TWI424684B - 具有寬增益範圍的放大器與增益調節方法 - Google Patents

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Description

具有寬增益範圍的放大器與增益調節方法
本發明是有關於一種寬增益範圍的放大器，且特別是有關於一種具有低雜訊的寬增益範圍的放大器。
一般而言，單一個訊號放大器，其增益值是在一個有限的範圍。如果需要更大的增益值，達到更大的訊號放大率，一般會串接多個放大器。圖1繪示傳統可變增益放大器的架構示意圖。參閱圖1，一般傳統可變增益放大器是由多個放大器60所串接在一起。每一個放大器60分別有增益範圍VGA1,VGA2,...,VGN。此N個可變增益放大器受增益調節訊號VC所控制以達到寬廣增益範圍。
圖1的架構，當操作在低增益時，每一個放大器60仍都會被開啟，導致在低增益時的雜訊過高。
另一種可達到寬廣增益範圍的放大器藉由開關控制器達成。圖2繪示另一種傳統可變增益放大器的架構示意圖。參閱圖2，多個放大器11-14藉由開關21~28串接在一起，有一訊號輸入端1與一訊號輸出端2。開關之間也有傳輸線(through line)31~34與放大器並聯。藉由控制電路3藉由連接線51~54對開關21~28的控制，藉由連接線41~44調節放大器的增益。當所要操作的增益值低於最大增益值時，可以僅開啟前面的幾個放大器即可，而輸出訊號藉由傳輸線31~34傳送到輸出端。
如此的架構，例如只開第一級放大器11時，訊號會經過串聯的傳輸線32、33、34等，以及開關器的作用，因此而產生多餘損耗，進而產生較差雜訊指數。
換句話說，雖然寬可變增益值範圍雖然可以藉由多個放大器組合而成，當其操作在低增益值時，會由於多個放大器的連接，導致雜訊比較大。傳統的寬可變增益值放大器並未對這種低增益值時的雜訊做更進一步探討與解決。
本發明提供一種具有較寬廣的增益範圍的放大器，但是至少有較低的雜訊指數。
本發明提出一種具有寬增益範圍的放大器，包括一訊號轉換單元、一通道單元與多個放大器。訊號轉換單元根據所接收的一增益調節訊號，輸出多個調節訊號以及多個選擇訊號。依照該增益調節訊號的大小決定該些選擇訊號的一個是在一第一邏輯狀態，其他的該些選擇訊號為一第二邏輯狀態。通道單元有多個通道分別受該些選擇訊號控制，以導通處在該第一邏輯狀態的該通道。放大器串聯在一起。多個放大器的多個輸出端都同時分別輸出到通道單元的多個通道，且這些放大器分別受訊號轉換單元的多個調節訊號所控制。
本發明也提供一種具有寬增益範圍的增益調節方法，以組成一放大器。此方法包括根據所接收的一增益調節訊號，輸出多個調節訊號以及多個選擇訊號，其中依照該增益調節訊號的大小決定該些選擇訊號的一個是在一第一邏輯狀態，其他的該些選擇訊號為一第二邏輯狀態。又，此方法還包括設置多個通道分別受該些選擇訊號的控制，以導通處在該第一邏輯狀態的該通道。將多個放大器串聯在一起。每一個放大器的一輸出端都同時分別連接到該通道單元的該些通道，且每一個放大器分別受該訊號轉換單元的調節訊號所控制。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
寬增益範圍的放大器可以應用在多種電子產品上，例如對於接收機而言，低雜訊可變增益放大器是很重要的元件。一般傳統可變增益放大器為了提供較寬廣的增益範圍，往往在增益最大時才可能有相對較低的雜訊指數。但是隨著系統規格的需求，在其它增益範圍也需要有較佳的雜訊指數。本發明至少可以針對較寬廣的增益範圍並提供較低雜訊指數。
以下舉一些實施例來說明本發明，但是本發明不僅限於所舉的實施例。又，所舉的實施例之間也可以適當結合。
圖3繪示依據本發明一實施例，具有寬增益範圍的放大器的電路方塊示意圖。參閱圖3，具有寬增益範圍的放大器包括包括一訊號轉換單元100、多個可變增益放大器(variable-gain amplifier,VGA) 102，以及一通道單元104。
