TW200913468A - Amplifier with configurable DC-coupled or AC-coupled output - Google Patents

Description

200913468 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本揭示案大體上係關於電子器件，且更特定言之係關於 放大器。 本專利申請案主張2007年6月29曰所申請之名為 "PROGRAMMABLE LEGACY AND GROUND-REFERENCED CAPLESS HEADPHONE POWER AMPLIFIER”的臨時申請案第 60/947,3 13號之優先權，該案已讓與給其受讓人，且以引 用的方式明確地併入本文中。 【先前技術】 放大器通常用於放大及/或緩衝信號以獲得所要信號位 準及/或信號驅動。放大器廣泛用於諸如通信、計算、網 路連接、消費型電子器件等之各種應用。舉例而言，在諸 如蜂巢式電話之無線通信設備中，放大器可用於驅動頭戴 耳機' 耳機等。此等放大器提供所要信號驅動及/或具有 低功率消耗可為理想的。 【發明内容】 本文中描述一種具有可組態之DC耦合或AC耦合輸出的 多模式放大器。DC代表直流，且AC代表交流。直流耦合 指代輸出信號直接至負載之柄合。交流耗合指代輸出信號 經由電容器至負載之耦合，該電容器充當直流區塊。多模 式放大器可用作頭戴耳機放大器及/或用於其他輸出放大 器。 在一設計中，多模式放大器包括放大器及至少一直流位 132550.doc 200913468 準偏移電路。放大器接收且放大輸入信號且提供一輸出信 號’該輸出信號適合於在直流耗合模式中至負載之直流輕 。且適口於在父流耦合模式中至負载之交流耦合。至少一 直流位準偏移電路執行如放大器之至少-（例如，輸入及/ 《輸出）共同模式電壓所需的直流位準偏移4少一直流 • 料偏移電路係基於放大器在直—合模式還是交流= 模式中操作來控制。 () 放大器可在直流耦合模式中在上部電源vDD與第—下部 «VNEG之間操作且在交流耗合模< 中在上部電源與第二 I部電源Vss之間操作。放大器可包括用以提供放大之至 )一增益 '級、内部直流位準偏移電路及輸出級。内部直流 位準偏移電路可在直流麵合模式中提供第一内部共同模式 電壓且在交流麵合模式中提供第二内部共同模式電壓。、輸 2級可包括（i)用以在直流耦合模式與交流耦合模式兩者中 提供信號驅動之第一輸出驅動區段及（ii)用以在交流耦合 ο 模式中提供額外信號驅動之第二輸出驅動區段。 以下更詳細描述本揭示案之各種態樣及特徵。 【實施方式】 ' 本文中所述之具有可組態直流耦合或交流耦合輸出的多 * 模式放大器可用於諸如音訊、視訊、輸入/輸出（I/O)介面 等之各種應用。為清晰起見，下文描述用於音訊之多模式 放大器的使用。 圖1展示音訊電路100之方塊圖，其可用於蜂巢式電話及 其他電子設備。在音訊電路1〇〇内，立體聲數位類比轉換 132550.doc 200913468 益（DAC)l 10可接收音訊資料，將資料自數位轉換為類比， 且提供用於左、右及單聲道之類比信號。混合器/路由器 120可自DAC 110接收類比信號及線内信號，在適當時組 合及/或導引信號，且將輸入信號提供至頭戴耳機放大器 130、耳機放大器132及線外放大器134。每一輸出放大器 130至134可放大及/或緩衝其輸入信號且提供相應輸出信

號。大體而言，任何數目之輸出放大器可用於提供用於任 何類型之輸出設備的任何數目之輸出信號。 具有可組態之直流耦合或交流耦合輸出的多模式放大器 可用於頭戴耳機放大㈣〇及/或其他輸出放大器。直流搞 合輸出或交流耦合輸出可藉由控制用於多模式放大器之支 援電路來選擇，如下所述。 圖2A展示在直流輕合模式_多模式放大器鳩之操作， 該直流輕合模式亦可被稱為無帽（capless)模式、接地喪考 模式、接轉考無㈣以。在直_合料中，多模式 ^大器_可在上部電源V_T部電源^之間操作且; 直接驅動輸出負载15〇。直 器輸…交流…容可:於消除在放大 (BOM) 〇 電…減少组件計數及材料單 圖2B展示在交流搞人捃 γ…式中多模式放大器2〇〇之操作， 忒乂&耦合模式亦可被稱為電容器 ’、 傳統電容器耦合模式等。在，、二。、傳統模式、 器綱可在上部電源模式中’多模式放大 I电源vDD與電路接地Vss之 交流耦合電容器丨^呆作且可經由 ㈣輪出負載15〇。交流輕合模式可用 132550.doc 200913468 於減小功率消耗。 多模式放大器2〇〇支援用於頭戴耳機放大器13〇及/或其 他輸出放大器之直流福合模式與交流麵合模式兩者的能力 由於若干原因可為理想的。首先，多模式放大器可由 較寬的客戶基礎使用。每一客戶可基於彼客戶對較低功率 消耗或減少組件計數及成本的偏好在直心合模式或交产 耗合模式中操作多模式放大器。其次，多模式放大器2〇〇 可避免對具有兩個單獨輸出放大器之需要一輸出放大器 具有直流柄合輸出且另-輸出放大器具有交流麵合輸出。 多模式放大器200可具有特定輸入共同模式電 特定内部共同模式電壓Vc_T及特定輸出共同模^壓 VCM-0UT。共同模式電壓為用於單端信號或差動信號之平 均或直流電壓。不同電源電壓及不同共同模式電壓可用於 直流耗合模式及交流耦合模式以達成所要信號擺動。 圖3展示支援直流耦合模式及交流耦合模式之多模式放 大器200a的方塊圖。多模式放大器2〇〇a為圖2八及圖中之 多模式放大器200的一設計且可用於圖}中之頭戴耳機放大 器130。在此設計中，多模式放大器2〇〇a包括放大器η。、 輸入直流位準偏移電路330及輸出直流位準偏移電路“Ο。 放大器310在VDD與下部電源Vee之間操作，其中對於直流 辆合模式vee=Vneg且對於交流耦合模式Vee=Vss。電路33〇可 視需要執行直流位準偏移，使得可獲得用於直流耦合模式 及交流耦合模式中之每一者的所要輸入共同模式電壓。類 似地，電路340可視需要執行直流位準偏移，使得可獲得 132550.doc 200913468 用於每—模式之所要輸出共同模式電壓。放大器310包括 内部直流位準偏移電路320，該電路32〇可視需要執行直流 位準偏移使得可獲得用於每一模式之所要内部共同模式電 壓。

