TWI309105B - Amplifier circuit having a compensating amplifier unit for improving loop gain and linearity - Google Patents

Description

.1309105 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係提供一種放大電路，尤指一種具有—補償放大單元 以提升迴路增益以及降低失真度的放大電路。 【先前技術】 • 在電子電機領域中，由於負迴授（negatiVefeedback)具有可 φ 增加系統線性度，因此便被廣泛使用在電子電路中。請參閱第i 圖，第1圖係習知負迴授系統100的示意圖。習知負迴授系統⑽ 可用一開迴路增益輕乂及一迴授肝（feedback色咖）錄加以 表示’由習知技術可知，負迴授系統1〇〇中的輸出電壓％以 入電壓Vi之間的關係可表示如下·· 1

Ys_ _ J(s)

Vi 公式（一） 、一，而言，當負迴授系統麵的迴路增很大時，亦即 公式㈠中♦)〜時，則負迴授系統丨⑻中的輸出電壓 及輸入電壓VI之間的關係式可進-步簡化如下： V〇 \ -——— as A{S)p 公式（ 由上述所知，負迴授系統100麵高 下，豆輪屮雷颅Λ, , 〜給曰皿处从的情況 電堡v〇以及輸入電壓乂之間的關係式越接近線性的關 1309105 * . 1 係（亦即i) ’換言之，負迴授系統勘在迴路增益雄从越高的情 況下具有較佳的線性放大的特性；若是提高迴授因子々，閉迴路增 * 益含勢必越小，因此，在閉迴路增益大小的限制下，迴授因子^無 法無限地提高，所以必須以提高開迴路增益A(s)來使系統的迴路 、增益提高。 請參閱第2圖’第2圖係為習知放大電路勘的電路示意圖。 放大電路200包含有-積分放大單元21()、一後級驅動單元— 以及-迴授電阻Rf。積分放大單元謂（亦即積分器）包含有一 運算放大器212、一電阻&以及一電容q。在放大電路細中， 元22⑽廣泛代表一具有固定驅動增益g的輸出級， 、不同賴作目的而有不同的岐驅動增益g， ， ，動，益G不大，而為了要增加開迴路增益以提高系統的線性 ^ 〇技術係在後級驅動單元220前輕接一個積分放大單元210 來增加開迴路增益，採用積分器的目的除了 迴路增益之外，亦干又Μ而頻f的開 ^ ^ 卜亦了问時濾除不需要的高頻雜訊。由習 知，放大魏·巾的触 ^知技術可 可表示如下： 巾紐及輸人錢％之間的關係

