专利名称：利用复制gm胞元校正gm胞元之方法及装置的制作方法
背景技术：
具有一可程序化增压及自然频率的一般双四结构(Biquad)常用于连续时间滤波器当中，特别是，用于硬件激活的读/写频道在CMOS电路中使用积体化的连续时间滤波功能，截止频率的稳定性以及连续时间滤波器的增压皆为一积体化滤波器的特性，一种常用的建构一般双四结构的方法是使用Gm-C技术，其系用以磁盘读取频道的信号处理之应用，CMOS Gm-C滤波器有助于高频电路之运作。
Gm-C技术使得内置型电路的滤波器可在低功率的需求下达成高速调整，传统上，电容在电路中调整时互导保持常数、或是互导调整时电容保持常数，然而由于大的动态范围和低的失真，因此互导调整是较为常见的，藉由使用互导调整，滤波器的转角频率fc和增益Q可以藉由更改电路中Gm胞元的互导Gm而单独地获得。
互导的更改常可藉由调整一调整电压和/或一尾电流，互导可由下式定义Gm＝I/V (1)其中V为Gm胞元的输入电压，I为Gm胞元的输出电流。
当以NMOS晶体管作为Gm设定装置且将尾电流保持常数时，互导会随着调整电压的增加而增加，同样地，也会随着调整电压的减少而减少，对于NMOS来说随着电压保持常数，互导会随着尾电流的增加而增加，也会随着尾电流的减少而减少。
双四结构的运作、或是使用Gm胞元的其它电路，常受到环境因素的影响，例如温度和生产过程的误差，为了将这些因素计算在内，常使用正比于绝对温度(PTAT)的电流源，藉由这种技术，犹如将一温度计置于一芯片中、并且传至Gm设定装置的电流将会与绝对温度(也就是凯氏温标)相关、藉此调整互导，然而这种作法却有很大的问题，首先，互导对于温度并非线性，再者，互导受温度影响的精确数学表示式尚未出现。
正比于绝对温度的电流源技术由于受到环境温度的改变而具有较大的变化、也因此常需要电源供应方面超出安全上限的一电压增量，此外，这种电路对于基板或其它电路中的噪声亦相当敏感。
鉴于上述习知技术中出现的瓶颈，申请人乃经悉心试验与研究，并一本锲而不舍之精神，终发明出本案「利用复制GM胞元校正GM胞元之方法及装置」。以下为本案之简要说明。
概要可调整Gm胞元可用于提供滤波及增益调整，这种Gm胞元常用于双四结构；即一二级滤波器，其中转换函数与可调整Gm胞元的互导(Gm)有关，Gm胞元之调整常藉由调整一调整电压而达成，这种过程即所谓的调整。
复制胞元可藉由提供Gm胞元以正确的调整电压而校正Gm胞元，此外，复制胞元亦可用于提供Gm胞元以一偏压。
一方面，一Gm复制胞元可用于接收一Gm设定码以及提供一Gm胞元予一调整电压，在此，该调整电压系被调整直到流经输入晶体管的两汲极电流的差额等于一参考电流，当达到这个情形时，该复制胞元以及与其连接的该Gm胞元间的互导即等于正输出参考电流，其中该正输出参考电流系由参考高电压及参考低电压间的差额而分配，在这种情形下，胞元的互导即可被校正。
本案得藉由下列附图及详细说明，俾得一更深入之了解附图简单说明
图1一Gm复制胞元之一较佳实施例电路图；图2一Gm复制胞元之另一较佳实施例电路图；图3使用Gm复制胞元的双四结构级之一较佳实施例方块图；图4一倍数电流输出数字/模拟转换器之一较佳实施例电路图；图5一稳定参考电流产生器之一较佳实施例方块图；以及图6一共通模式反馈电路之一较佳实施例电路图。
实施方式以下所陈述之实施例为使用一复制Gm胞元以校正一Gm胞元之装置及方法，在此，语词”连接于”系定义为透过一个或多个中间组件直接或间接的连接方式，这种中间组件包括硬件和软件组件，本案发明已于2001年5月25日于美国提出申请，号编码01P09240US，案名”高校率低压开关式GM胞元之方法及装置”，该案之揭露亦于此作为参考。
