TW201703427A - 驅動器 - Google Patents

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Abstract

一種驅動器，用以驅動功率放大器。驅動器包含電壓緩衝電路以及電壓轉換電路。電壓緩衝電路用以接收輸入訊號並緩衝輸出第一輸出訊號。電壓轉換電路用以接受第一輸出訊號並輸出第二輸出訊號至功率放大器，其中電壓轉換電路的等效電感與功率放大器的第一輸入電容設置使得電壓緩衝電路具有接近一的電壓增益。

Description

驅動器
本揭示內容是有關於一種驅動器，且特別是有關於一種驅動功率放大器的驅動器。
一個完整的放大器系統通常包含有輸入信號轉換器、小信號放大器、功率放大器及輸出信號轉換器。例如以教室或會議室中的擴音系統來說，麥克風即為輸入信號轉換器，用以將聲音訊號轉換為電訊號，接著小信號放大器以及功率放大器依序將電訊號放大以驅動作為輸出信號轉換器的喇叭。
其中，小訊號放大器主要用以將微弱的電訊號線性放大使其獲得電壓增益以促使電訊號不失真地傳遞至功率放大器。而功率放大器為了得到足夠的功率來驅動輸出信號轉換器，其主要使電訊號獲得電流增益並取得較大的功率。
然而，傳統的小訊號放大器之設計中常常因為共源極架構中電晶體本身輸入電容的非線性特徵而造成電訊號的非線性放大、訊號失真。傳統的解決方法是耦接另一互補之電晶體(例如N型電晶體與P型電晶體彼此互補)，藉 由互補之輸入電容來消除其非線性特徵以利電訊號的放大。但此方法卻也因增加了輸入電容而影響小訊號放大器之驅動能力。
本揭示內容之一態樣是在提供一種驅動器，用以驅動功率放大器。驅動器包含電壓緩衝電路以及電壓轉換電路。電壓緩衝電路用以接收輸入訊號並緩衝輸出第一輸出訊號。電壓轉換電路用以轉換第一輸出訊號並輸出第二輸出訊號至功率放大器，其中電壓轉換電路的等效電感與功率放大器的第一輸入電容設置使得電壓緩衝電路具有接近一的電壓增益。
本揭示內容之次一態樣是在提供一種驅動器，用以驅動功率放大器。驅動器包含電晶體以及變壓器。電晶體具有控制端、第一端以及第二端，控制端用以接收輸入訊號，第一端用以接收參考電壓，第二端用以輸出第一輸出訊號。變壓器耦接電晶體之第二端以及功率放大器，用以接收第一輸出訊號，並輸出第二輸出訊號至功率放大器，其中變壓器的等效電感與功率放大器的第一輸入電容設置使得電晶體具有接近一的電壓增益。
本揭示內容之另一態樣是在提供一種驅動器，用以驅動功率放大器。驅動器包含第一電晶體、第二電晶體、第一耦合電容、第二耦合電容以及變壓器。第一電晶體具有控制端、第一端以及第二端，控制端用以接收第一輸入訊號，第 一端用以接收參考電壓，第二端用以輸出第一輸出訊號。第二電晶體具有控制端、第一端以及第二端，控制端用以接收第二輸入訊號，第一端用以接收參考電壓，第二端用以輸出第二輸出訊號。第一耦合電容具有第一端耦接第一電晶體之控制端以及第二端耦接第二電晶體之第二端。第二耦合電容具有第一端耦接第二電晶體之控制端以及第二端耦接第一電晶體之第二端，其中第一耦合電容值為第一電晶體的輸入電容值，第二耦合電容值為第二電晶體的輸入電容值。變壓器耦接第一電晶體之第二端、第二電晶體之第二端以及功率放大器，用以根據第一輸出訊號以及第二輸出訊號輸出第三輸出訊號至功率放大器，其中變壓器的等效電感與功率放大器的輸入電容設置使得第一電晶體以及第二電晶體具有接近一的電壓增益。
綜上所述，利用電壓緩衝電路以及電壓轉換電路取代了共源極架構的小訊號放大器，亦即避免了共源極架構中輸入電容的非線性特徵而造成電訊號的非線性放大、訊號失真，並進一步透過交叉耦合電容的設置來穩定電壓緩衝電路。
