CN216252673U - 提高回转率的放大器 - Google Patents

Abstract

一种放大器，包含一输入级电路，具有一第一输入端，用来接收一输入电压信号，该输入级电路包含复数个晶体管，以及至少一电流源，耦接在该复数个晶体管，用来驱动该输入级电路；一输出级电路，耦接在该输入级电路，用来根据该输入电压信号产生一输出电压信号，其中该输出级电路包含至少一放大电路，用来放大该输入电压信号，以产生该输出电压信号，以及该输出级电路具有一输出端，用来输出该输出电压信号；以及至少一电容器，耦接在该输入级电路及该输出级电路的该输出端之间，用来提高该输出电压信号达到一平衡电压的一速率。

Description

提高回转率的放大器

【技术领域】

本实用新型是关于一种放大器，尤指一种用来提高回转率(slew rate)的放大器。

【背景技术】

缓冲运算放大器加速电路是用来提高输出电压达到平衡电压的速度，其设计方法包含控制偏压电流、侦测输入输出电压差经电压转电流加速及开回路加速。然而，现有的缓冲运算放大器加速电路会因加速行为不平滑造成过充(overshoot)或下冲(undershoot)，需在电路中另外再设计磁滞(hysteresis)或钳制(clamp)，增加电路设计的复杂度。此外，缓冲运算放大器的加速行为也造成多余的能量消耗。因此，如何改善缓冲运算放大器在加速过程中减少能量消耗以及节省电路设计的复杂度为亟待解决的问题。

【实用新型内容】

本实用新型提供了一种提高回转率的放大器，以解决上述问题。

本实用新型揭露一种放大器，包含一输入级电路，具有一第一输入端，用来接收一输入电压信号，该输入级电路包含复数个晶体管，以及至少一电流源，耦接在该复数个晶体管，用来驱动该输入级电路；一输出级电路，耦接在该输入级电路，用来根据该输入电压信号产生一输出电压信号，其中该输出级电路包含至少一放大电路，用来放大该输入电压信号，以产生该输出电压信号，以及该输出级电路具有一输出端，用来输出该输出电压信号；以及至少一电容器，耦接在该输入级电路及该输出级电路的该输出端之间，用来提高该输出电压信号达到一平衡电压的一速率。

【附图说明】

图1为本实用新型实施例一放大器10的示意图。

图2为本实用新型实施例一放大器20的示意图。

图3为本实用新型实施例一放大器30的示意图。

图4为本实用新型实施例一放大器40的示意图。

图5为本实用新型实施例一放大器50的示意图。

图6为本实用新型实施例一放大器60的示意图。

图7为本实用新型实施例一提高回转率流程70的流程图。

图8为应用一放大器的一电路80的示意图。

图9为本实用新型实施例的一放大器与在先技术的一放大器的波形图。

图10为本实用新型实施例的一放大器与在先技术的一放大器的波形图。

【具体实施方式】

图1为本实用新型实施例一放大器10的示意图。放大器10包含输入级电路100、输出级电路110及至少一电容器。输入级电路100具有输入端 E_in1，用来接收输入电压信号Vip。输出级电路110耦接在输入级电路100，用来根据输入电压信号Vip产生输出电压信号Vout，其中输出级电路110具有输出端E_out，用来输出输出电压信号Vout。至少一电容器耦接在输入级电路100及输出级电路110的输出端E_out之间，用来提高输出电压信号Vout达到平衡电压的速率(即回转率(slew rate))。

在一实施例中，输入级电路100包含复数个晶体管，以及耦接在该复数个晶体管的至少一电流源，该至少一电流源用来驱动输入级电路100。该至少一电流源耦接在电压Vsp1及该复数个晶体管之间，或者耦接在该复数个晶体管及接地端之间，但不限于此。该复数个晶体管可为复数个金属氧化物半导体场效晶体管(Metel Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor， MOSFET)，但不限于此。举例来说，该复数个晶体管及至少一电流源在其耦接的节点产生用来驱动输入级电路100的电压Vtail。在一实施例中，该至少一电容器耦接在该至少一电流源。也就是说，该至少一电容器耦接在输入级电路100的至少一电流源及输出级电路110的输出端E_out之间。为方便说明，在图1中，该至少一电容器包含电容器C1及C2，该复数个晶体管包含晶体管M1、M2、M3及M4，该至少一电流源包含耦接在晶体管M1及M2 的电流源CS1以及耦接在晶体管M3及M4的电流源CS2。

