TWI310261B - Apparatus for amplifying a differential signal - Google Patents

Description

1310261 97-12-9 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於一種信號放大裝置，且特別是關於一種 差動信號(differential signal)放大裝置。 【先前技術】

一般情況下，差動放大器（differential amplifier)的設計 者都希望能增加差動放大器的頻寬，也就是所謂的三分貝 頻寬(3-dB bandwidth)。 對於增加頻寬，傳統技術已經肴多種方案。其中之— 是增加電路的零點(zero)，用以抵消原來的極點(p〇le)。問 遇疋增加了新的零點’也會伴隨產生新的極點，使電路的 設計複雜化。 美國專利第6937054號提供另 ' ----- -川八•八/V 1王々木，刀彔孑用 龟谷性元件在咼頻時導通的特性，使兩組差動放大器在高 頻時並聯，以增加高頻增益(gain)，進而增加頻寬。這個方 案有不少缺點。因為低頻時只有一組放大器在運作，會犧 ，低頻增益。在高頻時因為有兩組放大器並聯，會消^較 夕電流，輪出端的電容負載也較重。而且因為兩組放大器 並聯，以及連接其中一組放大器兩側的電阻性元件，备 制輸出信號的擺幅(swing)。 曰义 美國專利第6670847號的方法是用電感抵消電容，以 增加頻克。此方法的缺點是電感器的面積遠大於 積，會使電路的面積劇增。另一個缺點是 哭=陈 目前的製程技術仍然不易掌控’使用電二;= 間，提高電路成本。 ％。次長開發時 5 1310261 97-12-9 【發明内容】 本發明的目的是在提供一種差動信號放大裝置，使用 不同於先前技術的方法增加頻寬，可避免先前技術的諸多 缺點。

為達成上述及其他目的，本發明提出一種差動信號放 大裝置’包括差動放大器、第一阻抗(impedance)元件、第 二阻抗元件、電壓源、以及高通濾波器⑼gh_pass mter)。 其中差動放大器以第一端及第二端接收輸入差動信號，以 苐二及弟四端分別透過第一及第二阻抗元件自電壓源没 ，電流。以上第三端及第四端汲取的電流分別為第一端及 第二端所接收電壓的GM倍，GM為差動放大器的轉導增 益值(tmns-conductancegain)。此外，高通濾波器接收輸入 差動信號，輸出控制差動信號以控制第一阻抗元件及第二 阻抗元件，使第一及第二阻抗元件的阻抗值在輸入差動信 號改變狀態的瞬間，分別隨第一端及第二端所接收的電^ 反相變化，其中與第一端及第二端所接收的電壓呈反相變 化者為第一及第二阻抗元件的阻抗值。

上述之差動彳g號放大裝置，在一實施例中，第一阻抗 兀件及第二阻抗元件皆為P型金氧半場效 ^ C P-Channel metal oxide semiconductor field effect transistor，簡稱為PM0S電晶體）。因此在輸入差 改變狀態的瞬間，第-及第二阻抗元件所接 ▲動u 信號分別隨差動放大器的第一端及第二端所接== ，，其中與第一端及第二端所接收的電壓呈 者為弟一及第二阻抗元件的阻抗值。 夂化 哭Αίίί差ί信號放大裝置，在一實施例中，高通滹波 為為主動高通濾波器。 m 6 !310261 97-12-9 如本發明的較佳實施例所述，本發明是利用高通濾波 =輪出的控制差動信號，使第一及第二阻抗元件的阻抗值 隧著輪入差動信號的轉變而變化，使差動放大器第三端及 第四端輪出的差動信號能更快跟隨輸入差動信號而轉變， 進而增加差動信號放大裝置的頻寬。因為本發明使用新穎 的改進方法，未使用增加零點、並聯放大器、或電感器等 傳統技術’所以能避免傳統技術的諸多缺點。

“為讓本發明之上逑和其他目的、特徵和優點能更明顯 易廑下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式， 作詳細說明如下。 【實施方式】 〇圖1為傳統差動信號放大裝置100的電路圖。差動_ 號放大裝置觸包括絲放大器、阻抗元件Z卜^ 二1放大f101以第-端及第二端接 株ώ動虎 以弟三端（¥1端）透過阻抗元

