低功率运算跨导放大器的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年12月10日提交的、题为“lowpoweroperationaltransconductanceamplifier”的美国专利申请no.14/566,539的权益，该申请以整体内容通过引用明确地并入本文。

本公开一般地涉及电子电路，更具体地涉及低功率运算跨导放大器(ota)。

背景技术：

在过去几年间，无线通信技术和移动电子设备(例如蜂窝电话、平板计算机、膝上型计算机等)的普及度和使用度日益增长。移动电子设备的复杂性日益增加，并且现在通常包括多个处理器和允许移动设备用户执行复杂和功率密集型软件应用(例如web浏览器、视频流应用等)的其他资源。

随着对移动设备中更多处理能力的不断增长的需求，低功耗已经成为对移动电子设备部件的共同设计要求。ota是当今无线技术的关键部件。例如，无线收发机可以使用delta-sigma模数转换器(adc)来数字化接收到的模拟信号。ota可以用于这种delta-sigmaadc的积分器。为了满足delta-sigmaadc的时序要求，ota可能需要大的功耗。通常，ota比其他delta-sigmaadc部件需要更多功率。

技术实现要素：

在本公开的一个方面，提供了涉及ota的方法和装置。ota包括第一节点和第二节点。ota进一步包括用于接收输入的差分晶体管对。差分晶体管对耦合到第一节点和第二节点。ota包括用于输出对输入的响应的一对输出节点。一对输出节点处的响应包括第一频率极点。电容性元件耦合在第一节点和第二节点间。响应包括基于电容性元件的第二频率极点。第二频率极点处于比第一频率极点大的频率处。

附图说明

图1图示了可以包括示例性实施例的无线设备和系统。

图2是可以包括示例性实施例的无线设备的一部分的框图。

图3图示了一个示例性实施例ota。

图4图示了不具有第二频率极点电容器的ota。

图5图示了比较具有第二频率极点电容器的ota与没有第二频率极点电容器的ota的响应的波特图。

图6图示了基于相位裕度的各种ota响应。

图7是ota的一个示例性实施例的操作流程图。

具体实施方式

下文结合附图所阐述的详细描述旨在作为各种配置的描述，并不旨在表示可以实践本文所描述的构思的唯一配置。详细描述包括用于提供对各种构思的透彻理解的目的的具体细节。然而，对本领域的技术人员来说，这些构思可以在没有这些具体细节的情况下实践是明显的。术语“示例性”在本文中用来意味着“用作示例、实例或说明”。本文描述为“示例性”的任何设计不一定被解释为比其他设计优选或有利。

现在将参考各种装置和方法来呈现电信系统的数个方面。这些装置和方法将在以下详细描述中描述并通过各种框、模块、部件、电路、步骤、过程、算法等(共同地被称为“元件”)在附图中图示。这些元件可以使用电子硬件、计算机软件或它们的任何组合来实施。这样的元件是否被实施为硬件或软件取决于特定的应用和加于整个系统上的设计约束。

作为示例，元件、或元件的任何部分、或元件的任何组合可以通过包括一个或多个处理器的“处理系统”来实施。处理器的示例包括微处理器、微控制器、数字信号处理器(dsp)、现场可编程门阵列(fpga)、可编程逻辑器件(pld)、状态机、门控逻辑、离散硬件电路、以及被配置成执行贯穿本公开所描述的各种功能的其他适当的硬件。软件应当广义地被解释为意味着指令、指令集、代码、代码段、程序代码、程序、子程序、软件模块、应用、应用程序、软件包、例程、子例程、对象、可执行文件、执行线程、步骤、函数等，无论被称为软件、固件、中间件、微码、硬件描述语言还是其他。

因而，在一个或多个示例性实施例中，所述功能可以在硬件、软件、固件或它们的任何组合中实施。如果在软件中实施，则该功能可以存储于或编码成计算机可读介质上的一个或多个指令或代码。计算机可读介质包括计算机存储介质。存储介质可以是可由计算机存取的任何可用介质。作为示例而非限制，这样的计算机可读介质可以包括随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦可编程rom(eeprom)、压缩盘(cd)rom(cd-rom)，或者其他光盘存储装置、磁盘存储装置或其他磁存储设备，或者可以用来以指令或数据结构的形式承载或存储期望的程序代码且可以由计算机存取的任何其他介质。如本文所使用的盘和碟，包括cd、激光碟、光碟、数字通用碟(dvd)和软盘，其中盘通常磁性地再现数据而碟通过激光光学再现数据。上述的组合应当也包括在计算机可读介质的范围内。

