TWI535196B - 放大器及其操作方法 - Google Patents

Description

放大器及其操作方法

本發明係關於用於內部低壓降(LDO)電路的AB類放大器。特定而言，其係關於改良AB類放大器輸出級之電力供應範圍。

AB類放大器一般具有一互補對之推挽配置，其中分別由推挽對之一者個別放大輸入信號之各半部。在一些設計中，為減少兩個分離放大半部之間的失真，兩個推挽對從不完全關閉而是經設計為即使不放大輸入信號時亦具有一些電流流動。推挽配置之恆定供電係藉由建立兩個放大半部之一重疊而減少放大信號的失真。然而，此技術需要恆定電力供應，且因此一般認為AB類放大器設計電力效率低。

連同有效電力消耗一起，AB類放大器設計者亦考慮突波補償。突波表示在一放大器之一輸出終端之電壓的一突然改變(即使一輸入電壓保持不變)。例如在放大器輸出處之一負載阻抗突然改變時可出現突波。為補償突波，可在放大器輸出處放置電容器。然而，定位於放大器輸出處之一電容器必須相對大以便具有足夠電荷來補償突波，因此電容器可能佔據電路板上之大量空間。

另一選項為將放大信號之主極定位於中間級且在輸出級具有一補償放大器以補償突波。例如，圖1係一已知放大器系統100之一方塊圖。系統100包含一第一放大器110及提供突波補償的一補償放大器120。

然而，補償放大器通常需要大電力供應電壓以對突波作出反應。例如，圖2係需要一大供應電壓V_DD的一已知補償放大器120之一電路圖。補償放大器120包含兩個推挽電晶體M1、M2，其等兩者經耦接至輸出V_out。補償放大器120亦包含一輸入電晶體M3，其經耦接至輸入信號V_Intermediate、輸出信號V_out及一電流模式放大器210。電流模式放大器210包含一二極體連接型電晶體M5及電晶體M4。電流模式放大器210之輸入經耦接至第二推挽電晶體M2及另一二極體連接型電晶體M5'。由於M5與M5'經串聯耦接，V_DD必須至少大於各個電晶體電壓臨限值V_TH之總和，該臨限值V_TH為開啟電晶體所需要之電壓加上電流源I2之某一餘裕量。兩個級聯式二極體連接型電晶體M5、M5'使補償放大器120需要一大供應電壓因此將電路應用限制於高電力供應。相應地，在此項技術中需要以低電力供應操作的快速反應AB類輸出級。

本發明之實施例提供一放大器，其包含：一第一推挽系統，其經連接至一輸出終端且包含耦接至該輸出終端的一第一驅動電晶體；及一第二推挽系統，其經連接至該輸出終端且包含耦接至該輸出終端的一第二驅動電晶體。該放大器亦包含一電流模式放大器，其中該電流模式放大器之輸出經耦接至該第一驅動電晶體之閘極。該放大器進一步包含一對電阻器，一第一電阻器經耦接至該電流模式放大器之一第一輸入終端，一第二電阻器經耦接至該電流模式放大器之一第二輸入終端並且經耦接至該第二驅動電晶體。

本發明之實施例提供一放大器，其包含：一輸入電晶體，其經耦接至一放大器輸入及一放大器輸出；及一第一電流源，其經耦接至該輸入電晶體。該放大器亦包含：一第一推挽電晶體，其經耦接至該放大器輸出；及一第二推挽電晶體，其經耦接至該放大器輸出。該放大器進一步包含一電流模式放大器，其經耦接至一對電阻器及該第一推挽電晶體，其中一第一電阻器經耦接至該電流模式放大器之一第一終端且一第二電阻器經耦接至該電流模式放大器之一第二終端，且其中該第二電阻器進一步經耦接至該第二推挽電晶體。

圖3係根據本發明之一實施例的一AB類放大器系統300之一方塊圖。系統300可包含一第一放大器310，其於一非反相終端接收一輸入信號V_in。第一放大器310可為在放大器系統100中提供總體增益之大多數的一高增益放大器。第一放大器310可用定位於V_Intermediate之主極產生一輸出信號V_Intermediate。第一放大器310之輸出可經耦接至一補償電容器C_Comp及一輸出級放大器320以產生最終輸出信號V_out。增益電阻器330、340可經耦接至第一放大器110之反相終端及輸出級放大器320之輸出。輸出級放大器320可為補償系統300中之突波的一快速操作放大器。

圖4係根據本發明之一實施例的輸出級放大器320之一電路圖。輸出級放大器320可包含一第一推挽裝置410及一第二推挽裝置420。兩個推挽裝置410、420可彼此互補且兩者可經耦接至V_out。第一推挽裝置410可包含一驅動電晶體M1，其中M1可經耦接至V_out。第一推挽裝置410亦可經連接至一參考供應電壓V_DD。

第二推挽裝置420可包含一驅動電晶體M2，其中M2可經耦接至V_out。第二推挽裝置420亦可包含耦接至M2的一電阻器R2。第二推挽裝置420可經連接至一參考接地電壓GND。

