包括硬碟驅動器(HDD)。HDD可具有圖43A所示的組態。HDD可以是包括一個或多個直徑小於約1.8”的碟片的袖珍HDD。DVD 4310可連接到記憶體4319，例如RAM、ROM、諸如快閃記憶體這樣的低等待時間非揮發性記憶體及/或其他合適的電子資料儲存體。
現參考圖43C，本發明可實現在高畫質電視(HDTV)4320的放大器及/或積分器中。本發明可實現及/或被實現在信號處理及/或控制電路中的任何一個或兩者(在圖43C中將其統一標識為4322)、WLAN介面、HDTV 4320的大容量資料儲存裝置以及/或者電源供應器4323中。HDTV 4320接收有線或無線格式的HDTV輸入信號，並生成用於顯示器4326的HDTV輸出信號。在一些實現方式中，HDTV 4320中的信號處理及/或控制電路4322及/或其他電路(未圖示)可處理資料、執行編碼及/或加密、執行計算、格式化資料及/或執行可能需要的任何其他類型的HDTV處理。
HDTV 4320可與諸如光及/或磁儲存裝置這類的以非揮發方式儲存資料的大容量資料儲存裝置4327通信。至少一個HDD可具有圖43A所示的組態，並且/或者至少一個DVD可具有圖43B所示的組態。HDD可以是包括一個或多個直徑小於約1.8”的碟片的袖珍HDD。HDTV 4320可連接到記憶體4328，例如RAM、ROM、諸如快閃記憶體這樣的低等待時間非揮發性記憶體及/或其他合適的電子資料儲存體。HDTV 4320還可支援經由WLAN網路介面4329與WLAN的連接。
現參考圖43D，本發明可實現及/或被實現在車輛4330的控制系統的放大器及/或積分器、WLAN介面、車輛控制系統的大容量資料儲存裝置及/或電源供應器4333中。在一些實現方式中，本發明實現了動力傳動系控制系統4332，該系統接收來自一個或多個感測器的輸入並且/或者生成一個或多個輸出控制信號，該感測器例如是溫度感測器，壓力感測器、轉動感測器、氣流感測器及/或任何其他合適的感測器，該輸出控制信號例如是引擎操作參數、傳動裝置操作參數及/或其他控制信號。
本發明也可實現在車輛4330的其他控制系統4340中。控制系統4340 可類似地接收來自輸入感測器4342的信號及/或將控制信號輸出到一個或多個輸出裝置4344。在一些實現方式中，控制系統4340可以是防鎖死煞車系統(ABS)、導航系統、車用資訊通信系統、車輛之車用資訊通信系統、車道偏離系統、自適應性巡航控制系統、諸如身歷聲音響、DVD、光碟機之類的車輛娛樂系統的一部分。還構思了其他實現方式。
動力傳動系控制系統4332可與以非揮發方式儲存資料的大容量資料儲存裝置4346通信。大容量資料儲存裝置4346可包括光及/或磁儲存裝置，例如硬碟驅動器HDD及/或DVD。至少一個HDD可具有圖43A所示的組態，並且/或者至少一個DVD可具有圖43B所示的組態。HDD可以是包括一個或多個直徑小於約1.8”的碟片的袖珍HDD。動力傳動系控制系統4332可以連接到記憶體4347，例如RAM、ROM、諸如快閃記憶體這樣的低等待時間非揮發性記憶體及/或其他合適的電子資料儲存體。動力傳動系控制系統4332還可支援經由WLAN網路介面4348與WLAN的連接。控制系統4340還可包括大容量資料儲存裝置、記憶體及/或WLAN介面(均未圖示)。
