TW202107840A - 增益調變電路 - Google Patents

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Abstract

一種增益調變電路包含一負載電路、一差動電路、一電流源一電阻、一第一電晶體以及一偵測電路。負載電路用以接收一供應電壓。差動電路耦接負載電路。差動電路以及負載電路用以依據一對輸入電壓以及供應電壓產生一對輸出電壓。電流源耦接差動電路。電阻耦接差動電路以及電流源。第一電晶體耦接差動電路。偵測電路用以依據該對輸入電壓產生一偵測訊號。第一電晶體的導通程度基於偵測訊號被調整，以調整增益調變電路的一線性範圍。

Description

增益調變電路
本揭示中所述實施例內容是有關於一種電路技術，特別關於一種可調整線性範圍的增益調變電路。
隨著電路技術的發展，各式積體電路已被研發出來。在積體電路中，當輸出電壓正比於輸入電壓，代表積體電路的線性度為佳。而線性度是影響積體電路效能的關鍵因素之一。
本揭示之一些實施方式是關於一種增益調變電路。增益調變電路包含一負載電路、一差動電路、一電流源一電阻、一第一電晶體以及一偵測電路。負載電路用以接收一供應電壓。差動電路耦接負載電路。差動電路以及負載電路用以依據一對輸入電壓以及供應電壓產生一對輸出電壓。電流源耦接差動電路。電阻耦接差動電路以及電流源。第一電晶體耦接差動電路。偵測電路用以依據該對輸入電壓產生一偵測訊號。第一電晶體的導通程度基於偵測訊號被調整，以調整增益調變電路的一線性範圍。
本揭示之一些實施方式是關於一種增益調變電路。增益調變電路包含一負載電路、一差動電路、一電流源、一電阻以及一偵測電路。負載電路用以接收一供應電壓。差動電路耦接負載電路。差動電路以及負載電路用以依據一對輸入電壓以及供應電壓產生一對輸出電壓。電流源耦接差動電路。電阻耦接差動電路以及電流源。偵測電路用以依據對輸入電壓產生一偵測訊號。偵測訊號用以控制增益調變電路的一增益，以調整增益調變電路的一線性範圍。
綜上所述，本揭示中的增益調變電路，可調整其自身的線性範圍。
100、700、800、900:增益調變電路
120:負載電路
140:差動電路
160:電流源
180、600:偵測電路
Vdd1、Vdd2:供應電壓
R1、R2、Rs、RN1:電阻
Vip、Vin:輸入電壓
Vop、Von:輸出電壓
Vpp_gen:偵測訊號
Vbn:偏壓電壓
Gnd:接地端
N1、N2、N3、N4、N5、N6:節點
M1、M2、M3、M4、M5、M6、MN1、MN2、MN3:電晶體
為讓本揭示之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能夠更明顯易懂，所附圖式之說明如下：
第1圖是依照本揭示一些實施例所繪示一增益調變電路的電路圖；
第2圖是一些相關技術的一對輸出電壓與一對輸入電壓之間的關係圖；
第3圖是依照本揭示一些實施例所繪示一偵測訊號與一對輸入電壓的關係圖；
第4圖是依照本揭示一些實施例所繪示一等效電阻值與一對輸入電壓的關係圖；
第5圖是依照本揭示一些實施例所繪示一對輸出電壓與一對輸入電壓之間的關係圖；
第6圖是依照本揭示一些實施例所繪示一偵測電路的電路圖；
第7圖是依照本揭示一些實施例所繪示一增益調變電路的電路圖；
第8圖是依照本揭示一些實施例所繪示一增益調變電路的電路圖；以及
第9圖是依照本揭示一些實施例所繪示一增益調變電路的電路圖。
在本文中所使用的用詞『耦接』亦可指『電性耦接』，且用詞『連接』亦可指『電性連接』。『耦接』及『連接』亦可指二個或多個元件相互配合或相互互動。