訊號轉換單元100，例如是以電壓到電壓轉換器(voltage to voltage converter，VVC)或是電流到電流轉換器(current to current converter，IIC)為例來說明，然而也可以是電壓到電流轉換器或是電流到電壓轉換器或其他型態的轉換器以轉換接收的增益調節訊號。於本實施例，訊號轉換單元100根據所接收的一增益調節訊號VC，輸出多個調節訊號VC1，VC2，...，VCN以及多個選擇訊號Vcx1，Vcx2,Vcx3,...,VcxN。選擇訊號Vcx1，Vcx2，Vcx3，...，VcxN，是依照增益調節訊號VC的大小決定選擇訊號的其中一個是在一第一邏輯狀態，而其他的選擇訊號為一第二邏輯狀態。換句話說，在第一邏輯狀態的選擇訊號會導通所連接的通道單元104中所對應的通道，而第二邏輯狀態的選擇訊號則關閉所對應的通道。
通道單元104有多個通道分別受選擇訊號控制，以導通處在該第一邏輯狀態的該些通道。通道單元104例如是多通道開關單元或是多通道多工器，或是對等功能的電路。通道單元104根據選擇訊號的控制以選擇其中所要的通道，其此通道導通而輸出訊號(output)。
圖4繪示依據本發明一實施例，具有寬增益範圍的放大器操作機制示意圖。參閱圖4，虛線代表多個通道110a，110b，110c，...，110n。也參閱圖3，當選擇訊號Vcx1是在第一邏輯狀態時會導通通道110a，其他的通道110b，110c，...，110n受選擇訊號Vcx2，Vcx3，...，VcxN的控制為關閉。當所操作的增益值僅需要開啟兩個放大器即可時，可以選擇導通通道110b，而其他通道關閉。依此類推，可以選擇其中一個所要的通道被打開。
可變增益放大器102，標示為Amp1，Amp2，...，AmpN,串聯在一起。可變增益放大器的多個輸出端都同時分別輸出到通道單元104的多個通道，且這些可變增益放大器分別受訊號轉換單元100的多個調節訊號VC1~VCN所控制。其中，VC、VC1、VC2.....VCN的大小關係可以為VC=VC1=VC2......=VCN 或不全部相等，例如VC≠VC1≠VC2......≠VCN。其中VC1為Amp1的增益控制電壓或電流，VC2為Amp2的增益控制電壓或電流，VCN為AmpN的增益控制電壓或電流。
進一步說明訊號轉換單元100的操作機制。圖5繪示依據本發明一實施例，訊號轉換單元100的電路示意圖。參閱圖5，訊號轉換單元100例如包括一選擇單元120與一訊號轉換器122。
選擇單元120，例如包括多個比較器120_1~102_N，接收對應通道單元104中的多個通道的多個參考訊號Vref1，Vref2，…，Vref等，也同時接收增益調節訊號VC。增益調節訊號VC與這些參考訊號比較，決定比增益調節訊號VC小但是最接近的參考訊所對應的選擇訊號為該第一邏輯狀態，而其他的該些該選擇訊號為該第二邏輯狀態。圖5所舉的方式僅是可方式的其中一個實施例，在對等功能下，也可以有不同的設計方式。
訊號Vcx1、VcX2、…與Vcxn為開關電路控制訊號。例如，當VC>Vref1時，訊號通道為110a且開關電路1打開其他開關電路關閉。輸出端(output)輸出增益範圍是由Amp1所提供。同理當VC>Vref2時，訊號通道為110b，且開關電路2打開，開關電路1與其他開關電路關閉。輸出端輸出增益範圍是由Amp1與Amp2所提供。以此類推當VC>VrefN時，輸出端輸出增益範圍由Amp1、Amp2……與AmpN提供。
參考訊號Vref1~VrefN例如是依序漸大，如此可以決定接近的通道被導通。
另外，訊號轉換單元100的訊號轉換器122，用以將增益調節訊號VC轉換成個別的調節訊號VC1~VCN，以分別調節放大器102。利用這種架構可以組合成寬廣增益範圍如圖6所示。圖6繪示依據本發明一實施例，操作增益值G與放大器啟動的關係。當操作增益值G不大於VGA2 時，其由Amp1所提供的增益值VGA1 來提供。水平虛線代表對應操作增益值G所需要啟動的對應放大器。本發明不需經過多餘的開關電路即可直接輸出，以提高增益與降低雜訊指數。
就本發明架構，所選擇到的通到會透過通道單元104獨立輸出。因此操作在低增益範圍時，雜訊比可以有效降低。
