TWI637591B - Ab類放大器 - Google Patents

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Abstract

本發明提供了一種AB類放大器，其包括：具有濾波器的疊接級和輸出級。其中，具有濾波器的疊接級用於接收輸入信號，以產生第一驅動信號和第二驅動信號；其中所述濾波器對所述輸入信號濾波，以產生濾波的輸入信號，並且所述第一驅動信號和所述第二驅動信號中至少一個是根據所述濾波的輸入信號產生的；所述輸出級，耦接到所述疊接級，用於根據所述第一驅動信號和所述第二驅動信號，產生輸出信號。

Description

AB類放大器
本發明是關於電路技術領域，特別涉及具有濾波器的疊接級的AB類放大器，用於提高非線性。
靜態AB類放大器由於其良好的驅動負載的效率而廣泛的應用在濾波器設計中。然而，靜態AB類放大器通常具有位於輸出級之前的級，以將適當的DC電平設置到輸出級，並且因為跨導(transconductance)和這級的輸出電阻隨著信號擺動而變化，跨導和輸出電阻的變化會產生失真。該失真在高頻時不能被環路增益抑制，這意味著AB類放大器的線性度主要受該級的失真/非線性的影響。另外，由於三階互調失真(third-order intermodulation distortion，IM3)在聯邦通信委員會(Federal Communications Commission，FCC)規範中具有嚴格的要求，為了滿足FCC要求，改善AB類放大器的失真/非線性是重要的。
本發明的目的是提供一種AB類放大器，該AB類放大器能減少失真，以解決上述問題。
本發明實施例提供一種AB類放大器，其包括：疊接級，具有濾波器， 所述疊接級用於接收輸入信號，以產生第一驅動信號和第二驅動信號；其中所述濾波器對所述輸入信號濾波，以產生濾波的輸入信號，並且所述第一驅動信號和所述第二驅動信號中至少一個是根據所述濾波的輸入信號產生的；以及輸出級，耦接到所述疊接級，用於根據所述第一驅動信號和所述第二驅動信號，產生輸出信號。
本發明實施例提供另一種AB類放大器，其包括：輸入級，用於接收輸入信號，以產生放大的輸入信號；具有濾波器的疊接級，與所述輸入級耦接，所述疊接級用於接收放大的輸入信號，以產生第一驅動信號和第二驅動信號；其中所述濾波器對所述放大的輸入信號濾波，以產生濾波的輸入信號，並且所述第一驅動信號和所述第二驅動信號中至少一個是根據所述濾波的輸入信號產生的；以及輸出級，耦接到具有濾波器的所述疊接級，用於根據所述第一驅動信號和所述第二驅動信號，產生輸出信號。
本發明實施例提供的AB類放大器通過具有濾波器的疊接級，產生濾波的輸入信號，使得AB類放大器的至少一個驅動信號是根據濾波的輸入信號產生的，能夠改善AB類放大器的失真/非線性。
結合附圖閱讀以下對本發明實施例的詳細描述，本發明的許多目的，特徵和優點將變得顯而易見。然而，這裡使用的附圖是為了描述的目的，不應被認為是限制性的。
100‧‧‧AB類放大器
110‧‧‧輸入級
120_1，120_2‧‧‧疊接級
130_1，130_2‧‧‧輸出級
I1，I2，I3‧‧‧電流源
MP1，MP2‧‧‧金屬氧化物半導體
MOP1，MON1‧‧‧金屬氧化物半導體
MOP2，MON2‧‧‧金屬氧化物半導體
222，322，422，424‧‧‧高通濾波器
MFP1，MFN1，MFP2，MFN2，MFP3，MFN3‧‧‧金屬氧化物半導體
I4，I5，I6，I7，I8，I9‧‧‧電流源
C1，C2，C3，C4‧‧‧電容器
R1，R2，R3，R4‧‧‧電阻器
500，600‧‧‧AB類放大器
510，610‧‧‧輸入級
520_1，520_2，620_1，620_2‧‧‧疊接級
530_1，530_2，630_1，630_2‧‧‧輸出級
I1’，I2’，I3’，I1”，I2”‧‧‧電流源
MN1，MN2，MP1’，MP2’，MN1’，MN2’‧‧‧金屬氧化物半導體
