TW202448119A - 放大器電路 - Google Patents

Abstract

本發明揭露了一種放大器電路，包含四個電晶體、八個開關、第一電容器及第二電容器。當該第一電容器充電時，該四個電晶體電連接該第二電容器以進行放大操作。當該第二電容器充電時，該四個電晶體電連接該第一電容器以進行放大操作。

Description

放大器電路

本發明是關於放大器，尤其是關於動態放大器。

因為動態放大器（dynamic amplifier）不需要電流源提供一固定的直流（direct current, DC）電流，因此不會有靜態電流的消耗。再者，因為該電流源導通需要一跨壓，而且互補式金屬氧化物半導體（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS）製程電壓越來越低，所以該跨壓會使得放大器的輸出訊號的擺幅受限。基於上述的原因，動態放大器這類的不需要靜態電流又具有相對大的輸出擺幅的放大器近來廣為被應用在電路系統中。因此，提升動態放大器的性能成為本技術領域的一個重要的課題。

鑑於先前技術之不足，本發明之一目的在於提供一種放大器電路，以改善先前技術的不足。

本發明之一實施例提供一種放大器電路。放大器電路具有一第一輸入端、一第二輸入端、一第一輸出端、一第二輸出端、一第一節點、一第二節點、一第三節點、一第四節點、一第五節點及一第六節點。該放大器電路包含一第一電晶體、一第二電晶體、一第三電晶體、一第四電晶體、一第一電容器、一第一開關、一第二開關、一第三開關、一第四開關、一第二電容器、一第五開關、一第六開關、一第七開關以及一第八開關。第一電晶體具有一第一端、一第二端及一第一控制端，其中，該第一端耦接該第一節點，該第二端耦接該第二輸出端，以及該第一控制端耦接該第一輸入端。第二電晶體具有一第三端、一第四端及一第二控制端，其中，該第三端耦接該第二節點，該第四端耦接該第二輸出端，以及該第二控制端耦接該第一輸入端。第三電晶體具有一第五端、一第六端及一第三控制端，其中，該第五端耦接該第一節點，該第六端耦接該第一輸出端，以及該第三控制端耦接該第二輸入端。第四電晶體具有一第七端、一第八端及一第四控制端，其中，該第七端耦接該第二節點，該第八端耦接該第一輸出端，以及該第四控制端耦接該第二輸入端。第一電容器具有一第九端及一第十端，其中，該第九端耦接該第三節點且該第十端耦接該第四節點。第一開關耦接於該第三節點與一第一參考電壓之間。第二開關耦接於該第四節點與一第二參考電壓之間。第三開關耦接於該第一節點與該第三節點之間。第四開關耦接於該第二節點與該第四節點之間。第二電容器具有一第十一端及一第十二端，其中，該第十一端耦接該第五節點且該第十二端耦接該第六節點。第五開關耦接於該第五節點與一第三參考電壓之間。第六開關耦接於該第六節點與一第四參考電壓之間。第七開關耦接於該第一節點與該第五節點之間。第八開關耦接於該第二節點與該第六節點之間。

本發明之另一實施例提供一種放大器電路。放大器電路具有一第一輸入端、一第二輸入端、一第一輸出端、一第二輸出端、一第一節點、一第二節點、一第三節點及一第四節點。該放大器電路包含一第一電晶體、一第二電晶體、一第三電晶體、一第四電晶體、一電容器、一第一開關、一第二開關、一第三開關、一第四開關、一第五開關以及一第六開關。第一電晶體具有一第一端、一第二端及一第一控制端，其中，該第一端耦接該第一節點，該第二端耦接該第二輸出端，以及該第一控制端耦接該第一輸入端。第二電晶體具有一第三端、一第四端及一第二控制端，其中，該第三端耦接該第二節點，該第四端耦接該第二輸出端，以及該第二控制端耦接該第一輸入端。第三電晶體具有一第五端、一第六端及一第三控制端，其中，該第五端耦接該第一節點，該第六端耦接該第一輸出端，以及該第三控制端耦接該第二輸入端。第四電晶體具有一第七端、一第八端及一第四控制端，其中，該第七端耦接該第二節點，該第八端耦接該第一輸出端，以及該第四控制端耦接該第二輸入端。電容器具有一第九端及一第十端，其中，該第九端耦接該第三節點且該第十端耦接該第四節點。第一開關耦接於該第三節點與一第一參考電壓之間。第二開關耦接於該第四節點與一第二參考電壓之間。第三開關耦接於該第一節點與該第三節點之間。第四開關耦接於該第二節點與該第四節點之間。第五開關耦接於該第三節點與一第三參考電壓之間。第六開關耦接於該第四節點與一第四參考電壓之間。

