TW201337493A - 動態電源控制方法及其相關電路 - Google Patents

Abstract

本發明揭露一種動態電源控制方法，用於一放大器中。該動態電源控制方法包含偵測該放大器之一正供應電壓與該放大器之一輸出電壓之一絕對差值，以取得一正電壓差值；偵測該放大器之一負供應電壓與該輸出電壓之一絕對差值，以取得一負電壓差值；以及根據該正電壓差值、該負電壓差值以及一臨界值，調整該正供應電壓以及該負供應電壓。

Description

動態電源控制方法及其相關電路

本發明係指一種動態電源控制方法及其相關電路，尤指一種可根據放大器之輸出訊號與放大器之供應電壓之差距動態調整放大器之供應電壓的動態電源控制方法及其相關電路。

放大器(Operational Amplifier)係類比積體電路中常用之基礎電路元件。一般而言，放大器之電源供應會固定於一最大電壓，以最大化放大器之動態輸入範圍以及動態輸出範圍，進而使放大器能於接收到一最大擺幅之輸入訊號時，無失真地將最大擺幅之輸入訊號轉換成一輸出訊號。而當放大器之電源供應設計於一最大電壓時，放大器會產生大量的操作電流。然而，放大器可使用較少之操作電流來處理小擺幅之輸入訊號，因此大部分之操作電流將成為空轉(idle)電流，造成不必要之功率消耗。此外，輸入訊號中最大擺幅之輸入訊號所佔時間比例相對來說較短，因此若是將放大器之電源供應設定於最大電壓，將會導致放大器之效率大幅下降。

習知技術可利用一輸入訊號偵測電路偵測輸入訊號之擺幅大小，以適當調整放大器之供應電壓，從而避免不必要之功率消耗。然而，輸入訊號偵測電路除了偵測輸入訊號之擺幅大小，還需偵測放大器之架構以及放大倍率，才可準確調整供應電壓，從而達到產生無失真的輸出訊號之目的。換言之，若放大器的架構或是放大倍率根據不同應用而改變時，輸入訊號偵測電路亦需隨之更動，進而使放大器之設計流程複雜化且增加放大器之設計成本。由此可知，習知技術實有改進之必要。

因此，本發明提出一種根據放大器之輸出訊號與放大器供應電壓間之差距，動態調整放大器之供應電壓的動態電源控制方法及其相關電路。

本發明揭露一種動態電源控制方法，用於一放大器中，該動態電源控制方法之步驟包含有偵測該放大器之一正供應電壓與該放大器之一輸出電壓之一絕對差值，以取得一正電壓差值；偵測該放大器之一負供應電壓與該輸出電壓之一絕對差值，以取得一負電壓差值；以及根據該正電壓差值、該負電壓差值以及一臨界值，調整該正供應電壓以及該負供應電壓。

本發明另揭露一種放大器系統，包含有一放大器模組，用來接收一輸入電壓，並據以輸出一輸出電壓；一電源轉換模組，用來根據一電源控制訊號，將一系統供應電壓轉換成該放大器之一正供應電壓及該放大器之一負供應電壓；以及一位準偵測模組，包含有一第一偵測單元，用來偵測該放大器之一輸出電壓與該正供應電壓間之一絕對差值，以取得一正電壓差值，並比較該正電壓差值與一臨界值之大小關係，以輸出一正控制訊號；一第二偵測單元，用來偵測該輸出電壓與該負供應電壓間之一絕對差值，以取得一負電壓差值，並比較該負電壓差值與該臨界值之大小關係，以輸出一負控制訊號；以及一邏輯單元，耦接於該電源轉換模組，用來根據該正控制訊號以及該負控制訊號，輸出該電源控制訊號。

