本申請(qǐng)通常涉及電子電路，且更具體地涉及用于模擬輸入緩沖器的負(fù)載電流補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)是將連續(xù)物理量(例如，電壓)轉(zhuǎn)換為表示數(shù)量幅度的數(shù)碼數(shù)字的裝置。該轉(zhuǎn)換涉及adc周期性執(zhí)行的輸入的量化(或采樣)。結(jié)果是已經(jīng)從連續(xù)時(shí)間和連續(xù)幅度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散時(shí)間和離散幅度數(shù)字信號(hào)的數(shù)字值序列。

高速高性能adc使用基于開關(guān)電容器的輸入采樣網(wǎng)絡(luò)。大電容器以高采樣速度接通和關(guān)斷，使外部電路難以驅(qū)動(dòng)adc。為了最大限度地減少這種困難，高性能片上模擬輸入緩沖器插在adc前面。片上模擬輸入緩沖器需要在非常高的頻率(大約500mhz)下保持高線性度(85db)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)大電容器(大約3pf)以非常高的采樣速度(500msps)進(jìn)行切換。

在沒有關(guān)于adc輸入結(jié)構(gòu)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的情況下，必須在設(shè)計(jì)輸入接口電路之前檢查每個(gè)adc。在許多實(shí)施方式中，adc的模擬輸入直接連接到采樣和保持電容器，其產(chǎn)生必須從信號(hào)源緩沖的瞬態(tài)電流。在這些情況下，可以提供模擬緩沖器。

圖1示出了常規(guī)模擬輸入緩沖器100的示例，其包括被配置為在其基極端子處接收輸入信號(hào)vin并由此允許電流iq1產(chǎn)生的發(fā)射極跟隨器晶體管q1。晶體管q1和q2之間的節(jié)點(diǎn)在電容器cl之間提供輸出vo，其對(duì)adc內(nèi)的采樣和保持電容器進(jìn)行建模。電流iq1在iq2(通過q2)和icl(通過cl)之間劃分。晶體管q3和q2處于如圖所示的電流鏡配置，其中q3的集電極端子耦合到電流源ibias。

在緩沖器100中，電流icl是動(dòng)態(tài)變化的時(shí)變電流。因此，電流iq1有效地包含ac分量(因?yàn)閕q1＝iq2+icl)。當(dāng)輸入信號(hào)幅度大且輸入頻率高時(shí)，流入adc的大采樣電容器的電流為大的ac電流。該ac電流與dc偏置電流結(jié)合，并流過發(fā)射極跟隨器裝置。這導(dǎo)致發(fā)射極跟隨器的非線性操作，并且饋送到adc的信號(hào)失真。因此，為了確保電路的線性操作，通常必須將iq2提供為遠(yuǎn)大于icl的dc偏置電流(例如，ibias的鏡像)。

圖2示出了可以用較小的ibias提供較高線性度的常規(guī)輸入緩沖器設(shè)計(jì)的示例。緩沖器200類似于緩沖器100，但是進(jìn)一步包括如圖所示的共源共柵晶體管q4和電容器c1。共源共柵晶體管q4用vb偏置，并且c1耦合在vin和晶體管q4的發(fā)射極端子之間。c1兩端的ac電壓與cl兩端的ac電壓相似。因此，如果c1＝cl，則ic1＝icl。此外，在這種情況下，iq1等于iq2，并且與恒定電流ibias成比例。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在用于模擬輸入緩沖器的負(fù)載電流補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)和方法的所述示例中，一種輸入緩沖器可以包括：第一晶體管(q1)，其具有耦合到電源節(jié)點(diǎn)的集電極端子和耦合到第一輸入節(jié)點(diǎn)(vinp)的基極端子；第二晶體管(q2)，其具有耦合到第一晶體管(q1)的發(fā)射極端子的集電極端子；第三晶體管(q3)，其具有耦合到第二晶體管(q2)的發(fā)射極端子和接地節(jié)點(diǎn)的發(fā)射極端子，耦合到電流源(ibias)的集電極端子，以及耦合到集電極端子和第二晶體管(q2)的基極端子的基極端子；以及電容器(c1)，其耦合到第二和第三晶體管(q2和q3)的基極端子和第二輸入節(jié)點(diǎn)(vinn)，其中第一和第二輸入節(jié)點(diǎn)(vinp和vinn)是差分輸入。

