CN104579193A - 放大器电路及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种放大器电路及其操作方法。放大器电路具有两级放大器。当放大器电路运作在高增益模式时，放大器电路的两级放大器为正常运作，以提供高增益。当放大器电路运作在低增益模式时，放大器电路的第二级放大器会被关闭，并且放大器电路的第一级放大器会通过信号隔离元件耦接至放大器电路的输出端以形成单级放大。藉此，放大器电路可依据增益需求改变其整体增益值。

Description

放大器电路及其操作方法

技术领域

本发明是有关于一种放大器电路及其操作方法，且特别是有关于一种可改变增益值的放大器电路及其操作方法。

背景技术

在通信系统中，放大器电路用来转换信号的电压电平及阻隔输入端与输出端的信号。放大器电路通常由至少一级放大器所组成，并且放大器电路的第一级放大器往往是一个低噪声放大器。当第一级放大器的增益越大时，对整个系统的噪声而言，后级放大器所贡献的噪声成分也就越小。对于高频放大器而言，通常会利用叠接方式以增加输入端与输出端的隔离度（Isolation）。当单级放大器无法达到较高增益时，会利用多级串接方式达到较高的增益，但是对于较强的输入信号，会因为多级串接的影响，使得放大器电路整体的线性度会比单级放大时来的差，进而影响后级电路的运作。

发明内容

本发明提供一种放大器电路及其操作方法，可改变放大器电路的整体增益值。

本发明的放大器电路包括一第一晶体管、一第二晶体管、一第三晶体管、一第四晶体管、一第一负载、一第二负载、一第三负载、一第四负载、一第一信号隔离元件、一第二信号隔离元件、一第三信号隔离元件、一第四信号隔离元件、一第一电流源、一第二电流源、一第一开关及一第二开关。第一晶体管具有一第一端、一第二端及一第一控制端，第一控制端接收一输入信号。第一负载耦接在一第一电压与一第一节点之间。第一信号隔离元件耦接在第一节点及第一端之间。第一电流源耦接在第二端与一第二电压之间。第二晶体管具有一第三端、一第四端及一第二控制端，第二控制端接收输入信号，第四端耦接第二端。第二负载耦接在第一电压与一第二节点之间。第二信号隔离元件耦接在第二节点及第三端之间。第三晶体管具有一第五端、一第六端及一第三控制端，第三控制端耦接第一节点，第五端耦接一第三节点。第三负载耦接在第一电压与第三节点之间。第三信号隔离元件耦接在第三节点及第一端之间。第二电流源耦接在第六端与第二电压之间。第四晶体管具有一第七端、一第八端及一第四控制端，第四控制端耦接第二节点，第七端耦接一第四节点，第八端耦接第六端。第四负载耦接在第一电压与一第四节点之间。第四信号隔离元件耦接在第四节点及第三端之间。第一开关耦接在第三控制端与第二电压之间。第二开关耦接在第四控制端与第二电压之间。

在本发明的一实施例中，第一信号隔离元件、第二信号隔离元件、第三信号隔离元件及第四信号隔离元件分别包括一晶体管。

在本发明的一实施例中，第一信号隔离元件的晶体管的通道层的长与宽相同于第三信号隔离元件的晶体管的通道层的长与宽，第二信号隔离元件的晶体管的通道层的长与宽相同于第四信号隔离元件的晶体管的通道层的长与宽。

在本发明的一实施例中，当第一信号隔离元件及第二信号隔离元件的这些电晶体导通时，第三信号隔离元件及第四信号隔离元件的这些电晶体为不导通，当第三信号隔离元件及第四信号隔离元件的这些电晶体导通时，第一信号隔离元件及第二信号隔离元件的这些电晶体为不导通。

在本发明的一实施例中，当第三信号隔离元件及第四信号隔离元件的这些电晶体为导通时，第一开关及第二开关为导通，当第三信号隔离元件及第四信号隔离元件的这些电晶体为不导通时，第一开关及第二开关为不导通。

