CN102474224B - 放大器级 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种根据输入信号来生成放大输出信号的放大器级、包括音频放大器的移动设备以及使用放大器级根据输入信号来生成放大输出信号的放大方法。

Description

放大器级
发明背景
本发明涉及放大器级、利用放大器级作为音频放大器的移动设备以及使用放大器级的放大方法。
发明内容
本发明的一个实施方式提供了一种用于根据放大器级的输入端子处的输入信号来生成放大器级的输出端子处的放大输出信号的放大器级。该放大器级包括第一有源器件、第二有源器件和控制电路。第一有源器件包括第一端子、第二端子以及控制第一有源器件的第一端子与第二端子之间的电流的控制输入端。第一有源器件的控制输入端耦接到放大器级的输入端子。第二有源器件包括第一端子、第二端子和控制第二有源器件的第一端子与第二端子之间的电流的控制输入端。第二有源器件的第一端子耦接到第一有源器件的第二端子，且第二有源器件的第二端子耦接到放大器级的输出端子。控制电路耦接在第二有源器件的控制输入端与放大器级的输入端子之间。控制电路被配置成迫使第一有源器件的第二端子处的电压跟随第一有源器件的控制输入端的输入电压。
放大器级尤其广泛地用作消费电子产品(例如移动设备，比如移动电话)的音频放大器。这种放大器级通常包括比如晶体管的有源器件以将来自麦克风的输入信号放大为放大输出信号。然而，有源器件、尤其是场效应晶体管受到所谓的米勒效应(一种不希望的非线性类型的反馈)的影响。米勒效应影响高频的性能且甚至影响更低频率的音频质量。典型地，米勒效应在结型场效应晶体管的栅极与漏极之间的电压变化时出现，因为非线性固有电容被信号电压所调制。较高的电压增益将加剧这种问题。
如上所述的根据本发明一个实施方式的放大器级通过迫使第一有源器件的第二端子的电压跟随第一有源器件的控制输入端的输入电压来消除米勒效应。因此，在第一有源器件的第二端子与第一有源器件的控制输入端之间的非线性电容上将不会出现电压摆动，因而消除了米勒效应。
根据本发明的一个实施方式，控制电路还被设置为防止从放大器级的输出信号到输入信号的任何耦合。这避免了在第二有源器件处出现米勒效应，因而使放大器级完全避免了米勒效应。
放大器级还可以包括耦接在放大器级的输出端子与电源电压之间的电阻器。再者，放大器级可以包括第一电容器和第二电容器。第一电容器可以将放大器级的输入端子耦接到第一有源器件的控制输入端，且第二电容器可以将放大器级的输入端子耦接到第二有源器件的控制输入端。再者，放大器级可以包括耦接在第一有源器件的控制输入端与偏置电压之间的偏置电阻器。放大器级的上述配置适于放大交流(AC)信号，例如来自麦克风的音频信号。
第一有源器件可以包括晶体管、双极晶体管、场效应晶体管(FET)或结型场效应晶体管(JFET)。优选地，第一有源器件包括结型场效应晶体管。
第二有源器件也可以包括晶体管、双极晶体管、场效应晶体管或结型场效应晶体管。优选地，第二有源器件包括双极晶体管。
根据放大器级的另一实施方式，控制电路包括由p沟道结型场效应晶体管和n沟道结型场效应晶体管组成的互补JFET源极跟随器电路。每个结型场效应晶体管都包括源极端子、栅极端子和漏极端子。p沟道晶体管的源极端子耦接到第二有源器件的控制输入端，且n沟道晶体管的源极端子也耦接到第二有源器件的控制输入端。p沟道晶体管的栅极端子耦接到放大器级的输入端子，且n沟道晶体管的栅极端子也耦接到放大器级的输入端子。再者，放大器级可以包括第一二极管和第二二极管。第一二极管可以耦接在n沟道晶体管的源极端子与第二有源器件的控制输入端之间。第二二极管可以耦接在p沟道晶体管的源极端子与第二有源器件的控制输入端之间。上述控制电路提供了良好的后向隔离特性，防止通过第二有源器件的非线性电容耦接到其输出端的任意高频电压到达其输入端。不管频率如何，施加在控制电路输出端的任意电压都不允许传播到其输入端。互补JFET源极跟随器将完成此项功能且提供良好扩展带宽。
