CN111580593A - 具有限流电路的多级放大电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种多级放大电路，该多级放大电路用于输出一第一输出信号，并且包含：一输入级电路、一中间级电路以及一输出级电路。该输入级电路包含至少一放大电路，该放大电路接收该第一输出信号与一参考信号，并据此于该输入级电路之输出端产生一第二输出信号。该中间级电路耦接于该输入级电路，用于对该多级放大电路进行一频率补偿。该输出级电路耦接于该中间级电路与该输入级电路，用以依据该第二输出信号，于该输出级电路之输出端产生该第一输出信号。其中，该输出级电路包含至少一限流电路，该限流电路受控于该第二输出信号，以调节该第一输出信号之准位。

Description

具有限流电路的多级放大电路
技术领域
本发明系关于多级放大电路，尤指一种具备限流电路的多级放大电路。
背景技术
在低压差稳压器(Low-dropout regulator，LDO)或缓冲器等模拟电路中，常会采用多级放大器的架构。一般来说，多级放大器的输出级常由一个功率元件所组成，这个功率元件会受到前一级电路的控制，以从电源端提供稳定的输出电压与电流至多级放大器的输出端，形成输出信号。然而，由于功率元件本身会产生漏电流，即便在多级放大器关闭的情形下，漏电流会流至输出端的寄生电容或者是负载电容中，这将会导致输出端的电压逐步上升。时间一长，这会让输出端的电压接近电源端的供应电压VDD。这样一来，可能会造成后端电路的损坏。举例来说，当多级放大器被设计作为低压差稳压器使用时，这意味着后端电路可以承受的电压范围大多低于供应电压VDD，在这种情况下，过高的输出端电压很可能造成后端电路的烧毁。
为了解决这个问题，习知技术中存在于输出端增加一固定负载的解决方案。然而，固定负载虽可避免输出端的电压因漏电流而升高，可是却带来额外的能耗。因此，需要提供一种解决方案，以在不过度增加能耗的情形下，改善多级放大电路之输出端因漏电流导致的电压上升问题。
发明内容
为了解决这个问题，本发明提供一种在多级放大电路的输出端加上可自我调节之负载的技术方案。在本发明所提供的技术方案中，一个主要由晶体管所组成的限流电路被连接在多级放大电路之输出级电路的输出端，而且受控于多级放大电路之输入级电路。输入级电路会根据输出级电路的输出端所回授的电压信号，产生一信号来控制限流电路，从而抑制输出级电路的输出端电压上升。由于本发明的限流电路主要由输入级电路所控制，因此并不需要设置额外的偏压电路或控制电路来调节限流电路的运作，而且在输出端电压未过度上升的情形下，限流电路可以被关闭，这样一来，有利用低功耗设计。
本发明之一实施例提供一种多级放大电路，该多级放大电路用以输出一第一输出信号，并包含：一输入级电路、一中间级电路以及一输出级电路。该输入级电路包含至少一放大电路，该放大电路接收该第一输出信号与一参考信号，并据此于该输入级电路之输出端产生一第二输出信号。该中间级电路耦接于该输入级电路，用于对该多级放大电路进行一频率补偿。该输出级电路耦接于该中间级电路与该输入级电路，用以依据该第二输出信号，于该输出级电路之输出端产生该第一输出信号。其中，该输出级电路包含至少一限流电路，该限流电路受控于该第二输出信号，以调节该第一输出信号之准位。
附图说明
图1绘示了本发明之一实施例的多级放大电路。
图2绘示了本发明之限流电路如何受到输入级电路的控制。
图3A～图3C解释了输出级电路的输出端电压上升如何影响限流电路的运作。
附图标记说明
110 输入级电路
112 差动对
114、124、134 输出端
120 中间级电路
122 电流镜
130 输出级电路
132 功率元件
136 限流电路
M1～M12 晶体管
C1、C2 电容
具体实施方式
在以下内文中，描述了许多具体细节以提供阅读者对本发明实施例的透彻理解。然而，本领域的技术人士将能理解，如何在缺少一个或多个具体细节的情况下，或者利用其他方法或元件或材料等来实现本发明。在其他情况下，众所皆知的结构、材料或操作不会被示出或详细描述，从而避免模糊本发明的核心概念。
