本发明实施例涉及低耗电的半导体装置。
背景技术：
晶体管(例如场效应晶体管(fet)，通常由其构造电路(例如，放大器))的操作特性随工艺的变动以及操作条件(例如，供应电压及温度)的变动而改变。此通常称为工艺、电压、温度(pvt)变动。电路的pvt变动可导致电路的错误操作。
技术实现要素：
本发明实施例涉及一种放大单元，其包括：转换器，其具有耦合到供应节点的供应输入，所述转换器进一步具有经配置以接收输入信号的输入端子，所述转换器经配置以放大来自输入端子的输入信号以产生输出信号；和反馈机构，其耦合到转换器的输入端子，且经配置以基于输入信号而引起恒定偏压电流从供应节点流动通过转换器。
本发明实施例涉及一种半导体装置，其包括：模块，其经配置以产生输入信号；转换器，其具有耦合到供应节点的供应输入，所述转换器进一步具有经配置以接收输入信号的输入端子，所述转换器经配置以放大来自输入端子的输入信号以产生输出信号；和反馈机构，其耦合到转换器的输入端子，且经配置以基于输入信号而引起恒定偏压电流从供应节点流动通过转换器。
本发明实施例涉及一种方法，其包括：接收输入信号；使用恒定源电流产生参考电压；将输入信号的直流(dc)分量的量调整为参考电压的量；和将输入信号转换为输出信号。
附图说明
当结合附图阅读时，从以下[实施方式]更优选理解本公开的方面。应注意，根据工业标准实践，各种构件未按比例绘制。事实上，为清楚论述，各个构件的尺寸可任意增大或减小。
图1是绘示根据一些实施例的示范性半导体装置的示意图。
图2是绘示根据一些实施例的示范性信号产生模块的示意图。
图3a是绘示根据一些实施例的示范性跨阻抗放大器的示意图。
图3b是绘示根据一些实施例的示范性运算放大器的示意图。
图4是绘示根据一些实施例的示范性反馈机构的示意图。
图5是绘示根据一些实施例的示范性参考电压产生器的示意图。
图6是绘示根据一些实施例的示范性传感器及调整器的示意图。
图7是绘示根据一些实施例的另一示范性传感器及调整器的示意图。
图8是绘示根据一些实施例的用于将输入信号转换为输出信号的示范性方法的流程图。
图9是绘示根据一些实施例的用于将输入信号转换为输出信号的方法的示范性操作的流程图。
图10是绘示根据一些实施例的用于将输入信号转换为输出信号的方法的示范性操作的流程图。
具体实施方式
以下公开提供用于实施所提供主题的不同特征的许多不同实施例或实例。下文描述组件和布置的特定实例以简化本公开。当然，这些实例仅为实例且并不打算为限制性的。例如，在以下描述中，第一构件形成于第二构件上方或上可包含其中第一构件和第二构件形成为直接接触的实施例，且亦可包含其中额外构件可形成于第一构件与第二构件之间使得第一构件和第二构件可不直接接触的实施例。另外，本公开可在各种实例中重复元件符号及/或字母。这种重复用于简单及清楚的目的，且本身并不指示所论述的各种实施例和/或配置之间的关系。
电流/电压转换器经配置以放大其输入端子处的电流信号以产生电压信号。转换器连接到供应节点，在所述供应节点处施加供应电压(例如，0.5v)，借此偏压电流从供应节点流动通过转换器。偏压电流可不理想地随工艺、电压、温度(pvt)变动而改变，从而导致转换器的错误操作。为应对pvt变动，可将用于产生恒定偏压电流的偏压电流产生器连接在供应节点与转换器之间。尽管已发现这种布置令人满意地运作，但是其难以(如果并非不可能)降低供应电压。因此，这个转换器具有高电力消耗。
如本文中描述的系统和方法包含转换器(例如，转换器120(在图1中展示))和反馈机构(例如，反馈机构130)，其免除在供应节点140与转换器120之间实施偏压电流产生器的需要。转换器120和反馈机构130构成放大单元。转换器120经配置以放大其输入端子处的输入信号(in1/in2)以产生输出信号。反馈机构130连接到转换器120的输入端子而非在供应节点140与转换器120之间，且经配置以引起恒定偏压电流(ibias)(即，与pvt变动无关的偏压电流)(例如，源自供应节点140)从供应节点140流动通过转换器120。如下文进一步说明，这是因为反馈机构130使用恒定源电流产生参考电压且引起输入信号(in1/in2)的直流(dc)分量(vdc)大体上等于参考电压。这种布置容许供应电压(vdd)降低到小于常规布置(例如上文描述的布置)中的供应电压，借此减小本公开的转换器120的电力消耗。
