本专利申请接收2017年1月26日提交的标题为“推挽式差分对和共模反馈电路”的美国临时专利申请序列No.62/451,042的权益和/或要求优先权。该美国临时专利申请通过引用整体并入。
技术领域
本发明涉及集成电路领域，特别地涉及具有背栅控制的共模反馈电路。
背景技术：
直接射频通信系统和宽带宽仪器系统是设计超高速模数转换器(ADC)的两个重要动力来源。在一个例子中，这样的系统可能需要能够提供以10千兆/秒的速度运行的12位分辨率的ADC。某些工艺节点可以帮助使这样的高速ADC中的电路运行得更快，但是会给电路设计人员带来新的挑战。例如，一些工艺节点可能需要较低的电压设计。功耗限制或降低功耗的一般偏好也可能需要较低的电压设计。与此同时，电路设计者的目标是设计性能良好的电路。
ADC的一个重要部分是用于放大信号的放大器。人们可能会发现连接流水线ADC或其他ADC架构的放大器。放大器是ADC中信号链和许多其他模拟电路的重要组成部分。放大器的性能可以直接影响整个系统的许多性能指标。
为了获得某些好处，例如偶次谐波消除，通常使用差分或平衡电路来实现放大器。对于包括差分缓冲器、差分放大器和推挽差分放大器的差分电路，可能需要调整差分电压的共模以获得最佳性能或整个电路的要求。差分电压的共模是出现在两个信号中的公共电压，即差分电压的+和-部分。当差分电路的多级逐级串联时，共模调整或控制可能特别有用，并且一级可能在另一级上施加共模要求。共模反馈(CMFB)电路用于调整/控制差分电压的共模。具体地，可以将CMFB电路(有时称为CMFB回路)添加到差分电路以调整差分电路的输入共模和/或输出共模。
附图说明
为了提供对本公开及其特征和优点的更完整的理解，参考以下结合附图的描述，其中相同的附图标记表示相同的部件，其中：
图1示出具有共模反馈的示例性差分放大器；
图2示出具有共模反馈的另一差分放大器；
图3根据本公开的一些实施方案示出具有背栅控制的带有共模反馈的示例性差分放大器；
图4根据本公开的一些实施方案示出具有背栅控制的带有共模反馈的另一示例性差分放大器；
图5根据本公开的一些实施方案示出具有背栅控制的带有共模反馈的另一示例性差分放大器；
图6根据本公开的一些实施方案示出具有背栅控制的带有共模反馈的又一示例性差分放大器；和
图7根据本公开的一些实施方案示出具有背栅控制的带有共模反馈的另外示例性差分放大器；和
图8根据本公开的一些实施方案示出用于共模反馈和背栅控制的方法的流程图。
具体实施方式
用于差分放大器的共模反馈(CMFB)回路检测差分电路的输出共模，并将反馈提供给尾电流晶体管的栅极。许多CMFB回路不能轻易调节输出共模电压，输出共模可能随工艺、电压和温度而变化。改进的CMFB电路增加了一个控制电路来控制差分电路的尾电流晶体管装置的背栅，使输出共模电压可调。
根据一些实施方案，改进的CMFB电路被提供给差分放大器，其中差分放大器包括差分对晶体管，差分对晶体管的栅极接收差分输入电压，差分对的晶体管的漏极形成生成差分输出电压的差分输出节点。差分放大器还包括一对尾电流晶体管(其漏极连接到差分对的各个晶体管的源极)。尾电流晶体管以负反馈配置连接，其中尾电流晶体管的栅极耦合到差分输出节点。CMFB电路的输出共模对应于尾电流晶体管的栅源电压。尾电流晶体管的背栅连接到控制电路或由控制电路驱动，使得栅极到源极电压可以调节。相应地，输出共模也是可调的并且可以跟踪过程、电压和温度。
