专利名称：用于放大双极性信号的电子电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及低噪声信号放大的领域，更具体而言，不限制双极性电流信号，尤其是对称信号的放大。
用于信号放大的电流镜电路的使用在现有技术中是已知的。WO00/31604揭示了一种电流镜电路，其中将跨导级产生的电流分配给第一和第二半导体元件，使得保持输入电压接近于参考电压。这样显著减小了输入阻抗，从而获得大的带宽。然而，输入阻抗取决于半导体元件的电流放大系数，而该电流放大系数取决于输入电流。
WO02/19050揭示了一种电流镜电路，其中带宽对输入电流的依赖减小了。
图1示出了这种电流镜电路。
图1示出了电流镜级14的一个实施例。该电流镜电路包括电流输入端14A、电流输出端14B和公共端14C。输入端14A连接到光电二极管A，该光电二极管在这里表示为信号电流源Sph和寄生电容Cph的形式。输出端14B连接到负载Zi2。
第一可控半导体元件T1布置在电流输入端14A和公共端14C之间。第二可控半导体元件T2布置在电流输出端14B和公共端14C之间。半导体元件T1、T2经由负反馈电阻R2、R3连接到公共端。可控半导体元件T1、T2具有互相连接的控制电极T1A、T2A，该控制电极还耦合到偏置电压源VBIAS，该偏置电压源用于以参考电压偏置所述控制电极。
该电路还包括跨导级12，该跨导级具有耦合到电流输入端14A的输入12A和耦合到公共端14C的输出12B。
该电路的特征在于，互相连接的控制电极T1A、T2A经由第三可控半导体元件T3耦合到公共端，并且其特征还在于偏置电压源VBIAS经由第三可控半导体元件T3的控制电极T3A耦合到这些控制电极T1A、T2A。该互相连接的控制电极T1A、T2A还连接到电流源SI。
在所示的实施例中，跨导级12包括第五可控半导体元件T5，该第五可控半导体元件布置在跨导级的输出12B和地GND之间。第五可控半导体元件T5的控制电极耦合到另一可控半导体元件M0和电阻阻抗R1串联的公共端12D。电流源SI用于偏置第三和第五可控半导体元件T3和T5。
图1所示电路的运行如下所述。如果光电二极管向电流镜的输入端14A提供电流Iph，跨导级12将从电流镜的公共端14C提取电流Ic，使得经由输入端14A的电流Li1等于光电二极管A提供的电流Iph。
由T1和T2形成的电流镜的运行使得由第二可控半导体元件T2传送电流LO1。这两个电流的比为IO1∶Ii1＝P，P为可控半导体元件T1、T2的面积比。同时，可控半导体元件T1、T2的控制电极T1A、T2A分别传导电流Ib1、Ib2，使得Ii1＝αIb1且IO1＝αIb2。
由于第三可控半导体元件T3由电流源进行偏置，所以信号电流Ib1+Ib2将基本上从公共端12B经由半导体元件T3的主电流路径传导。因此这些信号电流Ib1、Ib2对由跨导级12提取的电流Ic基本上没有贡献。因此电流Ic为Ii1(1+P)。如果跨导级的放大率为gm，那么输入电阻总计为(1+P)/gm，该输入电阻与可控半导体元件T1、T2的电流放大率没有关系，其中1∶P是半导体元件和/或电容阻抗的面积比。
图1的现有技术电流镜电路的缺点在于，如果输入信号是双极性或者如果该电路与电源交流耦合，则信号路径中需要偏置电流Iph。这样输入信号中会增加大量噪声，从而降低电流镜电路的性能。
本发明提供了一种电子电路，用于放大双极性电流信号。该电子电路具有一对互补电流镜。该对电流镜在电子电路的输入端和输出端相互连接。当将双极性电流信号施加到输入端时，该对互补电流镜中的一个运行，同时另一个处于截止状态。例如，在双极性电流信号的正信号摆幅期间，该对互补电流镜中的第一电流镜运行，同时另一个电流镜关断；同样，当双极性电流信号的负信号摆幅出现时，所述运行的电流镜转变到关断状态，同时另一个电流镜变成运行。
本发明的一个具体优点是，所述电子电路可用于双极性、对称电流信号，而不需要在输入端加入任何DC偏置电流。因而本发明的电子电路具有低噪声特性，此特性使本发明尤其适合应用于医疗仪器、移动电话和诸如数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)的数字广播系统这些领域中。
