TW201630334A - 具消除可定雜訊功能之電路及放大器 - Google Patents

具消除可定雜訊功能之電路及放大器 Download PDF

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Abstract

一種電路，包含一帶有一輸入阻抗的被動輸入網路，用以耦接一輸入電壓到第一電路節點，一可調電流源，用以輸出一可機動調整偏壓電流到該第一電路節點，由一控制電壓控制的一疊接元件，用以接收從該第一電路節點流出之一總電流且輸出一輸出電流到一第二電路節點，以及一帶有一負載阻抗的負載網路，耦接該第二電路節點，其中，該可機動調整偏壓電流動態調整以追蹤該輸入電壓之中的可確定雜訊成份。

Description

具消除可定雜訊功能之電路及放大器
本發明係關於一種放大器，特別是關於一種可消除雜訊的放大器。
本案所屬技術領域中具有通常知識者均能理解本案揭露內容中關於微電子學的用語及相關基本概念，例如「電壓」、「電流」、「增益」、「阻抗」、「電路」、「網路」、「疊接」、「電流源」、「信號」、「P型通道金屬氧化物半導體」、「電路節點」、「開關」、「互補」、「電阻器」、「可變電阻器」、「單端」、「差動」、「運算放大器」以及「提升增益」，這些用語及基本概念均為習知技術文件例如教科書「類比CMOS積體電路設計」(作者為貝赫-拉扎維；麥格羅-希爾出版；ISBN0-07-118839-8)等所慣用，故於此不再贅述。
放大器是廣泛使用的一種信號接收裝置，可用於接收輸入電壓VI和輸出一輸出電壓VO，其中：
於此，G代表放大器的增益。
於許多應用中，輸入電壓VI包含的雜訊成份具有可確定性並可以精確估算。舉例而言，一全雙工收發器包含發射器和接收器，當由發射器發送第一信號及由接收器接收第二信號兩者同時發生時，發射器會洩漏部分的第一信號到接收器，洩漏的部分第一信號可結合第二信號而構成第三信號，且該洩漏的部分第一信號通常稱之為「回聲」。接收器實際接收的為夾雜著回聲的第三信號而不是單純的第二信號而已。儘管回聲在第三信號之中是一雜訊成份，但就接收器而言，它並不是一隨機雜訊。亦即，回聲為從發射器洩漏之第一信號，因此具有與第一信號密切相關的特性，這一點很容易從發射器得知。藉由檢視第三信號以及第一信號之間的關聯性，可以估算出回聲值。因此，回聲係為一具有可確定性並可估算的雜訊，且須於接收器端消除以確保接收器的良好性能。美國公告專利7269211號揭示了一種降低回聲之方法，其中功率放大以及回聲消除(消除可定雜訊的特例)係兩個獨立的功能並由接收器的兩個獨立功能方塊實現。
因此，本發明揭露並實現一種可同時放大功率並消除可定雜訊之電路及其放大器。
本發明之一目的係提供一種本質上可同時實現功率放大 和消除可定雜訊的放大器。
本發明之一目的係提供一種本質上可同時實現加總、信號放大和消除可定雜訊的放大器。
本發明之一目的係動態調整放大器之偏壓電流以同時實現信號放大和消除可定雜訊。
本發明之一目的係使用低輸入阻抗之放大器及動態調整偏壓電流以放大輸入信號並消除其中可確定雜訊成份。
於一實施例中，電路包含：一帶有一輸入阻抗之被動輸入網路，用以耦接一輸入電壓到一第一電路節點；一可調電流源，用以輸出一可機動調整偏壓電流到第一電路節點；一疊接元件，由控制電壓控制，用以接收從第一電路節點流出之一總電流，且輸出一輸出電流到一第二電路節點；以及一帶有一負載阻抗之負載網路用以連接到第二電路節點，其中可機動調整偏壓電流係動態調整以追蹤輸入電壓之可確定雜訊成份。於一實施例中，被動輸入網路包含串聯之一電阻器以及一電容器。於一實施例中，可調電流源包含多個電流源且用以輸出多個電流，且多個電流分別依據多個邏輯信號選擇性地傳輸到第一電路節點。於一實施例中，電路更包含一提升增益之運算放大器，用以接收第一電路節點之電壓且輸出控制電壓。於一實施例中，可定雜訊係一回聲。 於一實施例中，負載阻抗和輸入阻抗的比值用以決定一增益因子，且負載阻抗係為可調阻抗。
