TWI502881B - 放大器與其動態偏壓產生裝置 - Google Patents

放大器與其動態偏壓產生裝置 Download PDF

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放大器與其動態偏壓產生裝置
本發明是有關於一種放大器，且特別是有關於放大器的一種動態偏壓產生裝置與動態偏壓方法。
一般源極驅動晶片的類比電路區塊主要為數位類比轉換器和輸出緩衝器(放大器)，其中輸出緩衝器主要用於決定源極驅動晶片的功率消耗與驅動速度。
在可攜式電子產品的應用上，掃描頻率越來越高雖可得到較好的動態影像，卻也連帶提升了動態功率。而隨著掃描頻率的提高，輸出緩衝器可充放電的時間變短，因此必須提高其驅動能力以達到更快速的充放電效率。而要提高輸出緩衝器的驅動能力往往必須加大其靜態電流，如此會造成顯著的功率消耗增加而使電池壽命減短。
本發明提供一種動態偏壓方法以及應用其之放大器與動 態偏壓裝置，其利用此動態偏壓裝置偵測放大器的輸入級，並依據偵測結果改變輸入級的偏壓端的電壓以使驅動電流增大，以動態地提升放大器的驅動能力。
本發明的一種放大器包括輸入級、輸出級、偵測單元、動態偏壓產生單元以及切換單元。輸入級具有多個偏壓端，並依據這些偏壓端的電壓將放大器的輸入信號轉換為至少一電流信號。輸出級耦接至輸入級而接收上述電流信號，將所接收之電流信號轉換為放大器的輸出信號。偵測單元耦接至輸入級而偵測電流信號。動態偏壓產生單元耦接至輸入級，並依據電流信號對應產生多個偏壓電壓。切換單元耦接於動態偏壓產生單元的輸出端與輸入級的這些偏壓端之間，切換單元依據偵測單元的偵測結果動態決定動態偏壓產生單元的這些偏壓電壓與輸入級的這些偏壓端之間的連接關係。
本發明的一種動態偏壓產生裝置，用以提供多個偏壓電壓給放大器，此動態偏壓產生裝置包括偵測單元、動態偏壓產生單元以及切換單元。偵測單元耦接至放大器的輸入級，且偵測輸入級輸出至放大器的輸出級的多個電流信號。動態偏壓產生單元耦接至輸入級，以及依據這些電流信號對應產生多個偏壓電壓。切換單元耦接於動態偏壓產生單元的輸出端與輸入級的多個偏壓端之間，切換單元依據偵測單元的偵測結果動態決定動態偏壓產生單元的這些偏壓電壓與輸入級的這些偏壓端之間的連接關係。
本發明的一種放大器之動態偏壓方法。此放大器具有輸 入級與輸出級。輸入級依據多個偏壓端的電壓將放大器的輸入信號轉換為多個電流信號。輸出級將所接收的這些電流信號轉換為放大器的輸出信號。此動態偏壓方法包括：偵測輸入級的這些電流信號，以獲得偵測結果；依據這些電流信號對應產生多個偏壓電壓；以及依據偵測結果，動態決定這些偏壓電壓與輸入級的這些偏壓端之間的連接關係。
基於上述，本發明所提供的放大器可在輸入信號轉態時改變輸入級的偏壓端所接收的電壓以提高驅動電流，以增強放大器的驅動能力。相較於傳統增加靜態電流以達到增強驅動電流的方法，本發明只有在輸入信號轉態時改變輸入級的偏壓端的偏壓電壓，因此較可節省功率的消耗。
為讓本發明的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。
100、200‧‧‧放大器
110、210‧‧‧輸入級
120、220‧‧‧輸出級
130、230‧‧‧偵測單元
140、240‧‧‧動態偏壓產生單元
150、250‧‧‧切換單元
221~224‧‧‧電流鏡
251~254‧‧‧開關
CS1、CS2‧‧‧電流源
GND‧‧‧接地電壓
I1~I4‧‧‧電流
In1、In2‧‧‧輸入級之輸入端
INV、INV1、INV2‧‧‧反相器
M1~M14、M18、M19、Md1~Md8‧‧‧電晶體
M15、M16‧‧‧偵測電晶體
M17、M20‧‧‧偏壓電晶體
M21、M22‧‧‧輸出電晶體
R1‧‧‧充電區
R2‧‧‧放電區
S601~S603‧‧‧步驟
Tb1、Tb2‧‧‧輸入級之偏壓端
TC‧‧‧切換單元之輸入端
Tout‧‧‧輸出級之輸出端
V1、V2‧‧‧偏壓電壓
VA、VB、VD、VE‧‧‧節點電壓
Vb1、Vb2‧‧‧輸入級之偏壓端上之電壓
VC‧‧‧控制電壓
VDD‧‧‧電源電壓
Vin‧‧‧輸入信號
Vout‧‧‧輸出信號
圖1為依據本發明一實施例說明一種放大器的功能方塊示意圖。
圖2為依據本發明另一實施例說明放大器的電路示意圖。
圖3為依照本發明實施例說明圖2所示切換單元的電路示意圖。
圖4為依照本發明實施例說明圖2所示切換單元的電路示意 圖。
圖5是圖2之節點電壓變化示意圖。
圖6為依據本發明一實施例說明放大器的動態偏壓方法的流程圖。
