專利名稱：具有良好匹配的開關(guān)電流鏡的制作方法
具有良好匹配的開關(guān)電流鏡優(yōu)先權(quán)本申請要求于2010年9月30日提交的題為“Switched Current Mirror withGood Matching”的美國臨時專利申請?zhí)朜0.61/388，326的優(yōu)先權(quán)，通過引用方式將其公開的內(nèi)容并入本文中。
背景技術(shù)：
電流鏡是已知電路，其設(shè)計(jì)用于通過控制一個有源器件(例如晶體管)中的電流來復(fù)制通過另一個有源器件的電流，以在不關(guān)乎負(fù)載的情況下保持輸出電流恒定。相比于輸入電流，輸出電流可以施加到不同的節(jié)點(diǎn)，并且具有由使用的輸入和輸出晶體管的比來設(shè)置的(相對于參考電流的)電流比。晶體管的尺寸比以及因此的電流比，可以通過并聯(lián)連接多個輸出晶體管來改變。通過添加與并聯(lián)連接的輸出晶體管串聯(lián)的開關(guān)，在任何給定時刻的電流鏡中激活的輸出晶體管的數(shù)量可以通過對開關(guān)進(jìn)行控制來改變，并且電流比可以這種方式而被動態(tài)地控制。當(dāng)開關(guān)由數(shù)字信號控制時，模擬輸出電流可被數(shù)字地控制，表現(xiàn)得像數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)。圖1描繪了其中有源器件是NMOS晶體管M1和M2的電流鏡。由于R1，電流Ii流過參考晶體管M1，引起柵極-源極電壓Vgsl。輸出NMOS晶體管M2的柵極-源極電壓Vgs2是相同的(VgsI = Vgs2)，以在當(dāng)用作開關(guān)的晶體管M4處于導(dǎo)通狀態(tài)時導(dǎo)致了電流12。這在當(dāng)開關(guān)S1處于上部位置時發(fā)生，以將高電壓加在M4的柵極上。與參考晶體管M1串聯(lián)的晶體管M3也用作開關(guān)，其始終是“接通”，這是因?yàn)槠鋿艠O端被綁定為高。當(dāng)開關(guān)S1處于下部位置時，開關(guān)M4不導(dǎo)通，或是斷開的，造成電流I2轉(zhuǎn)為零。因此，開關(guān)S1控制電流I2以與I1成比例或?yàn)榱?。?dāng)參考晶體管M1和輸出晶體管M2具有相等布局，并且開關(guān)晶體管M3和M4也相同(實(shí)際上，M3只針對這種路徑匹配而存在，因?yàn)樗冀K處于“接通”狀態(tài))，并且當(dāng)然地R1 =R2時，電流I1和I2是幾乎相等的。在這種情況下，如果S1切換以將脈沖串施加在具有50%占空比的M4的柵極上，則電流比I2A1是二分之一(1/2)。施加到M4的柵極的開關(guān)信號的頻率和脈沖寬度將影響該電流比。開關(guān)速度和脈沖寬度受產(chǎn)品結(jié)溫度和產(chǎn)品工藝擴(kuò)散影響，這導(dǎo)致關(guān)于輸出電流I2的不可接受的大的擴(kuò)散。這種擴(kuò)散的一些可由反饋系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償。然而，測量高頻開關(guān)信號具有有限的準(zhǔn)確度，從而限制這種反饋系統(tǒng)的性能。

發(fā)明內(nèi)容
通過將開關(guān)信號施加到與電流鏡的參考電路和輸出電路二者中的晶體管串聯(lián)的接地通路開關(guān)，電流鏡電路展現(xiàn)出改進(jìn)的電流匹配。開關(guān)信號可以包括可以被調(diào)相的高頻信號例如射頻(RF)載波。通過由解碼的數(shù)字調(diào)制數(shù)據(jù)使施加到每個對應(yīng)的串聯(lián)連接的接地通路開關(guān)的開關(guān)信號符合要求，可以選擇性地使能多個匹配的、并聯(lián)連接的輸出晶體管。在一個實(shí)施例中，調(diào)制數(shù)據(jù)被解碼為溫度碼(thermometer-coded)表示。在一個實(shí)施例中，開關(guān)信號通路基本上與參考和輸出電路相同。一個實(shí)施例涉及高頻調(diào)制電流鏡電路。該電路包括在輸出功率控制器與到信號地的開關(guān)通路之間的二極管連接的參考晶體管。該電路還包括在公共負(fù)載與到信號地的獨(dú)立開關(guān)通路之間的并聯(lián)連接的多個輸出晶體管，其中輸出晶體管的柵極都連接到該參考晶體管的柵極。該電路還包括:用作接收高頻信號的高頻輸入，以及用作接收和解碼數(shù)字調(diào)制碼的數(shù)字解碼器。多個邏輯功能與多個輸出晶體管關(guān)聯(lián)。每個邏輯功能用作接收高頻信號和解碼的調(diào)制碼的位。