TWI798662B - 放大電路 - Google Patents

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Abstract

本揭示內容關於一種放大電路，包含第一增益電路、第二增益電路、米勒電容、正回授電路及前饋增益電路。第二增益電路用以接收第一增益電路傳來的第一增益訊號，並產生一第二增益訊號。米勒電容、正回授電路及前饋增益電路電性連接於第二增益電路的輸入端及輸出端之間。正回授電路用以將第二增益電路之輸出端的訊號回授至第二增益電路的輸入端。前饋增益電路用以放大第一增益訊號，以輸出第三增益訊號至第二增益電路的輸出端。

Description

放大電路
本揭示內容關於一種放大電路，用以將訊號進行增益處理。
運算放大器為構成類比電路的基本單元。一般言，運算放大器的放大電路可包含多個增益電路，用以將接收到的訊號進行放大處理。增益電路之輸出端電壓與輸入端電壓的比值稱為「電壓增益(gain，以下簡稱增益)」。電壓增益越大、增益電路的電路結構也越大。如何兼顧運算放大器中放大電路的體積、增益及穩定性，乃成為當前的一大課題。
本揭示內容係關於一種放大電路，包含第一增益電路、第二增益電路、米勒電容、正回授電路及前饋增益電路。第一增益電路用以放大輸入訊號，以產生第一增益訊號。第二增益電路電性連接於第一增益電路，用以放大第一增益訊號，以產生第二增益訊號。米勒電容電性連接於 第二增益電路的輸入端及輸出端之間。正回授電路電性連接於第二增益電路的輸入端及輸出端之間，用以將第二增益電路之輸出端的訊號回授至第二增益電路的輸入端。前饋增益電路電性連接於第二增益電路的輸入端及輸出端之間。前饋增益電路用以放大該第一增益訊號，以輸出第三增益訊號輸出至第二增益電路的輸出端。
本揭示內容還關於一種放大電路，包含第一增益電路、第二增益電路、正回授電路及前饋增益電路。第一增益電路用以放大輸入訊號，以產生第一增益訊號。第二增益電路電性連接於第一增益電路，用以放大第一增益訊號，以產生第二增益訊號。正回授電路電性連接於第二增益電路的輸入端及輸出端之間，用以將第二增益電路之輸出端的訊號回授至第二增益電路的輸入端。前饋增益電路電性連接於第二增益電路的輸入端及輸出端之間，且包含至少二前饋增益放大器。前饋增益放大器用以放大第一增益訊號，以輸出第三增益訊號輸出至第二增益電路的輸出端。
本揭示內容還關於一種放大電路，包含第一增益電路、第二增益電路、米勒電容及前饋增益電路。第一增益電路用以放大一輸入訊號，以產生第一增益訊號。第二增益電路電性連接於第一增益電路，用以放大第一增益訊號，以產生第二增益訊號。米勒電容電性連接於第二增益電路的輸入端及輸出端之間。前饋增益電路電性連接於第二增益電路的輸入端及輸出端之間，且至少包含第一前饋增益放大器、第二前饋增益放大器及前饋電容。前饋增益電路 的第一端電性連接於第一前饋增益放大器及第二前饋增益放大器之間。第一前饋增益放大器及第二前饋增益放大器用以放大第一增益訊號，以輸出第三增益訊號輸出至第二增益電路的輸出端。
本揭示內容中之負回授電路用以放大電路整體的穩定性，正回授電路則用以改善頻寬。此外，放大電路還可透過前饋增益電路，進一步放大低頻增益。
100:放大電路
110:第一增益電路
120:第二增益電路
130:負回授電路
140:正回授電路
141:反相器
150:前饋增益電路
160:輔助增益電路
Vin:輸入訊號
Vo:輸出訊號
V1:第一增益訊號
V2:第二增益訊號
V3:第三增益訊號
V4:第四增益訊號
Gf1:第一前饋增益放大器
Gf2:第二前饋增益放大器
C1:正回授電容
R1:正回授電阻
Cf:前饋電容
Cm:米勒電容
Rm:負回授電阻
Rf:第一電阻
Cp:寄生電容
Rp:寄生電阻
BP1-BP4:波德圖
0dB:基準線
第1圖為根據本揭示內容之部份實施例之放大電路的示意圖。
第2圖為根據本揭示內容之部份實施例之放大電路中局部電路的波德圖。
第3圖為根據本揭示內容之部份實施例之放大電路的波德圖。
第4圖為根據本揭示內容之部份實施例之放大電路的示意圖。