控制电路还可以包括将n沟道晶体管的栅极端子和p沟道晶体管的栅极端子耦接到偏置电压的偏置电阻器。
根据另一实施方式，控制电路可以包括非互补缓冲器，尤其是在仅需要有限的带宽或小信号幅度的情况下。
本发明的另一实施方式提供了一种用于生成放大输出信号的放大器级。该放大器级基于放大器级的输入端子处的输入信号来提供放大器级的输出端子处的放大输出信号。放大器级包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管。第一晶体管是包括源极端子、漏极端子和栅极端子的场效应晶体管(FET)。第一晶体管的栅极端子经由放大器级的第一电容器耦接到放大器级的输入端子。第一晶体管的栅极端子还经由放大器级的第一偏置电阻器耦接到第一偏置电压。第二晶体管是包括发射极端子、集电极端子和基极端子的双极晶体管。第二晶体管的发射极端子耦接到第一晶体管的漏极端子，且第二晶体管的集电极端子耦接到放大器级的输出端子。第三晶体管是包括源极端子、漏极端子和栅极端子的p沟道场效应晶体管。第三晶体管的源极端子经由放大器级的第一二极管耦接到第二晶体管的基极端子。第三晶体管的漏极端子耦接到第一电源电压。第三晶体管的栅极端子经由放大器级的第二电容器耦接到放大器级的输入端子且经由放大器级的第二偏置电阻器耦接到第二偏置电压。第四晶体管是包括源极端子、漏极端子和栅极端子的n沟道场效应晶体管。第四晶体管的源极端子经由放大器级的第二二极管耦接到第二晶体管的基极端子。第四晶体管的漏极端子耦接到第二电源电压。第四晶体管的栅极端子经由放大器级的第二电容器耦接到放大器级的输入端子且经由第二偏置电阻器耦接到第二偏置电压。
在第二(双极)晶体管耦接到第一(FET)晶体管的漏极端子的这种放大器级中，第一晶体管的漏极端子的电压跟随第一晶体管的栅极端子处的输入电压。因此，在非线性栅-漏电容两端将不出现电压摆动，因而消除了米勒效应。如果输入信号也馈入到双极晶体管(第二晶体管)的基极，则双极晶体管(第二晶体管)的低欧姆发射极将容易控制场效应晶体管(第一晶体管)的高欧姆漏极。为了避免在双极晶体管处出现米勒效应，其基极经由由第三和第四晶体管以及第一和第二二极管组成的隔离及快速缓冲器连接到放大器级的输入端。这种缓冲器提供了良好的后向隔离特性，防止(通过双极晶体管的非线性集电极-基极电容)耦接到其输出端的任意高频电压到达其输入端。
本发明的另一实施方式提供了一种移动设备。该移动设备包括麦克风和耦接到麦克风的音频放大器。音频放大器包括用于根据来自放大器级的输入端子处的麦克风的输入信号来生成放大器级的输出端子处的放大输出信号的放大器级。该放大器级包括第一有源器件、第二有源器件和控制电路。第一有源器件包括控制第一有源器件的第一端子与第一有源器件的第二端子之间的电流的控制输入端。第一有源器件的控制输入端耦接到放大器级的输入端子。第二有源器件包括控制第二有源器件的第一端子与第二有源器件的第二端子之间的电流的控制输入端。第二有源器件的第一端子耦接到第一有源器件的第二端子，且第二有源器件的第二端子耦接到放大器级的输出端子。控制电路耦接在第二有源器件的控制输入端与放大器级的输入端子之间。控制电路被配置成迫使第一有源器件的第二端子处的电压跟随第一有源器件的控制输入端处的输入电压。移动设备可以包括移动电话、个人数字助理、移动导航系统或移动计算机。
本发明的另一实施方式提供了一种使用放大器级根据输入信号来生成放大输出信号的放大方法。该放大器级包括具有输出端子的有源器件和控制有源器件的输出端子处的电流的控制输入端。根据该方法，有源器件的输出端子处的电压被迫使跟随有源器件的控制输入端处的输入电压。再者，根据该方法，防止了放大器级的输出信号到放大器级的输入电压的任意耦合。
尽管结合特定实施方式在上面的概述和下面的详细描述中描述了特定特征，应当理解，除非特别声明，描述的实施方式的特征能够彼此组合。
附图说明
