CN106571785B - 以太网络供电设备的增益电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种以太网络供电设备的增益电路，以对其运算放大器提供一个输入偏移电压的保护带(guard band)。该保护带可以用一个电压值代表。在一种比较好的实施案例中，该保护带的电压值设定成大于该运算放大器的输入偏移电压的最大值，例如为它的2倍。在另一种比较好的实施案例中，该保护带的设定，使该运算放大器的负输入端的电压高于0V。
Description
技术领域
本发明涉及一种以太网络供电设备的增益电路，特别是关于可以提供精确放大倍率的以太网络供电设备的增益电路。
背景技术
以太网络供电设备(Power over Ethernet–PoE)已经是一种普及的应用。IEEE已经发布了IEEE 802.3af-2003以及IEEE 802.3at-2009两种PoE标准。PoE的技术使得例如网络电话、无线基地台、网络摄影机、集线器、甚至计算机等装置，都能由以太网络供电，不需使用额外的电源插座。这种结合数据传送与电源供应的技术使整体网络计算机系统成本及复杂度明显降低。
图1显示的是一种熟知的以太网络供电设备的电路方块图。如图所示，该以太网络供电设备包含有一个功率晶体管(Power Transistor)51，作为受电设备(Powered Device)50的电流回流路径，例如7.5mA的回流电流IDC_dis，由输出端口PortP经过受电设备(Powered Device)50，然后回流至PortN输入。图中显示单一输出端口由输出信号PortP与回流信号(return signal)PortN构成。图中显示PortN回流信号经由功率晶体管51回流送入，并由电阻Rsense转化成电压Vrs，供应到增益电路10的运算放大器OP1，由该运算放大器OP1的正端VP进入该运算放大器OP1。
图1中所显示的增益电路10是用来将受电设备(Powered Device)50的电流回流至Rsense转换成电压加以放大，以供应稳定的电压Vout给连接到该以太网络供电设备的电子装置(未图标)。图中的增益电路10基本上包括上述的运算放大器OP1，以及连接该运算放大器OP1输出端的两并联电阻R1与R2。该运算放大器OP2的正端VP为该晶体管51的供应电压Vrs，而其负端则经由电阻R1连接到该运算放大器OP1的输出端。VDDA为其正电源，GND为其负电源，在图中为接地。
该运算放大器OP1的理想增益函数式可以用下式表示：
Vout＝(Vrs)*(R2+R1)/R1…式(1)
不过，一个运算放大器在实际中，其增益函数式并非理想函数式。该运算放大器OP的电路显示在图2。图2的运算放大器的输入级M1与M2是一对匹配的组件，具有相同的尺寸(长度L与宽度W)。不过，由于制造上的偏差，两者之间会产生偏移电压Vos，Vos＝VP-VN。即运算放大器OP1的正端VP与负端VN之间的电压差值，大约在±(0～10mV)之间。该偏移电压Vos为内在的特性，并且对实际运算放大器而言是一种非理想效应。
在此情形下，该运算放大器OP1的增益函数式应以下式表示：
Vout＝(Vrs+Vos)*(R2+R1)/R1…式(2)
其中，Vos为该偏移电压。该Vos的值会因装置的制造变化而不同，成为Vout值的非线性因子，导致放大倍率的精度变差。此外，该放大倍率的偏差在特定条件下，可能大到无法校正。例如，当该受电设备(Powered Device)50的输出电流IDC_dis为7.5mA时，则供电设备功率晶体管51的输出点电压Vrs将是：
Vrs＝IDC_dis*Rsense＝7.5mA*0.5Ω＝3.75mV…式(3)
此时，如果该输入偏移电压Vos的误差项范围在3.75mV到10mV之间，因该Vrs的值仅有3.75mV。使得该增益电路10的输出电压Vout误差可能达到100％。在这种条件下，图1所示的增益电路10显然并不适合用来作为以太网络供电设备的增益电路。
图3显示的是一种对图1增益电路的改良电路，用以消除输入偏移电压Vos的误差。图3中，与图1相同的组件将以相同的符号表示。图2的增益电路设计，可见于P.E.Allen,Lecture 390–Open-Loop Comparators(Reading:AH-461-475),ECE 6412-AnalogIntegrated Circuit Design–II,Georgia Institute of Technology,USA,2002.