在一些实施方案中，CMFB电路包括感测输出共模的感测电路和运算放大器(opamp)，其可以调整/控制尾电流晶体管的背栅电压以驱动感测的输出共模以匹配目标输出共同模式。在一个例子中，CMFB电路包括耦合到差分输出节点的感测电阻器以产生感测的输出共模电压，以及接收感测到的输出共模电压和目标共模电压的运算放大器。运放控制尾电流晶体管的背栅驱动感应输出共模匹配目标共模电压。在另一示例中，感测电路包括复制偏置电路以感测输出共模电压的副本，该副本又被用作在运算放大器的输入处的感测的共模电压，以用于驱动感测的共模电压匹配目标共模电压。在又一示例中，运算放大器控制主差分支路中的尾电流晶体管的背栅电压以及副本支路中的尾电流晶体管，以驱动感测输出共模以匹配目标输出共模。
一些CMFB电路的限制
图1显示了具有共模反馈(CMFB)的示例性差分放大器。差分放大器如图所示有一个低摆动。这种低摆动差分放大器通常用作两级放大器的输入级。晶体管m0和m1形成差分对，在此称为差分对晶体管。差分对晶体管的栅极接收差分输入电压。如图所示，m0的栅极接收差分输入电压的负极部分V(-)，m1的栅极接收差分输入电压的正极部分V(+)。此外，差分对晶体管具有可形成差分放大器的差分输出节点的漏极。如本例所示，m0的漏极和m1的漏极构成差分输出节点(表示为+Vout-，或在此称为正差分输出节点和负差分输出节点)。差分对晶体管m0和m1是在一个共同的源配置，或换言之，差分对晶体管的源被绑定/耦合在一起。图7显示了差分对晶体管进行编码的类似配置。
晶体管m2和m3是尾电流晶体管，可以构成差分放大器的CMFB电路的一部分。尾电流晶体管m2和m3的漏极分别与差分对晶体管m0和m1的源极连接。尾电流晶体管m2和m3的栅极连接到差分输出节点。如图所示，m2的门被连接到正的差分输出节点，m3的门被连接到负的差分输出节点。尾电流晶体管m2和m3是一个共同的源结构，或换言之，m2和m3的来源是连在一起的。尾电流晶体管m2和m3处于一个共同的排水结构，或换言之，m2和m3的排水管是连在一起的。在差分输出节点处的输出共模，负电流连接到尾电流晶体管m2和m3，输出共模电压设置为m2和m3的Vgs(栅源电压)。
对于差分对晶体管和尾电流晶体管，差分放大器包括用于为差分对晶体管(分别为m0和m1)的各个晶体管提供电流的电源I0和I1。
与图1所示电路相关的一个问题是由m2和m3的Vgs设置的输出共模是相当有限的。Vgs由器件参数决定，如Vt(阈值电压)、W/L(宽长比)和漏极电流。为了获得所需的Vgs，即放大器的输出共模，解决方案可能需要m2和m3的非最佳尺寸和漏极电流。另外，Vgs相对于工艺、电压和温度(PVT)的变化可能是不可接受的，因为这种变化可能会极大地影响输出共模。
图2显示了具有共模反馈的另一个差分放大器。这种Vgs限制的一个解决方案是插入电池或理想的电压源Vx202和Vx204。将电池插入正差分输出节点和m2的门电路之间以及负差分输出节点和m3的门电路之间，共模等于Vgs+Vx，Vx是由电压源或电池提供的电压。电池可以通过许多不同的电路技术来制造。通过使用如图所示的电池，可以实现所需的共模，同时保持一些最佳尺寸、漏极电流和Vgs的形式2和m3。然而，输出共模电压仍然会随着PVT而变化，在某些情况下可能不是最佳的或可接受的。除非Vx变化，否则输出共模电压不容易调整，这可能使电路设计复杂化很大。
背栅控制改进了CMFB电路
