一种自偏压信号限幅器及其限幅方法

摘要

本发明提供了一种带有大输入共模范围的限幅器。该限幅器包括用于接收输入信号的输入级，用于为输入级提供电流的电流源；与输入级连接并可提供初始输出信号的自偏压负载，以及转换初始输出信号以提供最终输出信号的变换器。输入级包括第一电路和互补电路，所述第一电路包含多个晶体管，所述互补电路包含多个晶体管。当较低共模输入电压导致第一电路的晶体管处于关闭状态时，互补电路的晶体管将完成与第一电路相同的任务。

权利要求

1.一种自偏压信号限幅器，其特征在于，包括：

用于接收输入信号的输入级，所述输入级由第一电路和第二电路组成，所述第一电路包括晶体管M1～M5，第二电路包括晶体管M6～M10，其中，当共模电压小于中轨电压时，使用第二电路；

用于为输入级提供电流的电流源，其中，所述电流源由用于向第一晶体管对M2和M3提供尾电流的晶体管M1以及用于向第二晶体管对M8和M9提供尾电流的晶体管M10组成；

连接到输入级、用于提供初始输出信号的自偏压负载，其中，所述自偏压负载由晶体管M4、M5、M6和M7以及电阻R1和R2组成；所述自偏压负载在晶体管M4、M5、M6和M7相互连接的栅极处提供共模信号，所述共模信号作为差分输入信号的平均值；以及用于变换初始输出信号以提供输出信号的变换器，其中，所述变换器由晶体管M11、M12、M13、M14、M15和M16组成，以生成轨对轨输出信号；

所述输入级和自偏压负载构成自偏压输入级以向提供所述变换器的偏置。

2.根据权利要求1所述的限幅器，其特征在于，所述自偏压负载中的晶体管M4和M5的栅极相互连接，晶体管M6和M7的栅极相互连接。

3.一种对输入信号进行限幅的方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：在输入级接收输入信号；

向输入级提供电流；

所述输入信号与自偏压负载一起生成初始输出信号；以及

由变换器变换初始输出信号以提供最终输出信号；

其中接收输入信号的步骤包括在输入级接收输入信号，所述输入级由第一电路和第二电路组成，所述第一电路包括晶体管M1～M5，第二电路包括晶体管M6～M10，，其中，当共模电压小于中轨电压时，使用第二电路；

所述自偏压负载由晶体管M4、M5、M6和M7以及电阻R1和R2组成；所述自偏压负载在晶体管M4、M5、M6和M7相互连接的栅极处提供共模信号，所述共模信号作为差分输入信号的平均值；

所述变换器由晶体管M11、M12、M13、M14、M15和M16组成，以生成轨对轨输出信号；所述输入级和自偏压负载构成自偏压输入级以向提供所述变换器的偏置。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，接收输入信号的步骤包括在第一差分晶体管对M2和M3的输入级或第二差分晶体管对M8和M9的输入级接收输入信号。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，信号生成步骤包括与自偏压负载一起生成初始输出信号，所述自偏压负载中的晶体管M4和M5的栅极相互连接，晶体管M6和M7的栅极相互连接。

说明书

技术领域

本发明涉及信号处理领域，更具体地说，涉及一种带有大输入共模范围的信号限幅器。

背景技术

比较器是一种电路，诸如差分放大器，比较器对两个输入信号进行比较，并得到比较结果函数的输出值。限幅器是一种比较器，它将模拟输入信号转换为轨至轨(rail-to-rail)或数字输出信号。
限幅器可集成阈检测机制，当输入信号值对应于高或低阈值时，可生成数字高或低输出信号。传统的差分限幅器根据差分输入信号的过零点生成高或低输出信号。
传统的限幅器可能包括自偏压电阻和交流(AC)耦合电容。该电容可去除输入信号中的直流(DC)分量，而变换器的自偏置属性可将输入信号中的DC电平调整到一定电平(level)，从而在输入信号处于适当电平时使变换器的输出发生变换。
一般地，限幅器可能需要相对较大的电容和电阻，且可能无法高效处理低频信号。因此，需要对限幅器电路进行改进。

