TWI681621B - 放大器電路 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種放大器電路，包含一輸入級電路、至少一阻抗元件以及一電流供應電路，其中該輸入級電路耦接於該放大器之至少一輸入端子以及該放大器之至少一輸出端子之間，該至少一阻抗元件耦接於一第一參考電壓以及該至少一輸出端子之間，且該電流供應電路耦接於一第二參考電壓以及該至少一輸出端子之間。該輸入級電路係用來因應該至少一輸入端子上之輸入訊號產生一訊號電流，而該電流供應電路係用來供應至少一調整電流。另外，該至少一輸出端子上之輸出訊號的共模電壓位準係透過該至少一調整電流控制，以允許該放大器電路進行低電壓操作。

Description

放大器電路
本發明係關於電子電路，尤指一種放大器電路。
為了最佳化一放大器電路的效能，通常需要設計足夠大的偏壓電流以及輸出阻抗。舉例來說，設計者為了提升該放大器電路的跨導(transconductance)，需提升該放大器電路的偏壓電流；而為了提升輸出訊號的振幅空間，則需提升該放大器電路的輸出阻抗。然而，以上方式均會降低該放大器電路中之一或多個特定元件的電壓頂部空間(voltage headroom)。
在相關技術中，上述問題經常透過增加電晶體的大小來解決。然而，隨著操作電壓不斷被壓低，增加電晶體的大小變得難以應付低電壓操作的需求。因此，需要一種新穎的方法，以在沒有副作用或較不會帶來副作用的情況下解決相關技術的問題。
本發明之一目的在於提供一種放大器電路，以在不增加電晶體的大小的狀況下增加該放大器電路的效能。
本發明之另一目的在於提供一種放大器電路，以使得該放大器電路進行低電壓操作時最佳化該放大器電路的效能。
本發明之至少一實施例提供一種放大器電路，其中該放大器電路包含一輸入級電路、至少一阻抗元件、一電流供應電路。該輸入級電路耦接於該放大器之至少一輸入端子以及該放大器之至少一輸出端子之間，該至少一阻抗 元件耦接於一第一參考電壓以及該至少一輸出端子之間，且該電流供應電路耦接於一第二參考電壓以及該至少一輸出端子之間。在該放大器電路的操作中，該輸入級電路係用來因應該至少一輸入端子上之一輸入訊號產生一訊號電流，該電流供應電路係用來供應至少一調整電流。另外，該至少一輸出端子上之一輸出訊號的一共模電壓位準係透過該至少一調整電流來控制，以允許該放大器電路進行低電壓操作。
本發明所提供之放大器電路的優點在於，在低電壓操作下，該放大器電路能在不增加電晶體大小的情況下，維持住其效能或提升其效能。因此，本發明能在沒有副作用或較不會帶來副作用的情況下，解決相關技術的問題。
10、30、40、50、60、70‧‧‧放大器電路
120‧‧‧輸入級電路
140‧‧‧電流供應電路
360、560‧‧‧共模反饋電路
VREF1、VREF2、VCM、VREF3、VREF4、VREF5‧‧‧參考電壓
VCMFB1、VCMFB2‧‧‧控制訊號
I1、I2、TAIL1、I3、I4、TAIL2‧‧‧電流源
MP1、MN1、 MP2、MN2、 MP3、MN3‧‧‧電晶體
RP、RN‧‧‧電阻器
IP1、IN1、IP2、IP3、IN3、IP4‧‧‧輸入端子
OP1、ON1、OP2、OP3、ON3、OP4‧‧‧輸出端子
LV‧‧‧電壓位準
I‧‧‧電流
R‧‧‧電阻值
第1圖為依據本發明一實施例之一差動放大器電路的示意圖。
第2圖為依據本發明一實施例之一輸出訊號的示意圖。
第3圖為依據本發明一實施例之具有一共模反饋電路之一差動放大器電路的示意圖。
第4圖為依據本發明一實施例之一單端放大器電路的示意圖。
第5圖為依據本發明一實施例之具有一共模反饋電路之一單端放大器電路的示意圖。
第6圖為依據本發明一實施例之一差動放大器電路的示意圖。
第7圖為依據本發明一實施例之一單端放大器電路的示意圖。
第1圖為依據本發明一實施例之放大器電路10的示意圖，其中放大器 電路10包含一輸入級電路120、至少一阻抗元件、以及一電流供應電路140。在本實施例中，上述至少一阻抗元件可使用任意合適的負載元件，諸如主動元件或被動元件；為便於理解，本實施例以電阻器RP及RN為例，但本發明不限於此。如第1圖所示，放大器電路10為一差動(differential)放大器電路，其中電阻器RP耦接於參考電壓VREF1與放大器電路10的輸出端子OP1之間，而電阻器RN耦接於參考電壓VREF1與放大器電路10的輸出端子ON1之間。輸入級電路120可包含至少一電晶體諸如電晶體MP1及MN1，其中電晶體MP1及MN1的閘極端子分別耦接至放大器電路10的輸入端子IP1及IN1以接收放大器電路10的輸入訊號，電晶體MP1及MN1的源極端子均耦接至一電流源TAIL1，而電晶體MP1及MN1的汲極端子分別耦接至輸出端子OP1與ON1。