TWI577153B - 乙太網路供電設備的增益電路 - Google Patents

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Description

乙太網路供電設備的增益電路
本發明是關於一種乙太網路供電設備的增益電路，特別是關於可以提供精確放大倍率的乙太網路供電設備的增益電路。
乙太網路供電設備(Power over Ethernet-PoE)已經是一種普及的應用。IEEE已經發布IEEE 802.3af-2003以及IEEE 802.3at-2009兩種PoE標準。PoE的技術使得例如網路電話、無線基地台、網路攝影機、集線器、甚至電腦等裝置，都能由乙太網路供電，不須使用額外的電源插座。這種結合資料傳送與電源供應的技術使整體網路電腦系統成本及複雜度明顯降低。
圖1顯示一種習知乙太網路供電設備的電路方塊圖。如圖所示，該乙太網路供電設備具有一功率電晶體(Power Transistor)51，以提供受電設備(Powered Device)50的電流回流路徑，例如7.5mA的回流電流IDC_dis，由輸出埠PortP經過受電設備(Powered Device)50，然後回流至PortN輸入。圖中顯示單一輸出埠由輸出信號PortP與回流信號(retum signal)PortN構成。圖中顯示PortN回流信號經由功率電晶體51回流送入，並由電阻Rsense轉化成電壓Vrs，供應到增 益電路10的運算放大器OP1，由該運算放大器OP1的正端VP進入該運算放大器OP1。
圖1中所顯示的增益電路10是用來將受電設備(Powered Device)50的電流回流至Rsense轉換成電壓加以放大，以供應穩定之電壓Vout給連接到該乙太網路供電設備的電子裝置(未圖示)。圖中的增益電路10基本上包括上述的運算放大器OP1，以及連接該運算放大器OP1輸出端的兩並聯電阻R1與R2。該運算放大器OP1的正端VP為該電晶體51的供應電壓Vrs，而其負端則經由電阻R1連接到該運算放大器OP1的輸入端。VDDA為其正電源，GND為其負電源，在圖中為接地。
該運算放大器OP1的理想增益函式可以下式表示：Vout=(Vrs)*(R2+R1)/R1...式(1)
不過，在一個實際的運算放大器，其增益函式並非理想函式。該運算放大器OP的電路顯示在圖2。圖2的運算放大器的輸入級M1與M2是一對匹配的元件，具有相同的尺寸(長度L與寬度W)。不過，由於製造上的偏差，兩者之間會產生一偏移電壓Vos，Vos=VP-VN。即運算放大器OP1的正端VP與負端VN之間的電壓差值，約在±(0~10mV)之間。該偏移電壓Vos為內在的特性，且對實際運算放大器而言是一種非理想效應。
在此情形下，該運算放大器OP1的增益函式應以下式表示：Vout=(Vrs+Vos)*(R2+R1)/R1...式(2)
其中，Vos為該偏移電壓。該Vos之值會因裝置的製造變化而異，成為Vout值的非線性因子，導致放大倍率的精度變差。此外，該放大倍率的偏差在特定條件下，可能大到無法校正。例如，當該受電設備(Powered Device)50 的輸出電流IDC_dis為7.5mA時，則供電設備功率電晶體51的輸出點電壓Vrs將是：Vrs=IDC_dis*Rsense=7.5mA*0.5Ω=3.75mV...式(3)
此時，如果該輸入偏移電壓Vos的誤差項範圍在3.75mV到10mV之間，因該Vrs之值僅有3.75mV。使得該增益電路10的輸出電壓Vout誤差可能達到100%。在這種條件下，圖1所示的增益電路10顯然並不適合用來作為乙太網路供電設備的增益電路。
圖3顯示一種對圖1增益電路的改良，用以消除輸入偏移電壓Vos的誤差。圖3中，與圖1相同的元件將以相同的符號表示。圖2的增益電路設計，可見於P.E.Allen,Lecture 390-Open-Loop Comparators(Reading：AH-461-475),ECE 6412-Analog Integrated Circuit Design-II,Georgia Institute of Technology,USA,2002.