图3所示的增益电路10除了运算放大器OP1、电阻R1与R2外，还包括一个电容Cos以及时钟电路Ck。该电容Cos接在运算放大器OP1的负端与电阻R2之间，并以一个开关配合时钟电路Ck控制其连接与旁接状态。该时钟电路Ck的时钟信号表示在图4中。在该时钟信号为H时，开关的Ck端为闭，CkB端为开。此时电容Cos可以储存Vos。在该时钟信号为L时，开关的CkB端为闭，Ck端为开。此时电容Cos与电阻R2串连。
该运算放大器OP1为实际运算放大器时，其偏移电压Vos约在±(0～10mV)之间。图3的电容Cos可以在时钟信号为H时，储存电压值Vcos。在之后的L期间中，从(Vrs+Vos)中减除该Vcos的值。理论上，该Vcos的值就是Vos的值。因此，在L期间中，该输入偏移电压Vos的值将不会成为放大倍率的因子。在此设计下，该运算放大器OP1的增益函数式可以用下式表示：
Vout＝(Vrs+Vos-Vcos)*(R2+R1)/R1＝Vrs*(R1+R2)/R1…式(4)
由于Vos＝Vcos，故可从增益函数式中移除该Vos项，所得到的放大倍率将获得改善。不过，图3的增益电路10在该受电设备(Powered Device)50的输出电流至供电设备的功率晶体管51的电流IDC_dis为7.5mA时，仍然可能无法运作。
如前式(3)所示，Vrs＝IDC_dis*Rsense＝7.5mA*0.5Ω＝3.75mV。因此，在时钟信号为H时，假设VN＝-10mV，则Vos的值应为：
Vos＝VP-VN＝3.75mV-(VN)＝3.75mV-(-10mV)＝13.75mV…式(5)
但由于该运算放大器OP1的负端VN经由电阻R1接地，使该负端电压的最小值只能是0V。如此一来，实际上的Vcos值成为：
Vcos＝VP-VN＝3.75mV-(-0V)＝3.75mV…式(6)
换句话说，就是由于VN的值受限于0V的极限，Cos所能储存的电压值Vcos将以3.75mV为上限，结果往往并非该Vos的正确值。也就是说，当Vos的值介于-3.75mV与-10mV之间时，即使减除该Cos所储存的电压值Vcos，仍然无法排除该Vos对Vout的影响。且只要该Vos值小于-7.5mV，放大倍率的误差就可达到100％，而无法用任何方法校正。显示图3的增益电路10，也不适合用来作为以太网络供电设备的增益电路。
因此，目前业界急需一种新颖的以太网络供电设备的增益电路，以提高以太网络供电设备的电压放大倍率精度。
同时也需要一种新颖的以太网络供电设备的增益电路，以解决以太网络供电设备的增益电路因制程差异导致的放大倍率精度劣化问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种新颖的以太网络供电设备的增益电路，以提高以太网络供电设备的电压放大倍率精度。
本发明的目的也是提供一种新颖的以太网络供电设备的增益电路，以解决以太网络供电设备的增益电路因制程差异导致的放大倍率精度劣化问题。
本发明提供一种新颖的增益电路，作为以太网络供电设备的增益电路。该增益电路对其运算放大器提供一个输入偏移电压的保护带(guard band)。该保护带可以用一个电压值代表。在一种比较好的实施案例中，该保护带的电压值设定成大于该运算放大器的输入偏移电压的最大值，例如为它的2倍。在另一种比较好的实施案例中，该保护带的设定，使该运算放大器的负输入端的电压高于0V。
根据本发明的以太网络供电设备的增益电路，乃是包括一个运算放大器、串接该运算放大器输出端及接地的第一及第二电阻。该运算放大器的第一输入端连接该以太网络供电设备的电压输出，第二输入端经由第一电阻连接输出端。并以一个时钟信号控制该第二输入端经由一个电容连接第二电阻或不经由该电容连接第二电阻。该增益电路另外包含一个电压调整电路，用来将该第一输入端与第二输入端的电压差值设定在一定值。在一种实施案例中，该电压调整电路可以提供一个设定电压，该设定电压值在该第一输入端与第二输入端的最大偏移电压值以上，例如为该最大偏移电压值的二倍。
