CN114389552B - 多级放大电路 - Google Patents

Abstract

一种多级放大电路，包括前级放大电路与浮动控制电路，前级放大电路用以将输入端的电压差值放大而于多个前级转导节点分别产生对应的多个前级转导电流，浮动控制电路耦接于多个前级转导节点，浮动控制电路包括耦接为源极随耦器的浮动参考晶体管，以及浮动放大器，浮动放大器与浮动参考晶体管以反馈方式耦接，且根据该浮动控制电路内部的一浮动参考位准而以反馈方式产生上侧驱动信号与下侧驱动信号，其中上侧驱动信号与下侧驱动信号之间具有一预设电压差，浮动控制电路对应于多个前级转导节点为浮动。

Description

多级放大电路

技术领域

本发明涉及一种放大电路，特别是指一种具有输出级浮动控制的多级放大电路。本发明也涉及多级放大电路中的输出级浮动控制电路。

背景技术

图1公开一种现有技术的多级放大电路(多级放大电路101)。多级放大电路101的前级放大电路70为一运算转导放大器，其将第一输入端IN1与第二输入端IN2的电压差值放大而产生前级输出信号VO1，接着，以电源及固定偏置电流进行偏置操作的位移电路80根据前级输出信号VO1而产生上侧驱动信号DRU与下侧驱动信号DRL，分别用以驱动输出级电路90中的上侧晶体管MN1与下侧晶体管MP1。

图2公开一种现有技术的多级放大电路(多级放大电路102)。多级放大电路102与多级放大电路101类似，其中的位移电路80’以源极随耦器连接的晶体管MN2与二极管形式连接的位移晶体管MP2对前级输出信号VO1进行位移而产生上侧驱动信号DRU与下侧驱动信号DRL。

图1与图2的现有技术的多级放大电路，其缺点在于，由于需增加一级位移电路，因此会产生额外的寄生极点，影响多级放大电路的整体带宽，此外，在输出级的上侧晶体管MN1与下侧晶体管MN2较大的情况下，需大幅提高位移电路中的固定偏置电流方足以维持多级放大电路的稳定性，然而，这却又增加了多级放大电路的耗电。再者，采用位移电路来抵消上侧晶体管MN1与下侧晶体管MN2的栅源极电压，会因栅源极电压间的不匹配而影响输出输出振幅且可能提高失真。

其他相关的现有技术，请参阅“A compact power-efficient 3VCMOS rail-to-rail input/output operational amplifier for VLSI cell libraries,R.Hogervorst”,“Current gain high-frequency CMOS operational amplifiers,M.Milkovic”,“Datasheet of AD829,Analog Devices”,“Ahigh-performance micropowerswitched-capacitor filter,R.Castello”,US6333623以及“Analog Design Essentials,Willy Sansen”。

本发明相较于现有技术，具有实质上完全浮动的输出级浮动控制电路，除了可精准控制输出级的上下侧晶体管之外，也不会造成额外的带宽损失，此外，在本发明的架构下，还包括交流正反馈加速回路，在不影响稳定度的前提下，可进一步提高多级放大电路整体的响应速度，再者，本发明的多级放大电路可以较低的电流操作，因而相较于现有技术可大幅节省功耗。

发明内容

就其中一个观点言，本发明提供了一种多级放大电路，包含：一前级放大电路，用以将一第一输入端与一第二输入端的电压差值放大而于多个前级转导节点分别产生对应的多个前级转导电流，该多个前级转导电流包括彼此同相的一第一前级转导电流及一第二前级转导电流；以及一浮动控制电路，用以根据该第一前级转导电流与该第二前级转导电流而产生一上侧驱动信号与一下侧驱动信号，其中该浮动控制电路包括互相耦接的一第一子浮动控制电路以及一第二子浮动控制电路，用以分别产生一第一子浮动控制信号与一第二子浮动控制信号，该第一子浮动控制信号与该第二子浮动控制信号分别对应于该上侧驱动信号与该下侧驱动信号其中之一与另一；其中该第一子浮动控制电路包括：一第一浮动参考晶体管，接收该第一前级转导电流且耦接为一源极随耦器；以及一第一浮动放大器，与该第一浮动参考晶体管以反馈方式耦接，根据该浮动控制电路内部的一浮动参考位准而以反馈方式产生该第一子浮动控制信号，该第一子浮动控制信号控制该第一浮动参考晶体管的栅极，其中该浮动参考位准根据该第二前级转导电流而产生；其中该第一子浮动控制信号与该第二子浮动控制信号相对于该多个前级转导节点的电压为浮动，且该第一子浮动控制信号与该第二子浮动控制信号之间具有一预设电压差，其中该预设电压差相关于该第一浮动参考晶体管的栅源极电压。

在一种较佳的实施型态中，该预设电压差根据该第一前级转导电流而决定。

在一种较佳的实施型态中，该第一子浮动控制电路设置为以下选项之一：(1A)该第一浮动放大器通过反馈而调节该第一浮动参考晶体管的漏极电压使其正相关于该浮动控制电路内部的该浮动参考位准，由此产生该第一子浮动控制信号；或者(2A)该第一浮动放大器通过反馈而调节该第一浮动参考晶体管的源极电压使其正相关于该浮动控制电路内部的该浮动参考位准，由此产生该第一子浮动控制信号。

在一种较佳的实施型态中，该第一浮动放大器的电源与偏置电流产生自该多个前级转导电流中的第一前级转导电流之外的其他前级转导电流。

在一种较佳的实施型态中，其中该第一子浮动控制电路设置为选项(1A)；其中该第一浮动放大器包括一第一浮动放大晶体管，该第一浮动放大晶体管设置为一源极随耦器且受该第二前级转导电流偏置，其中该第一浮动放大晶体管的栅极用以接收该第一浮动参考晶体管的漏极电压以进行反馈控制，而于该第一浮动放大晶体管的源极产生该第一子浮动控制信号；其中该第一浮动放大晶体管的源极接收该第二前级转导电流且产生该浮动参考位准。