圖3所示的增益電路10除該運算放大器OP1、電阻R1與R2外，另包括一電容Cos以及時鐘電路Ck。該電容Cos接在該運算放大器OP1的負端與電阻R2之間，並以一開關52控制其連接與旁接狀態。該時鐘電路Ck的時鐘信號表示在圖4中。在該時鐘信號為H時，開關的Ck端為閉，CkB端為開。此時電容Cos可以儲存Vos。在該時鐘信號為L時，開關的CkB端為閉，Ck端為開。此時電容Cos與電阻R2串連。
該運算放大器OP1為實際運算放大器時，其偏移電壓Vos約在±(0~10mV)之間。圖3的電容Cos可以在時鐘信號為H時，儲存電壓值Vcos。在之後的L期間中，從(Vrs+Vos)中減除該Vcos的值。理論上，該Vcos之值即 為該Vos之值。因此，在L期間中，該輸入偏移電壓Vos之值將不會成為放大倍率的因子。在此設計下，該運算放大器OP1的增益函式可以下式表示：Vout=(Vrs+Vos-Vcos)*(R2+R1)/R1=Vrs*(R1+R2)/R1...式(4)
由於Vos=Vcos，故可從增益函式中移除該Vos項，所得到的放大倍率將獲得改善。不過，圖3的增益電路10在該受電設備(Powered Device)50的輸出電流至供電設備的功率電晶體51之電流IDC_dis為7.5mA時，仍然可能無法運作。
如前式(3)所示，Vrs=IDC_dis*Rsense=7.5mA*0.5Ω=3.75mV。因此，在時鐘信號為H時，假設VN=-10mV，則Vos的值應為：Vos=VP-VN=3.75mV-(VN)=3.75mV-(-10mV)=13.75mV...式(5)
但由於該運算放大器OP1的負端VN經由電阻R1接地，使該負端電壓的最小值只能是0V。如此一來，實際上的Vcos值成為：Vcos=VP-VN=3.75mV-(-0V)=3.75mV...式(6)
換言之，由於VN的值受限於0V的極限，Cos所能儲存的電壓值Vcos將以3.75mV為上限，結果往往並非該Vos的正確值。也就是說，當Vos的值介於-3.75mV與-10mV之間時，即使減除該Cos所儲存的電壓值Vcos，仍然無法排除該Vos對Vout的影響。且只要該Vos值小於-7.5mV，放大倍率的誤差即可達到100%，而無法以任何方法校正。顯示圖2的增益電路10，也不適合用來作為乙太網路供電設備的增益電路。
因此，目前業界亟須一種新穎的乙太網路供電設備的增益電路，以提高乙太網路供電設備的電壓放大倍率精度。
同時也須要一種新穎的乙太網路供電設備的增益電路，以解決乙太網路供電設備的增益電路因製程差異導致的放大倍率精度劣化問題。
本發明的目的即在提供一種新穎的乙太網路供電設備的增益電路，以提高乙太網路供電設備的電壓放大倍率精度。
本發明的目的也在提供一種新穎的乙太網路供電設備的增益電路，以解決乙太網路供電設備的增益電路因製程差異導致的放大倍率精度劣化問題。
本發明提供一種新穎的增益電路，作為乙太網路供電設備的增益電路。該增益電路對其運算放大器提供一輸入偏移電壓的保護帶(guard band)。該保護帶可以一電壓值代表。在一種較佳實施利中，該保護帶的電壓值設定成大於該運算放大器的輸入偏移電壓最大值，例如為其2倍。在另一種較佳實施例中，該保護帶的設定，使該運算放大器的負輸入端的電壓高於0V。
根據本發明的乙太網路供電設備的增益電路，乃是包括一運算放大器、串接該運算放大器輸出端及接地的第一及第二電阻。該運算放大器的第一輸入端連接該乙太網路供電設備的電壓輸出，第二輸入端經由該第一電阻連接輸出端。並以一時鐘信號控制該第二輸入端經由一電容連接該第二電阻或不經由該電容連接該第二電阻。該增益電路另包含一電壓調整電路，用以將該第一輸入端與第二輸入端的電壓差值設定在一定值。在一種實例中，該電壓調整電路可以提供一設定電壓，該設定電壓值在該第一輸入端與第二輸入端的最大偏移電壓值以上，例如為該最大偏移電壓值的二倍。
