TW201703426A - 具有雜訊壓抑功能的訊號放大電路 - Google Patents
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Abstract
一種具有雜訊壓抑功能的訊號放大電路,包含有一第一電路模組以及一第二電路模組。該第一電路模組包含一電流源以及一切換開關。該電流源連接於一輸入級,用來輸入一電流。該切換開關連接於一第一級輸出端。該切換開關依據截波頻率進行該輸入級與該第一級輸出端的正負端切換。該第二電路模組包含一等效電容,設置在一輸出級與一第二級輸入端之間。該訊號放大電路藉由控制該電流之一電流量以及該等效電容之一電容值以相應調整該訊號放大電路之一內部頻寬,且該內部頻寬係小於該截波頻率並大於該輸入級之一輸入訊號。
Description
本發明係提供一種訊號放大電路,尤指一種充放電速度極慢以有效抑制雜訊生成的訊號放大電路。
截波技術係利用開關的切換改變電路直流偏移以及低頻雜訊對於訊號的方向性,使直流偏移與低頻雜訊轉換為高頻干擾,再利用低通濾波器(low-pass filter)消除的技巧。傳統截波放大器的內部頻寬要遠大於截波頻率(chopping frequency)以避免安定時間(settling time)不足,且截波頻率又必須大於訊號頻率以配合低通濾波器的製作,因此具有高耗能的缺點。另外,傳統放大器所需的低通濾波器通常為電路上的內電容、或設計在電路外部的獨立電容,需要花費較高昂的材料與製作成本。
本發明係提供一種充放電速度極慢以有效抑制雜訊生成的訊號放大電路,以解決上述之問題。
本發明之申請專利範圍係揭露一種具有雜訊壓抑功能的訊號放大電路,包含有一第一電路模組以及一第二電路模組。該第一電路模組具有一輸入級與一第一級輸出端,且包含一電流源以及一切換開關。該電流源連接於該輸入級,用來輸入一電流。該切換開關連接於該第一級輸出端。該切換開關依據一截波頻率進行該輸入級與該第一級輸出端的正負端切換。該第二電路模組具有一輸出級、與連接到該第一級輸出端的一第二級輸入端。該第二電路模組包含一等效電容,設置在該輸出級與該第二級輸入端之間。該訊號放大電路藉由控制該電流之一電流量以及該等效電容之一電容值以相應調整該訊號放大電路之一內部頻寬,且該內部頻寬係小於該截波頻率並大於該輸入級之一輸入訊號。
本發明之申請專利範圍另揭露該截波頻率係至少為該內部頻寬的十倍以上。
本發明之申請專利範圍另揭露該第一電路模組另包含一第一負載,連接於該第一級輸出端並接地。該第二電路模組另包含一第二負載及一第三負載,分別連接於該等效電容且接地。
本發明之申請專利範圍另揭露該訊號放大電路係減少該電流源輸出的該電流量、或在該第二電路模組設置高電容值的該等效電容以降低該內部頻寬。
本發明之申請專利範圍另揭露該內部頻寬用來使該訊號放大電路進入電壓擺動率區間,藉此消除直流偏移電壓及低頻雜訊。
本發明之申請專利範圍另揭露該第二級輸入端利用米勒補償使該第一級輸出端隨著該截波頻率進行切換時進入該電壓擺動率區間。
本發明係妥善選擇適當的截波頻率,將電路設計在電壓擺動率區間,降低訊號放大電路10的內部頻寬使其小於截波頻率但大於處理訊號的頻率即可,如此可避免大量的電流消耗以節省能源。訊號放大電路10的切換開關18隨著截波頻率進行正負端切換以進入電壓擺動率區間後,可以有效地壓抑截波頻率的干擾訊號在特定範圍內(如前述的小振幅三角波),所以後端電路不需要很寬的輸入電壓範圍去承受大範圍擺動的截波干擾。訊號放大電路10能夠有效抑制截波干擾,本發明不必額外增設類比式濾波器,即能在不影響線性度的情況下讓後端電路繼續處理訊號。