本案之较佳实施例系可用于如前述所提及之参考应用的传统Gm胞元或是其它的胞元，一复制胞元实质上对应它所欲校正之胞元的电子特性，特别是，Gm设定装置和复制胞元的输入晶体管对应于Gm胞元的电子特性，再者，于使用时，连接于输入晶体管的叠加晶体管亦会被对应，一旦位于信号路径上的晶体管的信道宽度和尾电流以同样的因素来量测，复制情形却仍会存在，举例来说，一旦复制Gm胞元的尾电流仅为位于信号路径上的Gm胞元之尾电流的四分之一时，复制胞元之晶体管的信道宽度亦可能为位于信号路径上的Gm胞元之晶体管的信道宽度的四分之一，在这个例子中，工作电流源无须相对应。
图1系为2001年5月25日于美国提出申请、号编码01P09240US之案件”高校率低压开关式GM胞元之方法及装置”所揭露之用于一开关式Gm胞元之一较佳实施例电路图，图2则为用于一传统Gm胞元之一复制胞元之电路图，其中相同的组件皆使用相同之图标符号。
在图1中，提供一具有差动电流输出的倍数电流数字/模拟转换器100，数字/模拟转换器100相对于Gm设定码105具有输入端且与一正供应电压110和一参考电流115相连接，数字/模拟转换器100相对于正电流120和负电流125具有输出端，数字/模拟转换器100会产生一稳定电流Idac1，该电流正比于Gm设定码输入105和参考电流115接收之数字编码值。
图4提供一倍数电流输出数字/模拟转换器400的范例，图5则是提供使用一外部的参考电阻(仅使用一只芯片接脚)之具高度精确性及稳定性之参考电流产生电路的范例，而其它电路亦会被使用到，举例来说，图4之电路亦可以藉由内部的参考电阻来实现。
请回到图1，正电流输出120连接于一电流镜第一晶体管130之汲极与闸极、一电流镜第二晶体管135之闸极、以及一尾电流晶体管140之闸极，电流镜第一晶体管130和电流镜第二晶体管135形成一电流镜，其中Idac1＝Idac2，在另一实施例中，Idac2亦能设计成为Idac1的任意倍数，而这可以藉由改变晶体管130和135的信道宽度的比率而达成。
连接于电流镜第一晶体管130的尾电流晶体管140亦系作为一电流镜且用以产生Itai1，在较佳实施例中，尾电流晶体管140系根据一信道宽度建构而成，其中该信道宽度系大于电流镜第一晶体管135或是电流镜第二晶体管140的信道宽度，该信道宽度系作为一设计参考，在图1中，由于有较多装置由尾电流所驱动，因此信道宽度w2大于信道宽度w1。
在图1的实施例当中，Gm设定码105包括二进制之位，在2001年5月25日于美国提出申请、号编码01P09240US之案件”高校率低压开关式GM胞元之方法及装置”所揭露之用于一开关式Gm胞元之一较佳实施例中，Gm设定码105亦用于决定Gm设定装置145(在此系以二进制编码的处理方式显示)中的哪一个开启，因为尾电流Itai1与Idac1相关，亦相关于Gm设定码105，因此跨于Gm设定装置145上之压降将保持为常数，举例来说，如果原始Gm设定码3加倍为6，则Itai1与Idac1亦都会加倍，同时，开关式电路150(在此不具解编码电路)接收Gm设定码105且开启适当的Gm设定装置使得Gm设定装置145的总互导加倍，在这个例子中，Gm设定装置1和2先以编码号为3的方式开启，接着变为6的时候便会使得Gm设定装置2和3开启、而其它的则关闭，在此，Gm设定装置的互导整体来说系与尾电流同时加倍，因此，跨于Gm设定装置上之压降将保持为常数，是故，其它的复制胞元的运作将不再受影响且决定适当调整电压的过程将会展开，在其它的实施例当中，例如图2的实施例，调整电压说明了Gm胞元之互导的改变，而在另一个实施例当中，尾电流仍保持常数，在此，跨于Gm设定装置上之压降将藉由减少Gm值而改变。