在一些实施例中，在与其它方法中的转换器相比时，凭借反馈机构130，偏压电流(ibias)变动经最小化多达75％并且信噪(s/n)比大大改进。此外，反馈机构130对转换器120的输入跨导不具有显著影响且因此未使输入信号(in1/in2)降级。
进一步详细地说，图1是绘示根据一些实施例的示范性半导体装置100的示意图。半导体装置100包含信号产生模块110、转换器120和反馈机构130。在实施例中，半导体装置100是射频(rf)接收器，且信号产生模块110经配置以接收rf输入信号(irf)，例如，由rf发射器发射的升频转换基带信号。信号产生模块110进一步经配置以降频转换rf输入信号(irf)以产生基带输入信号(in1/in2)，以例如通过数字信号处理器(dsp)进一步处理以获得含有音频、视频、文本或其组合的信息。图2中绘示示范性信号产生模块110电路，图2描绘绘示根据各种实施例的示范性信号产生模块110的示意图。应了解，用于信号产生模块110的这种电路通过实例提供而不受限制，并且其它适合信号产生模块110电路在本公开的范围内。
图2的信号产生模块110包含低噪声放大器(lna)210、本机振荡器(lo)220及混频器230。lna210能够操作以放大rf输入信号(irf)(例如，电流信号)以产生rf输出信号(vrf)(例如，电压信号)。irf可由天线接收且接着透过双工器/开关路由到lna210。lo220经配置以接收控制信号(cs)以产生lo信号(vlo)，其具有与rf输出信号(vrf)的载波频率相同的频率。混频器230降频转换rf输出信号(vrf)，借此混合rf输出信号(vrf)与来自lo220的lo信号(vlo)以产生基带输入信号(in1/in2)，例如，电流信号。
再参考图1，转换器120(例如，基带放大器)是电流/电压转换器且具有分别连接到第一供应节点140和第二供应节点150的第一供应输入160和第二供应输入170。第一供应节点140经配置以接收第一供应电压(vdd)，例如，约0.4v。第二供应节点150经配置以接收低于第一供应电压(vdd)的第二供应电压(vss)，例如约0v。转换器120经配置以放大基带输入信号(in1/in2)以产生基带输出信号(out1/out2)，例如，电压信号。在替代实施例中，转换器120是电流/电流转换器、电压/电流转换器或电压/电压转换器。
尽管将半导体装置100例示为rf接收器，但是半导体装置100可为任何接收器电路或任何其它电路。例如，在实施例中，半导体装置100是将透过光纤发送的光信号转变为电信号的光学接收器。在这个实施例中，半导体装置100包含光电二极管，其经配置以从光纤介质接收光信号以产生光电流/光电压。转换器120经配置以放大光电流/光电压以产生电压/电流信号。
图3a和3b中描绘用于转换器120的示范性电路。应了解，这些电路通过实例提供而不受限制，且其它适合转换器120电路在本公开的范围内。图3a是绘示根据一些实施例的示范性跨阻抗放大器(tia)的示意图。图3a的实例包含全差分运算放大器(op-amp)310、一对反馈电阻器(rf1、rf2)及一对反馈电容器(cf1、cf2)。运算放大器310具有第一输入端子320(例如，反向输入端子)、第二输入端子330(例如，非反向输入端子)、第一输出端子340(例如，非反向输出端子)和第二输出端子350(例如，反向输出端子)。在替代实施例中，转换器120包含具有反向和非反向输入端子及单一输出端子的差分放大器或任何类型的放大器。
反馈电阻器(rf1、rf2)的每一个连接于运算放大器310的第一输入端子320和第二输入端子330中的每一个与运算放大器310的第一输出端子340和第二输出端子350中的每一个之间。反馈电容器(cf1、cf2)的每一个并联连接到反馈电阻器(rf1、rf2)中的每一个。在替代实施例中，反馈电阻器/电容器的至少一者可由任何适合电阻/电容元件取代。
