CN101931376A - 直流隔离放大器 - Google Patents

Abstract

一种直流隔离放大器，包括有一第一电容、一第一电阻、一第二电容、一参考电压源、一第一运算放大电路及一第二运算放大电路，其中，第一电阻并联连接第一电容。第二电容的一端连接第一电容的第二端。第一运算放大电路的第一输入端连接第二电容的另一端，第二输入端接收一输入信号，第一输出端连接第一电容的第一端并且输出一输出信号。第二运算放大电路的一输入端连接参考电压源，另一输入端连接第一电容的第二端，第二输出端连接于第一运算放大电路的第一输入端。本发明的直流隔离放大器可应用在各种模拟电路上，并可以维持良好的低频响应，同时，不需大容量的电容，线路简单，且放大增益可由内部电容比值决定，非常适合实现于集成电路上。

Description

直流隔离放大器

技术领域

本发明涉及一种直流隔离放大器，尤其涉及一种可应用在各种模拟电路上，以提供模拟信号放大与直流隔离的放大器。

背景技术

一般信号放大器会放大任何包含交流成份(AC)与直流成份(DC)的输入信号。大多数的应用上，信号放大器常被用来放大输入信号中的交流成份，而不需要放大输入信号中的直流成份。因为，直流成份若一并放大，很容易使信号放大器的输出达到饱合(saturation)或离开信号放大器的线性区域。因此，信号放大器在设计上，先要将输入信号的直流成份加以滤除，而滤除直流成份最简单的方式是在信号放大器的输入级耦接一交连电容，以隔离输入信号的直流成份进入信号放大器。

前述中，交连电容的选定与工作的频率有关，当工作频率较低时就必须有较大的交连电容，其电容值常高至1毫微法拉(μf)。在目前的集成电路技术中，要达成高至1毫微法拉(μf)电容值的交连电容，耗费面积与成本甚大，几乎不可能。在此情况下，交连电容不适合被设计于集成电路上。

参考图1，图1为传统直流隔离放大器的电路示意图。如图1所示，信号放大器12的输入端连接一交连电容10，用以消除输入信号S1的直流成份。输入信号S1的直流成份其频率(f)是零，因此，根据公式(1)，交连电容10的容抗Xc在直流响应下，频率为0，其值会接近无限大∞，此时，交连电容10可以视为开路状态，进而隔离输入信号S1的直流成份。

$\mathrm{Xc}=\frac{1}{2\mathrm{\πfc}}...\left(1\right)$

在公式(1)中，符号c代表交连电容10的电容值。

另外，输入信号S1的交流成份将不被隔离，而从信号放大器12的输入端进入信号放大器12，信号放大器12再将交流成份放大成一输出信号S2从输出端输出。

目前，模拟信号放大器已经广泛被使用于各种电子产品上，因此，对于直流成份的消除是个必需处理的课题。虽然，利用交连电容10来达成直流成份隔离的方法最为简单，然而，交连电容10的电容值大小与低频响应的优劣成正比。当要求较佳的低频响应时就需要较大的交连电容10，例如，音频的响应(频率介于20Hz-20KHz)。但是，较大的交连电容10会占据许多产品设计上的空间，而不符合轻、薄、短、小的应用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种直流隔离放大器，其可应用在各种模拟电路上，并可以维持良好的低频响应，同时，不需大容量的电容，线路简单，且放大增益可由内部电容比值决定，非常适合实现于集成电路上。

本发明实施例的直流隔离放大器包括有一第一电容、一第一电阻、一第二电容、一参考电压源、一第一运算放大电路及一第二运算放大电路，其中，第一电阻并联连接于第一电容。第二电容的第四端连接于第一电容的第二端。第一运算放大电路的第一输入端连接于第二电容的第三端，第一运算放大电路的第二输入端接收一输入信号，第一运算放大电路的第一输出端连接于第一电容的第一端，并且输出一输出信号。第二运算放大电路的第三输入端连接于参考电压源，第二运算放大电路的第四输入端连接于第一电容的第二端，第二运算放大电路的第二输出端连接于第一运算放大电路的第一输入端。

