CN101931375A

CN101931375A - 具有高电源抑制比的放大电路

Info

Publication number: CN101931375A
Application number: CN2010102685537A
Authority: CN
Inventors: 王锐; 林金燕; 赵慧杰; 郎芸萍
Original assignee: Chengdu Monolithic Power Systems Co Ltd
Current assignee: Chengdu Monolithic Power Systems Co Ltd
Priority date: 2010-08-26
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2010-12-29
Also published as: US8514024B2; US20120049959A1

Abstract

本发明提供了一种具有高电源抑制比的放大电路。该放大电路由低压差线性稳压器、负电荷泵以及放大器组成。所述负电荷泵和所述低压差线性稳压器的输出电压不受输入电压影响，具有良好的电源抑制比。

Description

具有高电源抑制比的放大电路

技术领域

本发明的实施例涉及一种放大电路，更具体地，本发明的实施例涉及一种具有高电源抑制比的放大电路。

背景技术

放大器用于将低功率信号放大为高功率信号，以为负载提供高质量、低总谐波失真(Total Harmonic Distortion，THD)的高功率信号。

一般地，放大器由正电源和系统地(电压为0V)供电。因此，放大器的输出电压在零电压和正电源电压之间摆动，但由于放大器自身的输出摆幅限制，其输出电压不能小于等于零电压且不能大于等于正电源电压。因此，放大器的输出端不能被偏置到系统地。然而，由于放大器所接负载亦耦接至系统地，若放大器的输出端不能被偏置到系统地，则在从放大器输出端经负载至系统地的路径上，将存在大量的静态电流。该静态电流使得放大器的效率降低且使负载的使用寿命缩短。

为使放大器的输出端偏置到系统地，在放大电路中，可采用负电荷泵，以产生一负电压(以系统地为参考)作为最小电源电压提供至放大器。这样，放大器的输出电压将在正电源电压和该负电压之间摆动，因此，放大器的输出容易偏置至系统地。然而，负电荷泵的使用使得作用在放大器上的压降增大，即使对于低功率应用场合，这样的放大电路也难于采用现有的低压低成本半导体技术加以制造。例如，将放大器用于手机，由于手机的供电电源锂电池的最大电压为4.2V，这样，放大器上的压降将超过8V。具有这样大压降的放大器将很难采用低压半导体技术加以制造。即使能够制造，其制造成本也很高昂。

为降低放大器上的压降，在放大电路中，可采用低压差线性稳压器(low dropout regulator，LDO)。该低压差线性稳压器接收正电源电压，并为放大器提供一较小的正电压。这样，作用在放大器上的压降变小，易于采用现有半导体技术制造。

然而，对于常见的电荷泵，其输出电压易受输入电压的影响。当输入电压发生变化时，其输出电压也相应地发生变化，使得放大器的输出不稳定，电源抑制比(power supply rejection ratio，PSRR)变差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高电源抑制比的放大电路，使得该放大电路具有稳定的输出电压。

本发明的另一目的还在于提供一种使放大电路具有高电源抑制比的方法，使得该放大电路具有稳定的输出电压。

本发明的另一目的还在于提供一种具有高电源抑制比的电荷泵电路，使得该电荷泵电路的输出电压不受输入电压影响。

为实现上述目的，本发明提供一种具有高电源抑制比的放大电路。该放大电路包括低压差线性稳压器，所述低压差线性稳压器接收第一输入电压且提供第一输出电压；电荷泵，所述电荷泵接收第二输入电压且提供第二输出电压；以及放大器，所述放大器接收所述第一输出电压和所述第二输出电压并产生放大输出电压。

为实现上述目的，本发明还提供一种使放大电路具有高电源抑制比的方法。该方法包括以下步骤：提供第一输入电压至低压差线性稳压器，所述低压差线性稳压器产生第一输出电压；提供第二输入电压至电荷泵，所述电荷泵产生第二输出电压；提供第一输出电压和第二输出电压至放大器；以及调节放大器以产生放大输出电压。