於一實施例中，一放大器包含：一帶有一第一輸入阻抗的第一被動輸入網路，用以耦接一第一輸入電壓到第一電路節點；一帶有一第二輸入阻抗的第二被動輸入網路，用以耦接一第二輸入電壓到第一電路節點；一可調電流源，用以輸出一可機動調整偏壓電流到第一電路節點；由一控制電壓控制的一疊接元件，用以接收從第一電路節點流出之一總電流且輸出一輸出電流到一第二電路節點；以及帶有一負載阻抗的負載網路，用以接收第二電路節點，其中該可機動調整偏壓電流係動態調整以追蹤第一輸入電壓及第二輸入電壓的至少其中之一的可確定雜訊成份。於一實施例中，第一被動輸入網路以及第二被動輸入網路包含串聯之一電阻器以及一電容器。於一實施例中，可調電流源包含多個電流源且用以輸出多個電流，且多個電流分別依據多個邏輯信號選擇性地傳輸到第一電路節點。於一實施例中，電路更包含一提升增益之運算放大器，用以接收第一電路節點之電壓且輸出控制電壓。於一實施例中，負載阻抗和第一輸入阻抗的比值決定一第一增益因子，且負載阻抗和第二輸入阻抗的比值決定一第二增益因子。於一實施例中，該可機動調整偏壓電流被動態調整以追蹤第 一輸入電壓之一第一可確定雜訊成份及第二輸入電壓之一第二可確定雜訊成份的總和。
於一實施例中，一種方法包含：接收一輸入電壓；使用一被動輸入網路將輸入電壓耦接到一第一電路節點；提供一可機動調整偏壓電流到第一電路節點；使用由一控制電壓控制的一疊接元件將由第一電路節點流出的一總電流導至一第二電路節點；利用一負載網路終止第二電路節點；以及依據輸入電壓的一可定雜訊值調整該可機動調整偏壓電流。於一實施例中，上述方法更包含根據第一節點之電壓的負回授動態調整控制電壓。負回授控制可包含使用一運算放大器接收第一節點之電壓並輸出控制電壓。
於一實施例中，一種方法包含：接收一第一輸入電壓；使用一第一被動輸入網路將第一輸入電壓耦接到一第一電路節點；接收一第二輸入電壓；使用一第二被動輸入網路將第二輸入電壓耦接到第一電路節點；提供一機動調整偏壓電流到第一電路節點；使用由一控制電壓控制的一疊接元件將由第一電路節點流出的一總電流導至一第二電路節點；利用一負載網路終止第二電路節點；以及依據第一輸入電壓及第二輸入電壓的至少其中之一的可定雜訊值調整該可機動調整偏壓電流。於一實施例中，上述方法更包含根據第一節點之電壓的負回授動態調整控制電壓。負 回授控制可包含使用一運算放大器接收第一節點之電壓並輸出控制電壓。
100‧‧‧消除可定雜訊之放大器
101‧‧‧第一電路節點
102‧‧‧第二電路節點
110‧‧‧被動輸入網路
111、621‧‧‧電容器
112、141、320、321、322、323、412、422、622‧‧‧電阻器
120、200、411、421、500、630‧‧‧可調電流源
121‧‧‧電流源
130‧‧‧疊接元件
131‧‧‧PMOS電晶體
140‧‧‧負載網路
150‧‧‧提升增益放大器
151、600‧‧‧運算放大器
210、230‧‧‧靜態電流源
220、221、222、223、530、540‧‧‧電流源
240、241、242、243、310、311、312、313、550、551、560、561‧‧‧開關
300‧‧‧可調電阻
400‧‧‧差動放大器
413、423‧‧‧電路節點
410‧‧‧第一放大器
420‧‧‧第二放大器
430‧‧‧全差動運算放大器
510‧‧‧第一固定電流源
520‧‧‧第二固定電流源
610‧‧‧核心部分
620‧‧‧延伸部分
601‧‧‧總節點
第1圖為本發明一實施例之放大器的示意圖。
第2圖顯示適用於第1圖之放大器的可調電流源的電路圖