图1图示了可以包括示例性实施例的无线设备(例如无线设备110)和系统(无线系统120、122)。无线设备110与不同无线系统120、122通信。无线系统120、122可以各是码分多址(cdma)系统、全球移动通信(gsm)系统、长期演进(lte)系统、无线局域网(wlan)系统或一些其他无线系统。cdma系统可以实施宽带cdma(wcdma)、cdma1x或cdma200、时分同步码分多址(td-scdma)或一些其他版本的cdma。td-scdma还被称为通用地面无线接入(utra)时分双工(tdd)1.28mcps选项或低码片速率(lcr)。lte既支持频分双工(fdd)也支持时分双工(tdd)。例如，无线系统120可以是gsm系统，以及无线系统122可以是wcdma系统。作为另一示例，无线系统120可以是lte系统，以及无线系统122可以是cdma系统。

为简单起见，示图100示出了包括一个基站130和一个系统控制器140的无线系统120，以及包括一个基站132和一个系统控制器142的无线系统122。通常，每个无线系统可以包括任何数量的基站和任何网络实体集。每个基站可以支持该基站覆盖范围内的无线设备的通信。基站还可以被称为nodeb、演进型nodeb(enb)、接入点、基站收发机、无线电基站、无线电收发机、收发机功能、基本服务集(bss)、扩展服务集(ess)或一些其他适当的术语。无线设备110还可以被称为用户设备(ue)、移动设备、远程设备、无线设备、无线通信设备、站、移动站、用户站、移动用户站、终端、移动终端、远程终端、无线终端、接入终端、客户端、移动客户端、移动单元、用户单元、无线单元、远程单元、听筒、用户代理或一些其他适当的术语。无线设备110可以是蜂窝电话、智能电话、平板计算机、无线调制解调器、个人数字助理(pda)、手持式设备、膝上型计算机、智能本、上网本、无绳电话、无线本地环路(wll)站或一些其他类似功能的设备。

无线设备110可以有与无线系统120和/或122通信的能力。无线设备110还可以有从广播电台(诸如广播电台134)接收信号的能力。无线设备110还可以有从一个或多个全球导航卫星系统(gnss)中的卫星(诸如卫星150)接收信号的能力。无线设备110可以支持用于诸如gsm、wcdma、cdma2000、lte、802.11等的无线通信的一个或多个无线电技术。术语“无线电技术”、“无线电接入技术”、“空中接口”和“标准”可以互换地使用。

无线设备110可以经由下行链路和上行链路与无线系统中的基站通信。下行链路(或前向链路)指代从基站到无线设备的通信链路，以及上行链路(或反向链路)指代从无线设备到基站的通信链路。无线系统可以利用tdd和/或fdd。对于tdd，下行链路和上行链路共享同一频率，且下行链路传输和上行链路传输可以在同一频率上不同的时间段内发送。对于fdd，下行链路和上行链路被分配了单独的频率。下行链路传输可以在一个频率上发送，且上行链路传输可以在另一频率上发送。支持fdd的一些示例性无线电技术包括wcdma、cdma2000以及lte。

图2是可以包括示例性实施例的无线设备(例如无线设备110)的一部分的框图。无线收发机218包括支持双向通信的发射机220和接收机250。发射机220和/或接收机250可以通过超外差体系结构或直接变频体系结构来实施。在超外差体系结构中，信号在多个级中在rf和基带之间进行频率转换(例如，对于接收机，在一个级中从rf到中频(if)，以及然后再在一极中从if到基带)。在还被称为零if体系结构的直接变频体系结构中，信号在一个级中在rf和基带之间进行频率转换。超外差和直接变频体系结构可以使用不同电路块和/或有不同要求。在图2所示的示例性实施例中，发射机220和接收机250通过直接变频体系结构来实施。

