TWI405403B - 電流控制電路、ａｂ類運算放大器系統及電流控制方法 - Google Patents

電流控制電路、ａｂ類運算放大器系統及電流控制方法 Download PDF

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Description

電流控制電路、AB類運算放大器系統及電流控制方法
本發明係指一種電流控制電路、AB類運算放大器系統及電流控制方法，尤指一種可根據一輸出電壓判斷操作狀態以改變偏壓電流之電流控制電路、AB類運算放大器系統及電流控制方法。
輸出級靜態電流係指運算放大器在沒有訊號輸入時之輸出級電流，一般而言需穩定於一偏壓電流之一特定倍數。舉例來說，請參考第1圖，第1圖為習知技術中一AB類運算放大器10，包含有輸入端Vin-、Vin+、一輸入級9、電晶體M9～M16及電流源102、104，其中M15、M16為輸出級，其輸出級靜態電流為IQ。此處電流源102、104電流值分別為IB2、IB3。簡單來說，電晶體M11之一閘源極電壓差Vgs11與電晶體M12之一閘源極電壓差Vgs12之和，相等於電晶體M15之一閘源極電壓差Vgs15與電晶體M9之一閘源極電壓差Vgs9之和(即Vgs11+Vgs12=Vgs9+Vgs15)，因此透過對電晶體M9、M12進行匹配使閘源極電壓差Vgs12等於閘源極電壓差Vgs9(即Vgs12=Vgs9)，可使閘源極電壓差Vgs11等於閘源極電壓差Vgs15(即Vgs11=Vgs15)。由於一般電晶體之電流可表示為：
式1經過簡單的運算可得：
再加上閘源極電壓差Vgs11等於閘源極電壓差Vgs15，因此輸出級靜態電流IQ與偏壓電流IB2之關係可如下表示：
根據式3可得：
由式4可知，當輸入端Vin-、Vin+無訊號輸入時(即靜態操作時)，輸出級靜態電流IQ與偏壓電流IB2之比例大約等於電晶體M15之一長寬比(W/L ratio)(W/L)15 及電晶體M11之一長寬比(W/L)11 之比例，即偏壓電流IB2愈小則輸出級靜態電流IQ亦愈小。
然而，實際操作時，若為降低AB類運算放大器10輸出級靜態操作時之功率消耗，而使用較低的偏壓電流IB2，會降低AB類運算放大器10動態操作(即輸入端Vin-、Vin+有訊號輸入)時之效能；而若為提升AB類運算放大器10動態操作時之效能，而使用較高的偏壓電流IB2，則會提高AB類運算放大器10靜態操作之功率消耗。有鑑於此，習知技術實有改進之必要。
因此，本發明之主要目的即在於提供一種電流控制電路、AB類運算放大器系統及電流控制方法。
本發明揭露一種電流控制電路，用來控制一AB類運算放大器之一偏壓電流，該電流控制電路包含有一低偏壓電流源，用來產生一低偏壓電流；一高偏壓電流源，用來產生一高偏壓電流，該高偏壓電流大於該低偏壓電流；以及一比較選擇器，耦接於該AB類運算放大器之一輸出端，用來根據該AB類運算放大器之一輸出電壓，從該低偏壓電流及該高偏壓電流中選擇一電流做為該偏壓電流。
本發明另揭露一種AB類運算放大器系統，該AB類運算放大器系統包含有：複數個AB類運算放大器，各AB類運算放大器分別用來產生一輸出電壓；以及一電流控制電路，用來控制該複數個AB類運算放大器中各AB類運算放大器之一偏壓電流。
本發明另揭露一種電流控制方法，用來控制一AB類運算放大器之一偏壓電流，該電流控制方法包含有提供一低偏壓電流及一高偏壓電流，該高偏壓電流大於該低偏壓電流；以及根據該AB類運算放大器之一輸出電壓，從該低偏壓電流及該高偏壓電流中選擇一電流做為該偏壓電流。
