CN102055421A - 具有增益控制的差动转单端放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有增益控制的差动转单端放大器，该差动转单端放大器包括：一运算放大器、一电阻串、多个开关、一增益控制单元以及一电源调整单元。运算放大器的正输入端以及负输入端用以接收一对差动信号。电阻串耦接于运算放大器的输出端以及负输入端之间，具有以串联方式连接的多个电阻。各开关耦接于运算放大器的负输入端以及对应的电阻之间。增益控制单元根据一电源信号以及一增益信号提供多个切换信号至多个开关，以导通多个开关的一者。电源调整单元根据运算放大器的负输入端所接收的信号提供电源信号至增益控制单元。本发明的差动转单端放大器能够使得被导通的开关的阻抗为固定值，以改善整体电路的总谐波失真效能。

Description

具有增益控制的差动转单端放大器

技术领域

本发明是有关于一种差动转单端(differential to single)放大器，特别是有关于一种具有增益控制功能的差动转单端放大器。

背景技术

一般而言，差动转单端放大器(亦简称为差动放大器)常见于电子系统的模拟电路中，其可根据所使用的运算放大器(OP AMP)的差动增益(differential gain)将两输入端上的信号差进行放大。运算放大器的差动增益为固定值，其可由运算放大器的内部电路设计而决定。由于差动增益不能改变，因此在设计上可于运算放大器的负回授路径上使用电阻来调整差动转单端放大器的整体增益，使得其应用能更有弹性。

图1A显示具有增益控制功能的传统差动转单端放大器100。差动转单端放大器100包括运算放大器110、电阻R₁-R_n与R_CM、开关SW₁-SW_n、电容C₁-C₂以及增益控制单元120。开关SW₁-SW_n分别耦接于对应的电阻，例如开关SW₁耦接于电阻R₁而开关SW₂耦接于电阻R₁与电阻R₂之间的接点。增益控制单元120的操作电压由供应电压VDD所提供，其中增益控制单元120可根据增益信号S_gain产生不同切换信号至开关SW₁-SW_n，以便控制其中一个开关为导通而其他开关为不导通。在图1A中，差动转单端放大器100的输入信号以差动信号I₊、I_-表示，其中差动信号I₊、I_-可由电流镜或是电阻提供。此外，运算放大器110的正输入端(即非反相输入端)是经由并联的电容C₂与电阻R_CM耦接于参考电压V_CM。

在差动转单端放大器100中，增益控制单元120可根据增益信号S_gain来调整运算放大器110的负回授路径上的电阻值，使得差动信号I₊、I_-之间的差值会根据对应于该电阻值的增益来进行放大，以产生输出信号V_O。然而，由于运算放大器110的负输入端(即反相输入端)上的输入信号会随着信号I₊而改变，使得被导通的开关将会因为基体效应(Body Effect)的影响而造成导通开关的栅极对源极电压(V_gs)以及临界电压(Threshold Voltage，V_th)也会跟着改变。因此，当栅极对源极电压以及临界电压改变时，导通开关的阻值(即漏极到源极的阻抗)将会变为非线性，进而影响整体电路的总谐波失真(Total Harmonic Distortion，THD)效能。举例来说，当增益控制单元120提供具有供应电压VDD位准的切换信号来导通开关SW₁时，可根据下列算式(1)求得开关SW₁的阻值R_ds：

$R_{\mathrm{ds}}=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}\left(\frac{W}{L}\right)V_{\mathrm{eff}}}---\left(1\right)$

其中V_eff＝V_gs-V_th而

由于栅极对源极电压V_gs以及源极对基底电压V_sb会随着源极上的信号(即信号I₊)而改变，所以开关SW₁的阻值R_ds亦会随着信号I₊而改变。因此，整体电路的总谐波失真会较差。参考图1B，图1B显示图1A中传统差动转单端放大器100的总谐波失真的分析结果。明显地，图1B中的各谐波皆都具有很大的能量，因此总谐波失真约为-64分贝。

为了改善总谐波失真的效能，传统上可将开关SW₁-SW_n的尺寸增加。然而，大尺寸开关将会造成积体电路的面积和成本增加。另外，传统上亦可使用将差动信号先转成单端信号，再对该单端信号进行放大的方式来降低开关阻值非线性的问题。图2显示一种由两级电路所组成的传统差动转单端放大器200，其具有增益控制功能。差动转单端放大器200包括用以将差动信号转为单端信号的第一级电路210，以及用以调整单端信号的增益的第二级电路220。在图2中，由于使用了两级电路，因此整体电路的耗电以及面积将会增加。此外，使用两级电路更容易导致噪声的产生。

