TWI621331B - 可程式化增益放大器 - Google Patents

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Abstract

一種可程式化增益放大器具有主動式負載模組、第一差動對、第二差動對與電流源模組。第一差動對與第二差動模組分別電性連接主動式負載模組。電流源模組電性連接第一差動對的第一電流源端與第二差動對的第二電流源端。電流源模組用以經由第一電流源端提供第一電流給第一差動對。電流源模組用以經由第二電流源端提供第二電流給第二差動對。且電流源模組用以調整第一電流的大小與第二電流的大小的至少其中之一。

Description

可程式化增益放大器
本發明係關於一種可程式化增益放大器，特別是一種具有回授路徑的可程式化增益放大器。
一般而言，為了滿足或者有效地使用後端電路的動態範圍，使用者通常會在訊源與後端電路之間設置可程式化增益放大器（programmable gain amplifier, PGA），以藉由可程式化增益放大器以可調的倍率選擇性地放大訊源，以符合後端電路的規格，或者是使用者所欲其的訊號規格。
但是，以往的可程式化增益放大器大部份是藉由運算放大器搭配電阻接成放大電路，例如非反向放大器。但是這樣的結構並無法有效地隔絕雜訊，而使得雜訊隨著所欲的訊號一起被可程式化增益放大器放大，從而降低了可程式化增益放大器的輸出訊雜比（signal noise ratio, SNR）。
本發明在於提供一種可程式化增益放大器，以使可程式化增益放大器的輸出具有更佳的訊雜比。
本發明揭露一種可程式化增益放大器，所述的可程式化增益放大器具有主動式負載模組、第一差動對、第二差動對與電流源模組。主動式負載模組具有第一負載端與第二負載端。第一差動對具有第一輸入端、第二輸入端、第一電流源端、第一輸出端與第二輸出端。第二差動對具有第三輸入端、第四輸入端、第二電流源端、第三輸出端與第四輸出端。第二負載端電性連接輸出端。第一輸出端電性連接第一負載端。第二輸出端電性連接第二負載端。第一輸入端用以接收輸入訊號。第二輸入端用以接收共模電壓。第四輸出端電性連接第二負載端。第三輸出端電性連接第一負載端。第三差動電性連接可程式化增益放大器的輸出端以接收回授訊號。第四輸入端用以接收共模電壓。電流源模組電性連接第一電流源端與第二電流源端。電流源模組用以經由第一電流源端提供第一電流給第一差動對。電流源模組用以經由第二電流源端提供第二電流給第二差動對。且電流源模組用以調整第一電流的大小與第二電流的大小的至少其中之一。
綜合以上所述，本發明提供了一種可程式化增益放大器，所述的可程式化增益放大器具有至少兩個差動對與一電流源模組。其中一個差動對的輸入端電性連接可程式化增益放大器的輸出端。電流源模組用以提供電流給所述的差動對。且電流源模組更可用以所提供的至少其中一路電流的大小。藉著回授路徑與調整電流大小，得以控制可程式化增益放大器的等效增益。另一方面，藉由多個差動對的電路連接方式，在本發明所提供的可程式化增益放大器中可有效地避免雜訊隨著訊號同步放大，從而降低了輸出端的訊雜比。
以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。
以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。
請參照圖1以對本發明所提供的可程式化增益放大器的輸入輸出進行說明，圖1係為根據本發明一實施例所繪示之可程式化增益放大器的等效電路圖。本發明所提供的可程式化增益放大器10具有輸入端N1~N4與輸出端NO。輸入端N1用以接收輸入信號VINSF。輸入端N2與輸入端N4用以接收共模電壓VCM。輸入端N3電性連接輸出端NO以形成迴授路徑。從另一個角度來說，輸出信號VOUT做為迴授信號VFB而被提供至輸入端N3。其中，共模電壓VCM例如為可程式化增益放大器10前一級電路所提供的共模偏壓。