运算放大器310经配置以在其第一输入端子320处接收第一输入信号(in1)(例如，电流信号)，其具有dc分量(vdc)和ac分量(vac)。运算放大器310进一步经配置以在其第二输入端子330处接收第二输入信号(in2)，其与第一输入信号(in1)相同但与其异相180度。运算放大器310进一步经配置以放大第一输入信号(in1)和第二输入信号(in2)以产生分别在其第一输出端子340和第二输出端子350处提供的第一输出信号(out1)和第二输出信号(out2)。输入信号(in1/in2)包含多个通道信号。反馈电容器(cf1、cf2)和反馈电阻器(rf1、rf2)形成通道滤波器，其经配置以使输入信号(in1/in2)的所要通道信号通过但使非所要通道信号衰减。
图3b是绘示根据一些实施例的示范性运算放大器310的示意图。图3b的实例使用场效应晶体管(fet)实施且包含伪差分放大器360、第一输出级370及第二输出级380。伪差分放大器360包含第一对p型和n型fet(m1、m2)以及第二对p型和n型fet(m3、m4)。fet(m1、m2)串联连接于第一供应节点140与第二供应节点150之间。即，fet(m1、m2)的第一源极/漏极端子(m1a、m2a)彼此连接，且fet(m1、m2)的第二源极/漏极端子(m1b、m2b)分别连接到第一供应节点140和第二供应节点150。fet(m1)的栅极端子用作运算放大器310的第一输入端子320。类似地，fet(m3、m4)串联连接于第一供应节点140与第二供应节点150之间。fet(m3)的栅极端子用作运算放大器310的第二输入端子330。
第一输出级370包含串联连接于第一供应节点140与第二供应节点150之间的一对p型和n型fet(m5、m6)。fet(m6)的栅极端子连接到fet(m3、m4)之间的节点(n1)。fet(m5、m6)之间的节点(n2)用作运算放大器310的第一输出端子340。类似地，第二输出级380包含串联连接于第一供应节点140与第二供应节点150之间的一对p型及n型fet(m7、m8)。fet(m8)的栅极端子连接到fet(m1、m2)之间的节点(n3)。fet(m7、m8)之间的节点(n4)用作运算放大器310的第二输出端子350。fet(m1到m8)经配置以设定伪运算放大器310的增益。即，fet(m1、m2)经配置以放大第一输入信号(in1)以在节点(n3)处产生具有大于第一输入信号(in1)的振幅的第一电压。fet(m7、m8)经配置以放大第一电压以在节点(n4)处产生具有大于第一电压的振幅的第二电压，即，第二输出信号(out2)。类似地，fet(m3、m4)经配置以放大第二输入信号(in2)以在节点(n1)处产生具有大于第二输入信号(in2)的振幅的第三电压。fet(m5、m6)经配置以放大第三电压以在节点(n2)处产生具有大于第三电压的振幅的第四电压，即，第一输出信号(out1)。在某些实施例中，可使用任何种类的晶体管实施运算放大器310。
再参考图1，反馈机构130经配置以将输入信号(in1/in2)的dc分量(vdc)调整为使用恒定源电流产生的参考电压的量。因此，恒定偏压电流(ibias)(即，与pvt变动无关的偏压电流)从第一供应节点140流动通过转换器120而到第二供应节点150。将在下文进一步参考图4到7更详细描述这种情况。图4到7描绘用于反馈机构130的示范性电路。应了解，这些电路通过实例提供而不受限制，且其它适合反馈机构130电路在本公开的范围内。图4是绘示根据一些实施例的示范性反馈机构130的示意图。图4的实例包含参考电压产生器410、传感器420及调整器430。
参考电压产生器410经配置以产生参考电压(vref)。例如，图5是绘示根据一些实施例的示范性参考电压产生器410的示意图。如图5中绘示，参考电压产生器410包含连接于第一供应节点140与节点(n5)之间的一个二极管连接fet(d1)以及连接于节点(n5)与第二供应节点150之间的电流源510。在操作时，当电流源510产生恒定源电流(isource)时，跨二极管连接fet(d1)的源极和漏极端子出现栅极到源极电压(vgs)。这引起节点(n5)处出现大体上等于第一供应电压(vdd)与栅极到源极电压(vgs)之间的差的参考电压(vref)。在这个实施例中，fet(d1)是p型fet。在替代实施例中，fet(d1)是n型fet、任何种类的晶体管或其它二极管。
