CN108574460B - 放大器 - Google Patents

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Abstract

一种放大器，包括一电流调整装置、一第一控制电路、一第二控制电路、一第一输出晶体管以及一第二输出晶体管。电流调整装置比较一输出电压以及一参考电压，并根据比较结果产生两调整信号。第一控制电路根据两调整信号产生一第一控制信号。第二控制电路根据两调整信号产生一第二控制信号。第一输出晶体管根据第一控制信号输出一第一输出电流。第二输出晶体管根据第二控制信号输出一第二输出电流。当输出电压大于参考电压时，第一输出电流不变，并且第二输出电流增加。当输出电压小于参考电压时，第一输出电流增加，并且第二输出电流不变。

Description

放大器
技术领域
本发明有关于一种放大器，特别是有关于一种静态电流不会受到外部负载吃电或供电影响的放大器。
背景技术
在一般的电路中，经常通过感测器检测位置变化、角度变化或是压力变化，感测器再将检测结果转换成电流或电压信号，并提供予后端的处理器。处理器通过测量感测器所输出的电流或电压信号，计算出物理变化量。然而，有时感测器所产生的电流或电压信号很小，因而使得后端的处理器无法根据感测器的输出信号而动作。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种放大器，其包括一电流调整装置、一第一控制电路、一第二控制电路、一第一输出晶体管以及一第二输出晶体管。电流调整装置比较一输出电压以及一参考电压，用以产生一比较结果，再根据比较结果产生一第一调整信号以及一第二调整信号。第一控制电路根据第一及第二调整信号产生一第一控制信号。第二控制电路根据第一及第二调整信号产生一第二控制信号。第一输出晶体管根据第一控制信号输出一第一输出电流。第二输出晶体管根据第二控制信号输出一第二输出电流。当输出电压大于参考电压时，第一输出电流不变，并且第二输出电流增加。当输出电压小于参考电压时，第一输出电流增加，并且第二输出电流不变。
本发明的有益效果在于，放大器不会因为外部负载吃电(即放大器提供电流予负载)或是放电(即负载提供电流予放大器)而改变本身的静态电流，由于放大器的静态电流并不会受到输出电压的影响，故可增加放大器的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的放大器的示意图。
图2为本发明的输出电流与输出电压之间的关系示意图。
图3为本发明的控制电路的示意图。
图4为本发明的电流调整装置的一可能实施例。
附图标号：
100：放大器； 110、400：电流调整装置；
120、130：控制电路； OM1、OM2：输出晶体管；
ND1、ND2：操作节点； VDD：操作电压；
GND：接地电压； VOUT：输出电压；
REF：参考电压； SA1、SA2：调整信号；
PG、NG：控制信号； IOM1、IOM2：输出电流；
ND3：输出节点； 210、220：曲线；
310、320：控制电路； CC1～CC7：电流源；
M1～M12：晶体管； I1：第一电流；
I2：第二电流； 230、240：区间；
140：负载。
具体实施方式
为让本发明的目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出实施例，并配合所附图式，做详细的说明。本发明说明书提供不同的实施例来说明本发明不同实施方式的技术特征。其中，实施例中的各元件的配置为说明之用，并非用以限制本发明。另外，实施例中图式标号的部分重复，为了简化说明，并非意指不同实施例之间的关联性。
图1为本发明的放大器的示意图。如图所示，放大器100包括一电流调整装置110、控制电路120、130、输出晶体管OM1与OM2。电流调整装置110耦接操作节点ND1与ND2，用以接收操作电压VDD与接地电压GND。在本实施例中，电流调整装置110比较一输出电压VOUT以及一参考电压REF，用以产生一比较结果，再根据比较结果产生调整信号SA1以及SA2。在一可能实施例中，调整信号SA1以及SA2为电流信号。控制电路120与130再根据调整信号SA1以及SA2产生控制信号PG与NG，用以控制流经输出晶体管OM1的输出电流IOM1以及流经输出晶体管OM2的输出电流IOM2的大小。