根据本发明的一个优选实施例，将旁路电容耦合到电流镜。当输入端上施加的双极性电流信号的极性改变时，依靠旁路电容可以避免信号失真。旁路电容还有利于提高电路反馈环的稳定性。另一个优点是，依靠上述旁路电容，该电子电路的带宽变得与输入端上施加的双极性电流信号无关。旁路电容优选具有几个pF量级的小电容值。
根据本发明的另一优选实施例，该对互补电流镜中的每一个与一对负反馈电阻耦合。依靠该对负反馈电阻，提高了高电流时的匹配，同时减少了高电流时的散粒噪声。尤其当该对负反馈电阻与相应电流镜的基极-发射极电容串联连接时，还提高了反馈环的稳定性。
根据本发明的另一优选实施例，所述电子电路的输入端与提供反馈环的反馈晶体管的控制端耦合。该反馈晶体管优选使用NMOS型晶体管；也可以使用NPN型反馈晶体管。
根据本发明的另一优选实施例，通过与输入端连接的电阻将双极性电流信号施加到所述电子电路。由于输入端连接到虚地，所以在所述电子电路的输入端，耦合到输入端的所述电阻将双极性电流信号转换为双极性电流信号。
本发明的一个具体优点是，可以实现这样一种电子电路，如果输入端没有施加输入信号，低频噪声基本为零。这使得该电子电路可应用于零断续频率(IF，intermittent frequency)或者低IF接收器，例如移动电话、DAB、DVB和医疗系统。所述电子电路还可用于放大由无源MOS混频器提供的电流。
下文中将通过参考附图对本发明做更加详细的描述，其中
图1是现有技术电流镜电路的电路图；图2是本发明的电子电路的一个优选实施例的电路图；图3说明了在正信号摆幅期间，图2所示电子电路的运行；图4说明了在负信号摆幅期间，图2所示电子电路的运行；图5示出了用于放大双极性电压信号的电子电路的一个优选实施例；图6是电子电路的超声应用的框图。
图2示出了具有PNP电流镜202和互补NPN电流镜204的电子电路200。
PNP电流镜202具有PNP晶体管T2和T4以及负反馈电阻R2和R4。同样，NPN电流镜204具有晶体管T1和T3以及负反馈电阻R1和R3。
晶体管T1和T2的发射极连接到输入端206，晶体管T3和T4的集电极连接到输出端208。
另外，旁路电容C1、C2、C3和C4耦合到PNP电流镜202和NPN电流镜204。
反馈晶体管M1、晶体管T5、晶体管T6、晶体管T7和电容C6组成反馈环。电子电路200还具有偏置电流源Ib0和Ib1。注意，这些电流源都不处于信号路径上，从而避免将这些偏置电流源之一的噪声添加到在输入端206施加的输入信号中。
旁路电容C1、C2、C3和C4的益处是当输入端206的输入信号Iin的极性改变时可以避免信号失真。这些旁路电容还提高了反馈环的稳定性，并使电子电路200的带宽与输入信号Iin无关。
负反馈电阻R1、R2、R3和R4中的每一个与各自电流镜的基极-发射极电容串联连接，从而这些负反馈电阻进一步提高了反馈环的稳定性。这些负反馈电阻还提高了高电流时的匹配，并且减少了高电流时的散粒噪声。另外的有益效果是增加了电子电路200的DC输出阻抗。
电子电路200的DC增益如下
如果在输入端206施加的输入电流Iin低，则为T1(T2)面积和T3(T4)面积的比，如果输入电流Iin高，则为R1(R2)面积和R3(R4)面积的比。
电子电路200的高频增益如下如果输入电流Iin低，则为C1(C2)面积和C3(C4)面积的比，如果输入电流Iin高，则为R1(R2)面积和R3(R4)面积的比。
图3说明了当在输入端206上施加的输入电流Iin具有正信号摆幅时电子电路200的运行。在这种情况下，T2(T4)的发射极电压经由VB1、T1、R1、T7、T6、R2和R4被设定为等于VB2的电压。晶体管T2和T4关断。因此PNP电流镜202处于关断状态，同时NPN电流镜204处于运行状态。