在一种较佳的实施型态中，该浮动控制电路的所有共模电压都同相响应于该多个前级转导节点的电压。

在一种较佳的实施型态中，该浮动控制电路相对于该多个前级转导节点形成一超节点(super node)。

在一种较佳的实施型态中，该浮动控制电路还包括一补偿电容，耦接于该第一浮动放大器内部的一第一内部节点与一第二内部节点之间；其中相对于该第一浮动放大器外部，该第一内部节点上的共模电压与该第二内部节点的共模电压分别根据该多个前级转导电流中的两个同相的前级转导电流而决定，且都同相响应于该多个前级转导节点的电压；以及相对于该第一浮动放大器内部，该第一内部节点与该第二内部节点为反相响应。

在一种较佳的实施型态中，该浮动控制电路的瞬时响应带宽低于该多级放大电路的瞬时响应带宽。

在一种较佳的实施型态中，该浮动控制电路还包括：一同步放大器，用以根据该上侧驱动信号或该下侧驱动信号的其中之一而产生一同步放大信号；以及一反馈电容，用以将该同步放大信号耦合于该上侧驱动信号或该下侧驱动信号的其中之另一；其中该同步放大器、该反馈电容与该第一子浮动控制电路形成一电压正反馈路径，以加速该上侧驱动信号与该下侧驱动信号的同相响应，进而加速该多级放大电路的瞬时响应。

在一种较佳的实施型态中，该同步放大器包括：一同步晶体管，受该多个前级转导电流中的一第三前级转导电流的偏置，该同步晶体管耦接为一源极随耦器，其栅极接收该上侧驱动信号或该下侧驱动信号的其中之一，而于其源极产生该同步放大信号；其中该同步晶体管、该反馈电容与该第一子浮动控制电路形成该电压正反馈路径。

在一种较佳的实施型态中，其中该多级放大电路还包含一输出级电路，用以根据该上侧驱动信号与该下侧驱动信号产生一放大输出信号，其中该输出级电路包括：一上侧晶体管以及一下侧晶体管，以源极对接的源极随耦器方式，耦接为一AB级输出放大电路，其中该上侧晶体管与该下侧晶体管分别受控于该上侧驱动信号与该下侧驱动信号而产生该放大输出信号。

在一种较佳的实施型态中，该第二子浮动控制电路设置为以下之一：(1B)其中该第一子浮动控制电路设置为选项(1A)，其中该第二子浮动控制电路包括：一第二浮动参考晶体管，接收该第一前级转导电流且耦接为一源极随耦器，其中该第一浮动参考晶体管的源极与该第二浮动参考晶体管的源极彼此耦接；以及一第二浮动放大器，与该第二浮动参考晶体管以反馈方式耦接，根据该浮动控制电路内部的该浮动参考位准而以反馈方式产生该第二子浮动控制信号，以控制该第二浮动参考晶体管的栅极，其中该第二浮动放大器通过反馈而调节该第二浮动参考晶体管的漏极电压使其正相关于该浮动参考位准，由此产生该第二子浮动控制信号；(2B)其中该第一子浮动控制电路设置为选项(2A)，其中该第二子浮动控制电路包括：一第二浮动参考晶体管，接收该第一前级转导电流且耦接为一源极随耦器，其中该第一浮动参考晶体管的源极与该第二浮动参考晶体管的源极彼此耦接；以及一第二浮动放大器，与该第二浮动参考晶体管以反馈方式耦接，根据该浮动控制电路内部的该浮动参考位准而以反馈方式产生该第二子浮动控制信号，以控制该第二浮动参考晶体管的栅极，其中该第二浮动放大器通过反馈而调节该第二浮动参考晶体管的源极电压使其正相关于该浮动参考位准，由此产生该第二子浮动控制信号；(3B)其中该第一子浮动控制电路设置为选项(1A)或(2A)，其中该第二子浮动控制电路包括：受该第一前级转导电流偏置的一浮动控制晶体管，其栅极与其漏极彼此耦接，其源极耦接于该第一浮动参考晶体管的源极，该浮动控制晶体管的漏极用以产生该第二子浮动控制信号。

在一种较佳的实施型态中，该上侧晶体管与该下侧晶体管的静态电流根据该前级放大电路的一差动放大级的偏置电流而决定。

在一种较佳的实施型态中，该前级放大电路包括多个推侧支路与对应的多个挽侧支路，该浮动控制电路耦接于该多个推侧支路与该多个挽侧支路之间，且该浮动控制电路对应于该多个推侧支路与该多个挽侧支路为浮动，其中该多个前级转导电流还包括与该第一前级转导电流为反相的一第四前级转导电流，以及与该第二前级转导电流为反相的一第五前级转导电流，其中该第一前级转导电流与该第四前级转导电流分别对应于该多个推侧支路中的第一推侧支路与该多个挽侧支路中的第一挽侧支路，该第二前级转导电流与该第五前级转导电流分别对应于该多个推侧支路中的第二推侧支路与该多个挽侧支路中的第二挽侧支路。

在一种较佳的实施型态中，该前级放大电路包括多个推侧支路与对应的多个挽侧支路，该浮动控制电路耦接于该多个推侧支路与该多个挽侧支路之间，且该浮动控制电路对应于该多个推侧支路与该多个挽侧支路为浮动，其中该前级放大电路包括具有固定电流值的一第一负载电流与一第二负载电流，其中该第一前级转导电流与该第一负载电流分别对应于该多个推侧支路中的第一推侧支路与该多个挽侧支路中的第一挽侧支路，该第二前级转导电流与该第二负载电流分别对应于该多个推侧支路中的第二推侧支路与该多个挽侧支路中的第二挽侧支路。