在本發明的一種較佳實例中，該電壓調整電路是用以將該二輸入端的電壓調整到0V以上。在另一種實例中，該電壓調整電路供應一正電壓，其值大於該第一輸入端與第二輸入端的最大偏移電壓值絕對值，例如該最大偏移電壓值的二倍。
在本發明一種較加實例中，該電壓調整電路包括一電源，用以提供一設定電壓到該第二輸入端。在這種實例中，該設定電壓可將該二輸入端的電壓調整到0V以上。在另一種實例中，該設定電壓值為正值，且大於該第一輸入端與第二輸入端的最大偏移電壓值絕對值，例如該最大偏移電壓值的二倍。
本發明的乙太網路供電設備的增益電路尚可包括一電流降低電路，用以降低因電壓提高而提高的電流值。
10‧‧‧增益電路
50‧‧‧受電設備(Powered Device)
51‧‧‧功率電晶體(Power Transistor)
60‧‧‧電壓調整電路
圖1顯示一種習知乙太網路供電設備的增益電路之電路方塊圖。
圖2顯示圖1中的運算放大器的電路圖。
圖3顯示一種改良的乙太網路供電設備的增益電路的電路方塊圖。該增益電路可以消除輸入偏移電壓的誤差對增益電路的影響。
圖4顯示圖3中的時鐘信號時序圖。
圖5顯示本發明乙太網路供電設備的增益電路一種實施例的電路方塊圖。
圖6顯示圖5中的增益電路一種實例的電路圖。
圖7顯示圖3的增益電路放大倍率模擬測試結果。
圖8顯示圖5的增益電路放大倍率模擬測試結果。
本發明提供一種乙太網路供電設備的增益電路，用來解決習知技術中，增益電路放大倍率精度不足的問題。
圖5顯示本發明乙太網路供電設備的增益電路一種實施例的電路方塊圖。圖5中，與圖1、3相同或類似的元件將以相同或類似的符號表示。
圖5所示的乙太網路供電設備具有一受電設備(Powered Device)50的輸出電流，以供回流，例如7.5mA的回流電流IDC_dis。該電流IDC_dis經由電晶體51送出，並由電阻Rsense轉化成電壓Vrs，供應到增益電路10的運算放大器OPA，由該運算放大器OPA的正端VP進入該運算放大器OPA。
圖5中所顯示的增益電路10是用來將該受電設備(Powered Device)50的輸出電流經Rsense轉換成之電壓加以放大，以供應穩定之電壓Vout給連接到該乙太網路供電設備的電子裝置。在本實施例中，該增益電路10基本上包括上述的運算放大器OPA，以及連接該運算放大器OPA輸出端V0經由兩串連的第一與第二電阻R1與R2接地GND。該運算放大器OPA的正輸入端VP為該電晶體51的供應電壓Vrs，而其負輸入端則經由第二電阻R2連接到該運算放大器OPA的輸入端V0。VDDA為其正電源，GND為其負電源，在圖中為接地。
增益電路10還包括一電容Cos以及時鐘電路Ck。該電容Cos接在該運算放大器OPA的負端VN與第二電阻R2之間，並以一開關52控制其連接與旁接狀態。該時鐘電路Ck的時鐘信號時序與圖4中所示相同。在該時鐘信號為H時，開關的Ck端為閉，CkB端為開。此時電容Cos可以儲存電壓值Vos。在該時鐘信號為L時，開關的CkB端為閉，Ck端為開。此時電容Cos與電阻R2串連。
電壓調整電路60提供一電壓Vmis到該運算放大器OPA的負端VN。以對該運算放大器OPA提供一輸入偏移電壓的保護帶(guard band)。在一種較佳實施利中，該保護帶的設定為大於該運算放大器的輸入偏移電壓最大值，例如為其2倍。在另一種較佳實施例中，該保護帶的設定，使該運算放大器的負輸入端的電壓高於0V。
