CN1734932A - 可变增益的放大电路 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一种可变增益的放大电路，利用梯形电阻架构进行增益微调，以提供较精确的增益值。此放大电路包括一输入端、一运算放大器、一电阻装置以及一回授电阻。回授电阻耦接于运算放大器的输出端与反相输入端之间，电阻装置则耦接于放大电路的输入端与运算放大器的反相输入端间。电阻装置包含至少一梯形电阻。电阻装置还包含一开关单元，以控制各梯形电阻是否导通。本发明还可应用于差动放大电路的组态。

Description

可变增益的放大电路

技术领域

本发明涉及可变增益的放大电路，特别是涉及一种具有梯形电阻架构的可变增益放大电路。

背景技术

在现今的电路设计中，常需要提供高精确度的讯号放大功能。例如，在常用的无线通讯调制机制里，不论是相位调制或频率调制都会使用到I/Q讯号。然而，只要I/Q讯号的振幅有少许不匹配，即会破坏讯号的星座图(constellation diagram)，并增加通讯系统的位错误率(bit error rate，BER)。因此，就需要利用具有高精确增益的放大器，以准确控制I/Q讯号的振幅。

一般开回路式的放大器，增益漂移相当大，所以并不符合高精确增益的要求；而常用的闭回路式放大器，亦不易精确控制增益。图1是已知的闭回路式放大器的电路图，其包含一运算放大器10、一耦接于输入端与运算放大器10的反相输入端间的电阻R₁以及一耦接于输出端与运算放大器10的反相输入端间的回授电阻R₂，V_in与V_out则分别为输入电压与输出电压。由于负回授及虚短路(virtual short)的特性，可推得图1的放大电路的增益值(V_out/V_in)为-R₂/R₁，藉由调整R₁与R₂的电阻值，可得到所需的增益。然而，若想利用图1的电路取得高精确度的增益，如1.001倍，则由于R₁与R₂的电阻值差异相当大(如R₁＝1k ohm、R2＝1k+1ohm)，很容易因R₁与R₂本身电阻值的些微误差，而影响增益的精确度。特别是在集成电路(IC)上使用时，由于温度、制程、供应电压漂移等因素不易完全掌握，更不易达到此种高精确度。

发明内容

有鉴于此，本发明的一个目的，是提出一种可变增益的放大电路，能利用梯形电阻架构进行增益微调，以提供较佳的增益值。

本发明的另一个目的，则是提出一种可变增益的放大电路，以补偿由于温度、制程、供应电压漂移等因素所造成的增益不匹配。

为实现上述目的，本发明提供一种可变增益的放大电路，其包括一输入端、一运算放大器、一电阻装置以及一回授电阻。运算放大器具有一反相输入端、一接地的正相输入端、以及一输出端。回授电阻耦接于运算放大器的输出端与反相输入端之间，而电阻装置则耦接于放大电路的输入端与运算放大器的反相输入端间。电阻装置包含至少一梯形电阻及一控制各梯形电阻是否导通的开关单元。

另一方面，本发明还提供一种可变增益的差动放大电路，其包括一正输入端与一负输入端、一差动运算放大器、一第一与一第二电阻装置以及一第一与一第二回授电阻。差动运算放大器具有一反相输入端、一正相输入端、一反相输出端及一正相输出端。第一回授电阻耦接于差动运算放大器的正相输出端与反相输入端之间，而第二回授电阻则耦接于差动运算放大器的反相输出端与正相输入端之间。第一电阻装置耦接于反相输入端与正输入端之间，而第二电阻装置则耦接于正相输入端与负输入端之间。

其中，第一电阻装置包含至少一第一梯形电阻及控制各第一梯形电阻是否导通的一第一开关单元，而第二电阻装置则包含至少一第二梯形电阻及控制各第二梯形电阻是否导通的一第二开关单元。

附图说明

图1是已知的闭回路式放大器的电路图。

图2示出了五级梯形电阻的电路结构图。

图3示出了本发明的可变增益放大电路的一较佳实施例的电路图。

图4示出了本发明的可变增益差动放大电路的一较佳实施例的电路图。

附图标号说明

10、30：运算放大器

20、22、24、26、28：梯形电阻的一级

201、221、241、261、281：节点

32：电阻装置

321-1～321-n：梯形电阻

322：开关单元

40：差动运算放大器

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的较佳实施例作一详细说明，以便对本发明有更进一步的了解与认同。