控制电路120与130均耦接操作节点ND1与ND2，用以接收操作电压VDD与接地电压GND。控制电路120根据调整信号SA1以及SA2产生一控制信号PG。控制电路130根据调整信号SA1以及SA2产生一控制信号NG。在本实施例中，控制信号PG用以控制流经输出晶体管OM1的电流IOM1的大小，控制信号NG用以控制流经输出晶体管OM2的电流IOM2的大小。
输出晶体管OM1与OM2串联于操作节点ND1与ND2之间，其中输出晶体管OM1与OM2共用耦接输出节点ND3。输出节点ND3的电压作为输出电压VOUT。在本实施例中，输出晶体管OM1根据控制信号PG输出一输出电流IOM1。输出晶体管OM2根据控制信号NG输出一输出电流IOM2。
在一可能实施例中，输出电流IOM1用以提供予负载140。当负载140撷取较大的电流时，输出节点ND3的电压VOUT略微下降。由于输出电压VOUT不等于参考电压REF，电流调整装置110根据输出电压VOUT与参考电压REF之间的差值，产生调整信号SA1与SA2，控制电路120与130根据调整信号SA1与SA2分别产生控制信号PG与NG，用以增加流经输出晶体管OM1的输出电流IOM1，并将流经输出晶体管OM2的输出电流IOM2维持在一最小值，如10uA。此时，输出电流IOM2称为一静态电流(quiescent current)。本发明并不限定静态电流的大小。静态电流与输出晶体管OM2的特性(通道长宽比)有关。在本实施例中，流经输出晶体管OM1的输出电流IOM1大于流经输出晶体管OM2的输出电流IOM2。由于输出电流IOM1逐渐增加，因此，输出节点ND3的电压VOUT逐渐增加。当输出节点ND3的电压VOUT等于参考电压REF时，电流调整装置110通过调整信号SA1与SA2控制输出晶体管OM1，用以使得输出电流IOM1等于输出电流IOM2。
在另一可能实施例中，当放大器100接收来自负载140的输出电流IOM2时，输出节点ND3的电压VOUT略微增加。由于输出电压VOUT不等于参考电压REF，电流调整装置110根据输出电压VOUT与参考电压REF之间的差距，产生相对应的调整信号SA1与SA2。控制电路120与130根据调整信号SA1与SA2分别产生控制信号PG与NG，用以增加流经输出晶体管OM2的输出电流IOM2，并将流经输出晶体管OM1的输出电流IOM1维持在一最小值，如10uA(输出晶体管OM1的静态电流)。因此，流经输出晶体管OM2的输出电流IOM2大于流经输出晶体管OM1的输出电流IOM1。由于输出电流IOM2逐渐增加，因此，输出节点ND3的电压VOUT逐渐降低。当输出节点ND3的电压VOUT等于参考电压REF时，电流调整装置110通过调整信号SA1与SA2控制输出晶体管OM2，用以使输出电流IOM2等于输出电流IOM1。
在本实施例中，输出晶体管OM1为一P型晶体管，其栅极接收控制信号PG，其源极耦接操作节点ND1，用以接收操作电压VDD，其漏极耦接输出节点ND3。输出晶体管OM1根据控制信号PG决定输出电流IOM1的大小。在一可能实施例中，输出电流IOM1为一正电流。
输出晶体管OM2为一N型晶体管，其栅极接收控制信号NG，其源极耦接操作节点ND2，用以接收接地电压GND，其漏极耦接输出节点ND3。输出晶体管OM2根据控制信号NG决定输出电流IOM2的大小。在一可能实施例中，输出电流IOM2为一负电流。
图2为本发明的输出电流与输出电压之间的关系示意图。曲线210表示流经输出晶体管OM1的输出电流IOM1。曲线220表示流经输出晶体管OM2的输出电流IOM2。在区间230中，放大器100操作于一供给模式(source)。在此模式下，放大器100通过输出晶体管OM1提供输出电流IOM1予负载140。因此，流经输出晶体管OM1的输出电流IOM1根据负载140的需求持续变化。在区间230中，流经输出晶体管OM2的输出电流IOM2维持不变，如维持在10uA。