就另一观点言，本发明提供了一种多级放大电路，包含：一前级放大电路，用以将一第一输入端与一第二输入端的电压差值放大而于多个前级转导节点分别产生对应的多个前级转导电流，该多个前级转导电流包括彼此同相的一第一前级转导电流及一第二前级转导电流；以及一浮动控制电路，用以根据该第一前级转导电流与该第二前级转导电流而产生一上侧驱动信号与一下侧驱动信号，其中该浮动控制电路包括互相耦接的一第一子浮动控制电路以及一第二子浮动控制电路，用以分别产生一第一子浮动控制信号与一第二子浮动控制信号，该第一子浮动控制信号与该第二子浮动控制信号分别对应于该上侧驱动信号与该下侧驱动信号其中之一与另一；其中该第一子浮动控制信号与该第二子浮动控制信号相对于该多个前级转导节点的电压为浮动，且该第一子浮动控制信号与该第二子浮动控制信号之间具有一预设电压差；其中该浮动控制电路包括：一同步放大器，用以根据该上侧驱动信号或该下侧驱动信号的其中之一而产生一同步放大信号；以及一反馈电容，用以将该同步放大信号耦合于该上侧驱动信号或该下侧驱动信号的其中之另一；其中该同步放大器、该反馈电容与该第一子浮动控制电路形成一电压正反馈路径，以加速该上侧驱动信号与该下侧驱动信号的同相响应，进而加速该多级放大电路的瞬时响应。

在一种较佳的实施型态中，该同步放大器包括：一同步晶体管，受该多个前级转导电流中的一第三前级转导电流的偏置，该同步晶体管耦接为一源极随耦器，其栅极接收该上侧驱动信号或该下侧驱动信号的其中之一，而于其源极产生该同步放大信号；其中该同步晶体管、该反馈电容与该第一子浮动控制电路形成该电压正反馈路径。

在一种较佳的实施型态中，该多级放大电路还包含一输出级电路，用以根据该上侧驱动信号与该下侧驱动信号产生一放大输出信号，其中该输出级电路包括：一上侧晶体管以及一下侧晶体管，以源极对接的源极随耦器方式，耦接为一AB级输出放大电路，其中该上侧晶体管与该下侧晶体管分别受控于该上侧驱动信号与该下侧驱动信号而产生该放大输出信号。

以下通过具体实施例详加说明，应当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所实现的功效。

附图说明

图1公开一种现有技术的多级放大电路。

图2公开一种现有技术的多级放大电路。

图3显示根据本发明的多级放大电路的一种实施方式示意图。

图4显示根据本发明的多级放大电路的一种实施方式示意图。

图5显示根据本发明的多级放大电路的一种实施方式示意图。

图6A显示根据本发明的多级放大电路的一种具体实施方式示意图。

图6B显示根据本发明的多级放大电路的一种更具体的实施方式示意图。

图7A与图7B显示根据本发明的多级放大电路的两种实施方式示意图。

图8显示根据本发明的多级放大电路的一种实施方式示意图。

图9A与图9B显示根据本发明的多级放大电路的两种实施方式示意图。

图10显示根据本发明的多级放大电路的一种具体实施方式示意图。

图11A～图11B显示根据本发明的多级放大电路的两种包括浮动二极管的实施方式示意图。

图12显示根据本发明的多级放大电路的一种具体实施方式示意图。

图中符号说明

10:前级放大电路

11:差动放大级

101～105,108,110,112:多级放大电路

106A～106B:多级放大电路

107A:多级放大电路

109A～109B:多级放大电路

111A～111B:多级放大电路

20:浮动控制电路

21,22,21’,22’:子浮动控制电路

23:同步放大器

211,211’,221,221’:浮动放大器

30:输出级电路

70:前级放大电路

80:位移电路

90:输出级电路

CC:补偿电容

CFB:反馈电容

DRU,DRL:上侧驱动信号,下侧驱动信号

Ib:偏置电流

IU1-IUx,ID1-IDx,:前级转导电流

ID1’～IDx’:电流负载

IN1,IN2:输入端

MAF1,MAF2:浮动放大晶体管

Md1,Md2:晶体管

MFC1,MFC2:浮动控制晶体管

Mm1,Mm1A,Mm1B,Mm11～Mm1x:晶体管

Mm2,Mm21～Mm2x:晶体管

MN1:上侧晶体管

MP1:下侧晶体管

MN2:晶体管

MP2:晶体管

MRF1,MRF2:参考晶体管

Msnc:同步晶体管

ND1,ND2:内部节点

NI1,NI2:内部节点

NU1-NUx,ND1-NDx:前级转导节点

PPFB:电压正反馈路径

SNC:同步放大信号

VBP,VBN:偏置电压

VD:预设电压差

VF,VF1,VF2:浮动参考位准

VO1:前级输出信号

VOUT:放大输出信号

具体实施方式

本发明中的附图均属示意，主要意在表示各电路间的耦接关系，以及各信号波形之间的关系，至于电路、信号波形与频率则并未依照比例绘制。

图3显示根据本发明的多级放大电路的一种实施方式示意图(多级放大电路103)。多级放大电路103包含前级放大电路10以及浮动控制电路20。

前级放大电路10用以将第一输入端IN1与第二输入端IN2的电压差值加以转导放大而于多个前级转导节点(NU1-NUx,ND1-NDx,其中x为大于1的正整数)分别产生对应的多个支路的多个前级转导电流(IU1-IUx,ID1-IDx)。需说明的是，在一较佳实施例中，上述的前级转导电流IU1与ID1分别对应于其中一支路的推侧(push)与挽侧(pull)的电流，前级转导电流IU2与ID2分别对应于其中另一支路的推侧(push)与挽侧(pull)的电流，依此类推。

具体而言，在一实施例中，晶体管Md1与Md2由偏置电流Ib所偏置，形成一差动放大级11，晶体管Mm1,Mm1A,Mm1B,Mm11～Mm1x用以产生挽侧的多个前级转导电流，晶体管Mm2,Mm21～Mm2x则用以产生推侧的多个前级转导电流，下同。本实施例中，前级放大电路10为一全差动式的转导放大电路。此外，偏置电压VBP与VBN所偏置的其他晶体管则为叠接晶体管，用以提高各个电流支路的输出阻抗，此为本领域技术人员熟知，在此不予赘述。

