CN103023442B - 限幅放大器及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了限幅放大器及其方法，其中限幅放大器包含多个放大级以及一跨导放大器。该多个放大级包含一第一放大级和一最后放大级，并且设置在一串迭配置中。其中，第一放大级设置来接收一输入信号、最后放大级设置来输出一输出信号、跨导放大器设置来经由一第一电阻接收来自最后放大级的电压信号，以及跨导放大器更设置来以一负反馈方式经由一第二电阻输出电流信号至第一放大级的输出节点。

Description

限幅放大器及其方法
技术领域
本发明关于一种限幅放大器及其方法。
背景技术
众所皆知，限幅放大器广泛地运用在光通信上。限幅放大器接收呈现二进位数据流的输入信号、以高增益放大输入信号至饱和状态，并输出呈现二进位数据流的实质二阶输出信号。限幅放大器较佳地具有高增益的功能，致使其能放大输入信号至饱和状态。同时，限幅放大器应具有足够速度以跟上快速变化的输入信号。此外，如同许多高增益放大器，在限幅放大器的输入上的偏移（offset）需要适当地处理；否则此偏移会被放大至一定程度，亦即此偏移会不顾输入信号地使限幅放大器的后级达到饱和。
图1为常见的限幅放大器100的示意图。请参照图1，限幅放大器100包含七个放大级110-170。放大级110-170各自接收来自供电节点VDD的电源，并连接至接地节点VSS接地。放大级110-170用以接收包含两端Vi+、Vi-的差动输入信号（下称Vi+/Vi-），并输出包含两端Vo+、Vo-的差动输出信号（下称Vo+/Vo-）。限幅放大器100更包含一低通滤波器（low pass filter；LPF）190及反馈放大器180。此低通滤波器190用以接收差动输出信号Vo+/Vo-并输出包含两端V’f+、V’f-的差动滤波信号（下称V’f+/V’f-）。反馈放大器180用以接收差动滤波信号V’f+/V’f-并输出一差动信号至与第一放大级110共用的二共用节点111、112。放大级110-170提供一高增益至差动输入信号Vi+/Vi-。然而，第一放大级110的输入可能存在有偏移，而此偏移也会以高增益放大。低通滤波器190包含一对电阻-电容（R-C）网路（191-192和193-194），藉以撷取差动输出信号Vo+/Vo-的低频成分，而此低频成分源自于偏移。
因此，差动滤波信号V’f+/V’f-基本上是差动输出信号Vo+/Vo-的不必要成分。反馈放大器180接收并放大差动滤波信号V’f+/V’f-，然后将放大后的输出以极性反转的方式传输至共用节点111、112。因此形成包含放大级120-170、LPF190和反馈放大器180的负反馈回路。通过低通滤波器190，此负反馈仅对差动输出信号Vo+/Vo-的低频成分有效，而此低频成分源自于在限幅放大器100的输入的偏移。由于负反馈回路的高增益性质有效抑制不必要的偏移。然而，反馈放大器180会增加共用节点111、112的负载、抑制第一放大级110的放大功能，并减慢限幅放大器100的整体速度。
因此，利用不会减慢限幅放大器整体速度之的反馈机制的一限幅放大器是令人期望的。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种限幅放大器，不会减慢限幅放大器整体速度的反馈机制。
在第一实施例中，一种限幅放大器包含多个放大级以及一跨导放大器。该多个放大级包含设置在一串迭配置中的第一放大级和最后放大级。其中，第一放大级设置来接收一输入信号、最后放大级设置来输出一输出信号、跨导放大器设置来经由第一电阻接收来自最后放大级的电压信号，并且跨导放大器更设置来以一负反馈方式经由一第二电阻输出电流信号至第一放大级的输出节点。第一电阻的阻值实质上大于最后放大级的输出阻抗。第二电阻的电阻值实质上大于第一放大级的输出阻抗。第一放大级设置以接收来自第一供电节点的电源。跨导放大器设置以接收来自第二供电节点的电源。在一实施例中，第二供电节点的电压电位高于第一供电节点的电压电位。