在本案說明書全文(包括申請專利範圍)中所使用的「耦接」一詞可指任何直接或間接的連接手段。舉例而言，若文中描述第一裝置耦接於第二裝置，則應該被解釋成該第一裝置可以直接連接於該第二裝置，或者該第一裝置可以透過其他裝置或某種連接手段而間接地連接至該第二裝置。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟代表相同或類似部分。不同實施例中使用相同標號或使用相同用語的元件/構件/步驟可以相互參照相關說明。
圖1為依據本發明一實施例說明一種放大器100的功能方塊示意圖。請參照圖1，放大器100包括輸入級110、輸出級120、偵側單元130、動態偏壓產生單元140以及切換單元150。輸入級110具有偏壓端(例如Tb1、Tb2)以及輸入端。輸入級110的輸入端用以接收輸入信號Vin。輸入級110會依據偏壓端Tb1、Tb2上的電壓Vb1、Vb2，以將輸入信號Vin轉換為電流信號並輸出。輸出級120耦接至輸入級110以接收輸入級110的電流信號，並將此電流信號轉換為輸出信號Vout輸出。偵測單元130耦接至輸入級 110以偵測輸入級110所輸出的電流信號，然後將偵測結果傳送至切換單元150。動態偏壓產生單元140耦接至輸入級110，以接收輸入級110所輸出的電流信號。動態偏壓產生單元140依據電流信號對應產生偏壓電壓V1、V2。切換單元150耦接於動態偏壓產生單元140的輸出端以接收偏壓電壓V1、V2。切換單元150亦耦接於輸入級110的偏壓端Tb1、Tb2，以將偏壓電壓V1、V2提供至偏壓端Tb1、Tb2。切換單元150又耦接於偵測單元130，以接收偵測結果。切換單元150會依據偵測單元130的偵測結果決定偏壓電壓V1、V2與輸入級110的偏壓端Tb1、Tb2之間的連接關係。
當輸入信號Vin在穩態時，動態偏壓產生單元140與切換單元150控制放大器100操作在低靜態電流模式。例如，當輸入信號Vin處於靜態時，動態偏壓產生單元140所輸出的偏壓電壓V1、V2亦處於靜態。偏壓電壓V1、V2經由切換單元150被傳送至輸入級110的偏壓端Tb1、Tb2。例如，切換單元150將偏壓電壓V1傳送至輸入級110的偏壓端Tb1，而將偏壓電壓V2傳送至輸入級110的偏壓端Tb2。處於靜態的偏壓電壓V1、V2會使放大器100的輸入級電流處於低靜態電流模式。
當輸入信號Vin在轉態時，動態偏壓產生單元140與切換單元150控制放大器100操作在一高動態電流模式。例如，當輸入信號Vin由邏輯低準位電壓轉態為邏輯高準位電壓，或是邏輯高準位電壓轉態為邏輯低準位電壓時(亦即放大器100處於充電 狀態或是放電狀態時)，動態偏壓產生單元140所產生的偏壓電壓V1、V2會隨著輸入級110產生的電流信號而變化。例如，動態偏壓產生單元140可以對應地暫時拉升(或拉降)偏壓電壓V1、V2的準位。動態偏壓產生單元140會將偏壓電壓V1、V2傳送至切換單元150。
另一方面，偵測單元130可依據輸入級110產生的電流信號偵測出放大器100是處於充電狀態或是放電狀態，並將偵測結果輸入至切換單元150。依據偵測單元130的偵測結果，切換單元150對應地切換偏壓電壓V1、V2與輸入級110的偏壓端Tb1、Tb2之間的連接。例如，切換單元15可以將偏壓電壓V1的正脈衝傳送至輸入級110的偏壓端Tb1，以及將偏壓電壓V2的負脈衝傳送至輸入級110的偏壓端Tb2。又例如，切換單元15可以將偏壓電壓V2的正脈衝傳送至輸入級110的偏壓端Tb1，以及將偏壓電壓V1的負脈衝傳送至輸入級110的偏壓端Tb2。
經由切換單元150的切換後，不論放大器100是處於充電狀態或是放電狀態，動態偏壓產生單元140產生的偏壓電壓V1、V2可使輸入級110的驅動電流暫時增大，致使輸出級120所輸出信號Vout對負載充電/放電的速度增快。因此，不論放大器100是處於充電狀態或是放電狀態，放大器100都可因偏壓電壓V1、V2的動態調整而使驅動電流增加，以增強放大器100的驅動能力。在輸入信號Vin回復至靜態後，偏壓電壓V1、V2回復至靜態準位，因此輸入級110回復至低靜態電流模式，以減少放大器 100的功率消耗。
圖2為依據本發明另一實施例說明放大器200的電路示意圖。圖2雖以軌對軌式(rail-to-rail)輸出緩衝器(buffer)作為放大器100的實施例，然而本發明的實現方式不應以此為限。本領域之技術人員可以參照圖2所示實施利之教示而類推至其他類型放大器或緩衝器。圖2所示放大器200可以參照圖1所示放大器100的相關說明。請參照圖2，放大器200包括輸入級210、輸出級220、偵側單元230、動態偏壓產生單元240以及切換單元250。在圖2所示實施例中，放大器200的輸出端Tout被直接耦接至輸入端In1，以做為輸出緩衝器或單元增益放大器(unit gain amplifier)，然而本發明實施方式不以此為限。