在本发明的一种比较好的实施案例中，该电压调整电路是用来将两个输入端的电压调整到0V以上。在另一种实施案例中，该电压调整电路供应一个正电压，其值大于第一输入端与第二输入端的最大偏移电压值的绝对值，例如该最大偏移电压值的二倍。
在本发明的一种比较好的实施案例中，该电压调整电路包括一个电源，用来提供一个设定电压到第二输入端。在这种实施案例中，该设定电压可将这两个输入端的电压调整到0V以上。在另一种实施案例中，该设定电压值为正值，并且大于第一输入端与第二输入端的最大偏移电压值的绝对值，例如该最大偏移电压值的二倍。
本发明的以太网络供电设备的增益电路还可包括一个电流降低电路，用来降低因电压提高而提高的电流值。
附图说明
图1显示的是一种熟知的以太网络供电设备的增益电路的电路方块图。
图2显示的是图1中的运算放大器的电路图。
图3显示的是一种改良的以太网络供电设备的增益电路的电路方块图。该增益电路可以消除输入偏移电压的误差对增益电路的影响。
图4显示的是图3中的时钟信号时序图。
图5显示的是本发明以太网络供电设备的增益电路的一种实施案例的电路方块图。
图6显示的是图5中增益电路的一种实施案例的电路图。
图7显示的是图3的增益电路放大倍率仿真测试结果。
图8显示的是图5的增益电路放大倍率仿真测试结果。
具体实施方式
本发明提供一种以太网络供电设备的增益电路，用来解决现有技术中，增益电路放大倍率精度不足的问题。
图5显示的是本发明以太网络供电设备的增益电路的一种实施案例的电路方块图。图5中，与图1、3相同或类似的组件将以相同或类似的符号表示。
图5所示的以太网络供电设备包括一个受电设备(Powered Device)50的输出电流，以供回流，例如7.5mA的回流电流IDC_dis。该电流IDC_dis经由晶体管51送出，并由电阻Rsense转化成电压Vrs，供应到增益电路10的运算放大器OPA，由该运算放大器OPA的正端VP进入该运算放大器OPA。
图5中所显示的增益电路10是用来将该受电设备(Powered Device)50的输出电流经Rsense转换成的电压加以放大，以供应稳定的电压Vout给连接到该以太网络供电设备的电子装置。在本实施案例中，该增益电路10基本上包括上述的运算放大器OPA，以及连接该运算放大器OPA输出端V0经由两串连的第一与第二电阻R1与R2接地GND。该运算放大器OPA的正输入端VP为该晶体管51的供应电压Vrs，而其负输入端则经由第二电阻R2连接到该运算放大器OPA的输出端V0。VDDA为其正电源，GND为其负电源，在图中为接地。
增益电路10还包括一个电容Cos以及时钟电路Ck。该电容Cos接在运算放大器OPA的负端VN与第二电阻R2之间，并以一个开关配合时钟电路Ck控制其连接与旁接状态。该时钟电路Ck的时钟信号时序与图4中所示相同。在该时钟信号为H时，开关的Ck端为闭，CkB端为开。此时电容Cos可以储存电压值Vos。在该时钟信号为L时，开关的CkB端为闭，Ck端为开。此时电容Cos与电阻R2串连。
电压调整电路60提供电压Vmis到该运算放大器OPA的负端VN。以对该运算放大器OPA提供一个输入偏移电压的保护带(guard band)。在一种较佳实施案例中，该保护带的设定为大于该运算放大器的输入偏移电压的最大值，例如为其2倍。在另一种较佳的实施案例中，该保护带的设定，使运算放大器的负输入端的电压高于0V。
