TWI459715B

TWI459715B - 放大器

Info

Publication number: TWI459715B
Application number: TW100109596A
Authority: TW
Inventors: Ju Lin Huang; Keko Chun Liang; Po Yu Tseng
Original assignee: Novatek Microelectronics Corp
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2011-03-21
Publication date: 2014-11-01
Also published as: CN102624342B; CN102624342A; TW201233052A

Description

放大器

本發明是有關於一種軌對軌放大器。

請同時參照第1A圖及第1B圖，第1A圖繪示傳統軌對軌放大器之電路圖，第1B圖繪示傳統軌對軌放大器之操作電壓區間之示意圖。於第1A圖之軌對軌放大器10中，NMOS電晶體N1及N2組成NMOS輸入對，PMOS電晶體P1及P2組成PMOS輸入對，NMOS輸入對及PMOS輸入對分別耦接至電流源12及14。

當輸入電壓V_i 低於NMOS電晶體N1及N2的臨界電壓時，NMOS電晶體N1及N2為截止，電流源12的電流不會流入輸出級電路16；同時段，PMOS電晶體P1及P2為導通，電流源14的電流流入輸出級電路16以供進行操作。此外，當輸入電壓V_i 高於PMOS電晶體P1及P2的臨界電壓時，PMOS電晶體P1及P2為截止，電流源14的電流不會流入輸出級電路16；同時段，NMOS電晶體N1及N2為導通，電流源12的電流流入輸出級電路16以供進行操作。觀察第1B圖可得知，軌對軌放大器10在部分的輸入電壓區間時，NMOS輸入對及PMOS輸入對同時導通，相較於單一輸入對放大器而言，雖具有全區間輸入電壓可操作的優點，但會導致不必要的功率消耗。

本揭露是有關於一種放大器，在操作時利用電流轉換電路以達成與單一輸入對放大器相同的電流消耗，故可同時兼具全區間輸入電壓可操作及低功率消耗的優點。

根據本揭露之第一方面，提出一種放大器，包括一輸出級電路、一電流源、一PMOS輸入對、一NMOS輸入對以及一電流轉換電路。輸出級電路電性連接至一供應電壓及一地電壓。電流源具有一節點以提供一電流。PMOS輸入對耦接至節點及地電壓，並受控於一輸入電壓。NMOS輸入對耦接至供應電壓並受控於輸入電壓。電流轉換電路耦接至節點及NMOS輸入對。其中，當輸入電壓小於一特定值時，PMOS輸入對導通，NMOS輸入對及電流轉換電路截止，使得電流經由節點流入PMOS輸入對，當輸入電壓大於等於特定值時，PMOS輸入對截止，NMOS輸入對及電流轉換電路導通，使得電流經由節點及電流轉換電路流入NMOS輸入對。

根據本揭露之第二方面，提出一種放大器，包括一輸出級電路、一電流源、一NMOS輸入對、一PMOS輸入對以及一電流轉換電路。輸出級電路電性連接至一供應電壓及一地電壓。電流源具有一節點以提供一電流。NMOS輸入對耦接至節點及供應電壓，並受控於一輸入電壓。PMOS輸入對耦接至地電壓並受控於輸入電壓。電流轉換電路耦接至節點及PMOS輸入對。其中，當輸入電壓大於一特定值時，NMOS輸入對導通，PMOS輸入對及電流轉換電路截止，使得電流經由節點流入NMOS輸入對，當輸入電壓小於等於特定值時，NMOS輸入對截止，PMOS輸入對及電流轉換電路導通，使得電流經由節點及電流轉換電路流入PMOS輸入對。

為了對本揭露之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉一實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

本揭露所提出之放大器，在操作時利用電流轉換電路將電流源在PMOS輸入對與NMOS輸入對之間進行轉換，以達成與單一輸入對放大器相同的電流消耗，故可同時兼具全區間輸入電壓可操作及低功率消耗的優點。

請參照第2A圖與第2B圖，第2A圖繪示依照一實施例之放大器之電路圖，第2B圖繪示依照一實施例之放大器之操作電壓區間之示意圖。於第2A圖中，放大器100實質上為一軌對軌放大器，其包括一輸出級電路110、一電流源120、一PMOS輸入對130、一NMOS輸入對140以及一電流轉換電路150。輸出級電路110電性連接至一供應電壓(supply voltage)VSS及一地電壓GND。電流源120具有一節點O1以提供一電流。PMOS輸入對130實質上由PMOS電晶體P01及P02所組成，其耦接至節點O1，並透過輸出級電路110電性連接至地電壓GND。PMOS輸入對130受控於一輸入電壓V_i 。

NMOS輸入對140實質上由NMOS電晶體N01及N02所組成，其其透過輸出級電路110電性連接至供應電壓VSS並受控於輸入電壓V_i 。電流轉換電路150耦接至節點O1及NMOS輸入對140。電流轉換電路150包括一第一NMOS電晶體N1、一第二NMOS電晶體N2以及一第一PMOS電晶體P1。第一NMOS電晶體N1之第一端耦接至NMOS輸入對140，第一NMOS電晶體N1之第二端耦接至地電壓GND。