在本发明的一实施例中，放大器电路更包括一增益控制单元。增益控制单元接收输入信号，耦接第一信号隔离元件、第二信号隔离元件、第三信号隔离元件及第四信号隔离元件的这些电晶体，且耦接第一开关及第二开关，用以提供一第一控制信号至第一信号隔离元件及第二信号隔离元件的这些电晶体的控制端，以及提供一第二控制信号至第三信号隔离元件及第四信号隔离元件的这些电晶体的控制端及第一开关及第二开关。增益控制单元依据输入信号决定第一控制信号及第二控制信号的电压准位。

在本发明的一实施例中，第一控制信号及第二控制信号互为反相信号。

在本发明的一实施例中，第五端直接耦接第三节点，第七端直接耦接第四节点。

在本发明的一实施例中，第一开关直接耦接第三控制端，第二开关直接耦接第四控制端。

在本发明的一实施例中，第一负载、第二负载、第三负载及第四负载分别包括一电感。

在本发明的一实施例中，第一负载更包括一第一电容，耦接在第一节点与第三控制端之间。第二负载更包括一第二电容，耦接在第二节点与第四控制端之间。

在本发明的一实施例中，第一电压为一系统电压，第二电压为一接地电压。

本发明的操作方法，适用于上述的放大器电路，包括下列步骤。依据输入信号决定放大器电路的一操作模式。当放大器电路的操作模式为一高增益模式时，致能第一信号隔离元件及第二信号隔离单元，且禁能第三信号隔离元件及第四信号隔离单元。当放大器电路的操作模式为一低增益模式时，禁能第一信号隔离元件及第二信号隔离单元，且致能第三信号隔离元件及第四信号隔离单元。

在本发明的一实施例中，放大器电路的操作方法更包括：当放大器电路的操作模式为高增益模式时，禁能第一开关及第二信号开关。当放大器电路的操作模式为低增益模式时，致能第一开关及第二信号开关。

基于上述，本发明实施例的放大器电路及其操作方法，其增益控制单元依据输入信号控制放大器电路为单级放大或多级放大，以依据实际放大需要改变放大器电路的整体增益值。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。

附图说明

图1为依据本发明一实施例的放大器电路的系统示意图。

图2为依据本发明另一实施例的放大器电路的电路示意图。

图3为依据本发明一实施例的放大器电路的操作方法的流程图。

100：放大器电路；

110：增益控制单元；

121：第一负载；

123：第二负载；

125：第三负载；

127：第四负载；

131：第一信号隔离元件；

133：第二信号隔离元件；

135：第三信号隔离元件；

137：第四信号隔离元件；

IS1：第一电流源；

IS2：第二电流源；

M1：第一晶体管；

M2：第二晶体管；

M3：第三晶体管；

M4：第四晶体管；

N1：第一节点；

N2：第二节点；

OT1：第三节点；

OT2：第四节点；

S1：第一控制信号；

S2：第二控制信号；

SW1：第一开关；

SW2：第二开关；

V1：第一电压；

V2：第二电压；

Vin：输入信号。

具体实施方式

图1为依据本发明一实施例的放大器电路的系统示意图。请参照图1，在本实施例中，放大器电路100包括增益控制单元110、第一负载121、第二负载123、第三负载125、第四负载127、第一信号隔离元件131、第二信号隔离元件133、第三信号隔离元件135、第四信号隔离元件137、第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第一电流源IS1、第二电流源IS2、第一开关SW1及第二开关SW2。

增益控制单元110接收输入信号Vin，以及耦接第一信号隔离元件131、第二信号隔离元件133、第三信号隔离元件135、第四信号隔离元件137、第一开关SW1及第二开关SW2。增益控制单元110依据输入信号Vin提供第一控制信号S1至第一信号隔离元件131及第二信号隔离元件133，以及提供第二控制信号S2至第三信号隔离元件135及第四信号隔离元件137、第一开关SW1及第二开关SW2。