參考第1圖。第1圖是依照本揭示一些實施例所繪示增益調變電路100的電路圖。以第1圖示例而言，增益調變電路100為放大電路。輸入電壓Vip的相位與輸入電壓Vin的相位為相反。輸出電壓Vop的相位與輸出電壓Von的相位亦為相反。舉例來說，假設輸入電壓Vip為+1伏特，輸入電壓Vin為-1伏特，輸出電壓Vop可為+2伏特，且輸出電壓Von可為-2伏特。換句話說，輸出電壓Vop與輸出電壓Von之間的差值的絕對值正相關於輸入電壓Vip與輸入電壓Vin之間的差值的絕對值。增益調變電路100可應用於管線式類比數位轉換器(pipeline ADC)、管線式循續漸近式類比數位轉換器(pipeline SAR-ADC)、再驅動器(Redriver)、串 化器/解串化器(SerDes)或其他電路系統中。
在一些實施例中，輸出電壓Vop與輸出電壓Von之間的差值的絕對值大於輸入電壓Vip與輸入電壓Vin之間的差值的絕對值。
在一些實施例中，輸出電壓Vop與輸出電壓Von之間的差值的絕對值小於輸入電壓Vip與輸入電壓Vin之間的差值的絕對值。
參考第2圖。第2圖是一些相關技術的輸出電壓Vop以及Von與輸入電壓Vip以及Vin的關係圖。以第2圖示例而言，在這些相關技術中，當輸入電壓Vip與輸入電壓Vin之間的差值的絕對值越大時，增益調變電路的增益會變小(例如：後述公式(1)中的互導gm會變小)，使得增益調變電路的線性度變差。相較於此些相關技術，第1圖的增益調變電路100在輸入電壓Vip與輸入電壓Vin之間的差值的絕對值變大時，其增益可有效地被維持。如此，可使增益調變電路100的線性範圍變大。詳細內容將於後段進行描述。
以第1圖示例而言，增益調變電路100包含負載電路120、差動電路140、電流源160、偵測電路180、電阻Rs以及電晶體M5。負載電路120用以接收供應電壓Vdd1。負載電路120包含電阻R1以及電阻R2。差動電路140用以接收輸入電壓Vip以及輸入電壓Vin。差動電路140包含電晶體M1以及電晶體M2。差動電路140與負載電路120耦接於節點N1以及節點N2。負載電路120以及差動電路140依據供應電壓Vdd1、輸入電壓Vip以及輸入電壓Vin在節點N1 以及節點N2分別產生輸出電壓Von以及輸出電壓Vop。電流源160耦接接地端Gnd且用以依據偏壓電壓Vbn產生定電流。電流源160包含電晶體M3以及電晶體M4。電阻Rs、差動電路140以及電流源160耦接於節點N3以及節點N4。電晶體M5、差動電路140以及電流源160耦接於節點N3以及節點N4。換句話說，電阻Rs與電晶體M5並聯耦接於節點N3與節點N4之間。
在一些實施例中，偵測電路180用以接收輸入電壓Vip以及輸入電壓Vin，且依據輸入電壓Vip以及輸入電壓Vin產生偵測訊號Vpp_gen。偵測訊號Vpp_gen的電壓位準正相關於輸入電壓Vip與輸入電壓Vin之間的差值的絕對值。也就是說，當輸入電壓Vip與輸入電壓Vin之間的差值的絕對值越大時，偵測訊號Vpp_gen的電壓位準越高。偵測訊號Vpp_gen傳輸至電晶體M5的控制端，以控制電晶體M5的導通程度。舉例而言，在電晶體M5是以N型金屬氧化物半導體場效電晶體實現的情況下，當偵測訊號Vpp_gen的電壓位準越高，電晶體M5的導通程度越大。而偵測訊號Vpp_gen的電壓位準可搭配電晶體M5的形式進行設計。