本發明之實施例所體現的技術手段可以改善先前技術之缺點的至少其中之一，因此本發明相較於先前技術可以提升動態放大器的性能及應用範圍。

有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作實施例詳細說明如下。

以下說明內容之技術用語係參照本技術領域之習慣用語，如本說明書對部分用語有加以說明或定義，該部分用語之解釋係以本說明書之說明或定義為準。

本發明之揭露內容包含放大器電路。由於本發明之放大器電路所包含之部分元件單獨而言可能為已知元件，因此在不影響該裝置發明之充分揭露及可實施性的前提下，以下說明對於已知元件的細節將予以節略。

圖1是本發明放大器電路之一實施例的電路圖。放大器電路100是動態放大器的一種，具有輸入端IN1、輸入端IN2、輸出端OUT1、輸出端OUT2、節點N1、節點N2、節點N3、節點N4、節點N5及節點N6，並且包含電晶體MP1、電晶體MN1、電晶體MP2、電晶體MN2、電容器C1、電容器C2、開關SWp1、開關SWn1、開關SWp2、開關SWn2、開關SWp3、開關SWn3、開關SWp4及開關SWn4。

請注意，為了專注於本案之技術特徵，圖1省略耦接於輸出端OUT1及輸出端OUT2的負載電容。本技術領域具有通常知識者熟悉負載電容的用途，故不再贅述。

放大器電路100放大輸入電壓Vin+及輸入電壓Vin-（分別透過輸入端IN1及輸入端IN2輸入放大器電路100）以產生輸出電壓Vout+及輸出電壓Vout-（分別透過輸出端OUT1及輸出端OUT2輸出）。輸入電壓Vin+與輸入電壓Vin-是一對差動訊號。輸出電壓Vout+與輸出電壓Vout-是一對差動訊號。

電晶體MP1是一個P型金氧半場效電晶體（P-channel Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，以下簡稱PMOS電晶體）。電晶體MP1的源極耦接或電連接節點N1；電晶體MP1的汲極耦接或電連接輸出端OUT2；電晶體MP1的閘極（控制端）耦接或電連接輸入端IN1。

電晶體MN1是一個N型金氧半場效電晶體（N-channel Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，以下簡稱NMOS電晶體）。電晶體MN1的源極耦接或電連接節點N2；電晶體MN1的汲極耦接或電連接輸出端OUT2；電晶體MN1的閘極耦接或電連接輸入端IN1。

電晶體MP2是一個PMOS電晶體。電晶體MP2的源極耦接或電連接節點N1；電晶體MP2的汲極耦接或電連接輸出端OUT1；電晶體MP2的閘極耦接或電連接輸入端IN2。

電晶體MN2是一個NMOS電晶體。電晶體MN2的源極耦接或電連接節點N2；電晶體MN2的汲極耦接或電連接輸出端OUT1；電晶體MN2的閘極耦接或電連接輸入端IN2。