圖2所示輸入級210可以參照圖1所示輸入級110的相關說明。輸入級210包括電晶體M1~M6，其中電晶體M1~M3為P通道金屬氧化物半導體(P-channel metal oxide semiconductor,PMOS)電晶體，電晶體M4~M6為N通道金屬氧化物半導體(N-channel metal oxide semiconductor,NMOS)電晶體。電晶體M1的第一端(例如源極)耦接至第一電壓(例如，在本實施例中第一電壓為電源電壓VDD)。電晶體M1的控制端(例如閘極)耦接至輸入級210的偏壓端Tb1。電晶體M2的第一端(例如源極)耦接至電晶體M1的第二端(例如汲極)。電晶體M2的第二端(例如汲極)耦接至輸出級220以提供電流信號的電流I1。電晶體M2的控制端(例如閘極)耦接至輸入級210的輸入端In1。電晶體M3的第一端(例 如源極)耦接至電晶體M1的汲極。電晶體M3的第二端(例如汲極)耦接至輸出級220以提供電流信號的電流I2。電晶體M3的控制端(例如閘極)耦接至輸入級210的輸入端In2以接收輸入信號Vin。
電晶體M4的第一端(例如汲極)耦接至輸出級220以提供電流信號的電流I3。電晶體M4的控制端(例如閘極)耦接至輸入級210的輸入端In1以及放大器200的輸出端Tout。電晶體M5的第一端(例如汲極)耦接至輸出級220以提供電流信號的電流I4。電晶體M5的控制端(例如閘極)耦接至輸入級210的輸入端In2。電晶體M6的第一端(例如汲極)耦接至電晶體M4的第二端(例如源極)與電晶體M5的第二端(例如源極)。電晶體M6的第二端(例如源極)耦接至第二電壓(例如，在本實施例中第二電壓為接地電壓GND)。電晶體M6的控制端(例如閘極)耦接至輸入級210的偏壓端Tb2。
圖2所示輸出級220可以參照圖1所示輸出級120的相關說明。輸出級220包括由PMOS電晶體M7與M8組成的電流鏡221、由PMOS電晶體M9與M10組成的電流鏡222、由NMOS電晶體M11與M12組成的電流鏡223由NMOS電晶體M13與M14組成的電流鏡224、PMOS電晶體M21以及NMOS電晶體M22。
電流鏡221的第一主端與第一僕端(電晶體M7、M8的源極)耦接電源電壓VDD。電流鏡221的第二主端(電晶體M7的汲極)耦接電晶體M4的汲極。電流鏡221的第二僕端(電晶體M8的 汲極)耦接電晶體M5的汲極。
電流鏡222的第一主端(電晶體M9的源極)耦接電晶體M7的汲極。電流鏡222的第一僕端(電晶體M10的源極)耦接至電晶體M8的汲極。
電流鏡223的第一主端(電晶體M11的汲極)耦接至電流鏡222的第二主端(電晶體M9的汲極)。電流鏡223的第一僕端(電晶體M12的汲極)耦接至電流鏡222的第二僕端(電晶體M10的汲極)。電流鏡223的第二主端(電晶體M11的源極)耦接至電晶體M2的汲極。電流鏡223的第二僕端(電晶體M12的源極)耦接至電晶體M3的汲極。
電流鏡224的第一主端(電晶體M13的汲極)耦接至電晶體M11的源極。電流鏡224的第一僕端(電晶體M14的汲極)耦接至電晶體M12的源極。電流鏡224的第二主端(電晶體M13的源極)與第二僕端(電晶體M14的源極)耦接至接地電壓GND。
輸出電晶體M21的第一端(例如源極)耦接至電源電壓VDD。輸出電晶體M21的第二端(例如汲極)耦接至放大器200的輸出端Tout，以提供輸出信號Vout。輸出電晶體M21的控制端(例如閘極)耦接至電晶體M8的汲極。
輸出電晶體M22的第一端(例如汲極)耦接至輸出電晶體M21的汲極。輸出電晶體M22的第二端(例如源極)耦接至接地電壓GND。輸出電晶體M22的控制端(例如閘極)耦接至電晶體M12的源極。
圖2所示偵側單元230可以參照圖1所示偵側單元130的相關說明。偵側單元230包括PMOS電晶體M15以及NMOS電晶體M16。偵測電晶體M15的第一端(例如源極)耦接至電源電壓VDD。偵測電晶體M15的第二端(例如汲極)耦接至切換單元250的控制端TC，以提供偵測單元230的偵測結果(即控制電壓VC)。偵測電晶體M15的控制端(例如閘極)耦接至電晶體M4的汲極。偵測電晶體M16的第一端(例如汲極)耦接至偵測電晶體M15的汲極。偵測電晶體M16的第二端(例如源極)耦接至接地電壓GND。偵測電晶體M16的控制端(例如閘極)耦接至電晶體M2的汲極。
