具有偏置和功率控制方面的放大器设计

摘要

本发明揭示用于使用复制品电路(220)来偏置放大器(200)的技术。在一实施例中，将具有与推挽放大器电路大体上相同的拓扑和大小设计的复制品电路(220)耦合到主推挽放大器电路(200)。可使用反馈来偏置所述复制品电路(220)中的晶体管(MP1R)以产生预定DC输出电压电平，且可将此偏置电平施加到所述主推挽放大器电路(200)中的对应晶体管(MP1)。在另一实施例中，电流偏置模块(210)中的晶体管(Mn1B)可用于偏置所述主推挽放大器电路(300)和所述复制品电路(220)中的对应晶体管(Mn1、MnPR)。本发明揭示用于配置所述放大器以具有非均一步长的其它技术，其中在较低功率电平处具有较精细的分辨率且在较高功率电平处具有较粗糙的分辨率，从而降低较低功率电平处的功率消耗。

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路(IC)，且更特定来说，涉及IC放大器设计。

背景技术

放大器是例如通信发射器和接收器的集成电路(IC)装置中的重要建置块。放大器通常经设计以向输入信号提供所要增益，同时最小化整体功率消耗和/或输出信号中的失真电平。放大器设计常常需要作出某些折衷以实现所要的性能水平，例如，为了良好线性而折衷低功率消耗或为了精细分辨率而折衷大动态范围。

将需要具有用以放宽这些设计折衷以允许较大设计灵活性以及改进整体放大器性能的技术。

发明内容

本发明的一方面提供一种放大器，其包含：主电路，其包含多个晶体管，所述多个晶体管包含第一晶体管，所述主电路进一步包含输入信号，所述输入信号AC耦合到所述主电路的输入节点，所述输入节点耦合到所述第一晶体管，所述主电路进一步包含输出信号，所述输出信号产生于所述主电路的输出节点处；以及复制品电路，其包含复制品晶体管，所述复制品晶体管匹配于所述主电路中的所述多个晶体管，所述复制品晶体管以与所述多个晶体管在所述主电路中彼此耦合相同的方式彼此耦合，所述复制品电路具有对应于所述主电路的所述输入节点和所述输出节点的输入节点和输出节点，所述复制品电路的所述输入节点耦合到所述复制品电路的所述输出节点。

本发明的另一方面提供一种用于操作放大器电路的方法，所述放大器电路包含多个晶体管，所述多个晶体管包含第一晶体管，所述放大器电路进一步包含输入信号，所述输入信号AC耦合到所述放大器电路的输入节点，所述输入节点耦合到所述第一晶体管，所述放大器电路进一步包含输出信号，所述输出信号产生于所述放大器电路的输出节点处，所述方法包含将复制品电路中的第一复制品晶体管的偏置电压耦合到所述放大器电路的所述第一晶体管，所述复制品电路包含复制品晶体管，所述复制品晶体管匹配于所述放大器电路中的所述多个晶体管，所述复制品晶体管以与所述多个晶体管在所述放大器电路中彼此耦合相同的方式彼此耦合，所述复制品电路具有对应于所述放大器电路的所述输入节点和所述输出节点的输入节点和输出节点，所述复制品电路的输入节点耦合到所述复制品电路的输出节点。

本发明的又一方面提供一种用于将信号放大到多个功率电平中的一者的方法，所述方法包含选择性地接通放大器电路内的多个子放大器电路，所述多个子放大器电路包含各自具有第一大小的第一多个子放大器电路和各自具有第二大小的第二多个子放大器电路，所述第二大小大于所述第一大小。

本发明的又一方面提供一种放大器电路，其包含多个晶体管，所述多个晶体管包含第一晶体管，所述放大器电路进一步包含输入信号，所述输入信号AC耦合到所述放大器电路的输入节点，所述输入节点耦合到所述第一晶体管，所述放大器电路进一步包含输出信号，所述输出信号产生于所述放大器电路的输出节点处，所述放大器包含：用于将复制品电路中的第一复制品晶体管的偏置电压耦合到所述放大器电路的所述第一晶体管的装置，所述复制品电路包含复制品晶体管，所述复制品晶体管匹配于所述放大器电路中的所述多个晶体管，所述复制品晶体管以与所述多个晶体管在所述放大器电路中彼此耦合相同的方式彼此耦合，所述复制品电路具有对应于所述放大器电路的所述输入节点和所述输出节点的输入节点和输出节点，所述复制品电路的输入节点经由反馈模块而耦合到所述复制品电路的输出节点。