为实现上述目的，本发明提供一种具有高电源抑制比的电荷泵电路。该电荷泵电路包括第一开关，所述第一开关具有第一端子和第二端子，所述第一端子接收输入电压；第二开关，所述第二开关具有第一端子和第二端子，所述第二开关的第一端子连接至所述第一开关的第二端子，所述第二开关的第二端子连接至系统地；第一电容，所述第一电容具有第一端子和第二端子，所述第一电容的第一端子连接至所述第一开关的第二端子和所述第二开关的第一端子；第三开关，所述第三开关具有第一端子和第二端子，所述第三开关的第一端子连接至所述第一电容的第二端子；第四开关，所述第四开关具有第一端子和第二端子，所述第四开关的第一端子连接至所述第一电容的第二端子和所述第三开关的第一端子，所述第四开关的第二端子连接至系统地；第二电容，所述第二电容具有第一端子和第二端子，所述第二电容的第一端子连接至所述第三开关的第二端子，所述第二电容的第二端子连接至系统地，所述第三开关的第二端子和所述第二电容的第一端子形成电荷泵输出端，输出输出电压；以及反馈环路，所述反馈环路对所述输出电压进行采样，并根据所述输出电压产生控制信号，以调节所述输出电压。

附图说明

图1为根据本发明一优选实施例的具有高电源抑制比的放大电路10。

图2为根据本发明另一优选实施例的具有高电源抑制比的放大电路20。

图3示出图1所示放大电路10以及图2所示放大电路20中的负电荷泵NCP的原理电路30。

图4示出用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)作为图3所述负电荷泵中开关的电路40。

图5示出图4所示电路40中各个MOSFET的控制信号。

图6示出图1所示放大电路10以及图2所示放大电路20中的低压差线性稳压器LDO的原理电路60。

图7为根据本发明一优选实施例的用于放大器信号放大的方法流程示意图。

具体实施方式

这里将参考本发明多个优选实施例的具体细节，结合附图对其实施例进行描述。当本发明使用优选实施例进行描述时，应该理解本发明不仅局限于实施例描述的内容。相反，本发明旨在覆盖权利要求所定义的属于本发明精神和范围内的替换、改型和等同物。此外，在下述的本发明的详细说明书中描述了大量的具体细节，旨在促进对本发明的深入而全面的理解。当然，本领域的普通技术人员应能很清楚，本发明可以脱离其中某些具体细节而实施。另外，为了使本发明的主题清晰，并未对所涉及到的本领域公知的方法、流程、组件和电路进行具体描述。

本发明的实施例提出了一种新型放大电路。该新型放大电路的输出电压不受输入电压影响，因而具有较高的电源抑制比。

图1示出根据本发明一优选实施例的具有高电源抑制比的放大电路10。如图1所示，在放大电路10中，低压差线性稳压器LDO接收电源电压V_CC，并提供输出电压SP，输出电压SP为正值。负电荷泵NCP亦接收电源电压V_CC，并产生输出电压SN，输出电压SN为负值。放大器AMP接收所述输出电压SP和所述输出电压SN，并提供输出电压V_OUT。

负电荷泵NCP根据电源电压V_CC产生输出电压SN。该输出电压SN为负值，其绝对值可以等于输出电压SP，即-SN＝SP；SN的绝对值亦可以不等于输出电压SP，即-SN≠SP。输出电压SP和SN分别作为最大电源电压和最小电源电压被提供至放大器AMP。

在本实施例中，负电荷泵NCP连接至电源电压V_CC。然而，本技术领域的技术人员应当了解，在其它实施例中，负电荷泵NCP还可以由LDO提供的输出电压SP供电或者由一外加电源供电。为避免累述，此处不再具体示出。

图2为根据本发明另一优选实施例的具有高电源抑制比的放大电路20。如图2所示，LDO的输出电压SP作为最大电源电压被提供给放大器AMP1和AMP2，NCP的输出电压SN作为最小电源电压被提供给放大器AMP1和AMP2。放大器AMP1和AMP2分别输出输出电压V_OUT1和V_OUT2。以此类推，本技术领域的技术人员应当理解，LDO和NCP各自的输出电压SP和SN可被提供至多个放大器，以用于不同的应用场合。

