具有双晶体管排和比例控制的插入器 【发明领域】
本发明一般涉及插入器(interpolator)，特别涉及具有两排晶体管和比例控制的插入器。
相关技术说明
采用连续插入衰减器的可变增益放大器包括衰减器网络、一系列跨导(gm)级、插入器、主放大器和相关的支持电路。衰减器接收输入信号并在一系列抽头点产生一系列逐渐衰减的信号。每个gm级连接到抽头点中的一个以接收衰减信号中的一个。gm级的输出连接到一起并连接到主放大器，从而整个输出信号是所有gm级的输出信号地和。插入器响应一控制信号引导gm级的偏置电流，由此，当选择最高增益时，最接近衰减器的输入端的gm级被激活，其它gm级被完全关闭。当增益降低时，插入器将偏置电流引导到离衰减器的输入端较远的gm级上，从而选择接收被逐渐衰减的输入信号的gm级。
在美国专利Nos.5,684,431和5,077,541中公开了具有连续插入衰减器的可变增益放大器使用的插入器的一些例子，上述两个专利与本申请具有同一个发明人。在美国专利No.5,432,478中公开的插入器的另一个例子也具有与本申请相同的发明人。这些专利在这里引入作为参考。
【发明内容】
在本发明的一个方面中，两排晶体管用于产生插入器电流。一个输入信号被施加到产生与相邻晶体管产生的电流极大重叠的一组部分切换电流的第一排晶体管上。第二排晶体管空间放大(spatially amplify)该部分切换电流，
从而减小与相邻晶体管产生的电流的重叠。
附图简要说明
图1为根据本发明构造的插入器的第一实施例的原理图。
图2示出了由根据本发明的示范性的10个晶体管的排的部分切换晶体管产生的部分切换电流的图形。
图3示出了对应于图2所示的部分切换电流并由根据本发明的第二排的10个晶体管产生的最终插入器输出电流的图形。
图4示出了根据本发明构造的部分切换插入器层的实施例的更详细的原理图。
图5为根据本发明构造的插入器的实际实施例的简化原理图。
图6为根据本发明构造的精确比例电流发生器的简化原理图。
图7示出了图6电路的更详细的原理图，并说明了根据本发明产生参考电流的技术。
图8为根据本发明的用于插入器的换向开关和设置点接口的实施例的原理图。
图9是根据本发明的换向开关的实施例的原理图。
图10是适用于图9的换向开关电路的根据本发明的插入器层的实施例的原理图。
详细说明
本发明提供用于改进插入器的工作的多种技术。本发明的第一方面是用两排晶体管产生插入器电流。施加到第一排晶体管的电压为小幅度信号，并由此，该部分产生一组部分切换电流。即，它们具有与相邻的晶体管产生的电流极大重叠的浅高斯型函数。部分切换电流随后由第二排晶体管进行“空间放大”。该过程减少与相邻晶体管电流的重叠。采用两排晶体管的优点是可以在整个插入器的所有部分使用低电源电压。
本发明的另一个主要方面是用两个控制电流成比例地驱动第一排晶体管。这改进了插入器的精度，因为插入器电流的质心位置仅由这两个电流的比例确定，而与第一插入器层中的特定“定标(scaling)”(可能具有由不精确的电阻和电流源产生的误差)无关。
本发明另外的方面是采用偏置伺服环路，以限定最终插入器输出电流的值。误差放大器检测总的插入器电流并偏置第一排晶体管，从而将插入器电流调节到由参考电压确定的准确值。参考电压一般与绝对温度(PTAT)成比例，以稳定由插入器电流驱动的单元的gm。偏置伺服环路自动补偿整个插入器的器件中的温度变化和制造误差。例如，偏置运算放大器可以补偿可能在第一和第二排晶体管之间耦合的电流镜晶体管的低的共发射极短路电流放大倍数β。
本发明的再一个方面是一种利用高精度电流镜电路和电流复制技术的精确电流发生器，以抵消共基极短路电流放大倍数α和初期电压效应，从而由低电源电压产生精确的比例驱动电流。
