TW201225514A - Output DC-decouple cap-free amplifier - Google Patents

Description

201225514 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 [_ι] 本發明的實施例涉及一種放大電路，更具體地，本 發明的實施例涉及一種具有高電源抑制比的放大電路。 【先前技術】 [0002] 放大器用於將低功率信號放大為高功率信號，以為 負載提供高品質、低總諧波失真（Tota 1 Harmonic Distortion，THD)的高功率信號。

099144033 一般地，放大器由正電源和系統地（電壓為0V)供 電。因此，放大器的輸出電壓在零電壓和正電源電壓之 間擺動，但由於放大器自身的輸出擺幅限制，其輸出電 壓不能小於等於零電壓且不能大於等於正電源電壓。因 此’放大器的輸出端不能被偏置到系統地。然而，由於 放大器所接負載亦耦接至系統地，若放大器的輸出端不 能被偏置到系統地，則在從放大器輸出端經負載至系統 地的路徑上，將存在大量的靜態電流。該靜態電流使得 放大器的效率降低且使負載的使用壽命縮短。 為使放大器的輸出端偏置到系統地，在放大電路中 ，可採用負電荷泵，以產生一負電壓（以系統地為參考 )作為最小電源電壓提供至放大器◊這樣，放大器的輸 出電壓將在正電源電壓和該負電壓之間擺動，因此，放 大器的輸出容易偏置至系統地。然而，負電荷泵的使用 使知作用在放大器上的壓降增大，即使對於低功率應用 場合，這樣的放大電路也難於採用現有的低壓低成本半 導體技術加以製造。例如，將放大器用於手機，由於手 機的供電電源鋰電池的最大電壓為4. 2V，這樣，放大器 表單編號Α0101 第3頁/共20頁 1003124653-0 201225514 ^ =降將超過8V。具有這樣大_的放大器將彼難採 -,、半導體技術加以製造。即使能約製造’其製造成 本也後rij昂。 壓差上的壓降’在放大電路中，可採用低 ^ 、、' 穩壓器（low dr〇P〇ut regulator , LD〇)。 j低壓差線性穩鞋接收正電源電壓，並為放大器提供 幸又小的正電壓。這樣，作用在放大器上的壓降變小， 易於採用現有半導體技術製造。 而’對於常見的電荷果’其輸出電壓易 愿的影響。當輸人電壓發生變化時，其輪出電壓也相鹿 地發生變化，使得放大器的輸出不穩定，電源抑制比（ 卿打 SUPply rejecti〇n ratio，pSRR)變差。 【發明内容】 [0003] 099144033 ^發明的目的在於提供—種具有高電源抑制比的放 ，使得該放大電路具有穩定的輸出電壓。 古電'ΓΓ㈣另—目的還在於提供—種使放大電路具有 2源抑制比的方法，使得該放大電路具有穩定的輸出 _1發2另—目的還在於提供—種具有高電源抑制 入電壓影響。 η出電壓不受輸 為實現上述目的，本發明提供一種具 比的放大電路。