100‧‧‧驅動器
110,310‧‧‧電壓緩衝電路
120‧‧‧電壓轉換電路
130‧‧‧功率放大器
Vin,Vin’‧‧‧輸入訊號
Vout1,Vout1’‧‧‧第一輸出訊號
Vout2‧‧‧第二輸出訊號
Vout3‧‧‧第三輸出訊號
Vdd1,Vdd2‧‧‧參考電壓
Cgs,CL‧‧‧輸入電容
Cf,Cf1,Cf2‧‧‧耦合電容
RL‧‧‧輸入電阻
M1,M2‧‧‧電晶體
T1‧‧‧變壓器
T2‧‧‧輸入訊號源
Lp‧‧‧第一電感
Ls‧‧‧第二電感
Leq‧‧‧等效電感
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下。〔第1A圖〕係根據本揭示內容之一實施例所繪示之一種驅動器的示意圖；〔第1B圖〕係繪示第1A圖中驅動器之等效電路的示意圖； 〔第1C圖〕係繪示第1A圖中驅動器之另一等效電路的示意圖；〔第2圖〕係根據本揭示內容之一實施例所繪示之一種驅動器的示意圖；以及〔第3圖〕係根據本揭示內容之一實施例所繪示之一種驅動器的示意圖。
以下揭示提供許多不同實施例或例證用以實施本發明的特徵。本揭示在不同例證中可能重複引用數字符號且/或字母，這些重複皆為了簡化及闡述，其本身並未指定以下討論中不同實施例且/或配置之間的關係。
關於本文中所使用之『耦接』或『連接』，均可指二或多個元件相互直接作實體或電性接觸，或是相互間接作實體或電性接觸，而『耦接』或『連接』還可指二或多個元件元件相互操作或動作。
一併參閱第1A圖以及第1B圖，第1A圖係根據本揭示內容之一實施例所繪示之一種驅動器100的示意圖，第1B圖係繪示第1A圖中驅動器100之等效電路的示意圖。驅動器100用以驅動功率放大器130。功率放大器130可以是應用於音響系統、無線通訊系統、手機晶片或任何需要使用功率放大器的電子裝置中，然而，本揭示並不以上述示例為限。
驅動器100包含電壓緩衝電路110和電壓轉換 電路120。電壓緩衝電路110用以接收輸入訊號Vin並緩衝輸出第一輸出訊號Vout1。電壓轉換電路120用以接收第一輸出訊號Vout1，並轉換成第二輸出訊號Vout2至功率放大器130。
在一些實施例中，如第1A圖所示，電壓緩衝電路110包含電晶體M1，電晶體M1具有控制端、第一端以及第二端。電晶體M1之控制端用以接收輸入訊號Vin，電晶體M1之第一端用以接收參考電壓Vdd1，電晶體M1之第二端用以輸出第一輸出訊號Vout1。在此實施例中，電晶體M1為N型金氧半場效電晶體(N-MOSFET)，在實際應用中電晶體M1亦可以為P型金氧半場效電晶體(P-MOSFET)、雙極性接面電晶體(BJT)或是任何等效的電晶體，本揭示並不以此為限。輸入訊號Vin為來自電壓緩衝電路110之前一級電路的輸出訊號，其中電壓緩衝電路110之前一級電路可以是轉換聲音訊號的壓電轉換電路、轉換無線訊號的收發器或是任何具處理訊號功能的電路，本揭示並不以此為限。
在此實施例中，輸入訊號Vin小於參考電壓Vdd1使得電壓緩衝電路110操作於線性區間。進一步來說，電晶體M1於一般操作情況下可以根據不同的輸入訊號Vin以及參考電壓Vdd1操作於線性區間或非線性區間，其中當電晶體M1操作於線性區間時，輸入訊號Vin能夠藉由電晶體M1線性地緩衝輸出第一輸出訊號Vout1(亦即輸入訊號Vin的整體波型一致地傳送，無部分波型扭曲)。另一方面，當電晶體M1操作於非線性區間時，電晶體M1則會將輸入訊號Vin非線性地緩衝輸出第一輸出訊號Vout1(亦即輸入訊號Vin的整體波型放大不一致， 導致部分波型扭曲，等同於訊號失真)。舉例來說，當輸入訊號Vin的電壓準位約等於參考電壓Vdd1之電壓準位時，電晶體M1操作於非線性區間。當輸入訊號Vin的電壓準位約等於Vdd1/3之電壓準位時，電晶體M1操作於非線性區間，在此Vdd1/3之電壓準位僅舉例說明，輸入訊號Vin的電壓準位可以為任何使得電壓緩衝電路110操作於線性區間的值。藉由將電壓緩衝電路110操作於線性區間可避免輸入訊號Vin放大為第一輸出訊號Vout1而有訊號失真的現象。