此后，将参照附图来描述本发明的示例性实施方式。
图1示出反向电压放大器级的电路图。
图2示出级联放大器的电路图。
图3示出根据本发明一个实施方式的放大器级的电路图。
图4示出图3的放大器级的更详细的电路图。
图5示出根据本发明一个实施方式的移动设备的框图。
具体实施方式
在下文中，将详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，给出下面的描述仅用于说明本发明的原理的目的，且并不表示限制意义。而是，本发明的范围仅由所附权利要求限定且并不旨在被此后的示例性实施方式限制。
应当理解，在下面的实施方式的详细描述中，此处在附图或描述中示出的功能块、器件、组件或其他物理或功能单元之间的任意方向连接或耦接也可以通过间接连接或耦接实现。附图的各个实例中的相同参考符号表示相似或相同的组件。
还应当理解，除非特别声明，此处描述的各个示例性实施方式的特征能够彼此组合。
图1示出包括结型场效应晶体管(JFET)101、输出电阻器102、偏置电阻器103和电容器104的共源极JFET放大器级。JFET 101的栅极端子G经由偏置电阻器103连接到偏置电压且还经由电容器104连接到放大器级100的输入端105。JFET 101的源极端子S连接到地。JFET 101的漏极端子D经由输出电阻器102连接到电源电压。需要放大的输入信号(例如交流信号)经由输入端子105和电容器104施加到JFET 101的栅极端子。取决于输入信号，生成作为放大器级100的输出端子106、107处的输出电阻器102两端的输出电压的输出信号。
图1的放大器级100例如可以用在移动设备中，用于放大从麦克风接收的音频信号。然而，图1的放大器级100遭受了所谓的米勒效应。米勒效应是几乎影响所有有源离散器件的不希望的非线性类型的反馈，这些有源离散器件例如是结型场效应晶体管(JFET)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、双极晶体管等。米勒效应影响高频的性能且甚至影响更低频率的音频质量。典型地，米勒效应例如在JFET的栅极端子与漏极端子之间的电压变化时出现，因为非线性固有电容被信号电压所调制。较高的电压增益将加剧这种问题。
为了减小米勒效应且因而使得放大器级更加线性，可以使用级联放大器。图2示出示例性级联放大器级200的电路图。双极晶体管201耦接在JFET 101的漏极端子与输出电阻器102之间。晶体管201的集电极端子C耦接到输出电阻器102，且晶体管201的发射极端子E耦接到JFET 101的漏极端子。双极晶体管201的基极端子B连接到恒定电压202。在该放大器级200中，双极晶体管201被布置为JFET 101的漏极端子的负载。因为在工作频率下，双极晶体管201的基极端子有效地保持在电压202，双极晶体管201的发射极E处的电压在工作期间几乎保持在恒定电压。换句话说，双极晶体管201对于JFET 101表现为低输入电阻，使得JFET 101的电压增益很小，这减小了从JFET 101的漏极端子到栅极端子的米勒反馈电容。这种电压增益的损失由双极晶体管201来恢复。因而，双极晶体管201允许JFET 101以最小的负反馈来工作，从而改善了其带宽。然而，这会减小米勒效应，但是并不会消除它。
图3示出根据本发明一个实施方式的放大器级300的实施方式。放大器级300基于图1中示出的放大器级100，其中双极晶体管201耦接在JFET 101的漏极端子与输出电阻器102之间。从图3可以看出，双极晶体管201的发射极端子连接到JFET101的漏极端子，且双极晶体管201的集电极端子连接到输出电阻器102。放大器级300还包括用作经由放大器级300的电容器302连接双极晶体管201的基极端子与放大器级300的输入端子105的隔离缓冲器。控制电路310迫使JFET 101的漏极端子的电压跟随JFET 101的栅极端子处的输入电压，且同时防止输出端子106、107处的放大器级300的输出信号到输入端子105处的放大器级的输入信号的任意耦合。因此，在JFET 101的栅极端子与漏极端子之间的非线性电容两端没有电压摆动，因而消除了JFET 101处的米勒效应。