附图说明

图1描绘使用数字反相器或“推挽”架构的现有技术放大器的实施方案；

图2描绘根据本发明的电路，其包含放大器200、电流偏置模块210和复制品偏置模块220；

图3A展示根据本发明的复制品偏置的通用实施例，其中使用复制品偏置模块320来偏置通用放大器300；

图3B描绘根据本发明的复制品偏置的替代实施例，其中输入信号IN通过单一AC耦合电容器C1而耦合到主放大器300；

图4描绘分别在给定构成晶体管MP1和MN1的固定大小W_p和W_n的情况下推挽放大器的非线性跨导g_m3与偏置电压VB1之间的关系的曲线图；

图5描绘具有恒定功率控制步长的驱动器放大器的现有技术实施方案；

图6描绘本发明的一实施例，其中子放大器A.1到A.M各自包含具有大小β₁W的主动晶体管，而子放大器A.(M+1)到A.N各自包含具有大小β₂W的主动晶体管，其中β₂＞β₁；

图7描绘利用本发明的各种方面的推挽放大器的一实施例；以及

图8描绘根据本发明的方法的一实施例。

具体实施方式

图1描绘使用数字反相器或“推挽”架构的放大器的现有技术实施方案。在图1中，晶体管MP1和MN1的栅极经短接在一起，且MP1和MN1的漏极也经短接在一起。输入信号IN经由电容器C而AC耦合到晶体管MP1和MN1的栅极，同时可从MP1和MN1的漏极得到输出信号OUT。晶体管MNE和MPE经串联耦合到MN1和MP1，且任选地经提供以基于控制信号EN和互补控制信号EN′而启用或停用放大器。在一个实施方案中，输入信号和输出信号可为射频(RF)信号。

为了确保放大器保持于线性操作范围中，放大器为“自偏置”的，即，输入经由电阻器RFB而DC耦合到输出。尽管自偏置为用于实现线性的简单技术，但其一般几乎不允许灵活性来(例如)独立于线性操作范围而调整放大器偏置电流。此电路的另一特性在于其增益可能对过程变化以及电源电压VDD与接地之间的任何寄生电阻敏感。

图2描绘根据本发明的放大器实施例。图2中的电路包含放大器200、电流偏置模块210和复制品偏置模块220。在所展示的实施例中，通过电流偏置模块210所产生的电压VB1偏置放大器200的NMOS晶体管MN1，且通过复制品偏置模块220所产生的电压VB2偏置放大器200的PMOS晶体管MP1。

为了产生偏置电压VB1，电流偏置模块210包括电流源Ibias1，其与晶体管MN1B和MNEB串联耦合。晶体管MN1B和MNEB可经设计以复制放大器200中的晶体管MN1和MNE的配置，例如，MN1B和MNEB可经设计以具有与MN1和MNE类似的拓扑和大小比。晶体管MN1B的栅极耦合到漏极以产生电压VB1b，所述电压VB1b经由RC网络205耦合到晶体管MN1的栅极作为偏置电压VB1。RC网络205任选地提供在电压VB1与VB1b之间以更好地使输入信号IN与电流偏置模块210隔离。

电压VB1b与VB1之间的耦合将放大器200的偏置电流固定为Ibias1的倍数。可基于MN1的大小与MN1B的大小的比率来确定此倍数。注意，电流偏置模块210中的晶体管MNEB经设计以“复制”放大器200中的晶体管MNE，此允许电流偏置模块210与放大器200之间的电流镜射中的较大准确度。

如早先描述，通过复制品偏置模块220所产生的电压VB2偏置晶体管MP1。复制品偏置模块220包括复制品晶体管MPER、MP1R、MN1R和MNER，其复制放大器200中的对应晶体管MPE、MP1、MN1和MNE的配置。总的来说，所述复制品晶体管可称为构成复制品放大器225。