第3圖顯示適用於第1圖之放大器之可調電阻器的電路圖。
第4圖顯示依據本發明一實施例之差動放大器的電路圖。
第5圖顯示適用於第4圖之差動放大器的可調電流源之電路圖。
第6圖顯示本發明另一實施例的放大器的電路圖。
本發明係關於一種放大器及可定雜訊消除方式。雖然說明書中已描述了本發明的實施例，但應可理解本發明可以用多種方式來實現，且不限於以下實施例或這些實施例所採用的任何特定方式或特徵。在其它的實施例中，不再贅述本領域之通常知識者所周知的技術細節以避免模糊本發明。
本發明的用語係以「工程意義」進行描述，例如第一數量「等於」第二數量之用語代表第一數量和第二數量之間的差值小 於一給定的容許誤差。舉例而言，若給定的容許誤差值為0.5mV，100.2mV可被描述為等於100mV。同樣地，一「預定」的物理量代表藉由工程上的手段建立一物理量，且該物理量於工程意義上等於一預定值。舉例而言，所謂的一「預定電壓」代表一裝置產生等於一預定值的電壓(例如100mV)。再者，如果藉由工程上的手段使一元件對應給定的輸入產生預定的輸出，則該元件的轉換特性可視為已知。
第1圖為本發明一實施例之放大器100的示意圖。放大器100包含一輸入阻抗ZIN的一被動輸入網路110(於本實施例中包含串聯的一電容器111及一電阻器112)以耦接一輸入電壓VIN到一第一電路節點101；一可調電流源，於本實施例中包含由數位信號D控制的一數位控制電流源121以提供一可機動調整偏壓電流IB到第一電路節點101；一由控制電壓VG控制的疊接元件130(於本實施例中包含PMOS電晶體131)，用於耦接第一電路節點101到第二電路節點102；以及一負載阻抗ZL的一負載網路140(於本實施例中包含一電阻器141)耦接第二電路節點102。於本說明書內容中，VDD表示電源節點，且VSS表示一接地點。於第1圖中，IIN表示從被動輸入網路110流入第一電路節點101的輸入電流，VS表示第一電路節點101之電壓，IS表示由第一電路節 點101流入疊接元件130的總電流，IOUT表示由疊接元件130流出且流入第二電路節點10的一輸出電流；VOUT表示第二電路節點102之輸出電壓。藉由使用疊接元件130，第一電路節點101可為低阻抗節點(疊接元件之低輸入阻抗特性為本案所屬技術領域中具有通常知識者所周知，故於此不再贅述)。因此，輸入電流IIN近似等於輸入電壓VIN除以輸入阻抗ZIN，亦即：
輸入電壓VIN包含可估算的可定電壓雜訊VDN，因此輸入電流IIN包含可定電流雜訊IDN，可定電流雜訊IDN約等於可定電壓雜訊VDN除以輸入阻抗ZIN，亦即：
由於可定電壓雜訊VDN可以估算，可定電流雜訊IDN可以使用方程式(3)計算出。可機動調整偏壓電流IB可使用數位信號D調整以抵消可定電流雜訊IDN，亦即：IB=IF+IOS (4)
其中IF是固定電流，IOS為補償電流用以抵消可定電流雜訊IDN，即IOS -IDN。因此，方程式(4)可以改寫為：
因此，總電流IS等於輸入電流IIN以及可機動調整偏壓電 流IB之總和，且基本上不包含可定雜訊。疊接元件130使輸出電流IOUT基本上等於電流IS之和。因此：
輸出電壓VOUT等於輸出電流IOUT乘上負載阻抗ZL，即：
需注意在方程中(7)中的第一項IF．ZL係為固定直流(DC)分量，其獨立於輸入信號VIN之外且若針對交流(AC)相關應用可省略不計，因此上式可改寫為：
其中G=ZL/ZIN(9)
由式(8)可看出放大器100可同時實現功率放大和消除可定雜訊之功能。