再参考图4，传感器420连接到转换器120的第一输入端子320和第二输入端子330，且经配置以检测dc分量(vdc)从而产生感测电压(vx)。调整器430连接到参考电压产生器410和传感器420，且经配置以放大参考电压(vref)与感测电压(vx)之间的差从而产生误差电压，基于误差电压而将dc分量(vdc)调整为参考电压(vref)。换句话说，调整器430用以使dc分量(vdc)等于参考电压(vref)。例如，图6是绘示根据一些实施例的示范性传感器420和调整器430的示意图。
如图6中绘示，传感器420包含连接于转换器120的第一输入端子320与节点(n6)之间的第一电阻器(r1)以及连接于节点(n6)与转换器120的第二输入端子330之间的第二电阻器(r2)。第一电阻器(r1)和第二电阻器(r2)经配置以抵消第一输入信号(in1)的ac分量(vac)与第二输入信号(in2)的ac分量(-vac)，而检测dc分量(vdc)以在节点(n6)处产生感测电压(vx)。在某些实施例中，用远小于电阻器(rl、r2)的晶体管(例如，fet)取代具有较大实体大小的第一电阻器(r1)和第二电阻器(r2)，而最小化半导体装置100的整体大小。
如图6中进一步绘示，调整器430包含第一误差放大器620和第二误差放大器630、第一对p型和n型fet(m9、m10)，以及第二对p型和n型fet(m11、m12)。第一误差放大器620具有连接到节点(n5)的反向端子和连接到节点(n6)的非反向端子。第一误差放大器620经配置以放大电压(vref、vx)之间的差以在其输出端子640处产生误差电压(verr1)。类似地，第二误差放大器630具有连接到节点(n5)的反向端子及连接到节点(n6)的非反向端子。第二误差放大器630经配置以放大电压(vref、vx)之间的差以在其输出端子650处产生误差电压(verr2)。
fet(m9、m10)串联连接于第一供应节点140与第二供应节点150之间。fet(m9、m10)中的每一个连接到第一误差放大器620和第二误差放大器630中的每一个的输出端子640、650。fet(m9、m10)之间的节点(n7)连接到转换器120的第一输入端子320。fet(m9、m10)经配置以分别接收误差电压(verr1、verr2)以将dc分量(vdc)的量调整为参考电压(vref)的量。例如，当感测电压(vx)小于参考电压(vref)时，误差电压(verr1、verr2)使fet(m9)比fet(m10)更导电。因此，dc分量(vdc)增大到参考电压(vref)。另一方面，当感测电压(vx)大于参考电压(vref)时，误差电压(verr1、verr2)使fet(m10)比fet(m9)更导电。因此，dc分量(vdc)减小到参考电压(vref)。
类似地，fet(m11、m12)串联连接于第一供应节点140与第二供应节点150之间。fet(m11、m12)中的每一个连接到第一误差放大器620和第二误差放大器630中的每一个的输出端子640、650。fet(m11、m12)之间的节点(n8)连接到转换器120的第二输入端子330。fet(m11、m12)经配置以分别接收误差电压(verr1、verr2)以将dc分量(vdc)的量调整为参考电压(vref)的量。例如，当感测电压(vx)小于参考电压(vref)时，误差电压(verr1、verr2)使fet(m11)比fet(m12)更导电。因此，dc分量(vdc)增大到参考电压(vref)。另一方面，当感测电压(vx)大于参考电压(vref)时，误差电压(verr1、verr2)使fet(m12)比fet(m11)更导电。因此，dc分量(vdc)减小到参考电压(vref)。在反馈机构130的某些实施例中，fet(m9到m12)可为任何种类的晶体管。
在一些实施例中，调整器430经配置以基于电流而非电压(vx、vref)之间的差而产生误差电压(verr1、verr2)。例如，图7是绘示根据一些实施例的另一示范性传感器420和调整器430的示意图。