^電壓源Vbias沒取電流，以第四端（Υ2端）透過 ^0^2自電壓源Vbias汲取電流。γι端娜的電流 ^所收電壓的GM倍，Y2端没取的電流亦為幻 口:電壓_吾，其中GM為差動放大器 ^ θ j。差動信號放大裝置⑽的輸入電壓W =幻- 抗值壓VGUt = Y2 — Y1 ’若阻抗元件2卜Z2的阻 於放1^，|lJV〇U㈣M*Z*Vin，GM*Z就是差動信 虎放大叙置100的增益值。 本發明是以調整阻抗元件2卜η雜抗值來增加頻 1310261 97-12-9

寬，如圖2所示。圖2為根據於本發明一實施例的差動信 號放^裝置200的電路圖。差動信號放大裝置2〇〇相對於 差動彳號放大裝置100的主要差別是增加了高通濾波器 201。间通濾波态201接收輸入差動信號χι、χ2，輸出控 制差動信號Υ3、Υ4。控制差動錢γ3控雜抗元件ζι 的阻抗值，使阻抗元件Z1雜抗值在輸人差動健χι改 變狀態的_ ’隨X1的電壓反相變化。另—方面，控制 差動^號Y4控制阻抗元件Z2雜抗值，姐抗元件 的阻抗值在輸入差動信號Χ2改變狀態的瞬間，隨χ2的 壓反相變化。

本實施例的輸入差動信號XbX2為數位信號，所謂 的改變狀態就是從邏輯〇變為邏輯卜或從 輯〇。而所謂的反相變化，以X1 * Z1為例，就是又在為= 電壓升高時降低Z1的阻抗值，在χι電壓降低時升高ζι 的阻抗值，X2及Z2的關係亦然。至於上述的反相變 =能增加差動錢放大裝置·的頻寬，在後面有詳細說 日在本實施例中，阻抗元件2卜η的阻抗值相等，^ 疋為了避免輸出差動信號Y1、Υ2出現偏移(。細广 他實施例中若不介意偏移，阻抗元件Z1、Z : 不需要相等。 几值厅v 馬数位信號 雖然本貫施例的輪入差動信號XI、入 本發明的應用範圍並不限定接收數位信號 圖2的高通渡波器2〇1可採用任何一種已知的電路 8 1310261 97-12-9 計，例如圖3的電路。圖3為根據於本發明另一實施例的 差動信號放大裝置300的電路圖，其中，PMOS電晶體 P3卜P32相當於圖2的阻抗元件Z：l、Z2,差動放大器301 相當於圖2的差動放大器1〇1 ’高通遽波器302相當於圖2 的高通濾波器201。高通濾波器302其實是主動高通濾波 器’也就疋除了濾、波之外也包含放大信號的功能。 如圖3所示，差動放大器301包括N型金氧半場效電

晶體（n-channel metal oxide semiconductor field. effect transistor，簡稱為NMOS電晶體）N31及N32，主動高通

濾、波器302包括兩置放大器303、降壓電路go#、以及淚波 放大器305。其中，前置放大器3〇3將輸入差動信號χι、 X2放大後輸出。降壓電路304將前置放大器303的輸出信 號降壓後輸出。濾波放大器305其中的電容器C3會在高 頻時導通PMOS電晶體P37、P38，使其發揮放大^的功 能。因此濾波放大器305輸出降壓電路3〇4的輪出信號經 過放大後的高頻成分，做為控制差動信號γ3、γ4。至於 信號VtuneO及Vtune卜可用來控制高頻和中頻增益的比 例0 圖4為圖3的實施例的信號時序圖，其中的縱軸皆為 電壓’單位為伏特(V)，橫軸皆為時間，單位為秒。如圖4 所示，輸出差動信號71與輸入差動信號乂1同相，而輸出 差動信號Y2與輪入差動信號χ2同相。當輪入差動作號 XI上升時’控制差動信號Υ3會下降，當輪入 ^ XI下降時，控制差動信號Υ3會上升，其餘時間控繼ς 9 1310261 97-12-9 =/3 ff在—個平均準位。所以當輸人差動信號 上升π ’/、其同相的輪出差動信號Y1也隨之上升，此