图1是根据本发明构造的插入器的第一实施例的原理图。图1所示的插入器包括具有第一排n个晶体管QPS1、QPS2、...QPSn的第一层和具有第二排n个晶体管Q1、Q2、...Qn的第二层。第一层包括多个(n-1)连接在相邻晶体管的基极之间的基极电阻RB、多个(n-2)连接到第一排晶体管的基极以为其提供电流IB的电流源以及连接到发射极节点E1的电流源IE1，该节点为第一排晶体管的发射极的公共连接点。如下所述，本发明可以由具有不同器件极性的不同数量(n)的晶体管，并且采用CMOS而不是双极型器件来实现。
响应于差分地加在端子A和B两端的控制电压VAB，第一排晶体管QPS1、QPS2、...QPSn分别产生多个电流IPS1、IPS2、...IPSn。当该控制电压由其范围的一端扫描到另一端时，在第一排中的晶体管由插入器的一端开始依次部分导通然后截止，以便将电流IE1依次引入不同的晶体管。在相邻的晶体管之间有一定重叠，并由此电流IE1以变化的量在电流IPS1、IPS2、...IPSn之间分配。这导致了被描述为当控制电压上下变化时沿衰减器来回移动的“质心”。即，IE1的最大电导按与电压VAB的线性关系从左到右移动。
在现有技术的插入器中，IBRB大小合适，IE1流入的n个晶体管完全切换。这要求电压VAB有相当大的峰值摆动，但这在2.7伏的供电电压的限制下是无法满足的。
但是，在图1的电路中，不是用足够的电压驱动第一层以使第一排晶体管在导通和截止之间完全切换，而是把第一排晶体管欠驱动，从而产生甚至是部分切换的电流IPS1、IPS2、...IPSn。即，电流IPS1、IPS2、...IPSn的每一个的高斯型函数(为控制电压的函数)与晶体管完全切换的插入器相比非常浅和宽。因此，第一层被称为部分切换插入器层。
由于第一排晶体管的欠驱动，质心从插入器的一端移到另一端所需要的总驱动电压降低了。例如，尽管八级插入器由一端到另一端完全切换一般需要大约5伏，但是根据本发明的可以部分切换的12级插入器所需要的总控制电压摆幅大约仅为1.5伏。
但是，如果部分切换电流IPS1、IPS2、...IPSn用于驱动一个采用连续插入衰减器的可变增益放大器的gm级，由于部分切换电流的电流脉冲重叠得太多，将不能清楚的将一个gm级从其它gm级中选择出来。
因此，引入一个第二层以“空间放大”该部分切换电流。第二层包括多个连接在第一排晶体管的集电极和电源公共端GND之间的电阻RLE以首先将部分切换电流转换为电压。每一个第二排晶体管Q1、Q2、...Qn的基极连接到相对应的第一排晶体管的一个集电极。第二排晶体管的发射极一起连接到发射极节点E2，该节点接收来自连接到其上的第二电流源的电流IE2。最终插入器输出电流I1、I2、...In分别在Q1、Q2、...Qn的集电极产生。
以负载电阻RLE两端的电压工作的第二排晶体管的跨导引起空间放大，减少了相邻晶体管之间的电流重叠。即，插入器电流I1、I2、...In的形状与部分切换电流IPS1、IPS2、...IPSn相比被拉长和变窄，成为窄高斯型。图2示出了10级部分切换晶体管排的部分切换电流IPS1、IPS2、...IPSn，参考图2可以更好的理解空间放大，图3示出了相应的插入器电流I1、I2、...In。图2和图3所示的电流被显示为如下面所述的与端子A和B之间的控制电压有关的电压设置点信号VSET的函数。如图2和图3所示，根据本发明的两层插入器产生具有所要求的高斯形状和最佳重叠的插入器电流，并且在低电源电压的界限内实现。