請參考第2圖，第2圖為本發明實施例一電流控制電路20之示意圖。電流控制電路20包含有電流源200、202及一比較選擇器204。為清楚說明本發明之概念，第2圖中電流控制電路20係簡化第1圖中AB類運算放大器10進行說明，其中，AB類運算放大器10之電流源102改由電流源200或202所取代。簡單來說，電流源200、202分別用來產生一高偏壓電流IBH2及一低偏壓電流IBL2，其中，高偏壓電流IBH2大於低偏壓電流IBL2。比較選擇器204則根據AB類運算放大器10之一輸出電壓Vout，於判斷輸入端Vin-、Vin+有訊號輸入(動態操作)時，以高偏壓電流IBH2取代原本偏壓電流IB2，而於判斷輸入端Vin-、Vin+無訊號輸入(靜態操作)時，以低偏壓電流IBL2取代原本偏壓電流IB2。如此一來，電流控制電路20可控制AB類運算放大器10於動態操作時採用較大的高偏壓電流IBH2，以提升效能且降低非線性失真，而於靜態操作時採用較低的低偏壓電流IBL2，以降低功率消耗。
請參考第3圖，第3圖為第2圖中比較選擇器204之電路示意圖。比較選擇器204包含有一正比較器302、一負比較器304、一或閘306及一反向器308。簡單來說，由於AB類運算放大器10於靜態操作時，輸出電壓Vout為一系統電壓VDD之二分之一，因此比較選擇器204係將輸出電壓Vout與大小為二分之一系統電壓VDD之一靜態電壓VB進行比較。由於AB類運算放大器10於動態操作時，輸出電壓Vout可能會以大於或小於靜態電壓VB之形式偏移，因此比較選擇器204於輸出電壓Vout與靜態電壓VB間電壓差之絕對值大於一特定值SV時(避免因製程誤差而誤判)，判斷AB類運算放大器10為動態操作，並以高偏壓電流IBH2取代原本偏壓電流IB2，而於輸出電壓Vout與靜態電壓VB間電壓差之絕對值小於一特定值SV時，判斷AB類運算放大器10為靜態操作，並以低偏壓電流IBL2取代原本偏壓電流IB2。
詳細來說，當輸出電壓Vout與靜態電壓VB間電壓差之絕對值大於特定值SV時，則正比較器302之一正比較結果ComP會指示輸出電壓Vout減去靜態電壓VB大於特定值SV，或負比較器304之一負比較結果ComN會指示靜態電壓VB減去輸出電壓Vout大於特定值SV，使得或閘306所產生之一高偏壓電流訊號IQ_H控制高偏壓電流IBH2取代原本偏壓電流IB2。另一方面，當輸出電壓Vout與靜態電壓VB間電壓差之絕對值小於特定值SV時，則正比較結果ComP會指示輸出電壓Vout減去靜態電壓VB小於特定值SV，且負比較結果ComN會指示靜態電壓VB減去輸出電壓Vout小於特定值SV，使得反向器308所產生之一低偏壓電流訊號IQ_L控制低偏壓電流IBL2取代原本偏壓電流IB2。如此一來，AB類運算放大器10可於動態操作時採用較大的高偏壓電流IBH2，而於靜態操作時採用較低的低偏壓電流IBL2。
關於電流控制電路20之改善效果，請參考第4A圖及第4B圖，第4A圖為AB類運算放大器10分別採用高偏壓電流IBH2、偏壓電流IB2及低偏壓電流IBL2時，輸出級靜態電流IQ(即輸出電流)於不同系統電壓VDD下之示意圖，而第4B圖為AB類運算放大器10有無使用電流控制電路20時，分別動態操作於操作頻率為20Hz、1kHz及20kHz時，在不同操作功率下之總諧波失真加雜訊(total harmonic distortion plus noise，THD+N)之示意圖，其中，虛線代表未使用電流控制電路20，實線代表有電流控制電路20，而總諧波失真係指所欲達到頻率之訊號，會因其倍頻部分有訊號干擾而失真，再加上一般雜訊干擾即為總諧波失真加雜訊。一般來說，總諧波失真愈低愈好。
由第4A圖可知，電流控制電路20可控制AB類運算放大器10於動態操作時具有較大的輸出級靜態電流IQ(即輸出電流)以提升效能，而於靜態操作時具有較低的輸出級靜態電流IQ以降低功率消耗。而由第4B圖可知，AB類運算放大器10在有使用電流控制電路20之情況下進行動態操作時(實線部分)，在操作頻率為20Hz、1kHz及20kHz均較未使用電流控制電路20(虛線部分)具有較小的總諧波失真加雜訊，可降低非線性失真而具有較好的特性。