在閱讀以下詳細描述和附圖之後，本發明的上述目的和優點對於所屬領域具有通常知識者來說將變得更加顯而易見，其中：第1圖是本發明一實施例提供的AB類放大器的示意圖；第2圖是本發明一實施例提供的疊接級(cascode)的示意圖；第3圖是本發明另一實施例提供的疊接級(cascode)的示意圖；第4圖是本發明另一實施例提供的疊接級(cascode)的示意圖；第5圖是本發明另一實施例提供的AB類放大器的示意圖；第6圖是本發明另一實施例提供的AB類放大器的示意圖。
具體實施方式所使用的特定術語指特定的元件。本領域技術人員應當理解的是，生產商可以對一元件使用不同的名字。本申請不以元件採用不同名字來區分元件，而是以元件功能的不同來區分元件。在如下具體實施方式以及權利要求中，術語“包含”以及“包括”是一開放式限定，應該被理解成“包括但不限於”。術語“耦接”應該被理解為直接或者間接的電連接。相應的，如果一個裝置被耦接到另一個裝置，該耦接可以是一直接的電連接，也可以是通過採用其他裝置或者連接的一間接的電連接。
第1圖是本發明一實施例提供的AB類放大器100的示意圖。如第1圖所示，AB類放大器100包括：輸入級110，兩個疊接級(cascode)120_1和120_2，和兩個輸出級130_1和130_2。在該例子中，AB類放大器100是靜態AB放大器，這意味著該AB類放大器100一直作為AB類操作。
輸入級110包括P型金屬氧化物半導體(PMOS)MP1和MP2和3個電 流源I1，I2和I3，其中電流源I1耦接在供電電壓VDD和PMOS MP1和PMOS MP2的源極之間，並且電流源I2和I3分別耦接在地電壓和PMOS MP1和PMOS MP2的漏極之間。輸入級110接收差分輸入信號Vip和Vin，以產生放大的差分輸入信號Von和Vop。疊接級120_1用於根據放大的輸入信號Von產生驅動信號Von_p和Von_n，並且疊接級120_2用於根據放大的輸入信號Vop產生驅動信號Vop_p和Vop_n。輸出級130_1包括PMOS MOP1和NMOS MON1，用於根據驅動信號Von_p和Von_n產生輸出信號Vout_N；以及輸出級130_2包括PMOS MOP2和NMOS MON2，用於根據驅動信號Vop_p和Vop_n產生輸出信號Vout_P，其中，輸出信號Vout_P和Vout_N是差分信號對。
關於疊接級120_1和120_2的操作，疊接級120_1用於產生具有適當的DC電平的驅動信號Von_p和Von_n，以使輸出級130_1作為AB類輸出級操作，並且疊接級120_1進一步包括濾波器(例如高通濾波器)來使驅動信號Von_p和Von_n具有放大的輸入信號Von的AC分量。相似的，疊接級120_2用於產生具有適當的DC電平的驅動信號Vop_p和Vop_n，以使輸出級130_2作為AB類輸出級操作，並且疊接級120_2進一步包括濾波器(例如高通濾波器)來使驅動信號Vop_p和Vop_n具有放大的輸入信號Vop的AC分量。通過使驅動信號Von_p，Von_n，Vop_p和Vop_n具有放大的輸入信號Von和Vop的AC分量，輸出級130_1和130_2的增益在高頻處被提高，放大的輸入信號Von和Vop的電壓擺幅能被減少以改進AB類放大器100的失真/非線性。
第2圖示出本發明一實施例提供的疊接級120_1的示意圖。如第2圖的例子所示，疊接級120_1包括高通濾波器222，PMOS MFP1，NMOS MFN1和兩個電流源I4和I5，其中高通濾波器222包括電容器C1和電阻器R1。在第2圖所示 出的疊接級120_1的操作中，PMOS MFP1的柵極被由電阻器R1和電容器C1對偏置電壓Vbp分壓所得到的偏置電壓偏置，並且NMOS MFN1的柵極被偏置電壓Vbn偏置，並且PMOS MFP1和NMOS MFN1用於提供適當的DC偏移給驅動信號Von_p，以使得輸出級130_1的PMOS MOP1工作在飽和區(saturation region)。並且放大的輸入信號Von作為驅動信號Von_n。此外，當放大的輸入信號Von具有高頻，放大的輸入信號Von的高頻AC分量允許被輸入到PMOS MFP1的柵極，並且PMOS MFP1作為源極跟隨器(source follower)，使得驅動信號Von_p具有由放大的輸入信號Von提供的高頻AC分量。所以，由於驅動信號Von_p在高頻處具有由放大的輸入信號Von提供的高頻AC分量，所以可以認為疊接級120_1為輸出級130_1提供了額外的增益，並且放大後的輸入信號Von的電壓擺幅可以被減小，並且由於放大的輸入信號Von具有較低的電壓擺動，改善了AB類放大器100的失真/非線性。