图4示出了根据本发明构造的具有比例响应的部分切换插入器层的实施例的详细的原理图。利用其发射极一起连接到用于接收电流IE1的发射极节点E1的第一排NPN晶体管QPS1、QPS2、...QPSn实现图4的电路。多个n电流源由PNP晶体管QCS1、QCS2、...QCSn实现，每一个PNP晶体管的发射极通过电阻RE连接到正电源VPOS上，并且其集电极连接到第一排中的一个晶体管的基极上。电流源晶体管QCS1、QCS2、...QCSn的基极连接在一起，并连接到PNP晶体管Q55的发射极。Q55的集电极接地，并且其基极连接到发射极节点E1。
图4电路的重要特征是第一排晶体管的输入端A和B由电流(1+X)IX和(1-X)IX成比例地驱动，其中X是在+1和-1之间变化的无量纲的调制系数，而IX是固定电流。在没有比例驱动的情况下，基极电阻RB和电流IB的乘积确定了系统对于电压VAB的定标灵敏度。因此，精度依赖于RB和IB的绝对值。但是，通过采用电流模式比例技术，系统进行响应，使得插入器电流的质心只由限定互补电流的无量纲系数X确定，而不是由RB、IB或甚至IX确定。然后，如下所述，绝对定标可以引入到产生电流(1+X)IX和(1-X)IX的电流发生器中。
在工作中，电流IE1、(1+X)IX和(1-X)IX将节点E1的电压拉低，导致晶体管Q55驱动电流源晶体管QCS1、QCS2、...QCSn成为导通，直到电流(1+X)IX和(1-X)IX被n个电流源晶体管完全吸收。因为(1+X)IX+(1-X)IX为2IX，所以每个电流IB稳定在值2IX/n。
当调制系数X＝0时，并且对于n为奇数的示例性的情况，在第一排中间的晶体管的基极比其它所有晶体管的电压更高，并由此，最大电流流过中间的晶体管。因此，作用的质心位于插入器的中间，在相邻的晶体管中流过较小的电流。RB的值决定部分切换过程的强烈程度。当RB增加时，中间的晶体管比其它晶体管吸收更多的IE1。但是，RB并不影响质心的位置。(如果n为偶数，当X＝0时，中间两个晶体管的基极电压相同，并且有效质心位于中间两个晶体管之间的位置。)
在极端的情况下，当X＝1时，等于2IX的电流全部由A端流过，QPSn的基极电位最高，与第一排中的任何其它晶体管相比，IE1的更多的部分流过QPSn，从而使质心一直移动到插入器的右手端。此外，质心的位置与RB、IB或IX的值无关，只与调制系数X的值有关。同样地，当X＝1时，质心移动到网络的左手端。质心的位置是调制系数X的线性函数。
图5是根据本发明构造的插入器的实际实施例的简化原理图。图5的电路适用于提供高质量NPN晶体管(但PNP晶体管的质量稍差)的制造工艺。因此，第一和第二排晶体管都由NPN晶体管制造，并通过精度较低的PNP电流镜连接到一起。
图5的电路包括第一层，该层大部分与图4所示的相同，但发射极节点E1不是连接到电流源IE1，而是连接到偏置放大器12的输出端，以接收用于设置通过节点E1电流的驱动信号DRV，如下所述。
图5的电路还包括与图1非常类似的第二层，但发射极节点E2通过电阻REE连接到GND。电阻RLE连接到节点14，节点14通过电阻R1和二极管D1连接到GND。部分切换电流IPS1、IPS2、...IPSn通过由晶体管对QA1/QB1、QA2/QB2、...QAn/QBn形成的电流镜耦合到第二排晶体管的基极。射极跟随器晶体管可选地串联在每个电流镜和第二排的对应晶体管的基极之间，以防止插入器电流的形状依赖于第二排中NPN晶体管的共发射极短路电流放大倍数β。
大体上为跨导放大器的偏置运算放大器12的非反相输入端连接到节点E2，以检测最终插入器电流I1、I2、...In的总和IE2。放大器12的反相输入端接收参考电压VPTT。该电压通常为PTAT，并决定用在插入放大器部分中的gm单元的跨导。放大器12驱动第一层的发射极节点E1，以将电流IE2的值调节到精确值VPTT/REE。因此，建立起用于插入器电流的明确的值，而与器件的偏差无关。采用图5所示的偏置伺服原理的另一个优点是自动补偿PNP电流镜晶体管有限的共发射极短路电流放大倍数β。
