TWI761110B - 放大器 - Google Patents

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Abstract

一種放大器，包括一放大器電路以及一增益調整電路。該放大器電路具有一設計增益以及一實際增益，並用以根據一輸入訊號以及該實際增益，輸出一輸出訊號。該增益調整電路耦接於該放大器電路，並用以接收該輸入訊號，以比對該輸入訊號的一電壓與一第一參考電壓，其中，當該輸入訊號的該電壓超過該第一參考電壓時，該增益調整電路提高該放大器電路的該實際增益，使該實際增益往該設計增益靠近。

Description

放大器
本揭示內容係有關於一種放大器，特別是指一種具有增益調整電路的放大器。
一般來說，假設一放大器電路的增益為0dB，當被輸入至放大器電路的輸入訊號為小訊號(例如:70mV)時，放大器電路的輸出訊號的大小大致等於輸入訊號的大小。然而，當輸入訊號為大訊號(例如:1000mV)時，受放大器電路中的電晶體的特性影響，放大器電路的增益難以維持在0dB，造成輸出訊號會小於輸入訊號。簡言之，在接收較大的輸入訊號時，傳統的放大器電路常常會有非線性放大的問題，使後端電路接收到失真的訊號。因此，有必要對傳統的放大器電路進行改善。
本揭示內容的一態樣為一放大器。該放大器包括一放大器電路以及一增益調整電路。該放大器電路具有一設計增益以及一實際增益，並用以根據一輸入訊號以及該實際增益，輸出一輸出訊號。該增益調整電路耦接於該放大器電路，並用以接收該輸入訊號，以比對該輸入訊號的一電壓與一第一參考電壓，其中，當該輸入訊號的該電壓超過該第一參考電壓時，該增益調整電路提高該放大器電路的該實際增益，使該實際增益往該設計增益靠近。
綜上，藉由增益調整電路的設計，本揭示內容的放大器得以在輸入訊號超過第一參考電壓時對放大器電路的實際增益進行調整，使實際增益往原先設計給放大器電路的設計增益靠近。如此一來，放大器在接收不同大小的輸入訊號時均可維持相同增益(即，即便受電晶體特性影響，放大器仍可保有放大的線性度)，以利後端電路接收到未失真的訊號。
下文係舉實施例配合所附圖式作詳細說明，但所描述的具體實施例僅用以解釋本案，並不用來限定本案，而結構操作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本揭示內容所涵蓋的範圍。
在全篇說明書與申請專利範圍所使用之用詞(terms)，除有特別註明外，通常具有每個用詞使用在此領域中、在此揭示之內容中與特殊內容中的平常意義。
另外，關於本文中所使用之「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。
請參閱第1圖，本揭示內容的其中一實施例係關於一放大器100。放大器100包括一放大器電路102以及一增益調整電路104。
於本實施例中，放大器電路102被設計以具有一設計增益Ad。請一併參閱第2圖，理想情況下，放大器電路102係根據一輸入訊號Vin以及設計增益Ad，輸出一輸出訊號Vout，且輸入訊號Vin與輸出訊號Vout之間的關係為線性。舉例而言，不管輸入訊號Vin的大小如何改變，將輸出訊號Vout的大小除以輸入訊號Vin的大小均會得到設計增益Ad。
在實際應用時，放大器電路102係根據輸入訊號Vin以及一實際增益Ar，輸出輸出訊號Vout。然而，當輸入訊號Vin的大小超過一第一參考電壓Vref時，受電晶體特性的影響，輸入訊號Vin與輸出訊號Vout之間的關係無法維持線性。具體而言，當輸入訊號Vin的大小(例如：70mV)未超過第一參考電壓Vref(例如：500mV)時，實際增益Ar大致上還等同於設計增益Ad，但當輸入訊號Vin的大小(例如：1000mV)超過第一參考電壓Vref時，實際增益Ar會變得小於設計增益Ad，且隨著輸入訊號Vin的大小愈來愈大，實際增益Ar與設計增益Ad之間的差距也會愈來愈大。
具體而言，放大器電路102可為一差動放大器，輸入訊號Vin可為一差動訊號。請參閱第3圖，放大器電路102包括一第一放大電晶體121、一第二放大電晶體122、一第一電流源123、一第二電流源124、一第一阻抗元件Z1、一第二阻抗元件Z2以及一第三阻抗元件Z3。輸入訊號Vin具有一正輸入訊號Vin+以及一負輸入訊號Vin-。