Gm设定装置145连接于一第一输入晶体管155和一第二输入晶体管160，第一输入晶体管155连接于一参考高电压，第二输入晶体管160连接于一参考低电压，因为两电压值不相同，电流I1和I2将具有不同的量值，输入晶体管155和160连接于叠加晶体管165和170，叠加晶体管165和170则连接于叠加晶体管175和180，而叠加晶体管175和180则连接于一镜像工作电流源185和一镜像参考晶体管190。
镜像工作电流源185和镜像参考晶体管190的闸极系连接于电流镜第二晶体管135的汲极、叠加晶体管180的汲极、叠加晶体管170的汲极、以及误差放大器195的正输入端，叠加晶体管165和175的汲极系分别连接于误差放大器195的两个输入端，镜像工作电流源185、镜像参考晶体管190、以及叠加晶体管175和180共同组成一电流镜，其中该电流镜可将复制胞元用作为一单端放大器、而不是一差动放大器。
误差放大器195的一输入端连接于叠加晶体管175的汲极、另一输入端则连接于叠加晶体管180的汲极，误差放大器195输出汲极电压V1和V2(由一增益加倍)之间的差额并提供一调整电压给Gm设定装置，误差放大器195所使用之增益通常介于20dB至100dB之间，用于误差放大器195的数个差动电路亦会被使用于其中。
复制胞元确保互导Gm等于正输出电流Idac1，其中需将正输出电流Idac1除以参考高电压VrefH和参考低电压VrefL的差额，如下式所述Gm＝Idac1/(VrefH-VrefL)(2)一旦方程式(2)被满足，则Gm胞元的互导便被适当设定，误差放大器195会根据复制胞元之设计调整调整电压直到方程式(2)被满足。
由于电流镜第一晶体管130和电流镜第二晶体管135具有相同特性，也就是具有相同的信道宽度和信道长度，是故Idac1＝Idac2(3)同样地，由于尾电流源140和电流镜第一晶体管130的信道宽度差额系如下Itai1＝(w2/w1)Idac1(4)此外，在理想状况下，下式皆可以应用I3＝Idac2+I2(5)I4＝I3(6)I1-I2＝(VrefH-VrefL)Gm(7)I1＝I4(8)将方程式(5)、(6)、以及(8)结合，即可得下式I1-I2＝Idac2(9)方程式(9)代表Gm胞元被适当调整的状况，如果 I1-I2＜Idac2，则Gm胞元的互导Gm便会过低，在这种情况下，误差放大器195会产生一较低的调整电压，同样地如果I1-I2＞Idac2，则Gm胞元的互导Gm便会过高，在这种情况下，误差放大器195会产生一较高的调整电压。
在图1的较佳实施例中，下列规格将会被使用
正输出电流Idac1Gm设定*2.5uA电流镜第一和第二晶体管130，135W＝36um，L＝0.36um尾电流源140W＝36um，L＝0.36umGm设定装置145W＝0.4um，L＝0.4um输入晶体管155，160W＝100um，L＝0.18umNMOS叠加晶体管165，170W＝100um，L＝0.18umPMOS叠加晶体管175，180W＝360um，L＝0.18um镜像工作电流源185W＝36um，L＝0.36um镜像参考晶体管190W＝36um，L＝0.36um在某种应用中，也会需要使用一种较高阶的数字/模拟转换器的解决方式，举例来说，复制胞元的另一种实施方式也可藉由使用一十位的Gm设定码105而达成，同时，这种实施方式亦可继续使用六对Gm设定装置和六个Gm设定控制，在此，数字/模拟转换器100的头六个重要的位系连接于该六个Gm设定控制，剩余的四个较不重要的位系用于改变正输出电流Idac1，藉由调整输出电流，生产过程之变异、温度、以及电源供应电压可以被数字/模拟转换器100额外补偿。
请参阅图2，该实施例系用于一传统的Gm胞元中，其中并无使用Gm设定控制150。