在区间240中，放大器100操作于一抽取模式(sink)。在此模式下，放大器100通过输出晶体管OM2接收负载140提供的电流。因此，流经输出晶体管OM2的输出电流IOM2根据负载140所供给的电流持续变化。在区间240中，流经输出晶体管OM1的输出电流IOM1维持不变，如维持在10uA。
在本实施例中，由于放大器100不会因为外部负载吃电(即放大器100提供电流予负载140)或是放电(即负载140提供电流予放大器100)而改变本身的静态电流，故可增加放大器100的效率。
图3为本发明的控制电路的示意图。如图所示，控制电路310包括晶体管M1与M2。晶体管M1与M2串联于操作节点ND1与电流源CC1之间。晶体管M1的栅极耦接电流源CC1，用以提供控制信号PG，其源极耦接操作节点ND1，用以接收操作电压VDD，其漏极耦接晶体管M2的源极。晶体管M2的栅极耦接电流源CC3及CC4，其源极晶体管M1的漏极，其漏极耦接电流源CC1。在本实施例中，晶体管M1与M2均为P型晶体管，但并非用以限制本发明。在其它实施例中，晶体管M1与M2为N型晶体管。
电流源CC1耦接于晶体管M2与操作节点ND2之间，并根据调整信号SA1产生第一电流I1。电流源CC3与CC4串联于操作节点ND1与ND2之间，并耦接晶体管M2的栅极。在本实施例中，电流源CC3根据调整信号SA1产生第一电流I1，并且电流源CC4根据调整信号SA2产生第二电流I2。本发明并不限制电流源CC1、CC3与CC4的电路架构。任何能够根据一调整信号产生电流的电路，均可作为电流源CC1、CC3或CC4。在一可能实施例中，可利用一晶体管作为一电流源。在此例中，该晶体管根据调整信号，调整流经源-漏极的电流大小。
控制电路320包括晶体管M3与M4。晶体管M3与M4串联于操作节点ND2与电流源CC2之间。晶体管M3的栅极耦接电流源CC2，并提供控制信号NG，其源极耦接操作节点ND2，用以接收接地电压GND，其漏极耦接晶体管M4的源极。晶体管M4的栅极耦接电流源CC5及CC6，其源极晶体管M3的漏极，其漏极耦接电流源CC2。在本实施例中，晶体管M3与M4均为N型晶体管，但并非用以限制本发明。在其它实施例中，晶体管M3与M4可被P型晶体管取代。
电流源CC2耦接于操作节点ND1与晶体管M4之间，并根据调整信号SA2产生第二电流I2。电流源CC5与CC6串联于操作节点ND1与ND2之间，并耦接晶体管M4的栅极。在本实施例中，电流源CC5根据调整信号SA1产生第一电流I1，并且电流源CC6根据调整信号SA2产生第二电流I2。本发明并不限制电流源CC2、CC5与CC6的电路架构。任何能够根据一调整信号产生电流的电路，均可作为电流源CC2、CC5与CC6。在一可能实施例中，可利用一晶体管作为一电流源。在此例中，该晶体管根据调整信号，调整流经源-漏极的电流大小。
在本实施例中，当输出电压VOUT小于参考电压REF时，电流调整装置110通过调整信号SA1与SA2增加第一电流I1并减少第二电流I2。由于第一电流I1增加，因此，晶体管M2不导通，故控制电路310不提供一二极管连接。然而，由于第一电流I1增加，故导通晶体管M4。由于晶体管M3的栅极与漏极耦接在一起，故晶体管M3与M4提供一二极管连接，用以令流经输出晶体管OM2的输出电流IOM2等于一静态电流。在一可能实施例中，输出晶体管OM2的输出电流IOM2如式(1)所示：
IOM2＝K1*IM3…………………………………(1)
其中
Figure BDA0001444387850000061
其中
Figure BDA0001444387850000062
为输出晶体管OM2的通道长宽比；
Figure BDA0001444387850000063
为晶体管M3的通道长宽比；IM3为流过晶体管M3的电流。假设，K1＝10并且IM3＝1uA时，则输出电流IOM2＝10uA。