現參考圖43E，本發明可實現在可包括行動天線4351的行動電話4350的放大器及/或放大器中。本發明可實現及/或被實現在信號處理及/或控制電路中的任何一個或兩者(在圖43E中將其統一標識為4352)、WLAN介面、行動電話4350的大容量資料儲存裝置及/或電源供應器4353中。在一些實現方式中，行動電話4350包括麥克風4356、音頻輸出4358、顯示器4360及/或輸入裝置4362，該音頻輸出例如是揚聲器及/或音頻輸出插孔，該輸入裝置例如是鍵盤、指標裝置、語音致動及/或其他輸入裝置。行動電話4350中的信號處理及/或控制電路4352及/或其他電路(未圖示)可處理資料、執行編碼及/或加密、執行計算、格式化資料及/或執行其他行動電話功能。
行動電話4350可與大容量資料儲存裝置4364通信，該大容量資料儲存裝置4364例如是光及/或磁儲存裝置(例如硬碟驅動器HDD及/或DVD)，其以非揮發方式儲存資料。至少一個HDD可具有圖43A所示的組態，並且/或者至少一個DVD可具有圖43B所示的組態。HDD可以是包括一個或多個直徑小於約1.8”的碟片的袖珍HDD。行動電話4350可以連接 到記憶體4366，例如RAM、ROM、諸如快閃記憶體這樣的低等待時間非揮發性記憶體及/或其他合適的電子資料儲存體。行動電話4350還可支援經由WLAN網路介面4368與WLAN的連接。
現參考圖43F，本發明可實現在機頂盒4380的放大器及/或積分器中。本發明可實現及/或被實現在信號處理及/或控制電路中的任何一個或兩者(在圖43F中將其統一標識為4384)、WLAN介面、機頂盒4380的大容量資料儲存裝置及/或電源供應器4383中。機頂盒4380接收來自諸如寬帶源這樣的源的信號並輸出適用於顯示器4388的標準及/或高清晰度音頻/視頻信號，該顯示器例如是電視機及/或監視器及/或其他視頻及/或音頻輸出裝置。機頂盒4380的信號處理及/或控制電路4384及/或其他電路(未圖示)可處理資料、執行編碼及/或加密、執行計算、格式化資料及/或執行其他機頂盒功能。
機頂盒4380可與以非揮發方式儲存資料的大容量資料儲存裝置4390通信。大容量資料儲存裝置4390可包括光及/或磁儲存裝置，例如硬碟驅動器HDD及/或DVD。至少一個HDD可具有圖43A所示的組態，並且/或者至少一個DVD可具有圖43B所示的組態。HDD可以是包括一個或多個直徑小於約1.8”的碟片的袖珍HDD。機頂盒4380可以連接到記憶體4394，例如RAM、ROM、諸如快閃記憶體這樣的低等待時間非揮發性記憶體及/或其他合適的電子資料儲存體。機頂盒4380還可支援經由WLAN網路介面4396與WLAN的連接。
現參考圖43G，本發明可實現在媒體播放器4400的放大器及/或積分器中。本發明可實現及/或被實現在信號處理及/或控制電路中的任何一個或兩者(在圖43G中將其統一標識為4404)、WLAN介面、媒體播放器4400的大容量資料儲存裝置及/或電源供應器4413中。在一些實現方式中，媒體播放器4400包括顯示器4407及/或諸如鍵盤、觸摸板之類的用戶輸入4408。在一些實現方式中，媒體播放器4400可採用圖形用戶介面(GUI)，該圖形用戶介面通常採用經由顯示器4407及/或用戶輸入4408的功能表、下拉功能表、圖示及/或指向點擊介面。媒體播放器4400還包括音頻輸出4409，例如揚聲器及/或音頻輸出插孔。媒體播放器4400的信號處理及/或 控制電路4404及/或其他電路(未圖示)可處理資料、執行編碼及/或加密、執行計算、格式化資料及/或執行其他媒體播放器功能。