因为输入信号也经由电容器302和控制电路301从输入端子105馈入到双极晶体管201的基极端子，所以双极晶体管201的低欧姆发射极将容易控制JFET 101的高欧姆漏极。然而，为了避免在双极晶体管201处出现米勒效应，其基极端子需要通过控制电路30执行的隔离和快速缓冲而馈入。缓冲必须具有良好的后向隔离特性，这意味着不管频率如何，施加到控制电路301的输出端的任意电压都不允许传播到控制电路301的输入端。施加到控制电路301的输出端的电压可以通过双极晶体管201的非线性集电极-基极电容而引入。
图4示出图3的放大器级300的更详细的电路图。从图4可以看出，控制电路301包括n沟道结型场效应晶体管(JFET)401、p沟道结型场效应晶体管(JFET)402、第一二极管403、第二二极管404和偏置电阻器405。JFET 401的漏极端子连接到电源电压406。取决于所需的输出电压和应用特定需求，电源电压406可以不同于电源电压108。JFET 401的源极端子经由二极管403连接到晶体管201的基极端子。JFET 402的漏极端子连接到地。JFET 402的源极端子经由第二二极管404连接到双极晶体管201的基极端子。JFET 401和402的栅极端子共同连接到偏置电阻器405且经由电容器302连接到放大器级300的输入端子105。偏置电阻器405的另一端连接到偏置电压。取决于应用需求，偏置电阻器405的偏置电压可以不同于偏置电阻器103的偏置电压。
上述控制电路301实现了用作隔离缓冲器的互补JFET源极跟随器。二极管403和404提供了控制电路301的JFET 401、402的源极偏置。因此，来自输出端子106、107处的放大器输出信号的电压都不被允许传播或耦合到放大器级300的输入端子105。再者，当输入端子105处的输入电压变化时，JFET 101的栅极端子与漏极端子之间的电压保持恒定。因此，完全消除了米勒效应。
图5示出包括麦克风502和音频放大器501的移动设备500。音频放大器501包括用于放大麦克风502所接收的音频信号的放大器级300。麦克风502连接到放大器级300的输入端子105且在放大器级300的输出端子106、107提供来自麦克风502的放大音频信号以在音频放大器501或移动设备500中进一步处理。移动设备500可以是移动电话、个人数字助理、移动导航系统或移动计算机。
尽管上面已经描述了示例性实施方式，但是可以在其他实施方式中实现各种修改。例如，放大器级300不仅可以如图5所示用作用于放大来自麦克风的音频信号的放大器级，还可以用作用于放大任意种类的音频信号、视频信号或任意其他种类的信号的放大器级。再者，尽管在上述实施方式中使用了特定类型的晶体管，但是使用任意种类的离散有源器件来消除米勒效应的方法也是有效的。另外，能够使用任意其他种类的合适的控制电路。例如，在某些环境下，例如限制带宽或较小信号幅度的情况下，控制电路可以包括非互补缓冲器。
最后，应当理解，上述所有实施方式都应被认为被所附权利要求限定的本发明所包括。

Claims (12)

1.一种放大器级，该放大器级用于根据该放大器级的输入端子处的输入信号在该放大器级的输出端子处生成放大输出信号，该放大器级包括：
第一有源器件，其具有第一端子、第二端子和对该第一有源器件的第一端子与第二端子之间的电流进行控制的控制输入端，第一有源器件的控制输入端耦接到该放大器级的输入端子；
第二有源器件，其具有第一端子、第二端子和对该第二有源器件的第一端子与第二端子之间的电流进行控制的控制输入端，第二有源器件的第一端子耦接到第一有源器件的第二端子，并且第二有源器件的第二端子耦接到该放大器级的输出端子；以及