該放大電路包括低壓差線性；^抑制 述健差線性穩壓器接收第-輸人電壓且bp，所 電壓m ’所述電荷祕收第二輸人~輸出 -輸出電壓；以及放大器，所述放大器 且提供第 表單編號軸 * 4 1/^ 2〇 π ^吹所迷第-輸 201225514 出電壓和所述第二輸出電壓並產生放大輸出電壓。 為實現上述目的，本發明還提供一種使放大電路具 有高電源抑制比的方法。該方法包括以下步驟：提供第 一輸入電壓至低壓差線性穩壓器，所述低壓差線性穩壓 器產生第一輸出電壓；提供第二輸入電壓至電荷泵，所 述電荷泵產生第二輸出電壓；提供第一輸出電壓和第二 輸出電壓至放大器；以及調節放大器以產生放大輸出電 壓。 為實現上述目的，本發明提供一種具有高電源抑制 比的電荷泵電路。該電荷泵電路包括第一開關，所述第 一開關具有第一端子和第二端子，所述第一端子接收輸 入電壓；第二開關，所述第二開關具有第一端子和第二 端子，所述第二開關的第一端子連接至所述第一開關的 第二端子，所述第二開關的第二端子連接至系統地；第 一電容，所述第一電容具有第一端子和第二端子，所述 第一電容的第一端子連接至所述第一開關的第二端子和 所述第二開關的第一端子；第三開關，所述第三開關具 有第一端子和第二端子，所述第三開關的第一端子連接 至所述第一電容的第二端子；第四開關，所述第四開關 具有第一端子和第二端子，所述第四開關的第一端子連 接至所述第一電容的第二端子和所述第三開關的第一端 子，所述第四開關的第二端子連接至系統地；第二電容 ，所述第二電容具有第一端子和第二端子，所述第二電 容的第一端子連接至所述第三開關的第二端子，所述第 二電容的第二端子連接至系統地，所述第三開關的第二 端子和所述第二電容的第一端子形成電荷泵輸出端，輸 099144033 表單編號A0101 第5頁/共20頁 1003124653-0 201225514 出輸出電壓；以及回饋環路，所述回饋環路對所述輸出 電壓進行採樣，並根據所述輸出電壓產生控制信號，以 調節所述輸出電壓。 【實施方式】 [0004] 這裏將參考本發明多個優選實施例的具體細節，結合 附圖對其實施例進行描述。當本發明使用優選實施例進 行描述時，應該理解本發明不僅局限於實施例描述的内 容。相反，本發明旨在覆蓋申請專利範圍所定義的屬於 本發明精神和範圍内的替換、改型和等同物。此外，在 下述的本發明的詳細說明書中描述了大量的具體細節， 旨在促進對本發明的深入而全面的理解。當然，本領域 的普通技術人員應能很清楚，本發明可以脫離其中某些 具體細節而實施。另外，為了使本發明的主題清晰，並 未對所涉及到的本領域公知的方法、流程、元件和電路 進行具體描述。 本發明的實施例提出了一種新型放大電路。該新型放 大電路的輸出電壓不受輸入電壓影響，因而具有較高的 電源抑制比。 第1圖示出根據本發明一優選實施例的具有高電源抑 制比的放大電路10。如第1圖所示，在放大電路10中，低 壓差線性穩壓器LDO接收電源電壓Vec;，並提供輸出電壓 SP，輸出電壓SP為正值。負電荷泵NCP亦接收電源電壓 Vcc，並產生輸出電壓SN，輸出電壓SN為負值。放大器 AMP接收所述輸出電壓SP和所述輸出電壓SN，並提供輸出 電壓V 。