输入信号Vin可以是差动信号或是单端信号。第一晶体管M1的栅极（对应第一控制端）接收输入信号Vin。第一负载121耦接在第一电压V1与第一节点N1之间。第一信号隔离元件131耦接在第一节点N1及第一晶体管M1的第一端（例如漏极）之间。第一电流源IS1耦接在第一晶体管M1的第二端（例如源极）与第二电压V2之间。

第二晶体管M2的栅极（对应第二控制端）接收输入信号Vin，第二晶体管M2的第四端（例如源极）耦接第一晶体管M1的源极。第二负载123耦接在第一电压V1与第二节点N2之间。第二信号隔离元件133耦接在第二节点N2及第二晶体管M2的第三端（例如漏极）之间。

第三晶体管M3的栅极（对应第三控制端）耦接第一节点N1，第三晶体管M3的第五端（例如漏极）耦接第三节点OT1。第三负载125耦接在第一电压V1与第三节点OT1之间。第三信号隔离元件135耦接在第三节点OT1及第一晶体管M1的漏极之间。第二电流源IS2耦接在第三晶体管M3的第六端（例如源极）与第二电压V2之间。

第四晶体管M4的栅极（对应第四控制端）耦接第二节点N2，第四晶体管M4的第七端（例如漏极）耦接第四节点OT2，第四晶体管M4的第八端（例如源极）耦接第三晶体管M3的源极。第四负载127耦接在第一电压V1与第四节点OT2之间。第四信号隔离元件137耦接在第四节点OT2及第二晶体管M2的漏极之间。

第一开关SW1耦接在第三晶体管M3的栅极与第二电压V2之间。第二开关SW2耦接在第四晶体管M4的栅极与第二电压V2之间。其中，上述第一负载121、第二负载123、第一信号隔离元件131、第二信号隔离元件133、第一晶体管M1、第二晶体管M2及第一电流源IS1的组合可视为第一级放大器，上述第三负载125、第四负载127、第三晶体管M3、第四晶体管M4及第二电流源IS2的组合可视为第二级放大器。

在本实施例中，增益控制单元110依据输入信号Vin决定第一控制信号S1及该第二控制信号S2的电压电平。换言之，增益控制单元110可侦测输入信号Vin的振幅来判断输入信号Vin的信号强度，并且依据输入信号Vin的信号强度决定放大器电路100的操作模式。当输入信号Vin的信号强度低于一临界值时，增益控制单元110可决定放大器电路100运作在一高增益模式〈也就是操作模式为高增益模式〉。反之，当输入信号Vin的信号强度高于等于上述临界值时，增益控制单元110可决定放大器电路100运作在一低增益模式〈也就是操作模式为低增益模式〉。其中，上述临界值决定于第一级放大器的最大增益值。

当放大器电路100运作在高增益模式时，增益控制单元110通过第一控制信号S1控制第一信号隔离元件131及第二信号隔离元件133呈现导通，并且增益控制单元110通过第二控制信号S2控制第三信号隔离元件135、第四信号隔离元件137、第一开关SW1及第二开关SW2呈现不导通。此时，输入信号Vin经由第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3及第四晶体管M4放大后由第一输出端OT1及第二输出端OT2输出，也就是放大器电路100可视为由两级串接的差动放大器所组成，并且通过串接放大器来达到高增益的效果。

当放大器电路100运作在低增益模式时，增益控制单元110通过第一控制信号S1控制第一信号隔离元件131及第二信号隔离元件133呈现不导通，并且增益控制单元110通过第二控制信号S2控制第三信号隔离元件135、第四信号隔离元件137、第一开关SW1及第二开关SW2呈现导通。此时，输入信号Vin经由第一晶体管M1及第二晶体管M2放大后由第一输出端OT1及第二输出端OT2输出，也就是放大器电路100可视为由单级的差动放大器所组成，并且通过单级放大器来呈现低增益的效果。

