TW202023184A - 自偏壓放大器 - Google Patents

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Abstract

一種自偏壓放大器，包括一電容、一偏壓產生電路及一共源極放大器。該電容用於接收一輸入電壓及輸出該輸入電壓之一交流成分，該偏壓產生電路耦接該電容，用於根據該交流成分以產生一第一偏壓，該共源極放大器耦接該偏壓產生電路，用於根據該第一偏壓以產生一放大電壓。

Description

自偏壓放大器
本發明關於一種自偏壓放大器，特別是一種適用低功率晶體震盪器的自偏壓放大器。
數位電子裝置常用晶體振盪器來產生時脈以保證裝置的同步運作。隨著低功率裝置應用的持續增加，在低功率下運作晶體振盪器的需求也越來越多。由於晶體振盪器在低功率下無法輸出全擺動方波訊號而只能輸出小弦波訊號，所以造成產生正確時脈的困難。
第1圖顯示相關技術中時脈產生器1的示意圖，理想狀況下時脈產生器1會產生方波作為時脈輸出VOUT。時脈產生器1包括晶體振盪器10和比較器12，晶體振盪器10包括晶體X、反向放大器INV、回饋電阻Rf、負載電容C1和C2。在低功率情況下晶體振盪器10的電流會受到抑制，反向放大器INV的輸入訊號XIN和輸出訊號XOUT不會是全擺幅(full swing)方波而會是弦波。比較器12比較輸入訊號XIN和輸出訊號XOUT以產生時脈輸出VOUT。第2圖顯示第1圖時脈產生器1的訊號圖，其中垂直軸表示電壓，水平軸表示時間。在製程電壓溫度(process, voltage, temperature, PVT)變異下反向放大器INV的訊號XIN和XOUT之間存在偏移Offset。當偏移Offset過大時比較器12會認為訊號XIN和訊號XOUT之間一直存在差異而無法產生時脈輸出VOUT。
因此需要一種適用於低功率的時脈產生器，可將小擺幅或偏移的晶體振盪器輸出訊號轉換為清楚的方波時脈訊號。
本發明的實施例一種自偏壓放大器，包括一電容、一偏壓產生電路及一共源極放大器。該電容用於接收一輸入電壓及輸出該輸入電壓之一交流成分，該偏壓產生電路耦接該電容，用於根據該交流成分以產生一第一偏壓，該共源極放大器耦接該偏壓產生電路，用於根據該第一偏壓以產生一放大電壓。
第3圖顯示本揭露實施例的時脈產生器3的方塊圖，時脈產生器3包括低功率晶體振盪器30、自偏壓放大器32及輸出電路34。低功率晶體振盪器30輸出部分擺動且具有偏移Offset的輸入訊號XIN或輸出訊號XOUT，輸入訊號XIN或輸出訊號XOUT可為小弦波訊號。自偏壓放大器32不會受到輸入訊號XIN或輸出訊號XOUT的擺動幅度或偏移大小影響，而會放大輸入訊號XIN或輸出訊號XOUT以產生方波輸出電壓Vo。輸出電路34為驅動電路，接收輸出電壓Vo以產生供其他電路使用的時脈訊號CLK。
第4圖係第3圖自偏壓放大器32的一實施例的電路圖，第4圖自偏壓放大器32包括電容40、偏壓產生電路42及共源極放大器44。偏壓產生電路42耦接於電容40，共源極放大器44耦接於偏壓產生電路42。電容40包括第一端和第二端，偏壓產生電路42包括第一電晶體M1和耦接第一電晶體M1的第二電晶體M2，共源極放大器44包括第三電晶體M3和耦接於第三電晶體M3的第四電晶體M4。第一電晶體M1和第三電晶體M3可為N型金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)，第二電晶體M2和第四電晶體M4可為P型金氧半場效電晶體。第一電晶體M1和第三電晶體M3可互相匹配，且第二電晶體M2和第四電晶體M4可互相匹配，以降低製程電壓溫度變異對第4圖自偏壓放大器32的影響。第一電晶體M1和第三電晶體M3可形成一電流鏡，且第二電晶體M2和第四電晶體M4可作為電流源。