每個邏輯功能的輸出用作控制輸出晶體管的相應(yīng)的接地通路開關(guān)。另一個實(shí)施例涉及在電流鏡電路中調(diào)制高頻信號的方法。通過經(jīng)由受高頻信號控制的開關(guān)來將晶體管選擇性地耦接到信號地，從而控制流過二極管連接的參考晶體管的電流。通過經(jīng)由受高頻信號和數(shù)字調(diào)制碼控制的相應(yīng)開關(guān)將晶體管的一些選擇性地耦接到信號地，來被選擇性地控制流過并聯(lián)連接的并具有公共負(fù)載的多個輸出晶體管中的一些的電流，其中輸出晶體管的柵極全部連接到參考晶體管的柵極。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的電流鏡電路的示意圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的電流鏡電路的功能示意圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的具有多個輸出晶體管單元的電流鏡電路的功能示意圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的具有多個輸出晶體管單元和改善匹配的電流鏡電路的功能不意圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例在電流鏡電路中調(diào)制高頻信號的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式圖2描繪了改進(jìn)的電流鏡電路10，其中為解釋清楚起見，保留來自圖1的現(xiàn)有技術(shù)電路的晶體管符號。注意到，雖然描述的晶體管是NM0SFET，但這不是本發(fā)明的限制，并且可以利用其它晶體管類型。電流鏡電路10被配置為射頻(RF)放大器。在參考電路中由線性功率控制電路12控制輸出功率，以控制流過二極管連接的參考晶體管M1和關(guān)聯(lián)的串聯(lián)連接的接地通路開關(guān)M3的電流1:。如本領(lǐng)域已知的那樣，二極管連接的晶體管是在柵極節(jié)點(diǎn)和漏極節(jié)點(diǎn)之間短路的晶體管。如在現(xiàn)有技術(shù)中，輸出晶體管M2與參考晶體管M1的柵極連接造成柵極-源極電壓相等(Vgsl = Vgs2)，導(dǎo)致了流過輸出晶體管M2和其串聯(lián)連接的接地通路開關(guān)M4的成比例電流12。電感負(fù)載14將輸出信號驅(qū)動到天線16。在電流鏡電路10中，兩個接地通路開關(guān)MjPM4由從開關(guān)控制功能18生成的信號來控制。通常，開關(guān)信號是由于處理、溫度變化等而造成的具有有限的上升/下降時間和未知的占空比的高頻信號(例如RF)。通過將開關(guān)信號施加到參考電路的接地通路開關(guān)M3和輸出電路的接地通路開關(guān)M4，維持了在參考電流I1和輸出電流I2之間的匹配，這是因?yàn)殚_關(guān)信號的變化被等同地施加到電流鏡的兩側(cè)。當(dāng)M2和M4分別匹配乂和M3并且相同開關(guān)信號被施加到M3和M4時，I2 = 1工。在圖2的電路中，輸出電流I2以及因此的電流比I2A1，可通過改變輸出晶體管M2相對于參考晶體管M1的有效尺寸(例如通過并聯(lián)連接兩個或更多個輸出晶體管)來縮放。通過將并聯(lián)的輸出晶體管M2獨(dú)立地切換進(jìn)和切換出電路，電流比I2A1可被動態(tài)控制。這需要用于每個并聯(lián)連接的輸出晶體管M2的單獨(dú)接地通路開關(guān)M4。除了獨(dú)立地使能輸出晶體管M2的能力之外(即，甚至對于固定的電流比配置)每個輸出晶體管M2應(yīng)該與接地通路開關(guān)M4串聯(lián)連接，這是因?yàn)殚_關(guān)M3和M4的串聯(lián)電阻影響鏡的匹配。在利用并聯(lián)的輸出晶體管的一個實(shí)施例中，圖2的RF放大器實(shí)現(xiàn)適于用在例如藍(lán)牙 發(fā)送器中的極性調(diào)制器。在本實(shí)施例中，包括輸出晶體管M2和串聯(lián)連接的接地通路開關(guān)M4的輸出電路20，可以被復(fù)制并與選擇性地切換進(jìn)和切換出輸出電路20的晶體管并聯(lián)連接，以動態(tài)地改變電流比12/%。特別地，相位信息被調(diào)制到2.45GHz的載波信號上，由輸入到控制功能18的RF表示。該RF信號用于控制所有接地通路開關(guān)M3、M4的切換。也輸入到開關(guān)控制功能18的二進(jìn)制調(diào)幅(AM)碼被解碼并且單獨(dú)的位連同調(diào)相的RF載波一起被施加到并聯(lián)輸出接地通路開關(guān)M4。