综上所述，本发明实施例的直流隔离放大器具有带通滤波器(Band-PassFilter)的效果，可以隔离输入信号的直流成份，并且维持良好的低通响应。同时，直流隔离放大器的放大增益可由内部第一电容与第二电容的比值决定，并且，第一电容与第二电容皆为皮法拉(pf)等级的电容，非常适合实现于集成电路上。

以上的概述与接下来的详细说明皆为示范性质，是为了进一步说明本发明的权利要求的保护范围。而有关本发明的其他目的与优点，将在后续的说明与附图加以阐述。

附图说明

图1为传统直流隔离放大器的电路示意图；

图2为本发明的电路示意图；

图3为本发明实施例的直流隔离放大器的频率响应波形示意图；

图4为本发明第一实施例的高阻抗电阻示意图；

图5为本发明第二实施例的高阻抗电阻示意图；

图6为本发明第三实施例的高阻抗电阻示意图；及

图7为本发明第四实施例的高阻抗电阻示意图。

上述附图中的附图标记说明如下：

12信号放大器

10交连电容

S1输入信号

S2输出信号

2直流隔离放大器

20第一电容

21、21a、21b、21c第一电阻

22第二电容

24参考电压源

25第一运算放大电路

26第二运算放大电路

VIN输入端

VOUT输出端

Si输入信号

So输出信号

VREF参考电压

250第一输出端

251第一输入端

252第二输入端

260第二输出端

261第三输入端

262第四输入端

G放大增益

3频率响应曲线

F1低频极点

F2高频极点

Ra第一端

Rb第二端

211第一PMOS晶体管

212第二PMOS晶体管

213第三PMOS晶体管

214第四PMOS晶体管

215第五PMOS晶体管

VDD固定偏压

216电流源

D1第一二极管

D2第二二极管

T1第一端

T2第二端

T3第三端

T4第四端

具体实施方式

请参考图2。图2为本发明的电路示意图。本发明实施例的直流隔离放大器2包括有一第一电容20、一第一电阻21、一第二电容22、一参考电压源24、一第一运算放大电路25及一第二运算放大电路26。直流隔离放大器2具有一输入端VIN与一输出端VOUT，直流隔离放大器2的输入端VIN接收一输入信号Si，并且放大输入信号Si与隔离输入信号Si中的直流成份，进而从输出端VOUT输出一输出信号So。

再参考图2。输入信号Si与输出信号So都为一音频信号，其频率范围介于20hz至20Khz。同时，输出信号So的直流电平会锁定在参考电压源24所产生的一参考电压VREF。

再参考图2。第一电阻21并联连接于第一电容20。第一电容20的第一端T1连接于第一运算放大电路25的第一输出端250，第一运算放大电路25的输出端250作为直流隔离放大器2的输出端VOUT。另外，第一电容20的第二端T2同时连接于第二电容22的第四端T4与第二运算放大电路26的第四输入端262。而第二电容22的第三端T3则连接于第一运算放大电路25的第一输入端251与第二运算放大电路26的第二输出端260。第一运算放大电路25的第二输入端252作为直流隔离放大器2的输入端VIN，用以接收该输入信号Si。同时，第二运算放大电路26的第三输入端261连接于参考电压源24。

再参考图2。本发明实施例的直流隔离放大器2通过第一运算放大电路25与第二运算放大电路26之间回馈的交互作用而形成一带通滤波器(Band-Pass Filter)，其频率响应如图3所示。第三图为本发明实施例的直流隔离放大器的频率响应波形示意图。其中，纵轴为放大器的放大增益G，以dB作单位，横轴为工作频率F，以Hz作单位。

配合图2，再参考图3。根据本发明实施例的直流隔离放大器2的频率响应曲线3，其中，低频极点F1由第一电阻21与第一电容20的数值决定，根据公式(2)可以得知低频极点F1与第一电阻21、第一电容20之间的关系。