電容40的第一端接收輸入電壓Vin，輸入電壓Vin可以是輸入訊號XIN或輸出訊號XOUT，且電容40會濾除輸入電壓Vin的直流成分以使電容40的第二端輸出輸入電壓Vin之交流成分。第一電晶體M1包括一第一端耦接於電容40，一第二端用以接收一第一參考電壓GND，及一控制端耦接於第一電晶體M1之第一端。第二電晶體M2包括一第一端用以接收一第二參考電壓VDD，一第二端耦接於第一電晶體M1之第一端，及一控制端用以接收一第二偏壓VBP。第三電晶體M3包括一第一端，一第二端用以接收第一參考電壓GND，及一控制端耦接於第一電晶體M1之第一端。第四電晶體M4包括一第一端用以接收第二參考電壓VDD，一第二端耦接於第三電晶體M3之第一端，及一控制端用以接收第二偏壓VBP。第三電晶體M3的第一端和第四電晶體M4的第二端可用以輸出偏壓放大器32的輸出電壓Vo，第一參考電壓GND可為一接地電壓，第二參考電壓VDD可為一系統電壓。
第5圖係第4圖自偏壓放大器32的訊號圖，其中垂直軸表示電壓，水平軸表示時間。輸入電壓Vin為一弦波訊號，輸入電壓Vin的交流成分通過電容40傳送至第一電晶體M1的控制端時，會與第一電晶體M1和第三電晶體M3的臨界電壓準位VBNo結合，以使第一偏壓VBN以臨界電壓準位VBNo為中心交替變化，當第一偏壓VBN大於臨界電壓準位VBNo時，第三電晶體M3會導通，第四電晶體M4會微幅導通，將輸出電壓Vo拉低至第一參考電壓GND；當第一偏壓VBN小於臨界電壓準位VBNo時，第三電晶體M3截止，而第四電晶體M4會持續導通，將輸出電壓Vo拉高至第二參考電壓VDD。透過這個方式，共源極放大器44可將輸入電壓Vin交流成分放大成全擺幅方波作為輸出電壓Vo。因此，第4圖的自偏壓放大器32解決輸入電壓Vin的偏移問題，降低製程電壓溫度變異對自偏壓放大器32的影響，且無需使用比較器即可將輸入電壓Vin的小弦波訊號放大為全擺幅方波作為輸出電壓Vo。
第6圖係第3圖自偏壓放大器32的另一實施例的電路圖。第6圖自偏壓放大器32包括電容40、偏壓產生電路62及共源極放大器64。偏壓產生電路62耦接於電容40，共源極放大器64耦接於偏壓產生電路62。電容40包括第一端和第二端，偏壓產生電路62包括第一電晶體M1和耦接第一電晶體M1的第二電晶體M2，共源極放大器64包括第三電晶體M3和耦接於第三電晶體M3的第四電晶體M4。第一電晶體M1和第三電晶體M3可為N型金氧半場效電晶體，第二電晶體M2和第四電晶體M4可為P型金氧半場效電晶體。第一電晶體M1和第三電晶體M3可互相匹配，且第二電晶體M2和第四電晶體M4可互相匹配，以降低製程電壓溫度變異對第6圖自偏壓放大器32的影響。第一電晶體M1和第三電晶體M3可作為電流源，且第二電晶體M2和第四電晶體M4可形成一電流鏡。
第一電晶體M1包括一第一端，一第二端用以接收第一參考電壓GND，一控制端用以接收第二偏壓VBP。第二電晶體M2包括一第一端用以接收一第二參考電壓VDD，一第二端耦接於第一電晶體M1之第一端，及一控制端耦接於電容40及第一電晶體M1之第一端。第三電晶體包括一第一端，一第二端用以接收第一參考電壓GND，及一控制端用以接收第二偏壓VBP。第四電晶體M4包括一第一端用以接收第二參考電壓VDD，一第二端耦接於第三電晶體M3之第一端，及一控制端耦接於第一電晶體M1之第一端。第三電晶體M3的第一端和第四電晶體M4的第二端可用以輸出偏壓放大器32的輸出電壓Vo，第一參考電壓GND可為一接地電壓，第二參考電壓VDD可為一系統電壓。第6圖實施例和第4圖實施例的電路設置和運作方式相似，在此不再贅述。
