TW201731210A - 可變增益放大電路 - Google Patents

Abstract

一種可變增益放大電路，用以放大一第一輸入信號和一第二輸入信號之間的一電壓差值，藉以產生一放大差動輸出信號。該可變增益放大電路包含一運算放大器、一輸入元件、一回授元件、一動態偏壓電路和一轉導放大器。該動態偏壓電路用以根據一設定值以產生一偏壓電流。該轉導放大器用以轉換該第一輸入信號和該第二輸入信號之間的該電壓差值以產生流經該回授元件的一類比輸出電流。該類比輸出電流根據該偏壓電流而改變。

Description

可變增益放大電路

本發明係關於一種可變增益放大電路。

可變增益放大電路係用以根據一增益控制信號以放大或衰減一輸入信號。第一圖繪示一傳統可變增益放大電路的示意圖。該可變增益放大電路100包含一差動運算放大器(Operational Amplifier)12、具有固定電阻值的電阻R1B和R2B以及具有可變電阻值的電阻R2A和R2B。

如第一圖所示，該等電阻R2A和R2B的每一者具有多個並聯的電路單元，其中每一電路單元由串聯在一起的電晶體開關和電阻所組成。一增益控制器14產生多個邏輯信號至該電阻R2A中的多個電晶體開關，且一增益控制器16產生多個邏輯信號至該電阻R2B中的多個電晶體開關。該等電阻R2A和R2B的阻值由電晶體開關的導通狀態所決定。因此，藉由導通和截止該等開關，該等電阻R2A和R2B的阻值會產生變化，進而改變該可變增益放大電路100的增益。

依此運作方式，當電阻R1A的阻值等於電阻R1B的阻值，且電阻R2A的阻值等於電阻R2B的阻值時，該可變增益放大電路100的增益可由該電阻R2A的阻值和該電阻R1A的 阻值比例所決定。當該可變增益放大電路100的增益需要N級變化時，該等電阻R2A和R2B的每一者中的電路單元需要N個電晶體開關和N個電阻。因此，該可變增益放大電路100的晶片面積會隨著級數N的增加而加大許多。

根據本發明一實施例之一種可變增益放大電路，該可變增益放大電路用以放大一第一輸入信號和一第二輸入信號之間的一電壓差值，藉以產生一放大差動輸出信號。該可變增益放大電路包含一運算放大器、一第一輸入元件、一回授元件、一動態偏壓電路和一轉導放大器。該運算放大器具有一第一輸入端，一第二輸入端和用以提供該放大差動輸出信號的一輸出端。該第一輸入元件具有用以接收該第一輸入信號的一第一端和耦接至該運算放大器的該第一輸入端的一第二端。該回授元件具有耦接至該運算放大器的該第一輸入端的一第一端和耦接至該運算放大器的該輸出端的一第二端。該動態偏壓電路用以根據一設定值以產生一偏壓電流。該轉導放大器用以轉換該第一輸入信號和該第二輸入信號之間的該電壓差值以產生一類比輸出電流。該類比輸出電流流經該回授元件。該第一輸入元件具有一固定阻值。該轉導放大器的該類比輸出電流根據該偏壓電流而改變。