此时，输出晶体管OM1根据控制信号PG控制输出电流IOM1的大小。当第一电流I1愈大，流经输出晶体管OM1的输出电流IOM1愈大。因此，输出电压VOUT逐渐上升，直到输出电压VOUT等于参考电压REF。
当输出电压VOUT大于参考电压REF时，电流调整装置110通过调整信号SA1与SA2减少第一电流I1并增加第二电流I2。由于第一电流I1减少，因此，晶体管M2导通。由于晶体管M1的栅极与漏极耦接在一起，因此，晶体管M1与M2提供二极管连接，用以令流经输出晶体管OM1的输出电流IOM1维持在一固定值。在一可能实施例中，输出晶体管OM1的输出电流IOM1如式(2)所示：
IOM1＝K2*IM1…………………………………(2)
其中
Figure BDA0001444387850000064
其中
Figure BDA0001444387850000065
为输出晶体管OM1的通道长宽比；
Figure BDA0001444387850000066
为晶体管M1的通道长宽比；IM1为流过晶体管M1的电流。假设，K2＝10并且IM1＝1uA时，则输出电流IOM1＝10uA。
此时，由于第二电流I2增加，晶体管M4不导通。因此，控制电路320不提供二极管连接。通过第二电流I2增加，控制信号NG的电平也随之增加。因此，增加流经输出晶体管OM2的输出电流IOM2，并减少输出电压VOUT，直到输出电压VOUT等于参考电压REF。
图4为本发明的电流调整装置的一可能实施例。如图所示，电流调整装置400包括晶体管M5～M12以及一电流源CC7。在本实施例中，晶体管M5、M6、M9与M11为P型晶体管，晶体管M7、M8、M10与M12为N型晶体管，但并非用以限制本发明。在其它实施例中，晶体管M5、M6、M9与M11为N型晶体管，晶体管M7、M8、M10与M12为P型晶体管。
晶体管M5的栅极接收输出电压VOUT，其源极耦接电流源CC7，其漏极耦接晶体管M7的漏极，并提供调整信号SA1。晶体管M7的栅极与漏极耦接晶体管M5的漏极，其源极耦接操作节点ND2，用以接收接地电压GND。
晶体管M6的栅极接收参考电压REF，其源极耦接晶体管M5的源极以及电流源CC7，其漏极耦接晶体管M8的漏极，并提供调整信号SA2。晶体管M8的栅极与漏极耦接晶体管M6的漏极，其源极耦接操作节点ND2，用以接收接地电压GND。
电流源CC7耦接于操作节点ND1与晶体管M5的源极之间，用以提供电流2I。电流2I可能是第一电流I1或是第二电流I2的两倍。在本实施例中，当输出电压VOUT等于参考电压REF时，第一电流I1等于第二电流I2。
晶体管M9的源极耦接操作节点ND1，其栅极与漏极耦接晶体管M10的漏极。晶体管M10的栅极耦接晶体管M7的栅极，其漏极耦接晶体管M9的漏极，其源极耦接操作节点ND2，用以接收接地电压GND。在本实施例中，当输出电压VOUT小于参考电压REF时，晶体管M5导通，因此，第一电流I1流经晶体管M7。第一电流I1的大小与输出电压VOUT和参考电压REF之间的差异有关。当输出电压VOUT和参考电压REF之间的差异愈大时，第一电流I1愈大。此时，通过电流镜(current mirror)的特性，流经晶体管M9与M10的电流也等于第一电流I1。
晶体管M11的源极耦接操作节点ND1，其栅极与漏极耦接晶体管M12的漏极。晶体管M12的栅极耦接晶体管M8的栅极，其漏极耦接晶体管M11的漏极，其源极耦接操作节点ND2，用以接收接地电压GND。在本实施例中，当输出电压VOUT大于参考电压REF时，晶体管M6导通，因此，第二电流I2流经晶体管M8。第二电流I2的大小与输出电压VOUT和参考电压REF之间的差异有关。当输出电压VOUT和参考电压REF之间的差异愈大时，第二电流I2愈大。此时，通过电流镜的特性，流经晶体管M11与M12的电流也等于第二电流I2。
通过控制第一电流I1与第二电流I2的大小，便可改变输出电压VOUT。当输出电压VOUT小于参考电压REF时，放大器100增加流经输出晶体管OM1的输出电流IOM1，用以增加输出电压VOUT。此时，流经输出晶体管OM2的输出电流IOM2维持不变。当输出电压VOUT大于参考电压REF时，放大器100增加流经输出晶体管OM2的输出电流IOM2，用以减少输出电压VOUT。此时，流经输出晶体管OM1的输出电流IOM1维持不变。由于放大器100的静态电流并不会受到输出电压VOUT的影响，故可增加放大器100的效率。