第7圖係第3圖自偏壓放大器32的另一實施例的電路圖。第7圖自偏壓放大器32包括電容40、偏壓產生電路72及共源極放大器74。偏壓產生電路72耦接於電容40，共源極放大器74耦接於偏壓產生電路72。電容40包括第一端和第二端，偏壓產生電路72包括第一電晶體M1、第二電晶體M2、第三電晶體M3和第四電晶體M4，共源極放大器64包括第五電晶體M5、第六電晶體M6、第七電晶體M7和第八電晶體M8。第一電晶體M1、第二電晶體M2、第五電晶體M5和第六電晶體M6可為N型金氧半場效電晶體，第三電晶體M3、第四電晶體M4、第七電晶體M7和第八電晶體M8可為P型金氧半場效電晶體。第一電晶體M1、第二電晶體M2、第五電晶體M5和第六電晶體M6可互相匹配，且第三電晶體M3、第四電晶體M4、第七電晶體M7和第八電晶體M8可互相匹配，以降低製程電壓溫度變異對第7圖自偏壓放大器32的影響。第三電晶體M3和第四電晶體M4可形成一電流源，第七電晶體M7和第八電晶體M8可形成另一電流源，且第一電晶體M1、第二電晶體M2、第五電晶體M5和第六電晶體M6可形成一電流鏡。
第一電晶體M1包括一第一端，一第二端用以接收第一參考電壓GND，及一控制端耦接於該電容。第二電晶體M2包括一第一端耦接於第一電晶體M1之控制端，一第二端耦接於第一電晶體M1之第一端，及一控制端耦接於第一電晶體M1之控制端。第三電晶體M3包括一第一端，一第二端耦接於第二電晶體M2之第一端，及一控制端用以接收第二偏壓VBP。第四電晶體M4包括一第一端用以接收第二參考電壓VDD，一第二端耦接於第三電晶體M3之第一端，及一控制端用以接收第二偏壓VBP。第五電晶體M5包括一第一端，一第二端用以接收第一參考電壓GND，及一控制端耦接於第一電晶體M1之第一端。第六電晶體M6包括一第一端，一第二端耦接於第五電晶體M5之第一端，及一控制端耦接於第二電晶體M2之第一端。第七電晶體M7包括一第一端，一第二端耦接於第六電晶體M6之第一端，及一控制端用以接收第二偏壓VBP。第八電晶體M8包括一第一端用以接收第二參考電壓VDD，一第二端耦接於第七電晶體M7之第一端，及一控制端用以接收第二偏壓VBP。第六電晶體M6的第一端和第七電晶體M7的第二端可用以輸出偏壓放大器32的輸出電壓Vo，第一參考電壓GND可為一接地電壓，第二參考電壓VDD可為一系統電壓。第7圖自偏壓放大器32的訊號圖係如第5圖所示，於此不再贅述。
第8圖顯示第4圖自偏壓放大器32的示意圖，包括一電容40、一電流鏡84、一第一電流源820和一第二電流源822。第一電流源820和第二電流源822可分別對應於第4圖中的第二電晶體M2和第四電晶體M4，其可提供實質上相同的電流I1和電流I2給電流鏡84。電流鏡84可對應第4圖的第一電晶體M1和第三電晶體M3。電流鏡84由電容40接收輸入電壓Vin，藉由電流鏡84和第一電流源820產生第一偏壓VBN，用以產生放大的方波作為輸出電壓Vo。
