用于放大器的多谐振网络的制作方法

1.本发明一般涉及用于高数据速率有线/光通信的宽带放大器的技术领域。本发明在本技术领域提出了一种多谐振网络。此外，本发明还提出了一种放大器，具体为宽带放大器、跨阻放大器(trans
‑
impedance amplifier，tia)和/或驱动器放大器，其包括所述多谐振网络。多谐振网络可以作为射频(rf)构建块，能够提供可编程传递函数。


背景技术：

2.能够提供可编程传递函数的rf构建模块被广泛要求以优化数据链路性能。事实上，模拟电子元件(例如tia和驱动器)的频率相关传递函数希望具有可编程带宽和/或可编程峰化，为了补偿来自链路的非理想性(例如光电二极管、调制器等)。具有这种调谐特征的模拟器件的可用性将是一个竞争优势，因为它们可用于微调通信模块中的电光传递函数，其中，电气组件与其光学对应器件(例如mzm调制器，光电二极管等)配对。
3.在下文中，从它们的优缺点来描述和检查两种传统方案。
4.1.实现频率相关传递函数峰值控制的最常见设计技术是差分对的电阻/电容(resistive/capacitive，rc)退化。通常添加电阻退化r
deg
，以便在总谐波失真(total harmonic distortion，thd)方面实现良好的线性性能。如果电阻退化与电容退化配对，则退化网络的rc极点导致跨导(gm)传递函数变零。零点通常位于与输出电阻级相关的截止频率附近，这导致带宽的扩展，并在整体传递函数中存在明显的峰化。电容器可以很容易地可编程，这增加了零的频率位置的灵活性，零开关的影响在传递函数中报告。
5.这种设计技术的明显优势是，由于具有出色的集成有源开关(例如mos晶体管)，在现代规模互补金属氧化物半导体(metal
‑
oxide
‑
semiconductor，cmos)和bi
‑
cmos技术中可以直接实现。但是，详细的分析也揭示了与此设计方案相关的几个缺点：第一个缺点是传递函数中的零通常发生在低频/中频范围内，导致该技术在非常高频应用中的有限的有效性。第二个缺点来自于对总传递函数峰值振幅可控性的定量影响小。如前所述，跨导传递函数中的零通常会使与输出级相关的极点的影响归零，因此总体传递函数中的峰值是由双极零点的频率失调引起的。第三个缺点是前面的结果：这种技术将零频率的可编程性与峰值幅度联系起来，导致传递函数可编程性具有有限的灵活性(即，改变峰值，我们得到零极点对的变化，反之亦然)。
6.2.另一种相当常见的技术是所谓的有源反馈：从增益级级联开始(在最小配置中，级联中有2级g
m1
和g
m2
)，带宽限制部分克服，结合成有源反馈元件(g
mfb
)。分析计算直接表明，f
3db
和所得闭环传递函数的峰值取决于跨导增益g
mfb
，这表明反馈元件有资格成为调谐元件。
7.不幸的是，峰值幅度和截止频率都取决于调谐参数g
mfb
，因此可编程空间是刚性的，峰值之间没有灵活性，并且存在频率调谐。此外，该设计方案还存在两个主要缺点：首先，增加了包括有源元件g
mfb
在内的设计灵活性，从而增加了rf构建块的功耗。其次，该方案基于闭环拓扑，因此它本质上不适合覆盖超大频率范围的应用。
8.总之，用于实现频率相关传递函数的带宽和/或峰值控制的传统技术，在最大工作带宽和调谐元件的有限灵活性方面都受到严重限制。


技术实现要素：

9.鉴于上述挑战，本发明实施例的目的是针对上述缺点改进现有技术。
10.该目的通过所附独立权利要求中提供的本发明的实施例实现。本发明实施例的有利实施例在从属权利要求中进一步限定。
11.第一方面，本发明提供了一种多谐振网络，包括：输入端子和输出端子；至少一个谐振电路，包括连接在所述输入端子与所述输出端子之间的电感；以及并联连接到所述电感的调谐电路，其中，所述调谐元件包括至少一个无功电路和/或至少一个电阻电路。
12.所述调谐元件提供了影响多谐振网络中谐振频率的可能性，从而影响频率相关的传递函数。具体地，无功电路能够影响传递函数的截止频率，从而影响带宽。电阻电路能够影响传递函数谐振的质量因子，从而影响峰化。
13.在第一方面的一种实现形式中，所述调谐电路用于改变所述多谐振网络的一个或多个谐振的绝对值和/或质量因子。
14.因此，调谐电路可用于提供峰化的可编程性。质量因子是描述多谐振网络谐振的谐振行为的参数。质量因子越大，则意味着，如果以谐振频率正弦驱动，多谐振网络将以更大的振幅在该频率上谐振，并且多谐振网络在谐振频率周围的较小频率范围内谐振，即，多谐振网络在谐振处具有较小带宽。
