TWI477067B - 差動放大器及其控制方法 - Google Patents

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Description

差動放大器及其控制方法
本案係為一差動放大器，尤其是一種全向差動放大器。
通常使用運算放大器時，會將其輸出端與其反相輸入端(inverting input node)連接，形成一負反馈(negative feedback)組態。原因是運算放大器的電壓增益非常大，範圍從數百至數萬倍不等，使用負回授(同負反饋)方可保證電路的穩定運作。
運算放大器11作為類比系統和混合信號系統中的一個重要電路單元，廣泛應用於數位/類比轉換器(ADC converter)、有源濾波器(一種含有運算放大器的濾波器，優點為體積小、效率高、頻率特性好)、波形產生器(產生一定頻率、振幅的波形)和視頻放大器等各種電路中。伴隨著每一代CMOS工藝的發展，電源電壓(voltage source)和電晶體溝道(transistor channel)長度的持續減小，不斷為運算放大器的設計提出了複雜的課題。在A/D轉換器中，運算放大器是最關鍵的部件。比如，有限增益、帶寬(bandwidth)和有限壓擺率(slew rate)等運算放大器的非理想特性都會造成積分器中的電荷轉移不完全，從而引起A/D轉換器的非線性(nonlinearity)。與單端輸出的運算放大器相比，全差動運算放大器如第1圖所示，能提供更大的輸出電壓擺幅，並具有不易受共模(common mode)雜訊影響、更高的線性度、減少偶次諧波(even hormonics)干擾以及偏置電路更簡單等優點。然而，第1圖之全差動運算放大器雖有上述優點，但其低頻寬的特性與需要一個共模反饋(common mode feedback)電路12，使的其應用範圍並未被廣泛採用。
差動放大器也叫差分放大器是一種將兩個輸入端電壓的差以一固定增益放大的電子放大器，有時簡稱為“差放”。差動放大器通常被用作功率放大器和發射極耦合邏輯電路(ECL,Emitter Coupled Logic)的輸入級。差動放大器具有下列三項特點：(1)高輸入阻抗，低輸出阻抗。(2)輸出信號大小與兩輸入信號的差值成比例。(3)頻率響應較一般放大器寬廣。電晶體差動放大器20，如第2圖所示，為使用電晶體而不用運算放大器的簡單方法，其特性為不易受電晶體閘極與源極間電壓的影響，及擁有一放大倍率為Gain~=R22 /(R21 +1/Gm )，其中Gm 為輸入端PMOS的跨導值(transconductance)，由於跨導值Gm 並非定值且隨製程的不同而變動。如果，我們需要該放大倍率不會隨著跨導值Gm 的改變與不確定性而變動，則應該選擇電阻R21 >>1/Gm ，若Gm 的值無法大幅提高，則電阻R21 勢必選擇較大的值，此限制條件進一步影響其適用於不同電路設計的需求。
由第2圖得知，當我們增加電阻值R21 與電阻值R22 相同的K倍，則全部的該放大倍率會受跨導值Gm 的影響比較小。然而，為了保持Vop 與Von 於相同的一操作點與一操作動態範圍，通過電阻4*R32 的電流必須減少為1/K倍，所以，(1-1/K)I的電流降低效應必須加到Vop 與Von ，如第3圖所示為電晶體差動放大器加入電流源30，其中在此例子上K=4。
本案申請人鑑於習知技術中的不足，經過悉心試驗與研究，並一本鍥而不捨之精神，終構思出本案差動放大器的技術，能有效在低成本考慮下，克服先前技術的不足，以下為本案之簡要說明。
本發明揭露一種採用電晶體作為一全向差動放大器，其具有可變增益的功能，能藉由單純的調整電阻比值，達到放大信號數倍甚至上千倍。設計上加入由NMOS電晶體與電流源(current source)構成的區域回饋電路，來增加輸入控制中PMOS或NMOS電晶體的跨導值Gm ，以大幅降低半導體製程元件的特性飄移對此放大器電路造成放大倍率的不確定性。
