具有减小的抖动的波形转换电路的制作方法
【专利摘要】本发明涉及具有减小的抖动的波形转换电路。一种用于波形转换电路的交流反向放大器包括第一导电类型的第一MOS晶体管，其栅极接收输入信号，漏极提供反向放大输出信号，源极耦合到第一电源电压。电流源提供第一偏置电流和与第一偏置电流成比例的第二偏置电流。第二偏置电流耦合到第一MOS晶体管的漏极以偏置第一MOS晶体管。第一偏置电流的大小由施加在第一MOS晶体管的栅极上的直流电压确定。
【专利说明】具有减小的抖动的波形转换电路
【技术领域】
[0001] 本发明涉及波形转换电路，更特别地，涉及正弦波方波转换电路，其减小了所得方 波信号中的电源诱发抖动。
【背景技术】
[0002] 在许多电子系统中，需要将来自振荡器、功率分配器或其他RF器件的正弦波信号 转换成适合于数字逻辑电路使用的方波信号。有许多技术用于正弦波方波转换，其中一种 典型技术是使用如图IA和IB所示的CMOS反相器。图IA示出典型的CMOS反相器100,其 广泛用于常规正弦波方波转换电路中，图IB示出CMOS反相器100的传输曲线（transfer curve)〇
[0003] 如图IA所示，CMOS反相器100包括第一NMOS晶体管102和第二PMOS晶体管104， 它们的栅极连接在一起且接收输入信号IN，它们的漏极连接在一起以提供输出信号OUT。 第二PMOS晶体管104的源极耦合到电源电压VDD，而第一NMOS晶体管102的源极接地。
[0004] 图IB示出CMOS反相器100的传输曲线。当输入电压Ui处于低电平时，第一NMOS 晶体管102截止，第二PMOS晶体管104导通。于是，输出电压Uo为高。另一方面，如果输 入电压Ui为高，则第一NMOS晶体管102导通，第二PMOS晶体管104截止。于是，输出电压 Uo为低。在低电平和高电平之间的某一过渡区域中，晶体管102和104二者都导通，并且 运行在饱和状态。此时，输出电压Uo随着输入电压Ui的小波动而剧烈变化（图IB中的Q 点)，导致高增益。在使用CMOS反相器100的常规正弦波方波转换电路中，CMOS反相器100 的静态工作点可通过输入信号IN中的直流成分被偏置在高增益区中，例如在图IB所示的 点Q处，输入信号IN中的交流成分诸如正弦波信号可以被反相放大并被整形为方波信号。 就此而言，CMOS反相器100也称为反相放大器。
[0005] CMOS反相器100由于其简单的结构而广泛用于常规正弦波方波转换电路中。然 而，它也具有一些缺点。例如，CMOS反相器100在拒绝电源噪声方面的性能较差。电源电 压（VDD或GND)中的噪声可能导致所得方波信号OUT中的抖动（jitter)，这妨碍了该波形 转换电路在一些高速系统中的应用。
[0006] 抵抗电源噪声的一种方式是使用全差分架构。然而，在一些情况下，使用差分电路 缺乏灵活性，因为信号源可能是单端的。减小电源噪声的另一方法是使用好的整流器以产 生干净的电源电压。然而，整流器消耗更多功率，并且需要额外的电路面积。
[0007] 因此，需要一种改善的正弦波方波转换电路，其克服了以上及其他问题中的一个 或多个。
【发明内容】
[0008] -种交流反相放大器，包括：第一导电类型的第一MOS晶体管，其栅极配置为接收 输入信号，漏极配置为提供反相放大输出信号，源极耦合到第一电源电压；以及电流源，提 供第一偏置电流和与该第一偏置电流成比例的第二偏置电流，其中该第二偏置电流耦合到 该第一MOS晶体管的漏极以偏置该第一MOS晶体管，其中，该第一偏置电流的大小由该第一MOS晶体管的栅极上施加的直流电压确定。
【专利附图】
【附图说明】
[0009] 为了更好地理解本发明的本质和优点，请参考下面的说明和附图。然而应理解，每 幅附图仅用于示范，而无意作为对本发明的范围的限制。此外，作为一般准则，除非从描述 看来明显相反，否则不同附图中的元件使用相同的附图标记时，这些元件一般基本相同，或 者在功能或用途上至少相似。
[0010] 图IA是用于执行正弦波方波转换的常规CMOS反相器的示意性电路图；
[0011] 图IB是曲线图，示出了图IA的CMOS反相器的传输曲线；