在第一晶體管(q1)的發(fā)射極端子和第二晶體管(q2)的集電極端子之間的輸出節(jié)點(diǎn)(vop)可耦合到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)的輸入。輸出節(jié)點(diǎn)(vop)可耦合到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)的采樣和保持電容器(cl)。第二晶體管(q2)可具有第一尺寸，第三晶體管(q3)可具有第二尺寸，并且第一和第二尺寸之間的比率為n。

在各種實(shí)施方式中，n可以具有介于2和5之間的值。采樣和保持電容器(cl)的電容可以是電容器(c1)的電容的n倍。此外，通過第一晶體管(q1)的電流(iq1)可以是由電流源提供的偏置電流(ibias)的n倍。

在至少一個(gè)示例中，差分輸入緩沖器可包括：發(fā)射極跟隨器晶體管(q1s)，其具有耦合到電源節(jié)點(diǎn)的集電極端子、耦合到第一差分輸入節(jié)點(diǎn)(vinp)的基極端子，以及耦合到第一電流源(ibias2)的發(fā)射極端子；第一晶體管(q1)，其具有耦合到電源節(jié)點(diǎn)的集電極端子，以及耦合到第一發(fā)射極跟隨器晶體管(q1s)的基極端子和第一差分輸入節(jié)點(diǎn)(vinp)的基極端子；第二晶體管(q2)，其具有耦合到第一晶體管(q1)的發(fā)射極端子的集電極端子；第三晶體管(q3)，其具有耦合到第二晶體管(q2)的發(fā)射極端子和接地節(jié)點(diǎn)的發(fā)射極端子，耦合到第二電流源(ibias)的集電極端子，以及耦合到集電極端子和第二晶體管(q2)的基極端子的基極端子；以及電容器(c1)，其耦合到第二和第三晶體管(q2和q3)的基極端子和第一輸入節(jié)點(diǎn)(vonx)。

第一晶體管(q1)的發(fā)射極端子和第二晶體管(q2)的集電極端子之間的第一差分輸出節(jié)點(diǎn)(vop)可以耦合到包括采樣和保持電容器(cl)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)的第一差分輸入。第二晶體管(q2)可具有第一尺寸，第三晶體管(q3)可具有第二尺寸，第一和第二尺寸之間的比率可以為n，采樣和保持電容器(cl)的電容可以是電容器(c1)的電容的n倍，并且通過第一晶體管(q1)的電流(iq1)可以是由第二電流源提供的偏置電流(ibias)的n倍。

差分輸入緩沖器還可包括：另一發(fā)射極跟隨器晶體管(q1sn)，其具有耦合到電源節(jié)點(diǎn)的集電極端子，耦合到第二差分輸入節(jié)點(diǎn)(vinn)的基極端子，以及耦合到第三電流源(ibias2n)的發(fā)射極端子；第四晶體管(q1n)，其具有耦合到電源節(jié)點(diǎn)的集電極端子，以及耦合到另一發(fā)射極跟隨器晶體管(q1sn)的基極端子和第二差分輸入節(jié)點(diǎn)(vinn)的基極端子；第五晶體管(q2n)，其具有耦合到第四晶體管(q1n)的發(fā)射極端子的集電極端子；以及第六晶體管(q3n)，其具有耦合到第五晶體管(q2n)的發(fā)射極端子和接地節(jié)點(diǎn)的發(fā)射極端子，耦合到第三電流源(ibiasn)的集電極端子，以及耦合到集電極端子和第五晶體管(q2n)的基極端子的基極端子；以及另一電容器(c1n)，其耦合到第五和第六晶體管(q2n和q3n)的基極端子和第二輸入節(jié)點(diǎn)(vopx)。