在图2中，复制品放大器225如下产生用于放大器220的适当偏置电压VB2。复制品放大器225的输出节点225a耦合到差动放大器AR的正节点，所述差动放大器AR将复制品放大器225的输出电压与参考电压Vref进行比较。放大器AR输出电压AR_out，其经反馈到晶体管MP1R的栅极。作为所述反馈的结果，MP1R的栅极偏置经调整以保持复制品放大器225的输出电压225a接近参考电压Vref。MP1R的栅极电压或AR_out经由电阻器RB而DC耦合到放大器200中的晶体管MP1的栅极作为VB2。因为预期放大器200的DC特性匹配复制品放大器225的DC特性，所以预期放大器200的输出电压OUT的DC电平匹配复制品偏置模块220中所设定的参考电压Vref。

在一实施例中，复制品放大器225中的晶体管的大小可等同于放大器200中的对应晶体管的大小或为其固定倍数。在另一实施例中，放大器200可并入有经并联耦合的晶体管MPE、MP1、MN1和MNE的多个例子，且复制品晶体管可包括主放大器200中的经并联耦合的晶体管的单一例子，如本文中关于图7进一步描述。

为了进一步复制放大器200的特性，复制品放大器225中的MN1R的偏置电压可取自用于偏置放大器200中的MN1的相同电压。举例来说，晶体管MN1R的栅极可耦合到由电流偏置模块210产生的电压VB1b。而且，可通过用于控制放大器200的晶体管MNE和MPE的相同电压EN和EN′来偏置复制品放大器225的晶体管MNER和MPER。在一替代实施例中，MNER可始终被偏置为高，且MPER可始终被偏置为低。

从以上描述，所属领域的技术人员将认识到，可作出对图2中所示的电路拓扑的各种修改，同时仍使用本发明的技术。举例来说，可从替代实施例省略晶体管MNE和MPE，以及电流偏置模块和复制品偏置模块中的其对应复制品。此外，可从复制品偏置电路一起省略晶体管MNER和MPER，因为其可视为在所述晶体管完全接通时具有可忽略的电压降的短路。此外，本发明的技术可容易应用于以替代方式使用电流偏置模块偏置PMOS晶体管MP1且使用复制品偏置模块偏置NMOS晶体管MN1，其中具有适当修改。这些实施例预期在本发明的范围内。

图3A展示根据本发明的复制品偏置的通用实施例，其中使用复制品偏置模块320来偏置通用放大器300。一般来说，放大器300可包括使用任意拓扑而耦合的晶体管，而复制品放大器325可包括使用“复制”放大器300的拓扑的拓扑而耦合的晶体管。举例来说，复制品放大器325中的晶体管的大小可经选择以将放大器300中的晶体管的大小匹配于恒定缩放因数内。此外，放大器300中的晶体管的偏置电平(包括第一偏置电压Vbias1)也可在可能时被提供到复制品放大器325中的对应晶体管。

在图3A中，差动放大器AR提供负反馈以调整复制品晶体管325的偏置，以在复制品放大器325的输出处产生所要电平Vref。复制品晶体管的偏置电压可接着经由电阻器RB而耦合到主放大器300作为偏置电压Vbias2。

图3B描绘根据本发明的复制品偏置的替代实施例，其中输入信号IN通过单一AC耦合电容器C1而耦合到主放大器300。在图3B中，复制品放大器325的反馈配置产生单一偏置电压VB以偏置主放大器300。

上文描述的技术可大体上应用于任何放大器应用。在一实施例中，其可应用于用于射频(RF)发射器的驱动器放大器的设计。

上文已揭示用于提供用于偏置放大器的复制品电路的技术。下文进一步揭示用于使用复制品电路来最小化因构成晶体管所致的非线性系数g_m3的失真来设计放大器电路的技术。

对于共同源极NMOS或PMOS放大器来说，小信号漏极到源极电流i_ds可表达如下(等式1)：

i_ds＝g_m v_gs+g_m2 v_gs²+g_m3 v_gs³+...