浮动控制电路20用以根据前述的多个前级转导电流(IU1-IUx,ID1-IDx)而产生上侧驱动信号DRU与下侧驱动信号DRL，其中浮动控制电路20包括互相耦接的第一子浮动控制电路21以及第二子浮动控制电路22，用以分别产生第一子浮动控制信号与第二子浮动控制信号，本实施例中，第一子浮动控制信号与第二子浮动控制信号分别对应于上侧驱动信号DRU与下侧驱动信号DRL其中之一与另一；如图所示，本实施例中，第一子浮动控制信号对应于下侧驱动信号DRL，第二子浮动控制信号对应于上侧驱动信号DRU。

请继续参阅图3，在一实施例中，多级放大电路103还包含输出级电路30，用以根据上侧驱动信号DRU与下侧驱动信号DRL产生放大输出信号VOUT。

图4显示根据本发明的多级放大电路的一种实施方式示意图(多级放大电路104)。本实施例中，多个前级转导电流包括第一前级转导电流IU1及第二前级转导电流IU2，浮动控制电路20用以根据第一前级转导电流IU1与ID1，及第二前级转导电流IU2与ID2而产生上侧驱动信号DRU与下侧驱动信号DRL。本实施例中，第一子浮动控制电路21包括浮动参考晶体管MRF1与浮动放大器211。根据本发明，浮动控制电路20也可以根据第一前级转导电流IU1与第二前级转导电流IU2而产生上侧驱动信号DRU与下侧驱动信号DRL，而不一定需要第一前级转导电流ID1与第二前级转导电流ID2，细节将于后详述。

浮动参考晶体管MRF1接收第一前级转导电流IU1且耦接为一源极随耦器。浮动放大器211与浮动参考晶体管MRF1以反馈方式耦接，且浮动放大器211根据浮动控制电路20内部的一浮动参考位准VF而以反馈方式产生第一子浮动控制信号，其中第一子浮动控制信号(本实施例中对应于下侧驱动信号DRL)控制第一浮动参考晶体管MRF1的栅极，其中浮动参考位准VF根据第二前级转导电流IU2而产生。

请继续参阅图4，在一实施例中，第二子浮动控制电路22包括浮动参考晶体管MRF2与浮动放大器221。在一实施例中，第二子浮动控制电路22中的浮动参考晶体管MRF2与浮动放大器221的耦接与控制方式相似，以产生第二子浮动控制信号(本实施例中对应于上侧驱动信号DRU)，其中浮动参考晶体管MRF2配置为一源极随耦器，且浮动参考晶体管MRF2的源极与浮动参考晶体管MRF1的源极彼此耦接于节点NF1。在其他实施例中，第二子浮动控制电路22也可以采用其他的方式来产生第二子浮动控制信号。

请继续参阅图4，本实施例中，第一浮动放大器211通过反馈而调节第一浮动参考晶体管MRF1的漏极电压使其正相关于浮动控制电路20内部的浮动参考位准VF，由此产生第一子浮动控制信号。

本实施例中，第二浮动放大器221也通过反馈而调节第二浮动参考晶体管MRF2的漏极电压正相关于浮动控制电路20内部的浮动参考位准，由此产生第二子浮动控制信号，在一实施例中，浮动参考晶体管MRF2的漏极电压正相关于浮动参考位准VF。

本实施例中，第一子浮动控制信号与第二子浮动控制信号相对于多个前级转导节点的电压为浮动，且第一子浮动控制信号与第二子浮动控制信号之间具有一预设电压差VD。在一实施例中，预设电压差VD相关于第一浮动参考晶体管MRF1的栅源极电压，或者相关于第二浮动参考晶体管MRF2的栅源极电压。在一实施例中，预设电压差VD相关于第一浮动参考晶体管MRF1的栅源极电压与第二浮动参考晶体管MRF2的栅源极电压之和。如图所示，在一实施例中，预设电压差VD根据第一前级转导电流IU1而决定。

请继续参阅图4，本实施例中，输出级电路30包括上侧晶体管MN1以及下侧晶体管MP1，以源极对接的源极随耦器方式，耦接为AB级输出放大电路，其中上侧晶体管MN1与下侧晶体管MP1分别受控于上侧驱动信号DRU与下侧驱动信号DRL而产生放大输出信号VOUT。

以下通过图4的实施例更具体地说明本发明的操作方式。在一实施例中，第一浮动参考晶体管MRF1的栅极耦接于下侧晶体管MP1的栅极，且二者的源极耦接方向相同，就一种观点而言，第一浮动参考晶体管MRF1与下侧晶体管MP1在稳态时可视为虚拟电流镜，而在瞬时时，由于上侧驱动信号DRU与下侧驱动信号DRL(第一子浮动控制信号与第二子浮动控制信号)之间具有预设电压差VD，且相对于多个前级转导节点的电压为浮动，因此，便可控制上侧晶体管MN1与下侧晶体管MP1进行推挽式操作而产生放大输出信号VOUT。

此外，值得注意的是，以上述反馈方式调节浮动参考晶体管并控制输出级电路30的上侧晶体管MN1及╱或下侧晶体管MP1的方式，可以提高瞬时响应的速度，也能同时改善多级放大电路的稳定度。

再者，根据前述的配置，输出级电路30中的上侧晶体管MN1与下侧晶体管MP1的静态电流(quiescent current)根据前级放大电路10的差动放大级11的偏置电流Ib而决定。

此外需说明的是，在一实施例中，如图4所示，上侧晶体管MN1与下侧晶体管MP1彼此为互补型的晶体管，具体而言，上侧晶体管MN1为NMOS晶体管，而下侧晶体管MP1为PMOS晶体管，在此情况下，第一浮动参考晶体管MRF1对应为PMOS晶体管(用以控制P型的下侧晶体管MP1)，而第二浮动参考晶体管MRF2对应为NMOS晶体管(用以控制N型的上侧晶体管MN1)。

