TW200845566A - Amplifier - Google Patents

Description

200845566 九、發明說明： 放大器，特別是關於一種輸入端自 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一毛 偏壓的放大器。 【先前技術】 放大°β的輸人阻&與輪人端偏壓係其設計的兩項重 :因素。例：’机放大具有高輸出阻抗的信號源所提供的 信號’放大器的輸人級必須具有高輪人阻抗，以減少信號 的放大電路，由於其元件尺寸 麵合損失所導朗信魏衰減。然而，如果放大器的輸入級 係採用一般具有南放大倍^ $ #乂大’致使具有高輸出阻抗的信號源所 供應的信號無法完全_合至放大器，而造成信號的衰減。 f知技術常湘偏壓電路提供放大器高輸人阻抗，但是會 產生其他的問題S彳面，信號源輸出端所需要的偏壓 常與放大器輸人級的輪人端偏壓不同，造成放大器不適用 在該信號源。如果放大ϋ也能提供適當的偏壓給信號源的 輸出端，便能增加該放大器輸入端的偏壓適應性，使該放 大态適用於各種彳§號源，而擴展該放大器的應用範圍。 放大器的電路設計必須考量成本與整體電路的尺 寸。特別是在某些較不重視雜訊因素的應用上，降低放大 器的成本與尺寸反而是比較關鍵的因素。在不過度犧牲性 能的前題下’縮小放大恭的尺寸，例如單晶片化，以及降 低成本，是設計者的目標。 5 200845566 美國專利第3595998號提出一種麥克風的前級放大 器，使用一個極性相依偏壓電路來控制放大器FET的閘極 電壓，並對信號源單獨偏壓。不過，該極性相依偏壓電路 複雜且龐大，而且如同在美國專利第6812788號中所描述 的，此電路的電阻阻值必須高達數十甚至數，而且會 引發嚴重的雜訊問題。此外，如此高阻值的電阻必須使用 外掛電阻來實現’因此不能微型化，而且成本較高。 美國專利第5337011號提出一種麥克風的前級放大 器，使用兩個疊接級改善阻抗匹配，避免增益的過度損 失’而且抑制雜訊。但是此電路相當複雜，而且也不能解 決輸入端偏壓適應性的問題。 美國專利弟7110560號提出一種麥克風的前級放大 器，使用一對交叉耦合的二極體來提供高輸入阻抗，並使 用耦合電容以防止直流漏電流。不過，如同在美國專利申 請案公開第20030194100號中所描述的，輸入端的交叉耦 合二極體會引發其他問題，而且此技藝也不能解決輸入端 偏壓適應性的問題。 美國專利申請案公開第20030194100號提出一種麥克 風的輸入緩衝偏壓電路，使用限流器限制交叉耦合輸入偏 壓二極體的電流，以提高輸入信號電壓。不過此技藝仍未 解決輸入端偏壓適應性的問題。 美國專利第6888408號提出一種麥克風的前級放大 器，使用兩級放大器來取代傳統的接面電晶體（JFET)，其 第一級放大器可以最小化輸入電容，第二級放大器可以最 200845566 佳化增益。不過’第一級放大器必須設計成與信號源的輸 出電容相匹配’因此需針對不同輸出電容的信號源設計第 一級放大态’不但限制了放大器的應用範圍，而且成本較 高。同時，此技藝也不能解決輸入端偏壓適應性的問題。 美國專利申請案公開第20050151589號提出一種電容 性換能器的放大器電路，也是使用一對交差耦合的二極體 來提供高輸入阻抗，但是增加一個祠服放大器回授輸出給 該對交差耦合的二極體，以控制輸入偏壓點。不過，輸入 端的交差耦合二極體會引發其他問題，而且此技藝也不能 解決輸入端偏壓適應性的問題。 美國專利第6812788號提出一種電容性麥克風的放大 器電路，藉由獨立的偏壓電源分別設定信號源與放大器輸 入端的偏壓，以及使用二極體和高阻值電阻組成的網路來 取代傳統的高輸入耦合電阻，並回授輸出給該輸入耦合網 路。不過，此技藝需使用到雙偏壓電源，而且使用輸入耦 合網路來提供高輪入阻抗，導致該放大器電路設計的複雜 度及成本的增加。 【發明内容】 本發明的目的之一，在於提出一種輸入端可獨立偏壓 的放大器。 