在第二实施例中，限幅放大方法包含：接收一输入信号；使用串迭的多个放大级放大输入信号以产生一输出信号；以非侵入方式感测输出信号而产生一电压信号，因此感测步骤不会对输出信号造成实质改变；使用一跨导放大器由电压信号产生一电流信号；及以非侵入方式将电流信号注入至第一放大级的输出节点，因此注入步骤不会对第一放大级的放大功能造成实质改变。其中，该多个放大级包含第一放大级及最后放大级。在一实施例中，感测步骤包括经由一电阻耦接输出信号，并且此电阻的阻值实质上大于最后放大级的输出阻抗。在一实施例中，注入步骤包含经由一电阻耦接第一放大级的输出节点，并且此电阻的阻值实质上大于第一放大级的输出阻抗。
本发明的提供一种限幅放大器，解决了传统限幅放大器的整体速度不快的问题，依据本发明的限幅放大器，具有较高的整体速度。
附图说明
图1为现有限幅放大器的示意图；
图2为本发明一实施例的限幅放大器的示意图；
图3为一实施例的放大级的示意图；
图4为一实施例的跨导放大器的示意图。
其中，附图标记说明如下：
100  限幅放大器；
110-170  放大级；
111  共用节点；
180  反馈放大器；
190  低通滤波器；
191-194  电阻-电容网路；
200  限幅放大器；
210-270  放大级；
211-212  电路节点；
280  跨导放大器；
291-292  第一电阻对；
293-294  第二电阻对；
300  放大器；
310  晶体管；
311-312  MOS晶体管；
321-322  电阻对；
400  跨导放大器；
401-402  电路；
411-412  晶体管；
421-422  运算放大器；
431-432  晶体管；
441-442  晶体管；
451-452  晶体管；
461-462  电容；
Vi+  差动输入信号的一端；
Vi-  差动输入信号的一端；
VDD  供电节点；
VSS  接地节点；
Vo+  差动输出信号的一端；
Vo-  差动输出信号的一端；
V’f+  差动滤波信号的一端；
V’f-  差动滤波信号的一端；
VDD1  第一供电节点；
VDD2  第二供电节点；
Io+  差动电流信号的分电流；
Io-  差动电流信号的分电流；
Vf+  差动中间电压信号的一端；
Vf-  差动中间电压信号的一端；
Ib  偏压电流；
VB  偏压；
VB’  偏压；
Ii+  中间电流；
Ii--  中间电流；
Vr+  中间电压；
Vr-  中间电压；
I’b  定电流。
具体实施方式
以下的详细描述参照所附图式，通过图式说明，揭示本发明各种可实行的实施例。所记载的实施例明确且充分揭示，使所属技术领域中技术人员能据以实施。不同的实施例间并非相互排斥，某些实施例可与一个或一个以上的实施例进行合并而成为新的实施例。因此，下列详细描述并非用以限定本发明。
限幅放大器200如图2所示。限幅放大器200包含多个放大级，于此以七个放大级210-270为例，非为本发明的限制。于此，放大级210-270是彼此串迭。放大级210-270各自接收来自第一供电节点VDD1的电源，并且连接至接地节点VSS接地。放大级210-270用以接收包含两端Vi＋、Vi-的差动输入信号，并且放大此差动输入信号以输出包含两端Vo+、Vo-的差动输出信号（下称Vo+/Vo-）。限幅放大器200更包含一跨导放大器280、一第一电阻对291-292及一第二电阻对293-294。跨导放大器280的输入经由第一电阻对291-292耦接差动输出信号Vo+/Vo-，因而能通过感测差动输出信号Vo+/Vo-来产生包含两端Vf+、Vf-的差动中间电压信号（下称Vf+/Vf-）。跨导放大器280将差动中间电压信号Vf+/Vf-放大成包含两分电流Io+、Io-的差动电流信号（下称Io+/Io-）。差动电流信号Io+/Io-经由第二电阻对293-294注入电路节点211、212。电路节点211、212第一放大级210的输出节点。跨导放大器280接收来自第二供电节点VDD2的电源，并连接至接地节点VSS接地。