电玉OUT 負電荷泵NCP根據電源電壓Vee產生輸出電壓SN。該輸 099144033 表單編號A0101 第6頁/共20頁 1003124653-0 201225514 出電壓SN為負值’其絕對值可以等於輸出電，即 = SP; SN的絕對值亦可以不等於輸出電壓sp，即_SN关 SP。輸出MSP和SN分別作為最大電源電麼和最小電源 電壓被提供至放大器AMP。 在本實施例中，負電荷泵NCP連接至電源電壓v 。姨 而，本技術領域的技術人員應當瞭解，在其他實施例中 負電荷系NCP還可以由LD0提供的輸出電堡sp供電或者 由〜外加電源供電。為避免累述，此處不再具體示出。

第2圖為根據本發明另一優選實施例的具有高電源抑 匕的放大電路20。如第2圖所示，LD0的輸出電壓SP作 為最大電源電壓被提供給放大器AMP1*AMP2，Ncp的輸 電髮SN作為最小電源電壓被提供給放大器AMpH〇AMP2 、敌大器AMP1和AMP2分別輸出輸出電壓、uti*Vqi]t2。 从ιΗ-柒

類推’本技術領域的技術人員應當理解，LD0和NCP 自的輸出電壓SP和SN可被提供至多個放大器，以用於 不同的應用場合。

第3圖示出第1圖所示放大電路1〇以及第2圖所示放大 略2〇中的負電荷果NCP的原理電路30。如第3圖所示， 崎關S1的一端接收電源電壓開關以的一端連接至開 關 SliAu 的另一h ’並形成公共節點。開關S2的另一端連接 I系統地°電容\的一端連接至開關S1和S2的公共節點 開關S3的一端連接至電容[的另一端，並形成公共節 •點〇 1 °開關S4的一端連接至電容\和開關S3的公共節點， 其另一 〜端連接至系統地。電容c的一端連接至開關S3的

