电流缓冲器 |
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| 申请号 | CN201280023051.5 | 申请日 | 2012-05-09 | 公开(公告)号 | CN103534936B | 公开(公告)日 | 2016-07-06 |
| 申请人 | 高通股份有限公司; | 发明人 | N·金; J·P·伯克; | ||||
| 摘要 | 一种 电流 滤波电流缓冲 放大器 包括：配置成耦合至输入电流并接收输入电流的第一端口和第二输入端口；配置成耦合至负载并向负载提供电流的第一输出端口和第二输出端口；配置成将所接收到的输入电流传递给第一和第二输出端口作为输出电流的 缓冲器 ，该缓冲器具有输入阻抗和输出阻抗，其中该输出阻抗高于该输入阻抗，该缓冲器包括第一和第二放大器，第一放大器是共模反馈放大器；以及耦合至第一和第二输入端口并耦合至第一和第二放大器的 滤波器 ，该滤波器具有复阻抗并被配置成对所接收到的输入电流进行陷波滤波。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种电流滤波电流缓冲放大器，包括： |
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| 说明书全文 | 电流缓冲器技术领域[0001] 所描述的特征一般涉及一个或多个用于电流缓冲的改进方法和/或装置。 背景技术[0002] 缓冲放大器(又称缓冲器)是提供从一个电路到另一个电路的电阻抗变换的电子器件。存在两种主要类型的缓冲器：电压缓冲器和电流缓冲器。通常情况下，电流缓冲放大器被用来将来自具有低输出阻抗级的第一电路的电流传递到具有高输入阻抗级的第二电路。居间的缓冲放大器禁止第二电路不可接受地对第一电路造成负载并干扰其期望操作。 [0003] 在理想的电流缓冲器中，输入电阻为零，而输出电阻为无限大(理想电流源的电阻为无限大)。理想缓冲器的其他属性通常包括完美线性(不管信号振幅如何)、和即时输出响应(不管输入信号速度如何)。对于电流缓冲放大器而言，如果电流被无改变地传递(电流增益为1)，则该放大器被称为单位增益缓冲器或电流跟随器，这是因为输出电流“跟随”或跟踪输入电流。电流缓冲放大器的电流增益为(大致为)一。现有的电流缓冲放大器在提供电流缓冲的同时并不提供电流滤波。另外，现有的电流缓冲放大器一般在输出处并不提供接近完美的线性。 [0004] 图1解说了常规的电流缓冲放大器100，其包括单极晶体管102、104、112、114、116、和118(例如，FET共栅极连接晶体管)、差分放大器106和110、相移放大器108、以及电阻器120和122。差分放大器106和110是被用来抑制共模信号的共模反馈(CMFB)放大器。如图1中所示，晶体管112和114的漏极连接到放大器106和108的输入。缓冲放大器的两个输入端口分别连接到晶体管112和114的漏极。正输入端口连接到放大器108的负输入端口、晶体管 102的源极、以及放大器106的负输入端口。负输入端口连接到放大器108的正输入端口、晶体管106的源极、以及放大器106的正输入端口。输入电流iin是来自第一电路(未示出)的输出电流，其作为电流缓冲放大器100的输出电流iout被传递到第二电路(未示出)。当施加iin+和iin-两者时，CMFB放大器106将放大iin输入信号并且FET晶体管102、104、112、114将使信号反相(180°相位)并减去共信号。对于差分信号，CMFB将不起作用。在此情形中，输入电流Iin将通过。因此，输入阻抗gm1保持为低，并且输出阻抗gm2保持为高。 [0005] 理想地，电流缓冲放大器是完美线性的，其中输出信号强度与输入信号强度成正比地变化。在线性器件中，输出-输入信号振幅比总是相同的，不论输入信号的强度是多少。图2中的曲线图200解说了作为频率函数的理想电流传递增益。 [0006] 然而，事实上，图2中所解说的理想线性类型是难以实现的。即使放大器在正常条件下展现出线性，但如果输入信号因过驱动而太强，则放大器将变成非线性的。当输入信号振幅增加到超过临界点时，放大曲线弯向水平坡度，由此产生输出失真。在模拟应用中，诸如在振幅调制(AM)、无线传输和hi-fi(高保真)音频中，线性是重要的。这些应用中的非线性导致信号失真，这是因为增益波动会影响模拟输出波形相对于模拟输入波形的形状。相应地，当电流在输出处被转换成电压时，图1中所解说的电流缓冲放大器中可能产生线性问题。发明内容 [0007] 电流滤波电流缓冲放大器的示例包括：配置成耦合至输入电流并接收该输入电流的第一端口和第二输入端口；配置成耦合至负载并向该负载提供电流的第一输出端口和第二输出端口；配置成将所接收到的输入电流传递至第一输出端口和第二输出端口作为输出电流的缓冲器，该缓冲器具有输入阻抗和输出阻抗，其中该输出阻抗高于该输入阻抗，该缓冲器包括第一放大器和第二放大器，第一放大器是共模反馈放大器；以及耦合至第一输入端口和第二输入端口并耦合至第一放大器和第二放大器的滤波器，该滤波器具有复阻抗并被配置成对所接收到的输入电流进行陷波滤波。 [0008] 此类放大器的实现可包括以下特征中的一个或多个。该滤波器包括具有电阻和电容的RC电路，该滤波器耦合至第一放大器和第二放大器两者的正输入和负输入。该电阻包括第一电阻和第二电阻，第一电阻耦合在第一输入端口与第一放大器及第二放大器的负输入之间，并且第二电阻耦合在第二输入端口与第一放大器及第二放大器的正输入之间。该电容连接在第一电阻与第二电阻之间。该电容包括第一电容和第二电容，第一电容耦合在第一放大器及第二放大器的正输入与地之间，并且第二电容耦合在第一放大器及第二放大器的负输入与地之间。该放大器还包括升压器，该升压器耦合至该缓冲器并配置成将该缓冲器的晶体管的共栅极电压进行升压以抑制该放大器的通带中和该放大器的阻带中的传递增益。升压器部分包括第一升压器电路和第二升压器电路，第一升压器电路经由第三电容耦合至第一输入端口，第二升压器电路经由第四电容耦合至第二输入端口，第三电容和第四电容配置成将该放大器的阻带中的频率的电流分别传递给第一升压器电路和第二升压器电路。 [0009] 缓冲第一电路与第二电路之间的电流的方法的示例包括：向第一电路的输出端提供输入阻抗和向第二电路的输入提供输出阻抗，该输出阻抗高于该输入阻抗；以及通过对从第一电路接收到的电流进行低通滤波和陷波滤波来将从第一电路接收到的电流传递给第二电路，以使得：从第一电路接收到的具有低于第一频率的频率的第一电流被传递给第二电路，以使得第一输出振幅至少为第一电流的第一输入振幅的一半；以及从第一电路接收到的具有高于第二频率的频率的第二电流被传递给第二电路，以使得第二输出振幅小于第二电流的第二输入振幅的1/10；其中第二频率小于第一频率的约两倍。 [0010] 此类方法的实现可包括以下特征中的一项或多项。陷波滤波使得传递增益的局部最小值发生在第一频率的约1.3倍与第一频率的约1.7倍之间的局部最小频率处。该方法还包括在低于第一频率或高于该局部最小频率中的至少一者处抑制传递增益。 [0011] 电流缓冲器的示例包括：配置成耦合至输入电流并接收该输入电流的第一端口和第二输入端口；配置成耦合至负载并向该负载提供电流的第一输出端口和第二输出端口；配置成将所接收到的输入电流传递至第一输出端口和第二输出端口作为输出电流的缓冲器部分，该缓冲器部分具有输入阻抗和输出阻抗，其中该输出阻抗高于该输入阻抗；以及滤波器装置，该滤波器装置耦合至第一输入端口和第二输入端口、第一输出端口和第二输出端口、以及缓冲器部分，用于对所接收到的输入电流进行滤波，以使得该放大器对于从第一输入端口及第二输入端口到第一输出端口及第二输出端口的所接收到的输入电流而言对于高达第一频率的频率具有高于第一传递增益值的传递增益，对于高于比第一频率高的第二频率的频率具有低于第二传递增益值的传递增益，在高于第二频率的第三频率处具有第三传递增益值的传递增益，并且在高于第三频率的第四频率处具有第四传递增益值的传递增益，第三传递增益值低于第二传递增益值，并且第四传递增益值高于第三传递增益值。 [0012] 此类缓冲器的实现可包括以下特征中的一项或多项。该滤波器装置配置成使得第一传递增益值为约-3dB，第二传递增益值为约-10dB，并且第二频率为第一频率的约1.2倍。第三频率为第二频率的约1.5倍。该滤波器装置包括RC电路，该RC电路包括电阻和电容，耦合在第一及第二输入端口与第一及第二输出端口之间。该电阻和电容的值决定第三频率。 [0013] 本文中所描述的各项目和/或各技术可提供以下能力中的一种或多种。与常规的电流缓冲放大器相比，电流滤波电流缓冲放大器可提供可调谐陷波滤波、减小的通带峰值、以及改善的线性。可提供便宜且易于调谐、具有宽范围且将增强多样性和可接受输入和输出电路范围的电流缓冲放大器。提供放大器以用于采用具有低输入阻抗和高输出阻抗的电路的电子设备，例如，移动电子设备，包括便携式计算机、移动电话、个人数字助理，等等。附图说明 [0014] 图1是常规的电流缓冲放大器的电路图。 [0015] 图2是解说作为频率函数的理想电流传递增益的曲线图。 [0016] 图3是电流滤波电流缓冲放大器的电路图。 [0017] 图4是图3中所解说的电流滤波电流缓冲放大器的作为频率函数的输入阻抗的曲线图。 [0018] 图5是图3中所解说的电流滤波电流缓冲放大器的作为频率函数的电流传递增益。 [0019] 图6是图3中所解说的电流滤波电流缓冲放大器在各种电阻和电容值的情况下作为频率函数的主共栅极的总输入阻抗的曲线图。 [0020] 图7是图3中所解说的电流滤波电流缓冲放大器的输入至输出传递函数的曲线图。 具体实施方式[0021] 所描述的方法和装置的进一步适用性将从以下详细描述、权利要求和附图而变得显而易见。详细描述和具体示例仅是藉由解说来给出的，因为落在该描述的精神和范围内的各种变化和改动对于本领域技术人员而言将变得显而易见。因此，以下描述提供示例而并非限定权利要求中阐述的范围、适用性或者配置。可以对所讨论的要素的功能和布置作出改变而不会脱离本公开的精神和范围。各种示例可以恰适地省去、替换或添加各种规程或组件。例如，可以按不同于所描述的次序来执行所描述的方法，并且可以添加、省去、或组合各种操作。另外，关于某些示例所描述的特征可与其他示例相组合。 [0022] 图3解说了配置成提供可调谐陷波滤波和减小的通带峰值的电流滤波电流缓冲放大器300的示例电路图。放大器300将以很少衰减或无衰减地、并且可能有增益地通过具有特定范围内的频率的信号，并抑制(即，显著衰减)具有该范围之外的频率的信号。放大器300包括缓冲器部分301，其类似于图1中解说的电流缓冲器100但与之不同。缓冲器部分301包括晶体管302、304、312、314、316、318，电阻器320和322，以及放大器306、308、310。此外，缓冲放大器300包括共栅极升压电路340、350，共栅极升压电路340、350包括单极晶体管 342、352并被配置成分别对晶体管302、304的共栅极电压进行升压。共栅极升压电路340、 350通过吸收高频信号在高频处提供低阻抗，这有助于防止(禁止)输入阻抗变得过高并有助于减小通带峰值(即，通带中的最大增益)。 [0023] 在图3中所示的解说性放大器300中，升压电路340在节点V1处被共栅极连接，并且升压电路350在节点V2处被共栅极连接。升压电路340的节点V1连接在晶体管342的漏极与电流源343之间，电流源343连接到地。类似地，升压电路350中的节点V2连接在晶体管352的漏极与电流源345之间，电流源345连接到地。升压电路340、350分别经由电容器370、372连接到缓冲器部分301的正输入节点371和负输入节点373。