„ A(s) 1 + Α{5)β sC'R 公式（ .1309105 其中 R,

R 公式（四） 而放大電路200中的迴路增益則可表示為： A{s)p = G sC'Rf 公式（五） 由公式（五）可知，在習知技術中，若要提高放大電路2〇〇 之閉迴路增益娜以增加系統的線性度，可藉由增加後級驅動單 元220的驅動增益G，或是減少積分放大單元21〇中的電容Q的 電容值或是迴授電阻Rf的電阻值來達到此—目的。然而，由於系 統穩定度以及贼的關，積分放大單元21()中的電容。的電容 值或是迴授電阻Rf的電阻值不可能無限制的縮小；另一方面，在 實作中’由於後級驅動單it 22〇的驅動增益G通常不大並且為一 • 固定值，因此對於增加迴路增益的助益有限。 【發明内容】 因此，本發明的主要目的之一在於提供一麵償放大單元以 提升迴路增益及線性度的放大電路，以解決上述問題。 根據本發明之專利申請範圍，其係揭露—種放大電路。該放 大電路包含有-前級放大單元、—補償放大單元、—後級驅動單 1309105 元以及一迴授迴路。該前級放大單元耦接於該放大電路之一輪入 ，用於將該輸入端所接收之一輸入訊號與該迴授迴路之一輸出 端的差值放大並輸出一第一輸出訊號；一補償放大單元，耦接於 該第一放大單元，用於將該第一輸出訊號放大並輸出一第二輸出 訊號；一後級驅動單元，耦接於該補償放大單元，用於依據該第 二輸出訊號輸出一第三輸出訊號；以及一迴授迴路，耦接於該前 級放大單元之一輸入端以及該後級驅動模組之一輪出端之間，用 以將該第三輸出訊號迴授至該前級放大單元。 本發明放大電路不僅可以利用提高系統之迴路增益來改善訊 號的線性度，進而減少系統的失真，並且亦可藉此提昇放大電路 之電源拒斥比來增加系統的抗電源雜訊能力。 【實施方式】 請參閱第3圖，第3圖係為本發明放大電路3〇〇之一實施例的 電路不意圖。在此一實施例中，放大電路3〇〇係包含有一前級放 大單70 310、一補償放大單元330、一後級驅動單元32〇以及一迴 授電阻Rf(其係構成一迴授迴路）。前級放大單元31〇包含有一運 算放大器312、一電阻氏以及一電容Ci，補償放大單元33〇包含 有一運算放大器332、複數個電阻r2、r3以及一電容C2。後級驅 動單元320包含有一比較器322以及一驅動器324，比較器322 係比較補償放大單元33〇的輸出與一參考訊號Vt來產生一脈衝寬 度5周變號PWM ’接著，驅動器324便驅動脈衝寬度調變訊號 9 1309105 PWM來產生輸出電壓V0。在本實施例中，前級放大單元3l〇係 將一輸入電壓％與迴授電阻Rf所輸出電壓的差值放大並輸出至補 ， 償放大單元330 ’補償放大單元330則更進一步地增加系統的迴路 • 增益並提高穩定度，然後，補償放大單元330再將此經過調整後 的輸入電壓Vi輸入至後級驅動單元320。請注意，前級放大單元 310以及補償放大單元330係皆為積分器（integrat〇r)結構，然而， * 在其他實施例中，不同的放大器電路亦可應用至本發明中，例如 φ 前級放大單元310或是補償放大單元330可分別為任何應用運算 放大器所構成的電路，其可施加一特定增益予輸入訊號，因此， 第3圖所示之電路僅用來說明本發明放大電路之一實施例的運 作，並非用來作為本發明的限制條件。另外，補償放大單元33〇 除了基本積分器電路之外，其另包含有一電阻&，其運作原理係 描述如後。另外，在本實施例中，後級驅動單元32〇為一切換放 大器（switchingamplifler)的電路，然而，在本發明之其他的實施 例中’後級驅動單兀320可廣泛代表一具有固定驅動增益G的電 子應用電路，而依據其不同的操作目的而有不同的固定之驅動增 益G ’皆屬本發明之範疇。 相較於習知技術，本發明係藉由在前級放大單元310以及後 級驅動早το 320之間麵接一個補償放大單元33〇來增加放大電路 3〇0的迴路增i刷々以提高系統線性度。參考上述公式（三）以 及A式（五）’本發明放大電路3〇〇的輸出電壓V。以及輸入電歷 Vi之間的關係可表示如下： 1309105 公式（六） 而放大電路300的迴路增益係為： 公式（七） A{s)P^ 弋（/、）以及公式（七）可知，由於相較於習知放大電 ，，本發明放大電路3〇〇係在前級放大單元·以及後級驅動 單το 320之間增加一個補償放大單元33〇，由於補償放大單元別 :電容〇2以及電阻r2之乘積（亦即在公式（七）中的c⑹係 遠1於1 (約為10 )，因此便可大幅地增加本發明放大電路獅 之桃增贿.’進而提高放大電路3QG之線性度；另一方面， 由^補償放大單元33G除了包含有運算放大器332、電阻R2以及 ;各(：2這些基本積分器元件外，還包含了一電阻由公式（七） 可知，餘&使得放大在高麟提供了 —零點（腦） I:加系統的相位餘裕（phase腑gin)。請參閱第4圖，第4圖係 為第3圖所示之放大電路3〇〇其迴路增益的波德圖。如第*圖所 不’圖中實料分A代表本發明放A電路3⑻的迴闕益_頻率 ^特性_ ’而圖中虛線部分B代表f知放大電路的迴路增 |頻率的特性關係。由圖可知，在應用所需的頻帶内，本發明 ,1309105 放大電路300的迴路增益外係遠大於習知放大電路之迴路增 益，此外，如前所述，電阻&所提供的零點（zer〇)可使得放大 • 電路在零點之後的收斂率（rate of convergence, ROC )係為 .-20dB/Dec，並且使彳于系統的相位大於-180度，亦即確保相位餘裕 (phase margin)大於所需要的度數(通常為6〇度以上），進而保證 ' 放大電路300的穩定度。 △另-方面，本發明放大電路3〇〇亦可增加系統的抗電源雜訊 此力’亦即增加系統的電源拒斥比（卿…她喻如_如， PSRR)。在本實施例中，假設系統之電_訊為％，而放大電路 3〇〇之輸出電壓V。以及電源雜訊％之間的關係可以表示如下： ^ = __s2C2R2CxRf