請參閱第1圖,第1圖為本發明實施例之具有雜訊壓抑功能的訊號放大電路10的示意圖。傳統放大器的轉態速度較快,且會輸出振幅極大的方形截波。為了有效克服截波干擾,本發明的訊號放大電路10可以大幅壓抑充放電速度,利用電壓擺動率區間(Slew Rate)之限制使其輸出波形轉變為振幅極小的三角波,可以有效降低干擾振幅,讓後端電路不需要較寬的輸入電壓範圍、亦不需搭配額外的濾波器設計。
訊號放大電路10主要由第一電路模組12以及第二電路模組14組成。第一電路模組12與第二電路模組14之間可選擇性配置緩衝電路設計,然不限於此。第一電路模組12包含電流源16以及切換開關18。電流源16連接於第一電路模組12之輸入級20,用來輸入電流進入訊號放大電路10。切換開關18連接於第一電路模組12之第一級輸出端22,可依據訊號放大電路10的截波頻率進行輸入級20和第一級輸出端22的正負端切換。第二電路模組14的等效電容24設置在輸出級26與第二級輸入端28之間,其中第二級輸入端28係連接到第一級輸出端22。第一電路模組12另包含第一負載30,連接於第一級輸出端22並接地,第二電路模組14另包含第二負載32及第三負載34,分別連接於等效電容24且接地。
本發明藉由控制電流源16的輸出電流量以及等效電容24的電容值以相應調整訊號放大電路10的內部頻寬,使該內部頻寬小於截波頻率並大於輸入級20的輸入訊號。舉例來說,本發明之訊號放大電路10的截波頻率較佳設計為內部頻寬的十倍以上,意即內部頻寬設計得極小,並在第二級輸入端28利用米勒補償(Miller Compensation)、以及加上高電容值的等效電容24,使得第一級輸出端22能隨著截波頻率之切換而進入電壓擺動率區間,據此消除訊號放大電路10的直流偏移電壓及低頻雜訊。
請參閱第2圖,第2圖為第1圖所示之訊號放大電路10的訊號模擬圖。以虛線繪製的波形A表示傳統放大器的干擾截波,實線繪製的波形B則是本發明訊號放大電路10的輸出截波。在本發明的訊號模擬分析中,截波頻率選擇在10KHz時,傳統放大器的內部頻寬約為100KHz、工作週期為△T,干擾截波為第2圖所示的波形A。為了顯著降低訊號放大電路10的充放電速度,本發明可選擇將訊號放大電路10的內部頻寬設定在1KHz(意即內部頻寬較佳為截波頻率的10%),此時訊號放大電路10的工作週期就變成是100△T。本發明的參數設定不限於上述實施例,端視設計需求而定。這樣一來,訊號放大電路10相較傳統放大器需要百倍以上時間才會完成轉態,但是訊號放大電路10的輸出電壓仍會隨著截波頻率的切換在未達轉態電壓前即進入電壓擺動率區間,訊號放大電路10的輸出截波就會形成如第2圖所示的振幅極小的三角波。
本發明係利用調控電流源16的輸出電流量及等效電容24的電容值來降低訊號放大電路10的內部頻寬,例如減少電流源16輸出的電流量和/或將高電容值的等效電容24設置在第二電路模組14內,使訊號放大電路10的工作週期能大幅放大。其中一種實施態樣可將電流源16的輸出電流量減少為初始值(傳統放大器的預定輸出電流)的十分之一,並將等效電容24的電容值放大為初始值(傳統放大器的電容值)的十倍,如此即能將訊號放大電路10的工作週期放大百倍左右;電流源16之輸出電流量及等效電容24之電容值的改變比例當然不限於本實施態樣所述,端視實際需求而定。
除此之外,其餘實施態樣還可選擇在電流源16的輸出電流量大致保持不變的前提下,將等效電容24的電容值放大為初始值的百倍;或選擇在等效電容24的電容值大致保持不變的前提下,將電流源16的輸出電流量減少為初始值的百分之一。只要電流源16之輸出電流改變量和等效電容24之電容值調整比例的相乘效應能讓訊號放大電路10的工作週期(或內部頻寬)調整到預定放大倍率即符合本發明訊號放大電路10之設計需求。
