TWI690151B - 高度線性轉導放大器及其方法 - Google Patents

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Abstract

一電路包含：一第一共源極放大器，用來接收於一第一閘極節點的一第一電壓，並依據於一第一源極節點的一第一源極電壓，輸出一第一電流至一第一汲極節點；一第二共源極放大器，用來接收於一第二閘極節點的一第二電壓，並依據於一第二源極節點的一第二源極電壓，輸出一第二電流至一第二汲極節點；一第一二極體連接式元件，用來將該第一源極節點耦接至一直流節點；一第二二極體連接式元件，用來將該第二源極節點耦接至該直流節點；以及一源極退化態電阻，插設於該第一源極節點與該第二源極節點之間。

Description

高度線性轉導放大器及其方法
本發明通常而言是關於轉導放大器，更明確地說，是關於能夠達成高線性度而不具大寄生電容的轉導放大器。
傳統轉導放大器接收一電壓訊號並據以輸出一電流訊號。理想上，該電壓訊號的一增量變化，會導致該電流訊號之一成比例的增量變化。值得注意的是，於一差動訊號式的實施例中，一電壓訊號包含一第一電壓與一第二電壓，而一電流訊號包含一第一電流與一第二電流。如圖1所示，於一差動訊號式的實施例中，一先前技術之轉導放大器100包含：一第一NMOS（n通道金氧半導體）電晶體111，用來接收一第一電壓 V p 並輸出一第一電流 I p ； 以及一第二NMOS電晶體112，用來接收一第二電壓 V n 並輸出一第二電流 I n 。 上述說明中， V p 與 V n 共同地定義一電壓訊號，以及 I p 與 I n 共同地定義一電流訊號。 I p 與 I n 是由一負載120接收；負載120包含一第一電阻121與一第二電阻122分別用來接收 I p 與 I n 。本說明書中，“ V DD ”代表一電源供應節點。
先前技術之轉導放大器像是轉導放大器100有個問題是：線性度通常不佳，除非該二NMOS電晶體111、112具有較長的通道長度。然而，若該二NMOS電晶體111、112採用較長的通道長度，這會導致一大寄生電容，並會不利地限制轉導放大器100的速度。
鑑於上述，本技術領域需要一種轉導放大器，能夠達成高線性度而不具大寄生電容。
本發明之一目的在於提供一電路與一方法，以避免先前技術的問題。
於本發明的一實施例中，本發明的電路包含：一第一共源極放大器，用來接收於一第一閘極節點的一第一電壓，並依據於一第一源極節點的一第一源極電壓，輸出一第一電流至一第一汲極節點；一第二共源極放大器，用來接收於一第二閘極節點的一第二電壓，並依據於一第二源極節點的一第二源極電壓，輸出一第二電流至一第二汲極節點；一第一二極體連接式元件，用來將該第一源極節點耦接至一直流節點；一第二二極體連接式元件，用來將該第二源極節點耦接至該直流節點；以及一源極退化態電阻，插設於該第一源極節點與該第二源極節點之間。
於本發明的一實施例中，本發明的方法包含下列步驟：利用一第一共源極放大器，以接收於一第一閘極節點的一第一電壓，並依據於一第一源極節點的一第一源極電壓，輸出一第一電流至一第一汲極節點；利用一第二共源極放大器，以接收於一第二閘極節點的一第二電壓，並依據於一第二源極節點的一第二源極電壓，輸出一第二電流至一第二汲極節點；使用一第一二極體連接式元件，以將該第一源極節點耦接至一直流節點；使用一第二二極體連接式元件，以將該第二源極節點耦接至該直流節點；以及使用一源極退化態電阻，以將該第一源極節點耦接至該第二源極節點。
有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作較佳實施例詳細說明如下。
本發明是關於轉導放大器（transconductance amplifiers）。儘管本說明書揭示了本發明的多個實施例可視為實施本發明的較佳範例，但本發明可藉由多種方式被實施，不限於後述的特定範例，也不限於用來實現該些特定範例之技術特徵的特定方式。此外，已知細節未被顯示或說明，以避免妨礙本發明之觀點的呈現。
本技術領域具有通常知識者可瞭解本揭露所使用的與微電子相關的用語及基本概念，像是「節點（電路節點）」、「訊號」、「電壓」、「電流」、「直流（direct current, DC）」、「轉導」、「放大器」、「差動訊號」、「寄生電容」、「電阻」、「CMOS（互補式金氧半導體）」、「PMOS（P通道金氧半導體）電晶體」、「NMOS（N通道金氧半導體）電晶體」、「通道長度」、「阻抗」、「共源極放大器」、以及「源極退化（source degeneration）」。諸如上述用語及基本概念者對本領域具有通常知識者而言是顯而易知的，故它們的細節於此不再贅述。本領域具有通常知識者當能識別PMOS電晶體與NMOS電晶體的符號，並能辨識該些電晶體的「源極」、「閘極」、與「汲極」。