图5显示根据本发明的多级放大电路的另一种实施方式示意图(多级放大电路105)。本实施例中，第一浮动放大器211’通过反馈而调节第一浮动参考晶体管MRF1的源极电压使其正相关于浮动控制电路20内部的浮动参考位准VF，由此产生第一子浮动控制信号(对应于下侧驱动信号DRL)。本实施例与图4类似，虽然浮动参考晶体管受调节的端点不同，仍可达到上述所有的控制功能。

需说明的是上述以浮动放大器(如211,211’)通过反馈调节浮动参考晶体管(如MRF1)的源极电压或漏极电压使其正相关于浮动控制电路20内部的浮动参考位准(如VF)，在一实施例中，浮动放大器的正输入端与负输入端之间，可以通过锁定而相等，在另一实施例中，浮动放大器的正输入端与负输入端之间可具有一预设的偏移电压，使得浮动参考晶体管(如MRF1)的源极电压或漏极电压被调节而正相关于但可不相等于浮动参考位准(如VF)。

此外，如图4与图5所示，第二浮动放大器221或221’以相似且互补于第一浮动放大器211与211’的方式配置而控制互补于浮动参考晶体管MRF1的浮动参考晶体管MRF2。在一实施例中，上述的浮动放大器的配置方式可组合运用。举例而言，图4的第一子浮动控制电路可搭配图5的第二子浮动控制电路，依此类推。

图6A显示根据本发明的多级放大电路的一种实施方式示意图(多级放大电路106A)。本实施例中，第一浮动放大器211’包括第一浮动放大晶体管MAF1，第一浮动放大晶体管MAF1设置为一源极随耦器且受第二前级转导电流IU2偏置，其中第一浮动放大晶体管MAF1的栅极用以接收第一浮动参考晶体管MRF1的漏极电压以进行反馈控制，而于第一浮动放大晶体管MAF1的源极产生第一子浮动控制信号(对应于DRL)；本实施例中，第一浮动放大晶体管MAF1的源极接收第二前级转导电流IU2且产生浮动参考位准VF1。

就一观点而言，多级放大电路106A中的第一浮动放大晶体管MAF1以反馈方式调节第一浮动参考晶体管MRF1的漏极电压使其与浮动参考位准VF1大致上相差第一浮动放大晶体管MAF1的栅源极电压差。

图6B显示根据本发明的多级放大电路的一种实施方式示意图(多级放大电路106B)，本实施例与多级放大电路106A类似，其差别在于，多级放大电路106B中，第二浮动放大器221’以相似且互补于第一浮动放大器211’的方式配置。如图6B所示，本实施例中，第二浮动放大器221’包括第二浮动放大晶体管MAF2，第二浮动放大晶体管MAF2设置为一源极随耦器且受第三前级转导电流IU3偏置，其中第二浮动放大晶体管MAF2的栅极用以接收第二浮动参考晶体管MRF2的漏极电压以进行反馈控制，而于第二浮动放大晶体管MAF2的源极产生第二子浮动控制信号(对应于DRU)；本实施例中，第二浮动放大晶体管MAF1的源极接收第三前级转导电流IU3且产生浮动参考位准VF2。

就一观点而言，多级放大电路106B中的第二浮动放大晶体管MAF2以反馈方式调节第二浮动参考晶体管MRF2的漏极电压使其与浮动参考位准VF2大致上相差第二浮动放大晶体管MAF2的栅源极电压差。

在一实施例中，第一浮动放大器211’的电源与偏置电流产生自多个前级转导电流中的第一前级转导电流IU1之外的其他前级转导电流。以图6A为例，第一浮动放大器211’中的第一浮动放大晶体管MAF1由第二前级转导电流IU2提供电源与偏置而进行前述的放大调节功能，以图6B为例，第二浮动放大器221中的第二浮动放大晶体管MAF2由第三前级转导电流IU3提供电源与偏置而进行前述的放大调节功能。

需说明的是，在一实施例中，前述的浮动放大晶体管MAF1对应为PMOS晶体管，而浮动放大晶体管MAF2则对应为NMOS晶体管。

就一观点而言，浮动控制电路20中的所有共模电压都根据多个前级转导电流而决定，就另一观点而言，第一浮动放大器211与第二浮动放大器221的所有共模电压都根据多个前级转导电流而决定，以图4、图5与图6A～6B为例，节点NU1～NUx、ND1～NDx、NF1～NFx上的共模电压都分别根据前级转导电流IU1～IUx与ID1～IDx而决定，事实上，上述的特性同时对应了前述「第一子浮动控制信号与第二子浮动控制信号相对于多个前级转导节点的电压为浮动」的概念。其中，上述的共模电压是指对应于多级放大电路的接地节点而言的共模电压。

此外，上述有关共模电压的特性，还使本发明的多级放大电路具有另一特性：浮动控制电路20相对于前述的多个前级转导节点为浮动，或者，浮动控制电路20相对于前述的多个前级转导电流为浮动，因此，就另一观点而言，浮动控制电路20相对于前述的多个前级转导节点或前述的多个支路的多个前级转导电流形成一超节点(super node)。具体而言，浮动控制电路20所耦接的所有的于浮动控制电路20之外的支路电流总和为0。

再者，本发明的浮动控制电路20与多级放大电路之间，由于前述的特质所致，还有以下特性：浮动控制电路20的所有共模电压都同相响应于多个前级转导节点的电压。

图7A与图7B显示根据本发明的多级放大电路的两种实施方式示意图(多级放大电路107A,107B)，本实施例中，浮动控制电路20还包括补偿电容CC，耦接于第一浮动放大器211内部的第一内部节点(如ND1)与第二内部节点(如ND2)之间；其中相对于第一浮动放大器211的外部，第一内部节点(如ND1)上的共模电压与第二内部节点(如ND2)的共模电压分别根据多个前级转导电流中的两个支路的前级转导电流(如IU1,IU2)而决定，且都同相响应于多个前级转导节点的电压，此外，本实施例中，相对于第一子浮动控制电路的内部而言，第一内部节点(如ND1)与第二内部节点(如ND2)为反相响应。