15.在第一方面的一种实现形式中，所述调谐电路包括至少一个可切换或可调无功电路和/或至少一个可切换或可变电阻器。
16.打开和关闭无功电路或可变电阻器，改变关于截止频率或质量因子的传递函数，从而提供所需的可编程性。
17.在第一方面的一种实现形式中，所述调谐电路包括多个电容器和多个开关，所述多个开关用于选择性地连接或断开与所述电感并联的所述电容器中的每个电容器。
18.连接和断开电容器分别改变频率相关传递函数的截止频率，从而允许操纵带宽。
19.在第一方面的一种实现形式中，所述调谐电路包括多个电阻器和多个开关，所述多个开关用于选择性地连接或断开与所述电感并联的所述电阻器中的每个电阻器。
20.连接和断开电阻器分别改变传递函数至少一个谐振的质量因子，从而允许峰值控制。
21.在第一方面的一种实现形式中，所述多个开关包括多个集成mos设备。
22.在第一方面的一种实现形式中，所述多谐振网络用于接收电流，具体为rf电流，作为输入，并提供rf电压作为输出。
23.在第一方面的一种实现形式中，所述输入端子为第一晶体管的输入端子，所述输出端子为第二晶体管的控制端子。
24.在第一方面的一种实现形式中，所述多谐振网络用于接收所述第一晶体管的控制端子处的电压，具体为rf电压，作为输入，并提供电流，具体为rf电流，作为输出，在所述第二晶体管的输入端子与输出端子之间流动。
25.在第一方面的一种实现形式中，所述谐振电路包括所述电感、第一电容器和第二
电容器，所述第一电容器的一个端子连接在所述电感与所述第一晶体管的输入端子之间，其另一个端子接地，和/或第二电容器的一个端子连接在所述电感与所述第二晶体管的控制端子之间，其另一个端子接地。
26.在第一方面的一种实现形式中，所述第一晶体管的输入端子直接连接到电感，其输出端子接地，所述第二晶体管的控制端子直接连接到电感，其输出端子接地。
27.在第一方面的一种实现形式中，所述第一晶体管的输入端子连接到另一谐振电路，所述谐振电路具体包括串联连接的电阻器和电感。
28.在第一方面的一种实现形式中，所述第一晶体管通过另一谐振电路连接到电压电源，具体为直流电压电源。
29.第二方面，本发明提供了一种放大器，具体为宽带放大器、跨阻放大器和/或驱动器放大器，包括根据第一方面或其任何实现形式的多谐振网络。
30.应注意的是，本技术中描述的所有设备、元件、单元和装置都可以在软件或硬件元件或其任何类型的组合中实现。本技术中描述的各种实体执行的所有步骤和所描述的将由各种实体执行的功能旨在表明各个实体适于或用于执行各自的步骤和功能。虽然在以下具体实施例的描述中，由外部实体执行的特定功能或步骤没有在执行特定步骤或功能的该实体的具体元件的描述中反映，但是技术人员应该清楚的是这些方法和功能可以在各自的硬件或软件元件或其任意组合中实现。
附图说明
31.结合所附附图，下面具体实施例的描述将阐述上述本发明的各方面及其实现形式，其中：
32.图1示出了本发明实施例的一种多谐振网络。
33.图2示出了本发明实施例的一种多谐振网络。
34.图3示出了本发明实施例的一种多谐振网络。
35.图4示出了本发明实施例的一种多谐振网络。
36.图5示出了图4的多谐振网络的频率相关传递函数，并示出了带宽调谐。
37.图6示出了本发明实施例的一种多谐振网络。
38.图7示出了图6的多谐振网络的频率相关传递函数，并示出了峰值控制。
39.图8示出了一种三重谐振网络的示例。
40.图9示出了图9的三重谐振网络的频率相关传递函数。
具体实施方式
41.本发明的实施例旨在提供具有可编程传递函数的多谐振网络，例如rf构建块，即改变传递函数的频率响应的可能性。具体地，带宽和/或峰值应可编程。因此，rf构建模块不应受到最大工作带宽或有限调谐灵活性的限制。
42.本发明的实施例基于多谐振网络，多谐振网络是
‘
galal,razavi在文献“0.18μm cmos技术中的40
‑
gb/s放大器和esd保护电路(40
‑
gb/s amplifier and esd protection circuit in0.18
‑
μm cmos technology)”(ieee journal of solid
‑
state circuits，2004年，第39卷，第12期)《ieee journal of solid
‑