繼續參閱第1A圖，在一些實施例中，電壓轉換電路120包含變壓器T1耦接電晶體M1之第二端以及功率放大器130。變壓器T1包含第一電感Lp以及第二電感Ls，第一電感Lp耦接電晶體M1之第二端，第二電感Ls耦接功率放大器130，且變壓器T1具有圈數比N ，亦即圈數比N為第二電感Ls與第一電感Lp之比值的平方根，且第二輸出訊號Vout2與第一輸出訊號Vout1之比值為圈數比N。圈數比N可以為整數或任意正值，也就是說電壓轉換電路120根據圈數比N來接收第一輸出訊號Vout1並輸出第二輸出訊號Vout2。
此外，在此實施例中，變壓器T1中的第一電感Lp與第二電感Ls之等效電感可視為一等效電感Leq(如第1B圖中所示)，變壓器T1的等效電感Leq與功率放大器130的 輸入電容CL設置使得電晶體M1具有接近一的電壓增益。進一步來說，第1B圖中輸入訊號Vin與第一輸出訊號Vout1之間的電壓增益關係可以公式(1)表示如下： 其中，gm為電晶體M1的轉導係數，Cgs為電晶體M1的輸入電容，Leq為電壓轉換電路120的等效電感，RL、CL分別為功率放大器130的輸入電阻及輸入電容，ω則為可變動的角頻率(註：一般來說角頻率ω=2 π *f，f為頻率)。輸入訊號Vin其波型並不限於低頻的變動，當輸入訊號Vin之波型具有高頻的變動即代表為角頻率ω有較高的數值。由公式(1)可以看到電壓增益Gv隨著不同的角頻率ω而變動。在此實施例中，角頻率ω為第一角頻率ω0，其中 亦即根據變壓器T1的等效電感Leq與功率放大器130的輸入電容CL設置角頻率ω，因此輸入訊號Vin與第一輸出訊號Vout1之間的電壓增益關係可以由公式(1)化簡為公式(2)： 如公式(2)所示，由於ω=ω0，電壓轉換電路120的等效電感Leq與功率放大器130的輸入電容CL抵銷。此外，在一般情 況下，電晶體M1的轉導係數gm遠大於公式(2)中的1/RL，也就是說公式(2)中分母以及分子的實部部份會近似於gm，使得輸入訊號Vin與第一輸出訊號Vout1之間的電壓增益Gv=1，亦即電壓緩衝電路110具有單位電壓增益。藉此避免了電晶體M1的輸入電容Cgs的非線性特徵可能造成之電訊號的非線性放大、訊號失真。需注意的是，在一些實施例中，由於等效電感Leq、功率放大器130的輸入電容CL並未完全抵銷，或是功率放大器130的輸入電阻RL較小皆可能使得電壓緩衝電路110的電壓增益Gv僅為接近一的數值(即Gv 1)，例如Gv=1.05或Gv=0.95，因此本揭示的電壓緩衝電路110所具有的電壓增益Gv並不以單位電壓增益(Gv=1)為限，本揭示可應用於任何電壓增益接近於一的電壓緩衝電路110中。
請參閱第1C圖，其繪示第1A圖中驅動器100之另一等效電路的示意圖。當角頻率ω數值變大時，功率放大器130的輸入電容CL阻抗值會隨之變小，相反地電壓轉換電路120的等效電感Leq阻抗值會隨之變大，故第1B圖中功率放大器130的輸入電阻RL以及電壓轉換電路120的等效電感Leq在角頻率ω數值較大的情況下可以忽略，故可繪示為如第1C圖所示。在此實施例中，電壓緩衝電路110之輸入阻抗Zin可以公式(3)~(5)表示(假設電壓緩衝電路110的電壓增益Gv=1，亦即輸入訊號Vin等於第一輸出訊號Vout1)： 可以看到電壓緩衝電路110之輸入阻抗Zin的實部部分Re<Zin>為負值，在此情況下電壓緩衝電路110中的電晶體M1有可能無法正常緩衝輸入訊號Vin並輸出第一輸出訊號Vout1(如電晶體的震盪現象)。