此外，因為當放大的輸入信號Von具有低頻率時，AB類放大器100的線性度足夠好，所以高通濾波器222的轉角(corner)能夠被選擇在較高頻率上，例如40MHz，並且電阻器R1和電容器C1可以被設計得更小以節省製造成本。
第2圖的電路僅僅是示例性目的，不是對本發明的限制。例如，只要PMOS MFP1能接收放大的輸入信號Von的高頻AC分量，高通(high-pass)濾波器222也可以具有其他電路設計，或者高通濾波器222可以替換為帶通(band-pass)濾波器。此外，一個或者複數個電晶體能被放置在電流源I4和PMOS MFP1的源極(NMOS MFN1的漏極)之間，一個或者複數個電晶體能被放置在電流源I5和PMOS MFP1的漏極(NMOS MFN1的源極)之間，一個或者複數個電晶體能放置在PMOS MOP1和供電電壓VDD之間，和/或一個或者複數個電晶體被放置在 NMOS MON1和地電壓之間。這些替代的設計也將落入本發明的範圍內。
第3圖示出本發明另一實施例提供的疊接級120_1的示意圖。在第3圖所示的例子中，疊接級120_1包括：高通濾波器322，PMOS MFP2，NMOS MFN2，和兩個電流源I6和I7，其中高通濾波器322包括電容器C2和電阻器R2。在第3圖所示出的疊接級120_1的操作中，NMOS MFN2的柵極被由電阻器R2和電容器C2對偏置電壓Vbn分壓所得到的偏置電壓偏置，並且PMOS MFP2的柵極被偏置電壓Vbp偏置，並且放大的輸入信號Von作為驅動信號Von_p。此外，當放大的輸入信號Von具有高頻，放大的輸入信號Von的高頻AC分量允許被輸入到NMOS MFN2的柵極，並且NMOS MFN2作為源極跟隨器，使得驅動信號Von_n具有由放大的輸入信號Von提供的高頻AC分量。所以，由於驅動信號Von_n在高頻處具有由放大的輸入信號Von提供的高頻AC分量，所以可以認為疊接級120_1為輸出級130_1提供了額外的增益，並且放大後的輸入信號Von的電壓擺幅可以被減小，並且由於放大的輸入信號Von具有較低的電壓擺動，改善了AB類放大器100的失真/非線性。
第4圖是本發明另一實施例提供的疊接級120_1的示意圖。在第4圖的例子中，疊接級120_1包括：高通濾波器422和424，PMOS MFP3，NMOS MFN3，和兩個電流源I8和I9，其中高通濾波器422包括電容器C3和電阻器R3，以及該高通濾波器424包括電容器C4和電阻器R4。在第4圖所示的疊接級120_1的操作中，PMOS MFP3的柵極被由電阻器R3和電容器C3對偏置電壓Vbp分壓所得到的偏置電壓偏置，並且NMOS MFN3的柵極被由電阻器R4和電容器C4對偏置電壓Vbn分壓所得到的偏置電壓偏置。第4圖所示的例子是第2圖和第3圖所示的例子的合併。相似的，第4圖中示出的放大的輸入信號Von的電壓擺幅可以被減小，並且由於放大的輸入信號Von具有較低的電壓擺動，改善了AB類放大器100的失真/ 非線性。
第5圖是本發明另一實施例提供的AB類放大器500的示意圖。如第5圖所示，AB類放大器500包括輸入級510，疊接級520_1和520_2，以及輸出級530_1和530_2。在該例子中，AB類放大器500是靜態AB類放大器，也就是說，AB類放大器500總是作為AB類操作。
