CN111726094B - 放大器电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种放大器电路，包含一输入级电路、至少一阻抗元件以及一电流供应电路，其中该输入级电路耦接于该放大器的至少一输入端子以及该放大器的至少一输出端子之间，该至少一阻抗元件耦接于一第一参考电压以及该至少一输出端子之间，且该电流供应电路耦接于一第二参考电压以及该至少一输出端子之间。该输入级电路是用来响应于该至少一输入端子上的输入信号产生一信号电流，而该电流供应电路用来供应至少一调整电流。另外，该至少一输出端子上的输出信号的共模电压位准通过该至少一调整电流控制，以允许该放大器电路进行低电压操作。

Description

放大器电路

技术领域

本发明涉及电子电路，特别涉及一种放大器电路。

背景技术

为了最佳化一放大器电路的效能，通常需要设计足够大的偏压电流以及输出阻抗。举例来说，设计者为了提升该放大器电路的跨导(transconductance)，需提升该放大器电路的偏压电流；而为了提升输出信号的振幅空间，则需提升该放大器电路的输出阻抗。然而，以上方式均会降低该放大器电路中的一或多个特定元件的电压顶部空间(voltageheadroom，电压裕度)。

在相关技术中，上述问题经常通过增加晶体管的大小来解决。然而，随着操作电压不断被压低，增加晶体管的大小变得难以应付低电压操作的需求。因此，需要一种新颖的方法，以在没有副作用或较不会带来副作用的情况下解决相关技术的问题。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种放大器电路，以在不增加晶体管的大小的状况下增加该放大器电路的效能。

本发明的另一目的在于提供一种放大器电路，以使得该放大器电路进行低电压操作时最佳化该放大器电路的效能。

本发明的至少一实施例提供一种放大器电路，其中该放大器电路包含一输入级电路、至少一阻抗元件、一电流供应电路。该输入级电路耦接于该放大器的至少一输入端子以及该放大器的至少一输出端子之间，该至少一阻抗元件耦接于一第一参考电压以及该至少一输出端子之间，且该电流供应电路耦接于一第二参考电压以及该至少一输出端子之间。在该放大器电路的操作中，该输入级电路用来响应于该至少一输入端子上的一输入信号产生一信号电流，该电流供应电路用来供应至少一调整电流。另外，该至少一输出端子上的一输出信号的一共模电压位准通过该至少一调整电流来控制，以允许该放大器电路进行低电压操作。

本发明所提供的放大器电路的优点在于，在低电压操作下，该放大器电路能在不增加晶体管大小的情况下，维持住其效能或提升其效能。因此，本发明能在没有副作用或较不会带来副作用的情况下，解决相关技术的问题。

