專利名稱:單端輸入差動輸出的放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種單端輸入差動輸出的放大器(Single-endedinputdifferential output amplifier,亦稱為 balun amplifier)。
背景技術(shù)：
在通訊系統(tǒng)中，單端輸入差動輸出的放大器通常位于射頻系統(tǒng)最前端，接收來自天線的單端輸入信號。由于位在射頻系統(tǒng)最前端，這種放大器的設(shè)計應(yīng)該盡量降低其本身的噪聲。
圖I是一種傳統(tǒng)的單端輸入差動輸出的放大器100的電路圖。其中電流源Vs表不單端輸入信號，電阻Ru和Ru表示負(fù)載的阻抗。放大器100接收單端輸入信號Vs，利用N通 道金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管(n-channel metal oxide semiconductor field effecttransistor,以下簡稱NMOS晶體管W1所構(gòu)成的共柵極放大器(common gate amplifier)和NMOS晶體管M2所構(gòu)成的共源極放大器(common source amplifier)放大單端輸入信號Vs,并且將單端輸入信號Vs轉(zhuǎn)換成差動輸出訊號,在輸出端A和B輸出。
NMOS晶體管M1和M2會產(chǎn)生通道噪聲(channel noise)，造成放大器100內(nèi)部的噪聲電流。噪聲電流通過Ru和&，在輸出端A、B之間造成差動輸出信號的噪聲電壓。放大器100的設(shè)計可消除M1和M2所引起的部分噪聲。
對于M1的通道噪聲,放大器100利用Rs、Vgnil和Vgni2的匹配,使Ru和I^2的負(fù)載電流相同。其中Rs是天線端的阻抗，gffll和gm2分別是NMOS晶體管M1和M2的小信號模型的轉(zhuǎn)導(dǎo)值(transconductance)。在Ru和R1^相等的情況下，可以使輸出端A和B的噪聲電壓在差動輸出信號中互相抵消，藉此消除M1所引起的噪聲。
對于M2的通道噪聲,NMOS晶體管MjPM4的交叉稱接(cross-coupling)提高了看進(jìn)仏的源極(source)的阻抗艮，使仏的一部分噪聲電流經(jīng)由M2的輸出阻抗流入接地端，進(jìn)而減少通過Ru的噪聲電流，由此消除M2所引起的部分噪聲。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種單端輸入差動輸出的放大器，可以消除絕大部分的來自內(nèi)部晶體管的噪聲。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的單端輸入差動輸出的放大器，包括第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端、第二輸出端、第一模塊、以及第二模塊。其中，第一輸入端和第二輸入端分別接收一單端輸入信號，第一輸出端和第二輸出端提供一差動輸出信號。第一模塊耦接第一輸入端、第一輸出端和第二輸出端。第二模塊耦接第二輸入端、第一輸出端和第二輸出端。第一模塊和第二模塊分別經(jīng)由第一輸入端和第二輸入端接收單端輸入信號，分別放大此單端輸入信號，并且將單端輸入信號轉(zhuǎn)換為差動輸出信號。除了內(nèi)含的晶體管種類不同以外，第一模塊和第二模塊的電路對稱。