請參閱第2圖，其繪示本揭示內容之一實施例中一種驅動器200的示意圖。驅動器200包含如第1A圖所示之驅動器100中的電壓緩衝電路110及電壓轉換電路120，然第2圖中僅繪示如第1C圖中角頻率ω數值較大的情況下之等效電路圖。相較於第1C圖所示之驅動器100，驅動器200更包含耦合電容Cf。耦合電容Cf具有第一端耦接電晶體M1之控制端以及第二端用以接收一反相訊號-Vout1。耦合電容Cf用以穩定電晶體M1，其中反相訊號-Vout1與第一輸出訊號Vout1互補，亦即反相訊號-Vout1與第一輸出訊號Vout1彼此為相位相反的訊號。在此實施例中，耦合電容值Cf為電晶體M1的輸入電容值Cgs C f =C gs 因此，電壓緩衝電路110之輸入阻抗Zin可以由原先的公式(5)化簡為公式(6)： 如公式(6)所示，電壓緩衝電路110之輸入阻抗Zin之中已無實 部部分，亦即Re<Zin>=0。因此避免了電壓緩衝電路110中的電晶體M1異常輸出第一輸出訊號Vout1(如電晶體的震盪現象)。
須補充的是，在此實施例中的反相訊號-Vout1可以是耦接至外部的訊號產生器亦可以是由兩個電晶體彼此並聯來實施，在此請一併參閱第3圖。第3圖繪示本揭示內容之一實施例中一種驅動器300的示意圖。驅動器300包含如驅動器200中的電壓轉換電路120，更包含電壓緩衝電路310以及耦合電容Cf1、Cf2。電壓緩衝電路310包含電晶體M1以及電晶體M2。如第3圖所示，電晶體M1以及電晶體M2彼此並聯耦接，亦即電晶體M1、M2之第一端共同耦接至參考電壓Vdd1，電晶體M1、M2之控制端共同耦接至輸入訊號源T2，輸入訊號源T2用以分別提供輸入訊號Vin以及輸入訊號Vin’至電晶體M1、M2。在此實施例中，輸入訊號Vin與輸入訊號Vin’互補，亦即輸入訊號Vin與輸入訊號Vin’彼此為相位相反的訊號。因此，由電晶體M1、M2分別輸出的第一輸出訊號Vout1與第一輸出訊號Vout1’亦互補。故透過設置耦合電容Cf1之第二端耦接至電晶體M2之第二端即可使耦合電容Cf1之第二端接收到與第一輸出訊號Vout1互補之第一輸出訊號Vout1’。同樣地，透過設置耦合電容Cf2之第二端耦接至電晶體M1之第二端即可使耦合電容Cf2之第二端接收到與第一輸出訊號Vout1’互補之第一輸出訊號Vout1。因此避免了電壓緩衝電路310中的電晶體M1、M2異常輸出第一輸出訊號Vout1、Vout1’(如電晶體的震盪現象)。 最後，同樣透過電壓轉換電路120將接收到的第一輸出訊號Vout1、Vout1’轉換為第二輸出訊號Vout2至功率放大器130。
綜上所述，本揭示文件提供一種驅動器，且特別是有關於一種驅動功率放大器的驅動器。利用電壓緩衝電路以及電壓轉換電路取代了共源極架構的小訊號放大器，亦即避免了共源極架構中輸入電容的非線性特徵而造成電訊號的非線性放大、訊號失真，並進一步透過耦合電容的設置來穩定電壓緩衝電路。
雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧驅動器
110‧‧‧電壓緩衝電路
120‧‧‧電壓轉換電路
130‧‧‧功率放大器
Vin‧‧‧輸入訊號
Vout1‧‧‧第一輸出訊號
Vout2‧‧‧第二輸出訊號
Vout3‧‧‧第三輸出訊號