在一实施例中，第二供电节点VDD2具有较第一供电节点VDD1高的电位。跨导放大器280的频宽实质上窄于差动输入信号Vi+/Vi-的频宽。七个放大级210-270提供一高增益至差动输入信号Vi+/Vi-。然而，在限幅放大器200的输入可能存在有一偏移，并且此偏移也会以高增益放大，而造成差动输入信号Vi+/Vi-具有不必要的成分。
跨导放大器280经由第一电阻对291-292间接地接收差动输出信号Vo+/Vo-。第一电阻对291-292的目的提供最后放大级270的输出与跨导放大器280的输入之间的隔离，致使跨导放大器280不会对最后的放大级270造成过大的负载，以免减慢最后放大器270的速度。换言之，跨导放大器280在进行差动输出信号Vo+/Vo-的感测时并不会对差动输出信号Vo+/Vo-造成实质改变。于此，第一电阻对291-292的阻值必须实质上大于最后放大级270的输出阻抗以达成隔离的效果。由于跨导放大器280的频宽实质上窄于差动输入信号Vi+/Vi-的频宽，因此跨导放大器280能有效地撷取差动输出信号Vo+/Vo-的低频成分。此低频成分是不必要的，且其起源于限幅放大器200的输入的偏移。跨导放大器280将低频成分转换成差动电流信号Io+/Io-，并且此差动电流信号Io+/Io-经由第二电阻对293-294注入电路节点211、212，因而对不必要的低频成分造成负反馈。因此，通过负反馈回路有效地抑制此不必要的低频成分。换言之，在将差动电流信号Io+/Io-注入至第一放大级210的输出节点（即，电路节点211、212）时并不会对第一放大级210的放大功能造成实质改变。此负反馈回路包含放大级220-270、第一电阻对291-292、跨导放大器280及第二电阻对293-294。第二电阻对293-294的目的是提供跨导放大器280的输出与电路节点211、212之间隔离，以避免因跨导放大器280而减慢第一放大级210的速度。为提供充分的隔离，第二电阻对293-294的阻值需较大；这可能导致跨越第二电阻对293-294的一大压降。第二供电节点VDD2具有较第一供电节点VDD1高的电位，以致尽管因第二电阻对293-294的高阻值造成跨越第二电阻对293-294的大压降，仍能确保差动电流信号Io+/Io-有足够的余裕（headroom）。
适用于体现图2的七个放大级210-270中的任一者的放大器300如图3所示。放大器300接收一差动输入（包含正端+和负端－）并输出一差动输出（包含正端+和负端－）。放大器300包含一差动对及一电阻对321-322。一实施例，差动对具有两个MOS晶体管311、312。晶体管311、312是由来自电流源的偏压电流Ib偏压，其中此电流源通过晶体管310于栅极接收偏压VB而实现。在一些实施例中，MOS晶体管311、312例如是NMOS晶体管，而晶体管310例如是NMOS晶体管。电阻对321-322作为差动对的负载并且作为接收来自第一供电节点VDD1的电源的路径。放大器300属在现有技术中所现有的典型放大器，因而在此不再详细描述。