发明内容

根据本发明的一个方面，一种自偏压信号限幅器，包括：
用于接收输入信号的输入级，所述输入级包括第一电路和第二电路，所述第一电路包含第一多个晶体管，所述第二电路包含第二多个晶体管；
用于为输入级提供电流的电流源；
连接到输入级、用于提供初始输出信号的自偏压负载；以及
用于变换初始输出信号以提供输出信号的变换器。
优选地，当共模电压小于中轨电压(midrail voltage)时，使用第二电路。
优选地，自偏压负载包含带有相互连接的栅极的晶体管对。
优选地，自偏压负载在相互连接的栅极处提供共模信号。
优选地，输入级包括差分晶体管对。
优选地，电流源连接到差分晶体管对的源极。
优选地，自偏压负载连接到差分晶体管对的漏极。
优选地，变换器与电流源和自偏压负载相匹配。
根据本发明的一个方面，一种对输入信号进行限幅的方法，所述方法包括下列步骤：
在输入级接收输入信号；
向输入级提供电流；
与自偏压负载一起生成初始输出信号；以及
变换初始输出信号以提供最终输出信号；
其中接收输入信号的步骤包括在输入级接收输入信号，所述输入级包括第一电路和第二电路，所述第一电路包含多个晶体管，所述第二电路包含多个晶体管。
优选地，接收输入信号的步骤包括在其中包含有差分晶体管对的输入级接收输入信号。
优选地，信号生成步骤包括与自偏压负载一起生成初始输出信号，所述自偏压负载包含带有相互连接的栅极的晶体管对。
优选地，该方法进一步包括在相互连接的栅极处提供共模信号。
优选地，该方法进一步包括根据共模信号对电流源进行偏置。
优选地，该方法进一步包括将变换器与电流源和自偏压负载进行匹配。
根据本发明的一个方面，一种自偏压信号限幅器，包括：
用于在输入级接收输入信号的接收装置；
用于为输入级提供电流的电流源装置；
用于与自偏压负载一起生成初始输出信号的生成装置；
用于转换初始输出信号以提供最终输出信号的转换装置；
其中抑制装置(rejecting means)用于在输入级接收输入信号，其中所述输入级包括第一电路和第二电路，所述第一电路包含第一多个晶体管，所述第二电路包含第二多个晶体管。

附图说明

为了更好地理解本发明，请参考附图，其中：
图1是根据本发明一个实施例的方法示意图；
图2是根据本发明一个实施例的限幅器的方框图；
图3是根据本发明一个实施例的示意图；
图4是根据本发明另一个实施例的示意图。