图3显示一种传统音频数字对模拟转换器(Audio DAC)300。音频数字对模拟转换器300包括交换式电容滤波器(switched capacitor filter)310、快速滤波器(Rush filter)320以及增益放大电路330。首先，输入信号IN₁、IN₂会经由交换式电容滤波器310进行第一次滤波以产生差动信号。接着，快速滤波器320会对差动信号进行第二次滤波并将差动信号转为单端信号，其中快速滤波器320可视为差动转单端放大器的一种应用。接着，增益放大电路330会根据增益信号S_gain调整单端信号的增益，以产生输出信号V_O。同样地，在图3中，由于使用了三级电路，使得音频数字对模拟转换器300的耗电以及面积将会增加。此外，容易导致噪声的产生。

图4显示一种传统视频数字对模拟转换器(Video DAC)400。视频数字对模拟转换器400包括差动转单端放大器410以及增益放大电路420。相同地，在图4中，由于使用了两级电路，使得视频数字对模拟转换器400的耗电以及面积将会增加。此外，容易导致噪声的产生。

因此，需要一种具有增益调整功能的差动转单端放大器，其可节省面积以及避免耗电，并具有较佳的总谐波失真效能。

发明内容

本发明提供一种具有增益控制的差动转单端放大器。所述差动转单端放大器包括：一运算放大器，具有一正输入端、一负输入端以及一输出端，其中所述正输入端以及所述负输入端用以接收一对差动信号；一电阻串，耦接于所述运算放大器的所述输出端以及所述负输入端之间，具有以串联方式连接的多个电阻；多个开关，各耦接于所述运算放大器的所述负输入端以及对应的所述电阻之间；一增益控制单元，用以根据一电源信号以及一增益信号提供多个切换信号至所述多个开关，以导通所述多个开关的一者；以及，一电源调整单元，耦接于所述运算放大器的所述负输入端，用以根据所述运算放大器的所述负输入端所接收的信号提供所述电源信号至所述增益控制单元。

本发明的差动转单端放大器能够使得被导通的开关的阻抗为固定值，以改善整体电路的总谐波失真效能。

附图说明

图1A显示具有增益控制功能的传统差动转单端放大器；

图1B显示图1A中传统差动转单端放大器的总谐波失真的分析结果；

图2显示一种由两级电路所组成的传统差动转单端放大器，其具有增益控制功能；

图3显示一种传统音频数字对模拟转换器；

图4显示一种传统视频数字对模拟转换器；

图5A显示根据本发明一实施例所述的具有增益控制功能的差动转单端放大器；

图5B显示图5A中差动转单端放大器的总谐波失真的分析结果；

图6显示根据本发明一实施例所述的音频数字对模拟转换器；以及

图7显示根据本发明一实施例所述的视频数字对模拟转换器。

附图标号：

100、200、410、500、620～差动转单端放大器

110～运算放大器

120～增益控制单元

210～第一级电路

220～第二级电路

300、600～音频数字对模拟转换器

310～交换式电容滤波器

320～快速滤波器

330～增益放大电路

400、700～视频数字对模拟转换器

420～增益放大电路

510～电源调整单元

520～补偿单元

C₁-C₂～电容

M₁-M₄～晶体管

I₊、I_-～差动信号

I₁、I₂、I₃～电流源

IN₁、IN₂～输入信号

R₁-R_n、R_CM～电阻

S_gain～增益信号

SW₁-SW_n～开关

V_A、V_I～电压

V_CM～参考电压

VDD～供应电压

V_O～输出信号

V_power～电源电压

具体实施方式

为让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

实施例：

图5A显示根据本发明一实施例所述的具有增益控制功能的差动转单端放大器500。差动转单端放大器500包括运算放大器110、电阻R₁-R_n与R_CM、开关SW₁-SW_n、电容C₁-C₂、增益控制单元120、电源调整单元510以及补偿单元520。电阻R₁-R_n以串联方式耦接于运算放大器110的负输入端以及输出端之间(即负回授路径)，而开关SW₁-SW_n分别耦接于对应的电阻R₁-R_n的第一端以及运算放大器110的负输入端之间，以下开关SW₁-SW_n将以N型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管作为说明。举例来说，开关SW₁耦接于电阻R₁的第一端以及运算放大器110的负输入端之间，而开关SW₂耦接于电阻R₂的第一端以及运算放大器110的负输入端之间，其中电阻R₂的第一端亦耦接于电阻R₁的第二端。电容C₁耦接于运算放大器110的负输入端以及输出端之间。电容C₂耦接于运算放大器110的正输入端以及参考电压M_CM之间，而电阻R_CM并联于电容C₂。