值得注意的是，本發明之主要精神在於電流控制電路20可控制AB類運算放大器10於動態操作時採用較大的高偏壓電流IBH2，而於靜態操作時採用較低的低偏壓電流IBL2。本領域具通常知識者當可依此精神修改或變化而不限於此。舉例來說，電流控制電路20之實現並不限於第3圖所示之電路，只要能達成其功能即可；另外，請參考第5圖，第5圖為第3圖中比較選擇器204之詳細示意圖，其操作與第3圖中比較選擇器204相同，於此不再贅述，值得注意的是，本發明進行說明之之電晶體M9、M11、M12、M15皆為P型金氧半電晶體，其亦可透過為N型金氧半電晶體之電晶體M10、M13、M14、M16及相對應電流源502、504與比較選擇器204來實現，其說明可參考前述，於此不再贅述。
另一方面，請參考第6A圖，第6A圖為本發明實施例一AB類運算放大器系統60之示意圖。AB類運算放大器系統60包含有AB類運算放大器600、602及電流控制電路604。電流控制電路604包含有比較選擇器606及電流源608、610、612、614。電流控制電路604與電流控制電路20之運作大致相似，差異之處在於電流控制電路604係於判斷AB類運算放大器600、602中，其中一個AB類運算放大器操作於動態操作時，則分別以高偏壓電流IBH4、IBH5做為AB類運算放大器600、602之偏壓電流，而於AB類運算放大器600、602皆為靜態操作時，才分別以低偏壓電流IBL4、IBL5做為AB類運算放大器600、602之偏壓電流，比較選擇器606之詳細電路圖可參考第6B圖，其操作可參考第3圖中比較選擇器204之操作說明，於此不再贅述。值得注意的是，第6A圖及第6B圖中之元件與信號其架構與運作原理與前述元件與信號之架構與運作原理相近者，以相同符號表示，此外，AB類運算放大器系統60之AB類運算放大器數量不限於兩個，其主要精神在於可根據由一個AB類運算放大器之輸出電壓，控制其它AB類運算放大器之偏壓電流，凡依此精神所衍生之種種變化，皆屬本發明之範疇。
電流控制電路20之運作可歸納為一電流控制流程70，如第7圖所示。電流控制流程70包含以下步驟：
步驟702：開始。
步驟704：提供低偏壓電流IBL2及高偏壓電流IBH2，高偏壓電流IBH2大於低偏壓電流IBL2。
步驟706：根據AB類運算放大器10之輸出電壓Vout，從低偏壓電流IBL2及高偏壓電流IBH2中選擇一電流做為AB類運算放大器10之偏壓電流。
步驟708：結束。
電流控制流程70可參考前述，在此不予贅述，以求簡潔。
習知AB類運算放大器10因使用固定偏壓電流IB2，因此若使用較低的偏壓電流IB2，會降低AB類運算放大器10動態操作時之效能；而若使用較高的偏壓電流IB2，則會提高AB類運算放大器10靜態操作之功率消耗。相較之下，本發明之電流控制電路20可控制控制AB類運算放大器10於動態操作時採用較大的高偏壓電流IBH2，以提升效能且降低非線性失真，而於靜態操作時採用較低的低偏壓電流IBL2，以降低功率消耗。
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、600、602．．．AB類運算放大器
102、104、200、202、502、504、608、610、612、614．．．電流源
20、604．．．電流控制電路
204、606．．．比較選擇器
302．．．正比較器
304．．．負比較器
306．．．或閘
308．．．反向器
60．．．AB類運算放大器系統
70．．．流程
702～708．．．步驟
Vin-、Vin+．．．輸入端
M9、M10、M11、M12、M13、M14、M15、M16．．．電晶體