如前所述，輸出電壓Vop與輸出電壓Von之間的差值的絕對值正相關於輸入電壓Vip與輸入電壓Vin之間的差值的絕對值。據此，在一些其他的實施例中，偵測電路180可改為接收輸出電壓Vop以及輸出電壓Von。偵測電路180依據輸出電壓Vop以及輸出電壓Von產生偵測訊號Vpp_gen。而偵測訊號Vpp_gen的電壓位準正相關於輸出 電壓Vop與輸出電壓Von之間的差值的絕對值。也就是說，當輸出電壓Vop與輸出電壓Von之間的差值的絕對值越大時，偵測訊號Vpp_gen的電壓位準越高。偵測訊號Vpp_gen傳輸至電晶體M5的控制端，以控制電晶體M5的導通程度。
基於小訊號模型，增益調變電路100的增益滿足以下公式(1)：
G=gm×rd/(1+gm×0.5×rs)...(1)
其中G是增益調變電路100的增益，gm是電晶體M1或電晶體M2的互導，rd是電阻R1或電阻R2的電阻值，且rs是電阻Rs與電晶體M5並聯後的等效電阻值。
參考第1圖、第3圖、第4圖以及第5圖。第3圖是依照本揭示一些實施例所繪示偵測訊號Vpp_gen與輸入電壓Vip以及Vin的關係圖。第4圖是依照本揭示一些實施例所繪示等效電阻值rs與輸入電壓Vip以及Vin的關係圖。第5圖是依照本揭示一些實施例所繪示輸出電壓Vop以及輸出電壓Von與輸入電壓Vip以及輸入電壓Vin的關係圖。如第3圖所示且如前所述，當輸入電壓Vip與輸入電壓Vin之間的差值的絕對值越大時，偵測訊號Vpp_gen的電壓位準越高。據此，增益調變電路100的電晶體M5的導通程度越大。當電晶體M5的導通程度越大時，電晶體M5的電阻值越小。如此，公式(1)中的等效電阻值rs會越小，如第4圖所示。如前所述，在相關技術中，當輸入電壓Vip與輸入電壓Vin之間的差值的絕對值越大時，互導gm可能會變小，使得增益調變電路100的增益G變小且線性度變差。
然而，針對第1圖的增益調變電路100，基於上述公式(1)，當輸入電壓Vip與輸入電壓Vin之間的差值的絕對值越大時，雖然互導gm會變小但等效電阻值rs亦會變小。據此，增益G可被維持。也就是說，等效電阻值rs的減小可用以補償互導gm的減小。如此，相較於第2圖，增益調變電路100的線性範圍得以變大，如第5圖所示。
在一些其他的實施例中，電晶體M5可改用可變電阻實現。而偵測訊號Vpp_gen則用以調整該可變電阻的電阻值。其他可用以取代電晶體M5的元件皆在本揭示的範圍中。
參考第6圖。第6圖是依照本揭示一些實施例所繪示偵測電路600的電路圖。在一些實施例中，偵測電路600可用以實現第1圖的偵測電路180。以第6圖示例而言，偵測電路600包含電晶體MN1、電晶體MN2以及電晶體MN3。在一些實施例中，偵測電路180更包含電阻RN1。電阻RN1與電晶體MN1以及電晶體MN2耦接於節點N5。電阻RN1用以避免電晶體MN1以及電晶體MN2直接接收供應電壓Vdd2。在一些實施例中，偵測電路600的供應電壓Vdd2可被第1圖的供應電壓Vdd1取代。在一些實施例中，電阻RN1可被一電晶體取代。電晶體MN1以及電晶體MN2與電晶體MN3耦接於節點N6。電晶體MN3耦接接地端Gnd且用以接收偏壓電壓Vbn以作為電流源。如前所述，在一些實施例中，電晶體MN1以及電晶體MN2的導通程度可分別受輸入電壓Vip以及輸入電壓Vin控制以產生偵測訊號Vpp_gen， 且偵測訊號Vpp_gen的電壓位準正相關於輸入電壓Vip與輸入電壓Vin之間的差值的絕對值。在一些其他的實施例中，電晶體MN1以及電晶體MN2的導通程度可分別受輸出電壓Vop以及輸出電壓Von控制以產生偵測訊號Vpp_gen，且偵測訊號Vpp_gen的電壓位準正相關於輸出電壓Vop與輸出電壓Von之間的差值的絕對值。偵測訊號Vpp_gen用以控制第1圖中的電晶體M5的導通程度。