在图2当中，提供一具有差动电流输出的倍数电流数字/模拟转换器100，数字/模拟转换器100相对于Gm设定码105具有输入端且与一正供应电压110和一参考电流115相连接，数字/模拟转换器100相对于正电流120和负电流125具有输出端，数字/模拟转换器100会产生一稳定电流Idac1，该电流正比于Gm设定码输入105和参考电流115接收之数字编码值。
正电流输出120连接于一电流镜第一晶体管130之汲极与闸极、一电流镜第二晶体管135之闸极、以及一尾电流晶体管140之闸极，电流镜第二晶体管135产生Idac2，尾电流晶体管140产生Itai1。
Gm设定装置200连接于一第一输入晶体管155和一第二输入晶体管160，第一输入晶体管155连接于一参考高电压，第二输入晶体管160连接于一参考低电压，输入晶体管155和160连接于叠加晶体管165和170，叠加晶体管165和170则连接于叠加晶体管175和180，而叠加晶体管175和180则连接于一镜像工作电流源185和一镜像参考晶体管190。
镜像工作电流源185和镜像参考晶体管190的闸极系连接于电流镜第二晶体管135的汲极、叠加晶体管180的汲极、叠加晶体管170的汲极、以及误差放大器195的正输入端，叠加晶体管165和175的汲极系分别连接于误差放大器195的两个输入端。
误差放大器195的一输入端连接于叠加晶体管175的汲极、另一输入端则连接于叠加晶体管180的汲极，误差放大器195输出汲极电压V1和V2(由一增益加倍)之间的差额并提供一调整电压给Gm设定装置，正如熟习本项技艺者所知悉，Gm胞元和Gm设定装置的多种变化形式可由本案推广而得到。
再者，图1及图2的Gm复制胞元亦可根据本案之技术而作改变，举例来说，可以不用由镜像工作电流源185、镜像参考晶体管190、以及叠加晶体管175和180所构成的电流镜，而使用一共通模式反馈回路，共通模式反馈回路的一实例系为第八图的2001年5月25日于美国提出申请、号编码01P09240US之案件”高校率低压开关式GM胞元之方法及装置”所揭露之电路图，其中系藉由电流源102和104、叠加晶体管106和108、以及误差放大器830作相关配置，同样的配置亦可用于一复制Gm胞元当中。
复制Gm胞元亦具有数种应用上的变化，图3揭示了一种实施方式，其系具有一数字可程序化增压(Q)及自然频率(fc)(其使用6位的二进制数字编码)的一般双四结构，在这个实施例当中，一对Gm复制胞元用于校正Gm胞元320、330，且实行一可以下式之转换函数表示的二级滤波器H(s)＝1/(1+s/woQ+s2/wo2)(10)其中自然频率wo＝Gm1/C＝fc(Gmu/C)，并且峰值因子Q＝Gm1/Gm2＝fc/Qc，且fc和Qc系为二进制编码数字数值。
在这个实施方式中，有三个Gm1胞元300和一个Gm2胞元310，Gm1复制胞元320和Gm复制胞元330用于分别校正Gm1胞元300和Gm2胞元310，Gm胞元320和330提供一调整电压及一偏压予Gm胞元300和310，在图3的电路配置当中，Gm1和Gm2的变化可用于调整转换函数的自然频率和/或增压。
正如熟习本项技艺者所知悉，对于信号路径上的运作来说，Gm胞元的多种变化形式可由本案推广而得到，举例来说，Gm复制胞元可以设计成如2001年5月25日于美国提出申请、号编码01P09240US之案件”高校率低压开关式GM胞元之方法及装置”、以及第一、二、八、九、十图，更进一步来说，复制Gm胞元可以包括2001年5月25日于美国提出申请、号编码01P09240US之案件”高校率低压开关式GM胞元之方法及装置”所揭示的如第三和图4的Gm设定装置的使用，其为一种传统的Gm设定装置，或是其它种的Gm设定装置。