電流供應電路140可包含至少一電流源諸如電流源I1及I2，其中電流源I1耦接於參考電壓VREF2與輸出端子OP1之間，而電流源I2耦接於參考電壓VREF2與輸出端子ON1之間。請注意，在本實施例中，參考電壓VREF2的電壓位準大於參考電壓VREF1，也就是說，電流源I1及I2中之每一者可視為一高壓電流源。在本實施例中，電晶體MP1及MN1可因應輸入端子IP1及IN1上之差動輸入訊號分別產生訊號電流，而放大器電路10可據以在輸出端子OP1及ON1上分別產生差動輸出訊號諸如輸出訊號VOP1及VON1。
請連同第1圖參考第2圖，其中第2圖為依據本發明一實施例之輸出訊號VOP1的示意圖。在本實施例中，假設放大器電路10的電流源TAIL1的電流被設計為2 * I，電阻器RP及RN的電阻值被設計為R，且參考電壓VREF1的電壓位準為LV，若電流供應電路140中的電流源I1未產生任何電流(尤其，電流供應電路140被關閉)，輸出訊號VOP1的一共模電壓位準(例如輸出訊號VOP1及VON1的一共模電壓位準)為LV-(I * R)，且輸出訊號VOP1的一最高電壓位準以及一最低電壓位準分別為LV以及LV-(2 * I * R)(如第2圖的左半部所示)。當參考電壓VREF1的電壓位準LV因功耗等考量而被迫降低時，電流供應電路140中的電流 源I1能產生一調整電流來控制輸出訊號VOP1的電壓位準(諸如該共模電壓位準、該最高電壓位準以及該最低電壓位準)，以避免放大器電路10的效能因降低電壓位準LV而衰減。假設電流源I1所供應的調整電流為0.5 * I，該共模電壓位準為LV-(0.5 * I * R)，且該最高電壓位準以及該最低電壓位準分別為LV+(0.5 * I * R)以及LV-(1.5 * I * R)(如第2圖的右半部所示)。
由以上說明可知，輸出訊號VOP1的電壓位準係藉由電阻器RP、電晶體MP1所產生的訊號電流以及電流源I1所供應的調整電流來決定。尤其是，該最高電壓位準係在電晶體MP1所產生的訊號電流為零(電晶體MP1被關閉)的情況下發生，因此，電流源I1所供應的調整電流會流向電阻器RP而不是電晶體MP1，使得輸出訊號VOP1的電壓位準大於參考電壓VREF1的電壓位準LV。也就是說，電流供應電路140能使得放大器電路10的輸出訊號VOP1的電壓位準不受參考電壓VREF1的電壓位準LV限制。由於輸出訊號VOP1及VON1為放大器電路10的一組差動輸出訊號，相關領域者在閱讀以上說明後應可理解輸出訊號VON1的電壓位準與輸出訊號VOP1的電壓位準之間的關係，為簡明起見，輸出訊號VON1的相關細節在此不贅述。
第3圖為依據本發明一實施例之放大器電路30的示意圖。相較於第1圖所示之放大器電路10，放大器電路30可另包含一共模反饋電路360，其中共模反饋電路360可耦接至輸出端子OP1及ON1、一參考電壓VCM以及電流供應電路140。在本實施例中，電流源I1及I2可分別透過電晶體MP2及MN2來實施，其中共模反饋電路360係透過一控制端子耦接至電晶體MP2及MN2的閘極端子，以傳送一控制訊號VCMFB1，而上述調整電流的大小係透過控制訊號VCMFB1的電壓位準來控制。
在本實施例中，共模反饋電路360可偵測輸出訊號VOP1及VON1的電壓位準以取得輸出訊號VOP1及VON1的該共模電壓位準，其中該共模電壓位準 係輸出訊號VOP1及VON1的平均值。共模反饋電路360可接著將該共模電壓位準與參考電壓VCM的電壓位準進行比較以產生一比較結果，並依據該比較結果來調整該至少一調整電流。假設參考電壓VCM的電壓位準為0.8V、I=1mA(這表示電流源TAIL1的電流被設計為2mA)且R=200Ω，此時若參考電壓VREF1的電壓位準LV不低於1V，共模反饋電路360可偵測到輸出訊號VOP1及VON1的該共模電壓位準不低於0.8V，因此可透過控制訊號VCMFB1關閉電流供應裝置140；若參考電壓VREF1的電壓位準LV低於1V(例如0.9V)，此時會造成該共模電壓位準降低為0.7V，共模反饋電路360可偵測到該共模電壓位準低於0.8V，因此可透過控制訊號VCMFB1開啟電流供應裝置140以控制電晶體MP2及MN2中之每一者供應一高壓電流(例如大小為0.5mA的調整電流)，如此一來，流經電阻器RP及RN中之每一者的電流會從1mA減少為0.5mA，而該共模電壓位準即可從0.7V上升為0.8V，確保了放大器電路30中的元件(諸如電晶體MP1及MP2以及電流源TAIL中的元件)有足夠的電壓頂部空間(voltage headroom)。例如，共模反饋電路360可包含耦接於輸出端子OP1及ON1之間且具有相同電阻值的彼此串聯的兩個電組器，用來對輸出訊號VOP1及VON1進行一平均操作以於這兩個電組器之間的端子產生該平均值，且可包含耦接至此端子的一比較器，用來將該共模電壓位準與參考電壓VCM的電壓位準進行比較以產生該比較結果，以供調整該至少一調整電流，但本發明不限於此。在閱讀以上實施例後，相關領域者應可理解共模反饋電路的實施細節，為簡明起見在此不贅述。