[0012] 图2是根据本发明一示范性实施例的正弦波方波转换电路的示意性框图；
[0013] 图3是根据本发明一实施例的AC(交流）反相放大器的示意性电路图；
[0014] 图4是根据本发明一实施例的包括图3的AC反相放大器的正弦波方波转换电路 的示意性电路图；
[0015] 图5是根据本发明另一实施例的正弦波方波转换电路的示意性电路图；
[0016] 图6是根据本发明另一实施例的AC反相放大器的示意性电路图；
[0017] 图7是根据本发明另一实施例的包括图6的AC反相放大器的正弦波方波转换电 路的不意性电路图；以及
[0018] 图8是曲线图，示出根据本发明的正弦波方波转换电路以及常规正弦波方波转换 电路在频域的抖动传输函数。
【具体实施方式】
[0019] 实施例的一个方面在于提供一种正弦波方波转换电路，其能够减小所得方波信号 中电源诱发的抖动。
[0020] 在一实施例中，本发明提供一种交流反相放大器，包括第一导电类型的第一MOS 晶体管，具有配置为接收输入信号的栅极，配置为提供反相放大输出信号的漏极，以及耦合 到第一电源电压的源极。电流源提供第一偏置电流和与该第一偏置电流成比例的第二偏置 电流。该第二偏置电流被耦合到所述第一MOS晶体管的漏极以偏置该第一MOS晶体管。该 第一偏置电流的大小由施加在该第一MOS晶体管的栅极上的DC(直流）电压确定。
[0021] 在一实施例中，该电流源可包括：电流镜，提供所述第一和第二偏置电流；第一导 电类型的第二MOS晶体管，具有耦合到第一偏置电流的漏极，耦合到第一电源电压的源极； 以及低通滤波器，具有连接到第一MOS晶体管的栅极的输入端和连接到第二MOS晶体管的 栅极的输出端，以滤除所述输入信号中的交流成分。所述第二MOS晶体管可以被偏置为饱 和状态，使得从其经过的所述第一偏置电流的大小可以由所述第一MOS晶体管的栅极上的 直流电压确定。
[0022] 在另一实施例中，电流镜包括第二导电类型的第三和第四MOS晶体管，二者的源 极耦合到第二电源电压，栅极彼此连接且连接到第四MOS晶体管的漏极，且漏极分别连接 到第一和第二MOS晶体管的漏极。第二导电类型与第一导电类型相反。
[0023] 根据本发明另一实施例，一种正弦波方波转换电路包括AC反相放大器和偏置电 路。AC反相放大器包括第一导电类型的第一MOS晶体管，具有配置为接收正弦波输入信号 的栅极，配置为提供第一方波输出信号的漏极，以及耦合到第一电源电压的源极。电流源提 供第一偏置电流和与该第一偏置电流成比例的第二偏置电流。第二偏置电流耦合到第一 MOS晶体管的漏极以偏置第一MOS晶体管。偏置电路施加偏置电压到第一MOS晶体管的栅 极以将该AC反相放大器偏置在预定的静态工作点。第一偏置电流的大小可以由施加到所 述第一MOS晶体管的栅极的偏置电压确定。
[0024] 正弦波方波转换电路的实施例减小了转换得到的方波信号中的电源诱发抖动，且 因此在高速应用中是特别有用的。
[0025] 下面将参照附图所示的特定实施例详细描述本发明。在下面的描述中，阐述了许 多具体细节以提供对本发明的透彻理解。对本领域技术人员而言显然的是，可以在没有这 些具体细节中的一些或全部的情况下实践本发明。在另一些场合，没有详细描述公知的细 节以避免不必要地模糊本发明。
[0026] 现在参照图2,示出根据本发明一示范性实施例的正弦波方波转换电路200的示 意性电路图。正弦波方波转换电路200具有串联连接的三个反相器210、220和230以及与 第一反相器210并联连接的偏置电阻器206。在一实施例中，这三个反相器210、220和230 每个都包括图IA所不的常规CMOS反相器100。偏置电路206向第一反相器210的输入提 供直流（DC)偏置电压，使得第一反相器210的静态工作点Q可以被设置在高增益区中。当 电阻器206跨第一反相器210的输入和输出连接时，静态或直流工作点（Q)被设置在高增 益区(两个晶体管都工作在饱和区）；这是将反相器210偏置到高增益区的公知的方法。静 态工作点也称为直流工作点或静默工作点。信号发生器202产生的正弦波信号IN例如经 由输入电容器204稱合到第一反相器210的输入。波形转换电路200在第三反相器230的 输出处产生方波信号0UT，第三反相器230的输出可连接到负载电容器208。