本發(fā)明另提出一種單端輸入差動輸出的放大器，包括第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端、第二輸出端、第一晶體管、第二晶體管、第三晶體管、以及第四晶體管。其中，第一輸入端和第二輸入端分別接收一單端輸入信號，第一輸出端和第二輸出端提供一差動輸出信號。第一晶體管稱接于第一輸入端和第一輸出端之間，自第一輸入端接收單端輸入信號，在第一輸出端輸出放大之后的單端輸入信號。第二晶體管耦接于第一輸入端和第二輸出端之間，自第一輸入端接收單端輸入信號，在第二輸出端輸出放大之后的單端輸入信號。第三晶體管耦接于第二輸入端和第一輸出端之間，自第二輸入端接收單端輸入信號，在第一輸出端輸出放大之后的單端輸入信號。第四晶體管耦接于第二輸入端和第二輸出端之間，自第二輸入端接收單端輸入信號，在第二輸出端輸出放大之后的單端輸入信號。
上述單端輸入差動輸出的放大器巧妙地利用四個晶體管和其它組件之間的耦接關(guān)系，具有電路簡單和低噪聲的特性。


圖I是公知的一種單端輸入差動輸出的放大器的電路圖。圖2是依照本發(fā)明一實(shí)施例的一種單端輸入差動輸出的放大器的電路圖。
圖3和圖4是圖2的單端輸入差動輸出的放大器的消除通道噪聲的示意圖。
圖5是依照本發(fā)明另一實(shí)施例的一種單端輸入差動輸出的放大器的電路圖。
圖6是依照本發(fā)明另一實(shí)施例的一種單端輸入差動輸出的放大器的電路圖。
附圖中主要組件符號說明
100、200 :單端輸入差動輸出的放大器
210 :第一模塊
220 :第二模塊
250:天線端電路
500、600 :單端輸入差動輸出的放大器
A、B:輸出端
BpB2:偏壓電路
C1-C6 電容
GND :接地端
I1, I2 :輸入端
IA、IB、Ic、ID、IE、IF、In、In'、In":噪聲電流
LpL2:電感
M1、M2、M3、M4 :晶體管
O1'O2 :輸出端點(diǎn)
R1-R8, Rl、Rli、Rl2, Rs 電阻
Ra、Rc:阻抗
ro3> ro4 晶體管的輸出阻抗
Vm、VB2:偏壓
VCC 電源端
Vn:噪聲電壓
Vs :單端輸入信號具體實(shí)施方式
為讓本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉實(shí)施例，并配合附圖作詳細(xì)說明如下。
圖2是依照本發(fā)明一實(shí)施例的一種單端輸入差動輸出的放大器200的電路圖。放大器200包括輸入端Ip I2、輸出端Op 02、電感Lp L2,電容C3、C4、以及模塊210、220。電感L1耦接于輸入端I1與電源端VCC之間。電感L2耦接于輸入端I2與接地端GND之間。電容C3耦接于輸入端I1和天線端電路250之間。電容C4耦接于輸入端I2和天線端電路250之間。模塊210耦接輸入端I1以及輸出端OpO215模塊220耦接輸入端I2以及輸出端OpO215
天線端電路250其中，Vs表示來自天線的單端輸入信號，Rs表示天線端電路250的等效阻抗。電容c3、C4分別將單端輸入信號Vs耦合至輸入端Ip 12。放大器200分別在輸入端I1U2接收單端輸入信號Vs，放大單端輸入信號Vs，并且將單端信號Vs轉(zhuǎn)換成差動信號，在輸出端OpO2輸出。電阻Rlj表不放大器200的負(fù)載阻抗?！?br>電感Lp L2的作用是抗流器(choke)，也就是傳遞直流信號，并且阻擋小信號。因此電感Lp L2對小信號而言有極大的阻抗。電感U、L2也可以用高阻抗(遠(yuǎn)大于Rs)的電阻取代。
模塊210包括P通道金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管(p-channel metaloxidesemiconductor field effect transistor,以下簡稱 PMOS 晶體管 WpM2、電容 C1、電阻札、以及偏壓電路PMOS晶體管M1耦接于輸入端I1和輸出端O1之間，PMOS晶體管M2耦接于輸入端I1和輸出端O2之間。電容C1耦接于輸入端I1和PMOS晶體管M2的柵極之間。電阻R1耦接PMOS晶體管M2的柵極。偏壓電路B1耦接電阻R1和PMOS晶體管M1的柵極。