開關SWp1的一端耦接參考電壓VH1（即，開關SWp1接收參考電壓VH1）；開關SWp1的另一端耦接或電連接節點N3（即，電容器C1的一端）。

開關SWn1的一端耦接參考電壓VL1（即，開關SWn1接收參考電壓VL1）；開關SWn1的另一端耦接或電連接節點N4（即，電容器C1的另一端）。

開關SWp2的一端耦接或電連接節點N1；開關SWp2的另一端耦接或電連接節點N3。

開關SWn2的一端耦接或電連接節點N2；開關SWn2的另一端耦接或電連接節點N4。

開關SWp3的一端耦接參考電壓VH2（即，開關SWp3接收參考電壓VH2）；開關SWp3的另一端耦接或電連接節點N5。

開關SWn3的一端耦接參考電壓VL2（即，開關SWn3接收參考電壓VL2）；開關SWn3的另一端耦接或電連接節點N6。

開關SWp4的一端耦接或電連接節點N1；開關SWp4的另一端耦接或電連接節點N5。

開關SWn4的一端耦接或電連接節點N2；開關SWn4的另一端耦接或電連接節點N6。

在一些實施例中，參考電壓VH1與參考電壓VL1的差值等於參考電壓VH2與參考電壓VL2的差值（例如，參考電壓VH1等於參考電壓VH2且參考電壓VL1等於參考電壓VL2）。在另一些實施例中，參考電壓VH1與參考電壓VL1的差值不等於參考電壓VH2與參考電壓VL2的差值。

圖2顯示本發明多個時脈之一實施例的波形圖。放大器電路100根據圖2的時脈操作。當時脈Φ1為第一準位（在圖2的例子中為低準位，但不以此為限）時，開關SWp1及開關SWn1導通，且開關SWp2及開關SWn2不導通；當時脈Φ1為第二準位（在圖2的例子中為高準位，但不以此為限）時，開關SWp1及開關SWn1不導通，且開關SWp2及開關SWn2導通。當時脈Φ2為第一準位時，開關SWp3及開關SWn3導通，且開關SWp4及開關SWn4不導通；當時脈Φ2為第二準位時，開關SWp3及開關SWn3不導通，且開關SWp4及開關SWn4導通。時脈ΦR為重置時脈；更明確地說，在時脈ΦR為第二準位時，放大器電路100被重置（包含但不限於電晶體MP1、電晶體MN1、電晶體MP2、電晶體MN2及負載電容的端電壓被重置）。重置電晶體MP1、電晶體MN1、電晶體MP2、電晶體MN2及負載電容的操作細節為本技術領域具有通常知識者所熟知，故不再贅述。

時脈Φ1與時脈Φ2不重疊（non-overlapping）（即，不同時為高準位或不同時為低準位，在圖2的例子中，時脈Φ1與時脈Φ2不同時為高準位）。因此，當時脈Φ1為第二準位時及時脈Φ2為第二準位時，放大器電路100皆可放大輸入訊號（即，放大輸入電壓Vin+與輸入電壓Vin-）以產生輸出訊號（即，產生輸出電壓Vout+及輸出電壓Vout-）。換言之，電晶體MP1、電晶體MN1、電晶體MP2及電晶體MN2不會處於閒置的狀態。更明確地說，當電容器C1（或電容器C2）充電時，電容器C2（或電容器C1）提供四個電晶體進行放大操作所需的電力。

因為放大器電路100的放大倍率與電容器C1（或電容器C2）上的電荷量成比例（電荷量愈高，放大倍率愈大），所以當電容器C1上的電荷量Q1（=C1*(VH1-VL1)）不等於電容器C2上的電荷量Q2（=C2*(VH2-VL2)）時，放大器電路100對應於時脈Φ1（第K次放大操作，例如，時間點T2與時間點T1之間）的放大倍率A1不等於放大器電路100對應於時脈Φ2（第K+1次放大操作，例如，時間點T4與時間點T3之間）的放大倍率A2。因此，放大器電路100可以彈性地應用於多種電路。

舉例來說，以下的設計可以使電荷量Q1不等於電荷量Q2：（1）電容器C1的電容值等於電容器C2的電容值（C1=C2），但參考電壓VH1與參考電壓VL1的差值不等於參考電壓VH2與參考電壓VL2的差值（VH1-VL1≠VH2-VL2）；或（2）參考電壓VH1與參考電壓VL1的差值等於參考電壓VH2與參考電壓VL2的差值（VH1-VL1=VH2-VL2），但電容器C1的電容值不等於電容器C2的電容值（C1≠C2）。