附图说明

图1为依据本发明一实施例的一差分放大器电路的示意图。

图2为依据本发明一实施例的一输出信号的示意图。

图3为依据本发明一实施例的具有一共模反馈电路的一差分放大器电路的示意图。

图4为依据本发明一实施例的一单端放大器电路的示意图。

图5为依据本发明一实施例的具有一共模反馈电路的一单端放大器电路的示意图。

图6为依据本发明一实施例的一差分放大器电路的示意图。

图7为依据本发明一实施例的一单端放大器电路的示意图。

符号说明

10、30、40、50、60、70 放大器电路

120 输入级电路

140 电流供应电路

360、560 共模反馈电路

VREF1、VREF2、VCM、VREF3、VREF4、VREF5 参考电压

VCMFB1、VCMFB2 控制信号

I1、I2、TAIL1、I3、I4、TAIL2 电流源

MP1、MN1、MP2、MN2、MP3、MN3 晶体管

RP、RN 电阻器

IP1、IN1、IP2、IP3、IN3、IP4 输入端子

OP1、ON1、OP2、OP3、ON3、OP4 输出端子

LV 电压位准

I 电流

R 电阻值

具体实施方式

图1为依据本发明一实施例的放大器电路10的示意图，其中放大器电路10包含一输入级电路120、至少一阻抗元件、以及一电流供应电路140。在本实施例中，上述至少一阻抗元件可使用任意合适的负载元件，诸如主动元件或被动元件；为便于理解，本实施例以电阻器RP及RN为例，但本发明不限于此。如图1所示，放大器电路10为一差分(differential)放大器电路，其中电阻器RP耦接于参考电压VREF1与放大器电路10的输出端子OP1之间，而电阻器RN耦接于参考电压VREF1与放大器电路10的输出端子ON1之间。输入级电路120可包含至少一晶体管诸如晶体管MP1及MN1，其中晶体管MP1及MN1的栅极端子分别耦接至放大器电路10的输入端子IP1及IN1以接收放大器电路10的输入信号，晶体管MP1及MN1的源极端子均耦接至一电流源TAIL1，而晶体管MP1及MN1的漏极端子分别耦接至输出端子OP1与ON1。电流供应电路140可包含至少一电流源诸如电流源I1及I2，其中电流源I1耦接于参考电压VREF2与输出端子OP1之间，而电流源I2耦接于参考电压VREF2与输出端子ON1之间。请注意，在本实施例中，参考电压VREF2的电压位准大于参考电压VREF1，也就是说，电流源I1及I2中的每一者可视为一高压电流源。在本实施例中，晶体管MP1及MN1可响应于输入端子IP1及IN1上的差分输入信号分别产生信号电流，而放大器电路10可据以在输出端子OP1及ON1上分别产生差分输出信号诸如输出信号VOP1及VON1。

请连同图1参考图2，其中图2为依据本发明一实施例的输出信号VOP1的示意图。在本实施例中，假设放大器电路10的电流源TAIL1的电流被设计为2*I，电阻器RP及RN的电阻值被设计为R，且参考电压VREF1的电压位准为LV，若电流供应电路140中的电流源I1未产生任何电流(尤其，电流供应电路140被关闭)，输出信号VOP1的一共模电压位准(例如输出信号VOP1及VON1的一共模电压位准)为LV–(I*R)，且输出信号VOP1的一最高电压位准以及一最低电压位准分别为LV以及LV–(2*I*R)(如图2的左半部所示)。当参考电压VREF1的电压位准LV因功耗等考量而被迫降低时，电流供应电路140中的电流源I1能产生一调整电流来控制输出信号VOP1的电压位准(诸如该共模电压位准、该最高电压位准以及该最低电压位准)，以避免放大器电路10的效能因降低电压位准LV而衰减。假设电流源I1所供应的调整电流为0.5*I，该共模电压位准为LV–(0.5*I*R)，且该最高电压位准以及该最低电压位准分别为LV+(0.5*I*R)以及LV–(1.5*I*R)(如图2的右半部所示)。

由以上说明可知，输出信号VOP1的电压位准通过电阻器RP、晶体管MP1所产生的信号电流以及电流源I1所供应的调整电流来决定。尤其是，该最高电压位准在晶体管MP1所产生的信号电流为零(晶体管MP1被关闭)的情况下发生，因此，电流源I1所供应的调整电流会流向电阻器RP而不是晶体管MP1，使得输出信号VOP1的电压位准大于参考电压VREF1的电压位准LV。也就是说，电流供应电路140能使得放大器电路10的输出信号VOP1的电压位准不受参考电压VREF1的电压位准LV限制。由于输出信号VOP1及VON1为放大器电路10的一组差分输出信号，相关领域者在阅读以上说明后应可理解输出信号VON1的电压位准与输出信号VOP1的电压位准之间的关系，为简明起见，输出信号VON1的相关细节在此不赘述。

图3为依据本发明一实施例的放大器电路30的示意图。相较于图1所示的放大器电路10，放大器电路30可还包含一共模反馈电路360，其中共模反馈电路360可耦接至输出端子OP1及ON1、一参考电压VCM以及电流供应电路140。在本实施例中，电流源I1及I2可分别通过晶体管MP2及MN2来实施，其中共模反馈电路360通过一控制端子耦接至晶体管MP2及MN2的栅极端子，以传送一控制信号VCMFB1，而上述调整电流的大小通过控制信号VCMFB1的电压位准来控制。