在图5A中，增益控制单元120可根据增益信号S_gain产生不同切换信号至开关SW₁-SW_n，以便控制其中一个开关为导通而其他开关为不导通。此外，增益控制单元120的操作电压是由电源调整单元510所提供的电源电压V_power，其为可变的电压而非固定的电压。电源调整单元510耦接于运算放大器110的负输入端，用以提供对应于运算放大器110的负输入端所接收到的信号I₊的电源电压V_power。差动转单端放大器500的输入信号以差动信号I₊、I_-表示，其中差动信号I₊、I_-可由电流镜或是电阻等元件提供。此外，补偿单元520耦接于运算放大器110的正输入端以及供应电压VDD之间。

如图5A所显示，电源调整单元510包括电流源I₁、I₂以及晶体管M₁-M₃。电流源I₁耦接于供应电压VDD以及晶体管M₁之间，而晶体管M₁耦接于电流源I₁以及运算放大器110的负输入端之间，其中晶体管M₁的栅极是耦接于其漏极以及电流源I₁。电流源I₂耦接于供应电压VDD以及晶体管M₂之间，其中电流源I₁以及电流源I₂的电流量是根据工艺以及应用所决定。晶体管M₂耦接于电流源I₂以及晶体管M₃之间，其中晶体管M₂的栅极耦接于晶体管M₁的栅极、漏极以及电流源I₁而晶体管M₂的基底耦接于电流源I₂。晶体管M₃耦接于晶体管M₂以及接地端GND之间。在图5A中，可根据下列算式(2)，得到晶体管M₂的栅极电压V_A：

$V_A=\sqrt{\frac{2I_1}{{\mathrm{\μ}}_1{C}_{\mathrm{ox}}(W_1/L_1)}}+V_{\mathrm{th}1}+V_I---\left(2\right)$

其中μ₁、W₁、L₁与V_th1分别表示晶体管M₁的迁移率(mobility)、宽度、长度以及临界电压，而I₁是表示电流源I₁所提供的电流，以及V_I是表示运算放大器110的负输入端上的电压。因此，根据算式(2)，可得到电源调整单元510所提供的电源电压V_power，如下列算式(3)所显示：

$\mathrm{Vpower}=\sqrt{\frac{2I_2}{{\mathrm{\μ}}_2{C}_{\mathrm{ox}}(W_2/L_2)}}+V_{\mathrm{th}2}+V_A---\left(3\right)$

$=\sqrt{\frac{2I_2}{{\mathrm{\μ}}_2{C}_{\mathrm{ox}}(W_2/L_2)}}+\sqrt{\frac{2I_2}{{\mathrm{\μ}}_2{C}_{\mathrm{ox}}(W_2/L_2)}}+V_{\mathrm{th}2}+V_{\mathrm{th}1}+V_I$

其中μ₂、W₂、L₂与V_th2分别表示晶体管M₂的迁移率、宽度、长度以及临界电压，而I₂是表示电流源I₂所提供的电流。此外，由于晶体管M₂无基体效应存在，因此晶体管M₂的临界电压V_th2为固定值，而晶体管M₁的临界电压

因此，当增益控制单元120提供具有电源电压V_power的位准的切换信号来导通开关SW₁时，可根据下列算式(4)求得开关SW₁的阻值R_ds：

$R_{\mathrm{ds}}=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}\left(\frac{W}{L}\right)V_{\mathrm{eff}}}---\left(4\right)$

而V_eff＝V_power-V_I-V_thSW1

其中V_thSW1是表示开关SW₁的临界电压。由于开关SW₁与晶体管M₁皆为NMOS晶体管，因此开关SW₁的临界电压V_thSW1会相同于晶体管M₁的临界电压V_th1(即V_th1＝V_thSW1)。接着，将算式(3)代入算式(4)，则可得到开关SW₁的阻值R_ds为固定值，如下列算式(5)所表示：