雖然疊接元件130可使第一電路節點101成為一低阻抗節點，但阻抗仍無法低到使式(2)足夠準確。因此，於一實施例中可另包含一提升增益放大器150，提升增益放大器150例如可包含一運算放大器151。提升增益放大器150可根據第一電路節點101之感測電壓VS，以使用閉迴路及負回授方式動態調整控制電壓VG。當感測電壓VS太高(太低)時，提升增益放大器150 降低(提高)控制電壓VG，以便降低(提高)感測電壓VS。因此，感測電壓VS可保持穩定且幾乎不會受到獨立總電流IS影響。藉此，可有效地讓第一電路節點101成為一虛接地。於第1圖的實施例中，VCM代表一共模電壓，且運算放大器151調整控制電壓VG使感測電壓VS等於控制電壓VCM。
第2圖顯示適用於第1圖之放大器的可調電流源的電路圖。舉一實例說明而非限制本發明，數位信號D係4位元字元而包含四個位元D[3]、D[2]、D[1]、D[0]。可調電流源200包含輸出固定電流IF的靜態電流源210，以及輸出補償電流IOS的一動態電流源230。動態電流源230包含四個電流源220-223及四個開關240-243，四個電流源220-223分別用於輸出4個電流I0-I3，以根據四個位元D[0]-D[3]選擇性地致能四個電流I0-I3。補償電流IOS可以數學式表示為： IOS=D[0]．I0+D[1]．I1+D[2]．I2+D[3]．I3 (10)
因此，數位信號D可以動態控制補償電流IOS，以便抵銷可定電流雜訊IDN。因此，輸入電壓VIN包含的可定電壓雜訊VDN可被消除。
請再參考第1圖。於一實施例中，負載網路140之負載阻抗ZL係為可調，使放大器100的增益亦為可調。於一實施例中， 電阻器141係可調式電阻器。舉一實例說明而非限制本發明，第3圖顯示依本發明一實施例，可構成第1圖所示之負載網路141的可調電阻器300的電路圖。可調電阻器300可包含電阻器320-323、以及由數位編碼R[3：0]控制的開關310-313，以構成可由數位編碼R[3：0]決定電阻值的可調電阻器。可調電阻器300之原理為本案所屬技術領域中具有通常知識者所周知，故於此不再贅述。
在許多應用中，電路設計者常利用差動信號架構執行信號處理。在差動信號處理過程中，信號包含第一端(通常稱為正端)及第二端(通常稱為負端)，且由包含第一半部及第二半部的一電路處理。舉例而言，輸入電壓VIN包含第一端VIN+以及第二端VIN-，而輸出電壓VOUT包含第一端VOUT+和第二端VOUT-。雖然第1圖放大器100採用單端架構，電路設計者可輕易地使用兩個相同的放大器100，其中一個作為第一半部以接收第一端輸入電壓VIN+及輸出第一端輸出電壓VOUT+，另一個作為第二半部以接收第二端輸入電壓VIN-及輸出第二端輸出電壓VOUT-。由於第一半部以及第二半部彼此互補，第一半部及第二半部所接收的數位信號D之值也必須是互補。舉例而言，數位信號D例如是第2圖所示的四位元數位字元D[3：0]，則第一半部 接收到數位信號D的值為4'b1000，且第二半部接收到數位信號D的值為互補的4'b0111。如果電路設計者採用包含提升增益放大器150的實施例，則需要兩個單端運算放大器(例如單端運算放大器151)。於另一實施例中，電路設計者亦可組合兩個單端運算放大器而構成一全差動運算放大器。第4圖為本發明一實施例的可消除可定雜訊的差動放大器400的示意圖，其中差動放大器400係使用一全差動運算放大器提升增益。差動放大器400包含第一放大器410、第二放大器420及全差動運算放大器430。第一放大器410接收第一端輸入電壓VIN+並輸出第一端輸出電壓VOUT+，第二放大器420接收第二端輸入電壓VIN-並輸出第二端輸出電壓VOUT-，且全差動運算放大器430用以實現第一放大器410以及第二放大器420的增益提升。第一放大器410以及第二放大器420可為與第1圖相同的不具提升增益放大器150的放大器100，其中增益放大器150的效果可由全差動運算放大器430替代。兩個單端運算放大器以及全差動運算放大器已揭示於習知技術，故於此不再贅述。