媒體播放器4400可與以非揮發方式儲存壓縮音頻及/或視頻內容的大容量資料儲存裝置4410通信。在一些實現方式中，壓縮音頻文件包括遵循MP3格式或其他合適的壓縮音頻及/或視頻格式的文件。大容量資料儲存裝置可包括光及/或磁儲存裝置，例如硬碟驅動器HDD及/或DVD。至少一個HDD可具有圖43A所示的組態，並且/或者至少一個DVD可具有圖43B所示的組態。HDD可以是包括一個或多個直徑小於約1.8”的碟片的袖珍HIDD。媒體播放器4400可以連接到記憶體4414，例如RAM、ROM、諸如快閃記憶體這樣的低等待時間非揮發性記憶體及/或其他合適的電子資料儲存體。媒體播放器4400還可支援經由WLAN網路介面4416與WLAN的連接。除上述實現方式外，還構思了其他實現方式。
現參考圖44，其中示出了Sigma Delta類比-至-數位轉換器(ADC)模組4510。Sigma Delta ADC模組4510包括接收類比輸入信號的差動放大器模組4514。差動放大器模組4514的輸出被輸入到積分器模組4518。積分器模組4518的輸出是比較器模組4520的一個輸入。比較器模組4520的另一輸入可連接到參考電勢，比如接地。比較器模組4520的輸出被輸入到濾波器和抽選器模組4524，該濾波器和抽選器模組4524輸出數位信號。比較器模組4520的輸出被輸入到數位-至-類比轉換器(DAC)模組4528。DAC模組4528可以是一比特DAC。DAC模組4528的輸出被輸入到差動放大器模組4514的反相輸入。
在使用時，DAC模組4528的輸出被從輸入信號中減去。所得到的信號被積分器模組4518積分。積分器輸出電壓被比較器模組4520轉換成單比特數位輸出(1或0)。所得到的比特變成了DAC模組4528的輸入。此閉環過程可以以非常高的過採樣率進行。比較器模組輸出的數位資料是1和0的流，並且信號的值與比較器模組輸出的1的密度成比例。對於增大的值，1的密度增大。對於減小的值，1的密度減小。通過對誤差電壓求和，積分器對輸入信號充當低通濾波器，而對量化雜訊充當高通濾波器。位元流被濾波器和抽選器模組數位濾波，以提供二進位格式的輸出。
可以瞭解，上述實施例中描述的TIA放大器可用於實現Sigma Delta DAC模組中的差動放大器模組、積分器模組和比較模組中的一個或多個。
由以上說明熟習此技術人士瞭解，可以各種方式以執行本發明所揭示廣泛內容。因此，雖然本發明以其特殊例如說明，但所揭示之真實範圍並不受限於此，因為在研讀圖式、說明書、以及以下申請專利範圍後，則其他修正對於熟習此技術人士為明顯。
100‧‧‧跨阻抗放大器
105‧‧‧運算放大器
110‧‧‧電阻器
115‧‧‧電流
120‧‧‧電壓
205‧‧‧電流源
210‧‧‧電晶體
300‧‧‧跨阻抗放大器
305‧‧‧輸入電壓
310‧‧‧輸出電壓
315‧‧‧電阻器
320‧‧‧電晶體
400‧‧‧跨阻抗放大器
405‧‧‧輸入電壓
410‧‧‧輸出電壓
415‧‧‧第二運算放大器
420‧‧‧電阻器
425‧‧‧運算放大器
500‧‧‧跨阻抗放大器
502‧‧‧運算放大器
504‧‧‧運算放大器
505‧‧‧輸入
510‧‧‧第二輸入
514‧‧‧回饋電阻器
516‧‧‧回饋電阻器
600‧‧‧光學感測器電路
605‧‧‧光敏二極體
610‧‧‧電流
700‧‧‧第一階巢狀跨阻抗放大器
705‧‧‧跨阻抗放大器
710‧‧‧運算放大器
715‧‧‧回饋電阻器
720‧‧‧電容器
800‧‧‧第二階巢狀跨阻抗放大器
805‧‧‧運算放大器
810‧‧‧運算放大器
815‧‧‧回饋電阻器
900‧‧‧第三階巢狀跨阻抗放大器
905‧‧‧運算放大器
910‧‧‧運算放大器
915‧‧‧回饋電阻器
1000‧‧‧第一階巢狀跨阻抗放大器
1002‧‧‧運算放大器
1006‧‧‧回饋電阻器
1008‧‧‧回饋電阻器
1100‧‧‧第n階巢狀跨阻抗放大器
