專利名稱：具有極低的總諧波失真的正弦波整形器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于生成正弦波的裝置和集成電路。
背景技術(shù)：
由于正弦波作為測(cè)試、參考和載波信號(hào)等，有著廣泛的用途，并且由于任何其他的波形可以表示為基本正弦波的傅立葉組合，因此其是最重要的和最基本的波形。特別在電信領(lǐng)域中，正弦波很重要。盡管其是簡(jiǎn)單的，但是正弦波的生成是非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，特別是在考慮頻率穩(wěn)定性、頻譜純度、電路復(fù)雜度、功率和面積時(shí)。
多種電路和技術(shù)已被發(fā)展用于正弦波的生成，諸如維恩(Wien)電橋振蕩器，其使用運(yùn)算放大器、電阻器和電容器。由于處理傳播，振蕩頻率是不準(zhǔn)確的，并且應(yīng)用是非常有限的。由于在許多集成電路中已經(jīng)可以獲得非常準(zhǔn)確的時(shí)鐘信號(hào)，其是通過石英生成的，因此將方波轉(zhuǎn)換為正弦波是更具吸引力的。一個(gè)示例是使用分段線性近似的所謂的斷點(diǎn)技術(shù)。通過逐漸增加輸入源上的負(fù)載量，可以將三角波轉(zhuǎn)換為正弦波。缺陷是高復(fù)雜度、高成本和缺乏準(zhǔn)確性。除此之外，其不能提供差分輸出信號(hào)。
盡管其是簡(jiǎn)單的，但是正弦波的生成是非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，如上文所概述的。
已知的解決方案的缺陷在于，它們或者在集成電路芯片上占用了相當(dāng)大的面積，或者正弦波的質(zhì)量不足以用于許多現(xiàn)今的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于，提供一種用于生成高質(zhì)量正弦波的方案。
因此，本發(fā)明的目的在于，提供一種能夠生成高質(zhì)量正弦波的集成電路解決方案。
權(quán)利要求1中要求保護(hù)一種根據(jù)本發(fā)明的裝置。在權(quán)利要求2～13中要求保護(hù)不同的有利實(shí)施例。
本發(fā)明的當(dāng)前的優(yōu)點(diǎn)在于改善的質(zhì)量和競(jìng)爭(zhēng)力。
結(jié)合詳細(xì)的實(shí)施例說明了本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)。


對(duì)于本發(fā)明的更加完整的描述及其進(jìn)一步的目的和優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合附圖，參考下面的描述，在附圖中圖1示出了已知的差分晶體管對(duì)；圖2是三角形波的圖示；圖3是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的示意性框圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的示意性框圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的示意性框圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的示意性框圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的示意性框圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明基于下面的原理。正弦波確實(shí)是一種最基本的波形，特別是在通訊領(lǐng)域中。盡管其簡(jiǎn)單性，但是其生成是非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。有效且便利的是，使三角波通過非線性整波電路，以使三角波的尖端圓滑，且近似于正弦曲線輪廓。