2的控：動信號Y3會使画電晶體P31的阻抗瞬 間減讓輪出差練號Y1能更快速地往上升。反之， 2入差動信號X1下降時，與其同相的輸出差動信號Y1 也隨之下降，此時上升的㈣絲_ Y3會使刚電 晶體P31的阻抗瞬間增加，讓輸出差動信號γι能更快速 地往下降。至於X2、Y2、Υ4、以及ρ_電晶體脱之 間的關係也是一樣。本實施例就是以上述的方式調整 屬S電晶體P3卜P32的阻抗值，使輸出差動信號γ卜 Y2能更快跟隨輸人差動信號χι、χ2而變化，進而增加差 動信號放大裝置300的高頻增益以及可用頻寬。 .圖5A為圖1的輸出差動信號γι的眼圖（叮^ diagram) ’圖5B為圖3的實施例的輸出差動信號γι的眼 ，，其中縱軸皆為電壓’單位為伏特(v)，橫軸皆為時間， 單位為兆分之一秒(picosecond)。相比之下，經過本發明改

善的圖5B，其信號相關的抖動(pattem dependent jitter)大 幅降低，而張眼度也有明顯提升。另一方面，輸出差動信 號Y2也有相同的改善。 圖6為經過本發明改善前後的差動信號放大裝置1〇〇 及300的增盈模擬結果，其中橫軸為時間，縱軸為增益的 刀貝值，也就疋|Υ1 - Υ2|/|χΐ _ χ2|的分貝值，| |為絕對值蓮 异。601為改善箣的傳統差動信號放大裝置ι〇〇的增益對 頻率曲線，602為改善後的差動信號放大裝置3〇〇的增益 1310261 97-12-9 對頻率曲線。相比之下’本實施例的差動信號放大裝置3〇〇 有較佳的高頻增益以及可用頻寬。 本發明的南通滤波益不限於圖3的設計，在其他實施 例可以視應用需求而採用各種已知的設計與變化。例如不 耑要放大^㊁號日守，可用一般的南通濾波器，而非主動高通 遽波器。 ° 除了 PMOS電晶體之外，本發明也可以採用各種已知 的阻抗元件，只要能用信號調整其阻抗值即可。不同的阻 抗元件會使控制差動信號γ3、Y4與輸入差動信號χι、 X2之間出現不同的對應關係。以γ3和XI為例°前面的 實施例採用PMOS電晶體為阻抗元件，當χι上升時，γι 隨之上升，此時PMOS電晶體P31的阻抗必須減少，所以 Y3必須下降以減少P31的阻抗。也就是說，γ3必須跟隨 XI反相變化。如果採用另一種阻抗元件，而此種阻抗元= ^特性是控織號必須上升才能減少其阻抗，γ3就必須跟 k XI同相變化。所以，由於阻抗元件的特性差異， 他=例中，可能控制差動信號Y3、Y4必須在輪入差動 ^就X卜Χ2改變狀態時，隨χ卜Χ2同相變化， 相變化，才能使阻抗元件Z1、Ζ2的阻抗值隨χι、 相變化’達到增加頻寬的目的。 义 如上所述，在本發明的不同實施例中，控制差動信號 、Y4和輸入差動信號χι、χ2之間會有不 ： 係，也就是同相變化或反相變化。從輸入χι、幻 ^ 乃、Y4之間會經過多個組成電路，例如圖3的電路挪、 11 97-12-9

1310261 Γ妓3二:了達成Ϊ制差動信號Y3、Y4所需的同相變 或將X卜Χ2的輸入端互換，或將Υ3、 如以上的實施例所述，本發 、f，互換。 的控制差動信二=、：= „言號X!、X2的轉變而變化 “