图3示出图1所示放大电路10以及图2所示放大电路20中的负电荷泵NCP的原理电路30。如图3所示，开关S1的一端接收电源电压V_CC，开关S2的一端连接至开关S1的另一端，并形成公共节点。开关S2的另一端连接至系统地。电容C₁的一端连接至开关S1和S2的公共节点。开关S3的一端连接至电容C₁的另一端，并形成公共节点。开关S4的一端连接至电容C₁和开关S3的公共节点，其另一端连接至系统地。电容C₂的一端连接至开关S3的另一端，该两端点形成输出节点以提供输出电压SN。电容C₂的另一端连接至系统地。电阻器R₂的一端连接至输出节点。电阻器R₁的一端连接至电阻器R₂的另一端，并形成公共节点。R₁的另一端连接至参考电压V_REF1。误差放大器EA的同相输入端连接至电阻器R₁和R₂的公共节点，其反相输入端接收参考电压V_REF2，该误差放大器EA提供一控制电压以用于控制开关S2。本技术领域的技术人员应当了解，误差放大器EA提供的控制电压可以直接作用于开关S2，也可以通过控制其它器件以作用于开关S2。例如，一缓冲器连接至误差放大器EA以接收所述控制电压，该缓冲器输出一输出信号以控制开关S2。

在T₁时间段，负电荷泵电路30的开关S1和S4导通，开关S2和S3断开，电源电压V_CC对电容C1充电。在T₂时间段，开关S1和S4断开，开关S2和S3导通且开关S2受误差放大器EA提供的控制电压控制，可以看作一压控电流源或者压控电阻。此时，电容C1对电容C2充电，其充电电流大小受误差放大器EA提供的控制电压控制。

电阻器R₁和R₂组成分压器，对输出电压SN进行采样，获得采样电压。该分压器与误差放大器EA一起形成闭环反馈环路。当输出电压SN超过所需要的设定值时，参考电压V_REF2与采样电压的差值增大，误差放大器EA输出的控制电压增大，使得开关S2的电流能力变大或者电阻变小，从而使输出电压SN降低。当输出电压SN降低至设定值时，电容C1停止对电容C2充电，使输出电压SN保持在设定值。通过该闭环反馈环路的调节，负电荷泵电路30的输出电压SN为：

SN = \frac{R_{1} + R_{2}}{R_{1}} \times V_{REF 2} - \frac{R_{2}}{R_{1}} \times V_{REF 1}

由上式可见，所述负电荷泵通过控制开关S2以提供一恒定输出电压SN，输出电压SN仅与电阻器R1和R2以及参考电压V_REF1和V_REF2有关。因此，负电荷泵的输出电压SN不随电源电压V_CC的变化而变化，具有良好的电源抑制比。

图4示出用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)作为图3所述负电荷泵中开关的电路40。如图4所示，P型金属氧化物半导体场效应晶体管M1以及N型金属氧化物半导体场效应晶体管M2、M3和M4分别对应于图3所述负电荷泵的开关S1、S2、S3以及S4。M1、M2、M3和M4的栅极分别受图5所示控制信号Q1、Q2、Q3和Q4控制。在T1时间段，Q1、Q2、Q3为低电平，Q4为高电平，M1和M4导通，M2和M3断开，电源电压V_CC对电容C1充电。在T2时间段，Q1、Q2、Q3为高电平，Q4为低电平，M1和M4断开，M2和M3导通且M2受误差放大器EA提供的控制电压控制，电容C1对电容C2充电。

本领域技术人员应当理解，图4所示金属氧化物半导体场效应晶体管M1、M2、M3和M4的类型及其各自在图5中对应的控制信号Q1、Q2、Q3和Q4为示例性的。M1、M2、M3和M4可以为P型或者N型，它们只需满足各自分别在Q1、Q2、Q3和Q4的控制下，在T₁时间段内，M1和M4导通，M2和M3断开；在T2时间段，M1和M4断开，M2和M3导通。本领域技术人员还应当理解，图3所示开关S1、S2、S3以及S4可以为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，还可以为双极型晶体管(BJT)，结型场效应晶体管(JFET)以及其他具有类似功能的开关器件。