在第四晶體管(q1n)的發(fā)射極端子和第五晶體管(q2n)的集電極端子之間的第二差分輸出節(jié)點(diǎn)(von)耦合到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)的第二差分輸入。發(fā)射極跟隨器晶體管(q1s)的發(fā)射極端子與第一電流源(ibias2)之間的節(jié)點(diǎn)在第二輸入節(jié)點(diǎn)(vopx)處提供電壓。另一發(fā)射極跟隨器晶體管(q1sn)的發(fā)射極端子與第三電流源(ibias2n)之間的節(jié)點(diǎn)在第一輸入節(jié)點(diǎn)(vonx)處提供電壓。

在至少一個(gè)另一示例中，可編程輸入緩沖器可包括：第一晶體管(q1)，其具有耦合到電源節(jié)點(diǎn)的集電極端子和耦合到輸入節(jié)點(diǎn)(vinp)的基極端子；第二晶體管(q2)，其具有耦合到第一晶體管(q1)的發(fā)射極端子的集電極端子；第三晶體管(q3)，其具有耦合到第二晶體管(q2)的發(fā)射極端子和接地節(jié)點(diǎn)的發(fā)射極端子，耦合到電流源(ibias)的集電極端子，以及耦合到集電極端子和第二晶體管(q2)的基極端子的基極端子；以及多個(gè)電容器(c1a-x)，每個(gè)電容器經(jīng)由相應(yīng)的開關(guān)(m1a-x)耦合到第二和第三晶體管(q2和q3)的基極端子。

第一晶體管(q1)的發(fā)射極端子和第二晶體管(q2)的集電極端子之間的輸出節(jié)點(diǎn)(vop)可耦合到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)的輸入。輸出節(jié)點(diǎn)(vop)可耦合到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)的采樣和保持電容器(cl)。第二晶體管(q2)可具有第一尺寸，第三晶體管(q3)可具有第二尺寸，并且第一和第二尺寸之間的比率可以為n。開關(guān)(m1a-x)可被配置為增加或減小電容器(c1a-x)的組合電容以匹配采樣和保持電容器(cl)的電容。此外，采樣和保持電容器(cl)的電容可以是電容器(c1a-x)的組合電容的n倍，并且通過第一晶體管(q1)的電流(iq1)可以是由電流源提供的偏置電流(ibias)的n倍。

附圖說明

圖1是常規(guī)模擬輸入緩沖器的示例的電路圖。

圖2是設(shè)計(jì)可以以較小偏置電流提供更高線性度的輸入緩沖器的常規(guī)方法的示例的電路圖。

圖3是根據(jù)一些實(shí)施例的一個(gè)示例負(fù)載電流補(bǔ)償電路的電路圖。

圖4和圖5是根據(jù)一些實(shí)施例的具有負(fù)載補(bǔ)償電路的一個(gè)示例差分輸入緩沖器的電路圖。

圖6是根據(jù)一些實(shí)施例的一個(gè)示例可編程負(fù)載補(bǔ)償電路的電路圖。

圖7是比較根據(jù)一些實(shí)施例的輸入緩沖器電路與常規(guī)輸入緩沖器電路的線性度的曲線圖。

具體實(shí)施方式

圖2的常規(guī)輸入緩沖器設(shè)計(jì)存在問題。例如，通過與q1串聯(lián)添加q4，電路200需要比電路100更大的工作電壓。例如，如果每個(gè)晶體管的集電極發(fā)射極電壓為400mv，則添加q4需要增加電源電壓(耦合到q1的集電極端子)至少相同的量。此外，輸入電流包含ac電流ic1，其可能較大并且可能使adc驅(qū)動(dòng)器的操作復(fù)雜化。為了解決這些和其它問題，本文所述的系統(tǒng)和方法為模擬輸入緩沖器提供負(fù)載電流補(bǔ)償電路。使用這些電路和技術(shù)，本文所述的實(shí)施例能夠?qū)崿F(xiàn)具有高線性度的低電壓、低功率和高速運(yùn)行。