Vdd1,Vdd2‧‧‧參考電壓
Cgs‧‧‧輸入電容
M1‧‧‧電晶體
T1‧‧‧變壓器
Lp‧‧‧第一電感
Ls‧‧‧第二電感

Claims (10)

  1. 一種驅動器，用以驅動一功率放大器，該驅動器包含：一電壓緩衝電路，用以接收一輸入訊號並緩衝輸出一第一輸出訊號；一電壓轉換電路，用以放大該第一輸出訊號，並輸出一第二輸出訊號至該功率放大器，其中該電壓轉換電路的一等效電感與該功率放大器的一第一輸入電容設置使得該電壓緩衝電路具有接近一的電壓增益。
  2. 如請求項1所述的驅動器，其中該電壓緩衝電路耦接一參考電壓，且該輸入訊號小於該參考電壓使得該電壓緩衝電路操作於一線性區間。
  3. 如請求項1所述的驅動器，其中該電壓轉換電路具有一圈數比，該第二輸出訊號與該第一輸出訊號之比值為該圈數比，該電壓轉換電路包含一第一電感耦接該電壓緩衝電路與一第二電感耦接該功率放大器，該圈數比為該第二電感與該第一電感之比值之平方根。
  4. 如請求項1所述的驅動器，更包含一耦合電容，該耦合電容具有一第一端耦接該電壓緩衝電路以及一第二端用以接收一反相訊號，該耦合電容用以穩定該電壓緩衝電路，其中該反相訊號與該第一輸出訊號互補，該耦合電 容值為該電壓緩衝電路的一第二輸入電容值。
  5. 一種驅動器，用以驅動一功率放大器，該驅動器包含：一電晶體，具有一控制端、一第一端以及一第二端，該控制端用以接收一輸入訊號，該第一端用以接收一參考電壓，該第二端用以輸出一第一輸出訊號；以及一變壓器，耦接該電晶體之該第二端以及該功率放大器，用以接收該第一輸出訊號，並輸出一第二輸出訊號至該功率放大器，其中該變壓器的一等效電感與該功率放大器的一第一輸入電容設置使得該電晶體具有接近一的電壓增益。
  6. 如請求項5所述的驅動器，其中該輸入訊號小於該參考電壓使得該電晶體操作於一線性區間。
  7. 如請求項5所述的驅動器，其中該變壓器具有一圈數比，該第二輸出訊號與該第一輸出訊號之比值為該圈數比。
  8. 如請求項7所述的驅動器，其中該變壓器包含一第一電感耦接該電晶體之該第二端與一第二電感耦接該功率放大器，該圈數比為該第二電感與該第一電感之比值之平方根。
  9. 如請求項5所述的驅動器，更包含一耦合電容，該耦合電容具有一第一端耦接該電晶體之控制端以及一第二端用以接收一反相訊號，該耦合電容用以穩定該電晶體，其中該反相訊號與該第一輸出訊號互補，該耦合電容值為該電晶體的一第二輸入電容值。
  10. 一種驅動器，用以驅動一功率放大器，該驅動器包含：一第一電晶體，具有一控制端、一第一端以及一第二端，該控制端用以接收一第一輸入訊號，該第一端用以接收一參考電壓，該第二端用以輸出一第一輸出訊號；一第二電晶體，具有一控制端、一第一端以及一第二端，該控制端用以接收一第二輸入訊號，該第一端用以接收該參考電壓，該第二端用以輸出一第二輸出訊號；一第一耦合電容，具有一第一端耦接該第一電晶體之該控制端以及一第二端耦接該第二電晶體之該第二端；一第二耦合電容，具有一第一端耦接該第二電晶體之該控制端以及一第二端耦接該第一電晶體之該第二端，其中該第一耦合電容值為該第一電晶體的輸入電容值，該第二耦合電容值為該第二電晶體的輸入電容值；以及一變壓器，耦接該第一電晶體之該第二端、該第二電晶體之該第二端以及該功率放大器，用以根據該第一輸出訊號以及該第二輸出訊號輸出一第三輸出訊號至該功率放大器，其中該變壓器的一等效電感與該功率放大器的輸入電容設置使得該第一電晶體以及該第二電晶體具有接近一的 電壓增益。
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