图6示出图1所示放大电路10以及图2所示放大电路20中的低压差线性稳压器LDO的原理电路60。如图6所示，该低压差线性稳压器为一P型低压差线性稳压器(PLDO)。在电路60中，P型金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOS)M_LDO的漏极连接至电源电压V_CC，其源极提供输出电压SP。电容C_LDO的一端连接至M_LDO的源极，其另一端连接至系统地。电阻器R₃的一端亦连接至M_LDO的源极。电阻器R₄的一端连接至R₃的另一端，并形成公共节点。电阻器R₄的另一端连接至系统地。电阻器R₃和R₄的公共节点连接至误差放大器EA1的同相输入端。误差放大器EA1的反相输入端接收参考电压V_REF，其输出端连接至M_LDO的栅极。

电阻器R₃和R₄组成分压器，以对输出电压SP采样，并提供采样电压至误差放大器EA1的同相输入端。该分压器与放大器EA1一起形成反馈环路，以对输出电压SP进行调节，获得稳定的输出电压。当输出电压SP降低时，参考电压V_REF与采样电压的差值降低，误差放大器EA1输出的驱动电压亦降低，使得M₁上的压降减小，从而使输出电压SP升高。经反馈环路调节后的输出电压SP为：

SP = (\frac{R_{3}}{R_{4}} + 1) V_{REF}

由上式可见，低压差线性稳压器LDO的输出电压SN由电阻器R₃和R₄的比值

以及参考电压V_REF决定，不随电源电压V_CC的变化而变化，具有良好的电源抑制比(PSRR)。若要改变输出电压SP的值，可通过调节电阻器R₃和R₄的比值

这使得电路具有很大的灵活性。

可见，由于采用闭环负电荷泵以及具有稳定输出电压的低压差线性稳压器，本发明实施例提出的新型放大电路具有较高的效率，易于利用现有半导体技术进行制造，节约了成本。而且，本发明实施例提出的新型放大电路的输出电压不随电源电压的变化而变化，具有良好的电源抑制比。

图7为根据本发明一优选实施例的用于放大器信号放大的方法流程示意图。如图7所示，系统提供第一输入电压V_in1至低压差线性稳压器LDO，所述LDO产生第一输出电压SP。同时，系统提供第二输入电压V_in2至负电荷泵NCP，所述负电荷泵NCP产生第二输出电压SN。放大器AMP接收第一输出电压SP与第二输出电压SN并产生放大输出电压V_o。其中，所述第一输入电压V_in1与所述第二输入电压V_in2可以为同一输入电压也可以为不同输入电压；所述第一输出电压SP与所述第二输出电压SN的绝对值可以相等也可以不等。在本发明所提供的用于放大器信号放大的方法的实施例中，第一输出电压SP与第一输入电压V_in1的变化无关或者第二输出电压SN与第二输入电压V_in2的变化无关，从而放大输出电压V_o与第一输入电压V_in1的变化无关或者与第二输入电压V_in2的变化无关。因而，利用本发明提供的方法对放大器信号进行放大将具有较高的电源抑制比。

关于上述内容，显然本发明的很多其它改型和改动也是可行的。这里应该明白，在随附的权利要求书所涵盖的保护范围内，本发明可以应用此处没有具体描述的技术而实施。当然还应该明白，由于上述内容只涉及本发明的较佳具体实施例，所以还可以进行许多改型而不偏离随附的权利要求所涵盖的本发明的精神和保护范围。由于公开的仅是较佳实施例，本领域普通技术人员可以推断出不同的改型而不脱离由随附的权利要求所定义的本发明的精神和保护范围。