根據(jù)本發(fā)明，提出了基于MOS的正弦波整形器。在提出實(shí)現(xiàn)方案和實(shí)施例之前，詳細(xì)給出本發(fā)明的正弦波整形的理論。
在圖1中說明了具有MOS差分對(duì)10的電路。該電路包括第一晶體管M1和第二晶體管M2，其被配置為差分對(duì)。該差分對(duì)具有兩個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)Tp和Tn。在這兩個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)Tp和Tn之間施加具有預(yù)定幅度A的三角形輸入信號(hào)Vin(t)。第一節(jié)點(diǎn)Tp連接到第一晶體管M1的柵極，而第二節(jié)點(diǎn)Tn連接到第二晶體管M2的柵極。該差分對(duì)具有節(jié)點(diǎn)X，其中連接了第一晶體管M1的源極和第二晶體管M2的源極。電流鏡11被提供用于饋送預(yù)定的尾電流Iss進(jìn)入/離開所述差分對(duì)的節(jié)點(diǎn)X。在第一晶體管M1的漏極Sp和第二晶體管M2的漏極Sn之間提供了正弦波整形電流信號(hào)Io＝I1-I2。晶體管M1和M2工作于飽和區(qū)，由此正弦波整形輸出信號(hào)Io是三角形輸入信號(hào)Vin(t)的非線性函數(shù)。
工作于飽和區(qū)的MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體)晶體管遵守公知的平方率特性。對(duì)于圖1的MOS差分對(duì)10，輸出電流Io是輸入信號(hào)Vin的非線性函數(shù)，其由方程(1)表示， 其中 其中K＝μ0CoxW/L是跨導(dǎo)常數(shù)，μ0是載流子的遷移率，Cox是晶體管M1和M2的單位面積的柵電容，W是晶體管M1和M2的溝道寬度，L是晶體管M1和M2的溝道長(zhǎng)度，且Iss是尾電流，其通常是DC電流。因此， 也是常數(shù)?？梢宰C明，如果選擇 或者Iss=34K---(3)]]>則方程(1)可以重新寫為I0=K23(Vin-Vin36+Vin524-Vin748+···)---(4)]]>另一方面，正弦函數(shù)sin x還可以表示為序列sinx=Σw=0∞(-1)w(2w+1)|x2w+1=(x-x36+x5120-x75040+···)---(5)]]>通過逐項(xiàng)地比較兩個(gè)方程(4)和(5)，可以推斷，除了比例因素，兩個(gè)方程可被認(rèn)為是非常接近的。事實(shí)上，差異僅出現(xiàn)在5階以上。該結(jié)果表明，當(dāng)施加如圖2所示的三角形輸入信號(hào)Vin(t)，并且滿足方程(3)中給出的條件時(shí)，通過MOS差分對(duì)可以近似地生成正弦信號(hào)。三角波僅包含奇次諧波，并且i次諧波的幅度相對(duì)于基波幅度僅僅是1/i2。因此，3次諧波的幅度是5次諧波幅度的25/9倍。通過所提出的整形，現(xiàn)在通過非常簡(jiǎn)單的手段可以生成這樣的正弦波，其3次諧波的幅度低于其5次諧波的幅度。該特征在包括電信的許多應(yīng)用中是非常理想的。應(yīng)當(dāng)注意，根據(jù)本發(fā)明的整形的誤差ε僅由方程(4)和(5)之間的差給出。該差可以如下表示ϵ=(130Vin5-13630Vin7+···)---(6)]]>如上文所述，對(duì)于3次諧波，根本沒有誤差ε，并且僅從5次諧波開始出現(xiàn)誤差。
如上方程所表明的，影響整形的另一參數(shù)是三角形輸入信號(hào)Vin(t)的幅度A。較小的或較大的輸入幅度A均不會(huì)導(dǎo)致最佳的性能和最低的總諧波失真(THD)。忽略高于7階的項(xiàng)，可以斷言，如果三角形輸入信號(hào)Vin(t)的幅度選擇為Vin＝1.271V (7)則整形誤差ε變?yōu)?。
在圖3中示出了根據(jù)本發(fā)明的正弦波整形器15的示意性框圖。正弦波整形器15包括電流鏡16和差分晶體管對(duì)17。電流鏡16向差分晶體管對(duì)17提供尾電流Iss。根據(jù)本發(fā)明，差分晶體管對(duì)17的晶體管工作于飽和區(qū)，以將輸入的三角波整形為正弦波Vout(t)。該正弦波整形輸出信號(hào)Vout(t)是三角形輸入信號(hào)Vin(t)的非線性函數(shù)。