在一实施例中，输出级电路110包含至少一放大电路，用来放大输入电压信号Vip，以产生输出电压信号Vout。该至少一放大电路耦接在电压 Vsp2及接地端之间。该至少一放大电路的每个放大电路包含一电流镜或其他放大电路，但不限于此。在一实施例中，输出级电路110还包含至少一晶体管，该至少一晶体管耦接在该至少一放大电路及输出端E_out之间，用来推动输出级电路110所产生的电流。为方便说明，在图1中，该至少一放大电路包含放大电路112、114及116，该至少一晶体管包含晶体管M5及M6。

在一实施例中，输入级电路100另具有输入端E_in2。输出级电路110 的输出端E_out耦接在输入级电路100的输入端E_in2，用来将输出电压信号Vout回馈到输入级电路100。也就是说，在输出电压信号Vout为瞬时(即输出电压信号Vout未达成一平衡状态)的情形下，输出级电路110根据从输入级电路100接收的输入电压信号Vin及回馈到输入级电路100的第二输入端 E_in2的输出电压信号Vout产生新的电压输出信号Vout，再将新产生的输出电压信号Vout回馈到输入级电路100，输出级电路110再根据输入电压信号 Vin及回馈到输入级电路100的输出电压信号Vout再产生新的电压输出信号Vout，如此重复上述步骤，直到电压输出信号Vout达到稳态(即输出电压信号Vout达成一平衡状态)为止。

在一实施例中，当输入电压信号Vin由一低电压转换为一高电压时，电容器C1、C2产生一额外电压差ΔV到该输入级电路100，以提高该输出电压信号Vout达成平衡电压的速率。详细来说，透过电容器C1及C2，放大器10利用瞬时以破坏其共模拒斥比(common-moderejection ratio，CMRR)，使其共模增益影响输出增益，进而增加放大器10达到平衡电压的速率。由于电容器具有其两端电压不会瞬间改变的特性，在放大器10的输出级电路 110的输出端E_out推动负载的过程中，当输入电压信号Vin从一低电压转换为一高电压时，此电压变化藉由电容器C1及C2产生一额外电压差ΔV1，以及将此额外电压差ΔV1耦合到输入级电路100的至少一电流源的电流源CS1及CS2。换言之，耦接在电流源CS1的电压从Vtail上升到Vtail+ΔV1。此额外电压差ΔV1使流经输出级电路110中的放大电路112的电流变小，以及使流经输出级电路110中的放大电路116的电流变大，进而改变晶体管M5 的平衡电位，形成一推力增加输出电压信号Vout达成平衡电压的速率。当输出电压信号Vout达到稳态时，输出电压信号Vout及耦接在电流源CS1的电压Vtail进入平衡电压。当输入电压信号Vin从一高电压转换为一低电压时，此电压变化藉由电容器C1及C2产生一额外电压差ΔV2，以及将此额外电压差ΔV2耦合到输入级电路100的至少一电流源的电流源CS1及CS2。换言之，耦接在电流源CS1的电压从Vtail下降到Vtail-ΔV2。此额外电压差ΔV2 使流经输出级电路110中的放大电路112的电流变大，以及使流经输出级电路110中的放大电路116的电流变小，进而改变晶体管M5的平衡电位，形成一推力增加输出电压信号Vout达成平衡电压的速率。