第二NMOS電晶體N2之第一端耦接至第一NMOS電晶體N1之控制端，第二NMOS電晶體N2之第二端耦接至地電壓GND，第二NMOS電晶體N2之控制端耦接至第一NMOS電晶體N1之控制端。第一PMOS電晶體P1之第一端耦接至節點O1，第一PMOS電晶體P1之第二端耦接至第二NMOS電晶體N2之第一端，第一PMOS電晶體P1之控制端接收一控制電壓V1，控制電壓V1相關於輸入電壓V_i 及第一PMOS電晶體P1之臨界電壓。

當輸入電壓V_i 小於一特定值SV時，PMOS電晶體P01及P02導通，亦即PMOS輸入對130導通；同時，NMOS輸入對140及電流轉換電路150截止，使得電流源120提供之電流經由節點O1流入導通之PMOS輸入對130，再送至輸出級電路110以供進行操作。其中，特定值SV約為控制電壓V1與第一PMOS電晶體P1之臨界電壓的和扣掉輸入電壓V_i 與節點O1之電壓差。

當輸入電壓V_i 上升時，節點O1的電壓也會上升。當輸入電壓V_i 大於等於特定值SV時，NMOS電晶體N01及N02導通，亦即NMOS輸入對140導通；同時，PMOS輸入對130截止。此時，電流轉換電路150導通，第一PMOS電晶體P1導通，藉由第一NMOS電晶體N1與第二NMOS電晶體N2所組成的電流鏡，將電流源120的電流經由節點O1及電流轉換電路150流入NMOS輸入對140，再送至輸出級電路110以供進行操作。

如此一來，即可讓NMOS輸入對140可以操作在PMOS輸入對130無法導通的輸入電壓區間，達到全區間輸入電壓可操作的優點，且更進一步地可利用控制電壓V1以決定NMOS輸入對140導通的輸入電壓區間。此外，觀察第2B圖可以得知，無論對應於任何輸入電壓，只有PMOS輸入對130與NMOS輸入對140其中之一輸入對會導通，故可達到節省電流的目的，且因為移除NMOS輸入對140對應的尾端電流源，所以操作電流與單一輸入對放大器相同。

請參照第3A圖與第3B圖，第3A圖繪示依照另一實施例之放大器之電路圖，第3B圖繪示依照另一實施例之放大器之操作電壓區間之示意圖。於第3A圖中，放大器200實質上為一軌對軌放大器，其包括一輸出級電路210、一電流源220、一NMOS輸入對230、一PMOS輸入對240以及一電流轉換電路250。輸出級電路210電性連接至供應電壓VSS及地電壓GND。電流源220具有一節點O2以提供一電流。NMOS輸入對230實質上由NMOS電晶體N01及N02所組成，其耦接至節點O2，並透過輸出級電路210電性連接至供應電壓VSS。NMOS輸入對230受控於一輸入電壓V_i 。

PMOS輸入對240實質上由PMOS電晶體P01及P02所組成，其透過輸出級電路210電性連接至地電壓GNS並受控於輸入電壓V_i 。電流轉換電路250耦接至節點O2及PMOS輸入對240。電流轉換電路250包括一第一PMOS電晶體P1、一第二PMOS電晶體P2以及一第一NMOS電晶體N1。第一PMOS電晶體P1之第一端耦接至PMOS輸入對240，第一PMOS電晶體P1之第二端耦接至供應電壓VSS。

第二PMOS電晶體P2之第一端耦接至第一PMOS電晶體P1之控制端，第二PMOS電晶體P2之第二端耦接至供應電壓VSS，第二PMOS電晶體P2之控制端耦接至第一PMOS電晶體P1之控制端。第一NMOS電晶體N1之第一端耦接至節點O2，第一NMOS電晶體N1之第二端耦接至第二PMOS電晶體P2之第一端，第一NMOS電晶體N1之控制端接收一控制電壓V2，控制電壓V2相關於輸入電壓V_i 及第一NMOS電晶體N1之臨界電壓。

當輸入電壓V_i 大於一特定值SV時，NMOS電晶體N01及N02導通，亦即NMOS輸入對230導通；同時，PMOS輸入對240及電流轉換電路250截止，使得電流源220提供之電流經由節點O2流入導通之NMOS輸入對230，再送至輸出級電路210以供進行操作。其中，特定值SV約為控制電壓V2與第一NMOS電晶體N1之臨界電壓的差加上輸入電壓V_i 與節點O2之電壓差。

當輸入電壓V_i 下降時，節點O2的電壓也會下降。當輸入電壓V_i 小於等於特定值SV時，PMOS電晶體P01及P02導通，亦即PMOS輸入對240導通；同時，NMOS輸入對230截止。此時，電流轉換電路250導通，第一NMOS電晶體N1導通，藉由第一PMOS電晶體P1與第二PMOS電晶體P2所組成的電流鏡，將電流源220的電流經由節點O2及電流轉換電路250流入PMOS輸入對240，再送至輸出級電路210以供進行操作。