大體而言，輸入直流位準偏移電路33〇可用於獲得用於 兩模式之不同輸入共同模式電壓或在相同輸入共同模式電 壓用於兩模式時可經省略。輸出直流位準偏移電路340可 用於獲传用於兩模式之不同輸出共同模式電壓或在相同輸 出二同模式電壓用於兩模式時可經省略。内部直流位準偏 移，路32G可用於獲得用於兩模式之*同内部共同模式電 壓或在相同内冑共同模式電塵用於兩模式時可經省略。 提供根據-設計在直流輕合模式及交流麵合模式用 於夕模式放大器2〇〇a之電源及共同模式電壓。

在^所示之設計中，相同輸入共同模式電壓用於兩模 :不冋内部及輸出共同模式電壓用於兩模式 二门内直:州移電路320及340可用於獲得用於兩‘ 電壓用以㈣式Μ。由於相同輸人共同模式 電壓用於兩模式，因此直流位準偏移電路330可經省略。 132550.doc 200913468 大體而 〇 Vdd、VEE、VCM-丨Ν、VCM_INT 及 Vcm_〇ut 可各 自為用於兩模式之相同值或不同值。此外，任何適當電壓 可用於每一模式之VDD、Vee、VcM·丨N、Vcmint 及 Vcm〇ut 〇 電壓可基於諸如可用電源電壓、所要輸出信號擺動、所要 功率消耗、用於製造多模式放大器之積體電路（IC)處理等 之各種因數來選擇。在一特定設計中，伏特（v)， Vneg=-1_8V ’ Vss = 0V且ν^Η.ον。其他電壓亦可用於 Vdd、Vneg、Vss及 VCM。 在一設計中’可在使用多模式放大器之電子設備（例 如，蜂巢式電話）的設計階段期間進行在直流耦合模式或 乂流耦合模式中操作多模式放大器2〇〇之決策。用於放大 裔3 10之下部電源Vee接著可視選定模式而定直接耦合至電 源匯流排vNEG或電路接地vss。Vee之此直接連接可減小跨 越連接之電壓降落且可改良放大器31〇之效能。在另一設 计中，用於放大器310之VEE可經由電源開關耦合至Vneg4 Vss，該電源開關可基於選定模式來控制。此設計可允許 在直流搞合模式與交流麵合模式之間動態切換。 圖4展示支援直流耦合模式及交流耦合模式之多模式放 大器200b的示意圖。多模式放大器2〇〇b為圖2A及圖2B中 之多模式放大器2 00的另一設計且亦可用於圖1中之頭戴耳 機放大器130。在此設計中，多模式放大器2〇〇b包括放大 器區段402及輸出直流位準偏移電路44〇。在放大器區段 402内，放大器410在VDD與VEE之間操作，其中Vee視選擇 直流耦合模式或交流耦合模式而定。電阻器4丨2具有接收 132550.doc -11 - 200913468