此外，在图3中，共通模式反馈电路340和350系分别连接于Gm1胞元300和Gm2胞元310以确保适当的工作电流被提供、以及共通模式输出电压的稳定性，一种共通模式反馈电路340和350的范例绘制于图6中。
以上所述者，皆仅为本发明之较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施之范围。即凡依本发明之权利要求由熟悉本案背景技艺之人士任施匠思而为诸般修饰，皆不脱如附权利要求所欲保护者，而为本发明专利范围所涵盖。
权利要求
1.一种复制Gm胞元，包括至少一Gm设定装置；一对输入晶体管，连接于该Gm设定装置，其中每个输入晶体管系用于接收一参考电压；一误差放大器，连接于该对输入晶体管；一参考电流源，连接于该误差放大器；以及一电流镜，连接于该误差放大器。
2.如权利要求第1项所述之复制Gm胞元，其中该至少一Gm设定装置包括闸极彼此连接的一对晶体管。
3.如权利要求第1项所述之复制Gm胞元，其中该至少一Gm设定装置包括源极彼此连接、以及汲极彼此连接的复数个晶体管。
4.如权利要求第1项所述之复制Gm胞元，其中该至少一Gm设定装置系以二进制编码(binary coded)方式配置。
5.如权利要求第1项所述之复制Gm胞元，其中该至少一Gm设定装置系以温度计编码(thermometer coding)方式配置。
6.如权利要求第1项所述之复制Gm胞元，其中该至少一Gm设定装置系以片断型温度计编码(segmented thermometer coding)方式配置。
7.如权利要求第1项所述之复制Gm胞元，其中该对输入晶体管系用于接收一参考电压。
9.如权利要求第1项所述之复制Gm胞元，其中该参考电流源包括一倍数电流数字/模拟转换器。
10.如权利要求第1项所述之复制Gm胞元，其中该参考电流源包括一倍数电流数字/模拟转换器以及一电流镜。
11.如权利要求第1项所述之复制Gm胞元更包括一尾电流源，连接于该参考电流源。
12.如权利要求第1项所述之复制Gm胞元，其中该电流镜包括一镜像参考晶体管以及一镜像工作电流源，该镜像参考晶体管具有一闸极、一源极、以及连接于该误差放大器之一第一输入端的一汲极，该镜像工作电流源具有连接于该镜像参考晶体管之该闸极和该误差放大器之该第一输入端的一闸极、连接于该镜像参考晶体管之该源极的一源极、以及连接于该误差放大器之一第二输入端的一汲极。
13.如权利要求第1项所述之复制Gm胞元，其中该电流镜包括一镜像参考晶体管，该镜像参考晶体管具有一闸极、一源极、以及一汲极；一第一叠加晶体管，该第一叠加晶体管具有一闸极、连接于该镜像参考晶体管之该汲极的一源极、以及连接于该误差放大器之一第一输入端的一汲极；一镜像工作电流源，该镜像工作电流源具有连接于该镜像参考晶体管之该闸极和该误差放大器之该第一输入端的一闸极、连接于该镜像参考晶体管之该源极的一源极、以及一汲极；一第二叠加晶体管，该第二叠加晶体管具有连接于该第一叠加晶体管之该闸极的一闸极、连接于该镜像工作电流源之该汲极的一源极、以及连接于该误差放大器之一第二输入端的一汲极。
14.一种复制Gm胞元，包括一数字/模拟转换器，该数字/模拟转换器系用以接收一Gm设定码并输出量值正比于该Gm设定码的一电流；一电流镜，连接于该数字/模拟转换器；一镜像参考晶体管，连接于该电流镜；一镜像工作电流源，连接于该电流镜与该镜像参考晶体管；一尾电流源，连接于该数字/模拟转换器；至少一Gm设定装置，连接于该尾电流源；一第一输入晶体管，连接于该至少一Gm设定装置；一第二输入晶体管，连接于该至少一Gm设定装置；以及一误差放大器，用以提供一调整电压予该Gm设定装置，该误差放大器具有一第一输入端与一第二输入端；其中，该误差放大器系将该第一输入晶体管及该镜像工作电流源之间的一第一电压，与该第二输入晶体管及该镜像参考晶体管之间的一第二电压作比较，以产生该调整电压。