圖3是根據(jù)一些實(shí)施例的一個(gè)示例負(fù)載電流補(bǔ)償電路的電路圖。輸入緩沖器300包括第一晶體管(q1)，其具有耦合到電源(vs)節(jié)點(diǎn)的集電極端子和耦合到第一輸入節(jié)點(diǎn)(vinp)的基極端子。輸入緩沖器300還包括第二晶體管(q2)，其具有耦合到第一晶體管(q1)的發(fā)射極端子的集電極端子。輸入緩沖器300進(jìn)一步包括第三晶體管(q3)，其具有耦合到第二晶體管(q2)的發(fā)射極端子和接地節(jié)點(diǎn)的發(fā)射極端子，耦合到電流源(ibias)的集電極端子，以及耦合到集電極端子和第二晶體管(q2)的基極端子的基極端子。

此外，輸入緩沖器300包括耦合到第二和第三晶體管(q2和q3)的基極端子和第二輸入節(jié)點(diǎn)(vinn)的電容器(c1)，其中第一和第二輸入節(jié)點(diǎn)(vinp和vinn)是差分輸入。

在第一晶體管(q1)的發(fā)射極端子和第二晶體管(q2)的集電極端子之間的輸出節(jié)點(diǎn)(vop)耦合到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)的輸入。如圖所示，輸出節(jié)點(diǎn)(vop)耦合到adc的采樣和保持電容器(cl)。

在各種實(shí)施方式中，第二晶體管(q2)可具有第一尺寸m2，第三晶體管(q3)可具有第二尺寸m3，并且第一和第二尺寸之間的比率可選擇為n(使得q2大于q3)。例如，在某些情況下，n可以具有介于2和5之間的值。因此，采樣和保持電容器(cl)的電容可以是電容器(c1)的電容的n倍，而通過第一晶體管(q1)的電流(iq1)是由電流源提供的偏置電流(ibias)的n倍。

在其它特征中，輸入緩沖器300允許c1按比例縮小為1/n(與cl相比)，從而減小電路的占用面積。此外，由于圖2的晶體管q4在本實(shí)施例中不使用，所以輸入緩沖器300可被配置為以較低的電源電壓(vs)工作。

在處理高速高線性度模擬信號(hào)時(shí)，大多數(shù)電路使用差分架構(gòu)來提高動(dòng)態(tài)性能(snr、sfdr、thd等)。因此，信號(hào)的差分對(duì)應(yīng)物在電路內(nèi)容易獲得。

實(shí)現(xiàn)電路300中的負(fù)載電流補(bǔ)償而不使用與電流源q2串聯(lián)的共源共柵器件。這種補(bǔ)償通過在電流鏡上注入ic1來實(shí)現(xiàn)，該電流向發(fā)射極跟隨器提供偏置電流。ic1需要從icl相移180度，這是通過將c1兩端的ac電壓用與vop相反的符號(hào)來實(shí)現(xiàn)的。使用這種方法，iq1＝n*ibias，其中n是q2與q3的器件尺寸的比率。然后，即使在存在ac負(fù)載電流的情況下，流過q1的結(jié)果電流也是恒定的。在不需要共源共柵器件的情況下，最小輸出電壓是q2的集電極發(fā)射極飽和電壓。此外，當(dāng)選擇n>1時(shí)，與負(fù)載電流相比，輸入電流減小至1/n。輸入電流的該減小有助于外部驅(qū)動(dòng)電路。但是，不能將n設(shè)為無窮大，所以至少一些ac電流將存在于輸入端處。

為了從輸入緩沖器輸入中完全去除ac分量，圖4和圖5示出了完整的差分輸入緩沖器。另外，它包含q1s和q1sn，分別生成vopx和vonx。q1s和q1sn的偏置電流可以比主要發(fā)射器跟隨器小得多。vopx和vonx分別用于生成ic1n和ic1。外部驅(qū)動(dòng)電路不需要提供這些電流，因?yàn)樗鼈冇蓂1s和q1sn提供。