图3示出了根据本公开的一些实施方案具有背栅控制的共模反馈的示例性差分放大器。为了给CMFB电路提供更大的灵活性，包括控制电路302以控制尾电流晶体管m2和m3的背栅。调整m2和m3的背栅可以调整m2和m3的Vt和Vgs。如前面图1所解释的那样，输出共模被设置为m2和m3的Vgs。通过增加控制电路302，m2和m3的Vg可由控制电路302调整。控制电路302可以被设计为在相当宽的范围内改变m2和m3的Vgs，从而允许可调节的共模电压。控制电路302也可以设计成跟踪PVT。在一些例子中，一个控制电路302可以同时控制m2和m3的背栅。换言之，尾电流晶体管由来自控制电路302的公共输出控制。
控制电路302可以包括用于从差分放大器的差分输出节点产生共模反馈的装置，以及耦合到尾电流晶体管的背栅的控制装置，用于基于共模反馈改变差分放大器的输出共模电压。用于改变输出共模电压的装置包括用于驱动尾电流装置的背栅直到共模反馈达到目标输出共模电压的装置。图4-6说明了这种装置的示例性实现。
图4示出了根据本公开的一些实施方案具有背栅控制的共模反馈的另一种示例性差分放大器。具体地，图4示出了图3的控制电路302具有运算放大器(opamp)A1和共模感测电阻器R0和R1的实施例。输出共模电压VCMout由R0和R1检测。运算放大器A1产生一个输出电压Vbg，并驱动尾电流晶体管m2和m3的背栅直到差分输出节点的感测共模电压VCMout达到目标输出共模电压VCM。换句话说，opampA1驱动m2和m3的背栅直到VCMout＝VCM。
在一些例子中，电阻器R0和R1可能会降低输出端的差分增益，这在高增益阶段可能是不可取的。这些电阻器可以用一个开关电容器电路来解决这个问题。在一些例子中，复制偏见可以用来感知共同模式(如图5和图6所示)。再参照图4，控制电路可以设计成跟踪PVT，同时保持输出共模恒定且等于VCM，只要从m2和m3的背栅具有足够的增益到VCMout，并且运算放大器A1的摆动能够低于地电平。
图5示出了根据本公开的一些实施方案具有背栅控制的共模反馈的另一种示例性差分放大器。CMFB电路包括一个复合偏置电路，提供感测的共模电压VCMsense。复制偏置电路检测差分输出节点的输出共模电压。具体而言，复制偏置电路复制差分放大器的至少一部分。在这个例子中，复制偏置电路具有晶体管m4、尾电流晶体管m5和电流源I2。晶体管m4，尾电流晶体管m5和电流源I2的大小与差分放大器中的器件(即，m0、m2、I0和m1、m3和I1)具有相同的电流密度。晶体管m4的门可以由输入共模电压VCMin驱动。运算放大器A1用Vbg伺服/驱动尾电流晶体管m2、m3和m5的背栅，直到VCMsense＝VCM。只要m2、m3和m5匹配且电流密度相同，VCMout(输出共模)也将等于VCM。
图5中看到的电路可以比图4的电路有一些优点。首先，由于在图5中没有电阻(例如R0和R1)检测共模，所以可以设计差分放大器以获得更高的增益。其次，共模感应电路与信号路径分离，因此可以免受大信号毛刺的影响。第三，也可以通过缩放来实现低功耗。
图5中的电路可以被设计成跟踪PVT，只要器件匹配，输出共模保持恒定并等于VCM，并且从背栅到VCMsense有足够的增益，并且运算放大器的摆动能够低于地电平。
图6示出了根据本公开的一些实施方案具有背栅控制的共模反馈的又一示例性差分放大器。在某些情况下，增益相对较低的情况下需要较大幅度的摆动。如图6所示，电阻R0和R1用于检测输出共模VCMout，VCMout用于驱动尾电流晶体管m2的(前)栅极。控制电路具有运算放大器A1和复制偏置(包括电流源I2、晶体管m4和尾电流晶体管m5)。VCM是目标共模电压。控制电路，即opampA1提供Vbg，驱动尾电流晶体管m2的背栅，并且复制尾电流晶体管m5，直到m5(VCMsense节点)的Vgs达到VCM。如果晶体管m2和晶体管m5匹配且电流密度相等，晶体管m0、晶体管m1和晶体管m4匹配且电流密度相等，则输出共模电压VCMout也等于VCM。