15.如权利要求第14项所述之复制Gm胞元更包括一第一叠加晶体管以及一第二叠加晶体管，该第一叠加晶体管连接于该镜像工作电流源与该误差放大器之该第一输入端，该第二叠加晶体管连接于该镜像参考晶体管与该误差放大器之该第二输入端。
16.如权利要求第14项所述之复制Gm胞元更包括一第一叠加晶体管以及一第二叠加晶体管，该第一叠加晶体管连接于该第一输入晶体管与该误差放大器，该第二叠加晶体管连接于该第二输入晶体管与该误差放大器。
17.如权利要求第14项所述之复制Gm胞元，其中该至少一Gm设定装置包括复数个Gm设定装置，每个Gm设定装置皆包括至少一晶体管，该晶体管具有一源极、一闸级、以及一汲极，且该复数个Gm设定装置中源极彼此连接、汲极亦彼此连接。
18.如权利要求第17项所述之复制Gm胞元更包括一开关电路，连接于该复数个Gm设定装置，该开关电路系用以接收该Gm设定码并提供一电压予该Gm设定装置之该闸极。
19.如权利要求第17项所述之复制Gm胞元，其中该数字/模拟转换器系用以接收位数字大于该Gm设定装置之数字的一Gm设定码。
20.一种校正一Gm胞元的方法，包括下列步骤提供一Gm胞元；提供一复制Gm胞元，该复制Gm胞元连接于该Gm胞元；提供一参考高电压及一参考低电压予该Gm胞元；提供一Gm设定码予该复制Gm胞元；利用该复制Gm胞元产生一调整电压；调整该调整电压直到流经一对输入晶体管的一对汲极电流间的差额等于一参考电流；以及利用产生自该Gm胞元中该复制Gm胞元的该调整电压。
21.如权利要求第20项所述之方法更包括提供该Gm设定码予该Gm胞元之步骤。
22.如权利要求第20项所述之方法更包括使用该复制Gm胞元产生一偏压予该Gm胞元之步骤。
23.一种数字可程序化之一般型双四结构，包括一第一Gm胞元，用以接收一差动电压输入及一调整电压，并产生一差动电压输出；一第二Gm胞元，用以接收一差动电压输入及一调整电压，并产生一差动电压输出；一第一复制Gm胞元，用以接收一参考高电压、一参考低电压、以及一Gm设定码，并产生一调整电压，该第一复制Gm胞元连接于该第一Gm胞元；一第二复制Gm胞元，用以接收一参考高电压、一参考低电压、以及一Gm设定码，并产生一调整电压，该第二复制Gm胞元连接于该第二Gm胞元；一第一共通模式反馈电路，连接于该第一Gm胞元；以及一第二共通模式反馈电路，连接于该第二Gm胞元。
24.如权利要求第23项所述之数字可程序化之一般型双四结构，其中该第一Gm胞元与该第二Gm胞元系用以接收该Gm设定码。
25.如权利要求第23项所述之数字可程序化之一般型双四结构，其中该第一复制Gm胞元系用以产生一偏压，该第一Gm胞元系用以接收该偏压。
26.如权利要求第23项所述之数字可程序化之一般型双四结构，其中该第二复制Gm胞元系用以产生一偏压，该第二Gm胞元系用以接收该偏压。
27.如权利要求第23项所述之数字可程序化之一般型双四结构更包括至少一额外的第一Gm胞元，连接于该第一复制Gm胞元。
全文摘要
本案系指一种使用Gm复制胞元校正Gm胞元的方法及装置，藉由数字/模拟转换器接收Gm设定码并产生参考电流，Gm复制胞元调整调整电压直到一对汲极电流间之差值实质上等于参考电流，当满足这种状况时，即可获得适当的调整电压，以产生连接于Gm复制胞元之Gm胞元可使用之调整电压的适当校正。
文档编号H03M1/10GK1520636SQ02810628
公开日2004年8月11日 申请日期2002年5月24日 优先权日2001年5月25日
发明者S·赛勒斯安, S 赛勒斯安 申请人:因芬尼昂技术股份公司