以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節 是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。
於本文中，當一元件被稱為「連接」或「耦接」時，可指「電性連接」或「電性耦接」。「連接」或「耦接」亦可用以表示二或多個元件間相互搭配操作或互動。此外，雖然本文中使用「第一」、「第二」、…等用語描述不同元件，該用語僅是用以區別以相同技術用語描述的元件或操作。除非上下文清楚指明，否則該用語並非特別指稱或暗示次序或順位，亦非用以限定本發明。
第1圖為根據本揭示內容之部份實施例之放大電路100的示意圖，在一實施例中，放大電路100用以實現運算放大器。換言之，放大電路100接收輸入訊號Vin後，能對輸入訊號Vin進行增強處理，並輸出增強後的輸出訊號Vo。
如第1圖所示，在部份實施例中，放大電路100包含第一增益電路110、第二增益電路120、米勒電容Cm、正回授電路140及前饋增益電路150。第一增益電路110、第二增益電路120皆用以對接收到的訊號進行放大處理。在部份實施例中，增益電路110/120可包含差動放大電路，但本揭示內容並不以此為限。由於本領域人士能理解增益電路的多種實施方式，故在此即不贅述。
第一增益電路110用以接收輸入訊號Vin，經過放大處理後，輸出第一增益訊號V1。第二增益電路120的輸入端電性連接於第一增益電路110的輸出端，以接收 第一增益訊號V1。第二增益電路120能對第一增益訊號V1再次放大，以輸出第二增益訊號V2。
在部份實施例中，第一增益電路110的增益值為-gm1、第二增益電路120的增益值為-gm2。亦即，第一增益電路110會將輸入訊號Vin放大「gm1」的倍數，且輸出的第一增益訊號V1的相位與輸入訊號Vin為反相。相似地，第二增益電路120會將第一增益訊號V1放大「gm2」的倍數，且輸出的第二增益訊號V2的相位與第一增益訊號V1為反相。
米勒電容Cm電性連接於第二增益電路120的輸入端及輸出端之間。在部份實施例中，米勒電容Cm係設於放大電路100中之負回授電路130，且與負回授電路130中之負回授電阻Rm相串聯。負回授電路130電性連接於第二增益電路120的輸入端及輸出端之間。透過米勒電容Cm的米勒效應(Miller effect)，負回授電路130將能穩定放大電路100的系統穩定性。
正回授電路140電性連接於第二增益電路120的輸入端及輸出端之間，用以將第二增益電路120之輸出端的訊號回授到第二增益電路120的輸入端。在部份實施例中，正回授電路140包含正回授電容C1及正回授電阻R1。正回授電容C1及正回授電阻R1係相互串聯。
在第1圖中，正回授電路140還包含反相器141，代表正回授電路140係將第二增益電路120之輸出端上的訊號以同相方式正回授至第二增益電路120。換言之，正 回授電路140電性連接於第二增益電路120的輸入端之正極端。相似地，負回授電路130係電性連接於第二增益電路120的輸入端之負極端。
第2圖為放大電路的局部電路的波德圖(Bode plot)，可看出米勒電容對於放大電路100的穩定性改善。其中，圖表的橫軸為頻率，以對數表示。圖表的縱軸則為增益，以分貝值(dB)來表示。波德圖上的每個線段轉折對應於電路的極點頻率或零點頻率。「極點」會使波德圖的線段斜率減少「20分貝/十倍頻」，「零點」則使波德圖的線段斜率增加「20分貝/十倍頻」。由於本領域人士皆能理解波德圖所代表之意義與繪製方式，故在此不另贅述。
如第2圖所示，若放大電路100僅以第一增益電路110及第二增益電路120對輸入訊號Vin進行增益處理，並透過米勒電容Cm連接第二增益電路120的輸入端及輸出端(即，加入負回授電路130)，即形成傳統二級米勒放大器之架構，其特性如波德圖BP1所示。