請參照圖2以對可程式化增益放大器進行更具體的說明，圖2係為根據本發明另一實施例所繪示之可程式化增益放大器的電路示意圖。可程式化增益放大器10具有主動式負載模組120、第一差動對140、第二差動對160與電流源模組180。
主動式負載模組120具有第一負載端N5與第二負載端N6。第二負載端N6電性連接輸出端NO。主動式負載模組120用以提供一等效負載，且所述的等效負載係為可調。
第一差動對140具有第一輸入端N11、第二輸入端N12、第一電流源端N15、第一輸出端N7與第二輸出端N8。第一輸出端N7電性連接第二負載端N6。第二輸出端N8電性連接第一負載端N5。第一輸入端N11用以經由輸入端N1接收輸入訊號VINSF。第二輸入端N12用以經由輸入端N2接收共模電壓VCM。第一差動對140用以依據第一電流ICP、輸入訊號VINSF與共模電壓VCM調整流經第一負載端N5的電流與流經第二負載端N6的電流。從另一個角度來說，第一輸入端N11也可被定義為如圖1中的輸入端N1，第二輸入端N12也可被定義為如圖1中的輸入端N2。
第二差動對160具有第三輸入端N13、第四輸入端N14、第二電流源端N16、第三輸出端N9與第四輸出端N10。第三輸出端N9電性連接第一負載端N5。第四輸出端N10電性連接第二負載端N6。第三輸入端N13電性連接第三輸入端N13以接收回授訊號VFB。第四輸入端N14電性連接輸入端N4以接收共模電壓VCM。第二差動對160用以依據第二電流ICN、迴授信號VFB與共模電壓VCM調整流經第一負載端N5的電流與流經第二負載端N6的電流。從另一個角度來說，輸入端N13也可被定義為如圖1中的輸入端N3，第四輸入端N14也可被定義為如圖1中的輸入端N4。
電流源模組180電性連接第一電流源端N15與第二電流源端N16。電流源模組180用以經由第一電流源端N15提供第一電流ICP給第一差動對140。電流源模組180用以經由第二電流源端N16提供第二電流ICN給第二差動對160。且電流源模組180用以調整第一電流ICP的大小與第二電流ICN的大小的至少其中之一。在一實施例中，電流源模組180用以調整第一電流ICP的大小，此時第二電流ICN大致上可視為一定電流。在另一實施例中，電流源模組180用以調整第二電流ICN的大小，此時第一電流ICP大致上可視為一定電流。在更一實施例中，電流源模組180用以分別調整第一電流ICP的大小與第二電流ICN的大小。
在一實施例中，當第一電流ICP等於第二電流ICN時，可程式化增益放大器10的等效增益等於2。而當第一電流ICP大於第二電流ICN時，可程式化增益放大器10的等效增益大於2。相仿地，當第一電流ICP小於第二電流ICN時，可程式化增益放大器10的等效增益小於2。在此實施例中，等效增益的定義係為輸入訊號VINSF的電壓準位與輸出電壓VOUT的電壓比值。
請再繼續參照圖2以對各功能模組的詳細電路結構進行說明。在圖2所示的實施例中，第一差動對140具有第一電晶體T1與第二電晶體T2。第一電晶體T1的第一端電性連接第二負載端N6。第一電晶體T1的第二端電性連接電流源模組180。第一電晶體T1的控制端電性連接輸入端N1以接收輸入訊號VINSF。第二電晶體T2的第一端電性連接第一負載端N5。第二電晶體T2的第二端電性連接電流源模組180與第一電晶體T1的第二端。第二電晶體T2的控制端電性連接輸入端N2以接收共模電壓VCM。換句話說，第一差動對140用以依據輸入訊號VINSF與共模信號VCM調整流經第一電晶體T1的電流與流經第二電晶體T2的電流之間的比例，從而調整流經第一負載端N5的電流大小與流經第二負載端N6的電流大小。
第二差動對160具有第三電晶體T3與第四電晶體T4。第三電晶體T3的第一端電性連接第一負載端N5，第三電晶體T3的第二端電性連接電流源模組180，第三電晶體T3的控制端電性連接輸入端N3以接收回授訊號VFB。第四電晶體T4的第一端電性連接第二負載端N6，第四電晶體T4的第二端電性連接電流源模組180與第三電晶體T3的第二端，第四電晶體T4的控制端電性連接輸入端N4以接收共模電壓VCM。換句話說，第二差動對160用以依據回授訊號VFB與共模電壓VCM調整流經第三電晶體T3的電流與流經第四電晶體T4的電流之間的比例，從而調整流經第一負載端N5的電流大小與流經第二負載端N6的電流大小。