特別地，本發明的目的之一，在於提出一種輸入端自 偏壓的放大器。 本發明的目的之一，在於提出一種高輸入阻抗的放大 7 200845566 器。 特別地，本發明的目的之一，在於提出一種適用於與 高輸出阻抗的信號源連接的放大器。 本發明的目的之一，在於提出一種可整合在單晶片中 的放大器。 特別地，本發明的目的之一，在於提出一種降低電路 複雜度及成本的放大器。 根據本發明，一種放大器包括信號源輸入端用以接收 輸入信號，負載耦接一放大電路，以及自偏壓電路耦接該 放大電路的輸入端，用以將該放大電路的輸入端偏壓在一 直流準位，其中該負載與該自偏壓電路在該放大電路的電 流路徑上，且分別位於該放大電路的二侧。 變化地，該放大器更包括搞合電路耦接在該信號源輸 入端與該放大電路的輸入端之間，用以從該信號源輸入端 岸馬合該輸入信號到該放大電路，並使該信號源輸入端與該 放大電路的輸入端可被獨立偏壓，以及偏壓電路耦接在電 源電壓與該信號源輸入端之間，用以將該信號源輸入端偏 壓在第二直流準位。 藉由該耦合電路與該些偏壓電路的配置，該放大器的 信號源輸入端與放大電路的輸入端可使用單一偏壓，或者 分別被偏壓在不同的直流準位。 由於放大電路的輸入端係使用自偏壓電路，因此可以 簡化電路及降低成本。 該耦合電路可以使用電容、二極體、或二極體接法的 8 200845566 曰曰 電 極體 或疊 該=偏_路心❹短路 接法的電晶體、或其組合。 桎體 /亥放大電路可以使用單級放大電晶體、差動對 接或串接的放大電路。 【實施方式】 0系根據本餐a月的第一個實施例，放大器剛具有信 號源輸入端1〇2用以_號源，例如具有高輸出阻抗的 W源的輸出端’從其接收輸人信號S卜經放大電路112 放大後，山於輸出端104產生輸出信號S2。放大電路112的電 源輸入端116耦接外部電源電壓VDD以激活放大電路 112。負載114位於放大電路112的電流路徑上，輕接在電 源輸入端116與放大電路112之間。偏壓電路丨職接在放 大電路112的電流路徑上，與負載114分別位於放大電路 112的二側，偏壓電路108耦接在輸入端1〇6與偏壓 之間，與偏壓電路110組成自偏壓電路，產生低電壓作為 輸入端106及信號源輸入端1〇2的偏壓，不需要另外提供電 源電壓產生輸入端106及信號源輪入端1〇2的偏壓，且輪入 端106及信號源輸入端1〇2的偏壓係自偏壓電路從放大帝 路112耦接負載114的另一側產生，因此可根據設計產生所 需的偏壓而不會隨負載114的不同而改變，具有較户的< 定性。上述放大器100的所有元件可被整合在單晶片中# 如圖2所示，在一實施例中，負载114為一電阻，偏壓 200845566 電路108為—個逆向偏壓的二極體，偏壓電路1U)包括一個 ，阻串聯—個順向偏壓的二極體，以及放大電路112為— 單級放大電晶體(PMOS)。在*同的實_中，偏壓電路⑽ 與no可以分別使用短路、電阻或二極體的組合，如 藝之人士所習知的’二極體也可錢用二極體接法的電曰 體，放大電路m可以使用差動對、或4接或串接的放= 電路。 圖3係本發明的第二個實施例，放大器15〇除了具有如 圖1所示的結構外，更包_合電路118耦合錢源輸入^ 102與放大電路112的輸人賴6 ’使信號源輸人端1〇2與放 大電路112的輸入端1〇6可被獨立偏壓，以及偏壓電路12〇 耦接在電源電壓VB與信號源輸入端1〇2之間，用以將信號 源輸入端102偏壓在某個直流準位。因此，信號源輸入端 102與放大電路112的輸入端1〇6可被偏壓在不同的直流準 位，使>[§號源的輸出在損失極小的情況下麵合至放大電路 112。由於信號源輸入端102與放大電路112的輸入端1〇6被 獨立偏壓，因此放大器150可適應不同的信號源。上述放 大器150的所有元件可被整合在單晶片中。 