TWI694674B

TWI694674B - 可調增益放大器裝置

Info

Publication number: TWI694674B
Application number: TW108121562A
Authority: TW
Inventors: 謝依峻
Original assignee: 瑞昱半導體股份有限公司
Priority date: 2019-06-20
Filing date: 2019-06-20
Publication date: 2020-05-21
Also published as: US20200403579A1; TW202101900A; US11196389B2

Abstract

可調增益放大器裝置包含可調增益放大器電路系統以及控制電壓產生電路系統。可調增益放大器電路系統用以放大複數個輸入訊號，以產生複數個輸出訊號，其中該可調增益放大器電路系統包含一增益設定電路，其用以根據一控制電壓設定該可調增益放大器電路系統的一增益。控制電壓產生電路系統用以模擬該可調增益放大器電路系統中的至少一電路部分，以根據該些輸入訊號以及一設定電壓產生該控制電壓。

Description

可調增益放大器裝置

本案是有關於一種可調增益放大器裝置，且特別是有關於可降低溫度影響的可調增益放大器裝置。

可調增益放大器常見於訊號收發的應用中，以將所收到的第一訊號放大為具有適合振幅的第二訊號，以利後續的訊號處理。然而，在現有技術中，當操作溫度出現變化時，可調增益放大器的增益可能出現偏移，使得放大後的第二訊號可能會具有不正確的振幅。

為了解決上述問題，本案之一些態樣提供一種可調增益放大器裝置，其包含可調增益放大器電路系統以及控制電壓產生電路系統。可調增益放大器電路系統用以放大複數個輸入訊號，以產生複數個輸出訊號，其中該可調增益放大器電路系統包含一增益設定電路，其用以根據一控制電壓設定該可調增益放大器電路系統的一增益。控制電壓產生電路系統用以模擬該可調增益放大器電路系統中的至少一電路部分，以根據該些輸入訊號以及一設定電壓產生該控制電壓。

本案之一些態樣提供一種可調增益放大器裝置，其包含複數個第一電晶體、一第二電晶體、一第三電晶體、一第四電晶體以及一放大器。複數個第一電晶體用以根據一第一輸入訊號與一第二輸入訊號產生一第一輸出訊號與一第二輸出訊號。第二電晶體與該些第一電晶體耦接至一第一節點與一第二節點，其中該第二電晶體用以接收一控制電壓以設定一增益。第三電晶體用以接收一第一參考訊號。第四電晶體的一第一端耦接至該第三電晶體。該放大器的一第一輸入端接收一第二參考訊號，該放大器的一第二輸入端耦接至該第四電晶體的一第二端，且該放大器的一輸出端耦接至該第四電晶體的一控制端並用以輸出該控制電壓。

綜上所述，本案一些實施例的可調增益放大器裝置可在不同操作溫度下提供一固定增益。

100‧‧‧可調增益放大器裝置

120‧‧‧可調增益放大器電路系統

VIP、VIN‧‧‧輸入訊號

VOP、VON‧‧‧輸出訊號

122‧‧‧增益設定電路

140‧‧‧控制電壓產生電路系統

VSP、VSN‧‧‧節點電壓

VC‧‧‧控制電壓

M1~M3‧‧‧電晶體

VA‧‧‧設定電壓

201~202‧‧‧電流源電路

R1~R3‧‧‧電阻

VGS_M1‧‧‧跨壓

NN、NP‧‧‧節點

VGS_M1P‧‧‧跨壓

VGS_M2‧‧‧跨壓

VDD‧‧‧電壓

I‧‧‧電流

300‧‧‧模擬電路

310‧‧‧回授控制電路

M1P、M3P‧‧‧電晶體

VREF1、VREF2‧‧‧參考訊號

V3P_1、V3P_2‧‧‧電壓

[VIP+VIN]/2+VA‧‧‧電壓

[VSP+VSN]/2-VA‧‧‧電壓

2×VA‧‧‧壓差

312‧‧‧放大器

301‧‧‧電流源電路

本案所附圖式之說明如下：第1圖為根據本案一些實施例所繪示的可調增益放大器裝置的示意圖；第2圖為根據本案一些實施例所繪示第1圖的可調增益放大器電路系統的示意圖；以及第3圖為根據本案一些實施例所繪示第1圖的控制電壓產生電路系統的示意圖。

本案所使用的所有詞彙具有其通常的意涵。上述之詞彙在普遍常用之字典中之定義，在本案的內容中包含任一於此討論的詞彙之使用例子僅為示例，不應限制到本揭示內容之範圍與意涵。同樣地，本案亦不僅以於此說明書所示出的各種實施例為限。

在本案中，使用第一、第二與第三等等之詞彙，是用於描述各種元件、組件、區域、層與/或區塊是可以被理解的。但是這些元件、組件、區域、層與/或區塊不應該被這些術語所限制。這些詞彙只限於用來辨別單一元件、組件、區域、層與/或區塊。因此，在下文中的一第一元件、組件、區域、層與/或區塊也可被稱為第二元件、組件、區域、層與/或區塊，而不脫離本案的本意。本案中所使用之『與/或』包含一或多個相關聯的項目中的任一者以及所有組合。