在一实施例中，放大器10还包含至少一开关模块SW，耦接在至少一电容器C_Dummy及输出级电路110的输出端E_out之间，用来控制输出电压信号Vout达成平衡电压的速率。根据至少一数字信号，至少一开关模块SW 控制输出电压信号Vout达成平衡电压的速率。也就是说，当放大器10需增加输出电压信号Vout达成平衡电压的速率时，至少一数字信号指示至少一开关模块SW为导通状态(ON)，使放大器10可透过导通的电容器C1及C2 增加输出电压信号Vout达成平衡电压的速率。反之，若放大器10无须增加输出电压信号Vout达成平衡电压的速率，至少一数字信号指示至少一开关模块SW为未导通状态(OFF)，使电容器C1及C2不导通而不影响输出电压信号Vout达成平衡电压的速率。

在一实施例中，输出电压信号Vout达成平衡电压的速率与该至少一电容器的电容值成正比。也就是说，输入级电路100与输出级电路110之间的至少一电容器的电容值的数量越大，输出电压信号Vout达成平衡电压的速率越快。

与在先技术相比，本实用新型的放大器10在加速过程中不需额外消耗电源，在稳定(settling)过程中的加速行为较为平滑，不会造成过充(overshoot)或下充(undershoot)。此外，由于本实用新型的放大器10与在先技术的放大器差别仅在于加入至少一电容器，在电路设计上可使用电路布局(layout)的畸零地，无须浪费其他电路布局的面积大小。

图2为本实用新型实施例一放大器20的示意图。放大器20包含输入级电路200、输出级电路210及至少一电容器。放大器20的电路结构相同于放大器10的电路结构，故功能相似的信号或组件接以相同符号表示，但不限于此。输入级电路200的电路结构与放大器10的输入级电路100的结构相同。输出级电路210包含放大电路212、214及216。输出级电路210与放大器10 的输出级电路110的不同在于其放大电路的结构或耦接方式不同(例如放大电路212与放大电路112结构不同)。放大器20仍可达到与放大器10相似的提高回转率的效果。

图3为本实用新型实施例一放大器30的示意图。放大器30包含输入级电路300、输出级电路310及至少一电容器。放大器30的电路结构相同于放大器10的电路结构，故功能相似的信号或组件接以相同符号表示，但不限于此。输入级电路300的电路结构与放大器10的输入级电路100的不同在于其仅使用晶体管M1及M2及电流源CS1来驱动输入级电路300。输出级电路 310包含放大电路312、314及316。输出级电路310与放大器10的输出级电路 110的不同在于其放大电路的结构或耦接方式不同(例如放大电路312耦接到输入级电路300的耦接方式与放大电路112耦接到输入级电路100的耦接方式不同)，放大器30仍可达到与放大器10相似的提高回转率的效果。

图4为本实用新型实施例一放大器40的示意图。放大器40包含输入级电路400、输出级电路410及至少一电容器。放大器40的电路结构相同于放大器10的电路结构，故功能相似的信号或组件接以相同符号表示，但不限于此。输入级电路400的电路结构与放大器10的输入级电路100的不同在于其仅使用晶体管M1及M2及电流源CS1来驱动输入级电路400。输出级电路 410包含放大电路412、414及416。输出级电路410与放大器10的输出级电路 110的不同在于其放大电路的结构或耦接方式不同(例如放大电路412与放大电路112结构不同，放大电路412耦接到输入级电路400的耦接方式与放大电路112耦接到输入级电路100的耦接方式不同)，放大器40仍可达到与放大器10相似的提高回转率的效果。

图5为本实用新型实施例一放大器50的示意图。放大器50包含输入级电路500、输出级电路510及至少一电容器。放大器50的电路结构相同于放大器10的电路结构，故功能相似的信号或组件接以相同符号表示，但不限于此。输入级电路500的电路结构与放大器10的输入级电路100的不同在于其仅使用晶体管M3及M4及电流源CS2来驱动输入级电路500。输出级电路 510包含放大电路512、514及516。输出级电路510与放大器10的输出级电路 110的不同在于其放大电路的结构或耦接方式不同(例如放大电路512耦接到输入级电路500的耦接方式与放大电路112耦接到输入级电路100的耦接方式不同，以及放大电路516耦接到输入级电路500的耦接方式与放大电路 116耦接到输入级电路100的耦接方式不同)，放大器50仍可达到与放大器10 相似的提高回转率的效果。

