平衡回转器和包括平衡回转器的设备.pdf

一种平衡回转器，包括由MOSFET制造的单端反向甲乙类跨导器的相互连接对以及连接在平衡输入端(18、19)和输出端(22、23)之间的共模反馈电路(26)。通过在每个跨导器(TC1－TC4)中提供非互易的反馈电容(Cf)以使穿心电容变为互易的从而可以中和回转器的穿心电容，可以克服由于在跨导中产生高频寄生穿通路径引起的畸变导致的频率响应峰。

1.  一种平衡回转器，包括：多个相互连接的前馈和反馈MOS单端跨导器，平衡的输入端和输出端，分别耦合在平衡的输入端和输出端之间的共模反馈装置，和为每个跨导器提供非互易的反馈电容以使跨导的穿心电容变为互易从而中和回转器的穿心电容的装置。

2.  根据权利要求1所述的平衡回转器，其中：每个单端跨导器包括一个pMOS晶体管和一个nMOS晶体管，所述pMOS晶体管和nMOS晶体管的漏极连接在一起，所述pMOS晶体管和nMOS晶体管的源极连接到对应的第一和第二电源连线，所述pMOS晶体管和nMOS晶体管的栅极耦合到一个输入端，相互连接的漏极的连接点连接到一个输出端，其特征在于：非互易的反馈电容包括一个耦合在输入端和输出端之间的一个电容性器件。

3.  根据权利要求2所述的平衡回转器，其特征在于：电容性器件包括一个MOS晶体管，该MOS晶体管具有连接在一起的源极和漏极以及一个栅极，该MOS晶体管的栅极耦合到跨导器输入端，一个源极跟随器晶体管将相互连接的源极和漏极耦合到跨导器输出端。

4.  根据权利要求3所述的平衡回转器，其特征在于：电容性器件的电容值与pMOS晶体管和nMOS晶体管的栅-源电容之和相关联。

5.  根据权利要求4所述的平衡回转器，其特征在于：所说的电容值基本上等于其中C_gsp和C_gsn分别是pMOS晶体管和nMOS晶体管的栅-源电容。

6.  一种滤波器，所述滤波器包括至少一级滤波器，所述一级滤波器包括：第一和第二分路电容器和一个串联电感级，其特征在于：串联电感级包括第一和第二平衡回转器和一个分路电容，其特征还在于：第一和第二回转器中的每一个都包括多个相互连接的前馈和反馈MOS单端跨导器、平衡的输入端和输出端，分别耦合在平衡的输入端和输出端之间的共模反馈装置、和为每个跨导器提供非互易的反馈电容以使跨导的穿心电容变为互易从而中和回转器的穿心电容的装置。

7.  一种具有至少一个信道滤波器的收发器，所说的信道滤波器或者每个信道滤波器包括多个平衡回转器，每一个平衡回转器包括多个相互连接的前馈和反馈MOS单端跨导器、平衡的输入端和输出端，分别耦合在平衡的输入端和输出端之间的共模反馈装置、和为每个跨导器提供非互易的反馈电容以使跨导的穿心电容变为互易从而中和回转器的穿心电容的装置。

8.  根据权利要求7所述的收发器，其中：每个单端跨导器包括一个pMOS晶体管和一个nMOS晶体管，所述pMOS晶体管和nMOS晶体管的漏极连接在一起，所述pMOS晶体管和nMOS晶体管的源极连接到对应的第一和第二电源连线，所述pMOS晶体管和nMOS晶体管的栅极耦合到一个输入端，相互连接的漏极的连接点连接到一个输出端，其特征在于：非互易的反馈电容包括一个耦合在输入端和输出端之间的一个电容性器件。

9.  根据权利要求8所述的收发器，其特征在于：电容性器件包括一个MOS晶体管，该MOS晶体管具有连接在一起的源极和漏极以及一个栅极，该MOS晶体管的栅极耦合到跨导器输入端，一个源极跟随器晶体管将相互连接的源极和漏极耦合到跨导器输出端。