在一些實施例中，時脈Φ1位於第二準位的時長（即，T2-T1）不等於時脈Φ2位於第二準位的時長（即，T4-T3）。這種設計也可以使電容器C1上的電荷量Q1不等於電容器C2的電荷量Q2（即使C1=C2，且VH1-VL1=VH2-VL2），進而使放大倍率A1不等於放大倍率A2。

在其他的實施例中，時脈Φ1位於第二準位的時長（即，T2-T1）等於時脈Φ2位於第二準位的時長（即，T4-T3）。

在一些實施例中，時脈ΦR可以省略。也就是說，放大器電路100只根據時脈Φ1及時脈Φ2操作。

圖3是本發明放大器電路之另一實施例的電路圖。放大器電路300是動態放大器的一種，具有輸入端IN1、輸入端IN2、輸出端OUT1、輸出端OUT2、節點N1、節點N2、節點N3及節點N4，並且包含電晶體MP1、電晶體MN1、電晶體MP2、電晶體MN2、電容器C1、開關SWp1、開關SWn1、開關SWp2、開關SWn2、開關SWp3及開關SWn3。

放大器電路300放大輸入電壓Vin+及輸入電壓Vin-以產生輸出電壓Vout+及輸出電壓Vout-。

電晶體MP1、電晶體MN1、電晶體MP2、電晶體MN2、電容器C1、開關SWp1、開關SWn1、開關SWp2及開關SWn2的連接方式與圖1相同，故不再贅述。

開關SWp3的一端耦接參考電壓VH2（即，開關SWp3接收參考電壓VH2）；開關SWp3的另一端耦接或電連接節點N3。

開關SWn3的一端耦接參考電壓VL2（即，開關SWn3接收參考電壓VL2）；開關SWn3的另一端耦接或電連接節點N4。

開關SWp1、開關SWn1、開關SWp2、開關SWn2、開關SWp3及開關SWn3根據圖2的時脈Φ1操作。更明確地說，當時脈Φ1為第一準位時，開關SWp1與開關SWn1導通（或開關SWp3與開關SWn3導通），且開關SWp2及開關SWn2不導通。當時脈Φ1為第二準位時，開關SWp1、開關SWn1、開關SWp3及開關SWn3不導通，且開關SWp2及開關SWn2導通。放大器電路300在時脈Φ1為第一準位時重置。

放大器電路300根據控制訊號Ctrl來將電容器C1的兩端耦接或電連接至參考電壓VH1與參考電壓VL1或參考電壓VH2與參考電壓VL2。更明確地說，當開關SWp1及開關SWn1被致能（enabled）且開關SWp3及開關SWn3被禁能（disabled）時，電容器C1的兩端在時脈Φ1為第一準位時分別耦接或電連接參考電壓VH1與參考電壓VL1。當開關SWp1及開關SWn1被禁能且開關SWp3及開關SWn3被致能時，電容器C1的兩端在時脈Φ1為第一準位時分別耦接或電連接參考電壓VH2與參考電壓VL2。請注意，只有當開關被致能時，才會根據時脈導通或不導通。當開關被禁能時，其不影響電路的運作。

在一些實施例中，參考電壓VH1與參考電壓VL1的差值不等於參考電壓VH2與參考電壓VL2的差值。

請參閱圖4，圖4是本發明控制訊號Ctrl的一範例。當控制訊號Ctrl的值為0時，開關SWp1及開關SWn1被致能，且開關SWp3及開關SWn3被禁能。當控制訊號Ctrl的值為1時，開關SWp1及開關SWn1被禁能，且開關SWp3及開關SWn3被致能。

在圖4的例子中，控制訊號Ctrl的值在放大器電路300的連續放大操作中依序為0、1、0、1、……（一個放大操作對應於時脈Φ1的一個週期）。也就是說，放大器電路300交替地根據VH1與VL1或VH2與VL2進行放大操作。也就是說，開關SWp1與開關SWn1的導通對應到放大器電路300第奇數（或偶數）筆的輸出，而開關SWp3與開關SWn3的導通對應到放大器電路300第偶數（或奇數）筆的輸出。