本发明是利用梯形电阻来调整闭回路式放大电路的电阻值，以达到较精确控制增益的目的。以下先说明梯形电阻的电路结构及原理。

图2示出了五级梯形电阻的电路结构图，其中每一级(即方块20、22、24、26及28)各具有一节点(标示为201、221、241、261及281)及两条电流路径，其中一条耦合至接地点，另一条则耦接至下一级的节点。图中各电阻的阻值原可为非特定阻值的组合，但为了简化说明，在此以电阻R₂₀、R₂₁、R₂₃、R₂₅、R₂₇及R₂₉的阻值为电阻R₂₂、R₂₄、R₂₆及R₂₈的两倍为例，亦即，图2的梯形电阻为5位的R-2R电阻网络，而其等效电路可推导如下：电阻R₂₀与R₂₁并联后的阻值为1R，与电阻R₂₂串联后，等效阻抗为2R。接着此等效阻抗再与R₂₃并联，依此类推。因此，当电流I自输入点V_i输入后，在节点281、261、241、221及201上，两条电流路径的阻抗皆为2R，所以流经各节点后，电流量皆会减半，各电阻中的电流量则如图2所示。由于图2的梯形电阻具有五级，因此最后输出端V_o输出的电流量为I/2⁵，代表此梯形电阻的等效电阻值为2⁵×R。由此可进一步推得，n位的R-2R电阻网络的等效电阻值为2ⁿ×R。

接着说明如何将此种梯形电阻运用于本发明的可变增益放大电路。图3是本发明的可变增益放大电路的一较佳实施例的电路图。如图3所示，放大电路3包括一运算放大器30、一电阻装置32及一回授电阻R₃₁。放大电路3为负回授的组态，亦即，运算放大器30的正相输入端耦接于接地点，而回授电阻R₃₁则跨接于运算放大器30的输出端与反相输入端之间。另外，输入电压V_in则经由电阻装置32送至运算放大器30的反相输入端。

图3中，电阻装置32包含并联的n个梯形电阻321-1至321-n及一开关单元322。其中，梯形电阻321-1为1位的R-2R电阻网络，梯形电阻321-2为2位的R-2R电阻网络…其余依此类推。开关单元322则可控制各个梯形电阻321-1至321-n是否导通，用以调整整个电阻装置32的等效电阻值。

根据上述图2关于R-2R电阻网络的说明，可推得图3的电阻装置32的等效电阻为：

$R/(\frac{1}{2}+\frac{1}{2^2}+\frac{1}{2^3}+\·\·\·+\frac{1}{2^n})$

若回授电阻R₃₁的阻值为m×R，则可推得放大电路3的增益为

$\frac{V_{\mathrm{out}}}{V_{\mathrm{in}}}=-m\×(\frac{1}{2}+\frac{1}{2^2}+\frac{1}{2^3}+\·\·\·+\frac{1}{2^n})$

式(1-1)

藉由开关单元322，可决定式(1-1)中的各项是否保留或删除，进而精确调整出所需的增益值。n值越大，亦即电阻装置32内的R-2R电阻网络的位数越多，则放大电路3所能达到的增益精确度就越大。当然，式(1-1)中的各项若确定要删除，则可直接省略该项相对应的R-2R电阻网络。例如，若所要调整的增益值范围介于l到1.25间，则可将回授电阻R₃₁的阻值设为2R，并依据式(1-1)判断出

与 两项需删除，因此2位与3位的R-2R电阻网络321-2与321-3可省略。

当然，式(1-1)中的各项若确定要保留，则在不影响增益精确度的情形下，可直接以另一等效的电阻单元代替所述保留项所对应的R-2R电阻网络，以节省该可变增益放大电路的面积。

值得注意的是，图3实施例中所使用的梯形电阻321-1至321-n并不限于R-2R电阻网络。本领域的技术人员均可对此梯形电阻的架构进行若干的更动与润饰，例如，将梯形电阻内各级的两个电流路径上的电阻比例，设定为非1∶2的其它比例。只要最后所得的放大电路增益可如式(1-1)进行调整，以达到控制效果者，都不脱离本发明的精神和范围。