Claims

1.一种放大电路，其中，所述放大电路包括：

低压差线性稳压器，所述低压差线性稳压器接收第一输入电压且提供第一输出电压；

电荷泵，所述电荷泵接收第二输入电压且提供第二输出电压；以及

放大器，所述放大器接收所述第一输出电压和所述第二输出电压并产生放大输出电压，其中，所述放大输出电压与所述第一输入电压或者所述第二输入电压的变化无关。

2.如权利要求1所述的放大电路，其中，所述第一输入电压和所述第二输入电压相同。

3.如权利要求1所述的放大电路，其中，所述第一输出电压为正值，所述第二输出电压为负值，所述第一输出电压和所述第二输出电压的绝对值相等。

4.如权利要求1所述的放大电路，其中，所述第一输出电压为正值，所述第二输出电压为负值，所述第一输出电压和所述第二输出电压的绝对值不相等。

5.如权利要求1所述的放大电路，其中，所述第一输出电压与所述第一输入电压的变化无关。

6.如权利要求1所述的放大电路，其中，所述第二输出电压与所述第二输入电压的变化无关。

7.如权利要求1所述的放大电路，其中，所述电荷泵包括反馈环路，所述反馈环路对所述第二输出电压进行采样，并根据所述第二输出电压产生控制信号，以调节所述第二输出电压。

8.如权利要求7所述的放大电路，其中，所述第二输出电压与所述第二输入电压的变化无关。

9.如权利要求7所述的放大电路，其中，所述反馈环路包括：

第一电阻，所述第一电阻具有第一端子和第二端子，所述第一端子连接至所述第二输出电压；

第二电阻，所述第二电阻具有第一端子和第二端子，所述第二电阻的第一端子连接至所述第一电阻的第二端子，所述第二电阻的第二端子连接至第一参考电压；

误差放大器，所述误差放大器的同相输入端连接至所述第一电阻的第二端子和所述第二电阻的第一端子，所述误差放大器的反相输入端接收第二参考电压，所述误差放大器的输出端输出所述控制信号。

10.如权利要求9所述的放大电路，其中，所述第二输出电压由所述第一电阻、所述第二电阻、所述第一参考电压以及所述第二参考电压决定。

11.一种用于放大器信号放大的方法，其中，所述方法包括：

提供第一输入电压至低压差线性稳压器，所述低压差线性稳压器产生第一输出电压；

提供第二输入电压至电荷泵，所述电荷泵产生第二输出电压；

提供第一输出电压和第二输出电压至放大器；以及

调节放大器以产生放大输出电压。

12.如权利要求11所述的方法，其中，所述第一输入电压和所述第二输入电压相同。

13.如权利要求11所述的方法，其中，所述第一输出电压与所述第一输入电压的变化无关。

14.如权利要求11所述的方法，其中，所述第二输出电压与所述第二输入电压的变化无关。

15.一种电荷泵，其中，所述电荷泵包括：

第一开关，所述第一开关具有第一端子和第二端子，所述第一端子接收输入电压；

第二开关，所述第二开关具有第一端子和第二端子，所述第二开关的第一端子连接至所述第一开关的第二端子，所述第二开关的第二端子连接至系统地；

第一电容，所述第一电容具有第一端子和第二端子，所述第一电容的第一端子连接至所述第一开关的第二端子和所述第二开关的第一端子；

第三开关，所述第三开关具有第一端子和第二端子，所述第三开关的第一端子连接至所述第一电容的第二端子；

第四开关，所述第四开关具有第一端子和第二端子，所述第四开关的第一端子连接至所述第一电容的第二端子和所述第三开关的第一端子，所述第四开关的第二端子连接至系统地；

第二电容，所述第二电容具有第一端子和第二端子，所述第二电容的第一端子连接至所述第三开关的第二端子，所述第二电容的第二端子连接至系统地，所述第三开关的第二端子和所述第二电容的第一端子形成电荷泵输出端，输出输出电压；以及

反馈环路，所述反馈环路对所述输出电压进行采样，并根据所述输出电压产生控制信号，以调节所述输出电压。

16.如权利要求15所述的电荷泵，其中，所述输出电压与所述输入电压的变化无关。

17.如权利要求15所述的电荷泵，其中，所述反馈环路包括：

第一电阻，所述第一电阻具有第一端子和第二端子，所述第一端子连接至所述输出电压；

误差放大器，所述误差放大器的同相输入端连接至所述第一电阻的第二端子和所述第二电阻的第一端子，所述误差放大器的反相输入端接收第二参考电压，所述误差放大器的输出端输出所述控制信号以控制所述第二开关。

18.如权利要求17所述的电荷泵，其中，所述输出电压由所述第一电阻、所述第二电阻、所述第一参考电压以及所述第二参考电压决定。