需说明的是，相对于第一输入端IN1与第二输入端IN2的电压差值，前述用以决定共模电压的各个支路的前级转导电流之间都为同相，例如，前级转导电流IU1与前级转导电流IU2为同相，或者例如，前级转导电流ID1与前级转导电流ID2为同相，或者，就另一观点而言，前级转导电流IU1及前级转导电流ID1所组成的推挽支路(IU1为推侧支路，ID1为挽侧支路)，与前级转导电流IU2及前级转导电流ID2所组成的推挽支路为同相(IU2为推侧支路，ID2为挽侧支路)。

具体而言，以图7A为例，补偿电容CC耦接于第一浮动放大器211内部的第一内部节点ND1与第二内部节点ND2之间，亦即耦接于第一浮动放大晶体管MAF1的栅漏极之间(亦即节点ND1与ND2之间)，相对于第一子浮动控制电路的内部而言，第一浮动放大晶体管MAF1的栅极与漏极为反相响应，然而，第一浮动放大晶体管MAF1的栅漏极电压(亦即内部节点ND1与ND2)都同相响应于多个前级转导电流(如IU1,IU2)所造成的多个前级转导节点的电压变化。

本发明的上述特性可以使得浮动控制电路20或子浮动控制电路(如第一子浮动控制电路21)的内部稳定，但却仍可以使前级放大电路10对输出级电路30的具有高速的瞬时响应控制。在一较佳实施例中，浮动控制电路20的瞬时响应带宽甚至可以低于多级放大电路的瞬时响应带宽，而仍可保有上述的效能。

上述图7A的具体实施例仅为举例，在其他实施例中，如图7B所示，子浮动控制电路21中的补偿电容CC，耦接于第一浮动放大器211内部的内部节点(如NI1)与内部节点(如NI2)之间，且具有上述的共模同相与反相的放大响应，即可具有前述的效能。其中IUx,IUy,IDx,IDy代表与第一内部节点(如NI1)与第二内部节点(如NI2)有关的前级转导电流。

图8显示根据本发明的多级放大电路的一种实施方式示意图(多级放大电路108)。在一实施例中，浮动控制电路20还包括同步放大器23以及反馈电容CFB。同步放大器23用以根据上侧驱动信号DRU或下侧驱动信号DRL的其中之一而产生同步放大信号SNC。反馈电容CFB则用以将同步放大信号SNC耦合于上侧驱动信号DRU或下侧驱动信号DRL的其中之另一。

具体而言，以图8为例，同步放大器23用以根据下侧驱动信号DRL而产生同步放大信号SNC。反馈电容CFB则将同步放大信号SNC耦合于上侧驱动信号DRU。其中同步放大器23、反馈电容CFB、第二子浮动控制电路22与第一子浮动控制电路21形成电压正反馈路径PPFB，以加速上侧驱动信号DRU与下侧驱动信号DRL的同相响应，进而加速多级放大电路的瞬时响应。

图9A～图9B与图10显示根据本发明的多级放大电路的数种更具体的实施方式示意图(多级放大电路109A,109B,110)。在一实施例中，如图9A与图9B所示，同步放大器23包括同步晶体管Msnc，受多个前级转导电流中的前级转导电流IU4的偏置，同步晶体管Msnc耦接为一源极随耦器，本实施例中，同步晶体管Msnc的栅极接收下侧驱动信号DRL，而于其源极产生同步放大信号SNC，且通过反馈电容CFB将同步放大信号SNC馈送至上侧驱动信号DRU，其中同步晶体管Msnc、反馈电容CFB、第二子浮动控制电路22与第一子浮动控制电路21形成电压正反馈路径PPFB(图9A～图9B)，以加速上侧驱动信号DRU与下侧驱动信号DRL的同相响应，进而加速多级放大电路的瞬时响应。更具体地说，本实施例中，同步晶体管Msnc、反馈电容CFB、第二浮动参考晶体管MRF2与第一浮动参考晶体管MRF1形成电压正反馈路径PPFB(图10)。

图11A～图11B显示根据本发明的多级放大电路的两种包括浮动二极管的实施方式示意图(多级放大电路111A,111B)。在一实施例中，浮动控制电路中的其中之一子浮动控制电路可设置为较简化的例如二极管形式的位移电路。以图11A～图11B为例，在这些实施例中，子浮动控制电路(21’或22’)包括以二极管方式连接的浮动控制晶体管MFC1或MFC2，浮动控制晶体管MFC1或MFC2的源极耦接于浮动参考晶体管MRF1或MRF2的源极，浮动控制晶体管MFC1或MFC2的漏极用以产生对应的子浮动控制信号。其中浮动控制晶体管MFC1或MFC2的栅源极电压根据前级转导电流IU1而决定。

图12显示根据本发明的多级放大电路的一种实施方式示意图(多级放大电路112)。多级放大电路112与图3的多级放大电路103类似，其差别在于，本实施例中，前级放大电路10并非为全差动形式的转导放大电路，具体而言，本实施例中，前级转导电流IU1～IUx仍是将前级放大电路10用以将第一输入端IN1与第二输入端IN2的电压差值加以转导放大而产生，但对应的挽侧的电流ID1’～IDx’则为固定的电流负载，本实施例仍可产生前述的上侧驱动信号DRU与下侧驱动信号DRL，且同样具有前述的所有效能。

在此总结本发明的多级放大电路的效能优越之处，首先，由于上侧晶体管MN1与下侧晶体管MP1的静态电流根据前级放大电路10的差动放大级11的偏置电流Ib而决定，因此，可精准控制整体多级放大电路的静态电流以实现高效率。此外，根据本发明，由于浮动控制电路20的内部控制回路，包括其参考电压，都浮动于多个前级转导节点上的电压，因此，可以通过前级放大电路的高增益与浮动控制电路20良好的浮动功效，对AB级输出放大电路实现精准而高速的控制。再者，前述的电压正反馈路径PPFB可加速上侧驱动信号DRU与下侧驱动信号DRL的同相响应，进而加速多级放大电路的瞬时响应，同时又不影响整体多级放大电路的稳定度。此外，由于浮动控制电路20相对于多个前级转导节点为浮动，因此前述的补偿电容CC可确保浮动控制电路20内部回路的稳定，却又不影响整体多级放大电路的瞬时响应速度。