如第4圖所示，第一放大器410內的可調電流源411可由一數位信號D控制，且第二放大器420內的可調電流源421可由一互補數位信號DB控制，互補數位信號DB是數位信號D的互補信號。由於第一放大器410內之可調電流源411 及第二放大器420內之可調電流源421兩者的互補架構，使這兩個可調電流源411、421可組合成一差動可調電流源。第5圖為一差動可調電流源500的實施例的示意圖，該差動可調電流源500可用來代替兩個可調電流源411、421。為簡化起見，於本實施例中數位信號D以一兩位元之數位字元D[1：0]表示以便於說明本實施例之原理，當然，本領域之通常知識者可依本實施例之原理自由地延伸位元數而不限定。DB[1：0]係互補於D[1：0]，舉例而言，如果D[1：0]=2'b10，則DB[1：0]=2'b01。差動可調電流源500包含：輸出一第一固定電流IF1到第4圖所示的電路節點413的第一固定電流源510，輸出一第二固定電流IF2到第4圖所示的電路節點423的第二固定電流源520，且兩個電流源530以及540分別用於輸出的電流I0和I1；兩組互補開關550、551以及560、561，用以依據數位字元D[0]及D[1]傳輸電流I0和I1到圖4所示的電路節點413或電路節點423。因本領域之通常知識者定能充分了解第5圖所示之技術細節，故於此不再贅述。
請再參考第1圖。被動輸入網路110可包含電容器111，用於提供一AC耦接使第一電路節點101之DC電壓準位與輸入電壓VIN的DC電壓準位分離。
於另一實施例中，第1圖的放大器100可擴充為可接收第 一輸入電壓VIN1以及第二輸入電壓VIN2，例如第6圖所示的放大器600。放大器600包含核心部分610以及擴充部分620，核心部分610除差動標示的差異外，與第1圖之放大器100完全相同，亦即第1圖之輸入電壓VIN於第6圖被重新標示為第一輸入電壓VIN1，第1圖之第一電路節點101於第6圖被重新標示為總節點601，第1圖之阻抗Zin的被動輸入網路於第6圖被重新標示為阻抗ZIN1的第一被動輸入網路，第1圖之輸入電流IIN於第6圖被重新標示為第一輸入電流IIN1，第1圖之總電流IS於第6圖被重新標示為I'S，第1圖之輸出電壓VOUT於第6圖被重新標示為V'OUT，第1圖之數位信號D於第6圖被重新標示為D'，第1圖可調電流源120於第6圖被重新標示為630。延伸部分620於第6圖中被標記為阻抗ZIN2的第二被動輸入網路，延伸部分620(於本實施例600中包含電容器621以及電阻器622)耦接第二輸入電壓VIN2到總節點601，且由延伸部分620流到總節點601的電流被標示為第二輸入電流IIN2。基於上述的重新標示，方程式(2)改寫為：
由於總節點601是一低阻抗節點，如之前解釋，第二輸入電流IIN2約等於第二輸入電壓VIN2除以阻抗ZIN2，即：
本領域之通常知識者可輕易理解，由於延伸部分620的存在，輸出電壓V'OUT為：
其中G1=ZL/ZIN1 (14)
以及G2=ZL/ZIN2 (15)
於此VDN1係第一輸入電壓VIN1內之第一可定電壓雜訊。因為可適性電流I'B被調整以抵消第一輸入電流IIN1內的第一可定電流雜訊IDN1，故可定電壓雜訊VDN1可被消除，其中：
先前的相關說明已基於新的標示重述如上，因此，放大器600可同時實現加總、功率放大及消除可定雜訊等功能。
於另一實施例中，第二輸入電壓VIN2包含第二可定電壓雜訊VDN2，導致第二輸入電流IIN2內的第二可定電流雜訊IDN2，其中：
可調電流源I'B被調整以抵消第一輸入電流IIN1內之第一 可定電流雜訊IDN1及第二輸入電流IIN2內之第二可定電流雜訊IDN2之和，因此：
換言之，只要第一輸入電壓VIN1之第一可定電壓雜訊VDN1和第二輸入電壓VIN2之第二可定電壓雜訊VDN2可估算出，放大器600可提供放大第一輸入電壓VIN1及第二輸入電壓VIN2同時消除第一可定電壓雜訊VDN1及第二可定電壓雜訊VDN2的效果。