3 — L 〜碑’該兩端點形成輸出節點以提供輸出電壓SN。電

C 099144033 2的另一端連接至系統地。電阻器\的一端連接至輸 單鵠號A0101 第7頁/共20頁 1003124653-0 201225514 出節點。電阻器\的一端連接至電阻器%的另一端，並 形成公共節點。R,的另一端連接至參考電壓。誤差 放大器E A的同相輸入端連接至電阻器R i和R 2的公共節點 ，其反相輸入端接收參考電壓VDPP9，該誤差放大器EA提 供一控制電壓以用於控制開關S2。本技術領域的技術人 員應當瞭解，誤差放大器EA提供的控制電壓可以直接作 用於開關S2，也可以通過控制其他器件以作用於開關S2 。例如，一緩衝器連接至誤差放大器EA以接收所述控制 電壓，該緩衝器輸出一輸出信號以控制開關S2。 在'時間段，負電荷泵電路30的開關S1和S4導通，開 關S2和S3斷開，電源電壓Vee對電容C1充電。在T2時間段 ，開關S1和S4斷開，開關S2和S3導通且開關S2受誤差放 大器ΕΑ提供的控制電壓控制，可以看作一壓控電流源或 者壓控電阻。此時，電容C1對電容C2充電，其充電電流 大小受誤差放大器ΕΑ提供的控制電壓控制。 電阻器1^和1?2組成分壓器，對輸出電壓SN進行採樣， 獲得採樣電壓。該分壓器與誤差放大器ΕΑ—起形成閉環 回饋環路。當輸出電壓SN超過所需要的設定值時，參考 電壓Vrem與採樣電壓的差值增大，誤差放大器ΕΑ輸出的 控制電壓增大，使得開關S2的電流能力變大或者電阻變 小，從而使輸出電壓SN降低。當輸出電壓SN降低至設定 值時，電容C1停止對電容C2充電，使輸出電壓SN保持在 設定值。通過該閉環回饋環路的調節，負電荷泵電路30 的輸出電壓SN為：

第8頁/共20頁 SN = 099144033 表單編號Α0101 1003124653-0 201225514 由上式可見’所述負電荷泵通過控制開關82以提供一 怪定輸出電壓SN，輸出電壓SN僅與電阻器R1和R2以及參 考電壓VREF1*VREF2有關。因此，負電荷泵的輸出電壓SN 不隨電源電壓vcc的變化而變化，具有良好的電源抑制比 〇 第4圖示出用金屬氧化物半導體場效應電晶體（M〇S-FET )作為第3圖所述負電荷泵中開關的電路4〇。如第4圖 所示’ P型金屬氧化物半導體場效應電晶體M1以及N型金 屬氧化物半導體場效應電晶體…、M3*M4分別對應於第3 圖所述負電荷泵的開關SI、S2、S3以及S4。Ml、M2、M3 和M4的柵極分別受第5圖所示控制信號、Q2、Q3和Q4 控制。在T1時間段’ Ql、Q2、q3為低電平，（^4為高電平 ，Ml和M4導通，M2和M3斷開，電源電壓對電容(^充 電。在T2時間段，Ql、Q2、q3為高電平，q4為低電平， Ml和M4斷開，M2和M3導通且M2受誤差放大器ea提供的控 制電壓控制’電容C1對電容C2充電。