输入节点371、373连接到晶体管312、314的漏极、晶体管302、304的栅极、以及电流源380、382，电流源380、382连接到地。正输入电流线380连接到输入节点371并携带输入电流iin+。负输入电流线382连接到输入节点373并携带输入电流iin-。 [0024] 缓冲器部分301包括连接在正输入节点371与负输入节点373之间的RC电路360。RC电路360包括各自具有电阻R1的两个电阻器362、364，以及具有电容C1的电容器366。如图所示，RC电路360使电阻器362与电容器366串联、电容器366与电阻器364串联，电阻器362、电容器366、电阻器364串联在节点371、373之间。连接到电阻器362和电容器366两者的节点365还连接到放大器306、308的负输入端口。连接到电阻器364和电容器366两者的节点367还连接到放大器306、308的正输入端口。因此，输入节点371经由电阻器362连接到电容器 366以及每个放大器306、308的负输入端口，并且输入节点373类似地经由电阻器364连接到电容器366以及每个放大器306、308的正输入端口。电容器366连接在每个放大器306、308的正输入端口与负输入端口之间。尽管RC电路360在图3中被示为在节点371、373之间使电阻器362与电容器366串联、电容器366与电阻器364串联，但替换的物理配置也是可能的。例如，节点371可经由电阻器362连接到被接地的电容器，并且节点373可经由电阻器364连接到另一物理上分开的接地电容器。然而，从电学观点来看，这与图3中所示的RC电路360是等效的。 [0025] RC电路360用于提供对输入信号的电流陷波滤波，如图4-5所解说并在以下描述的。陷波滤波可通过改变电容器366的电容值C1来调谐。将升压电路340和350连接到电路300的缓冲器部分301的输入节点371和373的电容器370、372的电容C2被用来通过改变节点 365和367中的共模信号输入的频率来阻挡低频。在没有升压电路340、350的情况下，高频信号将遭遇来自晶体管312、314的高阻抗，并被反射回缓冲器301中。然而，升压电路340、350在高频处提供低阻抗，由此帮助放大器300通过低频电流到输出并抑制高频电流到达输出。 [0026] 在操作中，电流滤波电流缓冲放大器300提供两个电路之间具有电流滤波的电流缓冲，其中该滤波包括通过低频和对高频进行陷波滤波，如图4-6中所解说的。 [0027] 还参照图4和图5，曲线图400示出电流缓冲放大器300的作为频率函数的输入阻抗，并且曲线图500示出电流缓冲放大器300的作为频率函数的电流传递增益。标绘402解说了由图3中的箭头390和392所指示的向节点V1、V2看进去的作为频率函数的阻抗。标绘404解说了由图3中的箭头394所指示的向节点V3看进去的作为频率函数的阻抗(gm11)。标绘406解说了组合输入阻抗。如图4中所示，阻抗404(即，gm1)在低频处达到峰值并在较高频处减弱。解说作为频率函数的电流传递增益的曲线图500的标绘502示出在低频fpeak(f峰值)处有峰值增益Gpeak(G峰值)的局部/相对增益峰值504。在从0Hz到通过阈值频率fPT1的通带中，增益高于点线(0DB)并且由此为正，这指示信号通过并且提供某个传递增益。替换地，通带可延伸到较高通过阈值频率fPT2，fPT2与对信号具有可接受低衰减的通过阈值增益GPT(例如-3dB)相对应，此可接受低衰减被视为使这些信号通过。在较高频率，信号被滤波和衰减，到达约为- 10dB的停止阈值增益GST(但其他水平可能是可接受的并且由停止阈值频率fST处使用的电路值的电路特性来决定，fST是可调谐值)，并在曲线502的“陷波”506处的相应频率fnotch(f陷波)处达到局部/相对最小增益Gnotch(G陷波)。