1104‧‧‧運算放大器
1108‧‧‧運算放大器
1112‧‧‧回饋電阻器
1114‧‧‧回饋電阻器
2010‧‧‧回饋電阻
2110‧‧‧回饋電阻
2310‧‧‧回饋電阻
2410‧‧‧第一回饋電阻
2412‧‧‧第二回饋電阻
2500‧‧‧碟驅動系統
2510‧‧‧碟驅動寫電路
2514‧‧‧寫碟驅動器
2516‧‧‧碟驅動讀電路
2518‧‧‧前置放大器電路
2520‧‧‧巢狀跨阻抗放大器
2600‧‧‧第一電晶體
2602‧‧‧第二電晶體
2604‧‧‧第一電流源
2610‧‧‧第二電流源
2700‧‧‧第一電晶體
2702‧‧‧第二電晶體
2704‧‧‧第一電流源
2706‧‧‧第三電晶體
2708‧‧‧第四電晶體
2710‧‧‧第二電流源
2712‧‧‧第三電流源
3100‧‧‧增益曲線
3200‧‧‧增益曲線族
3300‧‧‧增益曲線族
3400‧‧‧電荷泵模組
3402‧‧‧電壓調節器模組
3500‧‧‧電池
3502‧‧‧驅動發光二極體
3600‧‧‧巢狀跨阻抗放大器電路
3602‧‧‧跨阻抗放大器
3604‧‧‧第一運算放大器
3604’‧‧‧放大器
3606‧‧‧第二運算放大器
3606’‧‧‧放大器
3608‧‧‧第一回饋電阻
3610‧‧‧第二電阻
3612‧‧‧第三運算放大器
3614‧‧‧電阻
3616‧‧‧電阻
3700‧‧‧雙巢狀跨阻抗放大器
3702‧‧‧放大器
3704‧‧‧回饋電阻
3705‧‧‧第二回饋電阻
3800‧‧‧巢狀跨阻抗放大器
3802‧‧‧運算放大器
3804‧‧‧放大器
3806‧‧‧運算放大器
3808‧‧‧第一回饋電阻
3810、3812‧‧‧回饋電阻
3814‧‧‧電阻
3900‧‧‧差動跨阻抗放大器
3900’‧‧‧單端跨阻抗放大器
3902‧‧‧第一電容
3904‧‧‧第二電容
4000‧‧‧差動跨阻抗放大器
4000’‧‧‧單端跨阻抗放大器
4002‧‧‧第一運算放大器
4002’‧‧‧放大器
4004‧‧‧放大器
4004’‧‧‧放大器
4006‧‧‧回饋元件
4008‧‧‧第二回饋元件
4010‧‧‧電阻
4012‧‧‧電阻
4014‧‧‧電感
4016‧‧‧可變電容
4020‧‧‧電阻
4022‧‧‧第二電阻
4024‧‧‧電感
4026‧‧‧可變電容
4100‧‧‧差動跨阻抗放大器
4100’‧‧‧單端跨阻抗放大器
4102‧‧‧第一運算放大器
4102’‧‧‧放大器
4104‧‧‧第二放大器
4104’‧‧‧放大器
4106‧‧‧第一LC電路
4108‧‧‧第二LC電路
4110‧‧‧電感
4112‧‧‧電阻
4114‧‧‧電容
4116‧‧‧電阻
4120‧‧‧電感
4122、4126‧‧‧電阻
4124‧‧‧電容
4200‧‧‧積分器
4204‧‧‧電容
4300‧‧‧硬碟驅動器
4303‧‧‧電源供應器
4306‧‧‧磁儲存媒體
4308‧‧‧有線或無線通信連接
4309‧‧‧記憶體
4310‧‧‧數位多功能碟(DVD)驅動器
4312‧‧‧信號處理及/或控制電路
4313‧‧‧電源供應器
4316‧‧‧光儲存媒體
4317‧‧‧有線或無線通信連接
4318‧‧‧大容量資料儲存裝置
4319‧‧‧記憶體
4320‧‧‧高畫質電視
4322‧‧‧信號處理及/或控制電路
4323‧‧‧電源供應器
4326‧‧‧顯示器
4327‧‧‧大容量資料儲存裝置
4328‧‧‧記憶體
4329‧‧‧WLAN網路介面
4330‧‧‧車輛
4332‧‧‧動力傳動控制系統
4333‧‧‧電源供應器