在发射路径中，基带处理器210向数模转换器(dac)230提供数据。dac230将数字输入信号转换成模拟输出信号。模拟输出信号被提供给滤波器232，其对模拟输出信号滤波以除去由通过dac230进行的在先的数模转换引起的像。放大器234用于放大来自滤波器232的信号以提供放大的基带信号。混频器236接收放大的基带信号和来自tx本机振荡器276的lo信号。混频器236将放大的基带信号与lo信号混合，以提供上变频信号。滤波器238用于对上变频信号滤波以除去由频率混合引起的像。功率放大器(pa)240用于放大来自滤波器238的信号以获得在期望的输出功率水平的输出rf信号。该输出rf信号通过双工器264路由至天线290，以用于通过无线信道传输。

在接收路径中，天线290可以接收由远程设备发射的信号。接收的rf信号可以通过双工器264路由至接收机250。在接收机250中，接收的rf信号通过低噪声放大器(lna)252放大以及通过滤波器254滤波，以获得输入rf信号。混频器256接收该输入rf信号和来自rx本机振荡器286的lo信号。混频器256将输入rf信号与lo信号混合，以提供下变频信号。下变频信号通过放大器258放大以获得放大的下变频信号。滤波器260用于对放大的下变频信号滤波，以除去由频率混合引起的像。将来自滤波器260的信号提供给adc262。adc262将该信号转换成数字输出信号。将数字输出信号提供给基带处理器210以用于进一步处理。adc262可以是delta-sigma型adc，其包括执行积分功能的ota的一个示例性实施例。

发射机220和接收机250中的信号的调节可以由一个或多个级的放大器、滤波器、混频器等来执行。这些电路可以布置得与图2中所示的配置不同。另外，图2中未示出的其他电路也可以用来调节发射机220和接收机250中的信号。例如，阻抗匹配电路可以位于pa240的输出处、lna252的输出处、天线290和双工器264之间等。

图3图示了一个示例性实施例ota(例如ota300)。ota300可以是在节点in+和in-处接收差分输入并在节点vo+和vo-处输出差分输出的单级、套筒式共源共栅运算放大器。ota包括用于接收差分输入的差分晶体管对320。差分晶体管对320包括p型金属氧化物半导体(pmos)晶体管322和324。在一个示例中，差分晶体管对320提供用于接收(差分)输入的输入装置。差分晶体管对320耦合(例如电连接)到pmos晶体管310，pmos晶体管310耦合到电源电压vdd并向ota300提供电流。pmos晶体管310的栅极耦合到参考电压vb1。pmos晶体管322的栅极接收来自节点in+的输入。pmos晶体管322的漏极耦合到节点a+。pmos晶体管324的栅极接收来自节点in-的输入。pmos晶体管324的漏极耦合到节点a-。因此，差分晶体管对320耦合或电连接到节点a+和a-。节点的示例(例如a+和a-、n+和n-)可以包括连接差分晶体管对320与第一共源共栅对330的导电部分(金属、多晶硅等)。

电容性元件(例如第二频率极点电容器cx)耦合(例如电连接)到节点a+和a-。在一个示例中，第二频率极点电容器cx的电容范围为从100ff到200ff。差分晶体管对320进一步在节点a+和a-处耦合到第一共源共栅对330。第一共源共栅对330包括pmos晶体管332和334。pmos晶体管332耦合到节点a+和输出节点vo+。pmos晶体管334耦合到节点a-和输出节点vo-。pmos晶体管332和334的栅极都耦合到参考电压vb2。输出节点vo+和vo-中的每个节点耦合到负载电容器cl。在一个示例中，输出节点vo+和vo-提供用于输出ota300的响应的输出装置。输出节点vo+和vo-的示例可以包括连接第一共源共栅对330和第二共源共栅对340的导电部分(金属、多晶硅等)。

ota300的负载可以包括耦合(例如电连接)到输出节点vo+和vo-的电阻器或至少一个电流源(例如第二共源共栅对340和电流源对350)。第二共源共栅对340包括耦合到输出节点vo+的n型金属氧化物半导体(nmos)晶体管342和耦合到输出节点vo-的nmos晶体管344。nmos晶体管342和344的栅极耦合到参考电压vb3。电流源对350包括耦合到输出节点vo+(经由nmos晶体管342)的nmos晶体管352和耦合到输出节点vo-(经由nmos晶体管344)的nmos晶体管354。nmos晶体管352和354的栅极耦合到参考电压vb4。第二共源共栅对340和电流源对350耦合到可以是地(gnd)的vss。因此，在一个示例中，第二共源共栅对340和/或电流源对350提供使电流流过差分晶体管对320和输出节点vo+和vo-的装置。