在本發明一種實施例中，該電壓調整電路60提供的電壓Vmis使該運算放大器OPA在運作穩定時期，其負輸入端VN的電壓高於0V。如此可以確保該負端VN的電壓不受接地的限制。
在本發明另一種實施例中，將該電壓調整電路60提供的電壓Vmis設定為大於該正端VP電壓與負端VN電壓間的最大差值Vmax，例如為Vmax的兩倍。如前所述，在沒有該電壓調整電路60時，製造上的誤差所導致的偏移電壓V0s0值會在±(0~10mV)之間。因此，該值的最大值Vmax為10mV。則該電壓調整電路60提供的電壓Vmis為：Vmis=2*Vmax=2* 10mV=20mV...式(7)
在這種設計下，可以確保該VN的值不會達到或低於其電壓值下限，即0V。說明如下：設該供電設備功率電晶體51的輸入回流電流IDC_dis為7.5mA則：Vrs=IDC_dis*Rsense=7.5mA*0.5Ω=3.75mV...式(3)
以Vos0值已達到最小值，即-Vmax(-10mV)的最壞情形為例，在時鐘信號為H時， VN=VP+Vos0+Vmis=3.75mV+(-10mV)+20mV)=13.75mV...式(8)
換言之，即使在最壞的情形(Vos0=-10mV)下，由於有該Vmis的存在，使得VN仍可保持在13.75mV以上，不會受到接地的限制。結果即可得到高精度的放大倍率。
在上述設計下，由於該VN的電壓值並不會受到最低電壓0V的限制，故可使電容Cos儲存的電壓Vcos可以等於Vos0+Vmis。即使該輸入偏移電壓Vos0的值低至-3.75m到-10mV的範圍，該電容Cos仍可正確的儲存等於該輸入偏移電壓Vos0+Vmis的電壓值。因此，即使在該範圍內，該增益電路10的放大倍率仍可保持精度。換言之，該增益電路10的放大倍率誤差，仍在可校正的範圍內。圖5的運算放大器可以供應穩定的電壓，支援高達8埠的供電設備晶片。
此外，在Vos0的值高至3.75m到10mV的範圍時，該電容Cos仍可正確的儲存等於該輸入偏移電壓Vos0+Vmis的電壓值。因此，本發明也可應用在該3.75m到10mV的範圍。
圖6顯示圖5的增益電路10一種實例的電路圖。如圖所示的實例中，該電壓調整電路60為一電源Mmis。該電源提供一電壓Vmis到該運算放大器OPA的負端VN。該電壓Vmis=Id_Mmis * R2=20mV。因此，在運算放大器OPA運作穩定時，VN的電壓值可以提高+20mV。
此外，圖6中的電晶體的輸入信號Pd是用來降低該運算放大器OPA的電流，以節省耗電。當電晶體Pd為H，PdB為L，MbS為OFF。且因 Vgs為0V，M3為OFF。從電源VDDA的電流不會流入該運算放大器OPA與該電壓調整電路60中，達成節電目的。
為證實本發明的效果，以圖3的電路及圖4的電路進行模擬。結果顯示於圖7與圖8。其中，圖7顯示圖3的增益電路10放大倍率模擬測試結果。測試條件如下：Vos=-10mV，Vrs=IDC_dis*Rsense=7.5mA*0.5Ω=3.75mV，(R1+R2/R1)=4，時鐘信號如圖4所示。
測試結果如下：Vout=4.13uV=0.00413mV，放大倍率誤差=[(0.00413mV/15mV)-1]*100%=-100%
該誤差達到-100%，達到最差的誤差值。
圖8顯示圖5的增益電路10放大倍率模擬測試結果。測試條件如下：Vmis=20mV，Vos0=-10mV，Vrs=IDC_dis*Rsense=7.5mA*0.5Ω=3.75mV，(R1+R2/R1)=4，時鐘信號如圖4所示。