關於本案中所使用之『耦接』或『連接』，均可指二或多個元件相互直接作實體或電性接觸，或是相互間接作實體或電性接觸，亦可指二或多個元件相互操作或動作。

於本文中，用語『電路系統(circuitry)』泛指包含一或多個電路(circuit)所形成的單一系統。用語『電路』泛指由一或多個電晶體與/或一或多個主被動元件按一定方式連接以處理訊號的物件。

參照第1圖，第1圖為根據本案一些實施例所繪示的可調增益放大器裝置100的示意圖。於一些實施例中，可調增益放大器裝置100可應用於收發器電路、混合訊號處理電路等等，但本案並不以此為限。

可調增益放大器裝置100包含可調增益放大器電路系統120以及控制電壓產生電路系統140。可調增益放大器電路系統120用以放大輸入訊號VIP與輸入訊號VIN，以產生輸出訊號VOP與輸出訊號VON。於一些實施例中，輸入訊號VIP與輸入訊號VIN可為載有一特定資料的差動訊號。

可調增益放大器電路系統120包含增益設定電路122。增益設定電路122根據控制電壓VC產生一特定元件值(例如為後述的電阻值)，以設定可調增益放大器電路系統120的增益。於一些實施例中，增益設定電路122可由一或多個阻抗性元件、電容性元件、電感性元件或主動元件中至少一者實施。

控制電壓產生電路系統140耦接至可調增益放大器電路系統120。控制電壓產生電路系統140用以根據輸入訊號VIP與VIN、關聯於增益設定電路122的節點電壓VSP與VSN以及設定電壓VA產生前述的控制電壓VC。於一些實施例中，節點電壓VSP與VSN由耦接至增益設定電路122的節點(例如為後述的節點NP與NN)所產生。

於一些實施例中，藉由設置控制電壓產生電路系統140，控制電壓VC可隨著操作溫度被調整，以使增益設定電路122的特定元件值保持固定。如此，可確保可調增益放大器電路系統120在不同的操作溫度下仍可保持一固定的放大增益。

以下段落將說明可調增益放大器裝置100的各個電路的實施方式，但本案並不以下列實施例為限。

參照第2圖，第2圖為根據本案一些實施例所繪示第1圖的可調增益放大器電路系統120的示意圖。為易於理解，第1~2圖中的類似元件將被指定為相同標號。

如第2圖所示，可調增益放大器電路系統120包含電晶體M1~M3、電阻R1~R2以及電流源電路201~202，其中電晶體M3對應於第1圖的增益設定電路122。

電晶體M1與電晶體M2操作為輸入對電路，並分別接收輸入訊號VIP與VIN。詳細而言，電晶體M1的第一端耦接至電阻R1的一端並產生輸出訊號VON，電晶體M1的第二端耦接節點NP，且電晶體M1的控制端用以接收輸入訊號VIP。電晶體M2的第一端耦接至電阻R2的一端並產生輸出訊號VOP，電晶體M2的第二端耦接節點NN，且電晶體M2的控制端用以接收輸入訊號VIN。

電阻R1的另一端與電阻R2的另一端用以接收電壓VDD。於一些實施例中，電阻R1與R2可由電晶體、半導體材料層等等方式實施，但本案並不以此為限。

電流源電路201耦接於節點NP與地之間，並用以提供電流I。電流源電路202耦接於節點NN與地之間，並用以提供電流I。於一些實施例中，電流源電路201與202可由各種類型的電流鏡電路實施，但本案並不以此為限。

電晶體M3耦接於節點NP與節點NN之間，並用以操作為第1圖的增益設定電路122。電晶體M3用以根據控制電壓VC產生一等效電阻值，以設定可調增益放大器電路系統120的增益。例如，若控制電壓VC越大，等效電阻值越低。於此條件下，可調增益放大器電路系統120的增益越大。或者，若控制電壓VC越小，等效電阻值越高。於此條件下，可調增益放大器電路系統120的增益越小。

如第2圖所示，電晶體M3的兩端(即節點NP與節點NN)分別輸出節點電壓VSP與節點電壓VSN。其中，節點電壓VSP以及VSN可推導如下式(1)：VSP=VIP-VGS_M1 VSN=VIN-VGS_M2．．．(1)。其中，VGS_M1為電晶體M1的控制端與第二端之間的跨壓，且VGS_M2為電晶體M2的控制端與第二端之間的跨壓。若電晶體M1與M2的尺寸相同且操作於差動式電路中，上述兩個跨壓VGS_M1與VGS_M2實質上相同，即VGS_M1≒VGS_M2。於此條件下，可由式(1)推得下式(2)：

於一些實施例中，可根據式(2)來實施第1圖的控制電壓產生電路系統140，以產生可隨著操作溫度被調整的控制電壓VC。如此，可調增益放大器電路系統120在不同的操作溫度下的放大增益可被固定。