如果比例驱动电流(1+X)IX和(1-X)IX相对于温度是稳定的，则第一层的部分切换作用的强度将随温度变化。
如果图5的插入器用于驱动采用连续插入衰减器的可变增益放大器的gm级，可以调节参考电压VPTT以补偿gm级中的两个额外影响。首先，将校正加到VPTT上，以补偿在gm级中的差分晶体管的欧姆电阻值。这可以通过利用一个包含与gm级中所用晶体管的欧姆电阻的非理想性相同的晶体管的参考单元所产生的VPTT来实现。其次，校正VPTT以补偿第二排晶体管的有限的共发射极短路电流放大倍数β，以及gm级中的差分晶体管的发射极和集电极之间的共基极短路电流放大倍数α。
图6是根据本发明用于产生比例电流(1+X)IX和(1-X)IX的精确电流发生器的第一实施例的原理图。图6的电路包括其发射极通过电阻R10连接到GND的晶体管Q10。运算放大器15在其非反相输入端接收设定点电压VSET。运算放大器15的反相输入端连接到Q10的发射极，并且运算放大器15的输出连接到Q10的基极，以便输入电压VSET在R10上复制，从而在Q10的发射极中产生相应的电流。然后，该电流被Q10的共基极短路电流放大倍数α减小并在Q10的集电极成为第一输出电流(1+X)IX。
晶体管Q11和电阻R11与Q10和R10并联，以复制第一输出电流。把Q11的集电极的该复制电流与由电流源22产生的参考电流IREF相加。Q11的集电极也连接到高增益电流镜16的输入端。电流镜输出第二输出电流(1-X)IX。
当输入VSET为零时，Q10和Q11截止，通过电流镜提供所有的IREF作为IOP端的输出电流。随着VSET的增加，通过Q10的电流也增加，并提供到第一输出端IOP，而通过Q11的电流从电流镜中分流了IREF的增长量，从而减小了到IOP的第二输出电流。
因为输出是成比例的，所以只要Q10的共基极短路电流放大倍数α在通过具有相同的共基极短路电流放大倍数α的Q11的相反支路被复制，Q10的共基极短路电流放大倍数α是不重要的。但是，电流镜16必须具有很高的增益(即，必须不受电流放大倍数β的影响)，以避免将额外的误差引入第二输出电流。参考电流IREF也应当为Q11的共基极短路电流放大倍数α而进行校正。
因此，图6所示的电路提供了精确的比例电流对，并只要求比完全差分结构所要求的更低电源电压。
图7示出了图6的电路的更详细的实施例的原理图，并说明了根据本发明产生参考电流IREF的技术。电流镜16由晶体管Q15、Q16和Q17实现。参考电流IREF由包括晶体管Q12和Q13以及负反馈电阻R12和R13的电流镜产生。预偏置电流源连接到Q12和Q13的基极，以提供Q12和Q13所需的大部分基极电流IPB。剩余的基极电流由其输入端连接到Q12和Q13的集电极的运算放大器18提供，从而抵消运算放大器输入电流的影响。因此，流过Q12和Q13的电流被精确地平衡。
输入到由Q12和Q13形成的电流镜的参考电流由其发射极通过R14与GND相连的晶体管Q14提供。电阻R14与R10和R11的阻值相同。晶体管Q14的基极由另一个运算放大器20驱动，该运算放大器20在其非反相输入端接收参考电压VREF，并且其反相输入端连接到Q14的发射极。因此，R14两端的电压被强制等于VREF，为电流发生器并由此为上述的插入器引入定标。Q14的共基极短路电流放大倍数α与Q10和Q11的相同，因此，为Q11的共基极短路电流放大倍数α自动校正了IREF。