图6为本实用新型实施例一放大器60的示意图。放大器60包含输入级电路600、输出级电路610及至少一电容器。放大器60的电路结构相同于放大器10的电路结构，故功能相似的信号或组件接以相同符号表示，但不限于此。输入级电路600的电路结构与放大器10的输入级电路100的不同在于其仅使用晶体管M3及M4及电流源CS2来驱动输入级电路600。输出级电路 610包含放大电路612、614及616。输出级电路610与放大器10的输出级电路 110的不同在于其放大电路的结构或耦接方式不同(例如放大电路612与放大电路112结构不同，以及放大电路612耦接到输入级电路600的耦接方式与放大电路112耦接到输入级电路100的耦接方式不同)，放大器60仍可达到与放大器10相似的提高回转率的效果。

图7为本实用新型实施例一提高回转率流程70的流程图。提高回转率流程70可实现于一放大器，如图1的放大器10。提高回转率流程70包含以下步骤：

步骤700：开始。

步骤702：在一第一输入端，输入级电路接收一输入电压信号。

步骤704：根据输入电压信号，输出级电路产生一输出电压信号。

步骤706：至少一电容器提高输出电压信号达到一平衡电压的一速率。

步骤708：在输出端，该输出级电路输出该输出电压信号。

步骤710：结束。

图8为应用一放大器的一电路80的示意图。电路80包含一放大器OP、电阻器R1、电阻器R2、电容器C3及电容器C4。放大器OP的输入端E_in1 接收输入电压信号Vin。放大器OP的输出端E_out产生输出电压信号Vout。在电路80中，放大器OP欲推动的负载为电阻器R1、电阻器R2、电容器C3 及电容器C4所组成的电阻电容串行电路。输出端E1及E2做为量测电路80 的输出电压信号推动负载的量测点位。后续将以电路80做为仿真本实用新型实施例的放大器及在先技术的放大器的输出电压信号的波形的比较。

图9为本实用新型实施例的一放大器与在先技术的放大器的波形图。在图9中，上侧的波形图为量测电路80中的输出端E1的电压信号，下侧的波形图为量测电路80中的输出端E2的电压信号。曲线900是电路80中的放大器OP为在先技术的放大器的波形图，曲线910是电路80中的放大器为本实用新型实施例一放大器(例如放大器10，但不限于此)包含一个电容器的波形图，曲线920是电路80中的放大器为本实用新型实施例一放大器(例如放大器10，但不限于此)包含两个电容器(即有较大的电容值)的波形图。比较曲线900、910及920可知：无论是输出端E1或是输出端E2，当输入电压从一低电压上升到一高电压时，本实用新型实施例中加入电容器的放大器达成平衡电压所需的时间比在先技术的放大器(即未加入电容器) 达到平衡电压所需的时间短，而加入两个电容器的放大器达成平衡电压的时间又比仅加入一个电容器的放大器达成平衡电压的时间短。当输入电压从一高电压下降到一低电压时，本实用新型实施例中加入电容器的放大器达成平衡电压所需的时间比在先技术的放大器(即未加入电容器)达到平衡电压所需的时间短，而加入两个电容器的放大器达成平衡电压的时间又比仅加入一个电容器的放大器达成平衡电压的时间短。换言之，透过在放大器中加入电容器，本实用新型实施例的放大器可提高其达成平衡电压的速率。