第4圖為依據本發明一實施例之放大器電路40的示意圖，其中放大器電路40係基於第1圖所示之放大器電路10來修改的一單端(single-ended)放大器電路，其包含一輸入端子IP2以及一輸出端子OP2，而放大器電路40的架構與放大器電路10的左半部(或右半部)類似，其差異在於電晶體MP1的源極端子係耦接至一固定參考電壓(例如接地電壓)而不是電流源TAIL1。相關領域者在閱 讀放大器電路10的操作後，應可理解放大器電路40的操作細節，為簡明起見在此不贅述。
第5圖為依據本發明一實施例之放大器電路50的示意圖。相較於第4圖所示之放大器電路40，放大器電路50可另包含一共模反饋電路560。與第3圖所示之共模反饋電路360類似，共模反饋電路560能偵測輸出端子OP2上的輸出訊號VOP2的一共模電壓位準，以因應參考電壓VREF1的電壓位準LV的變化並動態地調整放大器電路50的輸出訊號VOP2的該共模電壓位準，其中輸出訊號VOP2的該共模電壓位準。為了取得輸出訊號VOP2的該共模電壓位準，共模反饋電路560可包含一低通濾波器(未顯示)耦接至輸出端子OP2，用來接收輸出訊號VOP2以產生輸出訊號VOP2的該共模電壓位準，其中該低通濾波器可取代該兩個電組器，且該比較器可耦接至該低通濾波器的輸出端子。例如，該低通濾波器可去除輸出訊號VOP2中的交流(alternating current,AC)訊號以取得輸出訊號VOP2中的直流(direct current,DC)訊號，且該比較器可將該直流訊號與參考電壓VCM作比較並據以產生控制訊號VCMFB2來控制電流源I1(電晶體MP2)，但本發明不限於此。
請注意，放大器電路10、30、40以及50的架構只是為了說明之目的，並非本發明的限制。例如，放大器電路10、30、40以及50係利用N型電晶體(諸如電晶體MP1及MN1)來接收輸入訊號，而分別於第6圖以及第7圖所示之放大器電路60以及70則是利用P型電晶體來接收輸入訊號(例如，電晶體MP3及MN3的閘極端子分別耦接至放大器電路60的輸入端子IP3及IN3)，但本發明不限於此。
在第6圖的實施例中，參考電壓VREF4的電壓位準低於參考電壓VREF3，也就是說，電流源I3及I4中之每一者可視為一低壓電流源。例如，當放大器電路60的參考電壓VREF5基於功耗的考量而被迫降低，放大器電路60能藉 助於電流源I3及I4來降低輸出端子OP3上的輸出訊號VOP3以及輸出端子ON3上的輸出訊號VON3的一共模電壓位準，以避免放大器電路60的效能因其內的元件(諸如電流源TAIL2以及電晶體MP3及MN3)的電壓頂部空間不足而衰減；此外，輸出訊號VOP3及VON3的電壓位準不受參考電壓VREF3的電壓位準的限制。另外，放大器電路60可另包含一共模反饋電路(未顯示)來進行與第3圖所示之實施例類似的操作。例如，這個共模反饋電路可包含耦接於輸出端子OP3及ON3之間且具有相同電阻值的彼此串聯的兩個電組器，用來對輸出訊號VOP3及VON3進行一平均操作以於這兩個電組器之間的端子產生輸出訊號VOP3及VON3的一平均值，且可包含耦接至此端子的一比較器，用來將本實施例中之該共模電壓位準與參考電壓VCM的電壓位準進行比較以產生該比較結果，以供調整該至少一調整電流，但本發明不限於此。在閱讀以上說明後，相關領域者應可理解將第3圖之實施例所述之共模反饋機制應用於放大器電路60的實施細節，為簡明起見在此不贅述。
另外，放大器電路70係基於第6圖所示之放大器電路60來修改的一單端放大器電路，其包含一輸入端子IP4以及一輸出端子OP4，而放大器電路70的架構與放大器電路60的左半部(或右半部)類似，其差異在於電晶體MP3的源極端子係耦接至一固定參考電壓(例如參考電壓VREF5)而不是電流源TAIL2。與放大器電路60類似，放大器電路70能藉助於電流源I3來降低輸出端子OP4上的輸出訊號VOP4的電壓位準，且輸出訊號VOP4的電壓位準不受參考電壓VREF3的電壓位準的限制。另外，放大器電路70可另包含一共模反饋電路(未顯示)來進行與第5圖所示之實施例類似的操作。在閱讀以上說明後，相關領域者應可理解將第5圖之實施例所述之共模反饋機制應用於放大器電路70的實施細節，為簡明起見在此不贅述。