以下進一步說明本發明達到降低雜訊之間的機制驗證。對於低雜訊考量可以由式1來觀察，當串接過多可變增益放大器時，其相對雜訊指數會變大。
Fn代表第n個放大器的雜訊指數，Gn為個別的增益值。當串接更多的放大器，則會又更大的雜訊。
另外，圖7繪示單一可變增益放大器增益與雜訊指數關係示意圖。參閱圖7，實線為所操作的增益值，虛線為對應增益值的雜訊。對單一可變增益放大器而言，其增益值例如是在9dB時，相對雜訊指數為13dB。若是以傳統串接方式，如圖1所示，假設是由3級(3-stage)串接而每一級放大器提供3dB以達到9dB的增益值，則相對的雜訊指數則為13dB加上後兩級雜訊達到雜訊為20dB。由此可知，當串接級數越多時，在增益較低時所得到的雜訊指數相對高。若為了增益較低時得到較好雜訊指數，則增益範圍相對變小。
另一方面，本發明的輸出端只需一個開關電路，因此後級開關電路所貢獻雜訊指數就相對變小。例如：當VC>Vref1時，訊號通道為通道110a且開關電路1打開其他開關電路關閉。輸出端所輸出增益範圍由Amp1提供。且其對應雜訊指數為，SF2為一個開關雜訊指數。
圖8繪示依據本發明一實施例，本發明放大器與傳統四級串接放大器的增益與雜訊的比較示意圖。參閱圖8，實線是本發明的增益與雜訊的關係，虛線為傳統四級串接放大器的增益與雜訊的關係。每一級的放大器的增益範圍是9B。由驗證的資料可以看出，本發明可以改善當操作在增益較低時，可以得到較低的雜訊指數。
基於圖3的設計概念，每一級放大器又可以有不同的組合。圖9繪示依據本發明一實施例，具有寬增益範圍的放大器的電路方塊示意圖。參閱圖9，其電路架構與圖3相似，其中僅就放大器的變化做說明。每一級的放大器例如可以有多個次級放大器所組合。本實施例以兩個次級放大器為例以組成單一級放大器。第一級放大器例如是由二個放大器200a串接所組成。第二級放大器例如是由二個放大器200b串接所組成。第三級放大器例如是由二個放大器200c串接所組成。依此類推，最後一級放大器例如是由二個放大器200d串接所組成。
另外，每一級的放大器的增益值範圍也無須都相同。圖10繪示依據本發明一實施例，具有寬增益範圍的放大器的電路方塊示意圖。參閱圖10，其電路架構與圖3相似，其中僅就放大器的變化做說明。每一級的放大器300，302，304，...，306的個別增益範圍可以無需全部相同，其例如是全部不相同，又或是僅是部分相同，其依照實際設計而變化，但是基本加架構仍維持。訊號轉換單元100與通道單元104的操作機制仍維持。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1．．．訊號輸入端
2．．．訊號輸出端
3．．．控制電路
11~14．．．放大器
22~28．．．開關
31~34．．．傳輸線
41~44．．．連接線
51~54．．．連接線
60．．．放大器
100．．．訊號轉換單元
102．．．可變增益放大器
104．．．通道單元
110a~110n．．．通道
120．．．選擇單元
120_1~120_N．．．比較器
122．．．訊號轉換器
200a~200d．．．放大器
300~306．．．放大器
圖1繪示傳統可變增益放大器的架構示意圖。
圖2繪示另一種傳統可變增益放大器的架構示意圖。
圖3繪示依據本發明一實施例，具有寬增益範圍的放大器的電路方塊示意圖。
圖4繪示依據本發明一實施例，具有寬增益範圍的放大器操作機制示意圖。
圖5繪示依據本發明一實施例，訊號轉換單元100的電路示意圖。
圖6繪示依據本發明一實施例，操作增益值G與放大器啟動的關係。
圖7繪示單一可變增益放大器增益與雜訊指數關係示意圖。
圖8繪示依據本發明一實施例，本發明放大器與傳統四級串接放大器的增益與雜訊的比較示意圖。
圖9繪示依據本發明一實施例，具有寬增益範圍的放大器的電路方塊示意圖。
圖10繪示依據本發明一實施例，具有寬增益範圍的放大器的電路方塊示意圖。
100‧‧‧訊號轉換單元
102‧‧‧可變增益放大器
104‧‧‧通道單元

Claims (10)