10.  根据权利要求8所述的收发器，其特征在于：电容性器件的电容值与pMOS晶体管和nMOS晶体管的栅-源电容之和相关联。

11.  一种包括根据权利要求6所述的滤波器的集成电路。

12.  一种包括根据权利要求7-10中任何一个所述的收发器的集成电路。

平衡回转器和包括平衡回转器的设备
技术领域
本发明涉及平衡回转器(gyrator)及其设备，例如回转子滤波器(gyrator filters)和包括至少一个平衡回转器的集成收发器。该MOS晶体管
背景技术
回转子滤波器通常用在无线收发器的低功率信道滤波器中。当前，能够用MOS技术制造完整的集成收发器/接收器还是令人感兴趣的。信道滤波器可以包括MOS回转器，MOS回转器遭受电容前馈问题，电容前馈是在它的MOS晶体管中由非互易的栅极-漏极电容产生的结果，并且这一结果使滤波器的高频响应发生畸变。回转器包括跨导器反馈对，并且在理想情况下，这些跨导器可将输入电压线性地转换为输出电流，而且输入端口和输出端口二者都呈现无限大的阻抗。在图1中表示的是一个典型的跨导反馈器对，其中的一个跨导器10是反相的，另一个跨导器12是非反相的。
图2表示的是一个平衡甲乙类跨导器的实施例，跨导器包括两对MOS晶体管，每对晶体管包括一个p型晶体管14和一个n型晶体管16，它们的漏极耦合在一起，它们的源极连接到对应的电源电压线V_DDA和V_SS，它们的栅极连接到一起，每一对栅极的公共接点连接到对应的输入端18、20，它们的对应的相互连接的漏极耦合到输出端22、24。在输入端18、20之间耦合一个共模反馈(cmfb)电路26以提供直流稳定性。
如图3所示的使用两个平衡甲乙类跨导器10、12的并且反馈跨导器12的输出连接交叉(crossed-over)在一起的平衡回转器存在的问题是，形成跨导器的晶体管的漏极和栅极之间本来就有的电容将要产生高频寄生穿透路径，这将在滤波器的频率响应中产生高频峰。在跨导器中使用极小的晶体管可减轻这种情况，但实际上，这将导致极差的匹配。
现在参照附图4和5，上述的问题可以理解如下：一开始，考虑如图4所示的一个MOSFET的栅极g和漏极d之间存在电容。Y.P.Tsividis在文章“MOS晶体管的操作和模型”(McGraw-Hill，ISBN0-07-065381，第370-372页)中指出，在饱和状态SAT下工作的晶体管(见图5)具有如由下式给出的本征电容Cgs、Cdg、Cgd：
C gs = - δ Q g δ V s = 2 3 · C ax - - - ( 1 ) ]]>
C dg = - δ Q d δ V g = 4 15 · C ax - - - ( 2 ) ]]>
C gd = - δ Q g δ V d = 0 - - - ( 3 ) ]]>
例如，在与本发明有关的平衡回转器中使用的跨导器的那些晶体管就是如此。
MOSFET还有一个非本征的电容C_gdol，它是由于栅-漏重叠和栅-漏触点之间的杂散场引起的。
跨导器有一个前馈电容C_ff和一个反馈电容C_fb，这里
C ff = C dg + C gdol = 2 5 · C gs + C gdol - - - ( 4 ) ]]>
      C_fb＝C_gd+C_gdol＝C_gdol             (5)
显然，电容是非互易的，即C_ff≠C_fb，因而使用简单的(互易的)电容的简单中和平衡技术是无用的。
发明内容
本发明的第一个目的是减轻高频寄生穿通路径(feedthroughpath)对于平衡回转器性能的影响。
本发明的第二个目的是避免或减小使用平衡回转器实施的滤波器的频率响应的畸变。
按照本发明的一个方面，提供一种平衡回转器，所说平衡回转器包括多个相互连接的前馈和反馈MOS单端跨导器、平衡的输入端和输出端、分别耦合在平衡的输入端和输出端之间的共模反馈装置、和为每个跨导器提供非互易的反馈电容以使跨导的穿心电容(feedthroughcapacitance)变为互易从而中和回转器的穿心电容的装置。