這個放大器電路在圖3中更詳細(xì)地描述。參考電路19中的線性功率控制電路12通過控制施加到二極管連接的參考晶體管M1的電壓來控制施加到負(fù)載14和天線16的信號的輸出功率。這確定了參考電路19中的電流I1，其被輸出電路20中的總計(jì)為I2的電流鏡像。電流鏡的輸出電路20包括多個并聯(lián)連接的輸出單元22 (在一個實(shí)施例中，255個輸出單元22)。每個輸出單元22包括:柵極連接到參考晶體管M1的輸出晶體管M2,被配置為用作開關(guān)的串聯(lián)連接的接地通路晶體管M4，以及向接地通路開關(guān)仏施加開關(guān)信號的邏輯功能24。輸出單元22是彼此組件匹配的。此外，輸出晶體管M2和接地通路開關(guān)晶體管M4分別匹配參考晶體管M1和接地通路開關(guān)晶體管M3。如本文中使用的，組件匹配意味著在集成電路(IC)中實(shí)現(xiàn)的單元的有源特征的物理尺寸、導(dǎo)線長度、布局、環(huán)境等等是盡可能緊密匹配的。組件匹配的一個已知方法是在庫中建立代表電路例如輸出單元22，并且在IC芯片上“實(shí)例化”或創(chuàng)建同一庫單元的多個實(shí)例，以創(chuàng)建多個實(shí)際的組件匹配的單元22。 解碼器26接收二進(jìn)制AM數(shù)據(jù)(例如以8位字節(jié))。解碼器將8位AM數(shù)據(jù)解碼成例如255個溫度碼位。一個這樣的位被施加到每個相對應(yīng)的輸出單元22的邏輯功能24。調(diào)相的RF載波信號被施加到邏輯功能24的另一輸入。在(例如其中解碼器26的輸出為正邏輯的)一個實(shí)施例中，每個邏輯功能24實(shí)現(xiàn)在對應(yīng)的解碼的AM位和RF載波信號之間的邏輯“與”(AND)。在這種情況下，當(dāng)對應(yīng)的解碼的AM位是邏輯I時，RF載波信號被施加到每個輸出單元22中的接地通路開關(guān)晶體管M4的柵極。RF載波信號還被施加到在參考電路19中的接地通路開關(guān)晶體管M3的柵極。因此，對于具有對應(yīng)的“使能的”解碼的AM位的每個輸出單元22，單元22中的電流與通過參考晶體管M1的電流匹配。因?yàn)檩敵鰡卧?2是并聯(lián)連接的，所以這些電流在輸出14處加和。對于對應(yīng)的解碼的AM位是邏輯零的每個輸出單元22，接地通路開關(guān)M4斷開，并且沒有電流流入單元22。因而，施加到負(fù)載14的輸出電流的幅度由數(shù)字AM調(diào)制碼來確定。特別地，輸出電流是參考電流的整數(shù)倍，乘數(shù)是使能的輸出單元22的數(shù)量。注意到，提供255個輸出單元22以及將8位AM數(shù)據(jù)解碼成溫度碼表示，提供了最大的控制粒度，這是因 為總和電流I2的幅度可以取255個值中的任意一個。然而，這不是本發(fā)明的限制性特征。在其它實(shí)施例中，可以利用不同的數(shù)字編碼或碼的組合(例如，二進(jìn)制組合和溫度碼)。這在具有輸出電流I2幅度的控制粒度的某些喪失的情況下，可以通過提供少于255個輸出單元22來減少電流鏡電路的硅面積。圖4描繪了具有更大匹配的、以及因此更穩(wěn)定的和可預(yù)測的輸出電流I2的電流鏡放大器電路。在本實(shí)施例中，參考電路19將相同的組件匹配的單元22用作并聯(lián)連接的輸出電路20。即，參考晶體管M1和串聯(lián)連接的接地通路開關(guān)晶體管M3不但分別緊密匹配輸出晶體管M2和接地通路開關(guān)晶體管M4,而且它們基本上是相同的。例如，單元22優(yōu)選是來自庫中的相同布局單元的實(shí)例。此外，單元22以及因此的參考電壓電路19，包括邏輯功能
24。為了在所有時間都使能參考電路19，邏輯功能24的一個輸入被綁定為靜態(tài)使能值，例如在“與”門情況下的邏輯I。這確保了施加到參考接地通路開關(guān)晶體管M3的柵極的RF開關(guān)信號與施加到每個使能的輸出單元22的接地通路開關(guān)晶體管M4精確匹配(例如，基本上相同的傳播延遲、扇出(fan-out)、驅(qū)動強(qiáng)度、電容負(fù)載,等等)。圖5描繪了在電流鏡電路中調(diào)制高頻信號的方法100。高頻信號(例如調(diào)相的RF載波信號)被接收(方框102)。高頻信號被施加到與參考晶體管串聯(lián)的接地通路開關(guān)(例如被配置用作開關(guān)的晶體管)，以控制通過參考晶體管的電流(方框104)。數(shù)字調(diào)制數(shù)據(jù)(例如調(diào)幅數(shù)據(jù))被接收并解碼為例如溫度碼形式(方框106)。