請參考第1圖，第1圖係本發明實施例之一放大器系統10之示意圖。放大器系統10用來將一輸入訊號VIN，無失真地轉換成一輸出訊號VOUT。如第1圖所示，放大器系統10包含有一放大器模組100、一電源轉換模組102以及一位準偵測模組104。放大器模組100用來接收輸入訊號VIN，並據以輸出為輸出訊號VOUT。電源轉換模組102用來根據一控制訊號CTRL，將系統供應電壓VDD轉換為放大器模組100之供應電壓HPVDD、HPVSS，其中供應電壓HPVDD介於一電壓V1與一電壓V2之間，供應電壓HPVSS介於一電壓(-V1)與一電壓(-V2)之間，且電壓V1大於電壓V2，電壓(-V1)小於電壓(-V2)。例如，電壓V1可為系統供應電壓VDD，電壓(-V1)可為系統供應電壓VDD之負值，但不限於此。位準偵測模組104用來偵測輸出訊號VOUT與供應電壓HPVDD彼此之間的一絕對差值以取得一正電壓差值P_DIFF(即P_DIFF=|HPVDD-VOUT|)，以及偵測輸出訊號VOUT與供應電壓HPVSS彼此之間的一絕對差值以取得一負電壓差值N_DIFF(即N_DIFF=|HPVSS-VOUT|)。於取得正電壓差值P_DIFF以及負電壓差值N_DIFF後，位準偵測模組104根據正電壓差值P_DIFF、負電壓差值N_DIFF以及一臨界值VTH輸出控制訊號CTRL，其中臨界值VTH係根據供應電壓HPVDD、HPVSS之電壓值選擇臨界值VTH1、VTH2其中之一。

詳細來說，當供應電壓HPVDD、HPVSS分別預設為電壓V1、(-V1)時，臨界值VTH為臨界值VTH1。此時，若是位準偵測模組104偵測出正電壓差值P_DIFF以及負電壓差值N_DIFF皆大於臨界值VTH1時，代表輸出訊號VOUT與供應電壓HPVDD、HPVSS差距過大，即放大器模組100之動態輸出範圍可縮小且不會讓輸出訊號VOUT失真。因此，位準偵測模組104會輸出指示一低輸出狀態之控制訊號CTRL，以使電源轉換模組102調整供應電壓HPVDD為電壓V2以及調整供應電壓HPVSS為(-V2)，進而降低放大器模組100之動態輸出範圍以及功率消耗。進一步地，當供應電壓HPVDD、HPVSS分別為電壓V2、(-V2)時，臨界值VTH切換為臨界值VTH2。此時，若是位準偵測模組104偵測出正電壓差值P_DIFF小於臨界值VTH2時，代表輸出訊號VOUT與供應電壓HPVDD差距過小，即放大器模組100之動態範圍需增大以避免輸出訊號VOUT失真。因此，位準偵測模組104會輸出指示一高輸出狀態之控制訊號CTRL，以使電源轉換模組102調整供應電壓HPVDD為電壓V1以及調整供應電壓HPVSS為(-V1)，從而增加放大器模組100之動態輸出範圍。相似地，若是負電壓差值N_DIFF小於臨界值VTH2時，代表輸出訊號VOUT與供應電壓HPVSS差距過小，即放大器模組100之動態輸出範圍需增大以避免輸出訊號VOUT失真。因此，位準偵測模組104亦會輸出指示一高輸出狀態之控制訊號CTRL，以使電源轉換模組102調整供應電壓HPVDD為電壓V1以及調整供應電壓HPVSS為(-V1)，從而增加放大器模組100之動態輸出範圍。如此一來，放大器系統10即可透過電源轉換模組102以及位準偵測模組104根據正電壓差值P_DIFF、負電壓差值N_DIFF(即輸出訊號VOUT與供應電壓HPVDD、HPVSS間之差距)，動態調整供應電壓HPVDD、HPVSS，以達到降低放大器模組100之平均功率消耗之目的。

請繼續參考第2圖，第2圖係第1圖所示之放大器系統10運作時相關訊號之時序圖。如第2圖所示，於一時間點T1之前，控制訊號CTRL係高邏輯電位以使供應電壓HPVDD、HPVSS分別為電壓V1、(-V1)。首先，於時間點T1，正電壓差值P_DIFF恰好超過臨界值VTH1，且負電壓差值N_DIFF大於臨界值VTH1，因此控制訊號CTRL會被切換為低邏輯電位，以將供應電壓HPVDD、HPVSS分別調整為電壓V2、(-V2)。然後，於一時間點T2，負電壓差值N_DIFF恰好低於臨界值VTH2。此時控制訊號CTRL會被切換回高邏輯電位，以將供應電壓HPVDD、HPVSS分別調整回電壓V1、(-V1)。隨後，於一時間點T3，正電壓差值P_DIFF大於臨界值VTH1，且負電壓差值N_DIFF恰好超過臨界值VTH1，因此控制訊號CTRL會再次切換為低邏輯電位，以將供應電壓HPVDD、HPVSS分別調整為電壓V2、(-V2)。最後，於一時間T4，正電壓差值P_DIFF恰好小於臨界值VTH2，此時控制訊號CTRL被切換為高邏輯電位，以使供應電壓HPVDD、HPVSS分別調整回電壓V1、(-V1)。