以上已针对较佳实施例来说明本发明，但以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。所说明的各个实施例，并不限于单独应用，也可以组合应用，举例而言，两个或以上的实施例可以组合运用，而一实施例中的部分组成也可用以取代另一实施例中对应的组成部件，例如，上述的第一子浮动控制电路与第二子浮动电路可以采用上述所提到的各种实施例而组合，并不仅限于所列出的组合形式。此外，在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以想到各种等效变化以及各种组合，举例而言，本发明所称“根据某信号进行处理或运算或产生某输出结果”，不限于根据该信号的本身，也包含于必要时，将该信号进行电压电流转换、电流电压转换、及/或比例转换等，之后根据转换后的信号进行处理或运算产生某输出结果。由此可知，在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以想到各种等效变化以及各种组合，其组合方式甚多，在此不一一列举说明。因此，本发明的范围应涵盖上述及其他所有等效变化。

Claims (19)

1.一种多级放大电路，包含：

一前级放大电路，用以将一第一输入端与一第二输入端的电压差值放大而于多个前级转导节点分别产生对应的多个前级转导电流，该多个前级转导电流包括彼此同相的一第一前级转导电流及一第二前级转导电流；以及

一浮动控制电路，用以根据该第一前级转导电流与该第二前级转导电流而产生一上侧驱动信号与一下侧驱动信号，其中该浮动控制电路包括互相耦接的一第一子浮动控制电路以及一第二子浮动控制电路，用以分别产生一第一子浮动控制信号与一第二子浮动控制信号，该第一子浮动控制信号与该第二子浮动控制信号分别对应于该上侧驱动信号与该下侧驱动信号其中之一与另一；

其中该第一子浮动控制电路包括：

一第一浮动参考晶体管，接收该第一前级转导电流且耦接为一源极随耦器；以及

一第一浮动放大器，与该第一浮动参考晶体管以反馈方式耦接，根据该浮动控制电路内部的一浮动参考位准而以反馈方式产生该第一子浮动控制信号，该第一子浮动控制信号控制该第一浮动参考晶体管的栅极，其中该浮动参考位准根据该第二前级转导电流而产生；

其中该第一子浮动控制信号与该第二子浮动控制信号相对于该多个前级转导节点的电压为浮动，且该第一子浮动控制信号与该第二子浮动控制信号之间具有一预设电压差，其中该预设电压差相关于该第一浮动参考晶体管的栅源极电压。

2.如权利要求1所述的多级放大电路，其中该预设电压差根据该第一前级转导电流而决定。

3.如权利要求1所述的多级放大电路，其中该第一子浮动控制电路设置为以下选项之一：

(1A)该第一浮动放大器通过反馈而调节该第一浮动参考晶体管的漏极电压使其正相关于该浮动控制电路内部的该浮动参考位准，由此产生该第一子浮动控制信号；或者

(2A)该第一浮动放大器通过反馈而调节该第一浮动参考晶体管的源极电压使其正相关于该浮动控制电路内部的该浮动参考位准，由此产生该第一子浮动控制信号。

4.如权利要求1所述的多级放大电路，其中

该第一浮动放大器的电源与偏置电流产生自该多个前级转导电流中的第一前级转导电流之外的其他前级转导电流。

5.如权利要求3所述的多级放大电路，

其中该第一子浮动控制电路设置为选项(1A)；

其中该第一浮动放大器包括一第一浮动放大晶体管，该第一浮动放大晶体管设置为一源极随耦器且受该第二前级转导电流偏置，其中该第一浮动放大晶体管的栅极用以接收该第一浮动参考晶体管的漏极电压以进行反馈控制，而于该第一浮动放大晶体管的源极产生该第一子浮动控制信号；

其中该第一浮动放大晶体管的源极接收该第二前级转导电流且产生该浮动参考位准。

6.如权利要求1所述的多级放大电路，其中

该浮动控制电路的所有共模电压都同相响应于该多个前级转导节点的电压。

7.如权利要求1所述的多级放大电路，其中

该浮动控制电路相对于该多个前级转导节点形成一超节点。

8.如权利要求6所述的多级放大电路，其中

该浮动控制电路还包括一补偿电容，耦接于该第一浮动放大器内部的一第一内部节点与一第二内部节点之间；

其中

相对于该第一浮动放大器外部，该第一内部节点上的共模电压与该第二内部节点的共模电压分别根据该多个前级转导电流中的两个同相的前级转导电流而决定，且都同相响应于该多个前级转导节点的电压；以及

相对于该第一浮动放大器内部，该第一内部节点与该第二内部节点为反相响应。

9.如权利要求8所述的多级放大电路，其中

该浮动控制电路的瞬时响应带宽低于该多级放大电路的瞬时响应带宽。

10.如权利要求1所述的多级放大电路，其中

该浮动控制电路还包括：

一同步放大器，用以根据该上侧驱动信号或该下侧驱动信号的其中之一而产生一同步放大信号；以及

一反馈电容，用以将该同步放大信号耦合于该上侧驱动信号或该下侧驱动信号的其中之另一；

其中该同步放大器、该反馈电容与该第一子浮动控制电路形成一电压正反馈路径，以加速该上侧驱动信号与该下侧驱动信号的同相响应，进而加速该多级放大电路的瞬时响应。

11.如权利要求10所述的多级放大电路，其中

该同步放大器包括：

一同步晶体管，受该多个前级转导电流中的一第三前级转导电流的偏置，该同步晶体管耦接为一源极随耦器，其栅极接收该上侧驱动信号或该下侧驱动信号的其中之一，而于其源极产生该同步放大信号；

其中该同步晶体管、该反馈电容与该第一子浮动控制电路形成该电压正反馈路径。

12.如权利要求1所述的多级放大电路，还包含一输出级电路，用以根据该上侧驱动信号与该下侧驱动信号产生一放大输出信号，其中该输出级电路包括：

一上侧晶体管以及一下侧晶体管，以源极对接的源极随耦器方式，耦接为一AB级输出放大电路，其中该上侧晶体管与该下侧晶体管分别受控于该上侧驱动信号与该下侧驱动信号而产生该放大输出信号。