4340‧‧‧控制系統
4342‧‧‧輸入感測器
4344‧‧‧輸出裝置
4346‧‧‧大容量資料儲存裝置
4347‧‧‧記憶體
4348‧‧‧WLAN網路介面
4350‧‧‧行動電話
4351‧‧‧行動天線
4352‧‧‧信號處理及/或控制電路
4353‧‧‧電源供應器
4356‧‧‧麥克風
4358‧‧‧音頻輸出
4360‧‧‧顯示器
4362‧‧‧輸入裝置
4364‧‧‧大容量資料儲存裝置
4366‧‧‧記憶體
4368‧‧‧WLAN網路介面
4380‧‧‧機頂盒
4383‧‧‧電源供應器
4384‧‧‧信號處理及/或控制電路
4388‧‧‧顯示器
4390‧‧‧大容量資料儲存裝置
4394‧‧‧記憶體
4396‧‧‧WLAN網路介面
4400‧‧‧媒體播放器
4404‧‧‧信號處理及/或控制電路
4407‧‧‧顯示器
4408‧‧‧用戶輸入
4409‧‧‧音頻輸出
4410‧‧‧大容量資料儲存裝置
4413‧‧‧電源供應器
4414‧‧‧記憶體
4416‧‧‧WLAN網路介面
4510‧‧‧Sigma-Delta類比-至-數位轉換器模組
4514‧‧‧差動放大器模組
4518‧‧‧積分器模組
4520‧‧‧比較器模組
4524‧‧‧濾波器和抽選器模組
4528‧‧‧數位-至-類比轉換器模組
圖1和圖2為根據習知技術的電流到電壓TIA的基本電路結構；圖3和圖4為根據習知技術的電壓到電壓TIA的基本電路結構；圖5為根據習知技術的TIA的差動組態的基本電路體系結構；圖6顯示根據習知技術的包括耦合到TIA的光敏二極體的光學感測器；圖7為根據本發明的第一階巢狀TIA；圖8為根據本發明的第二階巢狀TIA；圖9為根據本發明的第n階巢狀TIA；圖10為根據本發明的差動組態的第一階巢狀TIA；圖11為根據本發明的差動組態的第n階巢狀TIA；圖12為TIA的典範增益帶寬特性的圖；圖13為第一階巢狀TIA的典範增益帶寬特性的圖式；圖14為第二階巢狀TIA的典範增益帶寬特性的圖式；圖15為根據本發明的具有輸入寄生電容的容性消去的第一階巢狀TIA；圖16為根據本發明的具有輸入寄生電容的容性消去的第二階巢狀TIA；圖17為根據本發明的具有輸入寄生電容的容性消去的第n階巢狀TIA；圖18為根據本發明的具有輸入寄生電容的容性消去的差動組態的第一階巢狀TIA；圖19為根據本發明的具有輸入寄生電容的容性消去的差動組態的第二階巢狀TIA； 圖20說明具有額外回饋電阻的圖7的第一階巢狀TIA；圖21說明具有額外回饋電阻的圖7的第二階巢狀TIA；圖22說明具有額外回饋電阻的圖15的第一階巢狀TIA；圖23說明具有額外輸入電容、回饋電容和回饋電阻的圖7的第一階巢狀TIA；圖24說明具有額外輸入電容、回饋電容和回饋電阻的圖10的第一階差動模式TIA；圖25說明包括具有根據本發明的巢狀TIA的前置放大器的示例性碟驅動系統；圖26說明包括第一組態的opamp的圖7的第一階巢狀TIA；圖27說明包括第一組態的差動opamp的圖10的差動第一階巢狀TIA；圖28說明包括第二組態的opamp的圖26的第一階巢狀TIA；圖29說明包括第二組態的差動opamp的圖27的差動第一階巢狀TIA；圖30說明包括推挽組態的差動opamp的的圖10的差動第一階巢狀TIA；圖31-33顯示巢狀TIA的第一級和第二級的增益曲線族；圖34顯示巢狀TIA的電源供應器的功能方塊圖；圖35說明使用圖34的電源供應器的典範LED驅動電路；圖36為根據本發明的一個觀點的差動單巢狀跨阻抗放大器的簡化概要圖；圖37為根據本發明的第二實施例的差動雙巢狀跨阻抗放大器的簡化概要圖；圖38為根據本發明的第三實施例巢狀的差動放大器的簡化概要圖；圖39A和圖39B分別為在回饋環中具有補償電容器的差動和單端跨阻抗放大器的概要圖；圖40A和圖40B分別為具有LC儲能電路的差動和單端巢狀跨阻抗放大器的概要圖；圖41A和圖41B為根據本發明分別在回饋環中具有LC儲能電路和電阻器的差動和單端跨阻抗放大器的概要圖； 