請再繼續參照圖2以說明電流源模組的具體實施方式。在圖2所示的實施例中，電流源模組更具有第五電晶體T5與一等效的第六電晶體T6。第五電晶體T5的第一端電性連接第一電流源端N15。第五電晶體T5的第二端用以接收第二基準電壓VSS。第五電晶體T5的控制端用以接收第一控制電壓VC1。等效第六電晶體T6的第一端電性連接第二電流源端N16。等效第六電晶體T6的第二端用以接收第二基準電壓VSS。等效第六電晶體T6的控制端用以接收第一控制電壓VC1。其中，流經等效第六電晶體T6的電流係為可調。
請接著參照圖3與圖4以更具體地說明等效第六電晶體T6的電流調整方式，圖3係為根據本發明更一實施例所繪示之可程式化增益放大器的電路示意圖，圖4係為根據本發明再一實施例所繪示之可程式化增益放大器的電路示意圖。在圖3的實施例中，等效第六電晶體T6被置換成可調電流源1820。可調電流源1820電性連接第二電流源端N16。可調電流源1820依據至少一切換訊號的指示調整第二電流ICN的大小。在圖3與圖4所示的實施例中，係舉可調電流源1820用以調整第二電流ICN為例進行說明。但於實務上，亦可將第五電晶體T5定義為等效的電晶體並置換為可調電流源1820來調整第一電流ICP的大小。相關細節係為所屬技術領域具有通常知識者經詳閱本說明書後可合理推知，不再予以贅述。
如圖3所示，可調電流源1820例如具有多個電流源與多個開關。在此係舉電流源CS1~CS3與開關SW1~SW3為例進行說明，但電流源與開關的數量並不以此為限。每一開關串聯於其中一電流源。在圖2所示的實施例中，電流源CS1串聯於開關SW1，電流源CS2串聯於開關SW2，電流源CS3串聯於開關SW3。串聯的開關與電流源的一端電性連接第二電流源端N16，另一端則用以接收第二基準電壓VSS。在圖4所示的實施例中，定電流源CS1~CS3分別為電晶體T61~T63，電晶體T61~T63的兩端分別連接對應的開關與參考端。且電晶體T61~T63分別與第五電晶體T5組成電流鏡。在此實施例中，各電晶體的通道寬長比例如為第五電晶體T5的通道寬長比的三分之一。上述僅為舉例示範，實際上並不以此為限。
因此，當開關SW1導通時，電流源CS1電性連接至第二電流源端N16，增加了流經第二電流源端N16的電流，從而增加了第二電流ICN的大小。相仿地，當開關SW2與開關SW3導通或不導通時，第二電流ICN的電流大小因此有所增減。如前述地，第一電流ICP與第二電流ICN的相對大小關聯於可程式化增益放大器的等效增益，因此，經由選擇性地導通可調電流源180中的開關SW1~SW3即能對應地調整可程式化增益放大器的等效增益。在此實施例中，參考端例如具有第二基準電壓VSS，第二基準電壓VSS例如為系統中的相對低電壓準位。
於另一實施例中，可調電流源180更具有第七電晶體T7與第八電晶體T8。第七電晶體T7的第一端電性連接第一電流源端N15。第七電晶體T7的第二端電性連接第五電晶體T5的第一端。第七電晶體T7的控制端用以接收第二控制電壓VC2。第八電晶體T8的第一端電性連接第二電流源端N16。第八電晶體T8的第二端電性連接可調電流源1820。第八電晶體T8的控制端用以接收第二控制電壓VC2。從另一個角度來說，第七電晶體T7係與第五電晶體T5形成疊接（cascode）結構。
主動負載模組120例如具有第九電晶體T9與第十電晶體T10。第九電晶體T9的第一端用以接收第一基準電壓VDD。第九電晶體T9的第二端電性連接第一負載端N5。第九電晶體T9的控制端電性連接該第一負載端N5。第十電晶體T10的第一端用以接收第一基準電壓VDD。第十電晶體T10的第二端電性連接第二負載端N6。第十電晶體T10的控制端電性連接第一負載端N5。