13.如权利要求3所述的多级放大电路，其中该第二子浮动控制电路设置为以下之一：

(1B)其中该第一子浮动控制电路设置为选项(1A)，其中该第二子浮动控制电路包括：

一第二浮动参考晶体管，接收该第一前级转导电流且耦接为一源极随耦器，其中该第一浮动参考晶体管的源极与该第二浮动参考晶体管的源极彼此耦接；以及

一第二浮动放大器，与该第二浮动参考晶体管以反馈方式耦接，根据该浮动控制电路内部的该浮动参考位准而以反馈方式产生该第二子浮动控制信号，以控制该第二浮动参考晶体管的栅极，其中该第二浮动放大器通过反馈而调节该第二浮动参考晶体管的漏极电压使其正相关于该浮动参考位准，由此产生该第二子浮动控制信号；

(2B)其中该第一子浮动控制电路设置为选项(2A)，其中该第二子浮动控制电路包括：

一第二浮动参考晶体管，接收该第一前级转导电流且耦接为一源极随耦器，其中该第一浮动参考晶体管的源极与该第二浮动参考晶体管的源极彼此耦接；以及

一第二浮动放大器，与该第二浮动参考晶体管以反馈方式耦接，根据该浮动控制电路内部的该浮动参考位准而以反馈方式产生该第二子浮动控制信号，以控制该第二浮动参考晶体管的栅极，其中该第二浮动放大器通过反馈而调节该第二浮动参考晶体管的源极电压使其正相关于该浮动参考位准，由此产生该第二子浮动控制信号；

(3B)其中该第一子浮动控制电路设置为选项(1A)或(2A)，其中该第二子浮动控制电路包括：

受该第一前级转导电流偏置的一浮动控制晶体管，其栅极与其漏极彼此耦接，其源极耦接于该第一浮动参考晶体管的源极，该浮动控制晶体管的漏极用以产生该第二子浮动控制信号。

14.如权利要求12所述的多级放大电路，其中该上侧晶体管与该下侧晶体管的静态电流根据该前级放大电路的一差动放大级的偏置电流而决定。

15.如权利要求1所述的多级放大电路，其中该前级放大电路包括多个推侧支路与对应的多个挽侧支路，该浮动控制电路耦接于该多个推侧支路与该多个挽侧支路之间，且该浮动控制电路对应于该多个推侧支路与该多个挽侧支路为浮动，其中该多个前级转导电流还包括与该第一前级转导电流为反相的一第四前级转导电流，以及与该第二前级转导电流为反相的一第五前级转导电流，其中该第一前级转导电流与该第四前级转导电流分别对应于该多个推侧支路中的第一推侧支路与该多个挽侧支路中的第一挽侧支路，该第二前级转导电流与该第五前级转导电流分别对应于该多个推侧支路中的第二推侧支路与该多个挽侧支路中的第二挽侧支路。

16.如权利要求1所述的多级放大电路，其中该前级放大电路包括多个推侧支路与对应的多个挽侧支路，该浮动控制电路耦接于该多个推侧支路与该多个挽侧支路之间，且该浮动控制电路对应于该多个推侧支路与该多个挽侧支路为浮动，其中该前级放大电路包括具有固定电流值的一第一负载电流与一第二负载电流，其中该第一前级转导电流与该第一负载电流分别对应于该多个推侧支路中的第一推侧支路与该多个挽侧支路中的第一挽侧支路，该第二前级转导电流与该第二负载电流分别对应于该多个推侧支路中的第二推侧支路与该多个挽侧支路中的第二挽侧支路。

17.一种多级放大电路，包含：

一前级放大电路，用以将一第一输入端与一第二输入端的电压差值放大而于多个前级转导节点分别产生对应的多个前级转导电流，该多个前级转导电流包括彼此同相的一第一前级转导电流及一第二前级转导电流；以及

一浮动控制电路，用以根据该第一前级转导电流与该第二前级转导电流而产生一上侧驱动信号与一下侧驱动信号，其中该浮动控制电路包括互相耦接的一第一子浮动控制电路以及一第二子浮动控制电路，用以分别产生一第一子浮动控制信号与一第二子浮动控制信号，该第一子浮动控制信号与该第二子浮动控制信号分别对应于该上侧驱动信号与该下侧驱动信号其中之一与另一；其中该第一子浮动控制信号与该第二子浮动控制信号相对于该多个前级转导节点的电压为浮动，且该第一子浮动控制信号与该第二子浮动控制信号之间具有一预设电压差；其中该浮动控制电路包括：

一同步放大器，用以根据该上侧驱动信号或该下侧驱动信号的其中之一而产生一同步放大信号；以及

一反馈电容，用以将该同步放大信号耦合于该上侧驱动信号或该下侧驱动信号的其中之另一；

其中该同步放大器、该反馈电容与该第一子浮动控制电路形成一电压正反馈路径，以加速该上侧驱动信号与该下侧驱动信号的同相响应，进而加速该多级放大电路的瞬时响应。

18.如权利要求17所述的多级放大电路，其中

该同步放大器包括：

一同步晶体管，受该多个前级转导电流中的一第三前级转导电流的偏置，该同步晶体管耦接为一源极随耦器，其栅极接收该上侧驱动信号或该下侧驱动信号的其中之一，而于其源极产生该同步放大信号；

其中该同步晶体管、该反馈电容与该第一子浮动控制电路形成该电压正反馈路径。

19.如权利要求17所述的多级放大电路，还包含一输出级电路，用以根据该上侧驱动信号与该下侧驱动信号产生一放大输出信号，其中该输出级电路包括：

一上侧晶体管以及一下侧晶体管，以源极对接的源极随耦器方式，耦接为一AB级输出放大电路，其中该上侧晶体管与该下侧晶体管分别受控于该上侧驱动信号与该下侧驱动信号而产生该放大输出信号。