圖2所示動態偏壓產生單元240可以參照圖1所示動態偏壓產生單元140的相關說明。動態偏壓產生單元240包括電流源CS1、電流源CS2、PMOS電晶體M17、由NMOS電晶體M18與M19組成的電流鏡以及NMOS電晶體M20。偏壓電晶體M17的第一端(例如源極)耦接至電源電壓VDD。偏壓電晶體M17的控制端(例如閘極)耦接至電晶體M4的汲極。由電晶體M18與M19組成的電流鏡的第一主端(電晶體M18的汲極)耦接至偏壓電晶體M17的第二端(例如汲極)。由電晶體M18與M19組成的電流鏡的第一僕端(電晶體M19的汲極)耦接至電流源CS1以提供偏壓電壓V1。由電晶體M18與M19組成的電流鏡的第二主端與第二僕端(電晶體M18、M19的源極)耦接至接地電壓GND。偏壓電晶體M20的第一端(例如汲極)耦接至電流源CS2以提供偏壓電壓V2。偏壓電晶體M20的控制端(例如閘極)耦接至電晶體M2的汲極。偏壓 電晶體M20的第二端(例如源極)耦接至接地電壓GND。
圖2所示切換單元250可以參照圖1所示切換單元150的相關說明。切換單元250的控制端TC接收偵測單元230的偵測結果(即控制電壓VC)，並根據控制電壓VC決定動態偏壓產生單元240所提供的偏壓電壓V1、V2與輸入級210的偏壓端Tb1、Tb2的連接關係。例如，當控制電壓VC為第一邏輯狀態(例如高電壓準位)時，偏壓電壓V1會作為電壓Vb1輸出至輸入級210的偏壓端Tb1，而偏壓電壓V2會作為電壓Vb2輸出至輸入級210的偏壓端Tb2；當控制電壓VC為第二邏輯狀態(例如低電壓準位)時，偏壓電壓V1會作為電壓Vb2輸出至輸入級210的偏壓端Tb2，而偏壓電壓V2會作為電壓Vb1輸出至輸入級210的偏壓端Tb1。任何具有上述操作行為的電路可被用來實現切換單元250。例如，圖2所示切換單元250的電路架構可參照圖3所繪示的電路架構或圖4所繪示的電路架構。
圖3為依照本發明實施例說明圖2所示切換單元250的電路示意圖。請參照圖3，切換單元250包括開關251~254以及反相器INV。反相器INV的輸入端耦接至偵測單元230以接收控制電壓VC，而反相器INV的輸出端輸出控制電壓VC的反相信號。
開關251的第一端耦接至動態偏壓產生單元240以接收偏壓電壓V1。開關251的第二端耦接至輸入級210的偏壓端Tb1以提供電壓Vb1。開關251的控制端耦接至偵測單元230以接收偵測結果(即控制電壓VC)。於本實施例中，例如，當控制電壓VC 為邏輯高電壓準位時，開關251會導通，使偏壓電壓V1作為電壓Vb1輸出至輸入級210的偏壓端Tb1。
開關252的第一端耦接至動態偏壓產生單元240以接收偏壓電壓V2。開關252的第二端耦接至輸入級210的偏壓端Tb2以提供電壓Vb2。開關252的控制端耦接至偵測單元230以接收偵測結果(即控制電壓VC)。於本實施例中，例如，當控制電壓VC為邏輯高電壓準位時，開關252會導通，使偏壓電壓V2作為電壓Vb2輸出至輸入級210的偏壓端Tb2。
開關253的第一端耦接至動態偏壓產生單元240以接收偏壓電壓V2。開關253的第二端耦接至輸入級210的偏壓端Tb1以提供電壓Vb1。開關253的控制端耦接至反相器INV的輸出端，以接收控制電壓VC的反相信號。於本實施例中，例如，當控制電壓VC的反相信號為邏輯高電壓準位(亦即控制電壓VC為邏輯低電壓準位)時，開關253會導通，使偏壓電壓V2作為電壓Vb1輸出至輸入級210的偏壓端Tb1。
開關254的第一端耦接至動態偏壓產生單元240以接收偏壓電壓V1。開關254的第二端耦接至輸入級210的偏壓端Tb2以提供電壓Vb2。開關253的控制端耦接至反相器INV的輸出端，以接收控制電壓VC的反相信號。於本實施例中，例如，當控制電壓VC的反相信號為邏輯高電壓準位時，開關254會導通，使偏壓電壓V1作為電壓Vb2輸出至輸入級210的偏壓端Tb2。
圖4為依照本發明實施例說明圖2所示切換單元250的 電路示意圖。請參照圖4，切換單元250包括NMOS電晶體Md1、NMOS電晶體Md3、NMOS電晶體Md5、NMOS電晶體Md7、PMOS電晶體Md2、PMOS電晶體Md4、PMOS電晶體Md6、PMOS電晶體Md8以及反相器INV1、INV2。反相器INV1與反相器INV2的輸入端耦接至偵測單元230以接收偵測單元230的偵測結果(即控制電壓VC)，而反相器INV1與反相器INV2的輸出端輸出控制電壓VC的反相信號。