在本发明的一实施例中，第三信号隔离元件135的信号隔离度可以设计成相同于第一信号隔离元件131的信号隔离度，第四信号隔离元件137的信号隔离度可以设计成相同于第二信号隔离元件133的信号隔离度。藉此，在高增益模式或低增益模式中，放大器电路100的单级放大器的信号隔离度可以大致相同。

在某些实施例中，第一电压V1可以为系统电压，而第二电压V2可以为接地电压，但本发明实施例不以此为限。其次，当放大器电路100于高增益模式及低增益模式之间进行切换时，则第一控制信号S1及第二控制信号S2可以互为反相信号，也就是当第一控制信号S1为高电压电平时，第二控制信号S2会为低电压电平，当第一控制信号S1为低电压电平时，第二控制信号S2会为高电压电平。

在本发明的部分实施例中，第三晶体管M3的漏极是直接耦接第三节点OT1，并且第四晶体管M4的漏极是直接耦接第四节点OT2。第三节点OT1与第四节点OT2可以作为图1所示放大器电路的输出端。此外，第一开关SW1可直接耦接第三晶体管M3的栅极，第二开关SW2可直接耦接第四晶体管的栅极。

图2为依据本发明一实施例的放大器电路的电路示意图。请参照图1及图2，在本实施例中，放大器电路200大致相同于放大器电路100，其不同之处在于第一负载121a、第二负载123a、第三负载125a、第四负载127a、第一信号隔离元件131a、第二信号隔离元件133a、第三信号隔离元件135a、第四信号隔离元件137a、第一开关SW1a及第二开关SW2a，其中相同或相似元件使用相同或相似标号。

第一负载121a包括电感L1及第一电容C1，其中第一电容C1耦接在第一节点N1与第三晶体管M3的栅极之间。第二负载123a包括电感L2及第二电容C2，其中第二电容C2耦接在第二节点N2与第四晶体管M4的栅极之间。第三负载125a包括电感L3。第四负载127a包括电感L4。第一信号隔离元件131a包括晶体管T1。第二信号隔离元件133a包括晶体管T2。第三信号隔离元件135a包括晶体管T3。第四信号隔离元件137a包括晶体管T4。第一开关SW1a包括晶体管T5。第二开关SW2a包括晶体管T6。

依据上述，放大器电路200可视为一高频放大器电路，并且可通过第一电容C1及第二电容C2滤除第一节点N1及第二节点N2的直流成份，也就是第一电容C1及第二电容C2可视为第一级放大器与第二级放大器的交流耦合电容。其中，晶体管T1～T4用以隔离放大器电路200的输入端（即晶体管M1、M2的栅极）与第一输出端OT1及第二输出端OT2。

在本发明的一实施例中，晶体管T3的尺寸可相同于晶体管T1的尺寸，也就是晶体管T3的通道层的长与宽可相同于晶体管T1的通道层的长与宽，以使第三信号隔离元件135a的信号隔离度相同于第一信号隔离元件131a的信号隔离度。并且，晶体管T4的尺寸可相同于晶体管T2的尺寸，也就是晶体管T4的通道层的长与宽可相同于晶体管T2的通道层的长与宽，以使第四信号隔离元件137a的信号隔离度相同于第二信号隔离元件133a的信号隔离度。

当放大器电路200运作在高增益模式时，增益控制单元110通过第一控制信号S1控制晶体管T1及T2呈现导通，并且增益控制单元110通过第二控制信号S2控制晶体管T3～T6呈现不导通。当放大器电路200运作在低增益模式时，增益控制单元110通过第一控制信号S1控制晶体管T1及T2呈现不导通，并且增益控制单元110通过第二控制信号S2控制晶体管T3～T6呈现导通。