Vjnn輸入说之一端及柄合至放大器410之反相輸入之另一 端。電阻器41 4具有接收乂…輸入信號之一端及耦合至放大 器410之非反相輸入之另一端。反饋電阻器416耦合於放大 器410之反相輸入與輸出之間。運算放大器（〇p_amp)422作 為早位增益緩衝器而麵合且接收並緩衝共同模式電壓 VCM。電阻器424柄合於〇p-amp 422之輸出與放大器410之 非反相輸入之間。 在輸出直流位準偏移電路440内，電流源450與開關448 串聯耦合’且組合耦合於乂⑽與放大器41〇之反相輸入之 間。開關458與電流源460串聯麵合，且組合麵合於放大器 4 1 〇之輸出與V n E G之間。 夕模式放大器200b如下操作。〇p_anip 422將放大器410 之輸入共同模式電壓設定為vCM。放大器410接收由信 號及Vinn信號構成之差動輸入信號且提供單端輸出信號 V〇ut。直流位準偏移電路440在直流柄合模式中將放大器 Q 410之輸出共同模式電壓設定為ον且在交流耦合模式中設 定為vCM。在直流耦合模式中，閉合開關448及458，且來 自電流源450之Ios=VCM/R的補偏電流（offset current)流過 - 反饋電阻器416且引起跨越電阻器416之VCM的電壓降落， . 該情況接著導致放大器410之輸出在〇v。電流源460將I〇s 電自放大器410之輸出牽引至vNEG，使得此j〇s電流不提 供至輪出信號νοιη。在交流耦合模式中，斷開開關448及 458’且輸出共同模式電壓歸因於反饋電阻器416而等於輸 入共同模式電壓。 132550.doc -12- 200913468 圖5 A展示多模式放大器200c之示意圖，其為圖4中之多 模式放大器200b的一設計。在此設計中，多模式放大器 200c包括放大器區段402及輸出直流位準偏移電路540a。 上文對於圖4描述放大器區段402。 在輸出直流位準偏移電路540a内，op-amp 542在非反相 輸入處接收VCM電壓。N通道場效電晶體（N-FET)544具有 其轉合至op-amp 542之輸出的閘極及其搞合至op-amp 542 之反相輸入的源極。電阻器546耦合於N-FET 544之源極與 電路接地之間。P通道FET(P-FET)5 50a、5 50b及 550c作為 PMOS電流反射鏡耦合且具有其耦合至VDD之源極及其耦合 在一起並轉合至P-FET 550a之没極的閘極。開關548a搞合 於P-FET 550a之汲極與N-FET 544之汲極之間。開關548b 麵合於P-FET 55Ob之汲極與op-amp 410之反相輸入之間。 N-FET 5 60a及560b作為NMOS電流反射鏡耦合且具有其耦 合至VNEG之源極及其耦合在一起並耦合至N-FET 560b之汲 極的閘極。開關548(：耦合於？邛£丁 550〇之汲極與1^-?£丁 560b之汲極之間。N-FET 560a之汲極耦合至放大器410之 輸出。 直流位準偏移電路540a在直流耦合模式中將放大器41 0 之輸出共同模式電壓設定為0V且在交流耦合模式中設定為 VCM。在直流耦合模式中，閉合開關548a、548b及548c， 經由電阻器546產生I0S=VCM/R之電流，且歸因於PMOS電 流反射鏡組態，此Ios電流流過P-FET 550a、550b及550c中 之每一者。來自P-FET 550b之Ios電流流過反饋電阻器416 132550.doc -13 - 200913468 且引起跨越電阻器416之VCM的電壓降落，該情況接著導致 放大器410之輸出在ov。來自p_FET 5 50c之Ios電流流過N-FET 560b ’且歸因於NMOS電流反射鏡組態，1〇8之電流亦 流過 N-FET 5 60a。N-FET 560a 因此將 Ios 電流自 p_FET 55〇b 牽引至Vneg，使仔此I〇s電流不提供至輸出信號Vout。在交 流耦合模式中’斷開開關548a、548b及548c，且輸出共同 模式電壓歸因於反饋電阻器416而等於輸入共同模式電 壓。 圖5B展示多模式放大器200d之示意圖，其為圖4中之多 椒式放大器200b的另一設計。在此設計中，多模式放大器 200d包括放大器區段402及輸出直流位準偏移電路54〇b。 上文對於圖4描述放大器區段402。直流位準偏移電路54 〇b 包括圖5A之直流位準偏移電路540a中的所有電路組件以及 一些額外電路組件。 在直流位準偏移電路540b内，PMOS電流反射鏡進一步 包括與P-FET 550c並聯耗合之P-FET 550d。電阻器552a、 552b、5 52c 及 552d分別耦合於 VDD 與 P-FET 5 50a、5 50b、 550c及550d之源極之間。P-FET 554c及554d分別具有其麵 合至P-FET 550c及550(1之汲極的源極，及其耦合在一起並 耦合至P-FET 554c之汲極的閘極。NMOS電流反射鏡進一 步包括N-FET 562a、562b及562c，其具有其耦合在一起之 閘極。N-FET562a具有其耗合至N-FET 560a之汲極的源極 及其耦合至放大器410之輸出的汲極。n-FET 5 62b具有其 耦合至N-FET 560b之没極的源極及其搞合至N_FET 560a及 132550.doc 14 200913468 560b之閘極的汲極。N-FET 562c具有其耦合至Vneg之源極 及其搞合至其沒極之閘極。開關54以及548d分別麵合於ρ· FET 554c及554d之汲極與N-FET 562b及562c之汲極之間。 電阻器552a至552d提供源極退化，該情況可減小雜訊。 P-FET 554c 及 554d 為用於減小跨越 p_FET 550c、55〇d、 554c及554d之汲極至源極電壓Vds的級聯電晶體（casc〇de transistor)。N-FET 562a、562b及 562c為能夠處置較大 vds 之厚氧化物電晶體。舉例而言，乂_信號可自+1.414V擺動 至-1.414V，N-FET 562a之Vds可大於2.2V，且厚氧化物之 使用可允許N-FET 562a處置此較大vds。在一設計中，Vdd Vdd-Vneg=3_9V，且厚氧化物電晶體之擊穿電壓大於6v以 提供一些容限。在圖中’厚氧化物電晶體由在其閘極處之 暗色垂直條指示。直流位準偏移電路540b中之額外p_FET 及N-FET可改良可靠性。 在一設計中，開關548c及548d用足夠長度（例如，大於 〇,5 μηι)之FET實施以在多模式放大器之預期使用壽命（例 如’ 5年）保持臨限電壓Vt中之偏移在所要百分比（例如， 20%)以下。開關548c及548d亦可經設計以處置大於Vdd_Vn的 (例如’ 4.1¥)之閘極至源極電壓乂83及¥心〇 圖4、圖5A及圖5B展示實例設計，其中所要輸出共同模 式電壓藉由控制流過反饋電阻器416之直流電流量來獲 得。所要輸出共同模式電壓亦可用其他直流位準偏移電路 設計來獲得。

圖6展示放大器410a之示意圖，其為圖4、圖5A及圖5B 132550.doc -15- 200913468 中之放大器410的—設計。在此設計中，放大器4⑽包括 第一增益級61〇’内部直流位準偏移電路62()、第二增益級 63 0及輸出級640。第-增益級61〇接收由^輸入信號及〜 輸入信號構成之差動輸人信號且提供义輸出信號。第一增 :級610在vDD與Vss之間操作且具有用於直流耦合模式與 交流搞合模式兩者之輸人共同模式電壓％。輸人共同模 式電壓VCM由圖4中之0p_amp 422設定。 在直流位準偏移電路62〇内，N_FET 622具有其自第一增 益級610接收Vl信號之閘極、其麵合至Vdd之汲極，及其提 供V2輸出信號之源極。開關624及電流源626串聯耦合，且 組合耦合於N-FET 622之源極與Vneg之間。開關628耦合於 N-FET 622之閘極與源極之間。在直流耦合模式中，閉合 開關624，斷開開關628，且直流位準偏移電路62〇將％信 號之直流位準經由N-FET 622偏移降至Vss並將直流偏移％ 信號提供為V2信號。直流偏移量可基於N_FET 622之大小 及來自電流源626之偏流量來確定。在交流耦合模式中， 斷開開關624，閉合開關628，且直流位準偏移電路62〇將 V!信號經由開關628傳遞為V2信號。 第二增益級630自直流位準偏移電路620接收V2信號且自 開關632接收内部共同模式電壓Vcm int且提供％輸出信 號。開關632在直流耦合模式中提供vss且在交流耦合模式 中提供VCM。在直流耦合模式中’第二增益級630在vDd與 VNEG之間操作，且在第二增益級630之輸入處的共同模式 電壓等於自開關632之Vss。在交流耦合模式中，第二增益 132550.doc •16- 200913468 級630在VDD與Vss之間操# ’且在第二增益級_之輸入處 的共同模式電壓等於自開關632之VCM。輸出級64〇自第二 增益級630接收V3信號且提供用於放大器⑽之輸出信號

Vout。輸出級640在Vdd與Vee之間操作，其中Vee視選定模 式而定。 在圖6所示之設計中’第一增益級61〇對於直流柄合模式 與交饥耦合杈式兩者在vDD與Vss之相同電源之間操作，而 第二增益級630及輸出級64〇在直流耦合模式中在Vdd與 vNEG之電源之間操作且在交流耦合模式中在Vdd與Vss之電 源之間操作。直流位準偏移電路62〇用於改變在第二增益 級630之輸入處的共同模式電壓以匹配在第二增益級之電 源中的改變。