图4说明了当加到输入端206上的输入电流Iin具有负信号摆幅时电子电路200的运行。在这种情况下，T1(T3)的发射极电压经由VB2、T2、R2、T6、T7、R1和R3被设定为等于VB1的电压。晶体管T1和T3关断。因此NPN电流镜202处于关断状态，而PNP电流镜202处于运行状态。
图2、3和4所示的电子电路200适合于放大双极性电流信号，尤其是放大对称电流信号。通过对双极性电压信号Uin进行电压—电流转换，也可以放大双极性电压信号Uin。
如图5所示，通过将电阻210耦合到输入端206实现电压—电流转换。由于输入端206连接到虚地，从而实现电压—电流转换。电子电路200的其它操作保持不变。
虽然图5所示的反馈晶体管M1是NMOS型晶体管，也可以使用NPN型晶体管作为反馈晶体管。这样可以进一步增加电子电路200的带宽，并减少高频时的热噪声。
低频时的输入噪声主要由电流镜的散粒噪声和负反馈电阻的热噪声支配。
高频时的噪声主要由热噪声支配，该热噪声经由输入电容转换为电流噪声iHF2(f)=4kTReq(CinTω)2A2/Hz]]>
Req是等效噪声电阻。GinT是等效输入电容。
图6示出了医疗超声装置212的电子电路的一个应用。超声装置具有超声传感器214，用于接收超声信号。超声传感器214输出双极性电流信号，该电流信号代表所接收的超声信号。耦合到超声传感器214的输出的电子电路200放大该双极性电流信号。
电子电路200将放大的信号提供给图像处理模块216，该图像处理模块基于电子电路200传送的放大信号产生图像数据。图像处理模块216耦合到显示器218，以便为用户产生图像输出。
参考标号列表200电子电路202PNP电流镜204NPN电流镜206输入端208输出端210电阻212超声装置214超声传感器216图像处理模块218显示器
权利要求
1.一种电子电路，用于放大双极性电流信号(Iin)，所述电子电路包括一对互补电流镜(202，204)，所述电流镜在输入端(206)和输出端(208)互相连接，其中当施加正电流信号时，所述一对互补电流镜的第一互补电流镜(204)运行，并且其中当在输入端上施加负电流信号时，所述一对互补电流镜的第二互补电流镜(202)运行。
2.如权利要求1所述的电子电路，其中所述第一电流镜是PNP电流镜，所述第二电流镜是NPN电流镜。
3.如权利要求1或2所述的电子电路，还包括旁路电容(C1，C2，C3，C4)，所述旁路电容耦合到所述第一和第二电流镜。
4.如权利要求1、2或3所述的电子电路，还包括用于所述第一和第二电流镜中每一个的负反馈电阻对(R1，R2；R3，R4)。
5.如权利要求1至4中任一项所述的电子电路，还包括反馈晶体管(M1)，该反馈晶体管的控制端耦合到所述输入端。
6.如权利要求5所述的电子电路，所述反馈晶体管是NMOS型晶体管。
7.如权利要求5所述的电子电路，所述反馈晶体管是NPN型晶体管。
8.如权利要求1至7中任一项所述的电子电路，还包括耦合到所述输入端的电阻(210)，用于提供双极性电压信号输入端。
9.一种超声装置，包括超声接收器(214)，用于提供超声双极性电流信号，一对(200)互补电流镜，所述电流镜在第一端子和第二端子互相连接，所述第一端子耦合到用于接收所述超声双极性电流信号的所述超声接收器，其中在所述超声双极性电流信号的正摆幅期间，所述一对互补电流镜的第一电流镜运行，而所述一对互补电流镜的第二电流镜关断，并且其中在所述超声双极性电流信号的负摆幅期间，所述第二电流镜运行，而所述第一电流镜关断。
全文摘要
本发明涉及一种电子电路，用于放大双极性对称电流信号。该电子电路具有一对互补电流镜。根据双极性电流信号的极性，该对互补电流镜中的一个运行，同时另一电流镜处于关断状态。这样就避免了向输入信号中加入偏置电流，从而充分降低了噪声。
文档编号H03F3/72GK1868116SQ200480030180
公开日2006年11月22日 申请日期2004年10月6日 优先权日2003年10月15日
发明者拉奇德·厄勒·瓦法奥伊 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司