總結來說，本發明透過在一放大器電路中增加額外的高壓(或低壓) 電流源以在該放大器的輸出端子注入(或抽取)一調整電流，以允許該放大器電路進行低電壓操作。舉例來說，在該放大器電路的一參考電壓的電壓位準下降時，該調整電流能避免該放大器電路中的元件因該輸出端子上的輸出訊號的電壓位準下降而造成的問題(例如，電壓頂部空間不足等)；此外，由於該調整電流係透過一高電壓(或一低電壓)來提供，該輸出訊號的電壓位準不會被該參考電壓的電壓位準限制。另外，本發明的放大器電路不限於上述放大器電路10、30、40、50、60及70中之任一者的架構，凡是在該放大器電路的輸出端子注入(或抽取)該調整電流來調整該輸出訊號的電壓位準的放大器電路，均隸屬於本發明之範疇。
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。
10‧‧‧放大器電路
120‧‧‧輸入級電路
140‧‧‧電流供應電路
VREF1、VREF2‧‧‧參考電壓
I1、I2、TAIL1‧‧‧電流源
MP1、MN1‧‧‧電晶體
RP、RN‧‧‧電阻器
IP1、IN1‧‧‧輸入端子
OP1、ON1‧‧‧輸出端子

Claims (10)

  1. 一種放大器電路，包含：一輸入級電路，耦接於該放大器之至少一輸入端子以及該放大器之至少一輸出端子之間，用來因應該至少一輸入端子上之一輸入訊號產生一訊號電流；至少一阻抗元件，耦接於一第一參考電壓以及該至少一輸出端子之間；以及一電流供應電路，耦接於一第二參考電壓以及該至少一輸出端子之間，用來供應至少一調整電流；其中該至少一輸出端子上之一輸出訊號的一訊號參考位準係透過該至少一調整電流來控制；其中在該放大器電路的一第一運作狀況下，該至少一阻抗元件上的電流係自該第一參考電壓流向該至少一輸出端子，而在該放大器電路的一第二運作狀況下，該至少一阻抗元件上的電流係自該至少一輸出端子流向該第一參考電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之放大器電路，其中該輸出訊號的電壓位準係藉由該至少一阻抗元件、該訊號電流以及該至少一調整電流來決定。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之放大器電路，其中該輸出訊號的最高電壓位準或最低電壓位準不受該第一參考電壓的電壓位準限制。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之放大器電路，其中該輸入級電路包含至少一電晶體，且該輸入訊號係透過該至少一電晶體之一閘極端子來接收。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之放大器電路，其中該電流供應電路包含至少一電晶體，且該至少一調整電流係透過該至少一電晶體之一閘極端子上的電壓位準來控制。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之放大器電路，另包含：一共模反饋電路，耦接於該至少一輸出端子與該電流供應電路之間，其中該共模反饋電路將該輸出訊號的該訊號參考位準與一參考電壓位準進行比較以產生一比較結果，並依據該比較結果來調整該至少一調整電流。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之放大器電路，其中該放大器電路為一差動放大器，且該輸出訊號係該差動放大器之一組差動輸出訊號中之一差動輸出訊號，其中該輸出訊號的該訊號參考位準係該組差動輸出訊號的一共模電壓位準。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之放大器電路，其中該輸出訊號的該共模電壓位準係該組差動輸出訊號的平均值。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之放大器電路，其中該放大器電路為一單端放大器，且該輸出訊號係該單端放大器之一單端輸出訊號，其中該輸出訊號的該訊號參考位準係該單端輸出訊號中的直流訊號的電壓位準。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之放大器電路，其中該共模反饋電路包含 一低通濾波器，耦接至該至少一輸出端子，用來接收該單端輸出訊號以產生該輸出訊號中的該直流訊號的電壓位準。
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