适用于体现图2的跨导放大器280的一实施例为图4所示的一跨导放大器400。跨导放大器400包含类似的二电路401、402。电路401接收差动中间电压信号的一端Vf+、并产生一中间电压Vr+及输出分电流Io+。电路402接收差动中间电压信号的另一端Vf-、产生中间电压Vr-及输出分电流Io-。电路401包含具有运算放大器421的电压随耦器及具有晶体管431的源极随耦器，并且电压随耦器和源极随耦器是配置成一负反馈架构。运算放大器421具有足够大的增益，因而由于迫使运算放大器421负端－的电压追踪运算放大器421正端+的电压的负反馈，中间电压Vr+将有效地随耦差动中间电压信号的一端Vf+。电容461用以提供电压随耦器的频率补偿，以确保反馈回路的稳定性。电容461亦执行低通滤波的功能，以限制电压随耦器的频宽。换言之，跨导放大器400的频宽由电容461的电容值所决。半电路401更包含一电流源411及一电流镜。电路401中的电流源411通过以偏压VB’来偏压的晶体管（例如是NMOS晶体管）而实现，并用以提供实质上固定的电流I’b至具有中间电压Vr+的电路节点。电路401中的电流镜具有配置在二极管连接式架构（diode-connected configuration）中的晶体管441和配置在共源极架构（common source configuration）中的晶体管451，并且用以接收来自晶体管431的漏极的中间电流Ii+，然后将中间电流Ii+映射成分电流Io+。电路402与电路401可以使用相似电路，因此于此不再详加介绍。电路401经由衰减电阻470耦接至半电路402，而此衰减电阻470设置于具有中间电压Vr+、Vr-的两电路节点之间。对于低频信号，中间电压Vr+有效地随耦差动中间电压信号的一端Vf+，且中间电压Vr-有效地随耦差动中间电压信号的另一端Vf-，因而产生经由衰减电阻470流动在中间电压Vr+、Vr-之间的电流Ir，于此：
Ir=(Vr+－Vr-)/R≈(Vf+－Vf-)/R。
其中，R代表衰减电阻470的阻值。
若晶体管451的宽长比（W/L比，width to length ratio）较晶体管441高n倍，则晶体管441及晶体管451所形成的电流镜提供为n的电流增益。而分电流Io+可近似于下列方程式：
Io+=n·Ii+≈n·[I’b+(Vf+－Vf-)/R]。
同理可得，分电流Io-可近似于下列方程式：
Io-=n·Ii-≈n·[I’b－(Vf+－Vf-)/R]。
差动输出电流为：
Io+－Io-≈2n·(Vf+－Vf-)/R。
跨导放大器400所提供的跨导值gm为：
gm≡(Io+-Io-)/(Vf+-Vf-)=2n/R。
由于跨导值由跨导放大器400所提供，因此可通过改变衰减电阻470的阻值来进行调整跨导值，或者是通过改变晶体管441（晶体管442随之相应，其较佳地相同于晶体管441）的宽长比或晶体管451（晶体管452随之相应，其较佳地相同于晶体管451）的宽长比来进行调整跨导值。跨导放大器400的频宽可通过改变电容461的值（电容462亦然，其较佳地相同于电容461）来进行调整。在一些实施例中，晶体管411、431例如是NMOS晶体管，而晶体管441、442、451、452例如是PMOS晶体管。
运算放大器的实施例为所属技术领域中技术人员所熟知，在此不再详述。
请参照回图2。于图2的限幅放大器200的实施例中，七个放大级210-270皆接收来自第一供电节点VDD1的电源。然而，此为范例说明，并非用以限定本发明。电路设计者可自行斟酌，而使用不同数量的放大级，亦可使用不同的供应电压。之所以跨导放大器280接收来自电位高于第一供电节点VDD1的第二供电节点VDD2的电源，其原因让差动电流信号Io+/Io-具有较大的余裕（headroom）。为达成此目的，跨导放大器280需具有高于第一放大级210的供应电压，但此供应电压不必高于其余放大级220-270。此外，若跨导放大器280与第一放大级210使用相同的供电电源而差动电流信号Io+/Io-所需的余裕（headroom）是足够的，则仍然可选择提供相同的供电电压给跨导放大器280与第一放大级210。换言之，可依据整体电路需求，让放大级10-270以及跨导放大器280使用相同或是不同的供电电压。