需注意的是，第1圖所示之放大器系統10係為本發明之實施例，其係以功能方塊方式表示本發明之概念，而各方塊的實現方式或相關訊號之形式、產生方式等可根據各種系統之需求而適當調整。舉例來說，請參考第3圖，第3圖係放大器系統10之一實現方式之示意圖。如第3圖所示，位準偵測模組104包含有偵測單元300、302以及邏輯單元304。偵測單元300用來偵測正電壓差值P_DIFF，並比較正電壓差值P_DIFF與臨界值VTH之大小關係，據以輸出一正比較結果CR_P。偵測單元302用來偵測負電壓差值N_DIFF，並比較負電壓差值N_DIFF與臨界值VTH之大小關係，據以輸出一負比較結果CR_N。邏輯單元304用來根據正比較結果CR_P以及負比較結果CR_N，輸出控制訊號CTRL，以控制電源轉換模組102調整供應電壓HPVDD、HPVSS。第3圖所示之放大器系統10之詳細操作可參考前述，為求簡潔在此不贅述。

此外，本發明之主要精神在於利用偵測放大器之輸出訊號與放大器之供應電壓間的差距，以於輸出訊號之訊號擺幅較小時，降低供應電壓之電壓範圍以減少放大器之功率消耗，並於輸出訊號之訊號擺幅較大時，提昇供應電壓之電壓範圍以保持輸出訊號不失真。本領域具通常知識者應可根據不同應用，進行適當調整及修改。例如，供應電壓HPVDD、HPVSS可分別預設為電壓V1、(-V1)，以避免輸出訊號VOUT於放大器系統10開始運作時即超過電壓V2至電壓(-V2)之範圍，從而造成輸出訊號VOUT失真。除此之外，因應不同系統的需求，供應電壓HPVDD、HPVSS亦可分別變動而不需同時改變。舉例來說，供應電壓HPVDD可固定為電壓V1，而供應電壓HPVSS則根據控制訊號CTRL在電壓(-V1)與電壓(-V2)之間切換。相似地，也可固定供應電壓HPVSS為電壓(-V1)，而供應電壓HPVDD則根據控制訊號CTRL在電壓V1與電壓V2間切換。

進一步地，放大器系統10可另包含一延遲單元(未繪示於第1圖)於電源轉換模組102與位準偵測模組104之間，該延遲單元用來將控制訊號CTRL由高邏輯電位切換為低邏輯電位的時間往後延遲一時間T，以避免供應電壓HPVDD、HPVSS變化頻率過快，進而影響放大器模組100之效能。請參考第4圖，第4圖係放大器系統10加入該延遲單元後運作時相關訊號之示意圖。如第4圖所示，於一時間點T1，雖然正電壓差值P_DIFF與負電壓差值N_DIFF皆大於臨界值VTH1，但於時間點T1後時間T內的一時間點T2，負電壓差值N_DIFF恰好小於臨界值VTH1，因此控制訊號CTRL不變，供應電壓HPVDD、HPVSS亦不更動。相似地，雖然於一時間點T3正電壓差值P_DIFF與負電壓差值N_DIFF皆大於臨界值VTH1，但於時間點T3後時間T內的一時間點T4，正電壓差值P_DIFF恰好小於臨界值VTH1，因此控制訊號CTRL不變，供應電壓HPVDD、HPVSS亦不更動。最後，於一時間點T5，正電壓差值P_DIFF與負電壓差值N_DIFF皆大於臨界值VTH1，且於時間點T5後時間T內正電壓差值P_DIFF與負電壓差值N_DIFF皆保持大於臨界值VTH1，因此於一時間點T6，控制訊號CTRL由高邏輯電位切換為低邏輯電位，供應電壓HPVDD、HPVSS分別被調整為電壓V2、(-V2)。