Yb Y2能更快跟隨輸入差動信號X1、Χ2而轉變動= 號放大裝置的頻寬。因為本發明使崎賴的改 =法，未使用增加零點、並聯放大器、或電感器 技術，所以能避免傳統技術的諸多缺點。 、 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然苴並非用以 限定本發明’任何熟習此技藝者，在不麟本發明之精神 2靶圍内，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 圖1為傳統差動信號放大裝置的電路圖。 圖2及圖3為根據於本發明實施例的差動信號放大裝 置電路圖。 、 圖4為根據於本發明實施例的差動信號放大裝 號時序圖。 ° 圖5A及圖5B為根據於本發明實施例的差動信號放大 裝置的信號眼圖。 圖6為經過本發明改善前後的差動信號放大裝置的增 益模擬結果。 曰 1310261 97-12-9 【主要元件符號說明】 100 :差動信號放大裝置 101 :差動放大器 200 :差動信號放大裝置 201 :主動高通濾波器 300 :差動信號放大裝置 301 :差動放大器 302 :主動高通濾波器 ® 3G3 :前置放大器 304 :降壓電路 305:濾波放大器 601、602 :增益曲線 C3 :電容器 GND :接地端 131〜136 :電流源 N31-N36 : NMOS 電晶體 φ P31〜P38 : PMOS電晶體 R31、R32 :電阻器 Vbias、VDD :電壓源

VtuneO、Vtunel、XI〜X2、Y1 〜Y4 :電路信號 Z卜Z2 : P且抗元件 13

Claims (1)

1310261 π年q日修正本 97-12-9 十、申請專利範圍： 1.一種差動信號放大裝置，包括： 一差動放大器； 一第一阻抗元件； 一第二阻抗元件； 一電壓源；以及 一高通濾波器；其中

該差動放大顆以第-端及第二端接收—輪 號，以第二端及第四端分別透過該第一及兮 動“ 自該電壓源汲取電流，該第三端及該第四抗元件 別為該第-端及該第二端所接收電壓 / 差動放大器的轉導增益值； L 為該 、該高通濾波器接收該輸入差動信號，輸出— 仏號’該控制差動信號控制該第—阻抗元件及該^ 凡件’使該第-及該第二味元件的阻抗值在:^

=變:態的瞬間分別隨該第一端及該第二端所接收: ，壓反相鲨化，其中與該第一端及該第二端所接收的電壓 呈反相變化者為該第—及該第二阻抗元件的阻抗值。 2.如申请專利範圍第1項所述之差動信號放大裝置， 其中該輸入差動信號為數位信號。 3·如申請專利範圍第1項所述之差動信號放大裝置， 其中該第一阻抗元件及該第二陴抗元件的阻抗值相等。 4_如申睛專利範圍第 1項所述之差動信號放大裝置， 其中該第一阻抗元件及該第二卩旦抗元件皆為P型金氧半場 政電晶體。 14 1310261 97-12-9 5.如申料利範圍第4項所述之差動信號放大裝置， 2在該輸人差動信號改變狀態的瞬間，該第—及該第二 —^ 70件所接㈣該控制絲信齡魏該帛―端及該第 一鸲所接收的電壓反相變化。

7·如申請專利範圍第6 其中該高通濾波器包括： —前置放大器 一降壓電路， 出；以及 項所述之差動信號放大裝置， ，將δ亥輸入差動信號放大後輪出； 將該前置放大H的輸出錢降壓後輸 後的高：大二大

15 1310261 97-12-9 respectively, wherein GM is the trans-conductance gain of the differential amplifier. The high-pass filter receives the input differential signal and outputs a control differential signal to control the first and the second impedance components so that the impedances of the first and the second impedance components vary inversely in response to the voltages at the first and the second terminals respectively when the state of the input differential signal changes. 七、指定代表圖： (一) 本案指定代表圖為：圖2。 (二) 本代表圖之元件符號簡單說明： 101 :差動放大器 200 :差動信號放大裝置 2〇1 :主動高通濾波器 GND :接地端 Vbias :電壓源 XI〜X2、γι〜γ4 :電路信號 Zl、Z2 :阻抗元件 、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵 的化學式： 益 4