state circuits》’中提出的三重谐振网络
(triple resonance network，trn)的延伸。该技术与其配套的由
‘
chih
‑
fan liao、shen
‑
iuan liu在文献“用于90纳米cmos宽带数据接收器的40gb/s跨阻
‑
agc放大器和cdr电路(40gb/s transimpedance
‑
agc amplifier and cdr circuit for broadband data receivers in 90nm cmos)”(ieee journal of solid
‑
state circuits，2008年，第43卷，第3期)’中提出的称为逆三重谐振网络(inverse triple resonance network，i
‑
trn)特别有趣，将驱动器和tia的电路设计推向技术的绝对极限。为了提供正确的背景，下面对trn进行了回顾，并导出了一些考虑因素，这为本发明奠定了基础。
43.图8示出了trn的一个示例，图9示意性地示出了其频率相关传递函数。考虑到图8(其中，mos器件仅用作参考，它们可以被双极晶体管取代)，在不失去一般性的情况下，我们可以假设c1＝c2＝c0/2和l2＝2*l1。
44.三种谐振频率可通过简单计算确定：
[0045][0046][0047][0048]
谐振频率如图9所示trn的传递函数图表示。
[0049]
考虑到整体传递函数，所得带宽大约超过电阻负载rc给出的频率限制的3倍。该trn是根据下文描述的本发明实施例的多谐振网络的起始元件。
[0050]
图1示出了本发明实施例的多谐振网络100。具体地，所述多谐振网络100具有适配或可适配的频率相关传递函数。因此，所述多谐振网络100可以很好地充当在宽带放大器中提供可编程性的rf构建块。
[0051]
多谐振网络100包括输入端子101和输出端子102。输入端子101和输出端子102可以由晶体管实现，但也可以由跨导体或通常电流发生器实现。此外，所述多谐振网络100包括至少一个谐振电路，其包括电感103(以及，例如，如图1中示例性所示的两个电容器c1和c2)，其中，所述谐振电路连接在所述输入端子101与所述输出端子102之间。
[0052]
此外，所述多谐振网络100包括调谐电路104，所述调谐电路104并联连接到所述电感103。所述调谐电路104包括至少一个无功电路或元件和/或至少一个电阻电路或元件。这样，所述调谐电路104用于影响所述多谐振网络100的传递函数的频率响应。
[0053]
值得注意的是，所述多谐振网络100在操作时具有不同的谐振频率。主要受所述调谐电路104影响的谐振频率可以如上文关于图8描述的ω2。
[0054]
图2示出了本发明实施例的多谐振网络100，其建立在图1所示的所述多谐振网络100之上。图1和图2中的相同元件具有相同的参考符号和相同功能。
[0055]
除了图1的多谐振网络100所示的元件之外，图2的多谐振网络100还包括连接到输入端子101的第二谐振电路。例如，另一个谐振电路可以包括串联连接的至少一个电阻器202和至少一个电感203。另一个谐振电路可以接地。所述另一个谐振电路影响频率相关的传递函数，具体地影响所述网络100的谐振频率。
[0056]
图3示出了本发明实施例的多谐振网络100，其建立在图2所示的所述多谐振网络100之上。图2和图3中的相同元件具有相同的参考符号和相同功能。
[0057]
除了图2中示出的用于多谐振网络100的元件之外，在图3的多谐振网络100中，输入端子101是第一晶体管204的输入端子，输出端子102是第二晶体管205的控制端子。所述晶体管204、205可以是场效应晶体管(field effect transistor，fet)或双极型晶体管(bipolar junction transistor，bjt)。
[0058]
在图3所示的多谐振网络100中，另一个谐振电路可以连接在所述第一晶体管204与电压电源之间。即，所述第一晶体管204可以通过另一谐振电路，例如电阻器202和电感203，连接到电压电源，具体为dc电压电源。值得注意的是，这种实现方式对于图2所示的多谐振网络100也是可能的。
[0059]
与图8中所示的trn相比，图1至图3中所示的多个谐振网络100的一个区别是增加了调谐电路104(也称为z
tuning