100‧‧‧可變增益放大電路

12‧‧‧差動運算放大器

14‧‧‧增益控制器

16‧‧‧增益控制器

200‧‧‧可變增益放大電路

22‧‧‧增益放大器

224‧‧‧運算放大器

24,24’‧‧‧轉導放大器

26,26’‧‧‧動態偏壓電路

262‧‧‧電流產生電路

2622‧‧‧運算放大器

264‧‧‧電流鏡電路

400‧‧‧可變增益放大電路

42‧‧‧增益放大器

424‧‧‧運算放大器

48‧‧‧偵測電路

49‧‧‧充電泵

600‧‧‧可變增益放大電路

64‧‧‧切換單元

66‧‧‧切換單元

68‧‧‧偵測電路

800‧‧‧可變增益放大電路

82‧‧‧偵測電路

C1,CH‧‧‧電容

I1,I2‧‧‧電流源

N1~N5‧‧‧電晶體

P1~P5‧‧‧電晶體

R1A,R2A,R1B,R2B‧‧‧電阻

R1~R4‧‧‧電阻

RLEL‧‧‧電阻

SW1,SW2‧‧‧開關

第一圖繪示一傳統可變增益放大電路的示意圖。

第二圖顯示結合本發明一實施例之一可變增益放大電路之方塊示意圖。

第三圖顯示結合本發明一實施例之該可變增益放大電路之電路圖。

第四圖顯示結合本發明另一實施例之一可變增益放大電路之方塊示意圖。

第五圖顯示結合本發明另一實施例之一可變增益放大電路之電路圖。

第六圖顯示結合本發明又一實施例之可增加增益的一可變增益放大電路之方塊示意圖。

第七圖顯示第六圖所示的該可變增益放大電路之運作方式。

第八圖顯示結合本發明再一實施例之可增加增益的一可變增益放大電路之方塊示意圖。

第九圖顯示結合本發明一實施例之該可變增益放大電路之電路圖。

在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，製造商可能會用不同的名詞來稱呼同樣的元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元 件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」或「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。另外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。

第二圖顯示結合本發明一實施例之一可變增益放大電路200之方塊示意圖。參照第二圖，該可變增益放大電路200包含一增益放大器22、一轉導(transconductance)放大器24和一動態偏壓電路26。

該增益放大器22用以接收一類比輸入信號VI以產生一類比輸出信號VO。在本實施例中，該增益放大器22由一單端輸入單端輸出的運算放大器224、具有固定電阻值的電阻R1以及具有固定電阻值的電阻R2所組成。當轉導放大器24未提供電流至電阻R2時，該增益放大器22的增益G係由式(1)決定。

G=R2/R1 (1)

然而，該增益放大器22的新增益G’可藉由改變流過電阻R2的淨電流來獲得。參考第二圖，該轉導放大器24係用以轉換輸入電壓VI和參考電壓VREF的差值以產生一類比輸出電流IGM。接著，該轉導放大器24提供該類比輸出電流 IGM至該增益放大器22，藉以調整該增益放大器22的增益G’。注意該轉導放大器24的一偏壓電流IDYN來自該動態偏壓電路26。該偏壓電流IDYN可以根據一輸入信號VLEL而改變。

第三圖顯示結合本發明一實施例之該可變增益放大電路200之電路圖。參考第三圖，該動態偏壓電路26包含一電流產生電路262和一電流鏡電路264。該電流產生電路262由一運算放大器2622、一NMOS電晶體N1和一電阻RLEL所組成。該運算放大器2622具有用以接收該輸入信號VLEL的一正輸入端、耦接至該電阻RLEL的一負輸入端和耦接至該NMOS電晶體N1的一閘極的一輸出端。依此結構，流過該NMOS電晶體N1的電流IN1可由式(2)決定。

IN1=VLEL/RLEL (2)

參照第三圖，該電流鏡電路264由PMOS電晶體P1、P2和P3所組成。該PMOS電晶體P1接收流過該NMOS電晶體N1的電流IN1，而該等PMOS電晶體P2和P3根據寬長比(W/L ratio)而產生比例於該電流IN1的電流。該PMOS電晶體P3的電流做為該轉導放大器24的上偏壓電流。流過該PMOS電晶體P2的電流流至該NMOS電晶體N2，接著，該NMOS電晶體N3根據寬長比而產生比例於該NMOS電晶體N2的電流，以做為該轉導放大器24的下偏壓電流。

該轉導放大器24包含一輸入電晶體對，由串聯的PMOS電晶體P1和NMOS電晶體N4以及串聯的PMOS電晶體P5 和NMOS電晶體N5所組成。參照第三圖，該PMOS電晶體P4和該NMOS電晶體N4串聯連接於該PMOS電晶體P3和該NMOS電晶體N3之間，而該PMOS電晶體P5和該NMOS電晶體N5串聯連接於該PMOS電晶體P3和該NMOS電晶體N3之間。