結(jié)合圖4說明了一個(gè)可行的MOS實(shí)現(xiàn)方案。在建立了關(guān)于正弦波整形的理論之后，得到了根據(jù)本發(fā)明的MOS實(shí)施例20。圖4示出了全差分MOS實(shí)施例20，其中MOS晶體管M1和M2形成了匹配的差分對(duì)。MOS實(shí)施例20包括第一晶體管M1和第二晶體管M2，其被配置為全差分對(duì)。該差分對(duì)具有兩個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)Tp和Tn。在這兩個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)Tp和Tn之間施加具有給定幅度A的三角形輸入信號(hào)Vin(t)。第一節(jié)點(diǎn)Tp連接到第一晶體管M1的柵極，而第二節(jié)點(diǎn)Tn連接到第二晶體管M2的柵極。該差分對(duì)具有節(jié)點(diǎn)X，其中連接了第一晶體管M1的源極和第二晶體管M2的源極。電流鏡12被提供用于將預(yù)定的尾電流Iss饋送到所述差分對(duì)的節(jié)點(diǎn)X。在第一晶體管M1的漏極Sp和第二晶體管M2的漏極Sn之間提供了正弦波整形電流信號(hào)Io。晶體管M1和M2工作于飽和區(qū)，以提供正弦波整形輸出信號(hào)Io。電阻器R1和R2用作負(fù)載。
為了獲得較好的性能，由方程(3)給出的尾電流Iss可由調(diào)節(jié)電流鏡21提供。在E.Sckinger和W.Guggenbühl的文章“A high-swing，high-impedance cascode circuit”，IEEE Solid-StateCircuit，Vol.25，No.1，pp.289-298，1990中描述了調(diào)節(jié)電流鏡21的細(xì)節(jié)。該調(diào)節(jié)電流鏡21包括四個(gè)CMOS晶體管M5～M8，和兩個(gè)偏置電流源Ibs1和Ibs2。如果沒有晶體管M7和M8，則該調(diào)節(jié)電流鏡21將變?yōu)楹?jiǎn)單的電流鏡。從輸出端Sp和Sn獲得了正弦輸出Vout，如圖4中所說明的。通過添加任選的小電容器C1，高階諧波可被進(jìn)一步地抑制，并且可以改善THD。
在圖4中，由方程(4)描述的輸出電流Io通過負(fù)載電阻器R1和R2(R1＝R2)轉(zhuǎn)換為輸出電壓Vout。
在另一實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明，這兩個(gè)負(fù)載電阻器R1和R2由兩個(gè)pMOS晶體管M3和M4替換以節(jié)約面積，如圖5中所說明的。這導(dǎo)致了性能的輕微劣化。采用兩個(gè)連接成二極管的pMOS晶體管M3和M4作為負(fù)載，獲得了圖5的全MOS正弦波整形器32。圖5的正弦波整形器32同圖4所示的幾乎相同，并且因此參考圖4的描述。尾電流Iss由電流鏡31提供。
結(jié)合圖6中的示意性框圖，說明了本發(fā)明的另一實(shí)施例。示出了具有兩個(gè)主構(gòu)造模塊41和42的電路40。第一構(gòu)造模塊41是方波-三角波變換器。方波時(shí)鐘信號(hào)(CLK)施加到構(gòu)造模塊41的輸入端43、44。該模塊41生成三角形信號(hào)Vin(t)，其施加到正弦波整形器42的輸入端45、46。該正弦波整形器42包括電流鏡，例如，調(diào)節(jié)電流鏡，和全差分晶體管對(duì)。其以這樣的方式工作，即以便于在輸出端Sn、Sp處提供正弦波整形輸出信號(hào)Vout(t)。該實(shí)施例40允許以方波信號(hào)CLK開始生成正弦波信號(hào)。