按照本发明的第二个方面，提供了一种滤波器，所说的滤波器包括至少一级滤波器，一级滤波器包括：第一和第二分路电容器和一个串联电感级，其特征在于：串联电感级包括第一和第二平衡回转器和一个分路电容，其特征还在于：第一和第二回转器中的每一个都包括多个相互连接的前馈和反馈MOS单端跨导器、平衡的输入端和输出端，分别耦合在平衡的输入端和输出端之间地共模反馈装置、和为每个跨导器提供非互易的反馈电容以使跨导的穿心电容变为互易从而中和回转器的穿心电容的装置。
按照本发明的第三个方面，提供一种具有至少一个信道滤波器的收发器，所说的信道滤波器或者每个信道滤波器包括：多个平衡回转器，每一个平衡回转器包括多个相互连接的前馈和反馈MOS单端跨导器、平衡的输入端和输出端，分别耦合在平衡的输入端和输出端之间的共模反馈装置、和为每个跨导器提供非互易的反馈电容以使跨导的穿心电容变为互易从而中和回转器的穿心电容的装置。
按照本发明的下一个方面，提供一种设备，所说的设备包括按照本发明的第一个方面的平衡回转器、或者按照本发明的第二个方面的滤波器、或者按照本发明的第三个方面的收发器。这样一种设备例如可以是一种集成电路。
附图说明
下面参照附图借助于实例详细描述本发明，其中：
图1是表示包括跨导器的反馈对的示意方块图；
图2是包括MOS晶体管对和共模反馈电路的平衡甲乙类跨导器的示意图；
图3是包括如图2所示的两个平衡跨导器的平衡回转器模块的示意方块图；
图4是MOSFET的示意图，表示出各个电极对之间的各个本征电容以及非本征电容；
图5是表示跨导器的晶体管在各个工作区的本征电容的曲线图；
图6是具有一个附加的反馈电路的单端跨导器的示意电路图；
图7是包括4个如图6所示的单端跨导器和共模反馈级的平衡回转器模块的示意电路方块图；
图8是第5级回转子滤波器的示意方块图；
图9用虚线表示第5级回转子滤波器的其中没有中和回转器的前馈电容的频率响应，用实线表示第5级回转子滤波器的其中已经中和了回转器的前馈电容的频率响应；和
图10是具有一个多相滤波器的收发器示意方块图，其中的滤波器使用了按照本发明制造的平衡回转器。
在附图中，使用相同标号表示对应的特征。
具体实施方式
因为在本说明书的开始段已经描述了图1-5，所以这里不再对它们进行描述。
现在参照附图6，图中所示的单端跨导器分别包括pMOS和nMOS晶体管14、16，它们的漏极连接在一起，它们的源极连接到对应的电流源连线(rail)V_dda和V_ss。这些晶体管的栅极连接到一个公共输入端18。
用虚线表示在晶体管14和电源线V_dda之间的pMOS晶体管14的栅-源电容30(C_gsp)。类似地，用虚线表示在晶体管16和电源线V_ss之间的nMOS晶体管16的栅-源电容32(C_gsn)。图中用虚线表示晶体管14、16的相互连接的漏极和相互连接的栅极之间的电容C_dgt。
图中所示的单端跨导器还包括一个附加的反馈电路C_f。这个附加的反馈电路C_f包括：源极跟随器S、利用电流源I和pMOS晶体管34进行偏置的pMOS晶体管36，pMOS晶体管36的栅极由跨导器输出端22上的电压进行驱动。源极跟随器的输出通过电容器Cp连接到跨导器的输入端18，电容器C_p是由MOS晶体管38的氧化物电容形成的。在所示的实施例中，晶体管38是一个pMOS晶体管，并且，如果由于相反的信号极性使这个晶体管截止，则这个电容是相当稳定的，因为这时的沟道是由背栅代替的。
在一个没有在图中表示出来的实施例中，可以使用反向连接的nMOS晶体管(栅极连接到跨导器输出端22，公用源-漏连接到输入端18来产生这个电容C_p。在这种情况下，应该使用源极跟随器V_gs、晶体管36在它的三极管区进行永久性的偏置。
现在回到如图所示的实施例，当向跨导器输入端18施加一个信号电压的时候，电流通过到跨导器输出端22的电容C_dgt并且通过到源极跟随器S的电容器C_p而流动，源极跟随器引导其无变化地(harmlessly)到达Vss连线。所以有：