第一放大電晶體121的控制端(例如：閘極端)耦接於放大器電路102的負輸入端，並用以接收負輸入訊號Vin-，第二放大電晶體122的控制端(例如：閘極端)耦接於放大器電路102的正輸入端，並用以接收正輸入訊號Vin+。第一放大電晶體121的第一端(例如：汲極端)耦接於放大器電路102的正輸出端，第二放大電晶體122的第一端(例如：汲極端)耦接於放大器電路102的負輸出端。第一阻抗元件Z1的兩端分別耦接於第一放大電晶體121的第二端(例如：源極端)以及第二放大電晶體122的第二端(例如：源極端)。第二阻抗元件Z2的兩端分別耦接於第一放大電晶體121的第一端以及一系統高電壓Vcc，第三阻抗元件Z3的兩端分別耦接於第二放大電晶體122的第一端以及系統高電壓Vcc。第一電流源123耦接於第一放大電晶體121的第二端以及一接地電壓GND，並用以提供一第一偏壓電流Ibias1，第二電流源124耦接於第二放大電晶體122的第二端以及接地電壓GND，並用以提供一第二偏壓電流Ibias2。
又如第1圖所示，增益調整電路104耦接於放大器電路102。於本實施例中，增益調整電路104包括一比較器141以及一處理電路143。比較器141耦接於放大器電路102的正輸入端與負輸入端，處理電路143耦接於比較器141的輸出端，而處理電路143的輸出端則耦接於放大器電路102的第一阻抗元件Z1。
操作時，比較器141用以接收被輸入至放大器電路102的輸入訊號Vin與第一參考電壓Vref，以及比對 輸入訊號Vin的電壓與第一參考電壓Vref。具體而言，第一參考電壓Vref包括一正第一參考電壓Vref+以及一負第一參考電壓Vref-。比較器141用以比對正輸入訊號Vin+的電壓與正第一參考電壓Vref+，以及比對負輸入訊號Vin-的電壓與負第一參考電壓Vref-。當偵測到正輸入訊號Vin+的電壓(例如：600mV)大於正第一參考電壓Vref+(例如：500mV)且負輸入訊號Vin-的電壓(例如：-600mV)小於該負第一參考電壓Vref-(例如：-500mV)時，比較器141輸出一偵測訊號DS至處理電路143。
於本實施例中， 處理電路143用以根據偵測訊號DS降低第一阻抗元件Z1的電阻值。基於小訊號模型，放大器電路102的增益滿足下列公式(1)： Ar=gm*Rd/(1+gm*Rs/2)…(1)
其中，Ar是放大器電路102的實際增益，gm是第一放大電晶體121或第二放大電晶體122的轉導，Rd是第二阻抗元件Z2或第三阻抗元件Z3的電阻值，且Rs是第一阻抗元件Z1的電阻值。
由此可知，當處理電路143降低第一阻抗元件Z1的電阻值時，放大器電路102的實際增益Ar便會提高，以往設計增益Ad靠近。換言之，當比較器141偵測到輸入訊號Vin的電壓超過第一參考電壓Vref時(此時，實際增益Ar將受電晶體特性影響而小於設計增益Ad)，處理電路143便會降低第一阻抗元件Z1的電阻值，以提高放大器電路102的實際增益Ar，進而使實際增益Ar往設計增益Ad靠近。
於另一實施例中，除了輸入訊號Vin與第一參考電壓Vref，比較器141更用以接收大於第一參考電壓Vref的一第二參考電壓(圖中未示)。在處理電路143提高放大器電路102的實際增益Ar後，若輸入訊號Vin的電壓再次提高且超過第二參考電壓時，比較器141將再次輸出偵測訊號DS至處理電路143，使處理電路143再次降低第一阻抗元件Z1的電阻值，以再次提高放大器電路102的實際增益Ar。可以理解的是，比較器141可根據需求接收更多的參考電壓(例如：大於第二參考電壓的一第三參考電壓(圖中未示))，以供處理單元143隨著輸入訊號Vin的大小變大來持續地提高放大器電路102的實際增益Ar。如此一來，調整後的實際增益Ar’(如第2圖所示)相較於調整前的實際增益Ar將擁有更高的線性度。
請一併參閱第3、4圖，具體而言，放大器電路102中的第一阻抗元件Z1包括複數個第一電晶體M1a~M1c、複數個第一電阻R1a~R1c以及複數個第二電阻R2a~R2c。其中，第一電晶體M1a~M1c的第一端(例如：汲極端)藉由第二電阻R2a~R2c耦接於第二放大電晶體122的第二端以及第二電流源124，第一電晶體M1a~M1c的第二端(例如：源極端)藉由第一電阻R1a~R1c耦接於第一放大電晶體121的第二端以及第一電流源123，而增益調整電路104中的處理電路143耦接於第一電晶體M1a~M1c的控制端(例如：閘極端)。