其中v_gs表示小信号栅极到源极电压，g_m表示一阶装置跨导，g_m2表示二阶装置跨导，等等。通常选择所述一阶跨导g_m向放大器提供所要增益。在集成电路中，项g_m2和g_m3影响放大器输出处的非线性失真。根据本发明，通过如下文所描述针对主动晶体管选择适当的装置大小和偏置电流(或电压)，可选择项g_m来提供所要的放大器增益，而项g_m3可被最小化或消除。

在一实施例中，上文对共同源极放大器的分析可应用于图2的推挽放大器200，其可被视为并联耦合到共同源极PMOS放大器的共同源极NMOS放大器。为了说明用于推挽放大器的设计程序的一实施例，图4分别描绘图2的整个推挽放大器200的三阶跨导g_m3的曲线，以及构成主动晶体管MP1和MN1的g_m3p和g_m3n的曲线。相对于施加到晶体管MP1或MN1的偏置电压VB来绘制跨导值。在图4中，晶体管MP1和MN1经假设为分别具有大小W_p和W_n。

从图4注意，通常存在用于MN1或MP1的偏置电压范围，其范围从V1到V2(图4中所示)，其中整个推挽放大器的g_m3接近零。为了设计所述放大器，偏置电压VB可经设定在此范围内，而晶体管MP1和MN1的大小经选择以针对所要的放大器增益而实现适当g_m1。在一实施例中，偏置电压VB可由电流偏置模块210或复制品偏置模块220设定。

所属领域的技术人员将了解，电路设计者可经由(例如)计算机电路仿真、实验室测量或任何其它技术来知晓图4中的曲线和因此的适当电压范围V1到V2。

根据本发明的另一方面，提供用以改变放大器的输出功率控制步长的技术。

图5描绘具有恒定输出功率控制步长的驱动器放大器的现有技术实施方案。在图5中，放大器包括多个N个并联耦合的子放大器，每一子放大器由A.n表示，且每一子放大器包含具有宽度αW的主动晶体管，其中α为缩放常数且W为大小常数。放大器输出信号OUT的功率电平可通过接通或断开所述子放大器的选定子集来控制。举例来说，启用子放大器A.1以选择最低功率电平，而另外启用子放大器A.2以选择第二低功率电平，等等，直到同时启用所有子放大器A.1到A.N以选择最高功率电平为止。在所展示的实施方案中，最高功率电平对应于总晶体管宽度NαW。注意，由于每一子放大器具有相同的相关联主动晶体管宽度，例如图5中的αW，所以放大器的输出功率电平可以恒定增量线性地增加。

还可通过改变提供到所述子放大器的一个或一个以上偏置电压来选择放大器的功率电平。在一实施例中，可向所有子放大器提供单一偏置电压，其可经改变以同时调整所有子放大器的输出功率电平。

根据本发明，可使功率控制步长在放大器的输出功率范围内不均一，使得在较低输出功率电平处提供较小步长，而在较高输出功率电平处提供较大步长。以此方式，针对较低功率电平提供比针对较高输出功率电平好的分辨率。此可能为有利的，因为功率控制电平(例如，用于发射器中的驱动器放大器的功率控制电平)常常以对数或分贝(dB)单位而非线性单位来指定。

图6描绘本发明的一实施例，其中子放大器A.1到A.M各自包含具有大小β₁W的主动晶体管，而子放大器A.(M+1)到A.N各自包含具有大小β₂W的主动晶体管，其中β₂＞β₁。根据本发明，发射功率电平可如下分配。启用子放大器A.1以选择最低功率电平，而另外启用子放大器A.2以选择第二低功率电平，等等，直到同时启用子放大器A.1到A.M以选择第M低功率电平为止。为了进一步增加功率，另外启用子放大器A.(M+1)，且接着启用子放大器A.(M+2)，等等，直到同时启用所有子放大器A.1到A.N以选择最高功率电平为止。在所展示的实施例中，最高功率电平对应于总晶体管宽度[Mβ₁+(N-M)β₂]W。

从以上论述可见，在较低功率电平处以β₁W的步长且在较高功率电平处以β₂W的步长控制放大器输出功率。假设β₂＞β₁，则针对较低功率电平提供比针对较高输出功率电平好的分辨率。