Vs s2C2R2C\Rf+sGC2Ri+G 公式（八）

而對於第2圖所述之習知放大電路2〇〇 以及電源雜mVs之間的關係為： 而言，其輸出電壓V〇

公式（九） “閱第5圖’第5圖係為第3圖所示 源拒斥屮〜此士 口尸坏不之放大電路300之電 、 頻率的特性示意圖。®Α & * 電路3〇g的, m卩分錢表本發明放大 原拒斥比'頻率的特性關係，而圖中虛線部分B則 12 ‘1309105 戈表W放大電路綱的電源拒斥比_頻率的特性關係。藉由公 ^、（^)以及公式⑷可以輕易得知第5騎示之特性曲線。 .請注意，電源拒斥比-頻率的計算方式係為熟習此項技術者所 .熟知，在不影響本發明技術揭露的情形下，在此不另資述。 如第5圖所不’放大電路3〇〇在所需的工作頻帶下，其電源拒斥 比（P_ supply rejecti〇n ♦ pSRR)均遠大於習知放大電路· —之電源拒斥比，亦即相較於習知放大電路20G的輸出電壓v。，放 •大電路300的輪出電壓v〇較不容易受電源雜訊vs的影響.，進而 可大幅地提昇系統的抗電源雜訊能力。 如1所述’後級驅動單元320在接收到經由前級放大單元310 乂及補#放大單元330所處理過後的輸入訊號％後，比較器322 係將此輸入訊號乂與一參考訊號Vt做比較，在實作中，參考訊 號Vt通吊係為一三角波訊號（triangUiar signai)，然後比較器μ〗 將輸入訊號％與-參考峨Vt比較後產生—脈寬調變（puise ® width modulation ’ ρψΜ)纖，織此脈寬觀峨經由驅動器 324放大並且傳輸出來。藉由本發明之放大電路3〇〇，切換放大器 (switch amplifier )電路不僅可以改善訊號的線性度而降低系統的 失真，並且亦可增加系統的抗電源雜訊能力，進而大幅提昇放大 電路之工作效能。 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。 13 1309105 【圖式簡單說明】 第1圖係習知負迴授系統的示意圖。 第2圖係為習知放大電路的電路示意圖。 第3圖係為本發明放大電路之一實施例的電路示音圖。 *第4圖係為第3圖所示之放大電路其迴路增益的波德圖。 ，第5 _為第3 ®所示之放大電路之電源拒斥比-解的特性八 意圖。 、不 【主要元件符號說明】

TruT~ ------- τΤΤΓ^-- 負迴授系統 200、300 放;—— ‘ i U 積分放大單元 310 212、312、332 〇〇〇 --' 運算放大器 220、320 後級驅動單元 5LL HA ----- 比較器 324 驅動~~ 33U -----— 補償放大單元 -~~~~~—._ -~ 14

Claims (1)