本領域技術人員應當理解，第4圖所示金屬氧化物半 導體場效應電晶體Ml、M2、M3和M4的類型及其各自在第 5圖中對應的控制信號Ql、Q2、Q3和Q4為示例性的^ Ml 、M2、M3和M4可以為P型或者n型，它們只需滿足各自分 別在Ql、Q2、Q3和Q4的控制下，在Τι時間段内，MH〇M4 導通，M2和M3斷開；在T2時間段，Ml和M4斷開，M2和M3 導通。本領域技術人員還應當理解，第3圖所示開關S1、 S2、S3以及S4可以為金屬氧化物半導體場效應電晶體（ MOSFET)，還可以為雙極型電晶體（BJT)，結型場效 應電晶體（JFET )以及其他具有類似功能的開關器件。 099144033 表單編號A0101 第9頁/共20頁 1003124653-0 201225514 第6圖示出笼11£1_ 果1圖所不放大電路1〇以及第2圖所示放大 電路20中的低厭v -爱差線性穩壓器LDO的原理電路60。如第6 圖所示，該彳氏蔽v i -隻差線性穩壓器為一P型低壓差線性穩壓器 (PLD0)。在電路6〇中，p型金屬氧化物半導體場效應電 晶體（PMOS ) Μ LD0的漏極連接至電源電壓V ，其源極提 供輸出電壓SP。電容CLDG的-端連接至MLD。的源極，其另 端連接至系统地。電阻器%的一端亦連接至\卯的源極 。電阻器\的〜端連接至R3的另一端，並形成公共節點 °電阻%的另-端連接至系統地。電阻||1?3和1?4的公 、節點連接至誤差放大器EAl的同相輸人端。誤|放大器 EA1的反相輸\端接收參考電壓VREF，其輸出端連接至 Mldo的柵極。 電阻器Rs和、組成分壓器’以對輸出電壓sp採樣，並 提供採樣電壓至誤差放大器EA1的同相輸入端。該分壓器 與放大器EA1—起形成回饋環路，以對輸出電壓5卩進行調 節，獲得穩定的輸出電壓。當輸出電壓sp降低時，參考 電壓Vref與採樣電壓的差值降低，誤差放大器EA1輸出的 驅動電壓亦降低，使得\上的壓降減小，從而使輸出電 壓SP升高。經回饋環路調節後的輸出電壓“為： SP = 由上式可見，低壓差線性穩壓器LD〇的輸出電壓训由 電阻器1?3和1?4的比值乓以及參考電壓決定，不隨電

源電壓Vcc的變化而變化，具有良好的電源抑制比（pSRR 099144033 表單編號A0101 第10頁/共20頁 1003124653-0 0201225514 )。若要改變輸出電壓Sp的值，可通過調節電阻器 R4的比值氏。這使得電路具有很大的靈活性。 可見’由於採用閉環負電荷泵以及具有穩定輸出電壓 的低壓差線性穩壓器，本發明實施例提出的新型放大電 路具有較高的效率’易於利用現有半導體技術進行製造 ’節約了成本。而且’本發明實施例提出的新型放大電 路的輸出電壓不隨電源電壓的變化而變化，具有良好的 電源抑制比。 第7圖為根據本發明一優選實施例的用於放大器信號 放大的方法流程示意圖。如第7圖所示，系統提供第一輸 入電壓Vinl至低壓差線性穩壓器LD0，所述LD0產生第一 輸出電壓SP。同時，系統提供第二輸入電壓v 至負電 in2 x 荷泵NCP，所述負電荷泵NCP產生第二輸出電壓SN。放大 器AMP接收第一輸出電壓SP與第二輸出電壓SN並產生放大 輸出電壓V。其中，所述第一輸入電壓v與所述第二輸 ini 入電壓vin2可以為同一輸入電壓也可以為不同輸入電壓； 所述第一輸出電壓sp與所述第二輸出電壓SN的絕對值可 以相等也可以不等。在本發明所提供的用於放大器信號 放大的方法的實施例中，第一輸出電壓SP與第一輸入電 壓Vinl的變化無關或者第二輸出電壓SN與第二輸入電壓 Vin2的變化無關，從而放大輸出電壓V與第一輸入電壓 Vinl的變化無關或者與第二輸入電壓V〗的變化無關。因 而，利用本發明提供的方法對放大器信號進行放大將具 有較高的電源抑制比。 099144033 表單編號A0101 第U頁/共20頁 1003124653-0 201225514 關於上述内容’顯財發明的报多其他改型和改動 也疋可仃的。這裏應該明白，在隨_申請專利範圍書 所涵蓋的保護範_ ’本發明可以應用此處沒有具體描 述的技術而實施。當然還應該明白，由於上述内容只涉 及本發明的較佳具體實施例’所以還可以進行許多改型 而不偏離_的中請專利範圍所涵蓋的本發明的精神和 保護範圍。由於公開的僅是較佳實施例，本領域普通技 術人員可以推斷出不同的改型而不脫離由隨附的申請專 利fe圍所定義的本發明的精神和保護範圍。 【圖式簡單說明】 [0005] 099144033 第1圖為根據本發明一優選實施例的具有高電源抑制比的 放大電路10。 第2圖為根據本發明另一優選實施例的具有高電源抑制比 的放大電路20。 第3圖示出第1圖所示放大電路1〇以及圖2所示故大電路 中的負電荷泵NCP的原理電路30。 第4圖示出用金屬氧化物半導體場效應電晶體（m〇Sf打） 作為第3圖所述負電荷泵中開關的電路4〇。 號。 電路 第5圖示出第4圖所示電路4〇中各個MOSFET的控制_ 第6圖示出第1圖所示放大電路1〇以及第2圖所示敌大 20中的低壓差線性穩壓器LDO的原理電路60。 器信號放大 第7圖為根據本發明一優選實施例的用於放大 的方法流程示意圖。 【主要元件符號說明】 10、20 放大電路 表單編號A0101 第12頁/共20頁 1003124653-0 [0006] 201225514 LD0 低壓差線性穩壓器 vee電源電壓 SP、SN、V_、Vom、V_2 輸出電壓 NCP 負電荷泵 AMP、AMP1、AMP2 放大器 30 原理電路、負電荷泵電路 SI、S2、S3、S4 開關 電容 \、r2、r3、r4 電阻器 V 、V ' V 參考電壓 REF REF1 REF2 β 1 % EA、EA1 誤差放大器 '、τ2時間段 40 電路