圖7展示放大器410b之示意圖，其為圖4、圖5A及圖5B 中之放大器410的另一設計。在此設計中，放大器“肋包 括第一增盈級71 0、内部直流位準偏移電路73 〇、第二增益 級740、第三增益級75〇、偏壓輸出級77〇及類別AB輸出級 790 °

第一增益級710實施運算跨導放大器（〇TA)且包括差動對 712及級聯緩衝器720。在差動對712内’ P-FET 714a及 714b分別具有其接收Vin輸入信號及Vip輸入信號之閘極及 其柄合在一起之源極。N-FET 716a及716b分別具有其耦合 至vss之源極、其接收vbn〗偏壓之閘極，及其搞合至p_FET 714a及71仆之汲極的汲極。p_FET 718具有其耦合至VDD之 源極、其接收vbpi偏壓之閘極，及其耦合至P_FET 714a及 132550.doc 17 200913468 714b之源極的汲極。P-FET 718充當電流源。P-FET 714a 及7 14b操作為差動對。N-FET 7 16a及7 16b提供用於差動對 之有效負載。 在級聯缓衝器720内，N-FET 722a及722b分別具有其耦 合至N-FET 716a及716b之汲極的源極，及其接收Vbn2偏壓 之閘極。P-FET 724a及724b分別具有其耦合至N-FET 722a 及722b之汲極的汲極，及其接收Vbp2偏壓之閘極。P-FET 726a及726b分別具有其耦合至VDD之源極、其耦合在一起 且耦合至P-FET 724&之汲極的閘極，及其耦合至P-FET 724a及724b之源極的汲極。FET 722b及724b之汲極提供用 於第一增益級71 0之乂,輸出信號。 在直流位準偏移電路730内，N-FET 732、734及73 6經堆 疊且耦合於VDD與VNEG之間。N-FET 732具有其耦合至VDD 之汲極、其自第一增益級7 1 0接收V!信號之閘極，及其耦 合至N-FET 734之汲極的源極。N-FET 734具有其接收直流 模式信號之閘極及其耦合至N-FET 736之汲極的源極。N-FET 736具有其接收乂…偏壓之閘極及其耦合至VEE之源 極。N-FET 738具有其耦合至N-FET 732之閘極的源極、其 接收交流模式信號之閘極，及其耦合至N-FET 732之源極 的汲極。N-FET 732執行V!信號之直流位準偏移。在圖6 中，N-FET 734及738分別對應於開關624及628。在圖6中 N-FET 736對應於電流源626。N-FET 732之源極提供用於 直流位準偏移電路730之V2輸出信號。直流模式信號及交 流模式信號可經設計以用於在VDD與VEE之間的操作且可由 132550.doc -18- 200913468 位準偏移數位控制信號獲得。' 第二增益級740包括P-FET 744a、744b及748以及N-FET 746a及746b，其以與第一增益級710中之P-FET 714a、 714b及718以及N-FET 716a及716b類似的方式耦合。P-FET 744a在其閘極處接收乂2信號，P-FET 744b在其閘極處接收 VCM.INT電壓，且P-FET 748在其閘極處接收Vbp3偏壓。FET 744b及746b之汲極提供用於第二增益級740之V3輸出信 號。 在第三增益級750内，N-FET 752具有其耦合至VEE之源 極及其接收V3信號之閘極。N-FET 754具有其耦合至N-FET 752之汲極的源極、其接收Vbn4偏壓之閘極，及其耦 合至P-FET 756a之沒極的沒極。P-FET 756a及756b具有其 耦合至VDD之源極及其耦合在一起且耦合至P-FET 756a之 汲極的閘極。P-FET 7561?之汲極提供V4信號。N-FET 758 具有其耦合至VEE之源極、其接收Vbn3偏壓之閘極，及其 提供V5信號之汲極。N-FET 760具有其耦合至N-FET 758之 汲極的源極、其接收Vbn4偏壓之閘極，及其耦合至P-FET 756b之汲極的汲極。P-FET 762具有其耦合至P-FET 756b 之汲極的源極、其接收Vbp4偏壓之閘極，及其耦合至N-FET 758之汲極的汲極。N-FET 752操作為共源極放大器。 N-FET 754充當級聯緩衝器。P-FET 756a及756b操作為 PMOS電流反射鏡負載。N-FET 760及P-FET 762為將乂4信 號及V5信號提供至驅動輸出級790之浮動電壓源。 在偏壓輸出級770内，FET 772、774及776經堆疊且耦合 132550.doc -19- 200913468 於VDD與VEE之間。N-FET 772具有其耦合至VEE之源極及其 耦合至其汲極之閘極。N-FET 774具有其耦合至N-FET 772 之汲極的源極及其耦合至其汲極的閘極，其提供乂…偏 壓。P-FET 776具有其耦合至VDD之源極、其接收Vbp3偏壓 之閘極，及其耦合至N-FET 774之汲極的汲極。N-FET 782 具有其耦合至VEE之源極及其接收Vbn3偏壓之閘極。P-FET 784具有其耦合至N-FET 782之汲極的閘極及汲極以及其提 供Vbp4偏壓之汲極。P-FET 786具有其耦合至VDD之源極、 其耦合至其汲極之閘極及其耦合至P-FET 784之源極的汲 極。偏壓輸出級770内之FET提供用於第三增益級750之 Vbn4偏壓及Vbp4偏壓。 在類別AB輸出級790内，N-FET 792a及792b具有其耦合 至Vee之源極及其耦合至提供輸出信號Vout之輸出節點的汲 極。N-FET 792a之閘極直接接收V5信號，而N-FET 792b之 閘極經由開關796a接收V5信號。開關798a耦合於N-FET 792b之閘極與VEE之間。P-FET 794a及792b具有其耦合至 VDD之源極及其耦合至輸出節點之汲極。