$F1=\frac{1}{2\mathrm{\π}\×R1\×C1}...\left(2\right)$

在公式(2)中，符号R1代表第一电阻21的数值，C1代表第一电容20的数值。

配合图2，再参考图3。根据本发明实施例的直流隔离放大器2的频率响应曲线3，其中高频极点F2则由第一运算放大器25与第二运算放大器26的最小频宽(BW)决定，也就是说，具有最小频宽(BW)的运算放大器，其频宽(BW)决定高频极点F2的值。另外，本发明实施例的直流隔离放大器2的放大增益G约略决定于第一电容20与第二电容22的比值。

配合图2，再参考图3。本发明实施例的直流隔离放大器2在应用上需要有较佳的低频响应，因此，本发明实施例的直流隔离放大器2在设计上，其低频极点F1越小越好。另外，在集成电路的实现上第一电容20与第二电容22的数值都不能太大，需为皮法拉(pf)等级的电容，因此，如果要有较佳的低频响应，则第一电阻21需要有比较大的数值。

参照图4、图5及图6所示。为了在集成电路上实现高阻抗的电阻，本发明的第一电阻21可以由多个PMOS晶体管连接组成以形成高阻抗电阻，或是由多个PMOS晶体管与一偏压源连接组成以形成高阻抗电阻，或是由多个二极管连接组成以形成高阻抗电阻。

参照图4所示。本发明第一电阻21a具有第一端Ra与第二端Rb，其由第一PMOS晶体管211、第二PMOS晶体管212、第三PMOS晶体管213及第四PMOS晶体管214等四个PMOS晶体管连接组成。其中，第一PMOS晶体管211的闸极与源极共同连接于第二PMOS晶体管212的漏极，并且，第一PMOS晶体管211的漏极作为第一电阻21a的第一端Ra。同时，第二PMOS晶体管212的闸极与源极共同连接，以作为第一电阻21a的第二端Rb。另外，第三PMOS晶体管213的闸极与源极共同连接于第一PMOS晶体管211的漏极，作为第一电阻21a的第一端Ra。同时，第四PMOS晶体管214的闸极与源极共同连接于第三PMOS晶体管213的漏极。并且，第四PMOS晶体管214的漏极连接于第二PMOS晶体管212的闸极与源极，以作为第一电阻21a的第二端Rb。

再参照图4所示，第一PMOS晶体管211、第二PMOS晶体管212、第三PMOS晶体管213及第四PMOS晶体管214所组成的结构中，其第一端Ra与第二Rb就是高阻抗电阻的两个端点。

参照图5所示。本发明第一电阻21b具有第一端Ra与第二端Rb，其由第一PMOS晶体管211、第二PMOS晶体管212、第三PMOS晶体管213、第四PMOS晶体管214、第五PMOS晶体管215、一固定偏压VDD及一电流源216连接组成。其中，第一PMOS晶体管211的漏极连接于第三PMOS晶体管213的源极，以作为第一电阻21b的第一端Ra。第一PMOS晶体管211的源极连接于第二PMOS晶体管212的漏极。第二PMOS晶体管212的源极连接于第四PMOS晶体管214的漏极，以作为第一电阻21b的第二端Rb。第三PMOS晶体管213的漏极连接于第四PMOS晶体管214的源极。同时，第一PMOS晶体管211、第二PMOS晶体管212、第三PMOS晶体管213及第四PMOS晶体管214的闸极共同连接于第五PMOS晶体管215的闸极与源极。另外，第五PMOS晶体管215的漏极连接于一固定偏压VDD，并且，第五PMOS晶体管215的闸极与源极连接一电流源216。

再参照图5所示。第一PMOS晶体管211、第二PMOS晶体管212及第三PMOS晶体管213、第四PMOS晶体管214中，每一个PMOS晶体管的闸极同时连接至一组偏压电路。偏压电路是由电流源216、第五PMOS晶体管215及固定偏压VDD所构成。电流源216通常会设计在极小的电流，如此才能做到大阻抗的要求。如此，第一端Ra与第二端Rb就是高阻抗电阻的两个端点。

参照图6所示。本发明第一电阻21c具有第一端Ra与第二端Rb，其由一第一二极管D1与一第二二极管D2连接组成。其中，第一二极管D1的阳极端连接于第二二极管的阴极端，以作为第一电阻21c的第一端Ra。同时，第一二极管D1的阴极端连接于第二二极管的阳极端，以作为第一电阻21c的第二端Rb。如此，第一端Ra与第二端Rb就是高阻抗电阻的两个端点。