電晶體Md1的汲極以及電晶體Md2的源極與動態偏壓產生單元240耦接以接收偏壓電壓V1。電晶體Md1的源極以及電晶體Md2的汲極與輸入級210的偏壓端Tb1耦接以提供電壓Vb1。電晶體Md1的閘極耦接偵測單元230以接收偵測結果(即控制電壓VC)。電晶體Md2的閘極耦接反相器INV1的輸出端，以接收控制電壓VC的反相信號。因此，當控制電壓VC為邏輯高電壓準位時，電晶體Md1、Md2皆為導通以使偏壓電壓V1作為電壓Vb1輸出至輸入級210的偏壓端Tb1。當控制電壓VC為邏輯低電壓準位時，電晶體Md1、Md2皆為斷開。
電晶體Md3的汲極以及電晶體Md4的源極與動態偏壓產生單元240耦接以接收偏壓電壓V2。電晶體Md3的源極以及電晶體Md4的汲極與輸入級210的偏壓端Tb2耦接以提供電壓Vb2。電晶體Md3的閘極耦接偵測單元230以接收偵測結果(即控制電壓VC)。電晶體Md4的閘極耦接反相器INV2的輸出端以接收控制電壓VC的反相信號。因此，當控制電壓VC為邏輯高電壓準位時， 電晶體Md3、Md4皆為導通，以使偏壓電壓V2作為電壓Vb2輸出至輸入級210的偏壓端Tb2。當控制電壓VC為邏輯低電壓準位時，電晶體Md3、Md4皆為斷開。
電晶體Md5的汲極以及電晶體Md6的源極與動態偏壓產生單元240耦接以接收偏壓電壓V2。電晶體Md5的源極以及電晶體Md6的汲極與輸入級210的偏壓端Tb1耦接以提供電壓Vb1。電晶體Md6的閘極耦接偵測單元230以接收偵測結果(即控制電壓VC)。電晶體Md5的閘極耦接反相器INV1的輸出端，以接收控制電壓VC的反相信號。因此，當控制電壓VC為邏輯低電壓準位時，電晶體Md5、Md6皆為導通以使偏壓電壓V2作為電壓Vb1輸出至輸入級210的偏壓端Tb1。當控制電壓VC為邏輯高電壓準位時，電晶體Md5、Md6皆為斷開。
電晶體Md7的汲極以及電晶體Md8的源極與動態偏壓產生單元240耦接以接收偏壓電壓V1。電晶體Md7的源極以及電晶體Md8的汲極與輸入級210的偏壓端Tb2耦接以提供電壓Vb2。電晶體Md8的閘極耦接偵測單元230以接收偵測結果(即控制電壓VC)。電晶體Md7的閘極耦接反相器INV2的輸出端，以接收控制電壓VC的反相信號。因此，當控制電壓VC為邏輯低電壓準位時，電晶體Md7、Md8皆為導通，以使偏壓電壓V1作為電壓Vb2輸出至輸入級210的偏壓端Tb2。當控制電壓VC為邏輯高電壓準位時，電晶體Md7、Md8皆為斷開。
圖5為圖2所繪示之放大器200中的節點電壓變化示意 圖。以下說明可以同時參照圖2與圖5。請先參照圖5中的充電區R1，當輸入信號Vin由邏輯低準位電壓轉態為邏輯高準位電壓時，電晶體M5的電流I4因其閘極電壓增大而增強。由於電流I4增強，因此流經電晶體M4的電流I3減少，電晶體M7的電流也因此減少。因電晶體M7的電流減少，電晶體M7的閘極的電壓VA與電源電壓VDD之間的電壓差亦隨之減少，因此電壓VA增加。電晶體M8的電流因其閘極的電壓VA增加而減少，這代表電晶體M8將其汲極的電壓準位拉向電源電壓VDD的能力減弱，致使電晶體M8的汲極的電壓VB減少。減少的電壓VB會使電晶體M21導通。另一方面，電晶體M17的電流因電壓VA增加而減少，如此亦使電晶體M18、電晶體M19的電流減少。電晶體M19的電流減少代表電晶體M19將汲極的電壓準位拉向接地電壓GND的能力減弱，因此電晶體M19的汲極的電壓即偏壓電壓V1會增加。
而在同一時間，電晶體M3的電流I2因閘極電壓增大而減少。因電流I2減少，電晶體M2的電流I1因此增加，進而使流經電晶體M13的電流增加。電晶體M13的電流增加使電晶體M13的閘極電壓VE增加，進而使電晶體M14的電流增強。電晶體M14的電流增強代表電晶體M14將其汲極的電壓VD的電壓準位拉向接地電壓GND的能力增強，電壓VD因此而減少。減少的電壓VD會使電晶體M22斷開。另一方面，電晶體M20的電流因電壓VE增加而增強，這代表電晶體M20將其汲極的電壓拉向接地電壓GND的能力增強，因此電晶體M20的汲極的電壓亦即偏壓電 壓V2會降低。
此時，電晶體M15的電流隨電壓VA增加而減少，電晶體M16的電流隨電壓VE增加而增加，因此切換單元250的控制端TC的控制電壓VC的電壓準位會因放電而下降。如同前述，在當控制電壓VC為邏輯低電壓準位時，切換單元250會使偏壓電壓V1輸出至偏壓端Tb2，使偏壓電壓V2輸出至偏壓端Tb1。此時偏壓電壓V1增加且偏壓電壓V2減少，因此會使電晶體M1以及電晶體M6的電流加大，而使放大器200的驅動能力增強。
