TWI792903B - 放大器及其共模電壓的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申請揭露一種放大器及其共模電壓的控制方法。該控制方法包含：依據正端輸出信號、負端輸出信號及目標共模電壓產生控制信號；及將該控制信號耦合至正端電容的第一端及負端電容的第一端，以調整正端P型晶體管及負端P型晶體管的導通程度，或調整正端N型晶體管及負端N型晶體管的導通程度，進而改變共模電壓。
Description
本申請內容係關於電路，尤指一種放大器及其共模電壓的控制方法。
差動放大器的共模電壓若偏離預設值，則會壓縮輸出動態範圍。此外，隨著製程的推進，操作電壓越來越低，因此，如何在不額外疊接電晶體的情況下，有效地調整放大器的共模電壓，已成為本領域亟需解決的問題之一。
本申請提供一種放大器，包含：正端P型晶體管；負端P型晶體管；正端N型晶體管，其中該正端P型晶體管和該正端N型晶體管疊接於第一參考電壓和第二參考電壓之間，該正端N型晶體管的汲極耦接該正端P型晶體管的汲極並輸出正端輸出信號；負端N型晶體管，其中該負端P型晶體管和該負端N型晶體管疊接於該第一參考電壓和該第二參考電壓之間，該負端N型晶體管的汲極耦接該負端P型晶體管的汲極並輸出負端輸出信號；第一正端電容，耦接於該正端P型晶體管的閘極和該正端N型晶體管的閘極之間；第一負端電容，耦接於該負端P型晶體管的閘極和該負端N型晶體管的閘極之間；及第一控制電路，用來依據該正端輸出信號、該負端輸出信號及該目標共模電壓產生第一控制信號至該第一正端電容的第一端及該第一負端電容的第一端；其中該放大器的正端輸入信號由該第一正端電容的第二端輸入，及該放大器的負端輸入信號由該第一負端電容的第二端輸入。
本申請提供一種放大器的共模電壓的控制方法，其中該放大器包含：正端P型晶體管；負端P型晶體管；正端N型晶體管，其中該正端P型晶體管和該正端N型晶體管疊接於第一參考電壓和第二參考電壓之間，該正端N型晶體管的汲極耦接該正端P型晶體管的汲極並輸出正端輸出信號；負端N型晶體管，其中該負端P型晶體管和該負端N型晶體管疊接於該第一參考電壓和該第二參考電壓之間，該負端N型晶體管的汲極耦接該負端P型晶體管的汲極並輸出負端輸出信號；第一正端電容，耦接於該正端P型晶體管的閘極和該正端N型晶體管的閘極之間；及第一負端電容，耦接於該負端P型晶體管的閘極和該負端N型晶體管的閘極之間；其中該放大器的正端輸入信號由該第一正端電容的第二端輸入，及該放大器的負端輸入信號由該第一負端電容的第二端輸入；及該控制方法包含：依據該正端輸出信號、該負端輸出信號及該目標共模電壓產生第一控制信號；及將該第一控制信號耦合至該第一正端電容的第一端及該第一負端電容的第一端，以調整該正端P型晶體管及該負端P型晶體管的導通程度，或調整該正端N型晶體管及該負端N型晶體管的導通程度，進而改變該正端輸出信號及該負端輸出信號的共模電壓。
通過本申請，可以在不額外疊接電晶體的情況下，有效地調整差動放大器的共模電壓。
圖1為本申請的放大器的第一實施例的示意圖。放大器100為連續時間型式的放大器，包含有由正端P型電晶體PMp、負端P型電晶體PMn、正端N型電晶體NMp、負端N型電晶體NMn、正端電容Cp1、負端電容Cn1及電流源102構成的放大器主體。其中正端P型電晶體PMp、正端N型電晶體NMp及電流源102疊接於參考電壓V1和參考電壓V2之間；負端P型電晶體PMn、負端N型電晶體NMn及電流源102疊接於參考電壓V1和參考電壓V2之間。具體來說，正端P型電晶體PMp的汲極耦接正端N型電晶體NMp的汲極；負端P型電晶體PMn的汲極耦接負端N型電晶體NMn的汲極。正端電容Cp1耦接於正端P型電晶體PMp的閘極和正端N型電晶體NMp之間；負端電容Cn1耦接於負端P型電晶體PMn的閘極和負端N型電晶體NMn之間。