如此一來，即可讓PMOS輸入對240可以操作在NMOS輸入對230無法導通的輸入電壓區間，達到全區間輸入電壓可操作的優點，且更進一步地可利用控制電壓V2以決定PMOS輸入對240導通的輸入電壓區間。此外，觀察第3B圖可以得知，無論對應於任何輸入電壓，只有NMOS輸入對230與PMOS輸入對240其中之一輸入對會導通，故可達到節省電流的目的，且因為移除PMOS輸入對240對應的尾端電流源，所以操作電流與單一輸入對放大器相同。

本揭露上述實施例所揭露之放大器，利用電流轉換電路取代傳統的尾端電流源，故可在操作時將電流源在PMOS輸入對與NMOS輸入對之間進行轉換，以達成與單一輸入對放大器相同的電流消耗，故可同時兼具全區間輸入電壓可操作及低功率消耗的優點。

綜上所述，雖然本發明已以多個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明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，當可作各種之更動與潤飾。因此，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。

10．．．軌對軌放大器

12、14、120、220．．．電流源

16、110、210．．．輸出級電路

100、200．．．放大器

130、240．．．PMOS輸入對

140、230．．．NMOS輸入對

150、250．．．電流轉換電路

第1A圖繪示傳統軌對軌放大器之電路圖。

第1B圖繪示傳統軌對軌放大器之操作電壓區間之示意圖。

第2A圖繪示依照一實施例之放大器之電路圖。

第2B圖繪示依照一實施例之放大器之操作電壓區間之示意圖。

第3A圖繪示依照另一實施例之放大器之電路圖。

第3B圖繪示依照另一實施例之放大器之操作電壓區間之示意圖。

100．．．軌對軌放大器

110．．．輸出級電路

120．．．電流源

130．．．PMOS輸入對

140．．．NMOS輸入對

150．．．電流轉換電路

Claims

一種放大器，包括：一輸出級電路，電性連接至一供應電壓及一地電壓；一電流源，具有一節點以提供一電流；一PMOS輸入對，耦接至該節點及該地電壓，並受控於一輸入電壓；一NMOS輸入對，耦接至該供應電壓並受控於該輸入電壓；以及一電流轉換電路，耦接至該節點及該NMOS輸入對；其中，當該輸入電壓小於一特定值時，該PMOS輸入對導通，該NMOS輸入對及該電流轉換電路截止，使得該電流經由該節點流入該PMOS輸入對，當該輸入電壓大於等於該特定值時，該PMOS輸入對截止，該NMOS輸入對及該電流轉換電路導通，使得該電流經由該節點及該電流轉換電路流入該NMOS輸入對；其中該電流轉換電路包括：一第一NMOS電晶體，該第一NMOS電晶體之第一端耦接至該NMOS輸入對，該第一NMOS電晶體之第二端耦接至該地電壓；一第二NMOS電晶體，該第二NMOS電晶體之第一端耦接至該第一NMOS電晶體之控制端，該第二NMOS電晶體之第二端耦接至該地電壓，該第二NMOS電晶體之控制端耦接至該第一NMOS電晶體之控制端；以及一第一PMOS電晶體，該第一PMOS電晶體之第一端耦接至該節點，該第一PMOS電晶體之第二端耦接至該第二NMOS電晶體之第一端，該第一PMOS電晶體之控制端接收一控制電壓；其中，該特定值為該控制電壓與該第一PMOS電晶體之臨界電壓的和扣掉該輸入電壓與該節點之電壓差。
一種放大器，包括：一輸出級電路，電性連接至一供應電壓及一地電壓；一電流源，具有一節點以提供一電流；一NMOS輸入對，耦接至該節點及該供應電壓，並受控於一輸入電壓；一PMOS輸入對，耦接至該地電壓並受控於該輸入電壓；以及一電流轉換電路，耦接至該節點及該PMOS輸入對；其中，當該輸入電壓大於一特定值時，該NMOS輸入對導通，該PMOS輸入對及該電流轉換電路截止，使得該電流經由該節點流入該NMOS輸入對，當該輸入電壓小於等於該特定值時，該NMOS輸入對截止，該PMOS輸入對及該電流轉換電路導通，使得該電流經由該節點及該電流轉換電路流入該PMOS輸入對；其中該電流轉換電路包括：一第一PMOS電晶體，該第一PMOS電晶體之第一端耦接至該PMOS輸入對，該第一PMOS電晶體之第二端耦接至該供應電壓；一第二PMOS電晶體，該第二PMOS電晶體之第一端耦接至該第一PMOS電晶體之控制端，該第二PMOS電晶體之第二端耦接至該供應電壓，該第二PMOS電晶體之控制端耦接至該第一PMOS電晶體之控制端；以及一第一NMOS電晶體，該第一NMOS電晶體之第一端耦接至該節點，該第一NMOS電晶體之第二端耦接至該第二PMOS電晶體之第一端，該第一NMOS電晶體之控制端接收一控制電壓；其中，該特定值為該控制電壓與該第一NMOS電晶體之臨界電壓的插加上該輸入電壓與該節點之電壓差。