圖42為具有LC儲能電路的跨阻抗放大器的替換實施例的概要圖；圖43A為硬碟驅動器的功能方塊圖；圖43B為數位多功能碟(DVD)的功能方塊圖；圖43C為高畫質電視的功能方塊圖；圖43D為車輛控制系統的功能方塊圖；圖43E為行動電話的功能方塊圖；圖43F為機頂盒的功能方塊圖；圖43G為媒體播放器的功能方塊圖；以及圖44為Delta-Sigma類比-至-數位轉換器(ADC)的功能方塊圖。
3600‧‧‧巢狀跨阻抗放大器電路
3602‧‧‧跨阻抗放大器
3604‧‧‧第一運算放大器
3606‧‧‧第二運算放大器
3608‧‧‧第一回饋電阻
3610‧‧‧第二電阻
3612‧‧‧第三運算放大器
3614‧‧‧電阻
3616‧‧‧電阻

Claims (8)

  1. 一種差動跨阻抗放大器電路，包括：具有第一反相輸入、第一非反相輸入、第一反相輸出和第一非反相輸出的第一運算放大器；具有第二反相輸入、第二非反相輸入、第二反相輸出和第二非反相輸出的第二運算放大器，其中該第二反相輸出與該第一非反相輸入通信，並且該第二非反相輸出與該第一反相輸入通信；具有第三反相輸入、第三非反相輸入、第三反相輸出和第三非反相輸出的第三運算放大器，其中該第二反相輸入與該第三非反相輸出通信，並且該第二非反相輸入與該第三反相輸出通信；具有第四反相輸入、第四非反相輸入、第四反相輸出和第四非反相輸出的第四運算放大器，其中該第四反相輸出與該第三非反相輸出通信，並且該第四非反相輸出與該第三反相輸入通信；與該第二非反相輸入和該第二反相輸出通信的第一回饋元件；與該第二反相輸入和該第二非反相輸出通信的第二回饋元件；與該第三非反相輸入和該第一反相輸出通信的第三回饋元件；與該第三反相輸入和該第一非反相輸出通信的第四回饋元件；與該第四反相輸入和該第一反相輸出通信的第五回饋元件；以及與該第四非反相輸出和該第一非反相輸出通信的第六回饋元件。
  2. 如申請專利範圍第1項之差動跨阻抗放大器電路，其中該第一和第二回饋元件分別包括第一和第二電阻。
  3. 如申請專利範圍第1項之差動跨阻抗放大器電路，其中該第三和第四回饋元件分別包括第一和第二電阻。
  4. 如申請專利範圍第1項之差動跨阻抗放大器電路，其中該第五和第六回饋元件分別包括第一和第二電阻。
  5. 一種Sigma-Delta類比-至-數位轉換器，包括如申請專利範圍第1項之差動跨阻抗放大器電路。
  6. 如申請專利範圍第5項之Sigma-Delta類比-至-數位轉換器，更包括：包括一個接收輸入信號的輸入的差動放大器模組；與該差動放大器模組的輸出通信的積分器模組；接收該積分器模組的輸出的比較器模組；以及與該比較器模組的輸出和該差動放大器模組的另一輸入通信的數位-至-類比轉換器模組。
  7. 如申請專利範圍第6項之Sigma-Delta類比-至-數位轉換器，更包括接收該比較器模組的輸出的濾波器和抽選模組。
  8. 如申請專利範圍第6項之Sigma-Delta類比-至-數位轉換器，其中該差動放大器模組、該積分器模組和該比較器模組中的至少一個包括該差動跨阻抗放大器電路。
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