PMOS晶體管M1構(gòu)成一個共柵極放大器，這個共柵極放大器自輸入端I1接收單端輸入信號Vs,在輸出端O1輸出放大之后的單端輸入信號Vs。PMOS晶體管M2構(gòu)成一個共源極放大器，這個共源極放大器經(jīng)由電容C1自輸入端I1接收單端輸入信號Vs,在輸出端O2輸出放大之后的單端輸入信號/。上述的共柵極放大器和共源極放大器的輸出極性相反，所以能將單端輸入信號/轉(zhuǎn)換為差動輸出信號，在輸出端OpO2輸出。偏壓電路B1提供上述的共柵極放大器和共源極放大器操作所需的偏壓。電阻R1并無電流通過，其作用是使PMOS晶體管M1和M2的柵極偏壓一致。
模塊220包括NMOS晶體管M3、M4,電容C2、電阻R2、以及偏壓電路B2。除了內(nèi)含的晶體管種類不同以外，模塊210和220的電路是對稱的。模塊220其中的匪OS晶體管M3、M4,電容C2、電阻R2、以及偏壓電路B2和模塊210其中的PMOS晶體管Α、Μ2、電容C1、電阻札、以及偏壓電路B1 —一對應(yīng)，有相同的耦接關(guān)系和功能，只是將輸入端I1換成輸入端12。因此模塊220的細(xì)節(jié)就不再贅述。
為了阻抗匹配，PMOS晶體管M1和NMOS晶體管M3的小信號模型的轉(zhuǎn)導(dǎo)值的并聯(lián)等效阻抗必須等于天線端電路250的等效阻抗Rs。本實(shí)施例中，l/gml和l/gm3各為Rs的兩倍，其中g(shù)ml和gm3分別是PMOS晶體管M1和NMOS晶體管M3的轉(zhuǎn)導(dǎo)值。
以下說明放大器200如何消除晶體管M1-M4的通道噪聲。圖3是放大器200消除M3的通道噪聲的示意圖。圖4是放大器200消除M4的通道噪聲的示意圖。為了簡潔起見，圖3和圖4省略了電阻R1和R20[0047]圖3當(dāng)中，電流源In表示NMOS晶體管M3的通道噪聲電流。噪聲電流In分為Ia和Ib兩路。流向M3自身的噪聲電流Ib會在M3的漏極(drain)抵消一部分In，使噪聲電流I1/小于In。電流I。也會在輸出端O1抵消一部分I/，使負(fù)載阻抗&的噪聲電流In"小于In,。M3的通道噪聲電流In在輸入端I1U2所產(chǎn)生的噪聲電壓Vn會造成分別流經(jīng)晶體管仏和M4的電流Id和Ie，進(jìn)而造成流經(jīng)負(fù)載阻抗&的電流IF。電流If可以抵消大部分的噪聲電流In "，因此消除輸出端O1、O2之間的輸出噪聲電壓。以上就是放大器200消除NMOS晶體管M3的通道噪聲的機(jī)制，PMOS晶體管M1的通道噪聲也是利用相同的機(jī)制消除。
圖4當(dāng)中，電流源In表示NMOS晶體管M4的通道噪聲電流，1"。3和1*。4分別表示晶體管M2和M4的輸出阻抗。如果沒有電容Cp C2的耦合路徑，由于電阻Rs耦接PMOS晶體管M1和仏的源極，從右邊看進(jìn)&的等效電阻Ra會非常大，使得流經(jīng)&的噪聲電流非常小。電容C1, C2的耦合路徑會稍微降低等效電阻Ra，不過降低后的等效電阻Ra仍然遠(yuǎn)大于輸出阻抗ro3和1"。4。電阻分流的效應(yīng)會使M4的通道噪聲電流In僅在&產(chǎn)生很小的噪聲電流，因此在 輸出端O1和O2之間僅造成很小的噪聲電壓。以上就是放大器200抑制NMOS晶體管M4的通道噪聲的機(jī)制，PMOS晶體管M2的通道噪聲也是利用相同的機(jī)制來加以抑制。
雖然晶體管M1-M4都會產(chǎn)生通道噪聲，但是放大器200的電路設(shè)計可以消除絕大部分的輸出噪聲電壓，因此放大器200有極佳的低噪聲效能。