第8圖亦可作為第7圖自偏壓放大器32的示意圖，包括一電容40、一電流鏡84、一第一電流源820和一第二電流源822。第一電流源820可對應於第7圖中的第三電晶體M3和第四電晶體M4，第二電流源822可對應於第7圖中的第七電晶體M7和第八電晶體M8，第一電流源820和第二電流源822可提供實質上相同的電流I1和電流I2給電流鏡84。電流鏡84可對應第7圖的第一電晶體M1、第二電晶體M2、第五電晶體M5和第六電晶體M6。電流鏡84由電容40接收輸入電壓Vin，藉由電流鏡84和第一電流源820產生第一偏壓VBN，用以產生放大的方波作為輸出電壓Vo。
第9圖顯示第6圖自偏壓放大器32的示意圖，包括一電容40、一電流鏡94、一第一電流源920和一第二電流源922。第一電流源920和第二電流源922可分別對應於第6圖中的第一電晶體M1和第三電晶體M3，其可提供實質上相同的電流I1和電流I2給電流鏡94。電流鏡94可對應第6圖的第二電晶體M2和第四電晶體M4。電流鏡94由電容40接收輸入電壓Vin，藉由電流鏡94和第一電流源920產生第一偏壓VBN，用以產生放大的方波作為輸出電壓Vo。
第8圖和第9圖中電容、電流源和電流鏡可以是達成本揭露所述功能的任何電路構造，本揭露不受限於第4圖、第6圖及第7圖所揭露的電路構造。第4、6及7圖的自偏壓放大器32都可以運用低功率晶體振盪器30的輸入訊號XIN和輸出訊號XOUT作為輸入電壓Vin，將輸入電壓Vin放大為方波作為輸出電壓Vo而不受到輸入電壓Vin的擺幅或偏移的限制，不受製程電壓溫度變異的影響，並且不需要相關技術中的比較器即可產生方波作為輸出時脈。   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。
1、3:時脈產生器10、30:晶體振盪器12:比較器32:自偏壓放大器34:輸出電路40:電容42、62、72:偏壓產生電路44、64、74:共源極放大器84、94:電流鏡820、822、920、922:電流源C1、C2:負載電容CLK:時脈訊號GND:第一參考電壓I1、I2:電流INV:反向放大器M1至M8:電晶體Offset:偏移Rf:回饋電阻VBN:第一偏壓VBNo:臨界電壓準位VBP:第二偏壓VDD:第二參考電壓Vin:輸入電壓Vo:輸出電壓VOUT:時脈輸出X:晶體XIN:輸入訊號XOUT:輸出訊號
第1圖顯示相關技術中時脈產生器的示意圖。 第2圖顯示第1圖時脈產生器的訊號圖。 第3圖顯示本揭露實施例的時脈產生器的方塊圖。 第4圖顯示第3圖自偏壓放大器的一實施例的電路圖。 第5圖顯示第4圖自偏壓放大器的訊號圖。 第6圖顯示第3圖自偏壓放大器的另一實施例的電路圖。 第7圖顯示第3圖自偏壓放大器的另一實施例的電路圖。 第8圖顯示第4圖自偏壓放大器的示意圖。 第9圖顯示第6圖自偏壓放大器示意圖。
32:自偏壓放大器
40:電容
42:偏壓產生電路
44:共源極放大器
GND:第一參考電壓
M1至M4:電晶體
VBN:第一偏壓
VBP:第二偏壓
VDD:第二參考電壓
Vin:輸入電壓
Vo:輸出電壓

Claims (10)

  1. 一種自偏壓放大器，包括： 一電容，用於接收一輸入電壓及輸出該輸入電壓之一交流成分； 一偏壓產生電路，耦接該電容，用於根據該交流成分以產生一第一偏壓；及 一共源極放大器，耦接該偏壓產生電路，用於根據該第一偏壓以產生一放大電壓。
  2. 如請求項1所述之自偏壓放大器，其中： 該偏壓產生電路包括： 一第一電晶體，包括： 一第一端，耦接於該電容； 一第二端，用以接收一第一參考電壓(GND)；及 一控制端，耦接於該第一電晶體之該第一端；及 一第二電晶體，包括： 一第一端，用以接收一第二參考電壓(VDD)； 一第二端，耦接於該第一電晶體之該第一端；及 一控制端，用以接收一第二偏壓；及 該共源極放大器包括： 一第三電晶體，包括： 一第一端； 一第二端，用以接收該第一參考電壓(GND)；及 一控制端，耦接於該第一電晶體之該第一端；及 一第四電晶體，包括： 一第一端，用以接收該第二參考電壓(VDD)； 一第二端，耦接於該第三電晶體之該第一端；及 一控制端，用以接收該第二偏壓。