本发明亦可应用于差动放大电路的组态。图4是本发明的可变增益差动放大电路的一较佳实施例的电路图。如图4所示，差动放大电路4包括一差动运算放大器40，在其正相输出端与反相输入端之间、以及反相输出端与正相输入端之间，各耦接一回授电阻R₃₁。另外，输入电压V₁₊经由一电阻装置32送至差动运算放大器40的反相输入端，而输入电压V_1-则经由另一电阻装置32送至差动运算放大器40的正相输入端。应注意的是，在图4的实施例中，两个电阻装置32的等效电阻值相同，而两个回授电阻R₃₁的电阻值也相同。

由于图4所使用的电阻装置32及回授电阻R₃₁，与图3所用的相同，则依据差动运算放大器40的虚短路特性，可推得差动放大电路4的增益为：

$\frac{v_{o-}-V_{o+}}{v_{i-}-V_{i+}}=m\×(\frac{1}{2}+\frac{1}{2^2}+\frac{1}{2^3}+\·\·\·+\frac{1}{2^n})$

式(1-2)

与式(1-1)类似，藉由电阻装置32内的开关单元322，可决定式(1-2)中的各项是否保留或删除，进而精确调整出所需的增益值。同样地，n值越大，亦即电阻装置32内的R-2R电阻网络的位数越多，则放大电路4所能达到的增益精确度也越大。

以上所述是利用较佳实施例详细说明本发明，而非限制本发明的范围。本领域的技术人员应能明了，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可对本发明适当地作些微的改变及调整。因此，本申请的保护范围以本发明的权利要求为准。

Claims (10)

1.一种可变增益的放大电路，包括：

一输入端；

一运算放大器，具有一反相输入端、耦接于一接地点的一正相输入端、以及一输出端；

至少一梯形电阻，耦接于该反相输入端与该输入端之间；

一开关单元，用以控制该至少一梯形电阻是否导通；以及

一回授电阻，耦接于该运算放大器的该输出端与该反相输入端之间。

2.如权利要求1所述的放大电路，其中该至少一梯形电阻为一R-2R电阻网络。

3.如权利要求1所述的放大电路，其中藉由控制该开关单元，改变该放大电路的增益。

4.一种可变增益的差动放大电路，包括：

一正输入端与一负输入端；

一差动运算放大器，具有一反相输入端、一正相输入端、一反相输出端以及一正相输出端；

至少一第一梯形电阻，耦接于该反相输入端与该正输入端之间；

一第一开关单元，用以控制该至少一第一梯形电阻是否导通；

至少一第二梯形电阻，耦接于该正相输入端与该负输入端之间；

一第二开关单元，用以控制该至少一第二梯形电阻是否导通；

一第一回授电阻，耦接于该差动运算放大器的该正相输出端与该反相输入端之间；以及

一第二回授电阻，耦接于该差动运算放大器的该反相输出端与该正相输入端之间。

5.如权利要求4所述的差动放大电路，其中该至少一第一梯形电阻为一R-2R电阻网络。

6.如权利要求4所述的差动放大电路，其中藉由控制该第一或该第二开关单元或二者，以调整该差动放大电路的增益。

7.一种可变增益的放大电路，包括：

一输入端；

一运算放大器，具有一反相输入端、耦接于一接地点的一正相输入端、以及一输出端；

一耦接于该反相输入端与该输入端间的电阻装置，包含：

一第一梯形电阻；

一第二梯形电阻；以及

一开关单元，分别与该第一与该第二梯形电阻相耦接，并分别控制所述梯形电阻是否导通；以及

一回授电阻，耦接于该运算放大器的该输出端与该反相输入端之间。

8.如权利要求7所述的放大电路，其中所述梯形电阻为一R-2R电阻网络。

9.如权利要求7所述的放大电路，其中该第一梯形电阻与该第二梯形电阻的级数不相同。

10.如权利要求7所述的放大电路，其中藉由控制该开关单元，改变该放大电路的增益。

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