圖5是依照本發(fā)明另一實(shí)施例的一種單端輸入差動輸出的放大器500的電路圖。放大器500和圖2的放大器200的不同的處是用電容C5、C6和電阻R3-R8組成偏壓電路，以提供晶體管M1-M4操作所需的偏壓。其中，電阻R3耦接輸出端O1,電阻R4耦接于電阻R3與PMOS晶體管M1的柵極之間，電阻R5耦接于電阻R3與NMOS晶體管M3的柵極之間。電阻R6耦接輸出端02，電阻R7耦接于電阻R6與PMOS晶體管M2的柵極之間，電阻R8耦接于電阻R6與NMOS晶體管M4的柵極之間。電容C5耦接于PMOS晶體管M1的柵極與電源端VCC之間。電容C6耦接于NMOS晶體管M3的柵極與接地端GND之間。
晶體管M1和M3藉由電阻R3-R5連接成兩個串聯(lián)的二極管，晶體管M2和M4也藉由電阻R6-R8連接成兩個串聯(lián)的二極管。電阻R3-R8都有大電阻值，以避免影響M1-M4所構(gòu)成的放大器的操作。為了共柵極放大器的操作所需，電容C5、C6在小信號模型讓晶體管M1和M3的柵極接地。這種簡單的偏壓電路可以固定輸出端O1和O2的直流電壓，使放大器500不需要傳統(tǒng)而復(fù)雜的共柵極偏壓電路。
圖6是依照本發(fā)明另一實(shí)施例的一種單端輸入差動輸出的放大器600的電路圖。放大器600和圖5的放大器500的不同的處是增加了晶體管M1-M4的交叉耦接，也就是晶體管札的本體(body)耦接晶體管M2的源極(source)，晶體管M2的本體耦接晶體管M1的源極，晶體管M3的本體耦接晶體管M4的源極，晶體管M4的本體耦接晶體管M3的源極。以上的交叉耦接可以在小信號模型提高晶體管M1-M4的轉(zhuǎn)導(dǎo)值，以消除更多噪聲。
以上實(shí)施例的單端輸入差動輸出的放大器具有電路簡單、低噪聲、以及阻抗匹配的特點(diǎn)，其中每一個晶體管都有放大信號的功能。上述的單端輸入差動輸出的放大器利用自身的電路設(shè)計來消除噪聲，沒有會造成直流壓降的多余組件，可在電壓較低的電源的下操作。
雖然本發(fā)明已以實(shí)施例描述如上，然其并非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動與潤飾，故本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以申請的權(quán)利要求
范圍所界定的內(nèi)容 為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種單端輸入差動輸出的放大器,包括 一第一輸入端，接收一單端輸入信號； 一第二輸入端，接收該單端輸入信號； 一第一輸出端； 一第二輸出端，其中該第一輸出端和該第二輸出端提供一差動輸出信號； 一第一晶體管，稱接于該第一輸入端和該第一輸出端之間，構(gòu)成一第一共柵極放大器，自該第一輸入端接收該單端輸入信號，在該第一輸出端輸出放大之后的該單端輸入信號；一第二晶體管，稱接于該第一輸入端和該第二輸出端之間，構(gòu)成一第一共源極放大器，自該第一輸入端接收該單端輸入信號，在該第二輸出端輸出放大之后的該單端輸入信號；一第三晶體管，稱接于該第二輸入端和該第一輸出端之間，構(gòu)成一第二共柵極放大器，自該第二輸入端接收該單端輸入信號，在該第一輸出端輸出放大之后的該單端輸入信號；以及 一第四晶體管，I禹接于該第二輸入端和該第二輸出端之間，構(gòu)成一第二共源極放大器，自該第二輸入端接收該單端輸入信號，在該第二輸出端輸出放大之后的該單端輸入信號。
2.如權(quán)利要求
I所述的單端輸入差動輸出的放大器，其中，該第一晶體管和該第二晶體管為PMOS晶體管,該第三晶體管和該第四晶體管為NMOS晶體管。
3.如權(quán)利要求
