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TWI599165B - 可變增益放大器 - Google Patents

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TWI599165B
TWI599165B TW105133010A TW105133010A TWI599165B TW I599165 B TWI599165 B TW I599165B TW 105133010 A TW105133010 A TW 105133010A TW 105133010 A TW105133010 A TW 105133010A TW I599165 B TWI599165 B TW I599165B
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林致煌
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智原科技股份有限公司
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Description

可變增益放大器
本發明是有關於一種可變增益放大器，且特別是有關於一種應用於高速傳輸介面的可變增益放大器。
在習知的技術領域中，應用於高速傳輸介面中的放大器中具有負反饋電阻，而在進行放大器的直流增益（DC-gain）的調整動作時，負反饋電阻會對應被調整，伴隨而來的，放大器的高頻增益峰值(high-frequency peaking)也會隨之變動。以下請參照圖1繪示的習知的放大器的頻率響應圖。在圖1中，曲線101相對於曲線103具有較高的直流增益，而放大器工作在曲線101時所具有的負反饋電阻的電阻值則小於放大器工作在曲線103時所具有的負反饋電阻的電阻值。
由圖1可以清楚發現，習知的放大器在曲線103時，在頻率FH1時，其增益値相對於低頻時的直流增益値產生很大的變化，也就是說，習知的放大器工作在低直流增益的狀態下，會具有很大的高頻增益峰值變化的現象。
本發明提供一種可變增益放大器，可降低輸出電壓的高頻峰值的變化量。
本發明的可變增益放大器，包括多數個差動放大器以及輸出級電路。各差動放大器具有至少一差動對，各差動對的二電流端間透過連接結構相互耦接，連接結構提供負反饋電阻值，差動放大器共同接收差動輸入信號對，差動放大器的輸出端相互耦接。輸出級電路耦接差動放大器的輸出端，依據差動放大器的輸出端上的電壓反向以產生輸出電壓。其中，可變增益放大器的直流增益依據調整差動放大器以及差動對的工作數量的至少其中之一來決定。
基於上述，本發明利用多數個差動放大器以提供多個轉導單元，藉此降低臨點頻率受到影響。如此一來，可變增益放大器無論在高增益或低增益的工作條件下，其增益値不會隨頻率變高而產生大幅的變化，可確保其頻寬的大小。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
以下請參照圖2，圖2繪示本發明一實施例的可變增益放大器的示意圖。可變增益放大器200可應用於高速傳輸介面，包括多數個差動放大器211~21N以及輸出級電路220。差動放大器211~21N共同接收差動輸入信號對VIN，差動放大器211~21N的輸出端共同耦接至輸出級電路220。輸出級電路220則產生輸出電壓VOUT。
在本實施例中，各差動放大器211~21N具有多個差動對，各差動對的二電流端間透過連接結構相互耦接，各連接結構提供一負反饋電阻值。在進行可變增益放大器200直流增益調整動作時，可以調整各差動放大器211~21N中進行工作的差動對的數量，也可以透過調整差動放大器211~21N進行工作的數量來進行，或也可以同時調整差動放大器211~21N及其中的差動對的工作數量來進行。
輸出級電路220耦接差動放大器211~21N的輸出端。輸出級電路220依據使差動放大器211~21N的輸出端上的電壓進行反向，並藉以產生輸出電壓VOUT。
關於本發明實施例的可變增益放大器的工作原理，則請參照以下多個實施例的說明。