參照第三圖，該PMOS電晶體P4和該NMOS電晶體N4的閘極用以接收該類比輸入信號VI，而該PMOS電晶體P5和該NMOS電晶體N5的閘極用以接收該參考電壓VREF。因此，該轉導放大器24的該類比輸出電流IGM之電流值會比例於該輸入電壓VI和參考電壓VREF的差值。此外，該轉導放大器24的增益相應於該PMOS電晶體P3或該NMOS電晶體N3的偏壓電流值。

以下參考第三圖說明該可變增益放大電路200的一運作方式。隨著該輸入信號VLEL的電壓值上升，流過該電阻RLEL的電流也隨之增加。由於電流鏡264會產生一複製電流，其等比例於流過該電阻RLEL的電流。因此，該PMOS電晶體P3和該PMOS電晶體P3的偏壓電流值也會隨之增加。當VI>VREF時，該轉導放大器24產生該類比輸出電流IGM，此時該類比輸出電流IGM會帶走原本流過該電阻R2的電流，故流過電阻R2的淨電流會下降，這使得該增益放大電路22的增益下降。

在第三圖中，一單端輸入單端輸出的運算放大器224使用於該增益放大器22中。然而，本發明不應限定於此一 型態的運算放大器。該增益放大器22也可以是差動輸入差動輸出放大器的型態。第四圖顯示結合本發明另一實施例之一可變增益放大電路400之方塊示意圖。參照第四圖，該可變增益放大電路400包含一增益放大器42、一轉導放大器24’、一動態偏壓電路26’、一偵測電路48和一充電泵49。第四圖中類似第二圖之元件以類似的參考數字顯示，且電路的細節將不再贅述。

在本實施例中該增益放大器42為一雙端差動輸入雙端差動輸出放大器的型態。該增益放大器42接收互補的類比輸入信號VIP和VIN以產生互補的類比輸出信號VOP和VON。如第四圖所示，該增益放大器42由一差動運算放大器424和具有固定電阻值的電阻R1,R2,R3,R4所組成。當電阻R1的阻值等於電阻R2的阻值，且電阻R3的阻值等於電阻R4的阻值時，在該轉導放大器24’未提供電流至電阻R3的狀況下，該增益放大器42的增益G係由式(3)決定。

G=R3/R1 (3)

在此狀況下，當輸入電壓VIP大於輸入電壓VIN時，流過電阻R3的電流的方向和流過R4的電流的方向如第四圖實線所示。隨著輸入電壓VIP和輸入電壓VIN的差值增加，流過電阻R3和R4的電流也隨之增加。

另一方面，當該偵測電路48偵測到該可變增益放大電路400的輸出電壓不在一預定範圍內時，該增益放大器42 的增益可以開始進行調整。以下參考第五圖說明該可變增益放大電路400的一運作方式。當該偵測電路48偵測到該可變增益放大電路400的輸出電壓VOP,VON不在該預定範圍內時，該偵測電路48產生互補的控制信號UP和DN至該充電泵49。該充電泵49用以產生該信號VLEL。如第五圖所示，該充電泵49包含一上偏壓電流源I1、一下偏壓電流源I2、兩開關SW1和SW2和一電容C1。

該充電泵49根據該控制信號UP對該電容C1充電，使得信號VLEL的電壓值上升；該充電泵49根據該控制信號DN對該電容C1放電，使得信號VLEL的電壓值下降。當該偵測電路48偵測到該可變增益放大電路400的輸出電壓VOP,VON不在該預定範圍內時，該充電泵49對該電容C1充電。因此，該信號VLEL的電壓值增加，流過該電阻RLEL的電流也隨之增加。隨著流過該電阻RLEL的電流增加，該PMOS電晶體P3或該NMOS電晶體N3的偏壓電流值也會隨之增加，使得該轉導放大器24的類比輸出電流IJ1和IJ2增加。因此，流過電阻R3和R4的淨電流會下降，這使得該增益放大器42的增益下降。注意該等類比輸出電流IJ1和IJ2的電流方向會相反。當該增益放大器42的增益下降後，該可變增益放大電路400的輸出電壓VOP,VON最終會回復到該預定範圍內時，使得該信號VLEL的信號不會持續增加且保持一穩定值。