輸出級放大器320亦可包含一電流模式放大器430。電流模式放大器430可包含一二極體連接型電晶體M5及電晶體M4。如圖4中展示，電流模式放大器430之輸出可經耦接至電流源I2、I3及驅動電晶體M1以提供電流提升能力。在另一實施例中，電流模式放大器430可包含電流源I2、I3。

輸出級放大器320可進一步包含耦接至電流模式放大器430輸入之兩個電阻器R1、R2。R1可經耦接至M5，而R2可經耦接至M4。為操縱電路中之電流，R1可大於R2。例如，R1可為R2兩倍大或者R1可為R2十倍大。由於節點N_A及N_B處電流模式放大器之輸入處之電壓可一直相同，因此跨電阻器R1、R2之對應電壓降可為相同。因此，流過電阻器之電流可取決於電阻器R1、R2之大小。在另一實施例中，電阻器R1、R2可為相同值而電流源I2、I3可經設定為不同值以操縱電流。

輸出級放大器320亦可包含可接收V_Intermediate的一輸入電晶體M3。M3亦可經耦接至V_out及一電流源I1。在節點N_C，由於M2之閘極可經耦接至節點N_C，M3與I1之間的電流可驅動M2。在另一實施例中，可用電阻器代替電流源I1、I2及I3。另外，在另一實施例中，電流源I1、I2及I3可並聯地各自耦接至一電阻器。

如圖4中展示，供應電壓V_DD僅需要足夠大以驅動電流模式放大器430並且跨電阻器R1供應一電壓降。可藉由在M5之閘極處供應大於臨限值電壓V_TH的一電壓而驅動電流模式放大器430，M5之閘極可經耦接至V_DD。因此，M5可為在連接V_DD至接地之一電流路徑中的唯一二極體連接型電晶體。相應地，當跨電阻器R1之電壓降小於V_TH時，則V_DD可小於2V_TH。因此，輸出級放大器320可在比先前系統低得多的供應電壓上操作。

在正常操作中，M1及M2可一直為開啟。即使在任一電晶體皆不放大輸入信號時，此電晶體亦可引導一些電流流動以快速對突波作出反應。在V_out突然改變狀態時可能出現一突波。例如，V_out可經耦接至可產生一正或負突波的一數位區塊。

圖5係對突波作出反應的一電路操作500之一簡化流程圖。電路操作500可包含偵測輸出級處之突波(方塊510)。電路操作500可檢查突波為一正突波或負突波(方塊520)。若突波為一負突波，則可執行補償負突波之電流提升操作(方塊530)。相反，若突波為一正突波，則可執行補償正突波之電流提升操作(方塊540)。電流提升操作可持續長達突波之持續時間並且可在突波結束而輸出級放大器320可返回至正常操作時停止。

圖6中進一步描述根據本發明之一實施例的一負突波之電流提升操作。在一負突波期間，V_out可能下降(方塊610)。由於V_out經耦接至M3之源極節點，當V_out下降時M3可關閉(方塊620)。因為I1經耦接至M3，M3關閉可引起I1下拉其在節點N_C處之電壓(方塊630)。由於M2之閘極係由節點N_C之下拉電壓驅動，M2可完全關閉(方塊640)。在M2完全關閉之情況下，M4可引導更多電流(方塊650)。可將電流I_R2提升至變為大於I3的一點。當I_R2變得大於I3時，提升電流可流動至M1之閘極而引起M1引導更多電流(方塊660)。在M2完全關閉且M1引導更多電流之情況下，M1將電壓推至V_out，藉此補償負突波。

圖7中進一步描述根據本發明之一實施例的一正突波之電流提升操作。在一正突波期間，V_out可突然增加(方塊710)。由於V_out經耦接至M3之源極節點，M3可增加其電流流動而上推節點N_C之電壓(方塊720及方塊730)。由於M2之閘極係由節點N_C之上推電壓驅動，因此M2可引導更多電流(方塊740)。在M2引導更多電流之情況下，跨R2之電壓降可增加，此引起M4完全關閉(方塊750)。對應地，I3可上拉M1之閘極，此引起M1完全關閉(方塊760)。在M1完全關閉且M2引導更多電流之情況下，M2下拉V_out，藉此補償正突波。

本文中特別闡釋及描述本發明之若干實施例。然而，應瞭解在不脫離本發明之精神及意欲範疇的情況下，本發明之修改及變動係由以上教示涵蓋並且在隨附申請專利範圍內。此外，應瞭解本發明不受上述或圖式中描繪的特定電晶體類型限制，而在不脫離本發明之精神及意欲範疇的情況下可在本發明中使用其他電晶體類型。