$R_{\mathrm{ds}}=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}\left(\frac{W}{L}\right)(V_{\mathrm{power}}-V_I-V_{\mathrm{thSW}1})}$

$=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}\left(\frac{W}{L}\right)((\sqrt{\frac{2I_2}{{\mathrm{\μ}}_2{C}_{\mathrm{ox}}(W_2/L_2)}}+\sqrt{\frac{{2I}_2}{{\mathrm{\μ}}_2{C}_{\mathrm{ox}}(W_2/L_2)}}+V_{\mathrm{th}2}+V_{\mathrm{th}1}+V_I)-V_I-V_{\mathrm{th}1})}---\left(5\right)$

$=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}\left(\frac{W}{L}\right)(\sqrt{\frac{2I_2}{{\mathrm{\μ}}_2{C}_{\mathrm{ox}}(W_2/L_2)}}+\sqrt{\frac{2I_2}{{\mathrm{\μ}}_2{C}_{\mathrm{ox}}(W_2/L_2)}}+V_{\mathrm{th}2})}$

因此，当开关SW₁导通时，其导通阻值R_ds不会随着信号I₊而改变。

如图5A所显示，补偿单元520包括晶体管M₄以及电流源I₃。电流源I₃耦接于供应电压VDD以及晶体管M₄之间，而晶体管M₄耦接于电流源I₃以及运算放大器110的正输入端之间，其中晶体管M₄的栅极是耦接于其漏极以及电流源I₃。在图5A中，电流源I₁以及电流源I₃的电流量是相同的，以便抵消由电源调整单元510增加于运算放大器110的负输入端的电流(即电流源I₁所提供的电流)。

此外，晶体管M₁、M₃、M₄为NMOS晶体管，而晶体管M₂为PMOS晶体管，其中晶体管M₁以及晶体管M₄具有相同的尺寸。因此，运算放大器110的输出信号V_O不会受到电流源I₁以及电流源I₃的影响。此外，由算式(5)可知，差动转单端放大器500内的任一开关SW₁-SW_n被导通时，其导通阻抗为固定值，因此可改善整体电路的总谐波失真效能。

为让本发明的目的、特征和优点能明显易懂，在上述实施例中利用明确的晶体管及开关等电子元件作为说明，然而任何本领域技术人员当可知道本发明并不限定于此实施例。此外，本实施例中利用两电流源以及相同的晶体管M₁、M₄，其目的是为了要提供相同电流分别至差动转单端放大器500的两端，以维持电流的平衡；因此，在其他的实施态样中，亦可因实际的需求连结不同的电流源及晶体管，只需注意最终所提供至差动转单端放大器两端的电流是相等的即可。

参考图5B，图5B显示图5A中差动转单端放大器500的总谐波失真的分析结果。明显地，图5B中的各谐波的能量都很小，因此总谐波失真约为-97分贝。相较于图1B中的总谐波失真，根据本发明实施例所述的差动转单端放大器500的总谐波失真可改善33分贝。

图6显示根据本发明一实施例所述的音频数字对模拟转换器600。音频数字对模拟转换器600包括交换式电容滤波器310以及根据本发明一实施例所述的具有增益控制功能的差动转单端放大器620。相较于图3的传统音频数字对模拟转换器300，音频数字对模拟转换器600仅使用两级电路就可达到调整增益的功能，因此可节省面积及避免耗电。此外，增益控制单元120的电源电压V_power对应于运算放大器110的负输入端所接收到的信号，所以任一开关SW₁-SW_n被导通时的阻抗为固定值，而不会改变。因此，音频数字对模拟转换器600具有较佳的总谐波失真效能。

图7显示根据本发明一实施例所述的视频数字对模拟转换器700。视频数字对模拟转换器700包括根据本发明一实施例所述的具有增益控制功能的差动转单端放大器。相较于图4的传统视频数字对模拟转换器400，视频数字对模拟转换器700仅使用一级电路就可达到调整增益的功能，因此可节省面积以及避免耗电。此外，增益控制单元120的电源电压V_power对应于运算放大器110的负输入端所接收到的信号IN₁，所以任一开关SW₁-SW_n被导通时的阻抗为固定值，而不会随着差动信号而改变。因此，视频数字对模拟转换器700具有较佳的总谐波失真效能。