假設在處理單元143接收到偵測訊號DS之前僅有第一電晶體M1a處於導通狀態，此時，第一電晶體M1b~M1c處於斷開狀態，且第一阻抗元件Z1的等效電阻值大致等於第一電阻R1a的電阻值加上第二電阻R2a的電阻值。當接收到偵測訊號DS時，處理電路143可輸出複數個第一控制訊號CS1至第一電晶體M1a~M1c的控制端，使第一電晶體M1a保持在導通狀態，且第一電晶體M1b~M1c由斷開狀態切換為導通狀態。如此一來，第一阻抗元件Z1的等效電阻值將因為三組串聯的電阻(第一電阻R1a與第二電阻R2a、第一電阻R1b與第二電阻R2b、第一電阻R1c與第二電阻R2c)相互並聯而降低。
於另一實施例中，第一阻抗元件Z1可僅包括第一電晶體M1a(即，第4圖中的第一電晶體M1b~M1c、第一電阻R1a~R1c以及第二電阻R2a~R2c被省略)，其中，第一電晶體M1a的第一端耦接於第二放大電晶體122的第二端以及第二電流源124，第一電晶體M1a的第二端耦接於第一放大電晶體121的第二端以及第一電流源123，而處理電路143耦接於第一電晶體M1a的控制端。值得注意的是，第一電晶體M1a被偏置在線性區(或稱歐姆區)。如此一來，當接收到偵測訊號DS時，處理電路143可控制被輸出至第一電晶體M1a的控制端的第一控制訊號CS1的電壓位準，使第一阻抗元件Z1的等效電阻值降低(因為偏置在線性區的第一電晶體M1a的表現，就如同壓控電阻一樣)。
於另一實施例中，當接收到偵測訊號DS，處理電路143用以輸出複數個第三控制訊號(圖中未示)來調整第二阻抗元件Z2的電阻值以及第三阻抗元件Z3的電阻值，以提高放大器電路102的實際增益Ar。基於前述公式(1)，當第二阻抗元件Z2的電阻值以及第三阻抗元件Z3的電阻值受處理電路143調整而提高時，放大器電路102的實際增益Ar便會提高，以往設計增益Ad靠近。具體而言，第二阻抗元件Z2以及第三阻抗元件Z3可分別以可變電阻來實現，或者如第一阻抗元件Z1一樣以電晶體來實現，在此不贅述。
請參閱第5圖，第5圖描述本揭示內容的又另一實施例的放大器200的電路示意圖，其中，放大器200中與放大器100相同或類似的元件(例如：增益調整電路104中的比較器141與處理電路143、第一放大電晶體121、第二放大電晶體122)不再重複描述。於放大器200的操作過程，處理電路143用以根據偵測訊號DS調整第一電流源223提供的第一偏壓電流Ibias1以及第二電流源224提供的第二偏壓電流Ibias2，以提高放大器電路102的實際增益Ar。具體而言，第一電流源223包括一第一電流鏡(由第二電晶體M2a、M2b構成)、一第二電流鏡(由第二電晶體M2a、M2c構成)以及一第三電流鏡(由第二電晶體M2a、M2d構成)，其中，第一電流鏡的輸出端Mo1直接耦接於第一放大電晶體121的第二端，而第二電流鏡的輸出端Mo2以及第三電流鏡的輸出端Mo3則分別藉由第一開關元件SW1、SW2耦接於第一放大電晶體121的第二端。
假設在處理單元143接收到偵測訊號DS之前僅有第一電流鏡根據一第一參考電流Iref提供一第一電流I1，此時，第一電流源223所提供的第一偏壓電流Ibias1即為第一電流I1。當接收到偵測訊號DS時，增益調整電路104中的處理電路143可輸出複數個第二控制訊號CS2至第一開關元件SW1、SW2，來導通第二電流鏡的輸出端Mo2與第一放大電晶體121的第二端，以及導通第三電流鏡的輸出端Mo3與第一放大電晶體121的第二端。如此一來，第一電流I1、第二電流I2(第二電流鏡根據第一參考電流Iref所提供)與第三電流I3(第三電流鏡根據第一參考電流Iref所提供)同時被提供，使第一電流源223所提供的第一偏壓電流Ibias1增加。可以理解的是，第二電流源224可以如第一電流源223一樣以複數個電流鏡(圖中未示)來實現，在此不贅述。
由於第一放大電晶體121(或第二放大電晶體122)的轉導gm與第一偏壓電流Ibias1(或第二偏壓電流Ibias2)的平方根成正比，當第一偏壓電流Ibias1(或第二偏壓電流Ibias2)受處理電路143調整而增加時，第一放大電晶體121(或第二放大電晶體122)的轉導gm便會提高。如此一來，基於前述公式(1)，當第一放大電晶體121(或第二放大電晶體122)的轉導gm提高時，放大器電路102的實際增益Ar便會提高，以往設計增益Ad靠近。