第二圖和第四圖中的可變增益放大電路可使用 在許多通訊系統和信號處理單元中。舉例而言，該可變增益放大電路200可以運用於一音量控制單元中以增加或衰減輸入的音頻信號。第六圖顯示結合本發明又一實施例之可增加增益的一可變增益放大電路600之方塊示意圖。參照第六圖，該可變增益放大電路600包含一增益放大器42、一轉導放大器24’、一切換單元64、一切換單元66、一動態偏壓電路26’、一偵測電路68和一充電泵49。第六圖中類似第四圖之元件以類似的參考數字顯示之。

現說明該可變增益放大電路600的運作方式。當該偵測電路68偵測到該可變增益放大電路600的輸出電壓VOP和VON不在一較高預定範圍內(例如4V)時，該切換單元64內的開關會導通而該切換單元66內的開關會截止。因此，該轉導放大器24’會根據輸入電壓VIP和輸入電壓VIN間的差值產生輸出電流IJ1和IJ2。接著，該充電泵49對該電容C1充電以增加信號VLEL的電壓值。當信號VLEL的電壓值增加時，流過電阻R3和R4的淨電流減少，這使得該增益放大器42的增益下降。依此方式，當該可變增益放大電路600的輸出電壓VOP和VON不在較高預定範圍內時，該可變增益放大電路600可降低增益。

另一方面，當該偵測電路48偵測到該可變增益放大電路400的輸出電壓VOP,VON不在一較低預定範圍內(例如0.5V)時，該切換單元64內的開關會截止而該切換單元66內的 開關會導通。因此，該轉導放大器24’會根據輸入電壓VIP和輸入電壓VIN間的差值產生輸出電流IJ1和IJ2。在此狀況下，該信號VLEL的電壓值會增加。如第七圖所示，流過電阻R3和R4的淨電流會增加，這使得該增益放大器42的增益上升。

第八圖顯示結合本發明再一實施例之可增加增益的一可變增益放大電路800之方塊示意圖。參照第八圖，該可變增益放大電路800包含一增益放大器42、一轉導放大器24’、一動態偏壓電路26’、一偵測電路82、一開關SW和一電容CH。第二圖中的可變增益放大電路200和第四圖中的可變增益放大電路400的增益調整未限定在輸入電壓或輸出電壓的零交越處。因此，即使藉由引入小電流IGM至增益放大器22或藉由引入小電流IJ1和IJ2至增益放大器42以微幅的調整放大器增益，在類比輸入電壓的頂端時，仍有可能造成可聽見的瞬變(audible transient)。對於高品質的音響裝置，聲音瞬變是一個問題。為了解決此一問題，該可變增益放大電路800會需要偵測電路72以偵測輸入電壓或輸出電壓的零交越處(zero crossing)，例如在輸入電壓或輸出電壓由正值轉變到負值或負值轉變到正值時產生一零交越信號表示信號進入零交越處。

第九圖顯示結合本發明一實施例之該可變增益放大電路800之電路圖。第九圖中類似第五圖之元件以類似的參考數字顯示之。參考第九圖，在本實施例中，該偵測電路82接收互補的類比輸出信號VOP和VON並且在輸出信號VOP 和VON的零交越處產生一零交越信號ZC。該開關SW只有在零交越信號ZC產生時才會導通，以將該信號VLEL的電壓值傳送至電容CH上。接著，該動態偏壓電路26’根據電容CH上的電壓VD產生提供至該轉導放大器24’上的上偏壓電流和下偏壓電流。依此方式，該增益放大器42只有在偵測電路82偵測到零交越點時才會調整增益值。

本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包含各種不背離本發明之替換及修飾，並為隨後之申請專利範圍所涵蓋。

200‧‧‧可變增益放大電路

22‧‧‧增益放大器

224‧‧‧運算放大器

24‧‧‧轉導放大器

26‧‧‧動態偏壓電路

R1,R2‧‧‧電阻

Claims (12)