P-FET 794a之閘 極直接接收V4信號，而P-FET 794b之閘極經由開關796b接 收V4信號。開關798b耦合於P-FET 794b之閘極與VDD之 間。每一對之FET 792及794形成提供用於Vout信號之信號 驅動的輸出驅動區段。 在圖7所示之設計中，不同數目之輸出驅動區段用於直 流耦合模式及交流耦合模式。在直流耦合模式中，輸出級 790以在VDD與VEE之間的較大電源操作，FET 792a及794a 132550.doc -20· 200913468 之跨導gm較高，且FET 792a及794a可提供所要輸出驅動° FET 792b及794b可藉由斷開開關796a及796b且閉合開關 798a及798b而停用。在交流耦合模式中，輸出級790以在 Vdd與Vss之間的較小電源操作，FET 792a及794a之跨導較 小，且FET 792a及794a以及FET 792b及794b用於提供所要 輸出驅動。FET 792b及794b可藉由閉合開關796a及796b且 斷開開關798a及798b而啟用。大體而言，用於任何數目之 輸出驅動區段的任何數目之FET對可用於提供用於直流耦 (' 合模式及交流耦合模式中之每一者的所要信號驅動。 電容器702、704、706及708為用於確保放大器410b之穩 定性的補償電容器。電容器702耦合於N_FET 792a之閘極 與沒極之間。電容器7〇4耦合於p_FET 794a之閘極與汲極 之間。電容器706耦合於輸出節點與N_FET 732之閘極之 間。電容器7〇8耦合於輸出節點與N_FET 752之閘極之間。 補償可試圖將極與增益級中之每一者分離足夠遠以在直流 〇 耦合模式與交流耦合模式兩者中獲得所要增益及相位容 限。另外，用於給定級之補償電容器（例如，用於第三增 盈級750之電容器7〇8)可在兩模式之間切換。 在一設计中，第—增益級710在VDD=2_1V與Vss=〇V之間 操作且用薄氧化物FET實施。隨後級在Vdd=2,_Vneg=_18v 之間刼作且用具有比薄氧化物FET高之操作電壓的厚氧 化物FET實施。厚氧化物FET用在其閘極處之暗色垂直條 展不。耦合至Vneg之N-FET可使用深N井與基板隔離。厚 氧化物FET中之一些（例如’ N-FET 760及P-FET 762)可 132550.doc -21 · 200913468 具有其系接至其源極之塊體以在交流耦合模式中對抗體效 應。 在叹。十中，放大器410a及410b在直流輕合模式中在 DD V/、Vneg--1.8V之間操作且可將具有輸出共同模式 電壓VcM=〇V之1 Vrm的最大輸出信號擺動提供至16歐姆 (Ω)之負載中。在一設計中，放大器410a及41〇b在交流耦 合模式中在VDD=2· 1V與Vss=0V之間操作且可將具有輸出 共同模式電壓VCM=1Vi〇.58 Vrm的最大輸出信號擺動提供 至16Ω2負載中。放大器及410b亦可用其他Vdd及Vee 電C操作且可旎能夠提供用於直流耦合模式及交流耦合模 式之其他輪出信號位準。 圖6及圖7展示可支援直流麵合模式及交流搞合模式之兩 個放大器41〇a及41〇b的實例設計。支援此等兩模式之放大 器亦可用其他設計實施。大體而言，放大器可具有任何數 目之增益級。給定級可料直餘合模式與交流搞合模式 兩者用相同電源（例如’ vDD及Vss)操作或對於兩模式用不 同電源（例如，VDD及Vneg用於直流耦合模式且Vdd及Yu用 於交流搞纟模式）操#。放大器可能或可能不使用内部直 流位準偏移電路。若使用，則#不同電源用於兩模式時内 部直流位準偏移電路可用於集中共同模式電塵。 圖8展示用於組態多模式放大器（例如，分別在圖3、圖 4、圖5A或圖5B中之多模式放大器2〇〇a、2〇仳、2〇〇c或 2〇〇d)之過程800的設計。進行放大器在直流耦合模式還是 交流耦合模式中操作之確定（區塊81〇)。若放大器在直流耦 132550.doc •22· 200913468 合模式中操作’則用於放大器之電源可被設定為vDD及 VNEG(區塊8 1 2)。輸出直流位準偏移電路可經啟用以獲得 Vss之輸出共同模式電壓（區塊8〗4)。内部直流位準偏移電 路亦可經啟用以獲得Vss之内部共同模式電壓（區塊8〗6)。 足夠數目之輸出驅動區段（N1)可經啟用以獲得在直流耦合 模式中之所要信號驅動（區塊8丨8)。 右放大器在交流耦合模式中操作，則用於放大器之電源 可被設定為VDD及Vss(區塊822)。輸出直流位準偏移電路 可經停用以獲得vCM之輸出共同模式電壓（區塊824)。内部 直流位準偏移電路亦可經停用以獲得VcM之内部共同模式 電壓（區塊826)。足夠數目之輸出驅動區段（N2)可經啟用以 獲得在交流耦合模式，之所要信號驅動，纟中犯可大於對 於直流耦合模式之N1 (區塊828)。 圖8展不在直流耦合模式或交流耦合模式中組態多模式 放大益之特定設計。若相同内部共同模式電壓用於兩模 式則可省略内部Α流位準偏移電路。不@及/或額外電 路亦可n態以用於兩模式。舉例而S，輸人直流位準偏 移電路可用於獲4^•用於兩模式之不同輸人共同模式電壓， 補償電容器可在兩模式之間切換等。 圖9展示用於搡作容Μ斗 多模式放大斋（例如，分別在圖3、圖 4、圖5Α或圖5Β中之炙裙4 μ , τ之多Μ式放大器2〇〇a、200b、200c或 顧）之過程900的設計。輪人信號可經放大以獲得適合於 在直抓耦σ杈式中至負载之直流耦合且適合於在交流耦合 模式中至負载之交流耗合的輸出信號（區塊M2)。對於區塊 132550.doc -23- 200913468 912，可⑴在直流耦合 電源及(ii)在交心:使用上部電源Vdd及第-下部 加+ IL耦合模式中使用上部電源及第二下 口P電源vss來放大輪 ,&^± 15就。輸出信號可⑴在直流耦合模 二：:'合模式兩者中用第-輸出驅動區段及(u)在交 模式中it步用第二輸出驅動區段來驅動。 可視需要執行直流位準偏移以在m合