另一方面，在圖2至圖4所示的實施例中，可程式化增益放大器10、20、30更具有第十一電晶體T11、第十二電晶體T12、第十三電晶體T13與第十四電晶體T14。
第十一電晶體T11的第一端用以接收第一基準電壓VDD。第十一電晶體T11的控制端電性連接第二負載端N6。第十二電晶體T12的第一端電性連接第十一電晶體T11的第二端。第十二電晶體T12的第二端用以接收第二基準電壓VSS。第十二電晶體T12的控制端用以接收第一控制電壓VC1。從另一個角度來說，第十一電晶體T11與第十三電晶體T13係形成電壓隨耦器，以調整可程式化增益放大器相對於後端電路來說的輸出阻抗。
第十三電晶體T13的第一端用以接收第一基準電壓VDD。第十三電晶體T13的第二端電性連接輸出端NOUT與第二負載端N6。第十三電晶體T13的控制端電性連接第十一電晶體T11的第二端。第十四電晶體T14的第一端電性連接第十三電晶體T13的第二端。第十四電晶體T14的第二端用以接收第二基準電壓VSS。第十四電晶體T14的控制端用以接收第一控制電壓VC1。
此外，在圖2至圖4所示的實施例中，可程式化增益放大器10、20、30更具有電晶體T15、T16與電流源CSe。電晶體T15用以與第五電晶體T5組成電流鏡。於圖4所示的實施例中，電晶體T15更用以分別與電晶體T61~T63組成電流鏡。電晶體T16用以與第七電晶體T7及第八電晶體T8組成電流鏡。另一方面，第二負載端N6與輸出端NO之間更設置有電容C1以隔離直流偏壓。相關細節於所屬技術領域具有通常知識者經詳閱本說明書後應可合理推知，在此不予以贅述。
綜合以上所述，本發明提供了一種可程式化增益放大器，所述的可程式化增益放大器具有至少兩個差動對與一電流源模組。其中一個差動對的輸入端電性連接可程式化增益放大器的輸出端，以形成回授路徑。電流源模組用以提供第一電流給其中一個差動對，電流源模組並用以提供第二電流給另一個差動對。此外，電流源模組更可用以調整第一電流與第二電流至少其中之一的大小。藉著回授路徑與調整第一電流或第二電流的大小，得以控制可程式化增益放大器的等效增益，而確實地實現了可程式化增益放大器。另一方面，藉由多個差動對的電路連接方式，在本發明所提供的可程式化增益放大器中並不具有電阻，且可有效地隔離雜訊，避免雜訊與訊號同步放大，從而降低了輸出端的訊雜比。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
10、20、30‧‧‧可程式化增益放大器
120‧‧‧主動負載模組
140‧‧‧第一差動對
160‧‧‧第二差動對
180‧‧‧電流源模組
1820‧‧‧可調電流源
C1‧‧‧電容
CS1、CS2、CS3、CSe‧‧‧電流源
ICP、ICN‧‧‧電流
SW1~SW3‧‧‧開關
T1~T16‧‧‧電晶體
N1~N16、NO‧‧‧端點
VC1‧‧‧第一控制訊號
VC2‧‧‧第二控制訊號
VDD‧‧‧第一基準電壓
VSS‧‧‧第二基準電壓
圖1係為根據本發明一實施例所繪示之可程式化增益放大器的等效電路圖。 圖2係為根據本發明另一實施例所繪示之可程式化增益放大器的電路示意圖。 圖3係為根據本發明更一實施例所繪示之可程式化增益放大器的電路示意圖。 圖4係為根據本發明再一實施例所繪示之可程式化增益放大器的電路示意圖。

Claims (10)

  1. 一種可程式化增益放大器，包括：一主動式負載模組，具有一第一負載端與一第二負載端，該第二負載端電性連接該可程式化增益放大器的該輸出端；一第一差動對，具有一第一輸入端、一第二輸入端、一第一電流源端、一第一輸出端與一第二輸出端，該第一輸出端電性連接該第二負載端，該第二輸出端電性連接該第一負載端，該第一輸入端用以接收一輸入訊號，該第二輸入端用以接收一共模電壓；一第二差動對，具有一第三輸入端、一第四輸入端、一第二電流源端、一第三輸出端與一第四輸出端，該第三輸出端電性連接該第一負載端，該第四輸出端電性連接該第二負載端，該第三輸入端電性連接該可程式化增益放大器的輸出端以接收一回授訊號，該第四輸入端用以接收該共模電壓；以及一電流源模組，電性連接該第一電流源端與該第二電流源端，該電流源模組用以經由該第一電流源端提供一第一電流給該第一差動對，該電流源模組用以經由該第二電流源端提供一第二電流給該第二差動對，且該電流源模組用以調整該第一電流的大小與該第二電流的大小的至少其中之一。