图7示出了根据本公开的一些实施方案具有背栅控制的共模反馈的进一步示例性差分放大器。在存在足够的净空的一些实施例中，对差分对晶体管进行编码或主动级联。如图7所示，共源共栅晶体管m6和共发射极转换器m7分别被加到m0和m1上。换言之，差分对晶体管级联。m6和m7的栅极可以分别由适当的偏置电压Vb1和Vb2(可以是不同的电压或相同的电压)来驱动，以确保正确的操作。m6和m7的源极分别连接到m0和m1的漏极。m6的漏极和m7的漏极形成差分输出节点(表示为+Vout-，或在此称为正差分输出节点和负差分输出节点)。m2和m3的门连接到m6和m7的相应的排水口。控制电路302可以包括感测m6和m7的漏极处的输出共模电压的电路。添加共源共栅晶体管m6和m7可以提高差分放大器的性能。背栅控制的功能与图3-6所示的实施例相同或相似。
参考图4，共模感测电阻R0和R1可以在差分输出节点上感测输出共模电压VCMout。在图7的情况下，当差分对晶体管如图7所示级联时，差分输出节点在m6和m7(共源共栅晶体管)的漏极处，并且R0和R1将分别连接到m6和m7。
参考图5和图6，复制偏置电路复制差分放大器的至少一部分。在图7的情况下，当差分对晶体管如图7所示进行编码时，复制偏置电路也将复制共源共栅晶体管。例如，复制偏置电路可以复制I0、m6、m0和m2，或者复制I1、m7、m1和m3。
用于具有背栅控制的CMFB的示例性方法
图8示出了根据本公开的一些实施方案说明用于差分放大器的共模反馈和背栅控制的方法的流程图。在802中，接收差分放大器的差分输出节点的共模反馈。换言之，将输出共模的反馈提供给控制电路。在某些情况下，共模反馈是由耦合到差分输出节点的感测电阻器产生的。对于某些情况，共模反馈是由复制偏置电路感测差分输出节点的输出共模电压的副本产生的。在804中，控制电路基于共模反馈和目标输出共模电压驱动差分放大器的一个或多个尾电流晶体管的一个或多个背栅。在一些例子中，控制电路可以根据共模反馈和目标输出共模电压来驱动复制偏置电路中的另一个尾电流晶体管的背栅。
在804中，驱动所述的一个或多个背栅可以包括在一个或多个背栅处改变电压，直到共模反馈达到目标输出共模电压。在一些实施方案中，驱动所述的一个或多个背栅可以包括将栅极改变为尾电流晶体管的源极电压和/或阈值电压。在一些实施方案中，驱动所述的一个或多个背栅可以包括对尾电流晶体管的源极电压和/或阈值电压的变化的栅极，通过以下一项或多项来改变：功率、电压和温度。结果是，背栅控制为差分放大器提供了变量输出共模电压。控制电路可以设计成跟踪PVT，同时保持输出共模恒定并等于目标输出共模电压。
在一些实施方案中，该方法包括在差分放大器的差分对晶体管上接收差分输入电压，其中差分对晶体管的漏极形成差分放大器的差分输出节点。差分对晶体管在图中被看作是m0和m1。在一些实施方案中，一个或多个尾电流晶体管的一个或多个栅极耦合到差分输出节点。换言之，尾电流晶体管处于负反馈配置，如图所示。在一些实施方案中，一个或多个尾电流晶体管的一个或多个门由共模反馈驱动(例如，如图6所示)。
例子
