專利名稱：可藉由注入電流來增加帶寬的放大器及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種放大器，特別涉及一種增加帶寬的放大器及其方法。
技術(shù)背景運算放大器是最被廣泛使用的裝置之一，從緩沖器、濾波器、模擬/數(shù)字 轉(zhuǎn)換器到數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器皆然。當(dāng)需要高性能的情況下，像是高速或是高分辨率的、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，則一具有高增益(gain)與高帶寬的運算放大器 是必須的。請參閱圖1,圖1是現(xiàn)有放大器10的示意圖。放大器10內(nèi)的組件是以 一望遠鏡式結(jié)構(gòu)(telescopic topology)的方式所配置。放大器10包含有 多個晶體管M1-M9。晶體管M1與M2彼此是具有相同特性的晶體管，并作為 一輸入級12使用，以分別接收一輸入電壓Vip與一反向輸入電壓Vin，而晶體 管M3-M8則作為一負栽級14使用，例如一主動式負栽(active load),而晶 體管M3-M8各自的偏壓分別為Vbn、 Vbpl、 Vbp2。晶體管M9的偏壓為VOTfb，且其 是放大器10內(nèi)的一末端(tail)晶體管，用來作為一電流源使用，以限制電 流I，與L等于一固定參考電流I。，并導(dǎo)通至接地端，因為晶體管M5與M6彼 此是具有相同特性的晶體管，而晶體管M7與M8彼此是具有相同特性的晶體 管，故電流I,與12對應(yīng)相同的電流值。若晶體管M1、 M2皆處于導(dǎo)通狀態(tài)， 電流I,即等于電流Iq的一半，且電流I,等于電流L。如圖1所示，輸入電壓 V。n與反向輸入電壓V。p皆耦接于一輸出電容C。。放大器10內(nèi)的組件較常采用 望遠鏡式結(jié)構(gòu)的方式所配置，相較于其它配置方式，采此一配置方式的放大 器不但電力損耗較少，且可高速運作。由于該望遠鏡式結(jié)構(gòu)的配置方式是業(yè) 界所現(xiàn)有。一放大器的頻率響應(yīng)是該電路在頻域中的響應(yīng)，換句話說，若給予該電 路一正弦波輸入，則其響應(yīng)應(yīng)為具有同頻率的一正弦波輸出，且該正弦波輸 入另會^皮一開路增益(open loop gain) A。所;改大。如此的頻率響應(yīng)可以應(yīng) 用一低通函式來表示。H(s) = ^^~ 其中，"p是一主要極點(dominate pole), JLs=jw 1 +上方程式(一)對于遠大于Wp的頻率，例如co 〉〉 《p,則可將增益A估計為 W")-^ 方程式(二)l吣w)卜^ 方程式(三)因此，將上述結(jié)果代入方程式(一)，便可得到一單位增益帶寬 (unity-gain bandwidth) u : u = 4 方,呈式(四)該單位增益帶寬亦可經(jīng)由一裝置的轉(zhuǎn)導(dǎo)值(transconductance ) gm與一輸出電阻值r。表示之，因此方程式(四)可轉(zhuǎn)變?yōu)橄铝蟹匠淌?五)= 方程式(五)從方程式(五)可知，單位增益帶寬化是轉(zhuǎn)導(dǎo)值gm與整體輸出電容值 C。的函式，整體輸出電容值C。包含有寄生電容值(parasitic junction capacitance ) C叩與由it大器10戶斤馬區(qū)動的電容負載(capacitive load ) Cload， 因此，增加帶寬的方式即為增加裝置轉(zhuǎn)導(dǎo)值gm或是降低輸出電容值C。。電容 負載C,。ad的數(shù)值由電路規(guī)格所決定，因此并不能因為 一特定應(yīng)用而隨意減少。此外，如果寄生電容值C。p的影響遠大于電容負載d。ad,因此減少電容負栽d。ad的效果不大。若欲轉(zhuǎn)導(dǎo)值gm，則需要一更大尺寸的裝置，然而此將導(dǎo)致更大 的寄生電容值，因此裝置的大小亦不可能無限制地增大。如此一來，增益與 帶寬之間的關(guān)系會造成一帶寬上限。發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明的目的之一在于提供一種可藉由注入電流來增加帶寬的放 大器及其方法，以解決上述問題。本發(fā)明的目的之一為具有電流注入的放大器及其方法，可提升其帶寬。 本發(fā)明的目的之一為具有電流注入的放大器及其方法，可維持增益 (gain )。本發(fā)明的目的之一為具有電流注入的放大器及其方法，不需要增加電力 的消耗或是電路的面積。


圖l是現(xiàn)有放大器的示意圖。圖2是本發(fā)明放大器的一第一實施例的示意圖。 圖3是本發(fā)明放大器的一第二實施例的示意圖。 附圖符號說明10、 20、 30放大器12、 22輸入級14、 24、 32負載級26、 28電流源33、 34、 35、 36增益單元具體實施方式
