一种DC失调消除电路及方法

文档序号:31053209发布日期:2022-08-06 08:54阅读:247来源:国知局
一种DC失调消除电路及方法
一种dc失调消除电路及方法
技术领域
1.本发明属于光通信芯片设计技术领域,具体涉及一种dc失调消除电路及方法。


背景技术:

2.随着数据传输速率的逐年提升,光载波凭借其巨大的容量,在通信领域中有举足轻重的地位。光通信系统中,光接收机用于将电流信号转化为电压信号,通过跨阻放大器将电流放大成电压信号,再经过后级放大输出,而失调校准电路作为光接收机的一部分,有着不可或缺的作用。尤其对于反相器结构的放大电路来说,如果电路存在比较大的差模失调,由于前级到输出有很大的增益,最终可能会导致输出饱和,从而影响电路的性能。
3.为了解决这种问题,现有的方法采用了两个单端的反相器级联结构电路与主通路形成负反馈去消除差模失调,但这种结构的缺点在于反相器结构的放大器增益较低,所以会使得校准精度变低,其次,由于反相器结构电路没有参考电压,这会导致输出共模点校正后可能不在最佳偏置点,由于反相器的线性区很窄,所以对于要求高线性度的电路,现有的结构存在一定的弊端。另外,通常跨导管的尺寸都很大,现有的失调消除结构没有考虑到低功耗,所以静态电流较大。


技术实现要素:

4.本发明的目的在于提供一种dc失调消除电路及方法,不仅实现了差模失调的校准,还实现了共模电压的校正,而且还解决了现有的失调消除结构没有考虑到低功耗,所以静态电流较大的问题。
5.为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
6.一种dc失调消除电路,包括失调消除模块、放大器组和反相器结构;若干反相器结构连接在两个放大器组之间,每个放大器组的一端连接信号输入端,另一端连接信号输出端;每个放大器组的输入输出端之间均设置有失调消除模块;
7.失调消除模块包括rc低通滤波电路、电压偏置电路、高增益放大器和class ab输出级;rc低通滤波电路一端连接所在放大器组的输出端,另一端连接高增益放大器的输入端,高增益放大器的另一个输入端连接电压偏置电路,高增益放大器的输出端与class ab输出级的输入端相连,class ab输出级的输出端连接在放大器组上。
8.进一步的,放大器组包括放大器vga1、放大器vga2、放大器vga3和放大器vga4;放大器vga1、放大器vga2、放大器vga3和放大器vga4依次串联,放大器vga1的输入端连接信号输入端,放大器vga4的输出端连接。
9.进一步的,class ab输出级的输出端连接在所在放大器组的放大器vga1的输出端。
10.进一步的,反相器结构连接在两个放大器vga1输出端之间,两个放大器vga2输出端之间,以及两个放大器vga3输出端之间。
11.进一步的,反相器结构为两个首尾相接的反相器。
12.进一步的,rc低通滤波电路为串联的一个电阻和一个电容,一端连接在放大器组的输出端,另一端连接在高增益放大器的输入端。
13.进一步的,高增益放大器为一个差分输入单端输出的折叠式共源共栅放大器电路。
14.进一步的,电压偏置电路包括一个电阻串和一个稳压电容,电阻串和稳压电容均连接在高增益放大器的另一个输入端,电压偏置电路可以钳位输出dc点从而校正共模电压。
15.进一步的,class ab输出级包含一个pmos和nmos并联的电路和一个pmos与nmos串连的输出电路。
16.进一步的,一种dc失调消除电路的消除方法,其包括以下步骤:
17.失调消除电路检测基于反相器结构的可变增益放大器组两端输出的直流分量,将检测的直流分量通过与偏置电压比较转换成电流反馈到放大器组vga第一级的输出,从而补偿输出的失调,通过连续的反馈校正实现失调的消除,让vga的工作点稳定在最佳偏置点,同时通过两条支路之间的锁相模块对电路的差模进行校正;
18.直流分量通过一个折叠式共源共栅结构放大器检测主通路输出的直流分量,放大器一端利用电阻串给定一个vdd/2的固定电压,两端通过比较由放大器输出一个电压值并传递给输出级。
19.输出级在没有失配时输出的静态功耗很小,当电路产生失配时折叠式共源共栅放大器将电压变化传递给输出级,输出级产生的电流反馈到vga的输入从而消除失配,通过连续调整最终输出稳定在vdd/2,此时反相器有最好的线性度;
20.根据蒙特卡洛仿真可以确定好vga最大失调从而确定失调消除电路输出级跨导管的尺寸。
21.与现有技术相比,本发明有以下技术效果:
22.本发明一种失调消除电路结构,其结构区别于现有的失调消除电路结构,既能够校正共模电压还能校正差模失调,提高了电路工作的可靠性。采用单端偏置的方式让输出dc点稳定在最佳偏置点,对于反相器结构放大器来说可以保证工作在线性度最好的状态,进而满足整体电路线性度的要求。class ab输出级可以大大地降低静态功耗,避免了跨导管上电流的浪费,而且驱动能力比单独的跨导管强很多。
23.进一步的,利用单端的失调消除环路,其工作点由偏置电路钳位在最佳偏置点,确保了在提高反相器线性度的同时并不影响电路前后级dc工作点。
24.进一步的,两个首尾相接的反相器可以让两路单端的输出信号变成差分信号,增大输出摆幅。
25.进一步的,高增益放大器采用折叠式共源共栅放大器的好处在于利用一级放大就可以产生较高的增益而且引入的极点少。
26.进一步的,电压偏置电路可以让失调校正环路将dc点最终校正到自己设置的偏置电压,校正具有灵活性。
27.进一步的,class ab输出级的跨导管尺寸与电路产生的最大失调有关,可以根据电路的失配来合理的选取跨导管的尺寸,适当的尺寸可以降低输出级的静态功耗。
28.本发明一种dc失调消除电路的消除方法,rc低通滤波对vga4的输出进行采样,目
的是得到输出的共模点,然后与偏置电压vdd/2进行比较,将输入误差通过折叠式共源共栅放大器放大并连接到class ab输出级的输入,然后调节输出级晶体管的偏压来控制电流大小。这种消除方法的好处在于既可以校正差模失调,还可以按照电路的要求灵活的校正输出共模电压,而且在电路稳定后静态功耗很小。
29.综上所述,本发明能够既校正差模失调又校正共模电压,同时偏置在vdd/2保证了反相器的线性度,class ab输出级比单独的跨导管大大降低了功耗。
附图说明
30.图1为现有的失调消除结构示意图;
31.图2为本发明提出的失调消除结构示意图;
32.图3为本发明提出的蒙特卡洛仿真图;
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
34.在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.应当理解,在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样,除非上下文清楚地指明其它情况,否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
36.还应当进一步理解,在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合,并且包括这些组合。