具体实施方式

根据一个实施例，本发明提供了一种带有大输入共模范围的限幅器。限幅器将模拟输入信号转换为轨至轨(rail-to-rail)或数字输出信号。共模信号是指差分信号的p端(p-side)和n端(n-side)的平均值。虽然共模抑制这一术语用于描述差分放大器抑制、排除或置零输出共模信号的能力。
传统限幅器电路可能需要相对较大的电容和电阻，但是无法高效处理低频信号。另一方面，本发明优点是减小了晶片区的大小，同时具有较大的输入共模范围，其中大输入共模范围一般由AC耦合缓冲提供。
根据本发明的一个方面，提供了一种自偏压信号限幅器。该限幅器包括用于接收输入信号的输入级，用于为输入级提供电流的电流源；与输入级连接以提供初始输出信号的自偏压负载，以及用来变换初始输出信号以提供最终输出信号的变换器。输入级包括第一电路和第二电路，所述第一电路包含多个晶体管，所述第二电路包含多个晶体管。
根据本发明的另一方面，提供了一种对输入信号进行限幅的方法。该方法包括以下步骤：在输入级接收输入信号，为输入级提供电流，与自偏压负载一起生成初始输出信号，以及转换初始输出信号以提供最终输出信号。接收输入信号步骤可能包括在输入级接收输入信号。输入级包括第一电路和第二电路，所述第一电路包含多个晶体管，所述第二电路包含多个晶体管。此外，输入级可包括差分晶体管对，而自偏压负载可能包括带有相互连接的栅极的晶体管对。该方法可进一步包括在相互连接的栅极处提供共模信号的步骤，以及根据共模信号对电流源进行偏置。
图2是根据本发明一个实施例中的方框图。更具体地说，图2示出了带有大输入共模范围的限幅器200。限幅器200包括差分输入级220、自偏压负载240、自偏压电流源230以及匹配的变换器250。限幅器通过输入导线211和212接收来自模拟电路210的差分输入信号。电流源230通过导线231和232为输入级提供电流。结合自偏压负载240，输入级220在导线221和222处生成初始输出信号。在自偏压负载240和自偏压电流源230之间提供共模连接270。匹配的变换器250将来自导线221和222的信号进行变换，进而将输出信号251和252提供给数字电路260。自偏压输出信号221和222调整变换器250的DC电平。
根据本发明的实施例，共模信号由自偏压负载240生成。共模信号可控制电流源230所提供的电流大小。
图1示出了根据本发明的一个实施例的方法。如图1，所述方法可能包括下列步骤：步骤100中接收非AC耦合差分输入信号，步骤110中为限幅器输入级提供输入信号，步骤120中为输入级提供来自自偏压电流源的电流，步骤130中通过自偏压负载生成初始输出信号，而在步骤140中通过变换器变换初始输出信号，从而生成最终输出信号。
图3是根据本发明的一个实施例的示意图。由导线Vinn和Vinp提供的差分模拟输入信号可驱动差分晶体管对M2、M3。其中包括晶体管M1的电流源可为差分晶体管对M2、M3提供尾电流。差分晶体管对M2、M3的负载包括电阻R1、R2以及晶体管M4和M5。
差分晶体管对M2、M3的差分输出被提供至变换器。变换器可能包括多个晶体管M6、M7、M8、M9、M10、M11。出信号由变换器的晶体管进行变换进而在输出端Vout生成轨对轨输出信号。根据图3所示的实施例，本发明的限幅器在输入端不需要AC耦合电容，因为输出变换器的偏置是由其中包括晶体管M1-M5和电阻R1、R2的自偏压输入级完成的。该配置可大大降低晶片区的大小。
图4是根据本发明另一实施例的限幅器的示意图。由导线Vinn和Vinp提供的差分模拟输入信号可驱动差分晶体管对M2、M3以及互补差分晶体管对M8、M9。限幅器的输入级由第一电路和第二互补电路组成。第一电路包括晶体管M1-M5，而第二电路包括晶体管M6-M10。共模信号CM作为差分输入信号的平均值。输入级的初始输出被传送至变换器。变换器可能包括晶体管M11-M16。初始输出信号由变换器的晶体管进行变换，进而在输出端Vout生成轨对轨输出信号。
如图4所示的配置可大大增加限幅器的输入共模范围。当共模电压小于中轨电压时，由晶体管M6-M10组成的互补电路可用于完成与晶体管M1-M5相同的任务。换而言之，当较低的共模输入电压导致晶体管M1-M5处于关闭状态时，晶体管M6-M10将起到与晶体管M1-M5一样的功能。因此，在没有使用大AC耦合端点(AC coupling caps)的情况下，该限幅器仍可实现与AC耦合缓冲一样的功能，从而可降低晶片区的大小。
在此所述的本发明各种元件可集成在单个硅基上。选择性地，各元件可独立于其它元件应用于电路中。因此，组成本发明限幅器的电路可包含这些元件的各种组合，同时无需包括所有在此描述的元件。此外，本发明的元件可作为单独解决方案使用。进一步地，本发明可完全用软件实现也可完全用硬件实现。另外，本发明可用软硬件结合的方式实现。而且本发明的元件和功能可用各种不同方式连接或耦合，并可直接耦合或间接耦合。
在此说明的本发明各种实施例可与各种电路组合在一起。例如，该限幅器可用于通信接收器中进而对接收到的信号进行限幅。
本领域普通技术人员可以很容易的理解，上述发明可以不同顺序的步骤实现，和/或在构造上采用与所公开的不同的元件。因此，尽管基于这些优选实施例描述了本发明，对于本领域技术人员而言，容易理解一定的修改、变化和替代构造仍落在本发明精神和范围内。因此，可参考所附的权利要求判断本发明的保护范围。