測試結果如下：Vout=15.4mV， 放大倍率誤差=[(1-15.4mV/15mV)-1]*100%=+2.7%
顯示放大倍率精確。
10‧‧‧增益電路
50‧‧‧受電設備(Powered Device)
51‧‧‧功率電晶體(Power Transistor)
60‧‧‧電壓調整電路

Claims (11)

  1. 一種乙太網路供電設備的增益電路，包括一運算放大器、串接該運算放大器輸出端及接地的第一及第二電阻；其中，該運算放大器的第一輸入端連接該乙太網路供電設備的電壓輸出，第二輸入端經由該第一電阻連接輸出端；該增益電路另包括一控制手段，以一時鐘信號控制該第二輸入端經由一電容連接該第二電阻或不經由該電容連接該第二電阻；其特徵在於：該增益電路另包括一電壓調整電路，用以將該第一輸入端與第二輸入端的電壓差值設定在一定值。
  2. 一種乙太網路供電設備的增益電路，包括一運算放大器、串接該運算放大器輸出端及接地的第一及第二電阻；其中，該運算放大器的第一輸入端連接該乙太網路供電設備的電壓輸出，第二輸入端經由該第一電阻連接輸出端；該增益電路另包括一控制手段，以一時鐘信號控制該第二輸入端經由一電容連接該第二電阻或不經由該電容連接該第二電阻；其特徵在於：該增益電路另包括一電壓調整電路，用以提供一設定電壓到該第二輸入端，該設定電壓值在該第一輸入端與第二輸入端的最大偏移電壓值以上。
  3. 一種乙太網路供電設備的增益電路，包括一運算放大器、串接該運算放大器輸出端及接地的第一及第二電阻；其中，該運算放大器的第一輸入端連接該乙太網路供電設備的電壓輸出，第二輸入端經由該第一電阻連接輸出端； 該增益電路另包括一控制手段，以一時鐘信號控制該第二輸入端經由一電容連接該第二電阻或不經由該電容連接該第二電阻；其特徵在於：該增益電路另包括一電壓調整電路，用以提供一設定電壓到該第二輸入端，將該第二輸入端的電壓調整到0V以上。
  4. 一種乙太網路供電設備的增益電路，包括一運算放大器、串接該運算放大器輸出端及接地的第一及第二電阻；其中，該運算放大器的第一輸入端連接該乙太網路供電設備的電壓輸出，第二輸入端經由該第一電阻連接輸出端；該增益電路另包括一控制手段，以一時鐘信號控制該第二輸入端經由一電容連接該第二電阻或不經由該電容連接該第二電阻；其特徵在於：該增益電路另包括一電壓調整電路，用以供應一正電壓到該第二輸入端，其值大於該第一輸入端與第二輸入端的最大偏移電壓值絕對值。
  5. 如申請專利範圍第1項之增益電路，其中該電壓調整電路將該第一輸入端與第二輸入端的電壓差值設定在該第一輸入端與第二輸入端的最大偏移電壓值的二倍。
  6. 如申請專利範圍第2或3項之增益電路，其中該設定電壓值為正電壓值，且為該第一輸入端與第二輸入端的最大偏移電壓值的二倍。
  7. 如申請專利範圍第4項之增益電路，其中該正電壓值為該第一輸入端與第二輸入端的最大偏移電壓值的二倍。
  8. 如申請專利範圍第2或3項之增益電路，其中該電壓調整電路包括一電源，用以提供該設定電壓到該第二輸入端。
  9. 如申請專利範圍第8項之增益電路，其中該設定電壓值為正電壓 值，且為該第一輸入端與第二輸入端的最大偏移電壓值的二倍。
  10. 如申請專利範圍第1-4項中任一項之增益電路，另包括一電流降低電路，用以降低因電壓提高而提高的電流值。
  11. 如申請專利範圍第8項之增益電路，另包括一電流降低電路，用以降低因電壓提高而提高的電流值。
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