图3为依据本发明一实施例的放大器电路的操作方法的流程图。请参照图1及图3，本实施例的放大器电路的操作方法可应用于放大器电路100。在步骤S310中，会依据输入信号Vin决定放大器电路100的操作模式。当放大器电路100的操作模式为高增益模式时，则致能第一信号隔离元件131及第二信号隔离单元133，且禁能第三信号隔离元件135、第四信号隔离单元137、第一开关SW1及第二开关SW2（步骤S320）。当放大器电路100的操作模式为低增益模式时，则禁能第一信号隔离元件131及第二信号隔离单元133，且致能第三信号隔离元件135、第四信号隔离单元137、第一开关SW1及第二开关SW2（步骤S330）。其中，步骤S310、S320及S330的顺序为用以说明，本发明实施例不以此为限。并且，步骤S310、S320及S330的细节可参照图1及图2的实施例所示，在此则不再赘述。

综上所述，本发明实施例的放大器电路及其操作方法，其增益控制单元依据输入信号控制放大器电路为单级放大或多级放大，以依据实际放大需要改变放大器电路的整体增益值。并且，第三信号隔离元件的信号隔离度可以设计成相同于第一信号隔离元件的信号隔离度，且第四信号隔离元件的信号隔离度可以设计成相同于第二信号隔离元件的信号隔离度，以使放大器电路在不同增益值的条件下，其单级放大所对应的隔离度为相同。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (17)

1.一种放大器电路，其特征在于，包括：

一第一晶体管，具有一第一端、一第二端及一第一控制端，其中该第一控制端接收一输入信号；

一第一负载，耦接在一第一电压与一第一节点之间；

一第一信号隔离元件，耦接在该第一节点及该第一晶体管的该第一端之间；

一第一电流源，耦接在该第一晶体管的该第二端与一第二电压之间；

一第二晶体管，具有一第三端、一第四端及一第二控制端，其中该第二控制端接收该输入信号，该第四端耦接该第一晶体管的该第二端；

一第二负载，耦接在该第一电压与一第二节点之间；

一第二信号隔离元件，耦接在该第二节点及该第二晶体管的该第三端之间；

一第三晶体管，具有一第五端、一第六端及一第三控制端，该第三控制端耦接该第一节点，该第五端耦接一第三节点；

一第三负载，耦接在该第一电压与该第三节点之间；

一第三信号隔离元件，耦接在该第三节点及该第一晶体管的该第一端之间；

一第二电流源，耦接在该第三晶体管的该第六端与该第二电压之间；

一第四晶体管，具有一第七端、一第八端及一第四控制端，该第四控制端耦接该第二节点，该第七端耦接一第四节点，该第八端耦接该第三晶体管的该第六端；

一第四负载，耦接在该第一电压与该第四节点之间；

一第四信号隔离元件，耦接在该第四节点及该第二晶体管的该第三端之间；

一第一开关，耦接在该第三晶体管的该第三控制端与该第二电压之间；以及

一第二开关，耦接在该第四晶体管的该第四控制端与该第二电压之间。

2.根据权利要求1所述的放大器电路，其特征在于，该第一信号隔离元件、该第二信号隔离元件、该第三信号隔离元件及该第四信号隔离元件分别包括一晶体管。

3.根据权利要求2所述的放大器电路，其特征在于，该第一信号隔离元件的该晶体管的通道层的长与宽相同于该第三信号隔离元件的该晶体管的通道层的长与宽，该第二信号隔离元件的该晶体管的通道层的长与宽相同于该第四信号隔离元件的该晶体管的通道层的长与宽。

4.根据权利要求2所述的放大器电路，其特征在于，当该第一信号隔离元件及该第二信号隔离元件的该些晶体管导通时，该第三信号隔离元件及该第四信号隔离元件的该些晶体管为不导通，当该第三信号隔离元件及该第四信号隔离元件的该些晶体管导通时，该第一信号隔离元件及该第二信号隔离元件的该些晶体管为不导通。