輸入級510包括2個NMOS MN1和MN2，3個電流源I1’、I2’和I3’，其中，電流源I1’耦接在地電壓和NMOS MN1和MN2的源極之間，電流源I2’和I3’分別耦接在供電電壓VDD和NMOS MN1和MN2的漏極之間。輸入級510用於接收差分輸入信號Vip和Vin，以產生差分的放大的輸入信號Von和Vop。疊接級520_1用於根據放大的輸入信號Von產生驅動信號Von_p和Von_n，疊接級520_2用於根據放大的輸入信號Vop產生驅動信號Vop_p和Vop_n。輸出級530_1包括PMOS MOP1和NMOS MON1，並且用於根據驅動信號Von_p和Von_n產生輸出信號Vout_N；輸出級530_2包括PMOS MOP2和NMOS MON2，並且用於根據驅動信號Vop_p和Vop_n產生輸出信號Vout_P，其中，輸出信號Vout_N和Vout_P是差分信號對。
除了輸入級510之外，AB類放大器500與第1圖中的AB類放大器100相似，並且疊接級520_1和520_2的操作和電路設計可以根據第2-4圖所示例子實現。此處省略進一步的詳細描述。
第6圖示出本發明另一實施例提供的AB類放大器600的示意圖。如第6圖所示，AB類放大器600包括輸入級610，疊接級620_1和620_2，以及輸出級 630_1和630_2。在該例子中，AB類放大器600是靜態AB類放大器，也就是說，AB類放大器600總是作為AB類操作。
輸入級610包括2個PMOS MP1’和MP2’，2個NMOS MN1’和MN2’，和2個電流源I1”和I2”，其中，電流源I1”耦接在供電電壓VDD和PMOS MP1和MP2的源極之間，電流源I2”耦接在地電壓和NMOS MN1和MN2的源極之間。輸入級610用於接收差分輸入信號Vip和Vin，以產生放大的差分輸入信號。疊接級620_1用於根據放大的輸入信號產生驅動信號Von_p和Von_n，以及疊接級620_2用於根據放大的輸入信號產生驅動信號Vop_p和Vop_n。輸出級630_1包括PMOS MOP1和NMOS MON1，並且用於根據驅動信號Von_p和Von_n產生Vout_N；並且輸出級630_2包括PMOS MOP2和NMOS MON2，用於根據驅動信號Vop_p和Vop_n產生輸出信號Vout_P，其中，輸出信號Vout_N和Vout_P是差分信號對。
除了輸入級610之外，AB類放大器600與第1圖和第5圖中的AB類放大器相似，其中，輸入級610是包括NMOS和PMOS的互補(complementary)輸入級。疊接級620_1和620_2的操作和電路設計可以根據第2-4圖所示例子實現。此處省略進一步的詳細描述。
簡而言之，在本發明的AB類放大器中，通過使用具有高通濾波器的疊接級，AC分量被輸入到疊接級的一個或者複數個電晶體中，以增加AB類放大器的增益，並且在疊接級處的信號的電壓擺幅能被降低，並且由於較低的電壓擺動，改善了AB類放大器100的失真/非線性。
儘管已使用實用和優選的實施例描述了本發明，但是應該理解的 是，本發明不必限於所公開的實施例。相反的，旨在覆蓋包括在所附請求項的精神和範圍內的各種修改和類似的佈置，這些附加的請求項將被賦予最寬泛的解釋以涵蓋所有這樣的修改和類似的結構。以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

Claims (13)

  1. 一種AB類放大器，包括：疊接級，具有濾波器，所述疊接級用於接收輸入信號，以產生第一驅動信號和第二驅動信號；其中所述濾波器對所述輸入信號濾波，以產生濾波的輸入信號，並且所述第一驅動信號和所述第二驅動信號中至少一個是根據所述濾波的輸入信號產生的；以及輸出級，耦接到所述疊接級，用於根據所述第一驅動信號和所述第二驅動信號，產生輸出信號；其中，所述第一驅動信號和所述第二驅動信號包括所述輸入信號的交流AC分量。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的AB類放大器，所述濾波器是高通濾波器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的AB類放大器，所述疊接級包括：P型電晶體，其中，所述濾波的輸入信號被輸入到所述P型電晶體的柵極，以在所述P型電晶體的源極產生第一驅動信號。