  3. 如請求項1所述之自偏壓放大器，其中： 該偏壓產生電路包括： 一第一電晶體，包括： 一第一端； 一第二端，用以接收一第一參考電壓(GND)；及 一控制端，用以接收一第二偏壓；及 一第二電晶體，包括： 一第一端，用以接收一第二參考電壓(VDD)； 一第二端，耦接於該第一電晶體之該第一端；及 一控制端，耦接於該電容及該第一電晶體之該第一端；及 該共源極放大器包括： 一第三電晶體，包括： 一第一端； 一第二端，用以接收該第一參考電壓(GND)；及 一控制端，用以接收一第二偏壓；及 一第四電晶體，包括： 一第一端，用以接收該第二參考電壓(VDD)； 一第二端，耦接於該第三電晶體之該第一端；及 一控制端，耦接於該第一電晶體之該第一端。
  4. 如請求項2或3所述之自偏壓放大器，其中該第一電晶體和該第三電晶體為N型金氧半場效電晶體，該第二電晶體和該第四電晶體為P型金氧半場效電晶體。
  5. 如請求項2或3所述之自偏壓放大器，其中該第一電晶體和該第三電晶體互相匹配，且該第二電晶體和該第四電晶體互相匹配。
  6. 如請求項2或3所述之自偏壓放大器，其中該第一電晶體和該第三電晶體形成一電流鏡，且該第二電晶體和該第四電晶體係電流源。
  7. 如請求項1所述之自偏壓放大器，其中： 該偏壓產生電路包括： 一第一電晶體，包括： 一第一端； 一第二端，用以接收一第一參考電壓(GND)；及 一控制端，耦接於該電容；及 一第二電晶體，包括： 一第一端，耦接於該第一電晶體之該控制端； 一第二端，耦接於該第一電晶體之該第一端；及 一控制端，耦接於該第一電晶體之該控制端； 一第三電晶體，包括： 一第一端； 一第二端，耦接於該第二電晶體之該第一端；及 一控制端，用以接收一第二偏壓；及 一第四電晶體，包括： 一第一端，用以接收一第二參考電壓(VDD)； 一第二端，耦接於該第三電晶體之該第一端；及 一控制端，用以接收該第二偏壓；及 該共源極放大器包括： 一第五電晶體，包括： 一第一端； 一第二端，用以接收該第一參考電壓(GND)；及 一控制端，耦接於該第一電晶體之該第一端；及 一第六電晶體，包括： 一第一端； 一第二端，耦接於該第五電晶體之該第一端；及 一控制端，耦接於該第二電晶體之該第一端； 一第七電晶體，包括： 一第一端； 一第二端，耦接於該第六電晶體之該第一端；及 一控制端，用以接收該第二偏壓；及 一第八電晶體，包括： 一第一端，用以接收該第二參考電壓(VDD)； 一第二端，耦接於該第七電晶體之該第一端；及 一控制端，用以接收該第二偏壓。
  8. 如請求項7所述之自偏壓放大器，其中該第一電晶體、該第二電晶體、該第五電晶體及該第六電晶體為N型金氧半場效電晶體，該第三電晶體、該第四電晶體、該第七電晶體及該第八電晶體為P型金氧半場效電晶體。
  9. 如請求項7所述之自偏壓放大器，其中該第一電晶體、該第二電晶體、該第五電晶體及該第六電晶體互相匹配，且該第三電晶體、該第四電晶體、該第七電晶體及該第八電晶體互相匹配。
  10. 3或7所述之自偏壓放大器，其中該第一參考電壓係一接地電壓，該第二參考電壓係一系統電壓。
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