本揭露的表達是基於工程觀點。舉例來說，「X等於Y」表示「X與Y之間的差異小於一特定的工程誤差」，「X實質小於Y」表示「X與Y之間的比例小於一特定的工程誤差」。
本揭露是以差動訊號的作法為例，其中一電壓訊號包含一第一電壓與一第二電壓，而一電流訊號包含一第一電流與一第二電流。
圖2A依據本發明之一實施例顯示一電路200A的示意圖。電路200A包含：一第一共源極放大器CSA1包含一第一NMOS（n通道金氧半導體）電晶體NM1；一第二共源極放大器CSA2包含一第二NMOS電晶體NM2；一第一二極體連接式元件（diode-connected device）DCD1包含一第三NMOS電晶體NM3是按一二極體連接型態被設置；一第二二極體連接式元件DCD2包含一第四NMOS電晶體NM4是按一二極體連接型態被設置；以及一源極退化態電阻SDR1。該NMOS電晶體NM1的源極、閘極、與汲極分別連接一第一源極節點SN1、一第一閘極節點GN1、以及一第一汲極節點DN1；該NMOS電晶體NM2的源極、閘極、與汲極分別連接一第二源極節點SN2、一第二閘極節點GN2、以及一第二汲極節點DN2；該第三NMOS電晶體NM3的源極與汲極分別連接至地與該第一源極節點SN1；以及該NMOS電晶體NM4的源極與汲極分別連接至地與該第二源極節點SN2；以及該源極退化態電阻SDR1是置於該第一源極節點SN1與該第二源極節點SN2之間。
於圖2A的實施例中，一二極體連接式元件是一MOS（金氧半導體）元件，該MOS元件按一型態被設置，其閘極與汲極是相連的。該第一共源極放大器CSA1接收於該第一閘極節點GN1的一第一電壓 V 1，並依據於該第一源極節點SN1的一第一源極電壓 V S 1所提供的一源極退化作用（source degeneration），輸出一第一電流 I 1至該第一汲極節點DN1。該第二共源極放大器CSA2接收於該第二閘極節點GN2的一第二電壓 V 2，並依據於該第二源極節點SN2的一第二源極電壓 V S 2所提供的一源極退化作用，輸出一第二電流 I 2至該第二汲極節點DN2。該第一二極體連接式元件DCD1使得該第一源極節點SN1具有一有限阻抗，以滿足一源極退化功能，藉此線性化該第一共源極放大器CSA1；而該第二二極體連接式元件DCD2使得該第二源極節點SN2具有一有限阻抗，以滿足一源極退化功能，藉此線性化該第二共源極放大器CSA2。當該第一電壓 V 1上升（下降），該第一NMOS電晶體NM1會傳導更多（更少）電流，因此導致該第一電流 I 1的增加（減少），這會使該第一源極電壓 V S 1上升（下降），從而緩和了該第一電流 I 1的增加（減少）；據上所述，該第一共源極放大器CSA1的線性度獲得改善。同樣的道理適用於該第二共源極放大器CSA2。
就結果而言，該第一NMOS電晶體NM1與該第二NMOS電晶體NM2無需具備長通道長度，從而不會有大寄生電容，但是該第一共源極放大器CSA1與該第二共源極放大器CSA2仍能具備高線性度。然而，當 V S 1（ V S 2）較高時，該第一（第二）二極體連接式元件DCD1（DCD2）的阻抗變得較小，這使得該第一（第二）二極體連接式元件DCD1（DCD2）所提供之源極退化作用的效果不彰。為解決上述問題，該源極退化式電阻SDR1被採用。該源極退化式電阻SDR1提供一分流路徑位於該第一源極節點SN1與該第二源極節點SN2之間，以避免 V S 1或 V S 2變得過高，從而避免該第一二極體連接式元件DCD1或該第二二極體連接式元件DCD2所提供的源極退化作用變得無效。
前述電路200A進一步包含一負載220，負載220用來分別經由該第一汲極節點DN1與該第二汲極節點DN2接收該第一電流 I 1與該第二電流 I 2。於一非限制性的範例中，負載220包含一第一負載電阻221與一第二負載電阻222，用來分別經由該第一汲極節點DN1與該第二汲極節點DN2接收該第一電流 I 1與該第二電流 I 2。本說明書中，“ V DD ”代表一電源供應節點。