在本发明一种实施案例中，该电压调整电路60提供的电压Vmis使运算放大器OPA在运作稳定时期，其负输入端VN的电压高于0V。这样可以确保该负端VN的电压不受接地的限制。
在本发明的另一种实施案例中，将该电压调整电路60提供的电压Vmis设定为大于正端VP电压与负端VN电压间的最大差值Vmax，例如为Vmax的两倍。如上所述，在没有该电压调整电路60时，制造上的误差所导致的偏移电压Vos0值会在±(0～10mV)之间。因此，该值的最大值Vmax为10mV。则该电压调整电路60提供的电压Vmis为：
Vmis＝2*Vmax＝2*10mV＝20mV…式(7)
在这种设计下，可以确保该VN的值不会达到或低于其电压值的下限，即0V。说明如下：
设该供电设备功率晶体管51的输入回流电流IDC_dis为7.5mA则：
Vrs＝IDC_dis*Rsense＝7.5mA*0.5Ω＝3.75mV…式(3)
以Vos0值已达到最小值，即-Vmax(-10mV)的最坏情形为例，在时钟信号为H时，
VN＝VP+Vos0+Vmis＝3.75mV+(-10mV)+20mV)＝13.75mV…式(8)
换句话说，就是即使在最坏的情形(Vos0＝-10mV)下，由于有该Vmis的存在，使得VN仍可保持在13.75mV以上，不会受到接地的限制。最终就可得到高精度的放大倍率。
在上述设计下，由于该VN的电压值并不会受到最低电压0V的限制，故可使电容Cos储存的电压Vcos可以等于Vos0+Vmis。即使该输入偏移电压Vos0的值低至-3.75m到-10mV的范围，该电容Cos仍可正确的储存等于该输入偏移电压Vos0+Vmis的电压值。因此，即使在该范围内，该增益电路10的放大倍率仍可保持精度。换句话说，就是该增益电路10的放大倍率误差，仍在可校正的范围内。图5的运算放大器可以供应稳定的电压，支持高达8端口的供电设备芯片。
此外，在Vos0的值高至3.75m到10mV的范围时，该电容Cos仍可正确的储存等于该输入偏移电压Vos0+Vmis的电压值。因此，本发明也可应用在3.75m到10mV的范围。
图6显示的是图5增益电路10的一种实施案例的电路图。如图所示的实施案例中，该电压调整电路60为一个电源Mmis。该电源提供电压Vmis到该运算放大器OPA的负端VN。该电压Vmis＝Id_Mmis*R2＝20mV。因此，在运算放大器OPA运作稳定时，VN的电压值可以提高+20mV。
此外，图6中的晶体管的输入信号Pd是用来降低该运算放大器OPA的电流，以节省耗电。当晶体管Pd为H，PdB为L，MbS为OFF。且因Vgs为0V，M3为OFF。从电源VDDA的电流不会流入该运算放大器OPA与该电压调整电路60中，从而达到节电的目的。
为证实本发明的效果，以图3的电路及图5的电路进行仿真。结果显示于图7与图8。其中，图7显示的是图3的增益电路10放大倍率仿真测试结果。测试条件如下：
Vos＝-10mV，
Vrs＝IDC_dis*Rsense＝7.5mA*0.5Ω＝3.75mV，
(R1+R2/R1)＝4，
时钟信号如图4所示。
测试结果如下：
Vout＝4.13uV＝0.00413mV，
放大倍率误差＝[(0.00413mV/15mV)-1]*100％＝-100％
该误差达到-100％，达到最差的误差值。
图8显示的是图5的增益电路10放大倍率仿真测试结果。测试条件如下：
Vmis＝20mV，
Vos0＝-10mV，
Vrs＝IDC_dis*Rsense＝7.5mA*0.5Ω＝3.75mV，
(R1+R2/R1)＝4，
时钟信号如图4所示。
测试结果如下：
Vout＝15.4mV，
放大倍率误差＝[(1-15.4mV/15mV)-1]*100％＝+2.7％
显示放大倍率精确。
符号说明
10 增益电路
50 受电设备(Powered Device)