  1. 一種具有寬增益範圍的放大器，包括：一訊號轉換單元，根據所接收的一增益調節訊號，輸出多個調節訊號以及多個選擇訊號，其中依照該增益調節訊號的大小決定該些選擇訊號的一個是在一第一邏輯狀態，其他的該些選擇訊號為一第二邏輯狀態；一通道單元，有多個通道分別受該些選擇訊號所控制，以導通對應該第一邏輯狀態選擇訊號的該通道；多個放大器，串聯在一起，其中該些放大器的多個輸出端都同時分別輸出到該通道單元的該些通道，且該些放大器分別受該訊號轉換單元的該些調節訊號所控制。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具有寬增益範圍的放大器，其中該通道單元是多通道開關單元，或是多通道多工器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之具有寬增益範圍的放大器，其中該訊號轉換單元包括一電壓到電壓轉換器或是一電流到電流轉換器，以將該增益調節訊號轉換成該些調節訊號。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之具有寬增益範圍的放大器，其中該訊號轉換單元包括一選擇單元接收對應該些通道的多個參考訊號，也同時接收該增益調節訊號，其中該增益調節訊號與該些參考訊號比較，決定比該增益調節訊號小但是最接近的該參考訊號所對應的該選擇訊號為該第一邏輯狀態，而其他的該些該選擇訊號為該第二邏輯狀態。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之具有寬增益範圍的放大器，其中該些比較單元的該些參考訊號是依序漸大。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之具有寬增益範圍的放大器，其中該訊號轉換單元包括一訊號轉換器，以將該增益調節訊號轉換成該些調節訊號。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之具有寬增益範圍的放大器，其中該些調節訊號與該增益調節訊號不相等。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之具有寬增益範圍的放大器，其中該些放大器的至少一個是由多個次級放大器串接。
  9. 一種具有寬增益範圍的增益調節方法，用於放大器，包括：根據所接收的一增益調節訊號，輸出多個調節訊號以及多個選擇訊號，其中依照該增益調節訊號的大小決定該些選擇訊號的一個是在一第一邏輯狀態，其他的該些選擇訊號為一第二邏輯狀態；設置多個通道分別受該些選擇訊號的控制，以導通對應該第一邏輯狀態選擇訊號的該通道；以及將多個放大器串聯在一起，其中每一個該放大器的一輸出端都同時分別連接到該通道單元的該些通道，且每一個該放大器分別受該訊號轉換單元的該些調節訊號所控制。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之具有寬增益範圍的增益調節方法，其中根據所接收的該增益調節訊號輸出該些調節訊號以及該些選擇訊號的該步驟包括：將該增益調節訊號轉換成該些調節訊號；接收多個參考訊號以及該增益調節訊號；以及比較該增益調節訊號與該些參考訊號，決定比該增益調節訊號小但是最接近的該參考訊所對應的該選擇訊號為該第一邏輯狀態，而其他的該些選擇訊號為該第二邏輯狀態。
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Refet Firat Yazicioglu; Merken, P.; Puers, R.; Van Hoof, C., "Low-Power Low-Noise 8-Channel EEG Front-End ASIC for Ambulatory Acquisition Systems," Solid-State Circuits Conference, 2006. ESSCIRC 2006. Proceedings of the 32nd European , vol., no., pp.247,250, Sept. 2006. *

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