控制电路，其耦接在第二有源器件的控制输入端与该放大器级的输入端子之间，该控制电路被设置为迫使第一有源器件的第二端子处的电压随着第一有源器件的控制输入端处的输入电压的变化而变化，
其中，所述控制电路包括由p沟道结型场效应晶体管和n沟道结型场效应晶体管组成的互补JFET源极跟随器，其中，所述p沟道晶体管的源极端子耦接到第二有源器件的控制输入端，所述n沟道晶体管的源极端子耦接到第二有源器件的控制输入端，所述p沟道晶体管的栅极端子耦接到该放大器级的输入端子，并且所述n沟道晶体管的栅极端子耦接到该放大器级的输入端子。
2.根据权利要求1所述的放大器级，其中，所述控制电路还被设置为防止从所述放大器级的输出信号到输入信号的任意耦合。
3.根据权利要求1所述的放大器级，该放大器级还包括耦接在该放大器级的输出端子与电源电压之间的电阻器。
4.根据权利要求1所述的放大器级，该放大器级还包括第一电容器和第二电容器，其中，第一电容器将该放大器级的输入端子耦接到第一有源器件的控制输入端，第二电容器将该放大器级的输入端子耦接到第二有源器件的控制输入端。
5.根据权利要求4所述的放大器级，该放大器级还包括耦接在第一有源器件的控制输入端与偏置电压之间的偏置电阻器。
6.根据权利要求1所述的放大器级，其中，第一有源器件包括选自于包括以下成员的组的器件：晶体管、双极晶体管、场效应晶体管和结型场效应晶体管。
7.根据权利要求1所述的放大器级，其中，第二有源器件包括选自于包括以下成员的组的器件：晶体管、双极晶体管、场效应晶体管和结型场效应晶体管。
8.根据权利要求1所述的放大器级，其中，所述控制电路还包括第一二极管和第二二极管，第一二极管将所述n沟道晶体管的源极端子耦接到第二有源器件的控制输入端，并且第二二极管将所述p沟道晶体管的源极端子耦接到第二有源器件的控制输入端。
9.根据权利要求1所述的放大器级，其中，所述控制电路还包括偏置电阻器，该偏置电阻器将所述n沟道晶体管的栅极端子和所述p沟道晶体管的栅极端子耦接到偏置电压。
10.一种移动设备，该移动设备包括麦克风和耦接到该麦克风的音频放大器，该音频放大器包括放大器级，该放大器级用于根据来自该放大器级的输入端子处的该麦克风的输入信号在该放大器级的输出端子处生成放大输出信号，该放大器级包括：
第一有源器件，其具有第一端子、第二端子和对该第一有源器件的第一端子与第二端子之间的电流进行控制的控制输入端，第一有源器件的控制输入端耦接到该放大器级的输入端子；
第二有源器件，其具有第一端子、第二端子和对该第二有源器件的第一端子与第二端子之间的电流进行控制的控制输入端，第二有源器件的第一端子耦接到第一有源器件的第二端子，并且第二有源器件的第二端子耦接到该放大器级的输出端子；以及
控制电路，其耦接在第二有源器件的控制输入端与该放大器级的输入端子之间，该控制电路被设置为迫使第一有源器件的第二端子处的电压随着第一有源器件的控制输入端处的输入电压的变化而变化，
其中，所述控制电路包括由p沟道结型场效应晶体管和n沟道结型场效应晶体管组成的互补JFET源极跟随器，其中，所述p沟道晶体管的源极端子耦接到第二有源器件的控制输入端，所述n沟道晶体管的源极端子耦接到第二有源器件的控制输入端，所述p沟道晶体管的栅极端子耦接到该放大器级的输入端子，并且所述n沟道晶体管的栅极端子耦接到该放大器级的输入端子。
11.根据权利要求10所述的移动设备，其中，该移动设备包括选自于包括以下成员的组的设备：移动电话、个人数字助理、移动导航系统和移动计算机。
12.一种使用如权利要求1-9中任一权利要求所述的放大器级根据输入信号来生成放大输出信号的放大方法，该方法包括以下步骤：
迫使所述第一有源器件的第二端子处的电压随着所述第一有源器件的控制输入端处的输入电压的变化而变化；以及
防止从该放大器级的输出信号到该放大器级的输入电压的任意耦合。
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