參照第3圖，第3圖為根據本案一些實施例所繪示第1圖的控制電壓產生電路系統140的示意圖。為易於理解，第1~3圖中的類似元件將被指定為相同標號。

控制電壓產生電路系統140包含模擬電路300以及回授控制電路310。模擬電路300用以模擬可調增益放大器電路系統120中的至少一電路部分的連接關係。於一些實施例中，前述的至少一電路部分包含增益設定電路122。

例如，模擬電路300包含電阻R3、電晶體M1P與M3P以及電流源電路301。電阻R3、電晶體M1P與M3P以及電流源電路301之連接關係用以模擬第2圖中電阻R1、電晶體M1與M3以及電流源電路202的連接關係。詳細而言，電阻R3的一端用以接收電壓VDD，且電阻R3的另一端耦接至電晶體M1P的第一端。電晶體M1P的第二端耦接至電晶體M3P的第一端，且電晶體M1P的控制端用以接收參考訊號VREF1。電晶體M3P的第二端耦接至電流源電路301，且電晶體M3P的控制端用以接收控制電壓VC。

於一些實施例中，電阻R3、電晶體M1P與M3P以及電流源電路301的設置方式(例如為連接關係、阻值、尺寸大小、電流大小、電晶體型態等等)相同於第2圖中的電阻R1、電晶體M1與M3以及電流源電路202的設置方式。於一些實施例中，可利用電路複製(replica)等方式來實施模擬電路300，但本案並不以此為限。

回授控制電路310用以根據電晶體M3P的第二端上的電壓V3P_2以及參考訊號VREF2產生控制電壓VC。於一些實施例中，回授控制電路310包含放大器312。放大器312的第一輸入端接收參考訊號VREF2。放大器312的第二輸入端耦接至電晶體M3P的第二端以接收電壓V3P_2。放大器312的輸出端耦接至電晶體M3P，並用以輸出控制電壓VC。藉由放大器312的回授操作，放大器312的第二輸入端上的電壓 V3P_2會收斂至相同於放大器312的第一輸入端所接收的參考訊號VREF2。

於一些實施例中，參考訊號VREF1或VREF2可經由輸入訊號VIP與VIN、關聯於增益設定電路122的節點電壓VSP與VSN與/或設定電壓VA產生。例如，如第2圖所示，參考訊號VREF1與參考訊號VREF2可分別設定為下式(3)：

依據式(3)，電晶體M3P的第一端上的電壓V3P_1可推得如下式(4)：

其中VGS_M1P為電晶體M1P的控制端與第二端之間的跨壓。若電晶體M1與M1P的尺寸相同，跨壓VGS_M1與VGS_M1P實質上相同，即VGS_M1≒VGS_M1P。於此條件下，可由式(2)與式(4)推得電壓V3P_1為下式(5)：

據此，根據式(3)與式(5)，可推得電晶體M3P兩端的電壓V3P_1與V3P_2之間的壓差為兩倍的設定電壓VA，並可據此推得電晶體M3P的等效阻值RM3P為下式(6)。

根據式(6)，電晶體M3P的等效阻值RM3P可由兩倍的設定電壓VA以及電流I而定。因此，藉由上述設置方式，當操作溫度改變時，控制電壓VC會基於放大器312的回授控制而收斂至一特定值，以使電晶體M3P的等效阻值RM3P仍可符合上式(6)。據此，接收此控制電壓VC的電晶體M3亦會呈現相同的等效阻值RM3P。如此一來，可調增益放大器裝置100在不同的操作溫度下可保持固定的放大增益。

於一些實施例中，控制電壓產生電路系統140更包含一或多個運算電路(未繪示)，以基於輸入訊號VIP與VIN、節點電壓VSP與VSN以及設定電壓VA來產生如式(3)所示的參考訊號VREF1與VREF2。例如，控制電壓產生電路系統140更包含至少一第一運算電路與至少一第二運算電路。至少一第一運算電路用以產生輸入訊號VIP與VIN的一平均值，並相加此平均值與設定電壓VA以產生參考訊號VREF1。至少一第二運算電路用以產生節點電壓VSP與VSN的一平均值，並將此平均值減去設定電壓VA以產生參考訊號VREF2。

在一些相關技術中，電阻分壓電路被使用以產生一控制電壓，以設定可調增益放大器的增益值。於此些技術中，當操作溫度出現變動時，控制電壓亦會產生相應的變動。如此，可調增益放大器的增益值亦會出現變動。

相較於上述技術，在本案一些實施例中，控制電壓VC可依據操作溫度被調整至一特定值，以讓可調增益放大器的增益值保持固定。

為易於理解，上述各圖式僅以N型電晶體為例說明，但本案並非限於上述的圖式。在不違背本案的精神與範圍下，本案各個實施例亦可採用P型電晶體或同時採用多種形式(P型或N型)或種類(場效電晶體與/或雙極性電晶體)的電晶體實施。

綜上所述，本案實施例的可調增益放大器裝置可在不同操作溫度下提供一固定增益。

雖然本案已以實施方式揭露如上，然其並非限定本案，任何熟習此技藝者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可作各種更動與潤飾，因此本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。