進一步地，前述之放大器系統10用來調整供應電壓HPVDD、HPVSS之流程，可歸納為一動態電源控制方法50。請參考第5圖，第5圖係本發明實施例之動態電源控制方法50之流程圖。如第5圖所示，動態電源控制方法50包含有下列步驟：

步驟500：開始。

步驟502：偵測放大器模組100之供應電壓HPVDD與放大器模組10之輸出訊號VOUT之一絕對差值，以取得正電壓差值P_DIFF。

步驟504：偵測放大器模組100供應電壓HPVSS與輸出訊號VOUT之一絕對差值，以取得負電壓差值N_DIFF。

步驟506：判斷供應電壓HPVDD、HPVSS之電壓值，若供應電壓HPVDD係電壓V1且供應電壓HPVSS係電壓(-V1)時，執行步驟508，否則執行步驟510。

步驟508：分別比較正電壓差值P_DIFF、負電壓差值N_DIFF與臨界值VTH1之大小關係。若正電壓差值P_DIFF、負電壓差值N_DIFF皆大於臨界值VTH1，調整供應電壓HPVDD為電壓V2以及調整供應電壓HPVSS為電壓(-V2)。

步驟510：分別比較正電壓差值P_DIFF、負電壓差值N_DIFF與臨界值VTH2之大小關係。若正電壓差值P_DIFF或負電壓差值N_DIFF小於臨界值VTH2，調整供應電壓HPVDD為電壓V1以及調整供應電壓HPVSS為電壓(-V1)。

步驟512：結束。

因此，透過動態電源控制方法50，放大器模組100之供應電壓HPVDD、HPVSS可被適時調整，以降低放大器模組100之平均功率消耗。

此外，動態電源控制方法50經適當修改後，亦可使供應電壓HPVDD、HPVSS於更多個電壓中切換，以進一步改善放大器模組100之效率。舉例來說，請參考第6圖，第6圖係本發明實施例一動態電源控制方法60之示意圖。如第6圖所示，動態電源控制方法60包含有以下步驟：

步驟600：開始。

步驟602：偵測放大器模組100之供應電壓HPVDD與放大器模組10之輸出訊號VOUT之一絕對差值，以取得正電壓差值P_DIFF。

步驟604：偵測放大器模組100供應電壓HPVSS與輸出訊號VOUT之一絕對差值，以取得負電壓差值N_DIFF。

步驟606：判斷供應電壓HPVDD、HPVSS之電壓值，若供應電壓HPVDD係電壓V1且供應電壓HPVSS係電壓(-V1)，執行步驟608；若供應電壓HPVDD係電壓V2且供應電壓HPVSS係電壓(-V2)，執行步驟610；以及若供應電壓HPVDD係電壓V3且供應電壓HPVSS係電壓(-V3)，執行步驟612。

步驟608：分別比較正電壓差值P_DIFF、負電壓差值N_DIFF與臨界值VTH1之大小關係。若正電壓差值P_DIFF、負電壓差值N_DIFF皆大於臨界值VTH1，調整供應電壓HPVDD為電壓V3以及調整供應電壓HPVSS為電壓(-V3)。

步驟610：分別比較正電壓差值P_DIFF、負電壓差值N_DIFF與臨界值VTH2之大小關係。若正電壓差值P_DIFF或負電壓差值N_DIFF小於臨界值VTH2，調整供應電壓HPVDD為電壓V3以及調整供應電壓HPVSS為電壓(-V3)。

步驟612：比較正電壓差值P_DIFF、負電壓差值N_DIFF與臨界值VTH1、VTH2之大小關係，並於正電壓差值P_DIFF或負電壓差值N_DIFF小於臨界值VTH2時，調整供應電壓HPVDD為電壓V1以及調整供應電壓HPVSS為電壓(-V1)，以及於正電壓差值P_DIFF、負電壓差值N_DIFF皆大於臨界值VTH1時，調整供應電壓HPVDD為電壓V2以及調整供應電壓HPVSS為電壓(-V2)。