請參閱圖5，圖5是本發明控制訊號Ctrl的另一範例。在圖5的例子中，控制訊號Ctrl的值在放大器電路300的連續放大操作中依序為0、0、0、1、……。也就是說，放大器電路300可以連續地根據VH1與VL1進行放大操作。

放大器電路100及放大器電路300有許多操作上的彈性，例如，連續的放大操作（即，第K次放大操作與緊接著的第K+1次放大操作，K為正整數）可以對應到：（1）不同的增益（例如，VH1-VL1不等於VH2-VL2）；（2）不同的輸入電壓範圍（即，第K次放大操作的輸入電壓（Vin+及Vin-）的範圍不等於第K+1次放大操作的輸入電壓的範圍）（例如，可以藉由選擇VH1與VL1或VH2與VL2來避免訊號被輸入電壓被截波（clipping））；或（3）不同的輸入共模電壓（即，第K次放大操作的輸入共模電壓不等於第K+1次放大操作的輸入共模電壓，輸入共模電壓是指輸入電壓Vin+與輸入電壓Vin-的共模電壓）（例如，可以藉由設計VH1及VL1的平均值不等於VH2及VL2的平均值來配合不同的輸入共模電壓）。這使得放大器電路100及放大器電路300有很大的彈性與應用範圍。

請注意，前揭圖示中，元件之形狀、尺寸及比例僅為示意，係供本技術領域具有通常知識者瞭解本發明之用，非用以限制本發明。

雖然本發明之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本發明，本技術領域具有通常知識者可根據本發明之明示或隱含之內容對本發明之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本發明所尋求之專利保護範疇，換言之，本發明之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。

100,300:放大器電路 C1,C2:電容器 IN1,IN2:輸入端 MN1,MN2,MP1,MP2:電晶體 N1,N2,N3,N4,N5,N6:節點 OUT1,OUT2:輸出端 SWn1,SWn2,SWn3,SWn4,SWp1,SWp2,SWp3,SWp4:開關 VH1,VH2,VL1,VL2:參考電壓 Vin+,Vin-:輸入電壓 Vout+,Vout-:輸出電壓 T1,T2,T3,T4:時間點 Φ1,Φ2,ΦR:時脈 Ctrl:控制訊號

圖1是本發明放大器電路之一實施例的電路圖； 圖2顯示本發明多個時脈之一實施例的波形圖； 圖3是本發明放大器電路之另一實施例的電路圖； 圖4是本發明控制訊號的一範例；以及 圖5是本發明控制訊號的另一範例。

100:放大器電路

C1,C2:電容器

IN1,IN2:輸入端

MN1,MN2,MP1,MP2:電晶體

N1,N2,N3,N4,N5,N6:節點

OUT1,OUT2:輸出端

SWn1,SWn2,SWn3,SWn4,SWp1,SWp2,SWp3,SWp4:開關

VH1,VH2,VL1,VL2:參考電壓

Vin+,Vin-:輸入電壓

Vout+,Vout-:輸出電壓

Claims (10)