1. 一種可變增益放大電路，用以放大一第一輸入信號和一第二輸入信號之間的一電壓差值，藉以產生一放大差動輸出信號，該可變增益放大電路包含：一運算放大器，具有一第一輸入端，一第二輸入端和用以提供該放大差動輸出信號的一輸出端；一第一輸入元件，具有用以接收該第一輸入信號的一第一端和耦接至該運算放大器的該第一輸入端的一第二端；一回授元件，具有耦接至該運算放大器的該第一輸入端的一第一端和耦接至該運算放大器的該輸出端的一第二端；一動態偏壓電路，用以根據一設定值以產生一偏壓電流；以及一轉導放大器，用以轉換該第一輸入信號和該第二輸入信號之間的該電壓差值以產生一類比輸出電流；其中，該類比輸出電流流經該回授元件；其中，該第一輸入元件具有一固定阻值；且其中，該轉導放大器的該類比輸出電流根據該偏壓電流而改變。
2. 根據申請專利範圍第1項之可變增益放大電路，更包含：一偵測電路，用以在該放大差動輸出信號大於一第一預設值時產生一第一偵測信號；以及一充電泵，用以根據該第一偵測信號產生該設定值。
3. 根據申請專利範圍第1項之可變增益放大電路，其中當該設定值增加時，該偏壓電流增加，因此該類比輸出電流增加使得流過該回授元件的一淨電流下降。
4. 根據申請專利範圍第2項之可變增益放大電路，其中當該放大差動輸出信號大於該第一預設值時，該設定值增加，因此該偏壓電流增加以增加該類比輸出電流，其中該類比輸出電流增加使得流過該回授元件的一淨電流下降。
5. 根據申請專利範圍第2項之可變增益放大電路，其中當該放大差動輸出信號小於一第二預設值時，該偵測電路產生一第二偵測信號，該充電泵根據該第二偵測信號產生該設定值，其中該第一預設值大於該第二預設值。
6. 根據申請專利範圍第5項之可變增益放大電路，其中當該放大差動輸出信號小於該第二預設值時，該設定值增加，使得流過該回授元件的一淨電流增加。
7. 根據申請專利範圍第1項之可變增益放大電路，其中該動態偏壓電路包含：一電流產生電路，具有接收該設定值的一輸入端和產生一輸出電流的一第二端；以及一電流鏡，用以根據該電流產生電路的該輸出電流產生該偏壓電流；其中，該電流產生電路的該輸出電流根據該設定值而變動。
8. 根據申請專利範圍第1項之可變增益放大電路，其中該轉導放大器包含：一第一PMOS電晶體和一第一NMOS電晶體串聯連接於一第一節點和一第二節點之間；以及一第二PMOS電晶體和一第二NMOS電晶體串聯連接於該第一節點和該第二節點之間；其中，該第一節點用以接收該偏壓電流；其中，該第一PMOS電晶體的一閘極和該第一NMOS電晶體的一閘極用以接收該第一輸入信號；其中，該第二PMOS電晶體的一閘極和該第二NMOS電晶體的一閘極用以接收該第二輸入信號；和其中，該類比輸出電流產生於該第一PMOS電晶體和該第一NMOS電晶體的一交點上。
9. 根據申請專利範圍第1項之可變增益放大電路，更包含：一偵測電路，用以接收該放大差動輸出信號，藉以在該放大差動輸出信號的一零交越點處產生一零交越處信號；以及一開關；其中，該開關在該零交越處信號產生時導通；和其中，當該開關導通時，該動態偏壓電路接收該設定值。
10. 根據申請專利範圍第1項之可變增益放大電路，更包含： 一偵測電路，用以接收該第一輸入信號和該第二輸入信號的其中一者，藉以在該第一輸入信號和該第二輸入信號的該其中一者的一零交越處產生一零交越處信號；以及一開關；其中，該開關在該零交越處信號產生時導通；和其中，當該開關導通時，該動態偏壓電路接收該設定值。
11. 根據申請專利範圍第9項之可變增益放大電路，其中該運算放大器為一單端輸入單端輸出型態的放大器，且其中該運算放大器的該第二端接收該第二輸入信號。
12. 根據申請專利範圍第1項之可變增益放大電路，更包含：一第二輸入元件，具有用以接收該第二輸入信號的一第一端和耦接至該運算放大器的該第二輸入端的一第二端；其中，該第二輸入元件具有一固定阻值；且其中，該運算放大器為一雙端輸入雙端輸出型態的放大器。