根據上述構想，本案提出一種差動放大器，包括：一放大模組，具一電阻比值，接收一輸入電壓，並根據該電阻比值而將該輸入電壓放大為一輸出電壓；以及一反饋模組，耦合於該放大模組並依據該輸入電壓與一回授信號所產生之一負向電壓位準以調整該輸出電壓。
PMOS因邏輯擺幅大，充電放電過程長，加之器件跨導Gm 小，所以工作速度更低，在NMOS電路出現之後，多數已為NMOS電路所取代。只是因PMOS電路工藝簡單，價格便宜，有些中規模和小規模數位控制電路仍採用PMOS電路技術。
本發明提出一種差動放大器的控制方法，其中該放大器具一電阻比值，且包括一具一跨導值之PMOS與一耦合於該PMOS之一NMOS，包括：使該PMOS接收一輸入電壓並根據該電阻比值而將該輸入電壓放大為一輸出電壓；以及使該NMOS將該輸出電壓之一負向位準提供給該PMOS，並據以變動該跨導值。
本發明提出一種差動放大器，包括：一放大模組，接收一輸入電壓，並產生一輸出電壓；以及一回饋模組，接收該輸出電壓之一回授信號，以調整該輸出電壓至一預定值。
本發明提出一種差動放大器控制方法，包括：因應一輸入訊號，產生一輸出訊號；根據該輸出訊號，產生一回授信號；以及因應該回授信號，調整該輸出訊號至一預定值。
本發明為一種設計上加入由NMOS電晶體與電流源構成的區域回饋電路，來增加輸入控制中PMOS或NMOS電晶體的跨導值Gm ，以大幅降低半導體製程元件的特性飄移對此放大器電路造成放大倍率的不確定性。該放大倍率為電阻比值R42 /(R41 /2)，其中須注意的是該電阻比值分母大小為一第一電阻R41 的一半，且範圍介於單數倍至上千倍。
本發明為一種全向差動放大器，在現今訊號處理電路的進步一日千里的條件下，此具有可變增益及適用於高速信號處理的放大器能產生革命性的演進。積體電路已逐漸取代傳統主動元件與被動元件的架構，大功率的機電系統也有賴於人機介面的控制方式，如何進行穩定性佳的信號放大，同時達到產業利用率的提升，對如何邁入已發展國家應具備的機電基礎設備開發，具有舉足輕重的影響力。
為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
本案將可由以下的實施例說明而得到充分瞭解，使得熟習本技藝之人士可以據以完成之，然本案之實施並非可由下列實施案例而被限制其實施型態；亦即，本發明的範圍不受已提出之實施例的限制，而應以本發明提出之申請專利範圍為準。
一個完全差動的放大器常用於將單端訊號轉換為差動訊號，這種放大器設計有三個必須特別考量之處：(1)單端訊號源的阻抗必須匹配(match)差動放大器的單端阻抗；(2)放大器的輸入必須保持在共模電壓限值範圍內；(3)必須將輸入訊號電壓轉換至位於期望的輸出共模電壓中央的訊號。
差動放大電路又叫差分電路，他不僅能有效的放大直流信號，而且能有效的減小由於電源波動和電晶體隨溫度變化多引起的零點漂移(zero drift)，因而獲得廣泛的應用。特別是大量的應用於集成運放(元件參數的一致性和對稱性好)電路，它常被用作多級放大器的前置級，其中，集成電路是把整個電路的各個元件以及相互之間的聯接同時製造在一塊半導體上，組成一個不可分的整體，特點為體積小、重量輕、功耗低、可靠性高及價格低。差動放大電路也稱差分放大電路，是一種對零點漂移具有很強抑制能力的基本放大電路，其中”零點漂移”現象為當直流放大電路輸入端不加信號時，由於溫度、電源電壓的變化或其它干擾而引起的各級工作點電位的緩慢變化，都會經過各級放大使末級輸出電壓偏離零值而上下移動。典型差動放大器，它市一種特殊的直接耦合(direct coupled)放大電路，其要求電路兩邊的元件完全對稱，及兩管型號相同、特性相同、各對應電阻值與各對應電流源相等。