[0027] 图3是根据本发明一示范性实施例的可应用于正弦波方波转换电路的交流反相 放大器300的示意性电路图，例如，其可应用到波形转换电路200的第一反相器210。交流 反相放大器300包括第一NMOS晶体管302以及插置在第一匪OS晶体管302与电源电压 VDD之间的电流源310。第一NMOS晶体管302在其栅极处接收输入信号IN且在其漏极处 提供输出信号OUT。第一NMOS晶体管302的源极耦合到诸如地GND的电源电压。
[0028] 为了减轻电源电压VDD上的噪声对输出信号OUT的影响，电流源310插置在第一 NMOS晶体管302与电源电压VDD之间以将输出信号OUT与带噪声的电源VDD隔离。更具体 地，电流源310包括第二NMOS晶体管306和电流镜312,电流镜312提供虚线箭头Ia所示 的第一电流和虚线箭头Ib所示的第二电流，第一电流Ia经过第二NMOS晶体管306,第二电 流Ib与第一电流Ia成比例且经过第一NMOS晶体管302。在该实施例中，电流镜312包括 第三PMOS晶体管304和第四PMOS晶体管308。第三和第四PMOS晶体管304和308的源极 彼此连接且连接到电源电压VDD。第三和第四PMOS晶体管304和308的栅极彼此连接且连 接到第四PMOS晶体管308的漏极。第一电流Ia对第二电流Ib的比率（IA/IB)基本取决于 第四PMOS晶体管308的沟道区的宽长比与第三PMOS晶体管304的沟道区的宽长比之间的
【权利要求】
1. 一种交流反相放大器，包括： 第一导电类型的第一 MOS晶体管，其栅极配置为接收输入信号，漏极配置为提供反相 放大输出信号，源极耦合到第一电源电压；以及 电流源，提供第一偏置电流和与该第一偏置电流成比例的第二偏置电流，其中该第二 偏置电流耦合到该第一 MOS晶体管的漏极以偏置该第一 MOS晶体管， 其中，该第一偏置电流的大小由该第一 MOS晶体管的栅极上施加的直流电压确定。
2. 如权利要求1所述的交流反相放大器，其中，所述电流源包括： 电流镜，提供所述第一偏置电流和所述第二偏置电流； 所述第一导电类型的第二MOS晶体管，其漏极耦合到所述第一偏置电流，源极耦合到 所述第一电源电压；以及 低通滤波器，其输入端连接到该第一 MOS晶体管的栅极，输出端连接到该第二MOS晶体 管的栅极，以滤除所述输入信号中的交流成分， 其中，所述第二MOS晶体管偏置在饱和区，使得从其经过的所述第一偏置电流的大小 由所述第一 MOS晶体管的栅极处的直流电压确定。
3. 如权利要求2所述的交流反相放大器，其中，所述低通滤波器的截止频率是所述输 入信号的交流成分的频率的十分之一或更低。
4. 如权利要求2所述的交流反相放大器，其中，所述低通滤波器包括： 电阻器，连接在该第一 MOS晶体管的栅极与该第二MOS晶体管的栅极之间；以及 电容器，连接在该第二MOS晶体管的栅极与该第一电源电压之间。
5. 如权利要求2所述的交流反相放大器，其中，所述电流镜包括： 第二导电类型的第三MOS晶体管和第四MOS晶体管，第三和第四MOS晶体管的源极都 耦合到第二电源电压，栅极彼此连接且连接到该第四MOS晶体管的漏极，漏极分别连接到 所述第一和第二MOS晶体管的漏极， 其中，该第二导电类型与该第一导电类型相反。
6. 如权利要求5所述的交流反相放大器，其中，所述第一导电类型是N型，所述第一电 源电压低于所述第二电源电压。
7. 如权利要求5所述的交流反相放大器，其中，所述第一导电类型是P型，所述第一电 源电压高于所述第二电源电压。
8. 如权利要求5所述的交流反相放大器，其中，所述第一MOS晶体管的沟道区的宽长比 (W/L)腿与所述第三MOS晶体管的沟道区的宽长比（W/L)顯之间的比率等于所述第二MOS 晶体管的沟道区的宽长比（W/L)M(B2与所述第四MOS晶体管的沟道区的宽长比（W/L)M(B42 间的比率。
9. 如权利要求5所述的交流反相放大器，其中，所述第二MOS晶体管和所述第四MOS晶 体管的尺寸分别小于所述第一 MOS晶体管和所述第三MOS晶体管。