在電路400中，發(fā)射極跟隨器晶體管(q1s)具有耦合到電源節(jié)點(diǎn)的集電極端子、耦合到第一差分輸入節(jié)點(diǎn)(vinp)的基極端子，以及耦合到第一電流源(ibias2)的發(fā)射極端子。電路400還包括：第一晶體管(q1)，其具有耦合到電源節(jié)點(diǎn)的集電極端子，以及耦合到第一發(fā)射極跟隨器晶體管(q1s)的基極端子和第一差分輸入節(jié)點(diǎn)(vinp)的基極端子；第二晶體管(q2)，其具有耦合到第一晶體管(q1)的發(fā)射極端子的集電極端子；以及第三晶體管(q3)，其具有耦合到第二晶體管(q2)的發(fā)射極端子和接地節(jié)點(diǎn)的發(fā)射極端子，耦合到第二電流源(ibias)的集電極端子，以及耦合到集電極端子和第二晶體管(q2)的基極端子的基極端子。

電路400進(jìn)一步包括電容器(c1)，其耦合到第二和第三晶體管(q2和q3)的基極端子和第一輸入節(jié)點(diǎn)(vonx)。第一晶體管(q1)的發(fā)射極端子和第二晶體管(q2)的集電極端子之間的第一差分輸出節(jié)點(diǎn)(vop)耦合到包括采樣和保持電容器(cl)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)的第一差分輸入。

在各種實(shí)施方式中，第二晶體管(q2)具有第一尺寸，第三晶體管(q3)具有第二尺寸，第一和第二尺寸之間的比率為n，采樣和保持電容器(cl)的電容是電容器(c1)的電容的n倍，并且通過第一晶體管(q1)的電流(iq1)是由第二電流源提供的偏置電流(ibias)的n倍。

同時(shí)，電路500包括另一發(fā)射極跟隨器晶體管(q1sn)，其具有耦合到電源節(jié)點(diǎn)的集電極端子，耦合到第二差分輸入節(jié)點(diǎn)(vinn)的基極端子，以及耦合到第三電流源(ibias2n)的發(fā)射極端子。電路500還包括：第四晶體管(q1n)，其具有耦合到電源節(jié)點(diǎn)的集電極端子，以及耦合到另一發(fā)射極跟隨器晶體管(q1sn)的基極端子和第二差分輸入節(jié)點(diǎn)(vinn)的基極端子；第五晶體管(q2n)，其具有耦合到第四晶體管(q1n)的發(fā)射極端子的集電極端子；以及第六晶體管(q3n)，其具有耦合到第五晶體管(q2n)的發(fā)射極端子和接地節(jié)點(diǎn)的發(fā)射極端子，耦合到第三電流源(ibiasn)的集電極端子，以及耦合到集電極端子和第五晶體管(q2n)的基極端子的基極端子。

電路500進(jìn)一步包括另一電容器(c1n)，其耦合到第五和第六晶體管(q2n和q3n)的基極端子和第二輸入節(jié)點(diǎn)(vopx)。在第四晶體管(q1n)的發(fā)射極端子和第五晶體管(q2n)的集電極端子之間的第二差分輸出節(jié)點(diǎn)(von)耦合到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)的第二差分輸入。

在各種實(shí)施例中，發(fā)射極跟隨晶體管(q1s)的發(fā)射極端子與第一電流源(ibias2)之間的節(jié)點(diǎn)在第二輸入節(jié)點(diǎn)(vopx)處提供電壓，而另一發(fā)射極跟隨器晶體管(q1sn)的發(fā)射極端子與第三電流源(ibias2n)之間的節(jié)點(diǎn)在第一輸入節(jié)點(diǎn)(vonx)處提供電壓。

輸入緩沖器400和500可以組合使用以驅(qū)動(dòng)具有差分輸入的adc。另外，例如，除了具有一些輸入緩沖器300的特性之外，輸入緩沖器400進(jìn)一步將c1與vinn隔離(因?yàn)閏1耦合到vonx)。