I所述的單端輸入差動輸出的放大器，包括 一第一電容，稱接于該第一輸入端和該第二晶體管的柵極之間；以及 一第二電容，耦接于該第二輸入端和該第四晶體管的柵極之間。
4.如權(quán)利要求
I所述的單端輸入差動輸出的放大器，包括 一第一電阻，耦接該第二晶體管的柵極； 一第一偏壓電路，稱接該第一電阻的另一端和該第一晶體管的柵極，提供該第一共柵極放大器和該第一共源極放大器操作所需的偏壓； 一第二電阻，耦接該第四晶體管的柵極；以及 一第二偏壓電路，耦接該第二電阻的另一端和該第三晶體管的柵極，提供該第二共柵極放大器和該第二共源極放大器操作所需的偏壓。
5.如權(quán)利要求
I所述的單端輸入差動輸出的放大器，其中，該第一晶體管和該第三晶體管連接成兩個串聯(lián)的二極管，該第二晶體管和該第四晶體管也連接成兩個串聯(lián)的二極管。
6.如權(quán)利要求
5所述的單端輸入差動輸出的放大器,包括 一第三電阻，I禹接該第一輸出端； 一第四電阻，耦接于該第三電阻的另一端與該第一晶體管的柵極之間； 一第五電阻，耦接于該第三電阻的另一端與該第三晶體管的柵極之間； 一第六電阻，I禹接該第二輸出端； 一第七電阻，耦接于該第六電阻的另一端與該第二晶體管的柵極之間；以及 一第八電阻，耦接于該第六電阻的另一端與該第四晶體管的柵極之間。
7.如權(quán)利要求
I所述的單端輸入差動輸出的放大器，其中，該第一晶體管的本體耦接該第二晶體管的源極，該第二晶體管的本體耦接該第一晶體管的源極；該第三晶體管的本體耦接該第四晶體管的源極，該第四晶體管的本體耦接該第三晶體管的源極。
8.如權(quán)利要求
I所述的單端輸入差動輸出的放大器，包括 一第三電容，耦接于該第一輸入端和一天線端電路之間；以及 一第四電容，耦接于該第二輸入端和該天線端電路之間，其中該天線端電路提供該單端輸入信號。
9.如權(quán)利要求
8所述的單端輸入差動輸出的放大器，其中，該第一晶體管的轉(zhuǎn)導(dǎo)值和該第三晶體管的轉(zhuǎn)導(dǎo)值的并聯(lián)等效阻抗等于該天線端電路的等效阻抗。
10.如權(quán)利要求
I所述的單端輸入差動輸出的放大器，包括 一第一抗流器，耦接于該第一輸入端與一電源端之間，傳遞直流信號并阻擋小信號；以及 一第二抗流器，耦接于該第二輸入端與一接地端之間，傳遞直流信號并阻擋小信號。
11.如權(quán)利要求
10所述的單端輸入差動輸出的放大器，其中，該第一抗流器和該第二抗流器各包括一電感。
12.如權(quán)利要求
10所述的單端輸入差動輸出的放大器，其中，該第一抗流器和該第二抗流器各包括一電阻。
專利摘要
一種單端輸入差動輸出的放大器，包括第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端、第二輸出端、第一模塊以及第二模塊。其中，第一輸入端和第二輸入端分別接收一單端輸入信號，第一輸出端和第二輸出端提供一差動輸出信號。第一模塊耦接第一輸入端、第一輸出端和第二輸出端。第二模塊耦接第二輸入端、第一輸出端和第二輸出端。第一模塊和第二模塊分別經(jīng)由第一輸入端和第二輸入端接收單端輸入信號，分別放大此單端輸入信號，并且將單端輸入信號轉(zhuǎn)換為差動輸出信號。除了內(nèi)含的晶體管種類不同以外，第一模塊和第二模塊的電路對稱。
文檔編號H03F3/45GKCN102045033 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請?zhí)朇N 200910204055
公開日2013年2月6日 申請日期2009年10月12日
發(fā)明者李青峰 申請人:財團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (4),