参考电压vb1、vb2、vb3和vb4被配置成控制流过ota300的偏置电流，以及可以通过本领域中已知的电压发生器来生成。如本领域普通技术人员将理解的，ota300中晶体管的类型可以颠倒(例如差分晶体管对320可以是nmos晶体管，而负载可以是pmos共源共栅对)。

在ota300的一个方面中，第二频率极点电容器cx将第二频率极点引入到ota300的响应。因此，ota300是在其响应中具有第一频率极点和第二频率极点的单级、套筒式共源共栅ota。为了比较，图4图示了没有第二频率极点电容器cx的ota400。在一个示例中，除了缺少第二频率极点电容器cx之外，ota400与ota300相同。ota400是在其响应中有单一极点的单级、套筒式共源共栅ota。将通过与ota400比较来描述ota300。

参考图3，一个示例性实施例ota可以包括第一节点(例如a+)和第二节点(例如a-)。示例性实施例ota可以包括用于接收输入的差分晶体管对(例如320)。差分晶体管对耦合到第一节点(例如a+)和第二节点(例如a-)。例如，差分晶体管对320可以包括pmos晶体管322和324。pmos晶体管322和324在节点in+和in-处接收输入。pmos晶体管322的漏极连接到第一节点(节点a+)，以及pmos晶体管324的漏极连接到第二节点(节点a-)。示例性实施例ota可以进一步包括用于输出对输入的响应的一对输出节点(例如vo+和vo-)。在这对输出节点处的响应包括第一频率极点。例如，见图5在频率f1处(下文所描述)。示例性实施例ota可以进一步包括耦合在第一节点(a+)和第二节点(a-)之间的电容性元件(例如第二频率极点电容器cx)。示例性实施例ota的响应可以包括第二频率极点，其是电容性元件的函数。第二频率极点(频率f2)处于比第一频率极点大的频率(频率f1)。例如，见下文所述的图5的频率f2。

示例性实施例ota可以进一步包括耦合到这对输出节点(vo+和vo-)的至少一个电容性负载。例如，见连接到输出节点vo+和vo-的负载电容器cl。第二频率极点(频率f2)是所述至少一个电容性负载的函数(见图2及下文的相关描述)。示例性实施例ota可以进一步包括耦合到这对输出节点(vo+和vo-)的共源共栅晶体管对(例如330)。这对输出节点经由共源共栅晶体管对耦合到差分晶体管对。对于该示例，共源共栅晶体管对330包括pmos晶体管332和334。pmos晶体管332的漏极耦合到输出节点vo+，以及pmos晶体管334的漏极耦合到输出节点vo-。输出节点vo+和vo-经由共源共栅晶体管对330连接到差分晶体管对320。差分晶体管对320和共源共栅晶体管对330可以包括第一类型的mos晶体管(例如pmos晶体管)。

示例性实施例ota可以进一步包括耦合到该共源共栅晶体管对的第二个共源共栅晶体管对(例如340)。第二个共源共栅晶体管对包括第二类型的mos晶体管(例如nmos晶体管)。例如，第二共源共栅晶体管对340包括nmos晶体管342和344。nmos晶体管342的漏极连接到共源共栅晶体管对330的pmos晶体管332的漏极，以及nmos晶体管344的漏极连接到共源共栅晶体管对330的pmos晶体管334的漏极。而且，在示例性实施例ota中，电容性元件(例如第二频率极点电容器cx)和该至少一个电容性负载(例如cl)包括相同类型的电容器。例如，第二频率极点电容器cx和电容性负载cl都可以包括金属-绝缘体-半导体电容器。