熟悉本領域之技術人員均能輕易理解，於本發明之教示下可獲致針對裝置及方法的各種不同修改及變更。據此，上述揭露之內容不應解釋為申請專利範圍之限制，任何修改與變更均應落入本發明之申請專利範圍。
100‧‧‧消除可定雜訊之放大器
101‧‧‧第一電路節點
102‧‧‧第二電路節點
110‧‧‧被動輸入網路
111‧‧‧電容器
112、141‧‧‧電阻器
120‧‧‧可調電流源
121‧‧‧電流源
130‧‧‧疊接元件
131‧‧‧PMOS電晶體
140‧‧‧負載網路
150‧‧‧提升增益放大器
151‧‧‧運算放大器

Claims (10)

  1. 一種電路，包含：一帶有一輸入阻抗的被動輸入網路，用以耦接一輸入電壓到第一電路節點；一可調電流源，用以輸出一可機動調整偏壓電流到該第一電路節點；由一控制電壓控制的一疊接元件，用以接收從該第一電路節點流出之一總電流且輸出一輸出電流到一第二電路節點；以及一帶有一負載阻抗的負載網路，耦接該第二電路節點；其中，該可機動調整偏壓電流動態調整以追蹤該輸入電壓之中的可確定雜訊成份。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其中該可機動調整電流源包含多個電流源，該些電流源用以輸出多個電流，且該些電流分別依據多個邏輯信號選擇性地傳輸到該第一電路節點。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電路，更包含：一提升增益之運算放大器，用以接收該第一電路節點之電壓且輸出該控制電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其中該負載阻抗和該輸入阻抗的比值用以決定一增益因子。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其中該負載阻抗係為可調阻抗。
  6. 一種放大器，包含：一帶有一第一輸入阻抗的第一被動輸入網路，用以耦接一第一輸入電壓到第一電路節點；一帶有一第二輸入阻抗的第二被動輸入網路，用以耦接一第二輸入電壓到該第一電路節點；一可調電流源，用以輸出一可機動調整偏壓電流到該第一電路節點；由一控制電壓控制的一疊接元件，用以接收從該第一電路節點流出之一總電流且輸出一輸出電流到一第二電路節點；以及一帶有一負載阻抗的負載網路，耦接該第二電路節點，其中該可機動調整偏壓電流動態調整以追蹤該第一輸入電壓及該第二輸入電壓的至少其中之一的可確定雜訊成份。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電路，其中該可機動調整電流源包含多個電流源，該些電流源用以輸出多個電流，且該些電流分別依據多個邏輯信號選擇性地傳輸到該第一電路節點。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之電路，更包含：一提升增益之運算放大器，用以接收該第一電路節點之電壓且輸出該 控制電壓。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之電路，其中該負載阻抗和該第一輸入阻抗的比值決定一第一增益因子，且該負載阻抗和該第二輸入阻抗的比值決定一第二增益因子。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之電路，其中該可機動調整偏壓電流動態調整以追蹤該第一輸入電壓之一第一可確定雜訊成份及該第二輸入電壓之一第二可確定雜訊成份的總和。
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