輸入緩沖器的ac負(fù)載電流與由輸入緩沖器看到的總負(fù)載電容cl成比例。cl的值由adc的采樣電容器控制，但是許多寄生分量將增加到cl。寄生電容難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。因此，為了產(chǎn)生非常接近實(shí)際負(fù)載電流的負(fù)載補(bǔ)償電流，c1(用于產(chǎn)生復(fù)制負(fù)載電流)可以是數(shù)字可編程的。例如，c1可能被分成很多部分，c1a，c1b...c1x。電容器連接到通過數(shù)字控制電壓d1a，d1b...d1x接通或斷開的mos開關(guān)。它們可用于產(chǎn)生最佳的負(fù)載補(bǔ)償電流，其導(dǎo)致輸入緩沖器的最佳動(dòng)態(tài)性能。

為了說明前述內(nèi)容，圖6是根據(jù)一些實(shí)施例的一個(gè)示例可編程負(fù)載補(bǔ)償電路的電路圖。輸入緩沖器600類似于緩沖器300-500，但也包括多個(gè)電容器(c1a-x)，每個(gè)電容器經(jīng)由相應(yīng)的開關(guān)(m1a-x)耦合到第二和第三晶體管(q2和q3)的基極端子。在各種實(shí)施例中，開關(guān)(m1a-x)可配置為增加或減少電容器(c1a-x)的組合電容，以匹配采樣和保持電容器(cl)的電容。采樣和保持電容器(cl)的電容是電容器(c1a-x)的組合電容的n倍。

輸入緩沖器600可用于基于由adc呈現(xiàn)的實(shí)際負(fù)載來編程c1的有效值。例如，這種編程可以在電子部件已經(jīng)在硅中制造之后執(zhí)行。在一些情況下，以其它方式類似于緩沖器600的相應(yīng)差分緩沖器，對(duì)于驅(qū)動(dòng)具有差分輸入的adc是有用的。

圖7是比較根據(jù)一些實(shí)施例的輸入緩沖器電路與常規(guī)輸入緩沖器電路的線性度的曲線圖。具體地，曲線圖700示出了相對(duì)vinp-vinn節(jié)點(diǎn)處輸入信號(hào)的頻率(“fin”軸)測(cè)得的三次諧波失真(“hd3”軸)。曲線701示出了常規(guī)輸入緩沖電路的線性度在高頻(高于大約370mhz)處下降了幾db。曲線702示出了本文所述的輸入緩沖器在相同的頻率范圍內(nèi)維持線性操作。

總而言之，本文描述的技術(shù)不需要與發(fā)射極跟隨器的電流源串聯(lián)插入的共源共柵器件，以減去復(fù)制負(fù)載補(bǔ)償電流。相反，減法在電流鏡輸入端子處完成。共源共柵器件將以vce_sat增加輸入緩沖器輸出節(jié)點(diǎn)的最小所需電壓，對(duì)于典型的工藝，其可以為400mv。

在一些實(shí)施方式中，在輸入端子處看到的電流量減少至1/電流鏡比n。附加地或替代地，通過將補(bǔ)償電容器連接到小的發(fā)射極跟隨器來消除在輸入端子處看到的ac電流。通過將輸入緩沖器的最小所需輸出電壓保持在1*vce_sat，adc輸入可以向下擺動(dòng)到400mv。使用先前的方法，最小電壓將為2*vce_sat，這將是800mv。采用1.2v的adc電源，小400mv的輸入擺幅將顯著降低adc輸入處的信號(hào)擺幅。此外，減少或消除輸入緩沖器的輸入ac電流使得外部驅(qū)動(dòng)器的工作更容易。

在權(quán)利要求的范圍內(nèi)，在所描述的實(shí)施例中，修改是可能的，并且其它實(shí)施例是可能的。例如，負(fù)載電流補(bǔ)償電路可以包括可以執(zhí)行指示的操作的電子部件的任何組合。而且，在一些實(shí)施例中，由所示部件執(zhí)行的操作可以由更少的部件執(zhí)行或分布在另外的部件上。類似地，在其它實(shí)施例中，可以不提供一些所示部件的操作和/或可以使用其它附加操作。因此，本文描述的系統(tǒng)和方法可以用其它電路配置來實(shí)現(xiàn)或執(zhí)行。

本文討論的各種操作可以同時(shí)和/或順序地執(zhí)行。每個(gè)操作可以以任何順序執(zhí)行，并且可以執(zhí)行一次或重復(fù)執(zhí)行。