接下來請參照圖5中的放電區R2，當輸入信號Vin由邏輯高準位電壓轉態為邏輯低準位電壓時，此時電晶體M5因閘極電壓減少而使電流I4減少。因電流I4減少，使得電晶體M4的電流I3增強，使電晶體M7的電流也增強，因此使電晶體M7的閘極的電壓VA減少。此時電晶體M8的電流也因其閘極的電壓VA減少而增加，代表電晶體M8將其汲極電壓拉向電源電壓VDD的能力增強，因此電壓VB增加。增加的電壓VB會使電晶體M21斷開。另一方面，電晶體M17的電流因電壓VA減少而增加，電晶體M19的電流因此增加，這代表電晶體M19將其汲極的電壓拉向接地電壓GND的能力增強，因此電晶體M19的汲極的電壓亦即偏壓電壓V1會降低。
在同一時間，因輸入信號Vin轉為邏輯低準位電壓，電晶體M3的閘極電壓因此減少而使電流I2增強。因電流I2增強，電晶體M2的電流I1減少並使流經電晶體M13的電流減少。電晶 體M13的電流減少使其閘極的電壓VE減少，導致電晶體M14的電流減少。電晶體M14的電流減少代表電晶體M14將其汲極電壓拉向接地電壓GND的能力減弱，電壓VD因此增加。增加的電壓VD使電晶體M22導通。另一方面，電晶體M20的電流因電壓VE減少而減少，代表電晶體M20將其汲極的電壓拉向接地電壓GND的能力減弱，因此電晶體M20的汲極的電壓(亦即偏壓電壓V2)會增加。
此時，電晶體M15的電流隨電壓VA減少而增加，電晶體M16的電流隨電壓VE減少而減少，因此切換單元250的控制端TC的控制電壓VC的電壓準位會因受到充電而上升。如同前述，切換單元250在當控制電壓VC為邏輯高電壓準位時，會使偏壓電壓V1輸出至偏壓端Tb1，並使偏壓電壓V2輸出至偏壓端Tb2。此時偏壓電壓V1減少且偏壓電壓V2增加，因此會使電晶體M1以及電晶體M6的電流加大，而使放大器200的驅動能力增強。
另外，在輸入信號Vin處於穩態時，因電晶體M15的通道寬長比相對於電晶體M7、M8較大，且電晶體M16的通道寬長比相對於電晶體M13、M14較小，因此流經電晶體M15的電流會大於流經電晶體M16的電流而使控制電壓VC因受到充電而為邏輯高電壓準位。因此，在輸入信號處於穩態時，切換單元250會維持將偏壓電壓V1提供至偏壓端Td1且偏壓電壓V2提供至偏壓端Td2的狀態。而且，由於輸入信號Vin處於穩態，所以偏壓電 壓V1、V2都會是穩定的電壓位準，因此可使放大器200的電流處於不變的穩定狀態(例如低靜態電流模式)。
圖6為依據本發明一實施例說明放大器的動態偏壓方法的流程圖。在此說明上述諸實施例之動態偏壓方法。其中，放大器100(或200)具有輸入級110(或210)與輸出級120(或220)。輸入級110(或210)依據多個偏壓端(例如Td1與Td2)的電壓將放大器100(或200)的輸入信號Vin轉換為多個電流信號(例如I1與I3)。輸出級120(或220)將所接收之這些電流信號轉換為放大器100(或200)的輸出信號Vout。如圖6所示，在步驟S601中，偵測輸入級110(或210)的多個電流信號(例如I1與I3)，以獲得偵測結果。在步驟S602中，依據這些電流信號對應產生多個偏壓電壓(例如V1與V2)。在步驟S603中，依據偵測結果，動態決定這些偏壓電壓(例如V1與V2)與輸入級110(或210)的這些偏壓端(例如Td1與Td2)之間的連接關係。
綜上所述，本發明實施例所提供的放大器在輸入信號轉態時，其中的切換單元皆可利用因輸入信號而產生變化的偏壓電壓以改變輸入端的偏壓端的電壓以提高驅動電流。因此不論在放大器是處於充電狀態或是放電狀態時，放大器的驅動電流皆會增加。且在輸入信號處於靜態時，切換單元可使放大器的驅動電流處於低靜態電流模式。相較於傳統增加靜態電流以達到增強驅動電流的方法，本發明實施例所提供的放大器以及動態偏壓方法較可節省功率的消耗。
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，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧放大器
110‧‧‧輸入級
120‧‧‧輸出級
130‧‧‧偵測單元
140‧‧‧動態偏壓產生單元
150‧‧‧切換單元
Tb1、Tb2‧‧‧輸入級之偏壓端
V1、V2‧‧‧動態偏壓產生單元產生之偏壓電壓
Vb1、Vb2‧‧‧輸入級之偏壓端上之電壓
Vin‧‧‧輸入信號
Vout‧‧‧輸出信號

Claims (12)