在圖7中說明了另外的實(shí)施例。在該圖中，示出了電路50，其提供了正弦波輸出信號(hào)和余弦波輸出信號(hào)。電路50具有兩個(gè)相同的處理路徑。每個(gè)處理路徑包括方波-三角波變換器51，其跟隨著正弦波整形器52。上處理路徑接收方波CLK1作為輸入信號(hào)。下處理路徑接收方波CLK2作為輸入信號(hào)。該方波CLK2相對(duì)于方波CLK1被相移。相位差是π/2。方波-三角波變換器51在它們的輸出側(cè)提供三角形信號(hào)Vin1(t)和Vin2(t)。這些三角形信號(hào)Vin1(t)和Vin2(t)也被相移。相位差仍是π/2。信號(hào)Vin1(t)和Vin2(t)由正弦波整形器52處理。在輸出端53處，提供了余弦波輸出信號(hào)(cosωt)。
在輸出端54處，提供了正弦波輸出信號(hào)(sinωt)。
描述正弦波質(zhì)量的兩個(gè)最重要的參數(shù)是頻率精確度和頻譜純度。由于正弦波整形是使三角形輸入信號(hào)Vin(t)逐漸圓滑的與幅度相關(guān)的處理，因此輸入頻率精確度和穩(wěn)定性在整形之后保持，并且還保留了輸入的頻率調(diào)諧能力。因此，這里注意力僅集中于輸出正弦波Vout的純度，其通常由THD描述。THD越低，則輸出Vout越接近于純的(理想的)正弦波。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)極低的THD。依賴于實(shí)際的實(shí)施例，THD可以小于0.45％，高達(dá)11次諧波。作為比較，整形器輸入端處的三角波的THD高達(dá)12％。
根據(jù)本發(fā)明，所提出的MOS正弦波整形器使THD減少了27倍，或者28.5dB?？梢詳嘌?，300kHz下的3次諧波的幅度實(shí)際上小于5次諧波的幅度。
觀察圖4和圖5的MOS整形電路，和通過該電路獲得的結(jié)果，實(shí)際上可能驚異于輸出端處的整形正弦波的高質(zhì)量。
本發(fā)明的另一主要優(yōu)點(diǎn)在于極低的功耗。該整形器僅消耗幾個(gè)μA的電流。依賴于實(shí)際的實(shí)現(xiàn)方案，電流消耗可以在例如10μA～20μA的范圍內(nèi)。
本發(fā)明可以使用標(biāo)準(zhǔn)元件實(shí)現(xiàn)，并且因此不需要專用電路?？梢允褂胮型和n型晶體管。CMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管是完全適用的。
應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，為了清楚起見，在獨(dú)立的實(shí)施例的內(nèi)容中描述的本發(fā)明的不同特征，也可以在單一的實(shí)施例中組合提供。相反地，為了清楚起見，在單一的實(shí)施例的內(nèi)容中描述的本發(fā)明的不同特征，也可以獨(dú)立地提供或者以任何適當(dāng)?shù)拇渭?jí)組合的形式提供。
在附圖和說明書中，陳述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并且，盡管使用特定的術(shù)語，但是由此給出的描述僅使用了一般意義和描述性意義上的術(shù)語，并且并非出于限制的目的。
權(quán)利要求
1.用于在輸出端(Sn、Sp)處生成正弦波整形輸出信號(hào)的裝置(15；20；30；40；50)，所述裝置(15；20；30；40；50)包括第一晶體管(M1)和第二晶體管(M2)，其被配置為差分對(duì)(17；22；32；42；52)，所述差分對(duì)(17；22；32；42；52)具有兩個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)(Tp、Tn)，允許在第一晶體管(M1)的柵極(Tp)和第二晶體管(M2)的柵極(Tn)之間施加具有給定幅度(A)的三角形輸入信號(hào)(Vin(t))，所述差分對(duì)(17；22；32；42；52)具有節(jié)點(diǎn)(X)，其中連接了第一晶體管(M1)的源極和第二晶體管(M2)的源極，在第一晶體管(M1)的漏極(Sp)和第二晶體管(M2)的漏極(Sn)之間提供了正弦波整形信號(hào)；和電流鏡(16；21；31)，用于將預(yù)定的尾電流(Iss)饋送到所述差分對(duì)(17；22；32；42；52)的節(jié)點(diǎn)(X)中，所述差分對(duì)(17；22；32；42；52)被設(shè)計(jì)為允許第一晶體管(M1)和第二晶體管(M2)工作于飽和區(qū)，由此正弦波整形輸出信號(hào)(Io；Vout)是三角形輸入信號(hào)(Vin(t))的非線性函數(shù)。