上述偵測電路600的實現方式僅為示例，各種可用以實現偵測電路600的實現方式皆在本揭示的範圍內。舉例而言，偵測電路600可設計成自輸入電壓Vip與輸入電壓Vin中選擇較大的一者以產生偵測訊號Vpp_gen。或者，偵測電路600可設計為自輸出電壓Vop與輸出電壓Von中選擇較大的一者以產生偵測訊號Vpp_gen。
參考第7圖。第7圖是依照本揭示一些實施例所繪示增益調變電路700的電路圖。以第7圖示例而言，增益調變電路700為等化電路。為了易於理解，於第7圖的類似元件將與第1圖使用相同標號。第7圖的增益調變電路700與第1圖的增益調變電路100之間的差異在於，第7圖的增益調變電路700更包含電容Cs。電容Cs、電阻Rs以及電晶體M5並聯耦接於節點N3與節點N4之間。關於增益調變電路700如何產生偵側訊號Vpp_gen以維持其增益的內容相似於第1圖的增益調變電路100，故於此不再贅述。
參考第8圖。第8圖是依照本揭示一些實施例所繪示增益調變電路800的電路圖。以第8圖示例而言，增益 調變電路800為放大電路。為了易於理解，於第8圖的類似元件將與第1圖使用相同標號。第8圖的增益調變電路800與第1圖的增益調變電路100之間的差異在於，第8圖的增益調變電路800包含電晶體M6而不包含電晶體M5。在一些實施例中，電晶體M6是以P型金屬氧化物半導體場效電晶體實現。電晶體M6、差動電路140以及負載電路120耦接於節點N1以及節點N2。由於配置了電晶體M6，上述公式(1)中的等效電阻值rd將會是電晶體M6的一半電阻與電阻R1(或電阻R2)並聯後的電阻值。如前所述，當輸入電壓Vip與輸入電壓Vin之間的差值的絕對值越大時，偵測訊號Vpp_gen的電壓位準越高。據此，電晶體M6的導通程度越小。如此，電晶體M6的電阻值會提高，進而使得等效電阻值rd提高。如前所述，當輸入電壓Vip與輸入電壓Vin之間的差值的絕對值越大時，雖然互導gm會變小但等效電阻值rd會提高。據此，增益調變電路800的增益G可被維持。也就是說，等效電阻值rd增加可用以補償互導gm的減小。如此，可使得增益調變電路800的線性範圍變大。而偵測訊號Vpp_gen的電壓位準可搭配電晶體M6的型式進行設計。
參考第9圖。第9圖是依照本揭示一些實施例所繪示增益調變電路900的電路圖。以第9圖示例而言，增益調變電路900為等化電路。為了易於理解，於第9圖的類似元件將與第7圖使用相同標號。第9圖的增益調變電路900與第7圖的增益調變電路700之間的差異在於，第9圖的增益調變電路900包含電晶體M6而不包含電晶體M5。關於電晶 體M6的操作已於第8圖的相關內容中描述，故於此不再贅述。
於此要說明的是，上述電晶體M1-M6以及電晶體MN1-MN3的實現方式僅為示例。電晶體M1-M6以及電晶體MN1-MN3的各種實現方式皆在本揭示的範圍內。舉例而言，電晶體M1-M6以及電晶體MN1-MN3可改由P型金屬氧化物半導體場效電晶體實現。而電晶體M1-M6以及電晶體MN1-MN3的控制訊號則對應設計。
綜上所述，本揭示中的增益調變電路，可調整其自身的線性範圍。
雖然本揭示已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示，任何本領域具通常知識者，在不脫離本揭示之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:增益調變電路
120:負載電路
140:差動電路
160:電流源
180:偵測電路
Vdd1:供應電壓
R1、R2、Rs:電阻