，如图中所标记的)，其能够修改多谐振网络100的频率相关传递函数，具体地可以添加调谐特征。根据本发明的实施例，以下关于调谐元件104的实现方法是可能的：
[0060]
·
如果z
tuning
是纯无功电路或元件，则可以修改所述多谐振网络100的谐振频率，具体地可以增加电路截止频率的频率可编程性。
[0061]
·
如果z
tuning
是电阻电路或元件，则它可以作用于多谐振网络100的谐振的质量因子。宏观效应是频率相关传递函数峰值幅度的变化。
[0062]
值得注意的是，所述调谐电路104的电路位置(即，在直流电不流动的位置)是有利的，并且允许基于mos器件实现可切换元件。
[0063]
图4示出了本发明实施例的多谐振网络100的示例，其建立在图3所示的多谐振网络100之上。图3和图4中的相同元件具有相同的参考符号和功能相同。根据先前的考虑，传递函数的带宽的控制可以用图4所示的多谐振网络100来实现。
[0064]
具体地，从图1至图3所示的多个谐振网络100的更一般有方案开始，图4中的调谐电路104由一组电容器400实现。每个电容器400可以与集成开关401(在图中表示为理想开关)并联连接到电感103(也称为l2，如图中所标记的)，该集成开关401可以容易地用例如mos器件实现。将电容器400并联到电感103，网络的谐振频率改变，开关401的存在使功能完全可调。
[0065]
图5所示模拟的示意图结果。具体地，图5示出了报告所述带宽控制能力的简化图表。作用在所述开关401上，所述网络100的频率形状被保留，但谐振频率的绝对值受到影响，从而有效地调谐带宽。此外，截止频率发生变化，而峰值仅受轻微影响。
[0066]
图6示出了本发明实施例的一个示例性多谐振网络100，其建立在图3所示的网络100上。图3和图6中的相同元件具有相同的参考符号和功能。具体地，在图6中，所述调谐电路104现在用电阻器组600实现。每个电阻器600可以通过开关601并联连接到所述电感103，开关601可以轻易的实现，比如，用mos器件。将电阻器600并联到所述电感103，谐振的质量因子被改变，导致作用到频率相关传递函数的峰值。
[0067]
模拟的示意图结果如图7所示。具体地，图7示出了报告所述峰值控制能力的简化图表。
[0068]
综上所述，本发明的实施例将称为trn的带宽扩展方案与一种新颖的设计技术结合起来，该技术允许灵活地控制所产生的传递函数的带宽和峰值幅度。从基本的trn开始，添加附加的调谐电路104，从而可以实现以下目标：
[0069]
·
频率相关的传递函数可以在截止频率和峰值方面进行调谐。
[0070]
·
截止频率调谐是通过包括与所述电感103并联的电容器400来实现。
[0071]
·
峰值控制的实现，包括并联于所述电感103的电阻器600。
[0072]
·
所述调谐电路104的位置，易于使用集成开关器件实现，例如mos晶体管。
[0073]
·
截止频率和峰值控制是正交的，这样允许频率相关传递函数的可编程性很大的灵活性。
[0074]
所提出的本发明的实施例增加了rf构建块的灵活性，并且可以在例如用于高速数据链路的tia或驱动器中有效地使用。与性能最好的传统拓扑相比，本发明实施例基于先进的设计技术，可以用于实现具有超大带宽的rf构建块。将与性能最好的传统拓扑的比较扩展到功耗，可以得出本发明实施例在功耗方面没有损耗的结论。
[0075]
所提出的实施例适用于tia和驱动器的完全集成构建块，这些构建块需要带宽和峰值控制方面的可编程性。所提出的实施例适合于集成在许多不同的ic技术中，包括(但不限于)bi
‑
cmos、cmos和iii
‑
v化合物技术(例如inp或gaas)。
[0076]
已经结合作为示例的不同实施例以及实现方式描述了本发明。但是，根据对附图、本发明和独立权利要求的研究，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，能够理解和实现其它变化。在权利要求以及说明书中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，且术语“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其它单元可满足权利要求书中所叙述的若干实体或项目的功能。在互不相同的从属权利要求中列举某些措施并不表示这些措施的组合不能用于有益的实现方式。