51 功率晶体管(Power Transistor)
60 电压调整电路
Claims (12)
1.一种以太网络供电设备的增益电路，包括一个运算放大器、依次串接在该运算放大器输出端及接地之间的第一及第二电阻；其中，该运算放大器的第一输入端连接该以太网络供电设备的电压输出，第二输入端经由该第一电阻连接输出端；
该增益电路还使用一个时钟信号控制该第二输入端经由一电容连接该第一电阻与该第二电阻的连接端点或不经由该电容连接该第一电阻与该第二电阻的连接端点；
其特征在于：该增益电路还包括一个电压调整电路，用来提供一个设定电压到该第二输入端，以对该运算放大器提供一个输入偏移电压的保护带。
2.如权利要求1所述的增益电路，其中该保护带设定在第一输入端与第二输入端的最大偏移电压值的二倍。
3.一种以太网络供电设备的增益电路，包括一个运算放大器、依次串接在该运算放大器输出端及接地之间的第一及第二电阻；其中，该运算放大器的第一输入端连接该以太网络供电设备的电压输出，第二输入端经由该第一电阻连接输出端；
该增益电路还使用一个时钟信号控制该第二输入端经由一电容连接该第一电阻与该第二电阻的连接端点或不经由该电容连接该第一电阻与该第二电阻的连接端点；
其特征在于：该增益电路还包括一个电压调整电路，用来提供一个设定电压到该第二输入端，该设定电压的值在该第一输入端与第二输入端的最大偏移电压值以上。
4.一种以太网络供电设备的增益电路，包括一个运算放大器、依次串接在该运算放大器输出端及接地之间的第一及第二电阻；其中，该运算放大器的第一输入端连接该以太网络供电设备的电压输出，第二输入端经由该第一电阻连接输出端；
该增益电路还使用一个时钟信号控制该第二输入端经由一电容连接该第一电阻与该第二电阻的连接端点或不经由该电容连接该第一电阻与该第二电阻的连接端点；
其特征在于：该增益电路还包括一个电压调整电路，用来提供一个设定电压到该第二输入端，将该第二输入端的电压调整到0V以上。
5.如权利要求4所述的增益电路，其中该设定电压的值为正电压值，且为该第一输入端与第二输入端的最大偏移电压值的二倍。
6.如权利要求1、3、4中的任一所述的增益电路，其中该电压调整电路包括一个电源，用来提供一个设定电压到该第二输入端。
7.如权利要求6所述的增益电路，还包括一个电流降低电路，使得电源的电流不会流入运算放大器与电压调整电路，而降低运算放大器中因电压提高而提高的电流值。
8.一种以太网络供电设备的增益电路，包括一个运算放大器、依次串接在该运算放大器输出端及接地之间的第一及第二电阻；其中，该运算放大器的第一输入端连接该以太网络供电设备的电压输出，第二输入端经由该第一电阻连接输出端；
该增益电路还使用一个时钟信号控制该第二输入端经由一电容连接该第一电阻与该第二电阻的连接端点或不经由该电容连接该第一电阻与该第二电阻的连接端点；
其特征在于：该增益电路还包括一个电压调整电路，用来供应一个正电压到该第二输入端，该正电压的值大于该第一输入端与第二输入端的最大偏移电压值绝对值。
9.如权利要求8所述的增益电路，其中该正电压的值为该第一输入端与第二输入端的最大偏移电压值的二倍。
10.如权利要求8所述的增益电路，其中该电压调整电路包括一个电源，用来提供一个正电压到该第二输入端。
11.如权利要求1、3、4、8中的任一所述的增益电路，还包括一个电流降低电路，使得电源的电流不会流入运算放大器与电压调整电路，而降低运算放大器中因电压提高而提高的电流值。
12.如权利要求10所述的增益电路，还包括一个电流降低电路，使得电源的电流不会流入运算放大器与电压调整电路，而降低运算放大器中因电压提高而提高的电流值。
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