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的AB類放大器，所述濾波器是高通濾波器，所述疊接級包括輸入端，用於接收所述輸入信號，並且所述濾波器包括：電容器，耦接在所述輸入端和所述P型電晶體的柵極之間；電阻器，耦接在偏置電壓和所述P型電晶體的柵極之間。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的AB類放大器，所述輸出級包括：以疊接方式連接的P型輸出電晶體和N型輸出電晶體，其中，P型輸出電晶體接收第一驅動信號，N型輸出電晶體接收作為所述第二驅動信號的所述輸入信號，以產生所述輸出信號。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的AB類放大器，所述疊接級，包括：N型電晶體，其中所述濾波的輸入信號被輸入到所述N型電晶體的柵極，以在所述N型電晶體的源極處產生第二驅動信號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的AB類放大器，所述濾波器是高通濾波器，所述疊接級包括輸入端，用於接收所述輸入信號，並且所述濾波器包括：電容器，耦接在所述輸入端和所述N型電晶體的柵極之間；電阻器，耦接在所述偏置電壓和所述N型電晶體的柵極之間。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的AB類放大器，所述輸出級包括以疊接方式連接的P型輸出電晶體和N型輸出電晶體，其中所述N型輸出電晶體接收所述第二驅動信號，所述P型輸出電晶體接收作為所述第一驅動信號的所述輸入信號，以產生所述輸出信號。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的AB類放大器，所述疊接級包括：P型電晶體，其中所述濾波的輸入信號被輸入到所述P型電晶體的柵極，以在所述P型電晶體的源極處產生所述第一驅動信號；N型電晶體，其中所述濾波的輸入信號被輸入到所述N型電晶體的柵極，以在所述N型電晶體的源極處產生所述第二驅動信號。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的所述的AB類放大器，所述疊接級包括輸入端，用於接收所述輸入信號，所述濾波器包括：第一電容器，耦接在所述輸入端和所述P型電晶體的柵極之間；第一電阻器，耦接在第一偏置電壓和所述P型電晶體的柵極之間；第二電容器，耦接在所述輸入端和所述N型電晶體的柵極之間；第二電阻器，耦接在第二偏置電壓和所述N型電晶體的柵極之間。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的AB類放大器，所述輸出級包括以疊接方式連接的P型輸出電晶體和N型輸出電晶體，其中P型輸出電晶體接收所述第一驅動信號，並且所述N型輸出電晶體接收所述第二驅動信號，以產生所述輸出信號。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的AB類放大器，其中，所述輸入信號係差分輸入信號對中的一個信號。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的AB類放大器，還包括：輸入級，用於接收輸入信號，以產生放大的輸入信號；所述疊接級，與所述輸入級耦接，所述疊接級用於接收放大的輸入信號，以產生第一驅動信號和第二驅動信號；其中所述濾波器對所述放大的輸入信號濾波，以產生濾波的輸入信號，並且所述第一驅動信號和所述第二驅動信號中至少一個是根據所述濾波的輸入信號產生的。
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