并聯(lián)連接的并且每個柵極連接到參考晶體管的多個輸出晶體管，通過將解碼的調(diào)制數(shù)據(jù)和高頻信號的邏輯功能(例如“與”)施加到與每個輸出晶體管串聯(lián)的接地通路開關(guān)(例如被配置為用作開關(guān)的晶體管)，來被選擇性地使能，以控制通過輸出晶體管的電流(方框108)。使能的輸出晶體管的電流(其每個均與通過參考晶體管的電流成比例)隨后被加和，以形成調(diào)制的輸出電流。在無需任何反饋機(jī)制的情況下，如本文中公開的電流鏡電路相比于現(xiàn)有技術(shù)的電流鏡，展現(xiàn)出優(yōu)異的電流匹配。通過使用相同或緊密關(guān)聯(lián)的開關(guān)信號來開關(guān)電流鏡的參考電路和輸出電路二者，開關(guān)信號的變化(例如有限的上升/下降時間和未知的占空比)不惡化地影響電流匹配，這是因?yàn)橥瑯拥男Ч粚?shí)現(xiàn)在電流鏡的每一側(cè)。通過輸出單元彼此之間以及與參考電路密切匹配、并且經(jīng)由解碼的調(diào)制數(shù)據(jù)而有選擇地使能輸出單元，本發(fā)明的實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了具有可預(yù)測的、性能穩(wěn)定的和操作高效的調(diào)制放大器。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地意識到，本文中教導(dǎo)的發(fā)明概念的許多變化是欣然可以的，并且落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。例如，邏輯功能24可以如需要或期望的那樣由與解碼器26產(chǎn)生的對應(yīng)的邏輯電平的任何邏輯與來實(shí)現(xiàn)，所述邏輯包括“與”、“與非”(NAND)、“或”(OR)、“或非” (NOR)、“異或” (XOR)、或“異或非” (XNOR)功能或它們的組合。此外，解碼器26可以將調(diào)制數(shù)據(jù)解碼為除溫度碼值之外的表示。此外，雖然本文中的代表電路具有作為放大器的實(shí)用性，但從公開中顯然地，相同的發(fā)明原理可以適于實(shí)現(xiàn)其它電路功能例如簡單的數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換(DAC)。通常，在不脫離本發(fā)明的本質(zhì)特性的情況下，本發(fā)明可以以本文中具體闡述的方式之外的其它方式來實(shí)現(xiàn)。本實(shí)施例在所有方面中都被認(rèn)為是說明性的而非限制性的，并且來自所附權(quán)利要求的含義和等效范圍內(nèi)的所有變更都旨在被包含在其中。
權(quán)利要求
1.一種高頻調(diào)制電流鏡電路，包括: 在輸出功率控制器與到信號地的開關(guān)通路之間的二極管連接的參考晶體管； 在公共負(fù)載與到信號地的獨(dú)立開關(guān)通路之間的并聯(lián)連接的多個輸出晶體管，輸出晶體管的柵極都連接到參考晶體管的柵極； 用作接收高頻信號的高頻輸入； 用作接收和解碼數(shù)字調(diào)制碼的數(shù)字解碼器；以及 與多個輸出晶體管對應(yīng)的多個邏輯功能，每個邏輯功能用作接收高頻信號和解碼的調(diào)制碼的位，每個邏輯功能的輸出用作控制輸出晶體管的相應(yīng)的接地通路開關(guān)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中參考晶體管和接地通路開關(guān)與多個輸出晶體管和接地通路開關(guān)的每個，被形成為組件匹配的單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中每個邏輯功能實(shí)現(xiàn)邏輯“與”功能。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中高頻信號包括射頻(RF)載波信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電路，其中RF載波信號是被調(diào)相的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中數(shù)據(jù)調(diào)制碼包括幅度調(diào)制數(shù)據(jù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電路，其中電流鏡電路實(shí)現(xiàn)極性調(diào)制器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中高頻信號用作直接控制參考晶體管的接地通路開關(guān)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，還包括額外邏輯功能，其將相同邏輯實(shí)現(xiàn)為多個邏輯功能，從而用于接收高頻信號和靜態(tài)使能值，額外邏輯功能的輸出用作控制參考晶體管的接地通路開關(guān)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電路，其中組件匹配的單元還包括相應(yīng)的邏輯功能。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中解碼的調(diào)制碼是溫度碼。