:輸出信號之第-輪出共同模式電壓(例如，Vss)且在交流 耗“莫式中獲得用於輪出信號之第二輸出共同模式電壓 (二VCM)(區塊914)。對於區塊914，可產生補偏電流以 獲得在輸人信號與輪出信號之間的直流電壓差。可將補偏 電机牵引至下部電源以防止補偏電流傳遞至輸出信號。亦 可視而要m流位準偏移以在直流搞合模式中獲得第一 内部共同模式電例如，Vss)且在交流耗合模式中獲得第 二内部共同模式電壓(例如，VCM)(區塊916)。 本文中所述之多模式放大器可用於諸如通信、計算、網 路連接人電子器件等之各種應用。舉例而言，多模式 放大器可用於無線通信設備、蜂巢式電話、個人數位助理 (PDA)、手持式設備、遊戲設備、計算設備、膝上型電 腦、消費型電子設備、個人電腦、無接線電話等。下文描 述在無線通信設備中之多模式放大器的實例使用。 圖1 〇展示用於無線通信系統之無線通信設備丨〇〇〇之設計 的方塊圖。無線設備1 〇〇〇可為蜂巢式電話、終端機、手 機、無線數據機等。無線通信系統可為分碼多重存取 (CDMA)系統、全球行動通信（GSM)系統等。 132550.doc -24- 200913468 無線設備1000能夠經由接收路徑及傳輸路徑提供雙向通 信。在接收路徑上，由基地台所傳輸之信號可由天線1012 接收且提供至接收器（RCVR)1014。接收器1014可調節且 數位化所接收之信號且將樣本提供至區段1020以用於進一 步處理。在傳輸路徑上，傳輸器（TMTR)1〇16可接收待自 區段1020所傳輸之資料，處理且調節資料，且產生調變信 號，該調變信號可經由天線1〇12傳輸至基地台。接收器 1014及傳輸器1〇16可支援CDMA、GSM等。 區段1020包括各種處理、介面及記憶體單元，諸如數據 機處理器1022、精簡指令集電腦/數位信號處理器 (RISC/DSP)l〇24、控制器/處理器1〇26、記憶體1〇28、音 訊處理器1030、音訊驅動器1032、外部設備驅動器1〇34及 顯示驅動器1036。數據機處理器1〇22可為資料傳輸及接收 執行處理（例如，編碼、調變、解調變、解碼等）。 RISC/DSP 1〇24可為無線設備1000執行一般及專門處理。 控制器/處理器1 〇26可指導區段1020内之各種單元的操 作。記憶體1028可儲存用於區段1 〇2〇内之各種單元的資料 及/或指令。 音訊處理器1〇3〇可對來自麥克風1〇4〇及/或其他音訊源 之輸入信號執行編碼。音訊處理器1〇3〇亦可對所編碼之音 訊資料執行解碼且可將音訊信號提供至音訊驅動器1〇32。 音訊驅動器1032可驅動線外設備1〇42、頭戴耳機1〇44、耳 機1046及/或其他音訊設備。音訊驅動器1〇32可包括圖1中 之音訊電路100。外部設備驅動器1034可驅動外部設備 132550.doc -25- 200913468 1 048及/或可自外部设備接收信號。顯示驅動器1 6可驅 動顯示單元1 〇50。 如圖1〇中所示，多模式放大器可用於直流耦合或交流耦 合理想的各種區塊中。舉例而言’多模式放大器可用於音 訊驅動H 1032、外部設備驅動器1G34、顯示驅動器1〇36等 中。如特定實例，圖3、圖4、圖5A或圖5B中之多模式放 大器200a、200b、200c或200d分別可作為頭戴耳機放大器 用於音訊驅動器1032中以驅動頭戴耳機1〇44。 本文中所述之多模式放大器可在Ic、類比IC、射頻 IC(RFIC)、混合信號ic、特殊應用積體電路（ASIC)、印刷 電路板（PCB)、電子設備等上實施。多模式放大器亦可用 諸如互補金氧半導體（CMOS)、N通道MOS(NMOS)、P通道 MOS(PMOS)、雙極接面電晶體（bjt)、雙極CM〇s(BiCM〇s)、 矽鍺（SiGe) '砷化鎵（GaAs)等之各種1(：處理技術來製造。 實施本文中所述之多模式放大器的裝置可為單獨設備或 可為較大設備之部分。設備可為⑴單獨IC，（π)一或多個 1C之集合，其可包括用於儲存資料及/或指令之記憶體 IC，（iii)諸如RF接收器（RFR)或RF傳輸器/接收器（rtr)之 RFIC，（iv)諸如行動台數據機（MSM)之ASIC，（v)可嵌入於 其他設備内之模組，（vi)接收器、蜂巢式電話、無線設 備、手機或行動單元，（vii)等等。 提供本揭示案之先前描述以使任何熟習此項技術者能夠 進行或使用本揭示案。熟習此項技術者將易於瞭解對本揭 示案之各種修改’且在不偏離本揭示案之範疇的情況下， 132550.doc -26 - 200913468 本文中所定義之-般原理可應用於其他變體。因此，本揭 示案不欲限於本文中所述之實例及設計，而符合與本文中 所揭示之原理及新穎特徵一致的最廣範疇。 【圖式簡單說明】 圖1展示音訊電路之方塊圖。 圖2A展示在直流麵合模式中之多模式放大器的操作。 圖2B展示在交_合模式中之多模式放A||的操作。 圖3展示多模式放大器之設計。 圖4展示多模式放大器之另一設計。 圖5A及圖5B展示多模式放大器之兩個額外設計。 圖6及圖7展示在多模式放大器内之放大器的兩個設計。 圖8展示用於組態多模式放大器之過程。 圖9展示用於操作多模式放大器之過程。 圖1 0展示無線通信設備之方塊圖。 【主要元件符號說明】 100 音訊電路 110 立體聲數位類比轉換器（DAC) 120 混合盗/路由器 130 頭戴耳機放大器/輸出放大器 132 耳機放大器/輸出放大器 134 線外放大器/輸出放大器 140 交流耦合電容器 150 輸出負載 200 多模式放大器 132550.doc •27- 200913468 200a 多模式放大器 200b 多模式放大器 200c 多模式放大器 200d 多模式放大器 310 放大器 320 内部直流位準偏移電路 330 輸入直流位準偏移電路 340 輸出直流位準偏移電路 402 放大器區段 410 放大器 410a 放大器 410b 放大器 412 電阻器 414 電阻器 416 反饋電阻器 422 運算放大器（op-amp) 424 電阻器 440 輸出直流位準偏移電路 448 開關 450 電流源 458 開關 460 電流源 540a 輸出直流位準偏移電路 540b 輸出直流位準偏移電路 132550.doc -28- 200913468 542 運算放大器（op-amp) 544N 通道場效電晶體（N-FET) 546 電阻器 548a 開關 548b 開關 548c 開關 548d 開關 550a P通道場效電晶體（P-FET) 550b P通道場效電晶體（P-FET) 550c P通道場效電晶體（P-FET) 550d P通道場效電晶體（P-FET) 552a 電阻器 552b 電阻器 552c 電阻器 552d 電阻器 554c P-FET 554d P-FET 560a N-FET 560b N-FET 562a N-FET 562b N-FET 562c N-FET 610 第一增益級 620 内部直流位準偏移電路 132550.doc -29- 200913468 622 N-FET 624 開關 626 電流源 628 開關 630 第二增益級 632 開關 640 輸出級 702 電容器 704 電容器 706 電容器 708 電容器 710 第一增益級 712 差動對 714a P-FET 714b P-FET 716a N-FET 716b N-FET 718 P-FET 720 級聯缓衝器 722a N-FET 722b N-FET 724a P-FET 724b P-FET 726a P-FET 132550.doc -30 200913468 726b P-FET 730 内部直流位準偏移電路 732 N-FET 734 N-FET 736 N-FET 738 N-FET 740 第二增益級 744a P-FET 744b P-FET 746a N-FET 746b N-FET 748 P-FET 750 第三增益級 752 N-FET 754 N-FET 756a P-FET 756b P-FET 758 N-FET 760 N-FET 762 P-FET 770 偏壓輸出級 772 N-FET 774 N-FET 776 P-FET 132550.doc -31 - 200913468 782 N-FET 784 P-FET 786 P-FET 790 類別AB輸出級 792a N-FET 792b N-FET 794a P-FET 794b P-FET 796a 開關 796b 開關 798a 開關 798b 開關 1000 無線通信設備 1012 天線 1014 接收器（RCVR) 1016 傳輸器（TMTR) 1020 區段 1022 數據機處理器 1024 精簡指令集電腦/數位信號處理器（RISC/DSP) 1026 控制器/處理器 1028 記憶體 1030 音訊處理器 1032 音訊驅動器 1034 外部設備驅動器 132550.doc -32- 200913468 1036 1040 1042 1044 1046 1048 1050 V:

L 顯示驅動器 麥克風 線外設備 頭戴耳機 耳機 外部設備 顯示單元 132550.doc -33

Claims (1)

1. 200913468 十、申請專利範圍： L 一種裝置，其包含： 一輸出 一負载 载之交 —敌大器，其經組態以放大— 八輸入6唬且提供 該輸出信號適合於在-直流耦合模式中至 之直流耦合且適合於在一交流耦合模式中 流耦合；及 、 能以執：位準偏移電路，其麵合至該放大器且經組 於該放大器之至少—共同模式電㈣直流位 "至直流位準偏移電路係基於該放大器在 2二二 式還是該^絲合模式^操作來控制。 r ^求項α裝置’其中該至少—直流位準偏移電路包含 :出直流位準偏移電路，其經组態以在該直流麵合 、式中提供一用於該放大器之第一輸出共同模式電壓且 同=合模式中提供一用於該放大器之第二輸出共 月长項2之褒置’其令該輸出直流位準偏移電路包含 一：第-電流源’其經組態以在該直流耦合模式中提供 補偏電"IL，該補偏電流經由一反饋電阻器傳遞至該放 大器之一輸出，及 一第二電流源，其經組態以將在該放大器之該輸出處 的該補偏電流牵引至一下部電源。 4.如料項i之裝置，其中該至少一直流位準偏移電路包含 厂輪入直流位準偏移電路，其經組態以在該直流耦合 模式中提供一用於該放大器之第一輸入共同模式電壓且 132550.doc 200913468 在該交流耦合模式中提供一用於該放大器之第二輸入共 同模式電壓。 、 5.如請求項]之裝置，其中該放大器包含 #一内部直流位準偏移電路，其經組態以在該直流耗合 杈式中提供一用於該放大器之第一内部共同模式電壓且 在該交流搞合模式中提供—用於該放大器之第二内部共 同模式電壓。