示例性实施例ota可以进一步包括响应的增益、电容性元件的电容以及该至少一个电容性负载的电容，使得响应的相位裕度是近似40-90度(见下文的图5描述)。示例性实施例ota可以进一步执行sigma-delta模数转换的积分功能。例如，adc262可以是sigma-deltaadc并包括执行积分功能的一个示例性实施例ota。而且，示例性ota可以是如图3所示的单级ota。

参考图3，一个示例性实施例ota可以包括用于在差分晶体管对接收输入的装置。这样的装置可以包括例如节点a+和a-。示例性实施例ota可以进一步包括用于使电流流过一对输出节点(例如vo+和vo-)的装置。电容性元件(例如cl)耦合到这对输出节点。例如，这样的装置可以包括pmos晶体管310，其操作以使电流流过节点a+和a-。示例性实施例ota可以进一步包括用于在这对输出节点处输出具有第一频率极点和第二频率极点的响应的装置。第二频率极点是电容性元件的函数，并且第二频率极点处于比第一频率极点大的频率处。例如，第二频率极点cx操作以在这对输出节点vo+和vo-处输出具有第一频率极点(处于频率f1)和第二频率极点(处于频率f2)的响应。见图5及下文的相关描述。第二频率极点(处于频率f2)是电容性元件cx的函数，并且第二频率极点(处于频率f2)处于比第一频率极点(处于频率f1)大的频率。

示例性实施例ota可以进一步包括用于使电流流过耦合到这对输出节点(例如vo+和vo-)的共源共栅晶体管对(例如330)的装置。这对输出节点经由共源共栅晶体管对耦合到差分晶体管对。例如，这样的装置可以包括用于向共源共栅晶体管对330提供参考电压vb2的连接。提供参考电压vb2的连接使电流流过共源共栅晶体管对330。示例性实施例ota可以进一步包括用于使电流流过耦合到该共源共栅晶体管对的第二共源共栅晶体管对(例如340)的装置。(第二)共源共栅晶体管对340包括第二类型的mos晶体管(例如nmos)。这样的装置可以包括用于向共源共栅晶体管对340提供参考电压vb3的连接。提供参考电压vb3的连接使电流流过共源共栅晶体管对340。示例性实施例ota可以进一步包括用于执行sigma-delta模数转换的积分功能的装置。例如，adc262可以是包含ota300的sigma-deltaadc。adc262内到ota300的连接提供用于执行sigma-delta模数转换的积分功能的装置。

图5图示了比较具有第二频率极点电容器的ota300与没有第二频率极点电容器的ota400的响应的波特图。曲线图510图示了响应的增益(以分贝或db计)与频率。曲线图520图示了响应的相位(以度计)与频率。在第一极点频率f1处，增益开始以-20db/dec的斜率减小。相位在-45°处。在一个示例中，第一频率极点是跨导gm/cl的函数。在另一个示例中，第一频率极点是1/rout×cl，其中rout是该示例中ota300的输出电阻。跨导gm是ota300的响应的增益的一个示例。在单位增益频率fug处，增益处于0db(单位增益)。对于单极点ota400，增益继续以-20db/dec的斜率减小，且相位稳定在-90°处。因此，ota400的相位裕度将处于90°(相位-90°和-180°之差)。对于ota300，响应中的第二频率极点出现在频率f2处。增益改变斜率至-40db/dec。在一个示例中，第二频率极点是跨导gm/cx的函数。ota300的相位裕度可以在频率fug处进行测量。在频率fug处，相位裕度是ota300的相位与-180°之差，其小于90°。在一个示例中，ota300的相位裕度在70°到90°之间，且仍然满足性能要求(例如响应时间)。如图所示，ota300的响应包括f1处的第一频率极点和f2处的第二频率极点，且f2处于比f1大的频率。