在本實施例中，參考電壓V1高於參考電壓V2，且參考電壓V2為接地電壓。放大器100的差動輸入信號對包含正端輸入信號VIP及負端輸入信號VIN，分別耦接至正端N型電晶體NMp的閘極和負端N型電晶體NMn的閘極，以及分別通過正端電容Cp1及負端電容Cn1耦接至正端P型電晶體PMp的閘極和負端P型電晶體PMn的閘極；差動輸出信號對包含正端輸出信號VOP及負端輸出信號VON，分別從正端P型電晶體PMp的汲極和負端P型電晶體PMn的汲極輸出。
一般來說，會在設計之初配置正端N型電晶體NMp、負端N型電晶體NMn、正端P型電晶體PMp和負端P型電晶體PMn的導通能力，使正端輸出信號VOP及負端輸出信號VON的共模電壓維持在目標共模電壓VCMR，例如（V1+V2）/2。但現實上，可能由於製程、供應電壓或溫度的改變，造成正端N型電晶體NMp及負端N型電晶體NMn的導通程度或導通能力高於正端P型電晶體PMp及負端P型電晶體PMn的導通程度或導通能力，使該共模電壓遠離目標共模電壓VCMR。
因此，在本實施例中，在放大器100中額外設置控制電路104來控制正端P型電晶體PMp及負端P型電晶體PMn的導通程度，舉例來說，若控制電路104判斷該共模電壓過低，則可降低正端P型電晶體PMp及負端P型電晶體PMn的的閘極電壓以增強正端P型電晶體PMp及負端P型電晶體PMn的導通程度，來抬高該共模電壓；若控制電路104判斷該共模電壓過高，則進行相反的操作。
具體來說，控制電路104依據正端輸出信號VOP、負端輸出信號VON及目標共模電壓VCMR產生控制信號S1，控制信號S1通過電阻Rp1及電阻Rn1分別被耦接至正端P型電晶體PMp的閘極及負端P型電晶體PMn的閘極。
控制電路104可以依據正端輸出信號VOP及負端輸出信號VON來得到該共模電壓，再依據該共模電壓和目標共模電壓VCMR來估計控制信號S1，其實施方式不限。在某些實施例中，控制電路104可以包含比較器，用來比較該共模電壓和目標共模電壓VCMR，控制電路104並據以產生控制信號S1。在某些實施例中，控制電路104可以包含積分器，用來對該共模電壓和目標共模電壓VCMR的差進行積分，控制電路104並據以產生控制信號S1。
在某些實施例中，正端輸入信號VIP及負端輸入信號VIN由正端P型電晶體PMp的閘極及負端P型電晶體PMn的閘極輸入，而控制信號S1通過電阻Rp1及電阻Rn1分別被耦接至正端N型電晶體NMp的閘極及負端N型電晶體NMn的閘極。也就是該差動輸入信號對由正端P型電晶體PMp的閘極及負端P型電晶體PMn的閘極輸入，而控制信號S1用來改變電容Cp1和電容Cn1的跨壓，進而改變正端N型電晶體NMp及負端N型電晶體NMn的導通程度。
此外，圖1中電流源102設置在靠近參考電壓V2僅為示意，在某些實施例中，電流源102可以改為設置在靠近參考電壓V1。在某些實施例中，可以在靠近參考電壓V1處額外設置另一電流源。在某些實施例中，電流源還可以有其他的設置方式。
圖1中的電流源102為固定輸出，但在某些實施例中，還可以通過控制電流源的供電大小以達到協同調整該共模電壓的目的。如圖2所示，圖2為本申請的放大器的第二實施例的示意圖，其中放大器200還包含控制電路204，用來依據正端輸出信號VOP、負端輸出信號VON及目標共模電壓VCMR產生控制信號S3，放大器200的電流源202依據控制信號S3來動態地調整輸出的電流大小。在本實施例中，控制信號S3和控制信號S1產生的原理相似，但運算細節可因應電流源202的控制方式做變化。但在某些實施例中，控制信號S3也可以和控制信號S1完全相同，並共用控制電路104。如前所述，電流源102設置位置的變化亦可適用於可調電流源202。
圖3為本申請的放大器的第三實施例的示意圖。放大器300和放大器100的差異在於，放大器300為離散時間型式的放大器，包含有由正端P型電晶體PMp、負端P型電晶體PMn、正端N型電晶體NMp、負端N型電晶體NMn、正端電容Cp1、負端電容Cn1、電流源102、開關311～318、開關321～328、電容Cf1、電容Cs1、電容Cf2及電容Cs2構成的放大器主體。其中正端P型電晶體PMp、正端N型電晶體NMp及電流源102疊接於參考電壓V1和參考電壓V2之間；負端P型電晶體PMn、負端N型電晶體NMn及電流源102疊接於參考電壓V1和參考電壓V2之間。具體來說，正端P型電晶體PMp的汲極耦接正端N型電晶體NMp的汲極；負端P型電晶體PMn的汲極耦接負端N型電晶體NMn的汲極。正端電容Cp1通過開關312和開關318耦接於正端P型電晶體PMp的閘極和正端N型電晶體NMp之間；負端電容Cn1通過開關322和開關328耦接於負端P型電晶體PMn的閘極和負端N型電晶體NMn之間。