12.—種在電流鏡電路中調(diào)制高頻信號的方法，包括: 通過經(jīng)由受高頻信號控制的開關(guān)來將晶體管選擇性地耦接到信號地，從而控制流過二極管連接的參考晶體管的電流；以及 通過經(jīng)由受高頻信號和數(shù)字調(diào)制碼控制的相應(yīng)開關(guān)而將晶體管中的一個或多個選擇性地耦接到信號地，來被選擇性地控制流過并聯(lián)連接的并具有公共負(fù)載的多個輸出晶體管中的一個或多個晶體管的電流，其中輸出晶體管的柵極全部連接到參考晶體管的柵極。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中參考晶體管、輸出晶體管和它們相應(yīng)的接地通路開關(guān)，被形成為組件匹配的單元。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中選擇性地控制流過輸出晶體管中的一些的電流包括:使用施加到高頻信號和數(shù)字調(diào)制碼的邏輯操作的輸出來控制接地通路開關(guān)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中邏輯操作是邏輯“與”功能。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括接收數(shù)字調(diào)制數(shù)據(jù)以及對數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼以生成數(shù)字調(diào)制碼。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中數(shù)字調(diào)制碼是溫度碼。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中通過經(jīng)由受高頻信號控制的開關(guān)來將晶體管選擇性耦接到信號地從而控制流過二極管連接的參考晶體管的電流包括:使用高頻信號來直接控制接地通路開關(guān)。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中通過經(jīng)由受高頻信號控制的開關(guān)來將晶體管選擇性耦接到信號地從而控制流過二極管連接的參考晶體管的電流包括:使用在高頻信號和靜態(tài)使能信號上施加的邏輯操作的輸出來控制接地通路開關(guān)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中邏輯操作是邏輯“與”功能，并且靜態(tài)使能信號是邏輯“I”。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中組件匹配的單元還包括實(shí)現(xiàn)邏輯操作的電路。
22.根據(jù)權(quán) 利要求12所述的方法，其中高頻信號是調(diào)相的射頻(RF)信號。
全文摘要
通過將開關(guān)信號施加到與電流鏡的參考通路和輸出通路二者中的晶體管串聯(lián)的接地通路開關(guān)，電流鏡電路展現(xiàn)出改進(jìn)的電流匹配。開關(guān)信號可以包括可被調(diào)相的高頻信號?？梢酝ㄟ^由解碼的數(shù)字調(diào)制數(shù)據(jù)使施加到每個對應(yīng)的串聯(lián)連接的接地通路開關(guān)的開關(guān)信號符合要求，來選擇性使能多個匹配的、并聯(lián)連接的輸出晶體管。在一個實(shí)施例中，調(diào)制數(shù)據(jù)被解碼為溫度碼表示。在一個實(shí)施例中，開關(guān)數(shù)據(jù)通路與參考和輸出電路相同。
文檔編號G05F3/26GK103201697SQ201180046727
公開日2013年7月10日 申請日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月30日
發(fā)明者諾貝特·范登博斯, 羅蘭·海嘉, 亨德里克·菲瑟 申請人:意法愛立信有限公司