如图7中绘示，传感器420包含n型和p型fet(m13到m20)。传感器420经配置以检测dc分量(vdc)以产生流动通过fet(m16/m20)的感测电流(ix)。即，fet(m13)经配置以接收第一输入信号(in1)以产生电流(im13)。fet(m14)经配置以接收第二输入信号(in2)以产生电流(im14)。fet(m15)是一个二极管连接fet且经配置以产生电流(im15)，其大体上等于电流(im13、im14)的总和。fet(m16)经配置以将电流(im15)镜像为流动通过其间的感测电流(ix)。类似地，fet(m17)经配置以接收第一输入信号(in1)以产生电流(im17)。fet(m18)经配置以接收第二输入信号(in2)以产生电流(im18)。fet(m19)是一个二极管连接fet且经配置以产生电流(im19)，其大体上等于电流(im17、im18)的总和。fet(m20)经配置以将电流(im19)镜像为流动通过其间的感测电流(ix)。
如图7中进一步绘示，调整器430包含n型和p型fet(m21到m26)。fet(m21)经配置以接收参考电压(vref)以产生流动通过其间的参考电流(iref)。fet(m16、m21)之间的节点经配置以产生对应于电流(iref、ix)之间的差的误差电压(verr1)。
类似地，fet(m22)经配置以接收参考电压(vref)以在其间产生参考电流(iref)。fet(m20、m22)之间的节点经配置以产生对应于电流(iref、ix)之间的差的误差电压(verr2)。
fet(m23、m24)经配置以分别接收误差电压(verr1、verr2)以将dc分量(vdc)的量调整为参考电压(vref)的量。例如，当感测电流(ix)小于参考电流(iref)时，误差电压(verr1、verr2)使fet(m23)比fet(m24)更导电。因此，dc分量(vdc)增大到参考电压(vref)。另一方面，当感测电流(ix)大于参考电流(iref)时，误差电压(verr1、verr2)使fet(m24)比fet(m23)更导电。因此，dc分量(vdc)减小到参考电压(vref)。
类似地，fet(m25、m26)经配置以分别接收误差电压(verr1、verr2)以将dc分量(vdc)的量调整为参考电压(vref)的量。例如，当感测电流(ix)小于参考电流(iref)时，误差电压(verr1、verr2)使fet(m25)比fet(m26)更导电。因此，dc分量(vdc)增大到参考电压(vref)。另一方面，当感测电流(ix)大于参考电流(iref)时，误差电压(verr1、verr2)使fet(m26)比fet(m25)更导电。因此，dc分量(vdc)减小到参考电压(vref)。在反馈机构130的某些实施例中，fet(m13到m26)可为任何种类的晶体管。fet(m15、m19)可由其它二极管取代。
根据上文，反馈机构130主要由晶体管(例如，fet)构成且因此具有相对较高输入与输出阻抗(分别由图1中的箭头zin1和箭头zout1指示)。因而，反馈机构130未使输入信号(in1/in2)降级。在一些实施例中，反馈机构130具有等于转换器120的输入与输出阻抗(分别由箭头zin2和箭头zout2指示)的输入与输出阻抗(zin1、zout1)。在其它实施例中，反馈机构130具有大于转换器120的输入与输出阻抗(zin2、zout2)的输入与输出阻抗(zin1、zout1)。
图8是绘示根据一些实施例的将输入信号(例如，电流信号)转换为输出信号(例如，电压信号)的示范性方法800的流程图。为便于理解，现将进一步参考图3a、3b以及4到7描述方法800。应了解，方法800适用于除图3a、3b以及4到7的结构以外的结构。此外，应了解，可在方法800之前、期间及之后提供额外操作，且在方法800的替代实施例中，可取代或消除下文描述的一些操作。在操作810中，转换器120的输入端子320接收输入信号(in1)。
在操作820中，反馈机构130将输入信号(in1)的dc分量(vdc)的量调整为参考电压(vref)的量。图9是绘示根据一些实施例的方法800的示范性操作820的流程图。在操作910中，反馈机构130使用恒定源电流(isource)产生参考电压(vref)。在操作920中，反馈机构130检测dc分量(vdc)以产生感测电压(vx)。在操作930中，反馈机构130放大参考电压(vref)与感测电压(vx)之间的差以产生误差电压(verr1)。在操作940中，反馈机构130基于误差电压(verr1)而将dc分量(vdc)的量调整为参考电压(vref)的量，借此恒定偏压电流(ibias)从第一供应节点140流动通过转换器120而到第二供应节点150。