圖2是本發(fā)明放大器20的一第一實施例的示意圖。放大器20在電流注 入的情況下能增加帶寬且維持高增益(gain)。放大器20包含一輸入級"與 一負載級24。輸入級22包含二晶體管M1與M2,而負栽級24包含多個晶體 管M31、 M41、 M51、 M61、 M71、 M81。晶體管M9作為一電流源使用，用來汲 取一固定參考電流1。以控制多個電流Ia-Id的電流值。若晶體管Ml與NO皆處 于導(dǎo)通狀態(tài)，則電流Ia與L的總和等于圖l所示的電流In而電流Ib與Id 的總和等于圖1所示的電流I" 一實施例中，輸入級22與負栽級24的電路 結(jié)構(gòu)與圖1中所示的輸入級12與負載級14的電路結(jié)構(gòu)相同。如圖2所示，電流源26包括一連串彼此電連接的晶體管M72、 M52與M32 耦接于晶體管M1的漏極(drain),電流源28包括一連串彼此電連接的晶體 管M82、 M62與M42耦接于晶體管M2的漏極，以分別將電流1。與L注入至輸 入級22內(nèi)。 一實施例中，晶體管M72與M82具有相同的偏壓Vbp,，晶體管M52 與M62具有相同的偏壓Vbp2,而晶體管M32與M42具有相同的偏壓Vbp3。此外， 耦接于一輸出電容C。的反向輸出電壓V。n耦接于晶體管M31的漏極，而耦接于 一輸出電容C。的輸出電壓V。p耦接于晶體管M41的漏極。在本實施例中，晶體 管M32、 M42、 M51、 M52、 M61、 M62、 M71、 M72、 M81、 M82是PMOS晶體管, 而晶體管M1、 M2、 M9、 M31、 M41是NM0S晶體管。請注意，本發(fā)明放大器的 配置方式并不限于在本實施例中的配置方式。本發(fā)明一實施例中，電流源26與28為p型電流源(p-type current source )。因為晶體管M9仍可將該固定參考電流1。導(dǎo)至接地端，因此，圖l
中所示的電流I,、 L改變是因為所注入的電流I。、 Id的關(guān)系。為了維持相同 的偏壓狀態(tài)，須依據(jù)每一組件的電流改變來調(diào)整各組件的尺寸。假設(shè)電流Ia設(shè)定為k"xl，因此，通道寬長比(channel aspect ratio) (W/L)須隨之作相 對應(yīng)的調(diào)整，換句話說，將晶體管M71與圖1的晶體管M7的通道寬長比是 〔S〕 其中，Q < k < 1 方程式(六)相同IS'，將》曰體營M81與圖1的晶體管M8的通道寬長比是〔D^"〔f〕其中，。<k<l 方程式(七) 放^|| 20的頻A奉響應(yīng)可像前述方程式(一)一樣，以一低通函式來表示。 然而，主要極點化現(xiàn)變成6>一1 1 方程式(八)由于裝置的尺寸因為一系數(shù)k的關(guān)系而縮小，其中，0 < k < 1，因此寄 生電容值C。p亦由于系數(shù)k的關(guān)系減小。將上述結(jié)果放入前述方程式可得到單位增益帶寬A為 &=1^ = _^_^ 方程式(九)由于裝置的寄生電容值C。P較小，單位增益帶寬A與圖1的單位增益帶寬相較，其便經(jīng)由一因子(C。p + CJ/(kCop + C,J所增加。請注意，放大器20 的電路尺寸與圖1所示的放大器10的電路尺寸近似。圖3是本發(fā)明放大器30的一第二實施例的示意圖。放大器30同時具有 增益提升(gain boosting)的機制與電流注入的結(jié)構(gòu)，可同時增加帶寬與增 益。放大器30的結(jié)構(gòu)相似于放大器20。如圖3所示，放大器30的一負栽級 32包含多個增益單元33、 34、 35、 36用以提升增益，由于上述藉由增益 單元的使用以提升增益的技術(shù)是業(yè)界所現(xiàn)有，因此在此省略其相關(guān)敘述。相 較于放大器20，放大器30由于增益提升而具有一較大的直流增益(DC gain ) A。，此外，由于從電流源26、 28所注入至輸入級22的電流，放大器30的帶 寬因而增加。請注意，在上述所提到的實施例中，電流是注入至一差動對 (differential pair),然而，圖2與圖3所示的電流注入的組態(tài)^l為范例 說明，亦即，本發(fā)明電流注入的組態(tài)并未局限于上述實施例中，亦可實施于 單端電路，或是其它使用到放大器的電路。本發(fā)明放大器可在不須犧牲增益、電路面積、或電力損耗的情況下得到 一更大的帶寬。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均 等變化與纟務(wù)飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1. 一種放大器，包含一輸入級，用以接收一第一輸入信號； 一負載級，耦接于該輸入級，用以輸出一第一輸出信號； 一預(yù)定電流源，4禹"l妄于該，lr入級，用以允"i牛一預(yù)定電流的流通；以及 一第一電流源，耦接于該輸入級，用以將一第一電流注入該輸入級，以 輸出該第一輸出信號。