1. I3〇9l〇5 十、申請專利範圍： 1. 一種放大電路，其包含有： 一迴授迴路（feedback loop); -前級放大單元，_於職大電路之—輸人端以及該迴授迴 路，用於將該輸入端所接收之—輸入訊號與該迴授迴路 之-輪出端的差值放大並輸出—第—輸出訊號； 樹貝放大單元’输於該前級放大單元，用於將該第一輸出 訊號放大並輸出-第二輸出訊號，該補償放大單元具有 -特定阻抗單元’用來提供—零點以增加該放大電路的 糸統相位餘裕（phasemargin);以及 -後級驅料元’耦胁該麵放从元以觸迴授迴路，用 於接收該第二輪出訊號並依據該第二輸出訊號輸出一第 三輸出訊號。 2.如申請專利範圍第1項所述之放大電路，其中該前級放大單元 係為一積分器，其包含有： 第一輸入端’輕接於該迴授迴路；以及 一第一輸出端，用於輸出該第一輸出訊號； -第-電阻單元’轉接於該輸人訊號及該第—輪人端之間， 用來提供一第一阻抗值；以及 -第-電容單元’耦接於該第一輸入端及該第一輸出端之 間’用來提供—第一電容值。 15 1309105 3. 範圍第2項所述之放大電路，其中該補償放大單元 係為一積分器，其另包含有： 人早几 弟一輸入端； 第一輸出端，用於輪出該第二輸出訊號； 第一電阻單元，輕接於該第一輸出端及該第二輪 間’用來提H喊值；以及 一第二電容單元，__第二輸入端及該第二輪出端之 間，用來提供-第二電容值。 4. 如申請專利範圍第3項所述之放大電路，其中該第二阻抗值盘 該第二電容值之乘積係小於1。 一 5.如申請專機_丨項所述之放大電路，其中_償放大單元 係為一積分器，其另包含有： 一輸入端； 一輸出端’用於輪出該第二輸出訊號； 一第一電阻單元，雛於該積分ϋ之該輸人端，用來提供一 第一阻抗值；以及 一電容單元，耦接於該積分器之該輸入端及該輸出端之間， 用來提供一電容值。 第一阻抗值與 如申請專利範圍第5項所述之放大電路，其中該 該電容值之乘積係小於1。 16 6. 1309105 7. 如申叫專利範圍第1項所述之放大電路，其中該後級驅動單元 係為一切換放大器（switchingamplifier)。 8. 如申請專利範圍第丨項所述之放大電路，其中該迴授迴路包含 - 有一電阻單元，用來提供一迴授阻抗值。 9. 一種放大電路，其包含有： • 一迴授迴路（feedback loop ); 一第一積分器，耦接於該放大電路之一輸入端以及該迴授迴 路’用於將該輸入端所接收之一輸入訊號與該迴授迴路 之一輸出端的差值放大並輸出一第一輸出訊號； 一第二積分器，耦接於該第一積分器，用於將該第一輸出訊號 放大並輸出一第二輸出訊號；以及 一切換放大器（switching amplifier)，耦接於該第二積分器以 • 及該迴授迴路，用於接收該第二輸出訊號並依據該第二 輸出訊號輸出一第三輸出訊號。 10. —種放大電路，其包含有： 一迴授迴路； 一前級放大單元，其係為一積分器，耗接於該放大電路之一 輸入端以及该迴授迴路，用於將該輸入端所接收之一 輸入訊號與該迴授迴路之一輸出端的差值放大並輸出 17 I30_5 —第冑出訊?虎，該前級放大單元包含有： 輪入知’耦接於該迴授迴路； 一^輸出端’用於輸出該第-輸出訊號； 電阻早疋，耦接於該輸入訊號及該第一輸入端之 —★間，用來提供一第一阻抗值；以及 第一電容單元，輕接於該第一輸入端及該第一輪出端 補俨 如之間，用來提供一第一電容值； °用單元其係為一積分器，耦接於該前級放大單元， ;冬該帛輸出訊號放大並輸出-第二輸出訊號， 该補償放大單元包含有： 〜第二輪入端； =第二輪_，用於輸出該第二輸出訊號； 第電阻單元，輕接於該第-_出端及該第二輸入端 之間，用來提供一第二阻抗值； 第-電谷單7C ’麵接於該第二輸入端及該第二輸出端 之間，用來提供一第二電容值；以及 特定阻抗單％ ’输於該第二電阻單元與該第二電容 單7C之間，用來提供一零點以增加該放大電路 的系統相位餘裕（phase margin ：); 以及 級驅動單元，雛於糊姐大衫以錢迴授迴路， 用於依據該第二輸出訊號輸出—第三輸出訊號； μ第二阻抗值與該第二電容值之乘積係小於卜 18 1309105 11. 一種放大電路，其包含有： 一迴授迴路； 月’J、’及放大單元’耦接於該放大電路之一輸入端以及該迴授 迴路’用於將該輸入端所接收之一輸入訊號與該迴授 迴路之一輪出端的差值放大並輸出一第一輸出訊號； -補仏放大單Tt： ’其係為—積分器，雛於該前級放大單元， 用於將該第一輸出訊號放大並輸出一第二輸出訊號， 該補償放大單元包含有： 一輸入端； 一輪出端，用於輸出該第二輸出訊號； 一第一電阻單元，耦接於該積分器之該輸入端，用來提 供一第一阻抗值； 電各單元，耦接於該積分器之該輸入端及該輸出端之 間，用來提供一電容值；以及 -特定阻抗單元，_於該第—電阻單元_電容單元 之間’用來提供-零點明加該放大電路的系 統相位餘裕（phase margin);以及 ' 一後級驅動單元，輕接於該補償放大單元以及該迴授迴路， 用於依據該第二輪出訊號輸出-第三輸出訊號； 其中該第-阻抗值與該電容值之乘積係小於i。 12. —種放大電路，其包含有： 一迴授迴路（feedback loop); 19 130^105 一前級放大單元，耦接於該放大電路之一輸入端以及該迴授 迴路’用於將該輸入端所接收之一輸入訊號與該迴授 迴路之一輸出端的差值放大並輸出一第一輸出訊號； 一補償放大單元，耦接於該前級放大單元，用於將該第一輸 出訊號放大並輪出一第二輸出訊號；以及 —切換放大器，耦接於該補償放大單元以及該迴授迴路，用 於接收該第二輸出訊號並依據該第二輸出訊號輸出一 第三輸出说戒。 十一、圓式： 20