在一些应用中，能够响应VSET的变化切换输出电流(1+X)IX和(1-X)IX的变化方向是非常有用的。可以通过采用在插入器和设置点接口之间的换向开关来实现。在图8中示出了实现换向开关的一个方案，其中插入器24和设置点接口26以简化形式示出。换向开关包括由一切换控制电压VSW驱动的一层NPN晶体管QA到QD，从而当外侧的晶体管QA和QD导通时，输出电流(1+X)IX和(1-X)IX被分别引导到插入器的IOP和ION。当内侧的晶体管QB和QC导通时，输出电流被分别引导到插入器的ION和IOP。当VSW足够大时(＞180mV)，这些电流的切换基本上是完全的。
图8所示的晶体管QA-QD的方案是切换两个电流的方向的众所周知的方法，但是存在至少两个主要问题。首先，晶体管层吸收过量的电源电压。其次，晶体管QA-QD的共基极短路电流放大倍数α使电路的精度降低了大约几个百分点。
图9中示出了根据本发明的用于由设置点接口切换输出电流的方向的电路的实施例的原理图，说明了用于由设置点接口切换电流方向的更好的技术。图9的电路包括一层PNP晶体管QE、QF、QG和QH。QE和QG的发射极连接到插入器24的IOP，同时QF和QH的发射极连接到插入器的ION。QE和QF的集电极连接到设置点接口26的IOP，而QG和QH的集电极连接到设置点接口的ION。图9的电路还包括四个电流源28、30、32和34，它们中的每一个分别连接到相应的QE-QH的基极中的一个，以提供能够开或关的基极驱动电流IE、IF、IG和IH。
根据所希望的电流流动方向，通过使IE和IH或IF和IG打开来引导设置点接口的输出电流。通过打开IE和IH并关闭IF和IG，由设置点接口的IOP和ION端流出的电流分别被引入到插入器的IOP和ION端。同样，通过打开IF和IG并关闭IE和IH，由设置点接口的IOP和ION端流出的电流分别被引入到插入器的ION和IOP端。当所设计的电流源打开时，电流IE、IF、IG和IH分别使它们相应的晶体管深度饱和，因此，它们吸收非常小的电源电压。另一个优点是因为流过每个晶体管的集电极的电流流过其发射极，不再有共基极短路电流放大倍数α的损失。当电流引导晶体管QE-QH由绝缘体上硅(SOI)器件实现时，当消除器件饱和时，衬底的额外电流引起误差。
图10是根据本发明构造的部分切换插入器层的另一个实施例的原理图，在其中说明了根据本发明的另一个改进。如果在图4的插入器层中直接应用图9的换向开关电路，基极电流IE、IF、IG和IH会将误差引入到比例电流(1+X)IX和(1-X)IX中。图10的电路与图4的电路类似，除了外侧电阻RE现在由具有RE/2阻值的电阻代替，并且外侧电流源晶体管QCS1和QCSn具有是其它具有发射极区“e”的电流源晶体管两倍大小的发射极区“2e”。在图4的电路中，每个电阻RE流过的电流等于IREF/n。因此，如果图9中的电流IE、IF、IG和IH等于IREF/n+2，在图10的电路中的外侧电流源电阻可通过图9的QE-QH吸收基极电流，而不影响图10中的部分切换晶体管QPS1-QPSn排的工作。在优选的实施例中，图9中的电流源28-34和图6中的22连接到一个公共参考电路，从而电流IE、IF、IG和IH与IREF具有相似的特性。
虽然这里所说的实施例采用双极结型晶体管(BJT)来实现，也可以采用其它器件。这里所用的术语晶体管是指任何具有用于控制电流流动的控制输入端的器件。因此，术语“基极”是指BJT的基极以及场效应晶体管(FET)的栅极。其它的BJT晶体管的特殊术语也理解为是指其他类型的控制器件的相应部件，例如，公共发射极节点是指公共源极节点，集电极对应于漏极等。
以本发明的优选实施例介绍和说明了发明原理，显然在安排和细节上可以对本发明进行修改而不脱离其原理。我声明所有的修改和变型均落入随后的权利要求书的精神和范围中。