如圖4所示，在一實施例中，耦合電路118是一個電 容，例如此技藝之人士所習知的，該電容可以多晶矽-絕緣 物-擴散層（polysilicon-insulator-diffusion)、金屬-絕緣物-擴散層（metal-insulator-diffusion)、多晶石夕-絕緣物多晶石夕 (polysilicon-insulator-polysilicon)、金屬絕緣物-多晶石夕 (metal_insulator-polysilicon)或金屬-絕緣物金屬 200845566 (metal-insulator-metal)等結構在半導體晶片上形成，負載 114為一個電阻，偏壓電路120為一個逆向偏壓的二極體， 偏壓電路108為一個逆向偏壓的二極體，偏壓電路u〇包括 一個電阻串聯一個順向偏壓的二極體，以及放大電路112 為一個單級放大電晶體(PM0S)。在不同的實施例中，耦合 電路118可以使用逆向偏壓的二極體或任何可以使信號源 輸入端102與放大電路112的輸入端ι〇6被獨立偏壓的電 路，偏壓電路108、11〇與120可以分別使用短路、電阻、 一極體、一極體接法的電晶體或其組合，放大電路π 2可 以使用差動對、或疊接或串接的放大電路。 圖5係根據本發明的第三個實施例，放大器2〇〇具有信 號源輸入端202用以接收輸入信號S1，放大電路212經電源 輸入端216辆接外部電源電壓VDD而被激活，以放大輸入 信號S1產生輸出信號S2至輸出端204，負載214位於放大電 路212的電流路徑上，耦接在放大電路212與接地端GNd之 間’偏壓電路210耦接在放大電路212的電流路徑上，與負 載214分別位於放大電路212的二側，偏壓電路208耦接在 放大電路212的輸入端206與偏壓電路210之間，與偏壓電 路210組成自偏壓電路，用以產生高電壓作為輸入端2〇6及 信號源輸入端202的偏壓，不需要另外提供電源電壓產生 輸入端206及信號源輸入端2〇2的偏壓，且輪入端2〇6及信 號源輸入端202的偏壓係自偏壓電路從放大電路212|馬接 負載214的另一側產生，因此可根據設計產生所需的偏壓 而不會隨負載214的不同而改變，具有較佳的穩定性。同 11 200845566 樣地，偏壓電路208與210可以分別使用短路、電阻、二極 體、二極體接法的電晶體或其組合，放大電路212可以使 用單級放大電晶體、差動對、或疊接或串接的放大電路。 上述放大器200的所有元件可被整合在單晶片中。 圖6係圖5的一個範例，其中偏壓電路208使用短路， 偏壓電路210使用二極體接法的電晶體，放大電路212使 用單級放大電晶體(NMOS)，負載214使用二極體接法的 電晶體。 圖7係根據本發明的第四個實施例，放大器250除了 如圖5所示的結構外，更包括耦合電路218 |馬接在信號源 輸入端202與放大電路212之間，以及偏壓電路220耦接 在電源電壓VB與信號源輸入端202之間。因此，信號源 輸入端202與放大電路212的輸入端206可被偏壓在不同 的直流準位，使放大器250適應不同的信號源。同樣地， 耦合電路218可以使用電容、二極體或其他任何可以使信 號源輸入端202與輸入端206被獨立偏壓的電路，電容可 以使用在半導體晶片上以多晶矽-絕緣物-擴散層、金屬-絕 緣物-擴散層、多晶秒-絕緣物_多晶砍、金屬-絕緣物_多晶 石夕、或金屬-絕緣物-金屬等結構形成的電容，偏壓電路 208、210與220可以分別使用短路、電阻、二極體、二極 體接法的電晶體或其組合，以及放大電路212可以使用單 級放大電晶體、差動對、或疊接或串接的放大電路。上述 放大器250的所有元件可被整合在單晶片中。 圖8係圖7的一個範例，其中耦合電路218使用二極 12 200845566 體接法的電晶體，偏壓電路22〇使用電阻，偏壓電路2〇8 $用短路’偏壓電路21〇使用二極體接法的電晶體，放大 電路212使用單級放大電晶體(NM〇s)，負載214使用二 極體接法的電晶體。 【圖式簡單說明】 圖1係根據本發明的第一個實施例； 圖2係圖1的一個範例； 圖3係根據本發明的第二個實施例； 圖4係圖3的一個範例； 圖5係根據本發明的第三個實施例； 圖6係圖5的一個範例； 圖7係根據本發明的第四個實施例；以及 圖8係圖7的一個範例。 