由上述可得根据本发明实施例的限幅放大方法包含：接收一输入信号、使用串迭且包含一第一放大级及一最后放大级的多个放大级来放大输入信号以产生一输出信号、感测输出信号来产生一电压信号、使用一跨导放大器由电压信号产生一电流信号、以及将电流信号注入至第一放大级的输出节点。其中，感测步骤不会对输出信号造成实质改变，且注入步骤不会对第一放大级的放大功能造成实质改变。
虽然本发明的技术内容已经以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所作些许的更动与润饰，皆应涵盖于本发明的范畴内，因此本发明的保护范围当视所附的申请专利权利要求所界定者为准。

Claims (16)

1.一种限幅放大器，包含：
一第一放大级与一最后放大级，设置在一串迭配置中；
一跨导放大器；及
一第一电阻以及一第二电阻；
其中，该第一放大级设置来接收一输入信号；
其中，该最后放大级设置来输出一输出信号；
其中，该跨导放大器设置来经由该第一电阻接收来自该最后放大级的一电压信号；及
其中，该跨导放大器更设置来经由该第二电阻输出一电流信号至该第一放大级的输出节点；
其中该第一放大级还设置来接收来自一第一供电节点的电源，且该跨导放大器设置来接收来自一第二供电节点的电源，该第二供电节点的电位高于该第一供电节点的电位。
2.如权利要求1所述的限幅放大器，其中该第一电阻的阻值实质上大于该最后放大级的输出阻抗。
3.如权利要求1所述的限幅放大器，其中该第二电阻的阻值实质上大于该第一放大级的输出阻抗。
4.如权利要求1所述的限幅放大器，其中该跨导放大器的频宽实质上窄于该输入信号的频宽。
5.如权利要求4所述的限幅放大器，其中该跨导放大器包含一电容，且该跨导放大器的该频宽由该电容的电容值所决定。
6.如权利要求1所述的限幅放大器，其中该跨导放大器包含：
一电压随耦器，以使一中间电压随耦该电压信号；
一衰减电阻，以提供该中间电压；及
一电流镜，以根据相应该中间电压的一中间电流行成一分电流。
7.如权利要求6所述的限幅放大器，其中该跨导放大器的跨导值实质上反比于该衰减电阻的阻值。
8.如权利要求1所述的限幅放大器，其中该跨导放大器更设置来以一反馈方式经由该第二电阻输出该电流信号至该第一放大级的输出节点。
9.一种限幅放大方法，包含：
接收一输入信号；
使用串迭的多个放大级来放大该输入信号以产生一输出信号，其中该多个放大级包含一第一放大级及一最后放大级；
感测该输出信号来产生一电压信号，其中该感测步骤不会对该输出信号造成实质改变；
使用一跨导放大器由该电压信号产生一电流信号；及
将该电流信号注入至该第一放大级的输出节点，其中，该注入步骤不会对该第一放大级的放大功能造成实质改变；
使用一第一供应电压于该第一放大级及使用一第二供应电压于该跨导放大器，其中该第二供应电压高于该第一供应电压。
10.如权利要求9所述的限幅放大方法，其中该感测步骤包含：
经由一电阻耦接该输出信号，其中该电阻的阻值实质上大于该最后放大级的输出阻抗。
11.如权利要求9所述的限幅放大方法，其中该注入步骤包含：
经由一电阻耦接该第一放大级的该输出节点，其中该电阻的阻值实质上大于该第一放大级的输出阻抗。
12.如权利要求9所述的限幅放大方法，其中该跨导放大器的频宽实质上窄于该输入信号的频宽。
13.如权利要求9所述的限幅放大方法，其中该跨导放大器包含一电容，且该跨导放大器的频宽由该电容的电容值所决定。
14.如权利要求9所述的限幅放大方法，其中该跨导放大器包含：
一电压随耦器，以使一中间电压随耦该电压信号；
一衰减电阻，以提供该中间电压；及
一电流镜，以根据相应该中间电压的一中间电流行成一分电流。
15.如权利要求14所述的限幅放大方法，其中该跨导放大器的跨导值实质上反比于该衰减电阻的阻值。
16.如权利要求14所述的限幅放大方法，其中该跨导放大器的跨导值实质上正比于该电流镜的增益。
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