1. 一種放大器電路，具有一第一輸入端、一第二輸入端、一第一輸出端、一第二輸出端、一第一節點、一第二節點、一第三節點、一第四節點、一第五節點及一第六節點，該放大器電路包含： 一第一電晶體，具有一第一端、一第二端及一第一控制端，其中，該第一端耦接該第一節點，該第二端耦接該第二輸出端，以及該第一控制端耦接該第一輸入端； 一第二電晶體，具有一第三端、一第四端及一第二控制端，其中，該第三端耦接該第二節點，該第四端耦接該第二輸出端，以及該第二控制端耦接該第一輸入端； 一第三電晶體，具有一第五端、一第六端及一第三控制端，其中，該第五端耦接該第一節點，該第六端耦接該第一輸出端，以及該第三控制端耦接該第二輸入端； 一第四電晶體，具有一第七端、一第八端及一第四控制端，其中，該第七端耦接該第二節點，該第八端耦接該第一輸出端，以及該第四控制端耦接該第二輸入端； 一第一電容器，具有一第九端及一第十端，其中，該第九端耦接該第三節點且該第十端耦接該第四節點； 一第一開關，耦接於該第三節點與一第一參考電壓之間； 一第二開關，耦接於該第四節點與一第二參考電壓之間； 一第三開關，耦接於該第一節點與該第三節點之間； 一第四開關，耦接於該第二節點與該第四節點之間； 一第二電容器，具有一第十一端及一第十二端，其中，該第十一端耦接該第五節點且該第十二端耦接該第六節點； 一第五開關，耦接於該第五節點與一第三參考電壓之間； 一第六開關，耦接於該第六節點與一第四參考電壓之間； 一第七開關，耦接於該第一節點與該第五節點之間；以及 一第八開關，耦接於該第二節點與該第六節點之間。
2. 如請求項1之放大器電路，其中，該第一開關、該第二開關、該第三開關、該第四開關、該第五開關、該第六開關、該第七開關及該第八開關根據一第一時脈及一第二時脈操作，該第一時脈與該第二時脈不同時為一第二準位；當該第一時脈為一第一準位時，該第一開關及該第二開關導通且該第三開關及該第四開關不導通；當該第一時脈為該第二準位時，該第一開關及該第二開關不導通且該第三開關及該第四開關導通；當該第二時脈為該第一準位時，該第五開關及該第六開關導通且該第七開關及該第八開關不導通；當該第二時脈為該第二準位時，該第五開關及該第六開關不導通且該第七開關及該第八開關導通。
3. 如請求項2之放大器電路，其中，該第一時脈為該第二準位的一時長不等於該第二時脈為該第二準位的一時長。
4. 如請求項1之放大器電路，其中，該第一參考電壓與該第二參考電壓的一差值不等於該第三參考電壓與該第四參考電壓的一差值。
5. 如請求項1之放大器電路，其中，該第一電容器的一電容值不等於該第二電容器的一電容值。
6. 一種放大器電路，具有一第一輸入端、一第二輸入端、一第一輸出端、一第二輸出端、一第一節點、一第二節點、一第三節點及一第四節點，該放大器電路包含： 一第一電晶體，具有一第一端、一第二端及一第一控制端，其中，該第一端耦接該第一節點，該第二端耦接該第二輸出端，以及該第一控制端耦接該第一輸入端； 一第二電晶體，具有一第三端、一第四端及一第二控制端，其中，該第三端耦接該第二節點，該第四端耦接該第二輸出端，以及該第二控制端耦接該第一輸入端； 一第三電晶體，具有一第五端、一第六端及一第三控制端，其中，該第五端耦接該第一節點，該第六端耦接該第一輸出端，以及該第三控制端耦接該第二輸入端； 一第四電晶體，具有一第七端、一第八端及一第四控制端，其中，該第七端耦接該第二節點，該第八端耦接該第一輸出端，以及該第四控制端耦接該第二輸入端； 一電容器，具有一第九端及一第十端，其中，該第九端耦接該第三節點且該第十端耦接該第四節點； 一第一開關，耦接於該第三節點與一第一參考電壓之間； 一第二開關，耦接於該第四節點與一第二參考電壓之間； 一第三開關，耦接於該第一節點與該第三節點之間； 一第四開關，耦接於該第二節點與該第四節點之間； 一第五開關，耦接於該第三節點與一第三參考電壓之間；以及 一第六開關，耦接於該第四節點與一第四參考電壓之間。
7. 如請求項6之放大器電路，其中，該第一開關、該第二開關、該第三開關、該第四開關、該第五開關及該第六開關根據一時脈操作；當該時脈為一第一準位時，該第一開關及該第二開關導通，且該第三開關及該第四開關不導通；當該時脈為一第二準位時，該第一開關及該第二開關不導通，且該第三開關及該第四開關導通。
8. 如請求項7之放大器電路，其中，在該時脈的一週期中，該第五開關及該第六開關被禁能。
9. 如請求項6之放大器電路，其中，該第一參考電壓與該第二參考電壓的一差值不等於該第三參考電壓與該第四參考電壓的一差值。
10. 如請求項6之放大器電路，其中，該第一參考電壓與該第二參考電壓的一平均值不等於該第三參考電壓與該第四參考電壓的一平均值。

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