   Ο 6.如印求項1之裝置’其中該放大器在該直流耦合模式中 二有不同的輸入及輪出共同模式電壓且在該交流耦合模 式中具有相等的輸入及輸出共同模式電壓。 =:长貝1之裝置’其中該放大器在該直流麵合模式與 “六Α口模式兩者中具有相等的内部及輸出共同模式 電壓。 8. 如請求項1之奘 ^ 、置，其中該放大器在該直流耦合模式中 :一上部電源與-第-下部電源之間操作且在該交流耦 <中在°亥上部電源與-第二下部電源之間操作。 9. 如請求項8之梦罟 ^ . 分咕 、置，其中該第一下部電源為一負電壓且 〇第二下部電源為電路接地。 10·如請求項i之裝置 至少一增益級， 大， 其中該放大器包含 其經組％以提供用於該輸入信號之放 , 机準偏移電路，其經組態以在該直流勒 模式中提供一笛 ..,,、 —内部共同模式電壓且在該交流耦名 式中提供—笛_ i ' 一内部共同模式電壓，及 132550.doc 200913468 動 一輪出級，其 經組 態以提供用於該輸出信號之信號驅 其中該放大器包含 n.如請求項1之裝置 哕於輪入增益級，其經組態以接收且放大該輸入信號， ^入增4級具有用於該直㈣合模式與該交流搞合模 兩者之相同的輪入共同模式電壓。 12·如請求項丨J , ^ 、 褒置’其中該輸入增益級對於該直流耦合 '、/、該交机耦合模式兩者在一上部電源與電路接地之 如叫求項1之裝置，其中該放大器包含 第輸出驅動區段，其經組態以在該直流耦合模式 -、u又机耦合模式兩者中提供用於該輸出信號之信號驅 動，及 一第二輸出驅動區段，其與該第一輸出驅動區段並聯 麵合且在該直流輕合模式中經停用且在該交流輕合模式 中、二啟用以&供用於該輸出信號之額外信號驅動。 14. 如請求項丨之裝置，其中該放大器包含 至》一級，其用具有一第一操作電壓之薄氧化物電晶 體予以實施，及 至少一額外級，其用具有一高於該第一操作電壓之第 二操作電壓的厚氧化物電晶體予以實施。 15. 如請求項1之裝置’其中該放大器包含 至少一電容器’其經組態以提供對該放大器之補償且 基於該放大器在該直流耦合模式還是該交流耦合模式中 132550.doc 200913468 操作來控制。 "月求項1之裝置，其令該放大器操作為一頭戴耳機放 大器且經組態以提供用於一頭戴耳機之該輸出信號。 Ϊ7. —種積體電路，其包含·· 放大器’其經組態以放大一輸入信號且提供一輸出 信號，該輸出信號適合於在一直流耦合模式中至一負載 之直流耦合且適合於在一交流耦合模式中至該負载之交 流搞合；及 至；-直流位準偏移電路’其耦合至該放大器且經詛 態以執行用於該放大器之至少一共同模式電壓的直流位 準偏移’該至少-直流位準偏移電路係基於該放大器在 該直流輕合模式還是該交流輕合模式中操作來控制。 18. 如請求項17之積體電路’其中該至少-直流位準偏移電 路包含 * 一輸出直流位準偏移電路’其經組態以在該直流輕合 模式中提供一用於該放大器之第一輸出共同模式電壓且 在該交流柄合模式中提供一用於該放大器之第 同模式電壓。 19. 如請求項17之積體電路，其中該放大器包含 -内部直流位準偏移電路，其經組態以在該直流輕合 模式中提供一用於該放大器之第一内部共同模式電壓且 在該交流耗合模式中提供一用於該放大器之第 同模式電壓。 20. 如請求項17之積體雷攸 姓丄 買菔電路，其中該放大器包含 132550.doc 200913468 至少一增益級 大， 其經組態以提供用於該輸入信號之放 一内#直流位準偏移電路 i ^ 其經組態以在該直流耦合 模式中提供一第_ /¾ Jkp J£ m ΐί — 模式電麼且在該交流耦合模 式中k供一第二内部共同模式電壓，及 一輸出級，其經相能，、,@ m H以釦供用於該輸出信號之信號驅 動。 21.如請求項17之積體電路’其中該放大器包含 第輪出驅動區段，其經組態以在該直流柄合模式 ”該交流輕合模式兩者中提供用於該輸出信號之信號驅 動，及 ★輸出驅動區段’其與該第一輸出驅動區段並聯 箱合且在該直流輪合模式中經停用且在該交流耗合模式 中、·二啟用以提供用於該輸出信號之額外信號驅動。 22· —種無線通信設備，其包含： 一頭戴耳機放大器，其包含 放大器，其經組態以放大一輸入信號且提供一輸 出信號，該輸出信號適合於在一直流搞合模式中至— 負載之直流耗合且適合於在一交流麵合模式中至該負 載之父流輕合，及 至 > 一直流位準偏移電路，其耦合至該放大器且經 f態以執行用於該放大器之至少—共同模式電壓的直 机位準偏移，該至少一直流位準偏移電路係基於該放 大器在該直流耦合模式還是該交流耦合模式中操作來 132550.doc 200913468 控制。 23· —種方法，其包含： 放大一輸入信號以獲得一適合於在一直流舞合 至-負載之直流耦合且適合於在一交流耦合模式中 負載之交流耦合的輸出信號；及 視需要執行直流位準偏移以在該直流福合模式中計 用於邊輸出信號之第一輸出共同模式電壓且在該 「 耗合模式中獲得-用於該輸出信號之第二輸出共：模： 電壓。 24. 如請求項23之方法，其進一步包含： 視需要執行直流位準偏移以在該直流耦合模式中獲得 一第一内部共同模式電壓且在該交流耦合模式中獲得— 第二内部共同模式電壓。 25. 如請求項23之方法，其中該執行直流位準偏移包含 產生一補偏電流以獲得在該輸入信號與該輸出信號之 、 間的一直流電壓差，及 將該補偏電流牽引至一下部電源以防止該補偏電流傳 遞至該輸出信號。 26_如請求項23之方法，其中該放大該輸入信號包含 在該直流耦合模式中使用一上部電源及一第一下部電 源來放大該輸入信號，及 在該交流耦合模式中使用該上部電源及一第二下部電 源來放大該輸入信號。 27.如請求項23之方法，其中該放大該輸入信號包含 132550.doc 200913468 在該直流耗合模式與該交流耗合模式兩者中$ 輸出驅動區段來驅動該輪出信號及 在該父流耦合模式中進一步一_ 弟一輸出驅動區段來 驅動該輸出信號。 28. —種裝置，其包含： 用於放大一輸入信號以獲得—適合^1 式中至一負載之直流耗合且適合於在-交流耗合模式中 至該負載之交流麵合的輸出信號之構件；及 用於視需要執行直流位準偏 ^ +偏移以在該直流耦合模式中 獲得一用於該輪出信號之第一 共冋模式電壓且Λ坊 交流耦合模式中獲得一用於 Α邊翰出仏旒之第二輸出丘 模式電壓之構件。 讯丨J 29. 如請求項28之裝置，其進一步包含： 用於視需要執行直流位準 #偏移以在該直㈣合模式中 獲付一第一内部共同模汰蛩 川 、弋電壓且在該交流耦合模式中獲 付一第一内部共同模式電壓之構件。 30. 如請求項28之裝置，豆中 件包含 八中4用於執行直流位準偏移之構 該輸入信號與該輸出信 及 部電源以防止該補偏電 用於產生一補偏電流以獲得在 號之間的一直流電壓差之構件， 用於將該補偏電流牽引至—下 流傳遞至該輪出信號之構件。 31. 如請求項28之裝置 包含 其中該用於放大該輸入信號之構件 132550.doc 200913468 用於在該直流耦合模式中使用一上部電源及一第一下 部電源來放大該輸入信號之構件，及 用於在該交流耦合模式中使用該上部電源及一第二下 部電源來放大該輸入信號之構件。 32.如請求項28之裝置，其中該用於放大該輸入信號之構件 包含 用於在該直流輕合模式與該交流搞合模式兩 該輸出信號之構件，及

   用於在該交流耦合模式中進一步驅動誘 件。 珣出信 號之構 132550.doc