首先請參照圖3A，圖3A繪示本發明實施例的差動放大器的實施方式。在圖3A中，多個差動對電路311~31N共用一個負載電路320並形成多個（N個）差動放大器。其中，各差動對電路311~31N包括多個差動對。以差動對電路311為範例，差動對電路311包括由電晶體MN1以及MN2所形成的差動對，並包括由電晶體MN3及MN4所形成的另一差動對。電晶體MN1以及MN2的第一端分別耦接至第一、二輸出端VOP、VON，電晶體MN1以及MN2的第二端分別耦接至電流源CT1以及CT2，電晶體MN1以及MN2分別受控於差動輸入信號VINN以及VINP。其中，差動輸入信號VINN以及VINP互為差動信號。電晶體MN3以及MN4的第一端分別耦接至第二、一輸出端VON、VOP，電晶體MN3以及MN4的第二端分別耦接至電流源CT3以及CT4，電晶體MN3以及MN4分別受控於差動輸入信號VINP以及VINN。另外，在本實施例中，電流源CT1、CT4相耦接，電流源CT2、CT3相耦接。
此外，差動對電路311包括由電晶體MN6、MN8、MN10及MN12所建構的電流產生器。電流產生器的電晶體MN6、MN8、MN10及MN12接收偏壓電壓VBS並分別提供第一、二、三、四的電流至電晶體MN1、MN2、MN3以及MN4。
偏壓電壓VBS可以由偏壓產生器340來提供。偏壓產生器340可耦接電晶體MN6、MN8、MN10及MN12，並依據參考電流產生偏壓電壓VBS。
請注意，電晶體MN1以及MN2間連接一連接結構RR1，電晶體MN3以及MN4間則連接另一連接結構RR2。在本實施例中，連接結構RR1以及RR2皆為實體電阻。
在另一方面，電晶體MN5、MN7、MN9以及MN11分別串接在電流端CT1~CT4與電晶體MN1~MN4間。電晶體MN5、MN7、MN9、MN11的控制端接收控制信號SA。
値得注意的，差動對電路311中更包括選擇器S1及S2。當電晶體MN3-MN4所形成的差動對要執行工作時。選擇器S1及S2選擇使控制信號SA以及偏壓電壓VBS分別提供至電晶體MN9、MN11以及電晶體MN10、MN12的控制端。相對的，當電晶體MN3-MN4所形成的差動對不需要執行工作時。選擇器S1及S2選擇使參考接地端GND上的接地電壓被提供至電晶體MN9、MN11、MN10、MN12的控制端，並使電晶體MN9、MN11、MN10、MN12被斷開。
差動對電路311另包括電晶體MN13、MN14形成的電晶體串以及電晶體MN15、MN16形成的電晶體串。電晶體MN13、MN14所形成的電晶體串耦接在電流端CT2及第一輸出端VOP間，電晶體MN15、MN16所形成的電晶體串耦接在電流端CT1及第二輸出端VON間。其中，電晶體MN13及MN15受控於參考電壓VREF，電晶體MN14及MN16受控於反向控制信號SAB。
電晶體MN13、MN14以及電晶體MN15、MN16形成的電晶體串可形成旁路電路。
另外請參照圖3B，圖3B繪示本發明實施例的差動放大器的另一實施方式。與圖3A實施例不相同的，本實施例中連接於電晶體MN1及MN2的連接結構RR1為傳輸導線，連接於電晶體MN3及MN4的連接結構RR2同樣為傳輸導線。如此一來，差動對電路311中的電流產生器僅需要兩個電晶體MN6及MN10來建構。而差動對電路311也僅具有兩個電流端CT1以及CT3。
以下請參照圖3C，圖3C繪示本發明實施例的差動放大器的再一實施方式。其中，差動放大器所包括的差動對的數量沒有固定的限制，在圖3C中，差動放大器所包括的差動對的數量可以是一個。圖3C的差動放大器包括由電晶體MN1及MN2所構成的差動對。其中，電晶體MN1以及MN2的第一端分別耦接至第一、二輸出端VOP、VON，電晶體MN1以及MN2的第二端分別耦接至電流源CT1以及CT2，電晶體MN1以及MN2分別受控於差動輸入信號VINN以及VINP。
接著請參照圖4，圖4繪示本發明實施例的可變增益放大器的小訊號等效電路示意圖。對應圖2的實施例，差動放大器211-21N分別對應等效電路211S~21NS，輸出級電路220對應等效電路220S。依據圖4繪示的小訊號等效電路，可以推得以下的數學式(1)： (1)
其中，Vi(s)為差動輸入信號，Vo(s)為輸出電壓，k為被啟動進行工作的差動放大器的數量，Rs、RF為等效電阻、Cs為等效電容。
由數學式(1)可以得知，可變增益放大器200的直流增益可以等於Vo / Vi（其中s = 0），並可表示為數學式(2)：     直流增益= (2)