根據上述構想，本案提出一種如第4圖所揭示之一高速全差動可變增益放大器40，包含主要一放大模組與一反饋模組，其中包含一第二電流源I42 與一第二NMOS 23被耦合至該放大模組，以形成一區域反饋迴路，如第4圖所示，並依據該輸入電壓與一回授信號所產生之一負向電壓位準以調整該輸出電壓。該差動放大器，包括：一第一PMOS 22，包括一第一閘極、一第一源極與一第一汲極，其中該第一源極連接於一第一電阻R41 之一第一端，該第一閘極用於接收一第一輸入訊號Vip ，而該第一汲極連接於一第二NMOS 23之一第二閘極與一第二電流源I42 ；以及一第一NMOS 33，包括該第二閘極、一第二源極與一第二汲極，其中該第二汲極連接於一第二PMOS 32之一第三源極與該第一電阻R41 之一第二端，而該第二源極用於輸出一第一輸出訊號Vop 並連接於一第三電阻R42 。
上述的差動放大器，還包括：該第二PMOS 32，包括一第三閘極、該第三源極與一第三汲極，其中該第三源極連接於該第一電阻R41 之該第二端，第三閘極用於接收一第二輸入訊號Vin ，該第三汲極連接於該第一NMOS 33之該第二閘極與相同於該第二電流源之一第四電流源I42’ ；以及一第二NMOS 23，包括一第四閘極、一第四源極與一第四汲極，其中該第四汲極連接於該第一PMOS 22之該第一源極與該第一電阻R41 之該第一端，該第四源極用於輸出一第二輸出訊號Von 並連接於一第二電阻R42 。
該反饋迴路會產生增加PMOS 22、23電晶體中的等效跨導值Gm ，從而降低該跨導值Gm 對該放大倍率的影響，使該放大倍率幾乎趨近於電阻比值R42 /(R41 /2)，其中須注意的是該電阻比值分母大小為該第一電阻R41 的一半。另外，其可在輸入端用一第三NMOS與一第四NMOS分別取代上述該第一PMOS 22與該第二PMOS 32而有相同的放大功能。
直接耦合電晶體電路中，常用差動放大器來控制工作點因溫度效應的漂移問題。另外在電子醫學方面、物理測量方面，都不斷地借助於差動放大器。
雖然本發明以已一較佳實施例揭露如上，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，當可作各種之變更和潤飾。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。
實施例：
1.一種差動放大器，包括：一放大模組，具一電阻比值，接收一輸入電壓，並根據該電阻比值而將該輸入電壓放大為一輸出電壓；以及一反饋模組，耦合於該放大模組並依據該輸入電壓與一回授信號所產生之一負向電壓位準以調整該輸出電壓。
2.如第1實施例所述的差動放大器，更包括：一第一PMOS，包括一第一閘極、一第一源極與一第一汲極，其中該第一源極連接於一第一電阻之一第一端，該第一閘極用於接收一第一輸入訊號，而該第一汲極連接於一第二NMOS之一第二閘極與一第二電流源；以及一第一NMOS，包括該第二閘極、一第二源極與一第二汲極，其中該第二汲極連接於一第二PMOS之一第三源極與該第一電阻之一第二端，而該第二源極用於輸出一第一輸出訊號並連接於一第三電阻，其中該放大模組更包括該第一PMOS、該第一電阻、該第三電阻與該第一NMOS，該反饋模組包括該第二NMOS與一第二電阻。
3.如第2實施例所述的差動放大器，更包括：該第二PMOS，包括一第三閘極、該第三源極與一第三汲極，其中該第三源極連接於該第一電阻之該第二端，該第三閘極用於接收一第二輸入訊號，該第三汲極連接於該第一NMOS之該第二閘極與相同於該第二電流源之一第四電流源；以及 一第二NMOS，包括一第四閘極、一第四源極與一第四汲極，其中該第四汲極連接於該第一PMOS之該第一源極與該第一電阻之該第一端，該第四源極用於輸出一第二輸出訊號並連接於該第二電阻，其中該放大模組更包括該第二PMOS、該第一電阻、該第二電阻與該第二NMOS，該反饋模組包括該第一NMOS與該第三電阻。