在本实施例中，共模反馈电路360可检测输出信号VOP1及VON1的电压位准以取得输出信号VOP1及VON1的该共模电压位准，其中该共模电压位准是输出信号VOP1及VON1的平均值。共模反馈电路360可接着将该共模电压位准与参考电压VCM的电压位准进行比较以产生一比较结果，并依据该比较结果来调整该至少一调整电流。假设参考电压VCM的电压位准为0.8V、I＝1mA(这表示电流源TAIL1的电流被设计为2mA)且R＝200Ω，此时若参考电压VREF1的电压位准LV不低于1V，共模反馈电路360可检测到输出信号VOP1及VON1的该共模电压位准不低于0.8V，因此可通过控制信号VCMFB1关闭电流供应装置140；若参考电压VREF1的电压位准LV低于1V(例如0.9V)，此时会造成该共模电压位准降低为0.7V，共模反馈电路360可检测到该共模电压位准低于0.8V，因此可通过控制信号VCMFB1开启电流供应装置140以控制晶体管MP2及MN2中的每一者供应一高压电流(例如大小为0.5mA的调整电流)，如此一来，流经电阻器RP及RN中的每一者的电流会从1mA减少为0.5mA，而该共模电压位准即可从0.7V上升为0.8V，确保了放大器电路30中的元件(诸如晶体管MP1及MP2以及电流源TAIL中的元件)有足够的电压顶部空间(voltage headroom)。例如，共模反馈电路360可包含耦接于输出端子OP1及ON1之间且具有相同电阻值的彼此串联的两个电阻器，用来对输出信号VOP1及VON1进行一平均操作以于这两个电阻器之间的端子产生该平均值，且可包含耦接至此端子的一比较器，用来将该共模电压位准与参考电压VCM的电压位准进行比较以产生该比较结果，以供调整该至少一调整电流，但本发明不限于此。在阅读以上实施例后，相关领域者应可理解共模反馈电路的实施细节，为简明起见在此不赘述。

图4为依据本发明一实施例的放大器电路40的示意图，其中放大器电路40是基于图1所示的放大器电路10来修改的一单端(single-ended)放大器电路，其包含一输入端子IP2以及一输出端子OP2，而放大器电路40的架构与放大器电路10的左半部(或右半部)类似，其差异在于晶体管MP1的源极端子是耦接至一固定参考电压(例如接地电压)而不是电流源TAIL1。相关领域者在阅读放大器电路10的操作后，应可理解放大器电路40的操作细节，为简明起见在此不赘述。

图5为依据本发明一实施例的放大器电路50的示意图。相较于图4所示的放大器电路40，放大器电路50可还包含一共模反馈电路560。与图3所示的共模反馈电路360类似，共模反馈电路560能检测输出端子OP2上的输出信号VOP2的一共模电压位准，以响应于参考电压VREF1的电压位准LV的变化并动态地调整放大器电路50的输出信号VOP2的该共模电压位准。为了取得输出信号VOP2的该共模电压位准，共模反馈电路560可包含一低通滤波器(未显示)耦接至输出端子OP2，用来接收输出信号VOP2以产生输出信号VOP2的该共模电压位准，其中该低通滤波器可取代该两个电阻器，且该比较器可耦接至该低通滤波器的输出端子。例如，该低通滤波器可去除输出信号VOP2中的交流(alternating current,AC)信号以取得输出信号VOP2中的直流(direct current,DC)信号，且该比较器可将该直流信号与参考电压VCM作比较并据以产生控制信号VCMFB2来控制电流源I1(晶体管MP2)，但本发明不限于此。

请注意，放大器电路10、30、40以及50的架构只是为了说明的目的，并非本发明的限制。例如，放大器电路10、30、40以及50是利用N型晶体管(诸如晶体管MP1及MN1)来接收输入信号，而分别于图6以及图7所示的放大器电路60以及70则是利用P型晶体管来接收输入信号(例如，晶体管MP3及MN3的栅极端子分别耦接至放大器电路60的输入端子IP3及IN3)，但本发明不限于此。

在图6的实施例中，参考电压VREF4的电压位准低于参考电压VREF3，也就是说，电流源I3及I4中的每一者可视为一低压电流源。例如，当放大器电路60的参考电压VREF5基于功耗的考量而被迫降低，放大器电路60能藉助于电流源I3及I4来降低输出端子OP3上的输出信号VOP3以及输出端子ON3上的输出信号VON3的一共模电压位准，以避免放大器电路60的效能因其内的元件(诸如电流源TAIL2以及晶体管MP3及MN3)的电压顶部空间不足而衰减；此外，输出信号VOP3及VON3的电压位准不受参考电压VREF3的电压位准的限制。另外，放大器电路60可还包含一共模反馈电路(未显示)来进行与图3所示的实施例类似的操作。例如，这个共模反馈电路可包含耦接于输出端子OP3及ON3之间且具有相同电阻值的彼此串联的两个电阻器，用来对输出信号VOP3及VON3进行一平均操作以于这两个电阻器之间的端子产生输出信号VOP3及VON3的一平均值，且可包含耦接至此端子的一比较器，用来将本实施例中的该共模电压位准与参考电压VCM的电压位准进行比较以产生该比较结果，以供调整该至少一调整电流，但本发明不限于此。在阅读以上说明后，相关领域者应可理解将图3的实施例所述的共模反馈机制应用于放大器电路60的实施细节，为简明起见在此不赘述。