例子1是一种具有共模反馈和背栅控制的差分放大器，包括：差分对晶体管，其栅极接收差分输入电压；尾电流晶体管，其漏极连接到所述晶体管的差分对的各个源极，并且其栅极连接到所述差分放大器的差分输出节点；和控制电路，控制所述尾电流晶体管的背栅。在一些例子中，差分对晶体管的漏极可形成差分放大器的差分输出节点。在一些例子中，差分对晶体管级联，因此级联晶体管的漏极形成差分放大器的差分输出节点。在一些例子中，提供单一尾电流晶体管(参见图6)。
在例子2中，例子1的差分放大器还可包括为所述差分对晶体管的各个晶体管提供电流的电源。
在例子3中，例子1或2的差分放大器还可包括：具有耦合在一起的来源的差分对晶体管。
在例子4中，例子1-3中任一者的差分放大器还可包括：所述尾电流晶体管具有耦合在一起的来源。
在例子5中，例子1-4中任一者的差分放大器还可包括：所述尾电流晶体管由所述控制电路的公共输出控制。
在例子6中，例子1-5中任一者的差分放大器还可包括：所述控制电路包括：运算放大器，驱动所述尾电流晶体管的背栅直到所述差分输出节点的感测的共模电压达到目标输出共模电压。
在例子7中，例子6的差分放大器还可包括：所述感测的共模电压由复制偏置电路提供，该复制偏置电路感测所述差分输出节点的输出共模电压的副本。
例子8是一种用于差分放大器的共模反馈和背栅控制的方法，该方法包括：接收所述差分放大器的差分输出节点的共模反馈；和基于所述共模反馈和目标输出共模电压，驱动所述差分放大器的一个或多个尾电流晶体管的一个或多个背栅。
在例子9中，例子8的方法还可包括：通过耦合到所述差分输出节点的感测电阻器产生共模反馈。
在例子10中，例子8或9的方法还可包括：通过感测差分输出节点的输出共模电压的副本的复制偏置电路来产生共模反馈。
在例子11，例子8-10中任一者的方法还可包括：基于共模反馈和目标输出共模电压来驱动复制偏置电路中的另外尾电流晶体管的背栅。
在例子12，例子8-11中任一者的方法还可包括：在一个或多个背栅处改变电压直到共模反馈达到目标输出共模电压。
在例子13，例子8-12中任一者的方法还可包括：将栅极改变为尾电流晶体管的源极电压和/或阈值电压。
在例子14中，例子8-13中任一者的方法还可包括：通过以下一种或多种来改变栅极到所述尾电流晶体管的源极电压和/或阈值电压：功率、电压和温度。
在例子15中，例子8-14中任一者的方法还可包括：在所述差分放大器的差分对晶体管处接收差分输入电压，其中所述差分对晶体管的漏极形成所述差分放大器的差分输出节点。
在例子16中，例子8-15中任一者的方法还可包括：所述一个或多个尾电流晶体管具有耦合所述差分输出节点的栅极。
在例子17中，例子8-16中任一者的方法还可包括：所述一个或多个尾电流晶体管具有由所述共模反馈驱动的栅极。
例子18是设备，包括：差分放大器；构件，用于从所述差分放大器的差分输出节点产生共模反馈；和控制构件，耦合尾电流晶体管的背栅以基于所述共模反馈来改变所述差分放大器的输出共模电压。
在例子19中，例子18的设备还可包括：所述改变输出共模电压的控制构件包括用于驱动尾电流装置的背栅直到共模反馈达到目标输出共模电压的构件。
在例子20中，例子18或19的设备还可包括：用于产生共模反馈的构件包括复制差分放大器的至少一部分的电路。
例子21是设备，包括用于实施和/或执行例子8-17的方法中任一者的构件。
变化、应用和实施