步驟614：結束。

相較於動態電源控制方法50，動態電源控制方法60另可將供應電壓HPVDD調整為電壓V3以及將供應電壓HPVSS調整為電壓(-V3)，其中電壓V3介於電壓V1與電壓V2之間(V1＞V3＞V2)，且電壓(-V3)介於電壓(-V2)與電壓(-V1)之間((-V2)＞(-V3)＞(-V1))。因此，透過適當設定臨界值VTH1、VTH2，動態電源控制方法60可以較小的刻度調整供應電壓HPVDD、HPVSS，進而增加放大器模組100之效率。

綜上所述，本發明所揭露之動態電源控制方法及其系統利用偵測放大器之輸出訊號與放大器之供應電壓間的差距，適當調整供應電壓，以降低放大器之平均功率消耗，並保持輸出訊號不失真。相較於習知技術，放大器之架構或增益改變時，本發明所揭露之動態電源控制方法及其系統不需重新設計，即可準確調整供應電壓，從而簡化放大器之設計流程且降低放大器之設計成本。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10．．．放大器系統

100．．．放大器模組

102．．．電源轉換模組

104．．．位準偵測模組

300、302．．．偵測單元

304．．．邏輯單元

50、60．．．動態電源控制方法

500～512、600～614．．．步驟

CR_P．．．正比較結果

CR_N．．．負比較結果

CTRL．．．控制訊號

HPVDD、HPVSS．．．供應電壓

N_DIFF．．．負電壓差值

P_DIFF．．．正電壓差值

T．．．時間

T1、T2、T3、T4、T5、T6．．．時間點

V1、V2、V3、(-V1)、(-V2)、(-V3)．．．電壓

VDD．．．系統供應電壓

VIN．．．輸入訊號

VOUT．．．輸出訊號

VTH、VTH1、VTH2．．．臨界值

第1圖係本發明實施例之一放大器系統之示意圖。

第2圖係第1圖所示之放大器系統運作時相關訊號之示意圖。

第3圖係第1圖所示之放大器系統一實現方式之示意圖。

第4圖係第1圖所示之放大器系統運作時相關訊號之另一示意圖。

第5圖係本發明實施例一動態電源控制方法之流程圖。

第6圖係本發明實施例另一動態電源控制方法之流程圖。

10．．．放大器系統

100．．．放大器模組

102．．．電源轉換模組

104．．．位準偵測模組

CTRL．．．控制訊號

HPVDD、HPVSS．．．供應電壓

VDD．．．系統供應電壓

VIN．．．輸入訊號

VOUT．．．輸出訊號

Claims (20)