在本實施例中，參考電壓V1高於參考電壓V2，且參考電壓V2為接地電壓。放大器100的差動輸入信號對包含正端輸入信號VIP及負端輸入信號VIN，其中正端輸入信號VIP通過開關313、開關315、電容Cf1、電容Cs1及開關318耦接至正端N型電晶體NMp的閘極，負端輸入信號VIN通過開關323、開關325、電容Cf2、電容Cs2及開關328耦接至負端N型電晶體NMn的閘極。差動輸出信號對包含正端輸出信號VOP及負端輸出信號VON，分別從正端P型電晶體PMp的汲極和負端P型電晶體PMn的汲極輸出。控制信號S1通過開關311、開關312耦接至正端P型電晶體PMp的閘極，以及通過開關321、開關322耦接至負端P型電晶體PMn的閘極。
開關314耦接於電容Cf1和正端輸出信號VOP之間，開關324耦接於電容Cf2和負端輸出信號VON之間，開關316耦接於電容Cs1和參考電壓V3之間，開關326耦接於電容Cs2和參考電壓V3之間，開關317耦接於電容Cp1和參考電壓V4之間，開關327耦接於電容Cn1和參考電壓V4之間。
其中開關311、開關313、開關315、開關317、開關321、開關323、開關325及開關327在第一時間導通；開關312、開關314、開關316、開關318、開關322、開關324、開關326及開關328在第二時間導通，該第一時間和該第二時間不重疊。
控制電路304的原理和控制器104相同或相似，但控制電路304可以是離散時間型式的電路，控制器104可以是連續時間型式的電路。
圖4為本申請的放大器的第四實施例的示意圖。放大器400和放大器100的差異在於，放大器400額外增加了電容Cp2、電容Cn2、電阻Rp2及電阻Rn2。其中電容Cp1串接電容Cp2，正端輸入信號VIP從電容Cp1和電容Cp2之間輸入；電容Cn1串接電容Cn2，負端輸入信號VIN從電容Cn1和電容Cn2之間輸入。而額外的控制信號S2則通過電阻Rp2及電阻Rn2分別被耦接至正端N型電晶體NMp的閘極及負端N型電晶體NMn的閘極。也就是控制信號S2用來改變電容Cp2和電容Cn2的跨壓，進而改變正端N型電晶體NMp及負端N型電晶體NMn的導通程度。
這樣一來，正端P型電晶體PMp及負端P型電晶體PMn的導通程度可以由控制信號S1改變；正端N型電晶體NMp及負端N型電晶體NMn的導通程度可以由控制信號S2改變。因此可更有效率地調整該共模電壓。
電容Cp1可以和電容Cp2相同或不同；電容Cn1可以和電容Cn2相同或不同。控制信號S2和控制信號S1產生的原理相似，即控制電路404的原理和控制器104相同或相似，但運算細節可做變化。但在某些實施例中，控制信號S2也可以和控制信號S1完全相同，並共用控制電路104。在某些實施例中，圖4的控制信號S1或控制信號S2也可以改以固定參考電壓取代。
圖5為本申請的放大器的第五實施例的示意圖。放大器500和放大器400的差異在於，放大器500為離散時間型式的放大器，其實施細節結合了放大器300和放大器400。控制電路504的原理和控制器404相同或相似，但控制電路504可以是離散時間型式的電路，控制器404可以是連續時間型式的電路。
100, 200, 400:連續時間型式放大器
102:電流源
104, 204, 404:連續時間型式控制電路
202:可調電流源
300, 500:離散時間型式放大器
304, 504:離散時間型式控制電路
311~318, 321~328:開關
Cf1, Cs1, Cf2, Cs2:電容
Cn1, Cn2:負端電容
Cp1, Cp2:正端電容
NMn:負端N型電晶體
NMp:正端N型電晶體
PMn:負端P型電晶體