ADC可以在许多地方找到，例如宽带通信系统、音频系统、接收机系统等。为了数据处理目的，ADC可以转换表示真实世界现象(例如光、声音、温度或压力)的模拟电信号。设计一个ADC是一项不重要的任务，因为每个应用在性能、功耗、成本和尺寸方面可能有不同的需求。ADC广泛应用于通信、能源、医疗保健、仪器仪表和测量、电机与动力控制、工业自动化以及航空航天/国防等领域。
注意，以上参照本公开的附图讨论的活动可以适用于用于数据转换的任何集成电路。例如，像这里所示的具有差分放大器的ADC可以受益于这里描述的共模反馈电路。在某些情况下，本文讨论的特征可适用于医疗系统、科学仪器、无线通信和有线通信、雷达、工业过程控制、音频和视频设备、电流感测、仪器等。
在本公开实施例的讨论中，电容器、时钟、DFF、分频器、电感器、电阻器、放大器、开关、数字核心、晶体管和/或其他组件可以容易地被替换、替代或以其他方式修改以适应特定的电路需求。此外，应该注意的是，使用互补的电子设备、硬件、软件等为实施本公开的教导提供了同样可行的选择。本领域技术人员可以理解，晶体管器件可以概括为具有三个主端子：漏极、源极和栅极的器件。漏极和源极可视为输入/输出端子，栅极可视为控制端子。晶体管器件也可以有背栅。背栅可以被认为是控制终端。
还必须指出的是，本文中概述的所有规格，尺寸和关系(例如，设备的数量等)仅仅是出于例子和教导的目的而提供的。在不脱离本公开的精神或所附权利要求的范围的情况下，这些信息可以有相当大的变化。这些规范仅适用于一个非限制性的例子，因此应该这样理解。在前面的描述中，已经参考特定的处理器和/或组件布置描述了实施例。在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可以对这些实施例进行各种修改和改变。因此，描述和附图被认为是说明性的而不是限制性的。
注意，利用这里提供的许多例子，可以用两个、三个、四个或更多个电子部件来描述交互。但是，这只是为了清楚起见和例子而已。应该认识到，系统可以以任何合适的方式被合并。沿着相似的设计替代方案，图中所示的任何组件、模块和元件可以以各种可能的配置进行组合，所有这些都清楚地在本说明书的宽范围内。在某些情况下，通过仅参考有限数量的电气元件来描述给定的一组流程的一个或多个功能可能更容易。应该理解的是，附图及其教导的电路是容易扩展的并且可以容纳大量的部件以及更复杂/复杂的布置和配置。因此，所提供的例子不应当限制电路的范围或者禁止将电路广泛的教导应用于无数其他架构。
注意，在本说明书中，包括在“一个实施例”、“例子实施例”、“实施例”、“另一个实施例”“一些实施例”“各种实施例”“其他实施例”“替代实施例”中的各种特征(例如元件、结构、模块、部件、步骤、操作、特性等)等旨在表示任何这样的特征被包括在本公开的一个或多个实施例中，但是在相同的实施例中可以或可以不必要组合。
注意到这一点也是重要的，这里描述的功能，例如与图8相关的功能，仅示出了可以由图中所示的电路执行的一些可能的功能。在适当的情况下，这些操作中的一些可以被删除或移除，或者这些操作可以在不脱离本公开的范围的情况下被相当大地修改或改变。另外，这些操作的时间可能会有相当大的改变。前面的操作流程是为了例子和讨论而提供的。本文描述的实施例提供了实质的灵活性，因为在不脱离本公开的教导的情况下可以提供任何合适的布置、年表、配置和时序机制。
本领域技术人员可以确定许多其他的改变、替换、变化和修改，并且本公开意图包括落入所附权利要求的范围内的所有这样的改变、替换、变化、更改和修改的权利要求。注意，上述设备的所有可选特征也可以关于本文所述的方法或过程来实现，并且该实例中的细节可以在一个或多个实施例中的任何地方使用。