说明书中提到的「一实施例」意味着该实施例所描述的特定特征、结构或特性可能被包含于本发明的至少一个实施例中。因此，本说明书中各处出现的「在一实施例中」不一定意味着同一个实施例。此外，前述的特定特征、结构或特性可以以任何合适的形式在一个或多个实施例中结合。
图1绘示了本发明之一实施例的多级放大电路100。多级放大电路100由输入级电路110、中间级电路120以及输出级电路130所组成。请注意，在本发明的其他实施例中，多级放大电路100可能包含更多级电路，例如在输入级电路110之前可能还有一级或多级电路；或者是在输入级电路110与中间级电路120之间，以及在中间级电路120与输出级电路130之间也可能还有一级或多级电路。因此，图示中绘示的三级电路110、120与130并非是本发明之多级放大电路的唯一实施形式。再者，在一个实施例中，多级放大电路100可独自或与其他电路组成为一低压差稳压器。
输入级电路110主要包含有由晶体管M1与M2所组成的差动对112，作为一放大电路来提供高增益。差动对112的一个输入是参考信号VREF，以及另一个输入是多级放大电路100的输出级电路130的输出信号VOUT，差动对112系基于参考信号VREF以及输出信号VOUT，以于输出级电路110的输出端114上产生输出信号VO1。另外，输入级电路110中还包含有晶体管M3～M6，用以对差动对112中的晶体管M1与M2进行偏压以及提供输出阻抗。
中间级电路120耦接于输入级电路110，其主要作用在于对多级放大电路100进行一频率补偿。并且，中间级电路120包含由晶体管M7与晶体管M8所形成的电流镜122。当输入级电路110的输出信号VO1被输入至中间级电路120后，会在晶体管M9上形成一参考电流IR，电流镜122将复制参考电流IR，并且在中间级电路120的输出端124上产生一输出信号VO2。其中，中间级电路120中的晶体管M10以及电容C1可对多级放大电路100整体提供频率补偿的效果。
输出级电路130耦接至中间级电路120与输出级电路110，并且根据中间级电路120所提供的输出信号VO2，于输出级电路130的输出端134上产生一输出信号VOUT。输出级电路130主要由功率元件132所组成，功率元件132耦接于输出级电路130的输出端134，并且受到中间级电路120所提供的输出信号VO2的控制，从而从供应电压VDD处，提供一电流IO至输出端134，以形成输出信号VOUT。
在一个较佳实施例中，功率元件132可以由功率晶体管M11所实现。功率晶体管M11之栅极耦接于中间级电路120之输出端124、源极耦接于供应电压VDD以及汲极耦接于输出级电路130之输出端134。功率晶体管M11可由栅极上的信号VO2来控制其导通程度，从而调节流至输出端134的电流IO，以改变输出信号VOUT。请注意，在本发明的其他实施例中，功率元件132中可能还包含有其他的元件，以辅助其运作。另外，输入级电路110之输出端114透过一电容性元件C2耦接于输出级电路130之输出端134。
为了解决功率元件132的漏电流可能造成输出端134电压上升的问题，本发明在输出级电路130中还设置了限流电路136。限流电路136受控于输入级电路110的输出信号VO1，进而调节输出信号VOUT的准位。在一个较佳实施例中，限流电路136系由一限流晶体管M12所组成。限流晶体管M12的栅极耦接于输入级电路110的输出端114、汲极耦接于输出级电路130的输出端134以及源极耦接至地。其中，限流晶体管M12可由栅极上的信号VO1来控制其导通，从而将功率元件132的漏电流导入至地(以及对输出端134进行放电)，进而抑制因漏电流流入寄生电容或负载电容而造成的电压上升。请注意，在本发明的其他实施例中，限流电路136中可能还包含有其他的元件，以辅助其运作。