图10为本实用新型实施例的一放大器与在先技术的放大器的波形图。在图10中，上侧的波形图为量测电路80中的输出端E1的电压信号，下侧的波形图为量测电路80中的输出端E2的电压信号。在图10中，曲线1000 是电路80中的放大器OP为在先技术的放大器的波形图，曲线1010是电路80 中的放大器OP为本实用新型实施例一放大器(例如放大器10，但不限于此) 包含开关模块SW及一个电容器的波形图，曲线1020是电路80中的放大器 OP为本实用新型实施例一放大器(例如放大器10，但不限于此)包含开关模块SW及两个电容器的波形图。比较曲线1000、1010及1020可知：无论是输出端E1或是输出端E2，当输入电压从一低电压上升到一高电压时，本实用新型实施例中加入电容器的放大器达成平衡电压所需的时间比在先技术的放大器(即未加入电容器)达到平衡电压所需的时间短，而加入两个电容器的放大器达成平衡电压的时间又比仅加入一个电容器的放大器达成平衡电压的时间短。当输入电压从一高电压下降到一低电压时，本实用新型实施例中加入电容器的放大器达成平衡电压所需的时间比在先技术的放大器(即未加入电容器)达到平衡电压所需的时间短，而加入两个电容器的放大器达成平衡电压的时间又比仅加入一个电容器的放大器达成平衡电压的时间短。换言之，透过在放大器中加入电容器，本实用新型实施例的放大器可提高其达成平衡电压的速率。

综合以上所述，本实用新型提供了一种提高回转率的放大器。透过该放大器中的电容器，可使放大器的加速过程中无须另外耗电，加速行为也较为平滑，且节省电路设计的面积。因此，本领域的问题可被解决。

【符号说明】

10,20,30,40,50,60,OP:放大器

100,200,300,400,500,600:输入级电路

110,210,310,410,510,610:输出级电路

112,114,116,212,214,216,312,314,316,412,414,416,512,514,516, 612,614,616:放大电路

E_in1,E_in2:输入端

E_out,E1,E2:输出端

Vip:输入电压信号

Vout:输出电压信号

Vsp1,Vsp2,Vtail:电压

C1,C2,C3,C4:电容器

M1,M2,M3,M4,M5,M6:晶体管

SW:开关模块

80:电路

R1,R2:电阻器

900,910,920,1000,1010,1020:曲线。

Claims (10)

1.一种放大器，其特征在于，包含：

一输入级电路，具有一第一输入端，用来接收一输入电压信号，其中

该输入级电路包含：

复数个晶体管；以及

至少一电流源，耦接在该复数个晶体管，用来驱动该输入级电路；

一输出级电路，耦接在该输入级电路，用来根据该输入电压信号产生一输出电压信号，其中该输出级电路包含至少一放大电路，用来放大该输入电压信号，以产生该输出电压信号，以及该输出级电路具有一输出端，用来输出该输出电压信号；以及

至少一电容器，耦接在该输入级电路及该输出级电路的该输出端之间，用来提高该输出电压信号达到一平衡电压的一速率。

2.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，该至少一电容器耦接在该输入级电路的该至少一电流源。

3.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，该输出级电路的该输出端耦接在该输入级电路的一第二输入端，用来将该输出电压信号回馈到该输入级电路。

4.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，当该输入电压信号由一低电压转换为一高电压时，该至少一电容器产生一额外电压差到该输入级电路，以提高该输出电压信号达成该平衡电压的该速率。

5.如权利要求4所述的放大器，其特征在于，该放大器还包含：

至少一开关模块，耦接在该至少一电容器及该输出级电路的该输出端之间。

6.如权利要求5所述的放大器，其特征在于，根据至少一数字信号，该至少一开关模块控制该输出电压信号达成该平衡电压的该速率。

7.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，当该输入电压信号由一高电压转换为一低电压时，该至少一电容器产生一额外电压差到该输入级电路，以提高该输出电压信号达成该平衡电压的该速率。

8.如权利要求7所述的放大器，其特征在于，该放大器还包含：

至少一开关模块，耦接在该至少一电容器及该输出级电路的该输出端之间。

9.如权利要求8所述的放大器，其特征在于，根据至少一数字信号，该至少一开关模块控制该输出电压信号达成该平衡电压的该速率。

10.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，该输出电压信号达成该平衡电压的该速率与该至少一电容器的一电容值成正比。

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