4.如第2或3實施例所述的差動放大器，其中該第二電流源與該第二NMOS構成該反饋模組，相同結構發生於該第四電流源與該第一NMOS。
5.如第2或3實施例所述的差動放大器，其中該第二電流源與該第四電流源，可保持該第二輸出訊號與該第一輸出訊號在相同的一操作點與相同的一操作動態範圍，其中該操作動態範圍為一電路能接受一輸入訊號以產生一輸出訊號的工作範圍。
6.如第5實施例所述的差動放大器，其中該第二電阻或該第三電阻與該第一電阻一半的比值定義為一放大倍率。
7.如第6實施例所述的差動放大器，其中該放大倍率會在該操作點與該動態範圍作線性變化。
8.如第2或3實施例所述的差動放大器，其可在輸入端用一第三NMOS與一第四NMOS分別取代上述該第一PMOS與該第二PMOS而有相同的放大功能。
9.一種差動放大器的控制方法，其中該放大器具一電阻比值，且包括一具一跨導值之PMOS與一耦合於該PMOS之一NMOS，包括：使該PMOS接收一輸入電壓並根據該電阻比值而將該輸入電壓放大為一輸出電壓；以及使該NMOS將該輸出電壓之一負向位準提供給該PMOS，並據以變動該跨導值。
10.如第9實施例所述的方法，其中一第二電流源與一第四電流源，可保持 一第二輸出訊號與一第一輸出訊號在相同的一操作點與相同的一操作動態範圍，其中該操作動態範圍為一電路能接受一輸入訊號以產生一輸出訊號的工作範圍。
11.如第10實施例所述的方法，其中一第二電阻或一第三電阻與一第一電阻一半的比值定義為一放大倍率。
12.如第11實施例所述的方法，其中該放大倍率會在該操作點與該動態範圍作線性變化。
13.如第9實施例所述的方法，其可在輸入端用一第三NMOS與一第四NMOS分別取代一第一PMOS與一第二PMOS而有相同的放大功能。
14.一種差動放大器，包括：一放大模組，接收一輸入電壓，並產生一輸出電壓；以及一回饋模組，接收該輸出電壓之一回授信號，以調整該輸出電壓至一預定值。
15.如第14實施例所述的差動放大器，其中一第二電流源與一第四電流源，可保持一第二輸出訊號與一第一輸出訊號在相同的一操作點與相同的一操作動態範圍，其中該操作動態範圍為一電路能接受一輸入訊號以產生一輸出訊號的工作範圍，其中該放大模組更包括一第一PMOS、一第二PMOS、一第一電阻、一第二電阻、一第三電阻、一第一NMOS與一第二NMOS，該反饋模組包括該第一NMOS、該第二NMOS、該第二電阻與該第三電阻。
16.如第15實施例所述的差動放大器，其中一第二電阻或一第三電阻與一第一電阻一半的比值定義為一放大倍率。
17.如第16實施例所述的差動放大器，其中該放大倍率會在該操作點與該動態範圍作線性變化。
18.如第14實施例所述的差動放大器，其可在輸入端用一第三NMOS與一第四NMOS分別取代一第一PMOS與一第二PMOS而有相同的放大功 能。
19.一種差動放大器控制方法，包括：因應一輸入訊號，產生一輸出訊號；根據該輸出訊號，產生一回授信號；以及因應該回授信號，調整該輸出訊號至一預定值。
20.如第19實施例所述的方法，其中一第二電流源與一第四電流源，可保持一第二輸出訊號與一第一輸出訊號在相同的一操作點與相同的一操作動態範圍，其中該操作動態範圍為一電路能接受一輸入訊號以產生一輸出訊號的工作範圍。
21.如第20實施例所述的方法，其中一第二電阻或一第三電阻與一第一電阻一半的比值定義為一放大倍率。
22.如第21實施例所述的方法，其中該放大倍率會在該操作點與該動態範圍作線性變化。
23.如第19實施例所述的方法，其可在輸入端用一第三NMOS與一第四NMOS分別取代一第一PMOS與一第二PMOS而有相同的放大功能。
以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，當不能以之限定本發明，本發明的保護範圍當視後附之申請專利範圍及其均等領域而定，即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應屬於本發明專利涵蓋之範圍內。