另外，放大器电路70是基于图6所示的放大器电路60来修改的一单端放大器电路，其包含一输入端子IP4以及一输出端子OP4，而放大器电路70的架构与放大器电路60的左半部(或右半部)类似，其差异在于晶体管MP3的源极端子是耦接至一固定参考电压(例如参考电压VREF5)而不是电流源TAIL2。与放大器电路60类似，放大器电路70能藉助于电流源I3来降低输出端子OP4上的输出信号VOP4的电压位准，且输出信号VOP4的电压位准不受参考电压VREF3的电压位准的限制。另外，放大器电路70可还包含一共模反馈电路(未显示)来进行与图5所示的实施例类似的操作。在阅读以上说明后，相关领域者应可理解将图5的实施例所述的共模反馈机制应用于放大器电路70的实施细节，为简明起见在此不赘述。

总结来说，本发明通过在一放大器电路中增加额外的高压(或低压)电流源以在该放大器的输出端子注入(或抽取)一调整电流，以允许该放大器电路进行低电压操作。举例来说，在该放大器电路的一参考电压的电压位准下降时，该调整电流能避免该放大器电路中的元件因该输出端子上的输出信号的电压位准下降而造成的问题(例如，电压顶部空间不足等)；此外，由于该调整电流是通过一高电压(或一低电压)来提供，该输出信号的电压位准不会被该参考电压的电压位准限制。另外，本发明的放大器电路不限于上述放大器电路10、30、40、50、60及70中的任一者的架构，凡是在该放大器电路的输出端子注入(或抽取)该调整电流来调整该输出信号的电压位准的放大器电路，均隶属于本发明的范围。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种放大器电路，包含：

一输入级电路，耦接于该放大器的至少一输入端子以及该放大器的至少一输出端子之间，用来响应于该至少一输入端子上的一输入信号产生一信号电流；

至少一阻抗元件，耦接于一第一参考电压以及该至少一输出端子之间；以及

一电流供应电路，耦接于一第二参考电压以及该至少一输出端子之间，用来供应至少一调整电流；

其中该至少一输出端子上的一输出信号的一共模电压位准通过该至少一调整电流来控制，以允许该放大器电路进行低电压操作，该输出信号的电压位准通过该至少一阻抗元件、该信号电流以及该至少一调整电流来决定，且该输出信号的最高电压位准或最低电压位准不受该第一参考电压的电压位准限制。

2.如权利要求1所述的放大器电路，其中该输入级电路包含至少一晶体管，且该输入信号通过该至少一晶体管的一栅极端子来接收。

3.如权利要求1所述的放大器电路，其中该电流供应电路包含至少一晶体管，且该至少一调整电流通过该至少一晶体管的一栅极端子上的电压位准来控制。

4.如权利要求1所述的放大器电路，还包含：

一共模反馈电路，耦接于该至少一输出端子与该电流供应电路之间，其中该共模反馈电路将该输出信号的该共模电压位准与一参考电压位准进行比较以产生一比较结果，并依据该比较结果来调整该至少一调整电流。

5.如权利要求4所述的放大器电路，其中该放大器电路为一差分放大器，且该输出信号是该差分放大器的一组差分输出信号中的一差分输出信号。

6.如权利要求5所述的放大器电路，其中该输出信号的该共模电压位准是该组差分输出信号的平均值。

7.一种放大器电路，包含：

一输入级电路，耦接于该放大器的至少一输入端子以及该放大器的至少一输出端子之间，用来响应于该至少一输入端子上的一输入信号产生一信号电流；

至少一阻抗元件，耦接于一第一参考电压以及该至少一输出端子之间；以及

一电流供应电路，耦接于一第二参考电压以及该至少一输出端子之间，用来供应至少一调整电流；

其中该至少一输出端子上的一输出信号的一共模电压位准通过该至少一调整电流来控制，以允许该放大器电路进行低电压操作，且该放大器电路还包含：

一共模反馈电路，耦接于该至少一输出端子与该电流供应电路之间，其中该共模反馈电路将该输出信号的该共模电压位准与一参考电压位准进行比较以产生一比较结果，并依据该比较结果来调整该至少一调整电流，

其中该放大器电路为一单端放大器，且该输出信号是该单端放大器的一单端输出信号。

8.如权利要求7所述的放大器电路，其中该共模反馈电路包含一低通滤波器，耦接至该至少一输出端子，用来接收该单端输出信号以产生该输出信号的该共模电压位准。