如先前所描述，根据本发明实施例所描述的具有增益控制功能的差动转单端放大器可应用在任何电子产品的模拟电路内，其可根据差动信号来调整增益控制单元120的电源电压V_power，使得被导通的开关的阻抗为固定值，以改善整体电路的总谐波失真效能。

本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当以权利要求所界定的为准。

Claims (9)

1.一种具有增益控制的差动转单端放大器，其特征在于，所述的差动转单端放大器包括：

一运算放大器，具有一正输入端、一负输入端以及一输出端，其中所述正输入端以及所述负输入端用以接收一对差动信号；

一第一电容，耦接于所述运算放大器的所述负输入端以及所述输出端之间；

一电阻串，耦接于所述运算放大器的所述输出端以及所述负输入端之间，具有以串联方式连接的多个第一电阻；

多个开关，各耦接于所述运算放大器的所述负输入端以及对应的所述第电阻之间；

一增益控制单元，用以根据一电源信号以及一增益信号提供一切换信号至所述多个开关之一，以导通接收到所述切换信号的开关；

一电源调整单元，耦接于所述运算放大器的负输入端，用以根据所述运算放大器的所述负输入端所接收的信号提供所述电源信号至所述增益控制单元；以及

一补偿单元，耦接于所述运算放大器的所述正输入端以及一供应电压之间，用以提供一第二电流至所述运算放大器的正输入端，以平衡所述差动转单端放大器的电流。

2.如权利要求1所述的差动转单端放大器，其特征在于，所述电源调整单元包括：

一第一电流源，耦接于所述供应电压，用以提供一第一电流至所述运算放大器的负输入端；

一第一晶体管，耦接于所述第一电流源以及所述运算放大器的负输入端之间，具有一第一端、一第二端及一第三端，其中所述第一晶体管的第一端与第二端相连结并耦接所述第一电流源，所述第一晶体管的第三端耦接于所述运算放大器的负输入端；

一第二电流源，耦接于所述供应电压；

一第二晶体管，具有一第一端、一第二端以及一第三端，其中所述第二晶体管的第一端耦接于所述第二电流源提供所述电源信号至所述增益控制单元，所述第二晶体管的第二端耦接于所述第一电流源与所述第一晶体管第一端；以及

一第三晶体管，耦接于所述第二晶体管以及一接地端之间，具有一第一端、一第二端以及一第三端，其中所述第三晶体管的第一端与第二端相连结并与所述第二晶体管第三端连结，所述第三晶体管的第三端耦接所述接地端。

3.如权利要求2所述的差动转单端放大器，其特征在于，所述补偿单元包括：

一第三电流源，耦接于所述供应电压，用以提供所述第二电流；以及

一第四晶体管，耦接于所述第三电流源以及所述运算放大器的正输入端之间，具有一第一端、一第二端以及一第三端，其中所述第四晶体管的第一端与第二端相连结并耦接于所述第三电流源，所述第三晶体管的第三端耦接所述运算放大器的正输入端。

4.如权利要求2所述的差动转单端放大器，其特征在于，所述第一电流以及所述第二电流具有相同的电流量。

5.如权利要求3所述的差动转单端放大器，其特征在于，所述第一晶体管、所述第三晶体管以及所述第四晶体管为N型金属氧化物半导体晶体管，其中所述第一晶体管以及所述第四晶体管具有相同的尺寸。

6.如权利要求3所述的差动转单端放大器，其特征在于，所述第二晶体管为P型金属氧化物半导体晶体管，以及所述第二晶体管的基底耦接于所述第二电流源。

7.如权利要求1所述的差动转单端放大器，其特征在于，每一所述开关为N型金属氧化物半导体晶体管。

8.如权利要求1所述的差动转单端放大器，其特征在于，所述电源信号对应于所述运算放大器的所述负输入端所接收的信号，使得由所述增益控制单元所导通的所述多个开关的导通阻抗为固定值。

9.如权利要求1所述的差动转单端放大器，其特征在于，所述的差动转单端放大器更包括：

一第二电容，耦接于所述运算放大器的所述正输入端以及一参考电压之间；以及

一第二电阻，并联于所述第二电容。

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