在一实施例中，图6的实施例的最高功率电平可被设定为等于图5的现有技术实施方案的最高功率电平，使得所述两个实施方案的最大可实现功率电平为相同的。在此实施例中，如下约束β₂和β₁：[Mβ₁+(N-M)β₂]＝αN。举例来说，假设M＝N/2，则α可为5，β₁可为3，且β₂可为7。由于图6中的所述实施例的功率控制步长小于图6的实施方案在低输出功率电平处的功率控制步长，所以图6的实施例的对应电流消耗在低输出功率电平处将较低。

所属领域的技术人员将了解，根据本发明，相异步长的数目可大于图6中所示的两个(β₂和β₁)。步长和对应子放大器大小可随增加的功率电平而单调增加。

图7描绘利用本发明的各种方面的推挽放大器的一实施例。在图7中，主放大器700包括多个子放大器A.1到A.N。所述子放大器A.n中的每一者可由对应控制信号EN.n和EN.n′启用或停用。子放大器A.1到A.M各自包含分别具有相关联的晶体管宽度β₁W_p和β₁W_n的主动PMOS和NMOS晶体管，而子放大器A.(M+1)到A.N各自包含具有相关联的宽度β₂W_p和β₂W_n的主动晶体管。

在图7中，通过从电流偏置模块710导出的栅极电压VB1偏置每一子放大器的主动NMOS晶体管，如本文中早先描述。通过从复制品偏置模块720导出的栅极电压VB2偏置每一子放大器的主动PMOS晶体管，如本文中早先描述。在一实施例中，电流偏置模块710和复制品偏置模块720可将晶体管大小β₂或β₁用于偏置。在一实施例中，偏置模块可使用β₂或β₁中的较低者在偏置中实现较大准确度。

图8描绘根据本发明的方法的一实施例。在图8中，在步骤800处，将电流偏置模块中的偏置电压耦合到放大器电路的第一晶体管。在步骤810处，将复制品电路中的偏置电压耦合到所述放大器电路中的第二晶体管。在步骤820处，将复制品电路的输出耦合到反馈放大器。在步骤830处，将输入信号AC耦合到放大器电路。在步骤840处，使用启用晶体管来选择性地接通和断开如此描述的多个放大器电路。

基于本文所描述的教示，应显而易见，本文中所揭示的方面可独立于任何其它方面来实施，且这些方面中的两者或两者以上可以各种方式组合。在一个或一个以上示范性实施例中，所描述的功能可以硬件、软件、固件或其任何组合实施。如果以软件实施，则所述功能可作为一个或一个以上指令或代码而存储于计算机可读媒体上或经由计算机可读媒体来传输。计算机可读媒体包括计算机存储媒体和通信媒体两者，包括促进将计算机程序从一个地方转移到另一个地方的任何媒体。存储媒体可为可由计算机存取的任何可用媒体。以实例而非限制的方式，所述计算机可读媒体可包含RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁性存储装置，或可用于载运或存储呈指令或数据结构的形式的所要程序代码且可由计算机存取的任何其它媒体。而且，可将任何连接恰当地称为计算机可读媒体。举例来说，如果使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)，或例如红外线、无线电和微波等无线技术从网站、服务器或其它远程源发射软件，则同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL，或例如红外线、无线电和微波等无线技术包括在媒体的定义中。如本文中所使用，磁盘和光盘包括压缩光盘(CD)、激光光盘、光盘、数字多功能光盘(DVD)、软盘和蓝光光盘，其中磁盘通常以磁性方式再现数据，而光盘用激光以光学方式再现数据。以上各物的组合也应包括在计算机可读媒体的范围内。

在本说明书中和在权利要求书中，将理解，当一元件被称作“连接到”或“耦合到”另一元件时，其可直接连接或耦合到另一元件或者可存在介入元件。相比而言，当一元件被称作“直接连接到”或“直接耦合到”另一元件时，不存在介入元件。

已描述多个方面和实例。然而，对这些实例的各种修改是可能的，且本文中所呈现的原理还可应用于其它方面。这些和其它方面在所附权利要求书的范围内。