  1. 一種放大器，包括：一輸入級，具有多個偏壓端，該輸入級依據該些偏壓端的電壓將該放大器的一輸入信號轉換為至少一電流信號；一輸出級，耦接至該輸入級而接收該電流信號，將所接收之該電流信號轉換為該放大器的一輸出信號；一偵測單元，耦接至該輸入級而偵測該電流信號；一動態偏壓產生單元，耦接至該輸入級，以及依據該電流信號對應產生多個偏壓電壓；以及一切換單元，耦接於該動態偏壓產生單元的輸出端與該輸入級的該些偏壓端之間，該切換單元依據該偵測單元的偵測結果動態決定該動態偏壓產生單元的該些偏壓電壓與該輸入級的該些偏壓端之間的連接關係。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之放大器，其中該動態偏壓產生單元與該切換單元依據該偵測單元的偵測結果產生並調整該輸入級的該些偏壓端的電壓，使得當該輸入信號在穩態時控制該放大器操作在一低靜態電流模式，以及當該輸入信號在轉態時控制該放大器操作在一高動態電流模式。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之放大器，其中該輸入級包括：一第一電晶體，其第一端耦接至一第一電壓，該第一電晶體的控制端耦接至該輸入級的該些偏壓端的一第一偏壓端；一第二電晶體，其第一端耦接至該第一電晶體的第二端，該 第二電晶體的第二端耦接至該輸出級以提供該電流信號的一第一電流，該第二電晶體的控制端耦接至該輸入級的一第一輸入端；一第三電晶體，其第一端耦接至該第一電晶體的第二端，該第三電晶體的第二端耦接至該輸出級以提供該電流信號的一第二電流，該第三電晶體的控制端耦接至該輸入級的一第二輸入端；一第四電晶體，其第一端耦接至該輸出級以提供該電流信號的一第三電流，該第四電晶體的控制端耦接至該輸入級的該第一輸入端；一第五電晶體，其第一端耦接至該輸出級以提供該電流信號的一第四電流，該第五電晶體的控制端耦接至該輸入級的該第二輸入端；以及一第六電晶體，其第一端耦接至該第四電晶體的第二端與該第五電晶體的第二端，該第六電晶體的第二端耦接至一第二電壓，該第六電晶體的控制端耦接至該輸入級的該些偏壓端的一第二偏壓端。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之放大器，其中該輸出級包括：一第一電流鏡，其第一主端與第一僕端耦接至該第一電壓，該第一電流鏡的第二主端耦接至該第四電晶體的第一端，該第一電流鏡的第二僕端耦接至該第五電晶體的第一端；一第二電流鏡，其第一主端耦接至該第一電流鏡的第二主端，該第二電流鏡的第一僕端耦接至該第一電流鏡的第二僕端；一第三電流鏡，其第一主端耦接至該第二電流鏡的第二主 端，該第三電流鏡的第一僕端耦接至該第二電流鏡的第二僕端，該第三電流鏡的第二主端耦接至該第二電晶體的第二端，該第三電流鏡的第二僕端耦接至該第三電晶體的第二端；一第四電流鏡，其第一主端耦接至該第三電流鏡的第二主端，該第四電流鏡的第一僕端耦接至該第三電流鏡的第二僕端，該第四電流鏡的第二主端與第二僕端耦接至該第二電壓；第一輸出電晶體，其第一端耦接至該第一電壓，該第一輸出電晶體的第二端耦接至該放大器的輸出端以提供該輸出信號，該第一輸出電晶體的控制端耦接至該第一電流鏡的第二僕端；以及第二輸出電晶體，其第一端耦接至該第一輸出電晶體的第二端，該第二輸出電晶體的第二端耦接至該第二電壓，該第二輸出電晶體的控制端耦接至該第三電流鏡的第二僕端。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之放大器，其中該偵測單元包括：一第一偵測電晶體，其第一端耦接至該第一電壓，該第一偵測電晶體的第二端耦接至該切換單元的控制端以提供該偵測單元的偵測結果，該第一偵測電晶體的控制端耦接至該第四電晶體的第一端；以及一第二偵測電晶體，其第一端耦接至該第一偵測電晶體的第二端，該第二偵測電晶體的第二端耦接至該第二電壓，該第二偵測電晶體的控制端耦接至該第二電晶體的第二端。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之放大器，其中該動態偏壓產 生單元包括：一第一電流源；一第二電流源；一第一偏壓電晶體，其第一端耦接至該第一電壓，該第一偏壓電晶體的控制端耦接至該第四電晶體的第一端；一電流鏡，其第一主端耦接至該第一偏壓電晶體的第二端，該電流鏡的第一僕端耦接至該第一電流源以及提供該些偏壓電壓的一第一偏壓電壓，該電流鏡的第二主端與第二僕端耦接至該第二電壓；以及一第二偏壓電晶體，其第一端耦接至該第二電流源以及提供該些偏壓電壓的一第二偏壓電壓，該第二偏壓電晶體的第二端耦接至該第二電壓，該第二偏壓電晶體的控制端耦接至該第二電晶體的第二端。