【主要元件符號說明】 放大器 #號源輪入端 輸出端 輸入端 偏壓電路 偏壓電路 放大電路 負載 100 102 104 106 108 110 112 114 13 200845566 116 電源輸入端 118 耦合電路 120 偏壓電路 150 放大器 200 放大器 202 信號源輸入端 204 輸出端 206 輸入端 208 偏壓電路 210 偏壓電路 212 放大電路 214 負載 216 電源輸入端 218 耦合電路 220 偏壓電路 250 放大器 14

Claims (1)

1. 200845566 十、申請專利範圍： 1. 一種放大器，包括： 信號源輸入端，用以接收輸入信號； 放大電路’用以放大該輸入信號； 負載，耦接該放大電路；以及 自偏壓電路，耦接該放大電路的輸入端，用以將該放 大電路的輸入端偏壓在一直流準位； 其中，該負載與該自偏壓電路在該放大電路的電流路 徑上，且分別位於該放大電路的二侧。 2. 如請求項1之放大器，更包括： 耦合電路，耦接在該信號源輸入端與該放大電路的輸 入端之間，用以從該信號源輸入端耦合該輸入信號 到該放大電路，並使該信號源輸入端與該放大電路 的輸入端可被獨立偏壓；以及 偏壓電路5耗接在電源電壓與該信號源輸入端之間9 用以將該信號源輸入端偏壓在第二直流準位。 3. 如請求項2之放大器，其中該耦合電路包括電容耦接 在該信號源輸入端與該放大電路的輸入端之間。 4. 如請求項3之放大器，其中該電容包括以多晶矽-絕緣 -擴散、金屬-絕緣·擴散、多晶矽-絕緣-多晶矽、金屬-絕緣 -多晶石夕或金屬-絕緣-金屬結構形成的電容。 5. 如請求項2之放大器，其中該耦合電路包括逆向偏壓 的二極體耦接在該信號源輸入端與該放大電路的輸入端 之間。 15 200845566 6·如請求項2之放大器，其中該耦合電路包括電晶體接 成的一極體在該信號源輸入端與該放大電路的輸入端之 間。 7 ·如明求項2之放大器，其中該偏壓電路包括電阻搞接 在該電源電壓與該信號源輸入端之間。 8·如請求項2之放大器，其中該偏壓電路包括逆向偏壓 的一極體麵接在該電源電壓與該信號源輸入端之間。 9·如請求項2之放大器，其中該偏壓電路包括電晶體耦 接成逆向偏壓的二極體在該電源電壓與該信號源輸入端 之間。 10·如請求項1之放大器，其中該自偏壓電路包括： 第一偏壓電路，搞接該放大電路；以及 第二偏壓電路，耦接在該放大電路的輸入端與該第一 偏壓電路之間。 11·如請求項10之放大器，其中該第一偏壓電路包括短 路耦接該放大電路。 12·如請求項1〇之放大器，其中該第一偏壓電路包括電 阻耦接該放大電路。 13·如請求項1〇之放大器，其中該第一偏壓電路包括順 向偏壓的二極體耦接該放大電路。 14·如請求項1〇之放大器，其中該第一偏壓電路包括電 晶體耦接成順向偏壓的二極體耦接該放大電路。 15·如請求項1〇之放大器，其中該第二偏壓電路包括短 路在该放大電路的輸入端與該第一偏壓電路之間。 16 200845566 16. 如請求項10之放大器，其中該第二偏壓電路包括電 阻耦接在該放大電路的輸入端與該第一偏壓電路之間。 17. 如請求項10之放大器，其中該第二偏壓電路包括逆 向偏壓的二極體耦接在該放大電路的輸入端與該第一偏 壓電路之間。 18. 如請求項10之放大器，其中該第二偏壓電路包括電 晶體輕接成逆向偏壓的二極體在該放大電路的輸入端與 該第一偏壓電路之間。 19. 如請求項2之放大器，其中該直流準位與該第二直 流準位不相等。 20. 如請求項1之放大器，其中該放大電路包括單級放 大電晶體。 21. 如請求項20之放大器，其中該單級放大電晶體係 NMOS或PMOS電晶體。 22. 如請求項1之放大器，其中該放大電路包括差動對。 23. 如請求項1之放大器，其中該放大電路包括疊接的 放大電路。 24. 如請求項1之放大器，其中該放大電路包括串接的 放大電路。 17