Ml、M2、M3、Μ4 金屬氧化物半導體場效應電晶體 Ql、Q2、Q3、Q4 控制信號 60 原理電路 P型金屬氧化物半導體場效應電晶體（PM0S) V.,第一輸入電壓 1 η 1 ν. 9第二輸入電壓 m2 ν放大輸出電壓 099144033 表單編號Α0101 第13頁/共20頁 1003124653-0

Claims (1)

1. 201225514 七、申請專利範圍： 1 ·—種放大電路，其中，所述放大電路包括· 低壓差線性穩壓器，所述低壓差線性穩壓器接收第一輸入 電壓且提供第一輸出電壓； 電荷栗，所述電荷系接收第二輸入電堡且提供第二輸出電 壓；以及 放大器，所述放大器接收所述第一輸出電壓和所述第二輸 出電壓並產生放大輸出電壓，其中，所述放大輸出電壓與 所述第一輸入電壓或者所述第二輸入電壓的變化無關。 2.如申請專利範圍第1項所述的放大電路，其中，所述第一 輸入電壓和所述第二輸入電屢相同。 3 .如申請專利範圍第1項所述的放大電路，其中，所述第一 輸出電壓為正值，所述第二輸出電壓為負值，所述第一輸 出電壓和所述第二輸出電壓的絕對值相等。 4.如申清專利範圍第1項所述的放大電路，其中，所述第一 輪出電壓為正值，所述第二輸出電壓為負值，所述第一輸 出電壓和所述第二輸出電壓的絕對值不相等。 5 .如申凊專利範圍第1項所述的放大電路，其中，所述第— 輸出電壓與所述第一輸入電壓的變化無關。 6.如申請專利範圍第i項所述的放大電路，其巾，所述第二 輸出電壓與所述第二輸入電壓的變化無關。 如申。月專利範圍第1項所述的放大電路，其中，所述電荷 系包括回饋環路’所述回饋環路對所述第二輪出電壓進行 採樣，並根據所述第二輸出電壓產生控制信號，以調節所 述第二輸出電壓。 099144033 表單編號A0101 第14頁/共20頁 1003124653-0 201225514 9 . 如申請專㈣圍第7項所述的放大電路，其中，所述第二 輪出電壓與所述第二輸人Μ的變化無關。 如申請專㈣圍第7項所述的放大電路，其中，所述回饋 環路包括： 第—電阻，所述第-電阻具有第—端子和第二端子，所述 第—端子連接至所述第二輸出電壓； 第二電阻，所述第二電阻具有第一端子和第二端子，所述 第二電阻的第-端子連接至所述第一電阻的第二端子，所 述第二電阻的第二端子連接至第—參考電壓； 誤差放大器，所述誤差放大器的同相輪入端連接至所述第 —電阻的第二端子和所述第二電阻的第—端子所述誤差 放大器的反相輸入端接收第二參考電應，所述誤差放大器 的輪出端輸出所述控制信號。 10 ·如申請專利範圍第9項所述的放大電路，其中，所述第二 輸出電壓由所述第-電阻、所述第二電阻、所述第一參考 電壓以及所述第二參考電壓決定。 11 ·_種用於放大器信號放大的方法，其中，所述方法包括： 提供第一輸入電壓至低壓差線性穩壓器，所述低壓差線性 穩壓器產生第一輸出電壓； 提供第二輸入電麼至電荷泵，所述電荷栗產生第二輸出電 壓； 12 . 099144033 提供第一輸出電壓和第二輸出電壓至放大器；以及 調節放大器以產生放大輸出電壓。 如申清專利範圍第11項所述的方法，其中，所述第一輸入 電壓和所述第二輸入電壓相同。 如申請專利範圍第Π項所述的方法，其中，所述第—輸出 表單編號Α0101 第15頁/共20頁 1003124653-0 13 . 201225514 電壓與所述第一輸入電壓的變化無關。 14 .如申請專利範圍第11項所述的方法，其中，所述第二輸出 電壓與所述第二輸入電壓的變化無關。 15 種電荷泵，其中，所述電荷泵包括： 第開關，所述第一開關具有第一端子和第二端子，所述 弟—端子接收輸入電壓； 第二開關，所述第二開關具有第一端子和第二端子，所述 第-開關的第-端子連接至所述第一開關的第二端子，所 述第二開關的第二端子連接至系統地； 第一電容，所述第一電容具有第一端子和第二端子，所述 第-電容的第一端子連接至所述第一開關的第二端子和所 述第二開關的第一端子； *開關所述第二開關具有第一端子和第二端子，所述 第三開關的第-端子連接至所述第—電容的第二端子； 第四開關，所述第四開關具有第一端子和第二端子，所述 第四開關的第-端子連接至所述第一電容的第二端子和所 述第三開關的第-端子，所述第四開關的第二端子連接至 系統地； 第電今所述第一電容具有第一端子和第二端子，所述 第二電容的第-端子連接至所述第三開關的第二端子，所 述第-電容的第二端子連接至系統地，所述第三開關的第 二端子和所述第二電容的第-端子形成電荷泵輸出端，輸 出輸出電壓；以及 099144033 回饋環路’所述_觀對料輸出·進行採樣，並根 據所述輸出電壓產生控制信號，以調節所述輪出電壓。 如申請專利範圍第15項所述的電荷泵，其中 表單編號A0101 第16頁/共20頁 所述輸出電 1003124653-0 16 201225514 壓與所述輸入電壓的變化無關。 17 .如申請專利範圍第15項所述的電荷泵，其中，所述回饋環 路包括： 第一電阻，所述第一電阻具有.第一端子和第二端子，所述 第一端子連接至所述輸出電壓； 第二電阻，所述第二電阻具有第一端子和第二端子，所述 第二電阻的第一端子連接至所述第一電阻的第二端子，所 述第二電阻的第二端子連接至第一參考電壓； 誤差放大器，所述誤差放大器的同相輸入端連接至所述第 〇 一電阻的第二端子和所述第二電阻的第一端子，所述誤差 放大器的反相輸入端接收第二參考電壓，所述誤差放大器 的輸出端輸出所述控制信號以控制所述第二開關。 18 .如申請專利範圍第17項所述的電荷泵，其中，所述輸出電 壓由所述第一電阻、所述第二電阻、所述第一參考電壓以 及所述第二參考電壓決定。 099144033 表單編號A0101 第17頁/共20頁 1003124653-0