圖2B依據本發明之一替代實施例顯示一替代電路200B的示意圖。替代電路200B大致上同於圖2A的電路200A，兩者間的差異在於：圖2A中電路200A的第一二極體連接式元件DCD1於圖2B中是由一第一替代二極體連接式元件DCD1a所取代；以及圖2A中電路200A的第二二極體連接式元件DCD2於圖2B中是由一第二替代二極體連接式元件DCD2a所取代。該第一替代二極體連接式元件DCD1a包含一第一PMOS（p通道金氧半導體）電晶體PM1是按一二極體連接型態被設置，而該第二替代二極體連接式元件DCD2a包含一第二PMOS電晶體PM2是按一二極體連接型態被設置。該第一PMOS電晶體PM1的源極與汲極分別連接該第一源極節點SN1與連接至地；該第二PMOS電晶體PM2的源極與汲極分別連接該第二源極節點SN2與連接至地。
值得注意的是，一電源供應節點像是“ V DD ”是被視為一直流節點，這是因為一電源供應節點的電壓實質上是不變的，且包含近乎為零的交流（alternate current, AC）成分。一接地節點也是一直流節點，這是因為一接地節點的電壓實質上為零。
值得注意的是，就功能而言，任何數量的電路包含複數個MOS電晶體與被動元件且工作於橫跨一電源供應節點與一接地節點的一電源域，可藉由下述作法被修改為一替代電路：將每個NMOS電晶體更換為一PMOS電晶體；將每個PMOS電晶體更換為一NMOS電晶體；以及將該電源供應節點與該接地節點對換。該替代電路具有與原電路相同的功能。本領域具有通常知識者可藉此作法推導出更多替代實施例。
於本揭露中，一二極體連接式元件是指一元件的連接或設置方式使得該元件如同一二極體般地運作。於一非限制性的範例中，一二極體連接式元件可以是一PMOS電晶體、一NMOS電晶體、一PNP雙極性接面電晶體、或一NPN雙極性接面電晶體。然而，本揭露原則上視該二極體連接式元件或為一真正的二極體；換言之，一真正的二極體可視為一二極體連接式元件的特例。
如圖3的流程圖300所示，依據本揭露的一實施例，一方法包含：（步驟310）利用一第一共源極放大器，以接收於一第一閘極節點的一第一電壓，並依據於一第一源極節點的一第一源極電壓，輸出一第一電流至一第一汲極節點；（步驟320）利用一第二共源極放大器，以接收於一第二閘極節點的一第二電壓，並依據於一第二源極節點的一第二源極電壓，輸出一第二電流至一第二汲極節點；（步驟330）使用一第一二極體連接式元件，以將該第一源極節點耦接至一直流節點；（步驟340）使用一第二二極體連接式元件，以將該第二源極節點耦接至該直流節點；以及（步驟350）使用一源極退化態電阻，以將該第一源極節點耦接至該第二源極節點。
由於本領域具有通常知識者能夠參酌前述電路實施例來瞭解本方法實施例的細節與變化，亦即前述電路實施例的技術特徵可合理地應用於本方法實施例中，因此，重複及冗餘的說明在此省略。
綜上所述，本發明之電路與方法能夠實現一轉導放大器具有高線性度但不具大寄生電容。
雖然本發明之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本發明，本技術領域具有通常知識者可依據本發明之明示或隱含之內容對本發明之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本發明所尋求之專利保護範疇，換言之，本發明之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。
100:轉導放大器
111:第一NMOS電晶體
Vp :第一電壓
Ip :第一電流
112:第二NMOS電晶體
Vn :第二電壓
In :第二電流
120:負載
121:第一電阻
122:第二電阻
VDD :電源供應節點
200A:電路
CSA1:第一共源極放大器
NM1:第一NMOS電晶體
SN1:第一源極節點
GN1:第一閘極節點
DN1:第一汲極節點
CSA2:第二共源極放大器
NM2:第二NMOS電晶體
SN2:第二源極節點
GN2:第二閘極節點
DN2:第二汲極節點
DCD1:第一二極體連接式元件
NM3:第三NMOS電晶體
DCD2:第二二極體連接式元件
NM4:第四NMOS電晶體
SDR1:源極退化態電阻
V 1:第一電壓
VS 1:第一源極電壓
I 1:第一電流
V 2:第二電壓
VS 2:第二源極電壓
I 2:第二電流
220:負載
221:第一負載電阻
222:第二負載電阻
200B:替代電路
DCD2a:第二替代二極體連接式元件
PM1:第一PMOS電晶體
PM2:第二PMOS電晶體
300:流程圖
310~350:步驟
［圖1］顯示先前技術之一轉導放大器的示意圖； ［圖2A］依據本揭露的一實施例顯示一轉導放大器的示意圖； ［圖2B］顯示圖2A之轉導放大器的一替代實施例的示意圖；以及 ［圖3］依據本揭露的一實施例顯示一方法的流程圖。