100．．．放大器系統

110．．．第一放大器

120．．．補償放大器

210．．．電流模式放大器

300．．．AB類放大器系統

310．．．第一放大器

320．．．輸出級放大器

330．．．增益電阻器

340．．．增益電阻器

410．．．第一推挽裝置

420．．．第二推挽裝置

430．．．電流模式放大器

C_Comp．．．補償電容器

GND．．．參考接地電壓

I1．．．電流源

I2．．．電流源

I3．．．電流源

M1．．．推挽電晶體/驅動電晶體

M2．．．推挽電晶體/驅動電晶體

M3．．．輸入電晶體

M4．．．二極體連接型電晶體

M5．．．二極體連接型電晶體

M5'．．．二極體連接型電晶體

N_A．．．節點

N_B．．．節點

N_C．．．節點

R1．．．電阻器

R2．．．電阻器

V_DD．．．供應電壓

V_in．．．輸入信號

V_Intermediate．．．輸入信號/輸出信號

V_out．．．輸出信號

圖1係一已知放大器系統之一方塊圖。

圖2係一已知補償放大器之一電路圖。

圖3係根據本發明之一實施例的一放大器系統之一方塊圖。

圖4係根據本發明之一實施例的一輸出級放大器之一電路圖。

圖5係用於對突波作出反應的一簡化程序流程。

圖6係補償一負突波的電流提升之一簡化程序流程。

圖7係補償一正突波的電流提升之一簡化程序流程。

320．．．輸出級放大器

410．．．第一推挽裝置

420．．．第二推挽裝置

430．．．電流模式放大器

GND．．．參考接地電壓

I1．．．電流源

I2．．．電流源

I3．．．電流源

M1．．．推挽電晶體/驅動電晶體

M2．．．推挽電晶體/驅動電晶體

M3．．．輸入電晶體

M4．．．二極體連接型電晶體

M5．．．二極體連接型電晶體

N_A．．．節點

N_B．．．節點

N_C．．．節點

R1．．．電阻器

R2．．．電阻器

V_DD．．．供應電壓

V_Intermediate．．．輸入信號/輸出信號

V_out．．．輸出信號

Claims (18)

1. 一種放大器，其包括：一第一推挽系統，其經連接至一輸出終端且包含耦接至該輸出終端的一第一驅動電晶體；一第二推挽系統，其經連接至該輸出終端且包含耦接至該輸出終端的一第二驅動電晶體；一電流模式放大器，該電流模式放大器之輸出經耦接至該第一驅動電晶體之閘極；及一對電阻器，一第一電阻器經耦接至該電流模式放大器之一第一輸入終端，且一第二電阻器經耦接至該電流模式放大器之一第二輸入終端並且經耦接至該第二驅動電晶體，其中該第一電阻器大於該第二電阻器。
2. 如請求項1之放大器，其中該電流模式放大器包括一二極體電晶體及另一電晶體。
3. 如請求項2之放大器，其中該電流模式放大器進一步包括一對電流源。
4. 如請求項1之放大器，其中該放大器為一AB類放大器。
5. 如請求項1之放大器，其進一步包括至少一個電流源。
6. 如請求項1之放大器，其進一步包括至少一個其他電阻器。
7. 如請求項1之放大器，其進一步包括並聯耦接的一電流源及一電流電阻器。
8. 一種放大器，其包括：一輸入電晶體，其經耦接至一放大器輸入及一放大器 輸出；一第一電流源，其經耦接至該輸入電晶體；一第一推挽電晶體，其經耦接至該放大器輸出；一第二推挽電晶體，其經耦接至該放大器輸出；及一電流模式放大器，其經耦接至一對電阻器及該第一推挽電晶體，其中一第一電阻器經耦接至該電流模式放大器之一第一終端且一第二電阻器經耦接至該電流模式放大器之一第二終端，且其中該第二電阻器進一步經耦接至該第二推挽電晶體。
9. 如請求項8之放大器，其中該第一電阻器大於該第二電阻器。
10. 如請求項8之放大器，其中該電流模式放大器包括一二極體電晶體及另一電晶體。
11. 如請求項8之放大器，其中該第一電流源為一電阻器。
12. 如請求項8之放大器，其中該第一電流源包括並聯耦接的一電阻器及一電流源。
13. 如請求項8之放大器，其中該放大器為一AB類放大器。
14. 一種操作一放大器之方法，其包括：提供一第一推挽系統及一第二推挽系統，該第一推挽系統經連接至一輸出終端且包含耦接至該輸出終端的一第一驅動電晶體，該第二推挽系統經連接至該輸出終端且包含耦接至該輸出終端的一第二驅動電晶體；及在該輸出終端偵測到一突波時，藉由調整經過耦接至 該第二驅動電晶體及一電流模式放大器之一輸入終端的一電阻器之一電流而提升經過該等驅動電晶體之一者的電流且同時關閉另一驅動電晶體。
15. 如請求項14之方法，其中在偵測到一負突波時，提升經過該第一驅動電晶體的電流而同時關閉該第二驅動電晶體。
16. 如請求項14之方法，其中在偵測到一正突波時，提升經過該第二驅動電晶體的電流而同時關閉該第一驅動電晶體。
17. 如請求項14之方法，其中該放大器為一AB類放大器。
18. 如請求項14之方法，其進一步包括：提供耦接至該電流模式放大器之另一輸入終端的另一電阻器，該電流模式放大器之輸出經耦接至該第一驅動電晶體。