2.權(quán)利要求1的裝置(15；20；30；40；50)，其中三角形輸入信號(hào)(Vin(t))的幅度(A)小于電源電壓(Vdd)，幅度(A)優(yōu)選地是1.271伏特。
3.權(quán)利要求1的裝置(15；20；30；40；50)，其中尾電流(Iss)是DC電流。
4.權(quán)利要求1、2或3的裝置(15；20；30；40；50)，其中正弦波整形輸出信號(hào)(Io；Vout)具有這樣的3次諧波，其幅度小于5次諧波的幅度。
5.權(quán)利要求1或2的裝置(15；20；30；40；50)，其中第一晶體管(M1)和第二晶體管(M2)是匹配的，以形成匹配差分對(duì)。
6.權(quán)利要求1或2的裝置(20)，其中第一負(fù)載電阻器(R1)位于第一晶體管(M1)的漏極(Sp)和電源/地之間，并且第二負(fù)載電阻器(R2)位于第二晶體管(M2)的漏極(Sn)和電源/地之間，以便于將在第一晶體管(M1)的漏極(Sp)和第二晶體管(M2)的漏極(Sn)處提供的輸出電流(Io)分別轉(zhuǎn)換為輸出電壓(Vout)，所述第一負(fù)載電阻器(R1)優(yōu)選地等于第二負(fù)載電阻器(R2)。
7.權(quán)利要求1或2的裝置(30)，其中連接成二極管的第一晶體管(M3)位于第一晶體管(M1)的源極(Sp)和地之間，并且連接成二極管的第二晶體管(M4)位于第二晶體管(M2)的源極(Sn)和地之間，以便于將在第一晶體管(M1)的源極(Sp)和第二晶體管(M2)的源極(Sn)處提供的輸出電流(Io)分別轉(zhuǎn)換為輸出電壓(Vout)。
8.權(quán)利要求1的裝置(20)，其中電流鏡是調(diào)節(jié)電流鏡(21)，其包括至少一個(gè)用作電流鏡的晶體管對(duì)(M5、M6)。
9.權(quán)利要求8的裝置(20)，其中電流鏡包括提供第一偏置電流(Ibs1)的第一電流源和提供第二偏置電流(Ibs2)的第二電流源。
10.權(quán)利要求1或2的裝置(20；30)，其中電容器(C1)位于第一晶體管(M1)的漏極(Sp)和第二晶體管(M2)的漏極(Sn)之間，以便于抑制正弦波整形輸出信號(hào)中出現(xiàn)的高階諧波。
11.權(quán)利要求1或2的裝置(15；20；30；40；50)，其中三角形輸入信號(hào)(Vin(t))具有與正弦波整形輸出信號(hào)的頻率相同的頻率。
12.權(quán)利要求1或2的裝置(15；20；30；40；50)，其中使三角形輸入信號(hào)(Vin(t))的尖端圓滑。權(quán)利要求1或2的裝置(15；20；30；40；50)，其中在整形過程中保持輸入頻率精確度和穩(wěn)定性。
全文摘要
用于在輸出端(Sn、Sp)處生成正弦整形輸出信號(hào)的裝置(20)。該裝置(20)包括第一晶體管(M1)和第二晶體管(M2)，其被配置為差分對(duì)(22)。該差分對(duì)(22)具有兩個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)(Tp、Tn)，其允許在第一晶體管(M1)的柵極(Tp)和第二晶體管(M2)的柵極(Tn)之間施加具有給定幅度(A)的三角形輸入信號(hào)(V
文檔編號(hào)H03B28/00GK1762092SQ200480006965
公開日2006年4月19日 申請(qǐng)日期2004年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月14日
發(fā)明者王振華 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司