請參閱第6圖，第6圖描述本揭示內容的又另一實施例的放大器300的電路示意圖，其中，放大器300中與放大器100相同或類似的元件不再重複描述。於放大器300的操作過程，處理電路143用以根據偵測訊號DS調整第一電流源323提供的第一偏壓電流Ibias1以及第二電流源324提供的第二偏壓電流Ibias2，以提高放大器電路102的實際增益Ar。具體而言，第一電流源323包括一第一電流鏡(由第二電晶體M2e、M2f構成)以及一第一可變電阻Rv1，其中，第一電流鏡的輸出端Mo1直接耦接於第一放大電晶體121的第二端，而第一可變電阻Rv1則分別耦接於第一電流鏡的輸入端Mi1以及系統高電壓Vcc。
當接收到偵測訊號DS時，處理電路143可輸出第二控制訊號CS2至第一可變電阻Rv1，來降低第一可變電阻Rv1的電阻值，使流入第一電流鏡的輸入端Mi1的第一參考電流Iref增加。第一電流鏡根據增加的第一參考電流Iref增加第一電流I1的提供，使第一電流源323所提供的第一偏壓電流Ibias1增加。如此一來，放大器電路102的實際增益Ar便會提高，以往設計增益Ad靠近。可以理解的是，第二電流源324可以如第一電流源323一樣以一第二電流鏡(圖中未示)以及一第二可變電阻(圖中未示)來實現，在此不贅述。
請參閱第7圖，第7圖描述本揭示內容的又另一實施例的放大器400的電路示意圖，其中，放大器400中與前述實施例相同或類似的元件不再重複描述。放大器400中的放大器電路402為一單端放大器，其中，第一阻抗元件Z1分別耦接於第一放大電晶體121的第二端以及接地電壓GND。於放大器400的操作過程，當處理電路143接收到偵測訊號DS，處理電路143用以輸出第一控制訊號CS1來調整第一阻抗元件Z1的電阻值，使放大器電路502的實際增益Ar提高，以往設計增益Ad靠近。可以理解的是，放大器400中的處理電路143也可用以輸出第二控制訊號(圖中未示)來調整第一電流源123所提供的第一偏壓電流Ibias1，或者用以輸出第三控制訊號(圖中未示)來調整第二阻抗元件Z2的電阻值。
於本實施例中，第一放大電晶體121、第二放大電晶體122、第一電晶體M1a~M1c與第二電晶體M2a~M2f為N型金氧半導體，然而，本揭示內容並不限於此。於其他部分實施例中，第一放大電晶體121、第二放大電晶體122、第一電晶體M1a~M1c與第二電晶體M2a~M2f也可以P型金氧半導體或是雙極性電晶體據以實現。
綜上，藉由增益調整電路104的設計，本揭示內容的放大器100~400得以在輸入訊號Vin超過第一參考電壓Vref時對放大器電路102、402的實際增益Ar進行調整，使實際增益Ar往原先設計給放大器電路102、402的設計增益Ad靠近。如此一來，放大器100~400在接收不同大小的輸入訊號Vin時均可維持相同增益(即，即便受電晶體特性影響，放大器100~400仍可保有放大的線性度)，以利後端電路接收到未失真的訊號。
雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，所屬技術領域具有通常知識者在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100,200,300,400:放大器
102,402:放大器電路
104:增益調整電路
121:第一放大電晶體
122:第二放大電晶體
123,223,323:第一電流源
124,224,324:第二電流源
141:比較器
143:處理電路
Vin:輸入訊號
Vin+:正輸入訊號
Vin-:負輸入訊號
Vout:輸出訊號
Vref:第一參考電壓
Vref+:正第一參考電壓
Vref-:負第一參考電壓
Vcc:系統高電壓
GND:接地電壓
Ar,Ar’:實際增益
Ad:設計增益
Z1:第一阻抗元件
Z2:第二阻抗元件
Z3:第三阻抗元件
M1a,M1b,M1c:第一電晶體
R1a,R1b,R1c:第一電阻
R2a,R2b,R2c:第二電阻
M2a,M2b,M2c,M2d,M2e,M2f:第二電晶體