10‧‧‧全差動運算放大器
11‧‧‧運算放大器
12‧‧‧共模反饋電路(CMFB)
20‧‧‧電晶體差動放大器
22‧‧‧第一PMOS
23‧‧‧第二NMOS
30‧‧‧差動放大器加入電流源
32‧‧‧第二PMOS
33‧‧‧第一NMOS
40‧‧‧高速全差動可變增益放大器
R41 ‧‧‧第一電阻
R42 ‧‧‧第二電阻
R42’ ‧‧‧第三電阻
I41 ‧‧‧第一電流源
I42 ‧‧‧第二電流源
I41’ ‧‧‧第三電流源
I42’ ‧‧‧第四電流源
Vip ‧‧‧第一輸入訊號
Vin ‧‧‧第二輸入訊號
Vop ‧‧‧第一輸出訊號
Von ‧‧‧第二輸出訊號
第1圖為習知全差動運算放大器之示意圖。
第2圖為習知電晶體差動放大器之示意圖。
第3圖為習知電晶體差動放大器加入電流降低效應到Vop 與Von 之示意圖。
第4圖為本發明高速全差動可變增益放大器之示意圖
22．．．第一PMOS
23．．．第二NMOS
32．．．第二PMOS
33．．．第一NMOS
40．．．高速全差動可變增益放大器
R41 ．．．第一電阻
R42 ．．．第二電阻
R42’ ．．．第三電阻
I41 ．．．第一電流源
I42 ．．．第二電流源
I41’ ．．．第三電流源
I42’ ．．．第四電流源
Vip ．．．第一輸入訊號
Vin ．．．第二輸入訊號
Vop ．．．第一輸出訊號
Von ．．．第二輸出訊號

Claims (19)

  1. 一種差動放大器，包括：一放大模組，具一電阻比值，接收一輸入電壓，並根據該電阻比值而將該輸入電壓放大為一輸出電壓；一反饋模組，耦合於該放大模組並依據該輸入電壓與一回授信號所產生之一負向電壓位準以調整該輸出電壓；一第一PMOS，包括一第一閘極、一第一源極與一第一汲極，其中該第一源極連接於一第一電阻之一第一端，該第一閘極用於接收一第一輸入訊號，而該第一汲極連接於一第二NMOS之一第二閘極與一第二電流源；以及一第一NMOS，包括一第三閘極、一第三源極與一第三汲極，其中該第三汲極連接於一第二PMOS之一第四源極與該第一電阻之一第二端，而該第三源極用於輸出一第一輸出訊號並連接於一第三電阻，其中該放大模組更包括該第一PMOS、該第一電阻、該第三電阻與該第一NMOS，該反饋電路包括該第二NMOS與一第二電阻。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的差動放大器，其中：該第二PMOS，包括一第四閘極、該第四源極與一第四汲極，其中該第四源極連接於該第一電阻之該第二端，該第四閘極用於接收一第二輸入訊號，該第四汲極連接於該第一NMOS之該第三閘極與相同於該第二電流源之一第四電流源；以及該第二NMOS，包括該第二閘極、一第二源極與一第二汲極，其中該第二汲極連接於該第一PMOS之該第一源極與該第一電阻之該第一端，該第二源極用於輸出一第二輸出訊號並連接於一第二電阻，其中該放大模組更包括該第二PMOS、該第一電阻、該第二電阻與該第二NMOS，該反饋電路包括該第一NMOS與該第三電阻。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的差動放大器，其中該第二電流源 與該第二NMOS構成該反饋模組，相同結構發生於該第四電流源與該第一NMOS。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的差動放大器，其中該第二電流源與該第四電流源，可保持該第二輸出訊號與該第一輸出訊號在相同的一操作點與相同的一操作動態範圍，其中該操作動態範圍為一電路能接受一輸入訊號以產生一輸出訊號的工作範圍。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的差動放大器，其中該第二電阻或該第三電阻與該第一電阻一半的比值定義為一放大倍率。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的差動放大器，其中該放大倍率會在該操作點與該動態範圍作線性變化。