2. 如權(quán)利要求l所述的放大器，其中，該第一電流源、該輸入級與該負 載級耦接于一節(jié)點。
3. 如權(quán)利要求1所述的放大器，其中，該輸入級、該負栽級與該預(yù)定電 流源以 一望遠鏡式結(jié)構(gòu)的方式所配置。
4. 如權(quán)利要求1所述的放大器，其中，該輸入級包含有一晶體管，該第 一輸入信號輸入至該晶體管的柵極，而該第一電流注入至該晶體管的漏極。
5. 如權(quán)利要求l所述的放大器，其中，該第一電流源是一p型電流源。
6. 如權(quán)利要求1所述的放大器，其中，該負栽級是一主動式負栽，其包 含有多個彼此間電連接的晶體管。
7. 如權(quán)利要求6所述的放大器，其中，該負載級另包含至少一增益單元，耦接于該多個晶體管中的至少一晶體管的二端點。
8. 如權(quán)利要求7所述的放大器，其中，該至少一晶體管的源極與柵極皆 耦接于該至少一增益單元。
9. 如權(quán)利要求1所述的放大器，其中，該輸入級另接收一第二輸入信號， 該負載級另輸出一第二輸出信號，而該放大器另包含一第二電流源，耦接于該輸入級，用以將一第二電流注入該輸入級，以輸出該第二輸出信號。
10. 如權(quán)利要求9所述的放大器，其中，該輸入級包含 一第一晶體管，耦接于該第一電流源，用以接收該第一輸入信號；以及 一第二晶體管，耦接于該第二電流源，用以接收該第二輸入信號。
11. 如權(quán)利要求IO所述的放大器，其中，該負載級包含 多個第三晶體管，彼此電連接并耦接于該第一晶體管，用以產(chǎn)生該第二輸出信號；以及 多個第四晶體管，彼此電連接并耦接于該第二晶體管，用以產(chǎn)生該第一 輸出信號。
12. 如權(quán)利要求11所述的放大器，其中，該輸入級、該負載級與該預(yù)定 電流源以 一望遠鏡式結(jié)構(gòu)的方式所配置。
13. —種用于一放大器的帶寬增加方法，該放大器包括一輸入級、 一負 載級與一第一電流源，該帶寬增加方法包含使用該放大器的一輸入級來接收一第一輸入信號； 使用該放大器的 一第 一 電流源來允許一預(yù)定電流的流通； 提供一第一電流，并將該第一電流注入該輸入級；以及 使用該放大器的一 負載級來輸出該第 一輸出信號。
14. 如權(quán)利要求13所述的帶寬增加方法，其中，該放大器更包括一預(yù)定 電流源；其中，該輸入級、該負載級與該預(yù)定電流源以一望遠鏡式結(jié)構(gòu)的方 式所配置。
15. 如權(quán)利要求13所述的帶寬增加方法，其中，該輸入級包含有一晶體 管，其中該第一輸入信號輸入至該晶體管的柵極，且該第一電流注入至該晶 體管的漏極。
16. 如權(quán)利要求13所述的帶寬增加方法，其中，該第一電流源是一p型 電5充源。
17. 如權(quán)利要求13所述的帶寬增加方法，其中，該負載級是一主動式負 載，其包含有多個彼此電連接的晶體管。
18. 如權(quán)利要求17所述的帶寬增加方法，其中，該負栽級另包含有 至少一增益單元，該至少一增益單元耦接于該多個晶體管中的一至少一晶體管的二端點。
19. 如權(quán)利要求18所述的帶寬增加方法，其中，該至少一晶體管的源極 與4冊極皆耦接于該至少 一增益單元。
20. 如權(quán)利要求13所述的帶寬增加方法，另包含 提供一第二電流，并將該第二電流注入該輸入級。
21. 如權(quán)利要求20所述的帶寬增加方法，其中，該放大器更包括一預(yù)定 電流源；其中該輸入級、該負栽級與該預(yù)定電流源以一望遠鏡式結(jié)構(gòu)的方式所配置。
22. 如權(quán)利要求20所述的帶寬增加方法，其中，該負栽級是一主動式負載，其包含有多個彼此電連接的晶體管。
23. 如權(quán)利要求22所述的帶寬增加方法，其中，該負載級另包含有 至少 一增益單元，該至少 一增益單元耦接于該多個晶體管中的 一至少一晶體管的二端點。
24. 如權(quán)利要求23所述的帶寬增加方法，其中，該至少一晶體管的源極 與柵極皆耦接于該至少 一增益單元。
全文摘要
本發(fā)明披露一種可藉由注入電流來增加帶寬的放大器及其方法。該放大器包含有一輸入級，用以接收一第一輸入信號；一負載級，耦接于該輸入級，用以輸出一第一輸出信號；一預(yù)定電流源，耦接于該輸入級，用以允許一固定電流的流通；以及一第一電流源，耦接于該輸入級，用以將一第一電流注入該輸入級，以輸出該第一輸出信號。
文檔編號H03F1/42GK101145762SQ20061015185
公開日2008年3月19日 申請日期2006年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月13日
發(fā)明者杜全平 申請人:瑞昱半導(dǎo)體股份有限公司