C ff = C dgf = 2 5 ( C gsp + C gsn ) + C gdolp + C gdo ln - - - ( 6 ) ]]>
当向跨导器输出端22施加一个信号电压时，电流借助于到跨导器输入端18的电容C_gdt和电容器C_p而流动。所以有：
          C_fb＝C_gdt+C_p＝C_gdolp+C_gdoln+C_p    (7)
如果对于电容器C_p进行设计，使得：
C p = 2 5 ( C gsp + C gsn ) - - - ( 8 ) , ]]>
则有：
          C_ff＝C_fb＝C_f                      (9)
即，穿心电容现在是互易的。
图7是一个平衡回转器的示意方块图，所说的平衡回转器包括4个如图6所示的那种类型的单端跨导器TC1-TC4，其中分别通过跨接在输入端和输出端的电容C_f和共模反馈(cmfb)电路26来模拟互易的电容。跨导器TC1和TC4的输出端分别耦合到跨导器TC3和TC2的输入端。因为平衡的输入端18、19和输出端22、23总是经受相等和相反的信号电压，所以通过在前向跨导器对中的电容器C_f施加的电流总是被通过反馈跨导器对中的电容C_f施加的电流的相等和相反的电流抵消。换言之，平衡回转器的穿心电容是自动中和抵消的。共模反馈(cmfb)电路26用于提供直流稳定性。
已经发现，图中所示的平衡回转器电路明显改善了Gm-C信道滤波器的频率响应。
图8表示第5级带通滤波器。这个滤波器是一个电感/电容滤波器，包括：输入电阻R_IN和输出电阻R_OUT、分路电容器C1、C3、C5、串联电感L1、L2。电感L1是通过平衡回转器BG1、BG2、和电容器C2实现的，电感L2是通过平衡回转器BG3、BG4、和电容器C4实现的，平衡回转器BG3、BG4的构成方式与平衡回转器BG1、BG2相同。因为已经参照附图7描述了平衡回转器BG1-BG4，为简单起见，这里不再赘述。
在图9中表示出在频率响应中的改进，其中虚线频率响应40表示穿心电容不是互易的结果，如以上的方程(9)所示；实线频率响应42表示电容器互易时的改进。
可以凭经验确定电容C_p(图6)的数值，即，模拟包含具有如图6所示的这种类型的单端跨导器的平衡回转器以及共模反馈电路26的滤波器、并且改变晶体管38的规格直到实现期望的性能时为止。
图10表示一个收发器，其中在接收器部分Rx中的多相位信道滤波器CF包括一个基于如图8所示的第5级带通滤波器的Gm-C滤波器。更加具体地说，多相位信道滤波器CF包括两个第5级带通滤波器，一个带通滤波器对应每个90°相关的相位移(quadrature relatedphases)，其中附加交叉分支的平衡回转器来耦合对应的电容器，即C1、C1；C2、C2，如此等等，从而可以产生额外的电纳。
天线50耦合到接收器部分Rx中的一个低噪声放大器(LNA)52。低噪声放大器(LNA)52的输出借助于信号分配器(divider)54耦合到90°相关的相位移的混频器56、58的第一输入端。由信号发生器60产生的本地振荡器信号借助于一个90度移相器62加到混频器58的第二输入端。分别来自混频器56、58的90°相关的相位移的输出I、Q加到多相位信道滤波器CF，多相位信道滤波器CF将90°相关的相位移信号传送到对应的模拟-数字转换器62、64。模拟-数字转换器62、64的数字输出加到数字解调器66，数字解调器66在终端68上提供输出信号。
发送器Tx包括一个数字调制器70，数字调制器70包括数字-模拟转换器(未示出)，用于向混频器72提供模拟信号，以便向所需的发送频率进行频率上转换。功率放大器74放大经过频率上转换的信号并将其提供给天线50。
使用已知的低电压CMOS工艺，可以将包括信道滤波器CF在内的收发器制成为集成电路。
在本说明书和权利要求书中，在一个元件前边的术语“一个”并不排除存在多个这样的元件。此外，术语“包括”并不排除存在除了列举的元件或步骤以外的其它的元件或步骤。
工业实用性
包括回转器的电子电路，如回转子滤波器；以及包括回转器的集成收发器。