200A:電路
CSA1:第一共源極放大器
NM1:第一NMOS電晶體
SN1:第一源極節點
GN1:第一閘極節點
DN1:第一汲極節點
CSA2:第二共源極放大器
NM2:第二NMOS電晶體
SN2:第二源極節點
GN2:第二閘極節點
DN2:第二汲極節點
DCD1:第一二極體連接式元件
NM3:第三NMOS電晶體
DCD2:第二二極體連接式元件
NM4:第四NMOS電晶體
SDR1:源極退化態電阻
V 1:第一電壓
V S1:第一源極電壓
I 1:第一電流
V 2:第二電壓
V S2:第二源極電壓
I 2:第二電流
220:負載
221:第一負載電阻
222:第二負載電阻
V DD :電源供應節點

Claims (10)

  1. 一種電路，包含：一第一共源極放大器，用來接收於一第一閘極節點的一第一電壓，並依據於一第一源極節點的一第一源極電壓，輸出一第一電流至一第一汲極節點；一第二共源極放大器，用來接收於一第二閘極節點的一第二電壓，並依據於一第二源極節點的一第二源極電壓，輸出一第二電流至一第二汲極節點；一第一二極體連接式元件(diode-connected device)，用來將該第一源極節點耦接至一直流節點；一第二二極體連接式元件，用來將該第二源極節點耦接至該直流節點；以及一源極退化態電阻(source-degenerating resistor)，插設(inserted)於該第一源極節點與該第二源極節點之間，其中該直流節點的電壓低於該第一源極節點的電壓，也低於該第二源極節點的電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其中該第一共源極放大器包含一第一類型之一第一MOS(金氧半導體)電晶體，以及該第二共源極放大器包含該第一類型之一第二MOS電晶體。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電路，其中該第一二極體連接式元件包含該第一類型之一第三MOS電晶體，以及該第二二極體連接式元件包含該第一類型之一第四MOS電晶體。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之電路，其中該第一二極體連接式元件包含一第二類型之一第一MOS電晶體，以及該第二二極體連接式元件包含該第二類型之一第二MOS電晶體。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其中該第一電流與該第二電流分別經由該第一汲極節點與該第二汲極節點，被一負載接收。
  6. 一種實現一高度線性轉導放大器的方法，包含：利用一第一共源極放大器，以接收於一第一閘極節點的一第一電壓，並依據於一第一源極節點的一第一源極電壓，輸出一第一電流至一第一汲極節點；利用一第二共源極放大器，以接收於一第二閘極節點的一第二電壓，並依據於一第二源極節點的一第二源極電壓，輸出一第二電流至一第二汲極節點；使用一第一二極體連接式元件，以將該第一源極節點耦接至一直流節點；使用一第二二極體連接式元件，以將該第二源極節點耦接至該直流節點；以及使用一源極退化態電阻，以將該第一源極節點耦接至該第二源極節點，其中該直流節點的電壓低於該第一源極節點的電壓，也低於該第二源極節點的電壓。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該第一共源極放大器包含一第一類型之一第一MOS(金氧半導體)電晶體，以及該第二共源極放大器包含該第一類型之一第二MOS電晶體。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該第一二極體連接式元件包含該第一類型之一第三MOS電晶體，以及該第二二極體連接式元件包含該第一類型之一第四MOS電晶體。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該第一二極體連接式元件包含一第二類型之一第一MOS電晶體，以及該第二二極體連接式元件包含該第二類型之一第二MOS電晶體。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該第一電流與該第二電流分別經由該第一汲極節點與該第二汲極節點，被一負載接收。
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