除非另作定义，在此所有词汇(包含技术与科学词汇)均属本发明所属技术领域中相关技术人员的一般理解。此外，除非明白表示，词汇于一般字典中的定义应解释为与其相关技术领域的文章中意义一致，而不应解释为理想状态或过分正式的语态。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中相关技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰。举例来，本发明实施例所系统、装置或是方法可以硬件、软件或硬件以及软件的组合的实体实施例加以实现。因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (9)

1.一种放大器，其特征在于，包括：
一电流调整装置，比较一输出电压以及一参考电压，用以产生一比较结果，再根据该比较结果产生一第一调整信号以及一第二调整信号；
一第一控制电路，根据该第一及第二调整信号产生一第一控制信号；
一第二控制电路，根据该第一及第二调整信号产生一第二控制信号；
一第一输出晶体管，根据该第一控制信号输出一第一输出电流；以及
一第二输出晶体管，根据该第二控制信号输出一第二输出电流，其中当该输出电压大于该参考电压时，该第一输出电流不变，并且该第二输出电流增加，当该输出电压小于该参考电压时，该第一输出电流增加，并且该第二输出电流不变；
该第一及第二输出晶体管共同耦接一输出节点，该输出节点的电压为该输出电压。
2.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，当该输出电压大于该参考电压时，该第一输出电流小于该第二输出电流，当该输出电压小于该参考电压时，该第一输出电流大于该第二输出电流，当该输出电压等于该参考电压时，该第一输出电流等于该第二输出电流。
3.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，当该输出电压小于该参考电压时，该第二控制电路提供一二极管连接，当该输出电压大于该参考电压时，该第一控制电路提供一二极管连接。
4.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，该第一控制电路包括：
一第一晶体管，耦接一第一操作节点；以及
一第二晶体管，串联于该第一晶体管与一第一电流源之间，其中该第一电流源根据该第一调整信号产生一第一电流并耦接一第二操作节点。
5.如权利要求4所述的放大器，其特征在于，该第一晶体管的栅极耦接该第一电流源，并提供该第一控制信号。
6.如权利要求4所述的放大器，其特征在于，该第二控制电路包括：
一第三晶体管，耦接该第二操作节点；以及
一第四晶体管，串联于该第三晶体管与一第二电流源之间，其中该第二电流源根据该第二调整信号产生一第二电流并耦接该第一操作节点。
7.如权利要求6所述的放大器，其特征在于，该第三晶体管的栅极耦接该第二电流源，用以提供该第二控制信号。
8.如权利要求6所述的放大器，其特征在于，该第一及第二晶体管为P型晶体管，该第三及第四晶体管为N型晶体管。
9.如权利要求6所述的放大器，其特征在于，更包括：
一第三电流源，耦接于该第一操作节点与该第二晶体管的栅极之间，并根据该第一调整信号产生该第一电流；
一第四电流源，耦接于该第二晶体管的栅极之间与该第二操作节点之间，并根据该第二调整信号产生该第二电流；
一第五电流源，耦接于该第一操作节点与该第四晶体管的栅极之间，并根据该第一调整信号产生该第一电流；以及
一第六电流源，耦接于该第四晶体管的栅极与该第二操作节点之间，并根据该第二调整信号产生该第二电流。
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