Mi1:輸入端
Mo1,Mo2,Mo3:輸出端
SW1,SW2:第一開關元件
Rv1:第一可變電阻
Iref:第一參考電流
I1:第一電流
I2:第二電流
I3:第三電流
DS:偵測訊號
CS1:第一控制訊號
CS2:第二控制訊號
Ibias1:第一偏壓電流
Ibias2:第二偏壓電流
第1圖係根據本揭示內容之部分實施例繪示一種放大器的方塊圖。 第2圖係根據本揭示內容之部分實施例繪示一種放大器中的放大器電路的設計增益、調整前的實際增益以及調整後的實際增益的示意圖。 第3圖係根據本揭示內容之部分實施例繪示一種放大器的電路示意圖。 第4圖係根據本揭示內容之部分實施例繪示一種放大器的電路示意圖。 第5圖係根據本揭示內容之其他部分實施例繪示另一種放大器的電路示意圖。 第6圖係根據本揭示內容之其他部分實施例繪示另一種放大器的電路示意圖。 第7圖係根據本揭示內容之其他部分實施例繪示另一種放大器的電路示意圖。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
100:放大器
102:放大器電路
104:增益調整電路
Vin:輸入訊號
Vout:輸出訊號

Claims (7)

  1. 一種放大器，包括：一放大器電路，具有一設計增益以及一實際增益，並用以根據一輸入訊號以及該實際增益，輸出一輸出訊號，其中該放大器電路包括一放大電晶體以及一電流源，該電流源耦接於該放大電晶體的一第二端，並用以提供一偏壓電流，該電流源包括一第一電流鏡以及一第二電流鏡，該第一電流鏡的一輸出端耦接於該放大電晶體的該第二端，該第一電流鏡用以根據一參考電流提供一第一電流，該第二電流鏡的一輸出端通過一開關元件耦接於該放大電晶體的該第二端，且該第二電流鏡用以根據該參考電流輸出一第二電流；以及一增益調整電路，耦接於該放大器電路，並用以接收該輸入訊號，以比對該輸入訊號的一電壓與一第一參考電壓；其中，當該輸入訊號的該電壓超過該第一參考電壓時，該增益調整電路提高該放大器電路的該實際增益，使該實際增益往該設計增益靠近；其中，該增益調整電路耦接於該開關元件，並用以藉由輸出一第二控制訊號至該開關元件來導通該第二電流鏡的該輸出端與該放大電晶體的該第二端，使該第一電流與該第二電流同時被提供，以增加該電流源所提供的該偏壓電流，進而提高該放大器電路的該實際增益。
  2. 如請求項1所述之放大器，其中該放大器電路更包括一第一阻抗元件，該放大電晶體的一控制端用以接收該輸入訊號，該放大電晶體的一第一端耦接於該放大器電路的一輸出端，而該放大電晶體的該第二端耦接於該第一阻抗元件。
  3. 如請求項2所述之放大器，其中該第一阻抗元件包括一第一電晶體，該第一電晶體的一第一端或一第二端耦接於該放大電晶體的該第二端，該增益調整電路耦接於該第一電晶體的一控制端，並用以輸出一第一控制訊號至該第一電晶體的該控制端，以降低該第一阻抗元件的電阻值，進而提高該放大器電路的該實際增益。
  4. 如請求項3所述之放大器，其中該第一阻抗元件更包括一第一電阻，該第一電阻耦接於該第一電晶體的該第一端或該第二端。
  5. 如請求項1所述之放大器，其中該增益調整電路包括一比較器以及一處理電路，該比較器用以接收該輸入訊號與該第一參考電壓，且當該輸入訊號的該電壓超過該第一參考電壓時，該比較器用以輸出一偵測訊號至該處理電路，該處理電路用以根據該偵測訊號提高該放大器電路的該實際增益。
  6. 如請求項1所述之放大器，其中該增益調整電路更用以比對該輸入訊號的該電壓與大於該第一參考電壓的一第二參考電壓，當該輸入訊號的該電壓超過該第二參考電壓時，該增益調整電路再次提高該放大器電路的該實際增益。
  7. 如請求項1所述之放大器，其中該放大器電路更包括另一放大電晶體以及一第一阻抗元件，該輸入訊號具有一正輸入訊號以及一負輸入訊號，該放大電晶體的一控制端用以接收該負輸入訊號，該放大電晶體的一第一端耦接於該放大器電路的一正輸出端，該另一放大電晶體的一控制端用以接收該正輸入訊號，該另一放大電晶體的一第一端耦接於該放大器電路的一負輸出端，該第一阻抗元件耦接於該放大電晶體的該第二端以及該另一放大電晶體的一第二端。
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