使用由RC电路360提供的陷波滤波，放大器300的增益与没有RC电路360的情况(如没有RC电路360的放大器300提供的增益的增益曲线510所示)相比在较低频率处达到停止阈值增益GST。此外，如由标记为“具有并联CG(共栅极)”的标绘502的部分507和标记为“无并联CG”的标绘508所指示的，与没有连接电路340、350的情况相比，将并联共栅极升压电路340、350连接到缓冲器部分301的增益在陷波频率以上的频率处较低。 [0028] 相对/局部最小增益Gnotch处的频率fnotch将大致等于陷波滤波特性的中心频率。与局部最小增益相对应的频率fnotch可以是陷波滤波特性的中心频率或者可以因由低通滤波特性提供的增益滚降而被位移到稍高的频率。陷波滤波特性的中心频率与局部最小增益频率fnotch的差值将取决于陷波滤波特性的中心频率处和中心频率附近的增益特性(例如，增益滚降率)。频率fnotch对应于局部最小增益，因为在高于(至少高于和接近/毗邻)陷波频率fnotch的频率处的增益高于局部最小增益Gnotch。 [0029] 图6解说了示出在各种R1和C1值情况下主共栅极的作为频率函数的总输入阻抗Zin的曲线图600。Zin可如下计算： [0030] [0031] [0032] [0033] 其中，s＝jw， [0034] Cout是反馈放大器308的输出电容， [0035] Rout是反馈放大器308的输出电阻。 [0036] gm2是反馈放大器308的跨导， [0037] fp是曲线图600中所示的曲线的峰值频率。 [0038] 曲线图600中所示的不同标绘对应于R1和C1的不同实验值。 [0039] 图7中的曲线图700解说了电流缓冲放大器300的输入至输出传递函数700。曲线图700示出缓冲放大器300的作为频率函数的电流传递增益的幅值(dB值)。如图7中所示，在使用升压电路340、350的情况下，峰值减小，即，图7中所解说的峰值下降。图7中所示的传递值HCFCB(f)可如下计算： [0040] [0041] [0042] 其中，Cgs1是晶体管312、314的栅极与源极之间的寄生电容。图7中所示的不同曲线对应于不同实验值。 [0043] 参照图3、5、和7，放大器300(具体是缓冲器301)被配置成提供峰值504和陷波506的期望特性以及峰值504与陷波506的期望关系。峰值增益Gpeak、峰值增益频率fpeak、陷波增益Gnotch、和陷波增益频率fnotch取决于放大器设计可具有各种值。例如，参照图7，峰值增益Gpeak为约10dB(这里从约9dB到约12dB)，峰值增益频率fpeak可在约12MHz与约30MHz之间(这里从约10MHz到约32MHz)，陷波增益Gnotch可以为约-20dB(这里从约-18dB到约-21dB)，并且陷波增益频率fnotch可以在约25MHz与约60MHz之间(这里从约23MHz到约63MHz)。陷波增益频率fnotch与峰值增益频率fpeak之比由此为约2:1(这里从约1.9:1到约2.1:1)。陷波增益频率fnotch与3dB通过阈值频率fPT2之比优选在约1.3:1与约1.7:1之间，这里为约1.5:1(从约1.4:1到约1.6:1)。陷波增益频率fnotch与0dB通过阈值频率fPT1之比为约1.65:1(这里从约1.55:1到约1.75:1)。停止阈值频率fST(其停止阈值增益GST为-10dB)与-3dB通过阈值频率fPT2之比优选为小于约2:1，这里为约1.2:1(这里从约1.15:1到约1.25:1)。 [0044] 提供前面的描述是为了使本领域技术人员能制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。本公开并非被限定于本文中所描述的示例和设计，而是被授予与本文中所公开的原理和特征相一致的最广范围。 |
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