在第2圖中的波德圖BP2為放大電路100中包含了第一增益電路110、第二增益電路120、米勒電容Cm及正回授電路140後的特性。比較波德圖BP1及波德圖BP2可知，在加入了正回授電路140後，電路原本的極點頻率變高，且多了一組新的極零點，使得單增益(0dB)頻寬與波德圖BP1相同，因此可以實現更大的中頻頻寬。
第2圖所示之波德圖尚未包含前饋增益電路150。 前饋增益電路150對於系統的影響將於後續段落繼續說明。
前饋增益電路150電性連接於第二增益電路120的輸入端及輸出端，且屬於一種前饋電路(feed forward)。前饋增益電路150之輸入端電性連接於第一增益電路110的輸出端，以接收第一增益訊號V1。前饋增益電路150用以放大第一增益訊號V1，以輸出第三增益訊號V3至第二增益電路120的輸出端。
第3圖為本揭示內容之部份實施例中放大電路100的波德圖。如前所述，波德圖BP1代表「以第一增益電路110及第二增益電路120搭配負回授電路130對輸入訊號Vin之開路增益」的特性。波德圖BP2則為「以第一增益電路110、第二增益電路120、負回授電路130及正回授電路140對輸入訊號Vin進行增益」的特性。波德圖BP3則代表「在第一增益電路110及第二增益電路120中，加入前饋增益電路150(但不考慮負回授電路130及正回授電路140)」的特性。
換言之，波德圖BP1代表二級放大電路(即，僅透過第一增益電路110及第二增益電路120放大輸入訊號Vin)的特性。波德圖BP2及波德圖BP3則分別代表在二級放大電路上分別加入不同的局部改良電路(即，負回授電路130、正回授電路140、前饋增益電路150)的特性圖。由圖式可知，前饋增益電路150的增益及極點頻率皆較高，故能有效放大低頻增益。
本揭示內容係於二級放大電路(即，第一增益電路110及第二增益電路120)的架構上，同時加入負回授電路130、正回授電路140、前饋增益電路150，以形成放大電路100。因此，放大電路100整體所形成的訊號特性可視為波德圖BP1~BP3的整合，即第3圖中之波德圖BP4。負回授電路130用以放大電路整體的穩定性，正回授電路140改善頻寬。前饋增益電路150則可進一步放大低頻增益。據此，可降低第二增益電路120所需的增益值，以利電路設計。
前述實施例中，放大電路100係可同時改善穩定性、改善頻寬及放大增益，但本揭示內容並不以此為限，負回授電路130及正回授電路140可依照運算放大器的實際需求選擇性地設置。在部份實施例中，放大電路100可僅利用正回授電路140改善頻寬、且透過前饋增益電路150放大低頻增益。在其他部份實施例中，放大電路100則可僅利用負回授電路130放大穩定性，再透過前饋增益電路150放大低頻增益。
具體而言，前饋增益電路150中包含複數個前饋增益放大器。前饋增益放大器可由差動放大電路實現，但並不以此為限。如第1圖所示，前饋增益電路150可包含相互串接的第一前饋增益放大器Gf1及第二前饋增益放大器Gf2。第一前饋增益放大器Gf1及第二前饋增益放大器Gf2係使前饋增益電路150形成一個與第二增益電路120相平行(並聯)的多級放大電路，因此，每個前饋增益放 大器Gf1、Gf2及增益電路110/120均無須具備極高的增益值。
在部份實施例中，前饋增益電路150還包含前饋電容Cf。前饋電容Cf的第一端電性連接於前饋增益放大器Gf1、Gf2之間。前饋電容Cf的第二端則電性連接於一接地端，用以穩定前饋增益電路150。前饋電容Cf並非以米勒電容之方式連接於前饋增益電路150的輸入端及輸出端之間，經過發明人測試，將前饋電容Cf連接於接地端，可發揮比米勒效應更佳之穩定效能，但前饋電容Cf並非本揭示內容實施上的必要條件。
承上，在部份實施例中，前饋增益電路150還包含第一電阻Rf，第一電阻Rf係與前饋電容Cf相並聯。此外，放大電路100中還包含多個寄生電阻Rp及寄生電容Cp。值得注意的是，第1圖中繪示的寄生電阻Rp及寄生電容Cp僅是為了方便說明寄生元件的影響，寄生電阻Rp及寄生電容Cp可以不是實際製作出的電阻元件和電容元件。