由第二频率极点电容器cx引入的第二频率极点的一个特征可以是如图5所示的减少的相位裕度。图6图示了基于相位裕度的各种ota响应。示图610是输入。示图620-640是在各种相位裕度处的响应，其中没有振铃的响应以虚线示出。示图620是在45°相位裕度处对示图610中所示的输入的响应。ota300的响应的一个示例可以类似于示图620。示图630是在70°相位裕度处对示图610中所示的输入的响应。ota300的响应的一个示例可以类似于示图630。示图640是在90°相位裕度处对示图610中所示的输入的响应。因此，ota400的响应可以类似于示图640。如示图610-640所示，随着相位裕度减小，响应时间改善。然而，响应中的振铃增加，导致了与没有振铃的响应相比较而增加的误差。在一个示例中，在40°至90°之间的相位裕度的ota300具有比ota400更快的响应时间。因此，ota300的操作电流可以被减小以实现节能，且仍然满足性能要求。

在一个示例中，第二频率极点电容器cx的值可以是ota300的跨导gm、负载电容器cl的值和相位裕度的函数。第二频率极点电容器cx的添加可以不很大地影响相位裕度。因此，ota300的一个特征提供了通过调整负载电容器cl(因此跨导gm)和第二频率极点电容器cx的值可以相对容易地确定和调整相位裕度。第二频率极点电容器cx和负载电容器cl可以是相同类型的电容器。例如，它们可以都是金属-绝缘体-金属电容器。以这种方式，相同的相位裕度可以维持在拐角条件上(例如电压和温度拐角)，因为两个频率极点由相同类型的电容器主导。

ota的响应可以描述如下：

bw≈gm/cl，

其中带宽bw近似是gm和cl的比值。在一个示例中，相位裕度目标在70°，且cx设置为100ff至200ff。响应的误差如下：

其中errnorm是实际响应和理想响应(例如没有振铃的响应)之间的差异，且t是时间。

第二频率极点电容器cx的添加可以不很大地影响ota300的其他参数，诸如转换速率、噪声、线性度、共模抑制比(cmrr)和电源抑制比(psrr)。为了比较，没有第二频率极点电容器cx的ota400的响应可以描述如下：

bw＝gm/cl，

其中bw是ota400的带宽。在一个示例中，相位裕度目标在90°。响应中的误差如下：

其中errnorm是实际响应和理想响应之间的差异，且t是时间。

图7是示例性实施例ota(例如ota300)的操作的流程图700。以虚线示出的步骤可以是可选的。在702，在差分晶体管对(例如图3，320)处接收输入。在704，使电流流过一对输出节点(例如图3，vo+和vo-)。电容性元件(例如图3，cx)耦合到这对输出节点。在706，在这对输出节点处输出响应。这一响应具有第一频率极点和第二频率极点(例如图5在f1和f2)。第二频率极点是电容性元件的函数。第二频率极点处于比第一频率极点大的频率。在708，使电流流过耦合到这对输出节点的共源共栅晶体管对(例如图3，330)。这对输出节点经由共源共栅晶体管对耦合到差分晶体管对。在710，使电流流过耦合到该共源共栅晶体管对的第二共源共栅晶体管对(例如图3，340)。在716，对接收的输入进行积分。在718，基于积分执行sigma-delta模数转换(图2，adc262)。通过图2-图6及其相关描述对这些步骤的示例进行了描述。

应当理解，在所公开的过程中步骤的具体顺序或层级是示例性方案的示意。基于设计偏好，应当理解过程中步骤的具体顺序或层级可以重新布置。此外，一些步骤可以组合或省略。随附方法权利要求以范例顺序呈现各种步骤的元件，但不意味着限制于所呈现的具体顺序或层级。

提供之前的描述以使得本领域的技术人员能够实践本文所描述的各种方面。对这些方面的各种修改对本领域的技术人员将是显而易见的，并且本文所限定的一般原理可以应用到其他方面。因此，权利要求不旨在限制于本文所示的方面，而是符合与权利要求语言一致的全部范围，其中对单数形式的元件的引用除非特定陈述，不旨在意味着“一个且仅一个”，而是“一个或多个”。另外除非特定陈述，术语“一些”指代一个或多个。本领域技术人员已知或以后将会已知的贯穿本公开所描述的各种方面的元件的所有结构和功能的等价物通过引用明确地并入本文且旨在由权利要求涵盖。而且，无论这些公开是否在权利要求中被明白地陈述，本文所公开的任何内容都不旨在贡献给公众。除非使用短语“用于……的装置”明确地叙述了元件，否则权利要求的元件都不被解释为装置加功能。