图10是绘示根据一些实施例的方法800的另一示范性操作820的流程图。在操作1010中，反馈机构130使用恒定源电流(isource)产生参考电压(vref)。在操作1020中，反馈机构130检测dc分量(vdc)以产生感测电流(ix)。接着，反馈机构130接收参考电压(vref)以产生参考电流(iref)。在操作1030中，反馈机构130产生对应于参考电流(iref)与感测电流(ix)之间的差的误差电压(verr1)。在操作1040中，反馈机构130基于误差电压(verr1)而将dc分量(vdc)的量调整为参考电压(vref)的量，借此恒定偏压电流(ibias)从第一供应节点140流动通过转换器120而到第二供应节点150。
再参考图8，在操作830中，转换器120放大输入信号(in1)以在其输出端子340处产生输出信号(out1)。
在实施例中，一种放大单元包括转换器及反馈机构。转换器具有耦合到供应节点的供应输入。转换器进一步具有经配置以接收输入信号的输入端子。转换器经配置以放大来自输入端子的输入信号以产生输出信号。反馈机构耦合到转换器的输入端子，且经配置以基于输入信号而引起恒定偏压电流从供应节点流动通过转换器。
在另一实施例中，一种半导体装置包括模块、转换器及反馈机构。模块经配置以产生输入信号。转换器具有耦合到供应节点的供应输入。转换器进一步具有经配置以接收输入信号的输入端子。转换器经配置以放大来自输入端子的输入信号以产生输出信号。反馈机构耦合到转换器的输入端子，且经配置以基于输入信号而引起恒定偏压电流从供应节点流动通过转换器。
在另一实施例中，一种方法包括：接收输入信号；使用恒定源电流产生参考电压；将输入信号的直流(dc)分量的量调整为参考电压的量；及将输入信号转换为输出信号。
前文概述若干实施例的特征，使得所属领域的技术人员可更好地理解本公开的方面。所属领域的技术人员应明白，其可容易使用本公开作为设计或修改其它工艺及结构的基础，以实行本文中介绍的实施例的相同目的及/或达成相同优点。所属领域的技术人员还应认识到，这些等效架构并不脱离本公开的精神及范围，且其可在不脱离本公开的精神及范围的情况下在本文中进行各种改变、置换及更改。
符号说明
100半导体装置
110信号产生模块
120转换器
130反馈机构
140第一供应节点
150第二供应节点
160第一供应输入
170第二供应输入
210低噪声放大器(lna)
220本机振荡器(lo)
230混频器
310运算放大器(op-amp)
320运算放大器的第一输入端子
330运算放大器的第二输入端子
340运算放大器的第一输出端子
350运算放大器的第二输出端子
360伪差分放大器
370第一输出级
380第二输出级
410参考电压产生器
420传感器
430调整器
510电流源
620第一误差放大器
630第二误差放大器
640第一误差放大器的输出端子
650第二误差放大器的输出端子
800方法
810操作
820操作
830操作
910操作
920操作
930操作
940操作
1010操作
1020操作
1030操作
1040操作
cf1反馈电容器
cf2反馈电容器
cs控制信号
d1二极管连接场效应晶体管(fet)
ibias偏压电流
im13电流
im14电流
im15电流
im17电流
im18电流
im19电流
in1基带输入信号/第一输入信号
in2基带输入信号/第二输入信号
iref参考电流
irf射频(rf)输入信号
isource源电流
ix感测电流
m1到m26场效应晶体管(fet)
m1a第一源极/漏极端子
m1b第二源极/漏极端子
m2b第二源极/漏极端子
n1到n8节点
out1基带输出信号/第一输出信号
out2基带输出信号/第二输出信号
r1第一电阻器
r2第二电阻器
rf1反馈电阻器
rf2反馈电阻器
vdd第一供应电压
verr1误差电压
verr2误差电压
vgs栅极到源极电压
vlo本机振荡器(lo)信号
vref参考电压
vrf射频(rf)输出信号
vss第二供应电压
vx感测电压
zin1箭头/反馈机构的输入阻抗
zout1箭头/反馈机构的输出阻抗
zin2箭头/转换器的输入阻抗
zout2箭头/转换器的输出阻抗