另外，利用第一二极管D1与第二二极管D2实现高阻抗电阻的实施例中，不限定使用两个二极管，也可以使用多个二极管串接在一起，而分别形成第一二极管D1与第二二极管D2，如图7所示。

综上所述，本发明实施例的直流隔离放大器2中，输入信号Si接至第一运算放大器25的第二输入端252(反向输入端)，第一运算放大器25的输出端205分别连接至第一电阻21与第一电容20。第一电阻21与第一电容20并联的另一端点接至第二运算放大器26的第四输入端262(反向输入端)。第二运算放大器26的第三输入端261(非反向输入端)连接至参考电压源24，第二运算放大器26的输出端260则连接至第一运算放大器25的第一输入端251(非反向输入端)。第二电容22同时跨接至第二运算放大器26的第三输出端260与第四输入端262(反向输入端)。如此，整个直流隔离放大器2的输出端VOUT即为第一运算放大器25的第一输出端250。

如此，本发明实施例的直流隔离放大器2可以直接接收输入信号Si进入第一运算放大器25的第二输入端252(反向输入端)而不需要经过交连电容，因此，非常适合实现于集成电路上。另外，本发明实施例的直流隔离放大器2同时提供输入信号Si一个近似无限大的输入阻抗，因此，不会造成负载效应。

以上所述，仅为本发明具体实施例，本发明的特征并不局限于此，任何本领域的普通技术人员在本发明的领域内，可轻易思及之变化或修饰，皆可涵盖在以下本发明的专利要求的保护范围。

Claims (13)

1.一种直流隔离放大器，其特征在于，包括：

一第一电容，具有一第一端与一第二端；

一第一电阻，并联连接于该第一电容；

一第二电容，具有一第三端与一第四端，其中，该第二电容的该第四端连接于该第一电容的该第二端；

一第一运算放大电路，具有一第一输入端、一第二输入端及一第一输出端，其中，该第一输入端连接于该第二电容的第三端，该第二输入端接收一输入信号，该第一输出端连接于该第一电容的第一端，并且输出一输出信号；及

一第二运算放大电路，具有一第三输入端、一第四输入端及一第二输出端，其中，该第三输入端连接一参考电压源，该第四输入端连接于该第一电容的该第二端，该第二输出端连接于该第一运算放大电路的第一输入端。

2.如权利要求1所述的直流隔离放大器，其特征在于，该输入信号为一音频信号。

3.如权利要求2所述的直流隔离放大器，其特征在于，该音频信号的频率范围介于20hz至20Khz。

4.如权利要求1所述的直流隔离放大器，其特征在于，该输出信号为一音频信号。

5.如权利要求4所述的直流隔离放大器，其特征在于，该音频信号的频率范围介于20hz至20Khz。

6.如权利要求1所述的直流隔离放大器，其特征在于，该参考电压源为该输出信号的直流电平。

7.如权利要求1所述的直流隔离放大器，其特征在于，该第一电容与该第二电容的比值为该直流隔离放大器的一放大增益。

8.如权利要求1所述的直流隔离放大器，其特征在于，该第一电容与该第一电阻的数值决定该直流隔离放大器的一低频极点。

9.如权利要求1所述的直流隔离放大器，其特征在于，该第一运算放大电路与该第二运算放大电路决定该直流隔离放大器的一高频极点。

10.如权利要求1所述的直流隔离放大器，其特征在于，该第一电容与该第二电容为皮法拉等级的电容。

11.如权利要求1所述的直流隔离放大器，其特征在于，该第一电阻由多个PMOS晶体管连接组成，以形成高阻抗电阻。

12.如权利要求1所述的直流隔离放大器，其特征在于，该第一电阻由多个PMOS晶体管与一偏压源连接组成，以形成高阻抗电阻。

13.如权利要求1所述的直流隔离放大器，其特征在于，该第一电阻由多个二极管连接组成，以形成高阻抗电阻。

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