第4圖為根據本揭示內容之部份實施例之放大電路100的另一種等效電路示意圖。於第4圖中，與第1圖之實施例有關的相似元件係以相同的參考標號表示以便於理解，且相似元件之具體原理已於先前段落中詳細說明，若非與第4圖之元件間具有協同運作關係而必要介紹者，於此不再贅述。第4圖中係繪製出各增益電路的正極輸入端及負極輸入端。
如第4圖所示，在部份實施例中，放大電路100還包含輔助增益電路160。輔助增益電路160電性連接於第一增益電路110的輸入端以及第二增益電路120的輸出端之間，且同樣屬於前饋電路，藉以改善高頻之穩定度。換言之，輔助增益電路160可對輸入訊號Vin進行增益處理，並輸出第四增益訊號V4至第二增益電路120的輸出端。在部份實施例中，輔助增益電路160包含差動放大電路，且差動放大電路之輸入端的正極端及負極端分別透過電容器連接至第一增益電路110的輸入端。
前述各實施例中的各項元件、方法步驟或技術特徵，係可相互結合，而不以本揭示內容中的文字描述順序或圖式呈現順序為限。
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，任何熟習此技藝者，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:放大電路
110:第一增益電路
120:第二增益電路
130:負回授電路
140:正回授電路
141:反相器
150:前饋增益電路
Vin:輸入訊號
Vo:輸出訊號
V1:第一增益訊號
V2:第二增益訊號
V3:第三增益訊號
Gf1:第一前饋增益放大器
Gf2:第二前饋增益放大器
Cm:米勒電容
Rm:負回授電阻
C1:正回授電容
R1:正回授電阻
Cf:前饋電容
Rf:第一電阻
Cp:寄生電容
Rp:寄生電阻

Claims (9)

  1. 一種放大電路，包含：一第一增益電路，用以放大一輸入訊號，以產生一第一增益訊號；一第二增益電路，電性連接於該第一增益電路，用以放大該第一增益訊號，以產生一第二增益訊號；一米勒電容，電性連接於該第二增益電路的一輸入端及一輸出端之間；一正回授電路，電性連接於該第二增益電路的該輸入端及該輸出端之間，用以將該第二增益電路之該輸出端的訊號回授至該第二增益電路的該輸入端；以及一前饋增益電路，電性連接於該第二增益電路的該輸入端及該輸出端之間，其中該前饋增益電路包含複數個前饋增益放大器，用以放大該第一增益訊號，以輸出一第三增益訊號至該第二增益電路的該輸出端。
  2. 如請求項1所述之放大電路，其中該前饋增益電路還包含一前饋電容，該前饋電容的一第一端電性連接於該些前饋增益放大器之間，該前饋電容的一第二端電性連接於一接地端。
  3. 如請求項2所述之放大電路，其中該前饋增益電路還包含一第一電阻，該第一電阻係與該前饋電容相並聯。
  4. 如請求項1所述之放大電路，其中該正回授電路包含互相串聯的一正回授電容及一正回授電阻。
  5. 如請求項1所述之放大電路，還包含一負回授電路，該負回授電路包含互相串聯的該米勒電容及一負回授電阻。
  6. 一種放大電路，包含：一第一增益電路，用以放大一輸入訊號，以產生一第一增益訊號；一第二增益電路，該第二增益電路的一輸入端電性連接於該第一增益電路，用以放大該第一增益訊號，以在該第二增益電路的一輸出端產生一第二增益訊號，其中該第二增益電路的該輸入端及該輸出端還電性連接至一正回授電路；以及一前饋增益電路，電性連接於該第二增益電路的該輸入端及該輸出端之間，且包含至少二前饋增益放大器，其中該至少二前饋增益放大器用以放大該第一增益訊號，以輸出一第三增益訊號至該第二增益電路的該輸出端。
  7. 如請求項6所述之放大電路，還包含一米勒電容，該米勒電容電性連接於該第二增益電路的一輸入端及一輸出端之間。
  8. 如請求項7所述之放大電路，還包含一負回授電路，該負回授電路包含互相串聯的該米勒電容及一負回授電阻。
  9. 如請求項6所述之放大電路，其中該前饋增益電路還包含一前饋電容，該前饋電容的一第一端電性連接於該至少二個前饋增益放大器之間，該前饋電容的一第二端電性連接於一接地端。
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