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之放大器，其中該切換單元包括：一反相器，其輸入端耦接至該偵測單元以接收該偵測單元的偵測結果，並輸出該偵測結果之反相信號；一第一開關，其第一端耦接至該動態偏壓產生單元以接收該些偏壓電壓的一第一偏壓電壓，該第一開關的第二端耦接至該輸入級的該些偏壓端的該第一偏壓端，該第一開關的控制端耦接至該偵測單元以接收該偵測單元的偵測結果；一第二開關，其第一端耦接至該動態偏壓產生單元以接收該 些偏壓電壓的一第二偏壓電壓，該第二開關的第二端耦接至該輸入級的該些偏壓端的該第二偏壓端，該第二開關的控制端耦接至該偵測單元以接收該偵測單元的偵測結果；一第三開關，其第一端耦接至該動態偏壓產生單元以接收該第二偏壓電壓，該第三開關的第二端耦接至該輸入級的該第一偏壓端，該第三開關的控制端耦接至該反相器之輸出端以接收該偵測單元的偵測結果的反相信號；以及一第四開關，其第一端耦接至該動態偏壓產生單元以接收該第一偏壓電壓，該第四開關的第二端耦接至該輸入級的該第二偏壓端，該第四開關的控制端耦接至該反相器之輸出端以接收該偵測單元的偵測結果的反相信號。
  8. 一種動態偏壓產生裝置，用以提供多個偏壓電壓給一放大器，該動態偏壓產生裝置包括：一偵測單元，耦接至該放大器的一輸入級，且偵測該輸入級輸出至該放大器的一輸出級的多個電流信號；一動態偏壓產生單元，耦接至該輸入級，以及依據該些電流信號對應產生多個偏壓電壓；以及一切換單元，耦接於該動態偏壓產生單元的輸出端與該輸入級的多個偏壓端之間，該切換單元依據該偵測單元的偵測結果動態決定該動態偏壓產生單元的該些偏壓電壓與該輸入級的該些偏壓端之間的連接關係。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之動態偏壓產生裝置，其中該 動態偏壓產生單元與該切換單元依據該偵測單元的偵測結果產生並調整該輸入級的該些偏壓端的電壓，使得當該放大器的輸入信號在穩態時控制該放大器操作在一低靜態電流模式，以及當該放大器的輸入信號在轉態時控制該放大器操作在一高動態電流模式。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之動態偏壓產生裝置，其中該偵測單元包括：一第一偵測電晶體，其第一端耦接至一第一電壓，該第一偵測電晶體的第二端耦接至該切換單元的控制端以提供該偵測單元的偵測結果，該第一偵測電晶體的控制端耦接至該輸入級以偵測該些電流信號其中之一；以及一第二偵測電晶體，其第一端耦接至該第一偵測電晶體的第二端，該第二偵測電晶體的第二端耦接至一第二電壓，該第二偵測電晶體的控制端耦接至該輸入級以偵測該些電流信號其中之另一。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之動態偏壓產生裝置，其中該動態偏壓產生單元包括：一第一電流源；一第二電流源；一第一偏壓電晶體，其第一端耦接至一第一電壓，該第一偏壓電晶體的控制端耦接至該輸入級以偵測該些電流信號其中之一； 一電流鏡，其第一主端耦接至該第一偏壓電晶體的第二端，該電流鏡的第一僕端耦接至該第一電流源以及提供該些偏壓電壓的一第一偏壓電壓，該電流鏡的第二主端與第二僕端耦接至一第二電壓；以及一第二偏壓電晶體，其第一端耦接至該第二電流源以及提供該些偏壓電壓的一第二偏壓電壓，該第二偏壓電晶體的第二端耦接至該第二電壓，該第二偏壓電晶體的控制端耦接至該輸入級以偵測該些電流信號其中之另一。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之動態偏壓產生裝置，其中該切換單元包括：一反相器，其輸入端耦接至該偵測單元以接收該偵測單元的偵測結果，並輸出該偵測結果之反相信號；一第一開關，其第一端耦接至該動態偏壓產生單元以接收該些偏壓電壓的一第一偏壓電壓，該第一開關的第二端耦接至該輸入級的該些偏壓端的一第一偏壓端，該第一開關的控制端耦接至該偵測單元以接收該偵測單元的偵測結果；一第二開關，其第一端耦接至該動態偏壓產生單元以接收該些偏壓電壓的一第二偏壓電壓，該第二開關的第二端耦接至該輸入級的該些偏壓端的該第二偏壓端，該第二開關的控制端耦接至該偵測單元以接收該偵測單元的偵測結果；一第三開關，其第一端耦接至該動態偏壓產生單元以接收該第二偏壓電壓，該第三開關的第二端耦接至該輸入級的該第一偏 壓端，該第三開關的控制端耦接至該反相器之輸出端以接收該偵測單元的偵測結果的反相信號；以及一第四開關，其第一端耦接至該動態偏壓產生單元以接收該第一偏壓電壓，該第四開關的第二端耦接至該輸入級的該第二偏壓端，該第四開關的控制端耦接至該反相器之輸出端以接收該偵測單元的偵測結果的反相信號。
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