关于本发明限流电路136所提供的效果，请参考图2与图3A～3C的说明。首先，根据图2可知，输出级电路110中的差动对112的实际作用相当于图2所示的比较器210，实质上根据输出信号VOUT与参考信号VREF的差异来调节输出信号VO1，而输出信号VO1则用于调节限流晶体管M12的导通程度，进而抑制输出信号VOUT的上升。图3A～3C进一步说明了其中的细节。首先，在图3A中，输出信号VOUT因为漏电流的关系而逐步上升。接着，在图3B中，输出信号VOUT回授至比较器210的一个输入端，因为输出信号VOUT的上升，使得其与参考信号VREF之间的差异增加(输出信号VOUT大于参考信号VREF)，进而让比较器210输出更大的输出信号VO1。接着，在图3C中，由于输出信号VO1的上升，会导致限流晶体管M12导通(或者是强化其导通程度)，从而提供限流电流IL(或增加既有的限流电流IL)，降低输出信号VOUT的准位。
综上所述，本发明的限流电路136可以有效地抑制多级放大电路100的输出端134上的输出信号VOUT因漏电流而上升的风险。并且，由于限流电路136系由输入级电路110之差动对112所控制，而差动对112又是根据输出信号VOUT的回授，调节对限流电路136的控制以及调节限流电路136中之限流晶体管M12的导通程度。也就是说，在输出信号VOUT不过大的情形下(相对于参考信号VREF来说)，限流电路136的导通程度有限(甚至是完全关闭)，因此不会过度地增加多级放大电路100的整体能耗。而相对于习知技术中的固定负载来说，由于习知技术中的固定负载多半采用电阻，或者是由额外的偏压电路所控制的晶体管，除了占用面积大之外，能耗也较大。本发明的限流电路136具有相对较低的能耗，有利于低功率的电路设计。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多级放大电路，用于输出一第一输出信号，包含：
一输入级电路，包含至少一放大电路，该放大电路接收该第一输出信号与一参考信号，并据此于该输入级电路的输出端产生一第二输出信号；
一中间级电路，耦接于该输入级电路，对该多级放大电路进行一频率补偿；以及
一输出级电路，耦接于该中间级电路与该输入级电路，依据该第二输出信号，于该输出级电路的输出端产生该第一输出信号，该输出级电路包含至少一限流电路，该限流电路受控于该第二输出信号，调节该第一输出信号的准位。
2.如权利要求1所述的多级放大电路，其特征在于，当该第一输出信号大于该参考信号时一定程度时，该限流电路依据该第二输出信号调降该第一输出信号的准位。
3.如权利要求1所述的多级放大电路，其特征在于，该限流电路还包含一限流开关，该限流开关的控制端耦接于该输入级电路的输出端、该限流开关的第一端耦接于该输出级电路的输出端、以及该限流开关的第二端耦接至地；并且，该限流开关受控于该第二输出信号而产生一输出电流至地，从而调节该第一输出信号的准位。
4.如权利要求1所述的多级放大电路，其特征在于，该输出级电路还包含一功率元件，该功率元件的一端耦接于该输出级电路的输出端，用以从一电源提供一电流至该输出级电路的输出端。
5.如权利要求4所述的多级放大电路，其特征在于，该功率元件为一功率晶体管，该功率晶体管的控制端耦接于该中间级电路的输出端、该功率晶体管的第一端耦接于该电源以及该功率晶体管的第二端耦接于该输出级电路的输出端。
6.如权利要求5所述的多级放大电路，其特征在于，该中间级电路还包含一电流镜，用以复制基于该第二输出信号所产生的一参考电流，从而透过该第二级电路的该输出端控制该功率晶体管。
7.如权利要求1所述的多级放大电路，其特征在于，该输入级电路的输出端透过一电容性元件耦接于该输出级电路的该输出端。
8.如权利要求1所述的多级放大电路，其特征在于，该输入级电路中的该放大电路包含一差动对，该差动对的第一输入端耦接于该第一输出信号，以及该差动对的一第二输入端耦接于该参考信号。
9.如权利要求1所述的多级放大电路，其特征在于，该多级放大电路为一低压差稳压器(Low dropout regulator)。
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