  2. 如請求項1所述之可程式化增益放大器，其中該第一差動對包含一第一電晶體與一第二電晶體，該第二差動對包含一第三電晶體與一第四電晶體，該第一電晶體的第一端電性連接該第二負載端，該第一電晶體的第二端電性連接該電流源模組，該第一電晶體的控制端用以接收該輸入訊號，該第二電晶體的第一端電性連接該第一負載端，該第二電晶體的第二端電性連接該電流源模組與該第一電晶體的第二端，該第二電晶體的控制端用以接收該共模電壓，該第三電晶體的第一端電性連接該第一負載端，該第三電晶體的第二端電性連接該電流源模組，該第三電晶體的控制端用以接收該回授訊號，該第四電晶體的第一端電性連接該第二負載端，該第四電晶體的第二端電性連接該電流源模組與該第三電晶體的第二端，該第四電晶體的控制端用以接收該共模電壓。
  3. 如請求項1所述之可程式化增益放大器，其中該電流源模組包括一可調電流源，該可調電流源電性連接該第一電流源端與該第二電流源端的其中之一，該可調電流源依據一第一控制電壓與至少一切換訊號的指示調整該第一電流的大小或該第二電流的大小。
  4. 如請求項3所述之可程式化增益放大器，其中該可調電流源包括：多個電流源；以及多個開關，每一該開關串聯於其中一該電流源，串聯的其中一該開關與其中一該電流源電性連接該電流輸出端與一參考端之間，該些開關受控於該至少一切換訊號。
  5. 如請求項3所述之可程式化增益放大器，其中該電流源模組更包括一第五電晶體，該第五電晶體的第一端電性連接該第一電流源端與該第二電流源端的其中之另一，該第五電晶體的控制端用以接收該第一控制電壓。
  6. 如請求項5所述之可程式化增益放大器，其中該電流源模組更包括：一第七電晶體，該第七電晶體的第一端電性連接該第一電流源端，該第七電晶體的第二端電性連接該第五電晶體的第一端，該第七電晶體的控制端用以接收一第二控制電壓；以及一第八電晶體，該第八電晶體的第一端電性連接該第二電流源端，該第八電晶體的第二端電性連接該可調電流源的第一端，該第八電晶體的控制端用以接收該第二控制電壓。
  7. 如請求項1所述之可程式化增益放大器，其中該主動負載模組包括：一第九電晶體，該第九電晶體的第一端用以接收一第一基準電壓，該第九電晶體的第二端電性連接該第一負載端，該第九電晶體的控制端電性連接該第一負載端；以及一第十電晶體，該第十電晶體的第一端用以接收該第一基準電壓，該第十電晶體的第二端電性連接該第二負載端，該第十電晶體的控制端電性連接該第一負載端。
  8. 如請求項1所述之可程式化增益放大器，更包括一第十一電晶體與一第十二電晶體，該第十一電晶體的第一端用以接收該第一基準電壓，該第十一電晶體的控制端電性連接該第二負載端，該第十二電晶體的第一端電性連接該第十一電晶體的第二端，該第十二電晶體的第二端用以接收一第二基準電壓，該第十二電晶體的控制端用以接收一第一控制電壓。
  9. 如請求項8所述之可程式化增益放大器，更包括一第十三電晶體與一第十四電晶體，該第十三電晶體的第一端用以接收該第一基準電壓，該第十三電晶體的第二端電性連接該輸出端與該第二負載端，該第十三電晶體的控制端電性連接該第十一電晶體的第二端，該第十四電晶體的第一端電性連接該第十三電晶體的第二端，該第十四電晶體的第二端用以接收該第二基準電壓，該第十四電晶體的控制端用以接收該第一控制電壓。
  10. 如請求項1所述之可程式化增益放大器，其中，當該第一電流等於該第二電流時，該可程式化增益放大器的等效增益等於2，當該第一電流大於該第二電流時，該可程式化增益放大器的等效增益大於2，當該第一電流小於該第二電流時，該可程式化增益放大器的等效增益小於2。
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