10. -种正弦波方波转换电路，包括： 第一交流反相放大器，包括： 第一导电类型的第一 MOS晶体管，其栅极配置为接收输入信号，漏极配置为提供反相 放大输出信号，源极耦合到第一电源电压；以及 电流源，配置为提供第一偏置电流和与该第一偏置电流成比例的第二偏置电流，其中 该第二偏置电流耦合到该第一 MOS晶体管的漏极以偏置该第一 MOS晶体管；以及 偏置电路，配置为施加偏置电压到该第一 M0S晶体管的栅极以将该第一交流反相放大 器偏置在预定的静态工作点， 其中，该第一偏置电流的大小由施加在该第一 M0S晶体管的栅极上的偏置电压确定。
11. 如权利要求10所述的正弦波方波转换电路，其中，所述偏置电压等于所述第一 M0S 晶体管的漏极上的电压。
12. 如权利要求10所述的正弦波方波转换电路，其中，该电流源包括： 电流镜，配置为提供所述第一偏置和电流和与所述第一偏置电流成比例的所述第二偏 置电流； 所述第一导电类型的第二M0S晶体管，其漏极耦合到所述第一偏置电流，源极耦合到 所述第一电源电压；以及 低通滤波器，其输入端连接到所述第一 M0S晶体管的栅极，输出端连接到所述第二M0S 晶体管的栅极，以滤除所述正弦波输入信号， 其中，所述第二M0S晶体管被偏置在饱和区，从而从其经过的所述第一偏置电流的大 小由该第一 M0S晶体管的栅极上的偏置电压确定。
13. 如权利要求12所述的正弦波方波转换电路，其中，所述偏置电路包括： 第一和第二电阻器，串联连接在该第一 M0S晶体管的漏极和栅极之间；以及 电容器，连接在该第一和第二电阻器之间的点与该第一电源电压之间。
14. 如权利要求12所述的正弦波方波转换电路，其中，所述低通滤波器的截止频率是 所述正弦波输入信号的频率的十分之一或更低。
15. 如权利要求12所述的正弦波方波转换电路，其中，所述电流镜包括： 第二导电类型的第三和第四M0S晶体管，它们的源极耦合到第二电源电压，漏极分别 连接到所述第一和第二M0S晶体管的漏极，栅极彼此连接且进一步连接到所述第四M0S晶 体管的漏极， 其中，所述第二导电类型与所述第一导电类型相反。
16. 如权利要求15所述的正弦波方波转换电路，其中，由所述偏置电路施加到所述第 一 M0S晶体管的栅极的偏置电压等于所述第一电源电压与所述第二电源电压之间的差的 绝对值的一半。
17. 如权利要求15所述的正弦波方波转换电路，还包括： 第一 CMOS反相器，包括所述第一导电类型的第五M0S晶体管和所述第二导电类型的第 六M0S晶体管，其中所述第五和第六M0S晶体管的栅极彼此连接且进一步连接到所述第一 M0S晶体管的漏极以接收第一方波输出信号，源极分别连接到所述第一和第二电源电压，漏 极彼此连接且提供第二方波输出信号。
18. 如权利要求17所述的正弦波方波转换电路，其中，所述第一M0S晶体管的沟道区的 宽长比（W/L)MQS1与所述第三M0S晶体管的沟道区的宽长比（W/L)MQS3之间的比率、所述第二 M0S晶体管的沟道区的宽长比（W/L)MQS2与所述第四M0S晶体管的沟道区的宽长比（W/L)mqs4之间的比率、以及所述第五MOS晶体管的沟道区的宽长比（W/L)MQS5与所述第六MOS晶体管 的沟道区的宽长比（w/l)M()S6之间的比率彼此相等。
19. 如权利要求17所述的正弦波方波转换电路，还包括： 第二CMOS反相器，包括所述第一导电类型的第七MOS晶体管和所述第二导电类型的第 八M0S晶体管，其中所述第七和第八M0S晶体管的栅极彼此连接且进一步连接到所述第五 和第六M0S晶体管的漏极以接收所述第二方波输出信号，源极分别连接到所述第一和第二 电源电压，漏极彼此连接且提供第三方波输出信号。
20.如权利要求19所述的正弦波方波转换电路，其中，所述第七和第八M0S晶体管的尺 寸分别大于所述第五和第六M0S晶体管。
【文档编号】H03K19/0175GK104426523SQ201310377459
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年8月27日 优先权日:2013年8月27日
【发明者】王正香 申请人:飞思卡尔半导体公司