本發明係妥善選擇適當的截波頻率,將電路設計在電壓擺動率區間,降低訊號放大電路10的內部頻寬使其小於截波頻率但大於處理訊號的頻率即可,如此可避免大量的電流消耗以節省能源。訊號放大電路10的切換開關18隨著截波頻率進行正負端切換以進入電壓擺動率區間後,可以有效地壓抑截波頻率的干擾訊號在特定範圍內(如前述的小振幅三角波),所以後端電路不需要很寬的輸入電壓範圍去承受大範圍擺動的截波干擾。訊號放大電路10能夠有效抑制截波干擾,本發明不必額外增設類比式濾波器,即能在不影響線性度的情況下讓後端電路繼續處理訊號。 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‧‧‧訊號放大電路
12‧‧‧第一電路模組
14‧‧‧第二電路模組
16‧‧‧電流源
18‧‧‧切換開關
20‧‧‧第一電路模組的輸入級
22‧‧‧第一電路模組的第一級輸出端
24‧‧‧等效電容
26‧‧‧第二電路模組的輸出級
28‧‧‧第二電路模組的第二級輸入端
30‧‧‧第一負載
32‧‧‧第二負載
34‧‧‧第三負載
A、B‧‧‧模擬波形
12‧‧‧第一電路模組
14‧‧‧第二電路模組
16‧‧‧電流源
18‧‧‧切換開關
20‧‧‧第一電路模組的輸入級
22‧‧‧第一電路模組的第一級輸出端
24‧‧‧等效電容
26‧‧‧第二電路模組的輸出級
28‧‧‧第二電路模組的第二級輸入端
30‧‧‧第一負載
32‧‧‧第二負載
34‧‧‧第三負載
A、B‧‧‧模擬波形
第1圖為本發明實施例之具有雜訊壓抑功能之訊號放大電路的示意圖。 第2圖為第1圖所示之訊號放大電路的訊號模擬圖。
10‧‧‧訊號放大電路
12‧‧‧第一電路模組
14‧‧‧第二電路模組
16‧‧‧電流源
18‧‧‧切換開關
20‧‧‧第一電路模組的輸入級
22‧‧‧第一電路模組的第一級輸出端
24‧‧‧等效電容
26‧‧‧第二電路模組的輸出級
28‧‧‧第二電路模組的第二級輸入端
30‧‧‧第一負載
32‧‧‧第二負載
34‧‧‧第三負載
Claims (7)
- 一種具有雜訊壓抑功能的訊號放大電路,包含有: 一第一電路模組,具有一輸入級與一第一級輸出端,該第一電路模組包含: 一電流源,連接於該輸入級,用來輸入一電流;以及 一切換開關,連接於該第一級輸出端,該切換開關依據一截波頻率進行該輸入級與該第一級輸出端的正負端切換;以及 一第二電路模組,具有一輸出級、與連接到該第一級輸出端的一第二級輸入端,該第二電路模組包含一等效電容,設置在該輸出級與該第二級輸入端之間,藉由控制該電流之一電流量以及該等效電容之一電容值以相應調整該訊號放大電路之一內部頻寬,且該內部頻寬係小於該截波頻率並大於該輸入級之一輸入訊號。
- 如請求項1所述之訊號放大電路,其中該截波頻率係至少為該內部頻寬的十倍以上。
- 如請求項1所述之訊號放大電路,其中該第一電路模組另包含一第一負載,連接於該第一級輸出端並接地,該第二電路模組另包含一第二負載及一第三負載,分別連接於該等效電容且接地。
- 如請求項1所述之訊號放大電路,其中該訊號放大電路係減少該電流源輸出的該電流量,以降低該內部頻寬。
- 如請求項1所述之訊號放大電路,其中該訊號放大電路係在該第二電路模組設置高電容值的該等效電容以降低該內部頻寬。
- 如請求項1所述之訊號放大電路,其中該內部頻寬用來使該訊號放大電路進入電壓擺動率區間,藉此消除直流偏移電壓及低頻雜訊。
- 如請求項6所述之訊號放大電路,其中該第二級輸入端利用米勒補償使該第一級輸出端隨著該截波頻率進行切換時進入該電壓擺動率區間。
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