5.根据权利要求4所述的放大器电路，其特征在于，当该第三信号隔离元件及该第四信号隔离元件的该些晶体管为导通时，该第一开关及该第二开关为导通，当该第三信号隔离元件及该第四信号隔离元件的该些晶体管为不导通时，该第一开关及该第二开关为不导通。

6.根据权利要求2所述的放大器电路，其特征在于，还包括：

一增益控制单元，接收该输入信号，耦接该第一信号隔离元件、该第二信号隔离元件、该第三信号隔离元件及该第四信号隔离元件的该些晶体管，且耦接该第一开关及该第二开关，用以提供一第一控制信号至该第一信号隔离元件及该第二信号隔离元件的该些晶体管的控制端，以及提供一第二控制信号至该第三信号隔离元件及该第四信号隔离元件的该些晶体管的控制端及该第一开关及该第二开关，其中该增益控制单元依据该输入信号决定该第一控制信号及该第二控制信号的电压电平。

7.根据权利要求6所述的放大器电路，其特征在于，该第一控制信号及该第二控制信号互为反相信号。

8.根据权利要求1所述的放大器电路，其特征在于，该第三晶体管的该第五端直接耦接该第三节点，该第四晶体管的该第七端直接耦接该第四节点。

9.根据权利要求1所述的放大器电路，其特征在于，该第一开关直接耦接该第三晶体管的该第三控制端，该第二开关直接耦接该第四晶体管的该第四控制端。

10.根据权利要求1所述的放大器电路，其特征在于，该第一负载、该第二负载、该第三负载及该第四负载分别包括一电感。

11.根据权利要求10所述的放大器电路，其特征在于，该第一负载还包括一第一电容，耦接在该第一节点与该第三晶体管的该第三控制端之间；以及

该第二负载还包括一第二电容，耦接在该第二节点与该第四晶体管的该第四控制端之间。

12.根据权利要求1所述的放大器电路，其特征在于，该第一电压为一系统电压，该第二电压为一接地电压。

13.根据权利要求1所述的放大器电路，其特征在于，当该放大器电路的操作模式为一低增益模式时，该第一信号隔离元件及该第二信号隔离元件被禁能，该第三信号隔离元件及该第四信号隔离元件被致能，而该第一开关及该第二开关为导通；以及当该放大器电路的操作模式为一高增益模式时，该第一信号隔离元件及该第二信号隔离元件被致能，该第三信号隔离元件及该第四信号隔离元件被禁能，而该第一开关及该第二开关为不导通。

14.根据权利要求13所述的放大器电路，其特征在于，当该输入信号的强度大于一临界值时，该放大器电路的操作模式为该低增益模式；以及当该输入信号的强度小于该临界值时，该放大器电路的操作模式为该高增益模式。

15.一种操作方法，适用于权利要求1所述的放大器电路，其特征在于，该操作方法包括：

依据该输入信号决定该放大器电路的一操作模式；

当该放大器电路的该操作模式为一高增益模式时，致能该第一信号隔离元件及该第二信号隔离单元，且禁能该第三信号隔离元件及该第四信号隔离单元；以及

当该放大器电路的该操作模式为一低增益模式时，禁能该第一信号隔离元件及该第二信号隔离单元，且致能该第三信号隔离元件及该第四信号隔离单元。

16.根据权利要求15所述的操作方法，其特征在于，还包括：

当该放大器电路的该操作模式为该高增益模式时，禁能该第一开关及该第二信号开关；以及

当该放大器电路的该操作模式为该低增益模式时，致能该第一开关及该第二信号开关。

17.根据权利要求15所述的操作方法，其特征在于，所述依据该输入信号决定该放大器电路的一操作模式的步骤包括：

当该输入信号的强度大于一临界值时，决定该放大器电路的操作模式为该低增益模式；以及

当该输入信号的强度小于该临界值时，决定该放大器电路的操作模式为该高增益模式。