  7. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的差動放大器，其可在輸入端用一第三NMOS與一第四NMOS分別取代上述該第一PMOS與該第二PMOS而有相同的放大功能。
  8. 一種差動放大器的控制方法，其中該放大器具一電阻比值，且包括一第一電阻、一第二電阻、一第三電阻與一具一跨導值之PMOS與一耦合於該PMOS之一NMOS，包括：使該PMOS接收一輸入電壓並根據該電阻比值而將該輸入電壓放大為一輸出電壓，其中該第二電阻或該第三電阻與該第一電阻一半的比值定義為一放大倍率；以及使該NMOS將該輸出電壓之一負向位準提供給該PMOS，並據以變動該跨導值。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的方法，其中一第二電流源與一第四電流源，可保持一第二輸出訊號與一第一輸出訊號在相同的一操作點與相同的一操作動態範圍，其中該操作動態範圍為一電路能接受一輸入訊號以產生一輸出訊號的工作範圍。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的方法，其中該放大倍率會在該操作點與該 動態範圍作線性變化。
  11. 如申請專利範圍第8項所述的方法，其可在輸入端用一第三NMOS與一第四NMOS分別取代一第一PMOS與一第二PMOS而有相同的放大功能。
  12. 一種差動放大器，包括：一放大模組，接收一輸入電壓，並產生一輸出電壓，該放大模組更包括一第一PMOS、一第二PMOS、一第一電阻、一第二電阻與一第三電阻，其中該第二電阻或該第三電阻與該第一電阻一半的比值定義為一放大倍率；以及一回饋模組，接收該輸出電壓之一回授信號，以調整該輸出電壓至一預定值，更包括一第一NMOS與一第二NMOS。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的差動放大器，其中一第二電流源與一第四電流源，可保持一第二輸出訊號與一第一輸出訊號在相同的一操作點與相同的一操作動態範圍，其中該操作動態範圍為一電路能接受一輸入訊號以產生一輸出訊號的工作範圍。
  14. 如申請專利範圍第12項所述的差動放大器，其中該放大倍率會在該操作點與該動態範圍作線性變化。
  15. 如申請專利範圍第12項所述的差動放大器，其可在輸入端用一第三NMOS與一第四NMOS分別取代一第一PMOS與一第二PMOS而有相同的放大功能。
  16. 一種差動放大器控制方法，該差動放大器具有一第一電阻、一第二電阻與一第三電阻，該方法包括：因應一輸入訊號，產生一放大輸出訊號其中該第二電阻或該第三電阻與該第一電阻一半的比值定義為一放大倍率；根據該輸出訊號，產生一回授信號；以及因應該回授信號，調整該輸出訊號至一預定值。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的方法，其中一第二電流源與一第四電流源，可保持一第二輸出訊號與一第一輸出訊號在相同的一操作點與相同的一操作動態範圍，其中該操作動態範圍為一電路能接受一輸入訊號以產生一輸出訊號的工作範圍。
  18. 如申請專利範圍第16項所述的方法，其中該放大倍率會在該操作點與該動態範圍作線性變化。
  19. 如申請專利範圍第16項所述的方法，其可在輸入端用一第三NMOS與一第四NMOS分別取代一第一PMOS與一第二PMOS而有相同的放大功能。
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