Vip、Vin:輸入電壓
Vop、Von:輸出電壓
Vpp_gen:偵測訊號
Vbn:偏壓電壓
Gnd:接地端
N1、N2、N3、N4:節點
M1、M2、M3、M4、M5:電晶體

Claims (10)

  1. 一種增益調變電路，包含：
    一負載電路，用以接收一供應電壓；
    一差動電路，耦接該負載電路，該差動電路以及該負載電路用以依據一對輸入電壓以及該供應電壓產生一對輸出電壓；
    一電流源，耦接該差動電路；
    一電阻，耦接該差動電路以及該電流源；
    一第一電晶體，耦接該差動電路；以及
    一偵測電路，用以依據該對輸入電壓產生一偵測訊號，且該第一電晶體的導通程度基於該偵測訊號被調整，以調整該增益調變電路的一線性範圍。
  2. 如請求項1所述的增益調變電路，其中該對輸入電壓包含一第一輸入電壓以及一第二輸入電壓，該偵測電路包含一第二電晶體以及一第三電晶體，且該第一輸入電壓以及該第二輸入電壓分別用以控制該第二電晶體以及該第三電晶體的導通程度以產生該偵測訊號，其中當該第一輸入電壓與該第二輸入電壓之間的差值的絕對值越大時，該偵測訊號的電壓位準越高。
  3. 如請求項1所述的增益調變電路，其中該對輸入電壓包含一第一輸入電壓以及一第二輸入電壓，且該偵測電路自該第一輸入電壓與該第二輸入電壓中選擇較大的一者以產生該偵測訊號。
  4. 如請求項1所述的增益調變電路，其中該對輸入電壓包含一第一輸入電壓以及一第二輸入電壓，且該對輸出電壓包含一第一輸出電壓以及一第二輸出電壓，其中當該第一輸入電壓與該第二輸入電壓之間的差值的絕對值越大時，該第一輸出電壓與該第二輸出電壓之間的差值的絕對值越大，其中該偵測電路包含一第二電晶體以及一第三電晶體，且該第一輸出電壓以及該第二輸出電壓分別用以控制該第二電晶體以及該第三電晶體的導通程度以產生該偵測訊號。
  5. 如請求項1所述的增益調變電路，其中該對輸入電壓包含一第一輸入電壓以及一第二輸入電壓，且該對輸出電壓包含一第一輸出電壓以及一第二輸出電壓，其中當該第一輸入電壓與該第二輸入電壓之間的差值的絕對值越大時，該第一輸出電壓與該第二輸出電壓之間的差值的絕對值越大，其中該偵測電路自該第一輸出電壓以及該第二輸出電壓中選擇較大的一者以產生該偵測訊號。
  6. 如請求項1所述的增益調變電路，其中該差動電路與該電流源耦接於一第一節點以及一第二節點，且該電阻與該第一電晶體並聯耦接於該第一節點以及該第二節點。
  7. 如請求項6所述的增益調變電路，其中該 增益調變電路包含一等化電路，該等化電路更包含：
    一電容，與該電阻以及該第一電晶體並聯耦接於該第一節點以及該第二節點。
  8. 如請求項1所述的增益調變電路，其中該差動電路與該負載電路耦接於一第一節點以及一第二節點，且該第一電晶體耦接於該第一節點以及該第二節點。
  9. 一種增益調變電路，包含：
    一負載電路，用以接收一供應電壓；
    一差動電路，耦接該負載電路，該差動電路以及該負載電路用以依據一對輸入電壓以及該供應電壓產生一對輸出電壓；
    一電流源，耦接該差動電路；
    一電阻，耦接該差動電路以及該電流源；以及
    一偵測電路，用以依據該對輸入電壓產生一偵測訊號，其中該偵測訊號用以控制該增益調變電路的一增益，以調整該增益調變電路的一線性範圍。
  10. 如請求項9所述的增益調變電路，其中該差動電路耦接一電晶體，且該偵測訊號用以控制該電晶體的導通程度，以控制該增益。
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