VDD．．．系統電壓
IQ．．．輸出級靜態電流
IB2、IB3．．．偏壓電流
Vout．．．輸出電壓
IBH2、IBH3、IBH4、IBH5．．．高偏壓電流
IBL2、IBL3、IBL4、IBL5．．．低偏壓電流
VB．．．靜態電壓
ComP．．．正比較結果
ComN．．．負比較結果
IQ_H．．．高偏壓電流訊號
IQ_L．．．低偏壓電流訊號
第1圖為習知技術中一AB類運算放大器操作於一偏壓電流之示意圖。
第2圖為本發明實施例一電流控制電路之示意圖。
第3圖為第2圖中一比較選擇器之電路示意圖。
第4A圖為第1圖AB類運算放大器分別採用第2圖中高偏壓電流及低偏壓電流與第1圖中偏壓電流時，輸出級靜態電流於不同系統電壓下之示意圖。
第4B圖為第1圖AB類運算放大器有無使用第2圖中電流控制電路時，分別動態操作於操作頻率為20Hz、1kHz及20kHz時，在不同操作功率下之總諧波失真加雜訊之示意圖。
第5圖為第3圖中比較選擇器之詳細示意圖。
第6A圖為本發明實施例一AB類運算放大器系統之示意圖。
第6B圖為第6A圖中一比較選擇器之電路示意圖。
第7圖為本發明實施例一流程之示意圖。
10．．．AB類運算放大器
20．．．電流控制電路
200、202．．．電流源
204．．．比較選擇器
Vin-、Vin+．．．輸入端
Vout．．．輸出電壓
IBH2．．．高偏壓電流
IBL2．．．低偏壓電流

Claims (15)

  1. 一種電流控制電路，用來控制一AB類運算放大器(operational amplifier，OP)之一偏壓電流，包含有：一低偏壓電流源，用來產生一低偏壓電流；一高偏壓電流源，用來產生一高偏壓電流，該高偏壓電流大於該低偏壓電流；以及一比較選擇器，耦接於該AB類運算放大器之一輸出端，用來根據該AB類運算放大器之一輸出電壓，從該低偏壓電流及該高偏壓電流中選擇一電流做為該偏壓電流；其中，該比較選擇器於該輸出電壓與一靜態電壓間電壓差之絕對值小於一特定值時，選擇該低偏壓電流做為該偏壓電流，而於該輸出電壓與一靜態電壓間電壓差之絕對值大於一特定值時，選擇該高偏壓電流做為該偏壓電流。
  2. 如請求項1所述之電流控制電路，其中該靜態電壓等於AB類運算放大器無輸入訊號時的偏壓。
  3. 如請求項1所述之電流控制電路，其中該比較選擇器另包含有：一正比較器，用來分別於一正輸入端及一負輸入端接收該輸出電壓及該靜態電壓，以根據該輸出電壓減去該靜態電壓之值及該特定值，產生一正比較結果；一負比較器，用來分別於一正輸入端及一負輸入端接收該靜態 電壓與該輸出電壓，以根據該靜態電壓減去該輸出電壓之值及該特定值，產生一負比較結果；一或閘，耦接於該正比較器及該負比較器，用來根據該正比較結果及該負比較結果，產生一高偏壓電流訊號；以及一反向器，耦接於該或閘，用來根據該高偏壓電流訊號，產生一低偏壓電流訊號。
  4. 如請求項3所述之電流控制電路，其中於該正比較結果指示該輸出電壓減去該靜態電壓之值大於該特定值，或該負比較結果指示該靜態電壓減去該輸出電壓之值大於該特定值時，該高偏壓電流訊號控制該高偏壓電流做為該偏壓電流。
  5. 如請求項3所述之電流控制電路，其中於該正比較結果指示該輸出電壓減去該靜態電壓之值小於該特定值，且該靜態電壓減去該輸出電壓之值小於該特定值時，該低偏壓電流訊號控制該低偏壓電流做為該偏壓電流。