PMp:正端P型電晶體
Rp1, Rn1, Rp2, Rn2:電阻
S1, S2, S3:控制信號
V1, V2, V3, V4:參考電壓
VCMR:目標共模電壓
VIN:負端輸入信號
VIP:正端輸入信號
VON:負端輸出信號
VOP:正端輸出信號
在閱讀了下文實施方式以及附隨圖式時，能夠最佳地理解本揭露的多種態樣。應注意到，根據本領域的標準作業習慣，圖中的各種特徵並未依比例繪製。事實上，為了能夠清楚地進行描述，可能會刻意地放大或縮小某些特徵的尺寸。
圖1為本申請的放大器的第一實施例的示意圖。
圖2為本申請的放大器的第二實施例的示意圖。
圖3為本申請的放大器的第三實施例的示意圖。
圖4為本申請的放大器的第四實施例的示意圖。
圖5為本申請的放大器的第五實施例的示意圖。
100:連續時間型式放大器
102:電流源
104:連續時間型式控制電路
Cn1:負端電容
Cp1:正端電容
NMn:負端N型電晶體
NMp:正端N型電晶體
PMn:負端P型電晶體
PMp:正端P型電晶體
Rp1,Rn1:電阻
S1:控制信號
V1,V2:參考電壓
VCMR:目標共模電壓
VIN:負端輸入信號
VIP:正端輸入信號
VON:負端輸出信號
VOP:正端輸出信號
Claims (10)
- 一種放大器，包含：正端P型晶體管；負端P型晶體管；正端N型晶體管，其中該正端P型晶體管和該正端N型晶體管疊接於第一參考電壓和第二參考電壓之間，該正端N型晶體管的汲極耦接該正端P型晶體管的汲極並輸出正端輸出信號；負端N型晶體管，其中該負端P型晶體管和該負端N型晶體管疊接於該第一參考電壓和該第二參考電壓之間，該負端N型晶體管的汲極耦接該負端P型晶體管的汲極並輸出負端輸出信號；第一正端電容，耦接於該正端P型晶體管的閘極和該正端N型晶體管的閘極之間；第一負端電容，耦接於該負端P型晶體管的閘極和該負端N型晶體管的閘極之間；及第一控制電路，用來依據該正端輸出信號、該負端輸出信號及目標共模電壓產生第一控制信號至該第一正端電容的第一端及該第一負端電容的第一端；其中該放大器的正端輸入信號由該第一正端電容的第二端輸入，及該放大器的負端輸入信號由該第一負端電容的第二端輸入。
- 如請求項1的放大器，其中該放大器是連續時間放大器，且該放大器另包含正端電阻及負端電阻，其中該第一控制信號通過該正端電阻到達該 第一正端電容之該第一端，及該第一控制信號通過該負端電阻到達該第一負端電容之該第一端。
- 如請求項1的放大器，其中該放大器是離散時間放大器，且該放大器另包含第一開關及第二開關，其中該第一控制信號通過該第一開關到達該第一正端電容之該第一端，及該第一控制信號通過該第二開關到達該第一負端電容之該第一端。
- 如請求項1的放大器，另包含：第二正端電容，和該第一正端電容串接於該正端P型晶體管的閘極和該正端N型晶體管的閘極之間，其中該第二正端電容的第二端耦接該第一正端電容之該第二端；及第二負端電容，和該第一負端電容串接於該負端P型晶體管的閘極和該負端N型晶體管的閘極之間，其中該第二負端電容的第二端耦接該第一負端電容之該第二端。
- 如請求項4的放大器，其中該第一控制信號還被產生至該第二正端電容的第一端及該第二負端電容的第一端。
- 如請求項4的放大器，還包含第二控制電路，用來依據該正端輸出信號、該負端輸出信號及該目標共模電壓產生第二控制信號至該第二正端電容的第一端及該第二負端電容的第一端。
- 如請求項1的放大器，其中該第一控制電路比較該正端輸出信號及該負端輸出信號的共模電壓和該目標共模電壓，以產生該第一控制信號。
- 如請求項1的放大器，其中該第一控制電路對該正端輸出信號及該負端輸出信號的共模電壓和該目標共模電壓的差進行積分，以產生該第一控制信號。
- 如請求項1的放大器，另包含：第三控制電路，用來依據該正端輸出信號、該負端輸出信號及該目標共模電壓產生第三控制信號；及電流源，依據該第三控制信號調整輸出的電流大小。
- 如請求項1的放大器，另包含電流源，其中該電流源輸出固定的電流。
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