37.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的,其中为了清楚表达的目的,放大了某些细节,并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的,实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差,并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
38.请参阅图2,本发明一种失调消除电路,包括rc低通滤波电路、电压偏置电路、高增益放大器、class ab输出级,低通滤波电路用于采样vga的输出dc点;直流失调消除电路主要是消除失调,包括低通滤波电路、折叠式共源共栅放大器和class ab输出级;电压偏置电路由电阻串实现,可以自由的设置电路偏置的dc点。
39.失调消除电路在校正共模电压的同时还能消除差模失调,并保证了反相器最好的线性度,class ab输出级还降低了功耗。
40.具体的,一个频率很低的rc低通滤波器对vga的输出进行采样,通过大的滤波得到
一个几乎没有纹波的输出波形,此时可以认为成功采样到输出波形的共模值。
41.具体的,失调消除环路要求对产生失调的路径进行补偿,反馈路径上的放大器采用差分输入单端输出的折叠式共源共栅放大器。失调消除环路将输出的微小偏差进行放大并反馈到vga的输入,由vga1~vgan进行放大并输出,同时改变信号dc点,经过对失调单元进行dc补偿,最终改变电路输出的共模值。
42.进一步的,电压偏置电路将偏置点设置在vdd/2,失调消除环路通过负反馈不断地校正失调路径的dc点,最终使得输出的dc点稳定在vdd/2的位置。
43.具体的,rc低通滤波与折叠式共源共栅放大器将vga的微小电压变化放大,然后将变化的电压值输出到class ab输出级,输出级再将电压变化转换成电流反馈到失调路径,从而完成失调的校正。
44.本发明的实现所需要注意的问题,即失调校正电路的设计方法,包括以下步骤:
45.s1、对vga4的输出经过rc低通滤波采样需要得到纹波很小的输出共模点;
46.s2、对class ab输出级电路经过调节dc点工作在亚阈值区以得到最小的静态功耗;
47.s3、对vga级联放大器经过蒙特卡洛仿真确定最大失调,失调消除电路输出级跨导管的尺寸越大,校正失调的能力越强。
48.具体连接关系:
49.输入信号vip、vin经过vga1、vga2、vga3、vga4串联的放大器将信号放大到输出von、vop,然后通过三个首尾相连的反相器结构分别连接在vga1、vga2、vga3的两个单端输出使其变成差分信号。
50.rc低通滤波电路包含一个电阻和一个电容一端连接在输出vop与von,另一端连接在高增益放大器的输入端,高增益放大器包含一个差分输入单端输出的折叠式共源共栅放大器电路,高增益放大器的另一个输入端连接电压偏置电路,其中电压偏置电路包含一个电阻串和一个稳压电容,高增益放大器的输出端与class ab输出级的输入端相连,class ab输出级包含一个pmos和nmos并联的电路和一个pmos与nmos串连的输出电路。class ab输出级的输出端连接在vga1的输出端。
51.本发明一种失调消除电路的具体工作过程如下:
52.多级反相器结构的可变增益放大器有较大的增益变化,在最大增益时,多级放大器引会使各级所引入的失调逐级放大,并最终导致失调问题,从而导致电路性能降低。利用失调消除环路进行消除,低通滤波器对输出进行采样,通过放大器将电压差放大传递给输出级,输出级将电压变化转换成电流反馈到vga的第一级输出,电压偏置电路将最终的dc点稳点在vdd/2的位置保证反相器的线性度最佳。
53.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
54.相比于现有的失调消除电路结构,本发明提出的失调消除结构如图2所示,通过对比可以看到失调消除电路在校正共模电压的同时还能消除差模失调,并保证了反相器最好的线性度,class ab输出级还降低了功耗。
55.图3所示为电路的蒙特卡洛仿真,通过仿真验证可以看到采用本文提出的失调消除电路后实现了将输出失调控制在3σ在10mv以内。
56.在操作过程中,在vga的输出采用低通滤波电路采样,由一个大电阻和一个小电容组成频率很低的rc低通滤波电路,对输出的波形进行滤波得到dc值。
57.为保证失调消除环路的精度,实现高增益环路,放大器有较高的输出阻抗。另外,为保证环路的稳定性,高增益放大器采用一级的折叠式共源共栅放大器实现。由于反相器的线性区很窄,为了保证反相器结构的可变增益放大器有很好的线性度,电路中利用单独的偏置电路让反相器的dc点钳位在vdd/2。本发明的失调消除电路结构不同于现有的失调消除电路结构,由于现有的结构不能保证vga输出的dc点在vdd/2,所以利用单端偏置的方式可以实现既能校正共模电压又能校正差模失调。
58.由于失调消除环路的功耗主要来源于跨导管的功耗,为了降低失调消除环路的功耗,将现有的跨导管换成了class ab输出级,这样不仅降低了静态功耗,同时还增大了驱动能力。
59.综上所述,本发明一种失调消除电路结构,其结构区别于现有的失调消除电路结构,既能够校正共模还能校正差模,提高了电路工作的可靠性。采用单端偏置的方式让输出dc点稳定在最佳偏置点,对于反相器来说可以保证最好的线性度,进而满足整体电路线性度的要求。class ab输出级可以大大地降低静态功耗,避免在跨导管上造成电流的浪费,而且驱动能力比单独的跨导管强很多。
60.以上内容仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
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