  6. 一種AB類運算放大器(operational amplifier，OP)系統，包含有：複數個AB類運算放大器，各AB類運算放大器分別用來產生一輸出電壓；以及一電流控制電路，用來控制該複數個AB類運算放大器中各AB類運算放大器之一偏壓電流； 其中，該電流控制電路包含有：複數個低偏壓電流源，用來產生對應於該複數個AB類運算放大器之複數個低偏壓電流；複數個高偏壓電流源，用來產生對應於該複數個AB類運算放大之複數個高偏壓電流，該複數個高偏壓電流分別大於相對應該複數個低偏壓電流；一比較選擇器，耦接於該複數個AB類運算放大器中一AB類運算放大器之一輸出端，用來根據該AB類運算放大器之一輸出電壓，從該複數個低偏壓電流及該複數個高偏壓電流中分別選擇一電流做為該複數個AB類運算放大器中各AB類運算放大器之該偏壓電流；其中，該比較選擇器於該輸出電壓與一靜態電壓間電壓差之絕對值小於一特定值時，選擇該複數個低偏壓電流做為該複數個AB類運算放大器中各AB類運算放大器之該偏壓電流；而於該輸出電壓與一靜態電壓間電壓差之絕對值大於一特定值時，選擇該複數個高偏壓電流做為該複數個AB類運算放大器中各AB類運算放大器之該偏壓電流。
  7. 如請求項6所述之AB類運算放大器系統，其中該靜態電壓等於AB類運算放大器無輸入訊號時的偏壓。
  8. 如請求項6所述之AB類運算放大器系統，其中該比較選擇器 另包含有：一正比較器，用來分別於一正輸入端及一負輸入端接收該輸出電壓及該靜態電壓，以根據該輸出電壓減去該靜態電壓之值及該特定值，產生一正比較結果；一負比較器，用來分別於一正輸入端及一負輸入端接收該靜態電壓與該輸出電壓，以根據該靜態電壓減去該輸出電壓之值及該特定值，產生一負比較結果；一或閘，耦接於該正比較器及該負比較器，用來根據該正比較結果及該負比較結果，產生一高偏壓電流訊號；以及一反向器，耦接於該或閘，用來根據該高偏壓電流訊號，產生一低偏壓電流訊號。
  9. 如請求項8所述之AB類運算放大器系統，其中於該正比較結果指示該輸出電壓減去該靜態電壓之值大於該特定值，或該負比較結果指示該靜態電壓減去該輸出電壓之值大於該特定值時，該高偏壓電流訊號控制該複數個高偏壓電流做為該複數個AB類運算放大器中各AB類運算放大器之該偏壓電流。
  10. 如請求項8所述之AB類運算放大器系統，其中於該正比較結果指示該輸出電壓減去該靜態電壓之值小於該特定值，且該負比較結果指示該靜態電壓減去該輸出電壓之值小於該特定值時，該低偏壓電流訊號控制該複數個低偏壓電流做為該複數個AB類運算放大器中各AB類運算放大器之該偏壓電流。
  11. 一種電流控制方法，用來控制一AB類運算放大器(operational amplifier，OP)之一偏壓電流，包含有：提供一低偏壓電流及一高偏壓電流，該高偏壓電流大於該低偏壓電流；以及根據該AB類運算放大器之一輸出電壓，從該低偏壓電流及該高偏壓電流中選擇一電流做為該偏壓電流；其中，於該輸出電壓與一靜態電壓間電壓差之絕對值小於一特定值時，選擇該低偏壓電流做為該偏壓電流；而於該輸出電壓與一靜態電壓間電壓差之絕對值大於一特定值時，選擇該高偏壓電流做為該偏壓電流。
  12. 如請求項11所述之電流控制方法，其中該靜態電壓等於AB類運算放大器無輸入訊號時的偏壓。
  13. 如請求項11所述之電流控制方法，其另包含有：根據該輸出電壓減去該靜態電壓之值及該特定值，產生一正比較結果；根據該靜態電壓減去該輸出電壓之值及該特定值，產生一負比較結果；根據該正比較結果及該負比較結果，產生一高偏壓電流訊號；以及根據該高偏壓電流訊號，產生一低偏壓電流訊號。
  14. 如請求項13所述之電流控制方法，其中於該正比較結果指示該輸出電壓減去該靜態電壓之值大於該特定值，或該負比較結果指示該靜態電壓減去該輸出電壓之值大於該特定值時，該高偏壓電流訊號控制該高偏壓電流做為該偏壓電流。
  15. 如請求項13所述之電流控制方法，其中於該正比較結果指示該輸出電壓減去該靜態電壓之值小於該特定值，且該負比較結果指示該靜態電壓減去該輸出電壓之值小於該特定值時，該低偏壓電流訊號控制該低偏壓電流做為該偏壓電流。
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