1. 一種動態電源控制方法，用於一放大器中，該動態電源控制方法包含以下步驟：偵測該放大器之一正供應電壓與該放大器之一輸出電壓之一絕對差值，以取得一正電壓差值；偵測該放大器之一負供應電壓與該輸出電壓之一絕對差值，以取得一負電壓差值；以及根據該正電壓差值、該負電壓差值以及一臨界值，調整該正供應電壓以及該負供應電壓。
2. 如請求項1所述之動態電源控制方法，其中該正供應電壓介於一第一正電壓與一第二正電壓之間，該負供應電壓介於一第一負電壓與一第二負電壓之間。
3. 如請求項2所述之動態電源控制方法，其中該第一正電壓係大於該第二正電壓，且該第一負電壓係小於該第二負電壓。
4. 如請求項3所述之動態電源控制方法，另包含有預設該正供應電壓為該第一正電壓以及該負供應電壓為該第一負電壓。
5. 如請求項3所述之動態電源控制方法，其中當該正供應電壓係該第一正電壓且該負供應電壓係該第一負電壓時，該臨界值係一第一臨界值。
6. 如請求項5所述之動態電源控制方法，其中根據該正電壓差值、該負電壓差值以及該臨界值，調整該正供應電壓以及該負供應電壓之步驟包含有：比較該正電壓差值與該臨界值之大小關係；比較該負電壓差值與該臨界值之大小關係；當該正電壓差值大於該臨界值且該負電壓差值大於該臨界值時，調整該正供應電壓為該第二正電壓以及調整該負供應電壓為該第二負電壓。
7. 如請求項3所述之動態電源控制方法，其中當該正供應電壓係該第二正電壓且該負供應電壓係該第二負電壓時，該臨界值係一第二臨界值。
8. 如請求項7所述之動態電源控制方法，其中根據該正電壓差值、該負電壓差值以及該臨界值，調整該正供應電壓以及該負供應電壓之步驟包含有：比較該正電壓差值與該臨界值之大小關係；以及當該正電壓差值小於該臨界值時，調整該正供應電壓為該第一正電壓以及調整該負供應電壓為該第一負電壓。
9. 如請求項7所述之動態電源控制方法，其中根據該正電壓差值、該負電壓差值以及該臨界值，調整該正供應電壓以及該負供應電壓之步驟包含有：比較該負電壓差值與該臨界值之大小關係；以及當該負電壓差值小於該臨界值時，調整該正供應電壓為該第一正電壓以及調整該負供應電壓為該第一負電壓。
10. 如請求項1所述之動態電源控制方法，其中根據該正電壓差值、該負電壓差值以及該臨界值，將該正供應電壓由該第一正電壓調整為該第二正電壓以及將該負供應電壓由該第一負電壓調整為該第二負電壓前，需先等待一延遲時間。
11. 一種動態電源控制電路，用於一放大器中，該電壓控制電路包含有：一電源轉換模組，用來根據一電源控制訊號，將一系統供應電壓轉換成該放大器之一正供應電壓及該放大器之一負供應電壓；以及一位準偵測模組，包含有：一第一偵測單元，用來偵測該放大器之一輸出電壓與該正供應電壓間之一絕對差值，以取得一正電壓差值，並比較該正電壓差值與一臨界值之大小關係，以輸出一正控制訊號；一第二偵測單元，用來偵測該輸出電壓與該負供應電壓間之一絕對差值，以取得一負電壓差值，並比較該負電壓差值與該臨界值之大小關係，以輸出一負控制訊號；以及一邏輯單元，耦接於該電源轉換模組，用來根據該正控制訊號以及該負控制訊號，輸出該電源控制訊號。
12. 如請求項11所述之動態電源控制電路，其中該正供應電壓介於一第一正電壓與一第二正電壓之間，該負供應電壓介於一第一負電壓與一第二負電壓之間。
13. 如請求項12所述之動態電源控制電路，其中該第一正電壓係該輸入電壓，且該第一負電壓係該輸入電壓之一負值。
14. 如請求項12所述之動態電源控制電路，其中該第一正電壓大於該第二正電壓，且該第一負電壓小於該第二負電壓。
15. 如請求項14所述之動態電源控制電路，其中當該正供應電壓係該第一正電壓且該負供應電壓係該第一負電壓時，該臨界值係一第一臨界值。
16. 如請求項15所述之動態電源控制電路，其中當該第一偵測單元輸出指示該正電壓差值大於該臨界值之一正控制訊號且該第二偵測單元輸出指示該負電壓差值大於該臨界值之負控制訊號時，該邏輯單元調整該電源控制訊號，以使該電源轉換模組調整該正供應電壓為該第二正電壓以及調整該負供應電壓為該第二負電壓。
17. 如請求項14所述之動態電源控制電路，其中當該正供應電壓係該第二正電壓且該負供應電壓係該第二負電壓時，該臨界值係一第二臨界值。
18. 如請求項17所述之動態電源控制電路，其中當該第一偵測單元輸出指示該正電壓差值小於該臨界值之正控制訊號時，該邏輯單元調整該電源控制訊號，以使該電源轉換模組調整該正供應電壓為該第一正電壓以及調整該負供應電壓為該第一負電壓。
19. 如請求項18所述之動態電源控制電路，其中當該第二偵測單元輸出指示該負電壓差值小於該臨界值之負控制訊號時，該邏輯單元調整該電源控制訊號，以使該電源轉換模組調整該正供應電壓為該第一正電壓以及調整該負供應電壓為該第一負電壓。
20. 如請求項11所述之動態電源控制電路，另包含一時間延遲模組，耦接於該邏輯單元與該電源轉換模組之間。