其中，RF(0)為常數，因此，直流增益可透過調整k來改變。
另外，依據數學式(1)可以得知可變增益放大器200的零點的頻率為f zero= 1/(2pRsCs)，極點頻率則為f pole= (1+gmRs)/(2pRsCs)。可以得知其高頻增益峰值等於f pole/ f zero= 1+gmRs，是固定的數値。
在此請注意，可變增益放大器200的增益會隨著操作頻率的變化而有所改變。例如，可變增益放大器200的增益可能在當操作頻率大於一預設臨界值時開始升高，而操作在高於預設臨界值的頻率的可變增益放大器200的增益的最大值與低頻增益的差值則為此處所述的高頻增益峰值。由上述計算式可以得知，可變增益放大器200的高頻增益峰值不隨頻率改變而為固定的數值。因此，可確保其頻寬的大小。
以下請參照圖5，圖5繪示本發明實施例的負載電路的示意圖。負載電路500包括多個電晶體MP1~MP4、開關電路SW1及SW2以及控制電壓產生器510。電晶體MP1~MP4的第一端共同耦接至電源電壓VCC，電晶體MP1~MP4的控制端則共同接收控制電壓VCT。電晶體MP1、MP3的第二端耦接至第二輸出端VON。電晶體MP2、MP4的第二端耦接至第一輸出端VOP。
另外，電晶體MP1、MP3間具有開關電路SW1。開關電路SW1用以控制選擇控制電壓VCT或電源電壓VCC以傳輸至電晶體MP3的控制端。電晶體MP2、MP4間則具有開關電路SW2。開關電路SW2用以控制選擇控制電壓VCT或電源電壓VCC以傳輸至電晶體MP4的控制端。其中，當電晶體MP3及/或MP4接收電源電壓VCC時，電晶體MP3及/或MP4對應被切斷而不動作。當電晶體MP3及/或MP4接收控制電壓VCT時，電晶體MP3及/或MP4可提供主動負載。
在本實施例中，電晶體MP3及MP4的數量沒有固定的限制，也可以是多個。
控制電壓產生器510可以為運算放大器。控制電壓產生器510接收共同電壓VCM1以及參考電壓VREF，並依據共同電壓VCM1以及參考電壓VREF的差値來產生控制電壓VCT。共同電壓VCM1可以由共模電阻RC1及RC2來產生。其中共模電阻RC1及RC2串接在第一、二輸出端VOP、VON間，透過分壓第一、二輸出端VOP、VON間的跨壓來產生共同電壓VCM1。
以下請參照圖6，圖6繪示本發明實施例的輸出級電路的示意圖。輸出級電路600包括電流源610、620、電晶體MPA1、MPA2、MNA1、MNA2、可變電阻RV1、RV2以及電阻串630。電流源610包括運算放大器OP1、電晶體MPC1以及電容C1。運算放大器OP1接收參考電壓VREF以及共同電壓VCM2。電晶體MPC1串接在電源電壓VCC以及電晶體MPA1、MPA2的第一端間，並受控於運算放大器OP1的輸出端以產生電流。
電流源620則為由電晶體MNC1以及MNC2所構成的電流鏡電路。電流源620透過鏡射電流源IS1所產生的參考電流以由電晶體MNA1、MNA2的第二端汲取電流。
另外，電晶體MPA1的第二端耦接至電晶體MNA1的第一端，電晶體MPA2的第二端則耦接至電晶體MNA2的第一端。電晶體MPA1與電晶體MNA1的控制端相耦接，而電晶體MPA2與電晶體MNA2的控制端相耦接。可變電阻RV1耦接在電晶體MPA1的控制端以及第二端間，可變電阻RV2耦接在電晶體MPA2的控制端以及第二端間，而電阻串630串接在電晶體MPA1與電晶體MPA2的第二端間。
電阻串630包括相互串接的電阻RA1以及RA2，電阻RA1以及RA2相耦接的端點產生共同電壓VCM2。
電晶體MPA1與電晶體MNA1相耦接的端點產生輸出電壓VON，電晶體MPA2與電晶體MNA2相耦接的端點產生輸出電壓VOP。輸出電壓VON以及輸出電壓VOP可以互為差動信號。
請參照圖7，圖7繪示本發明實施例的可變增益放大器的頻率響應圖。其中，圖7中的多條曲線對應不同的放大器數量k，例如，曲線710對應的放大器數量小於曲線720所對應的放大器數量。由圖7可以發現，無論本發明實施例的可變增益放大器的直流增益被調整為何，其在低頻時的增益以及在高頻時的增益差異很小。以曲線710、曲線720為範例，其低頻時的增益與高頻時的增益差異幾乎固定在-954mdB，也就是說，其高頻增益峰値變化可以維持在一個很小的狀態。本發明實施例的可變增益放大器具有相對穩定的高頻增益峰値。
綜上所述，本發明提供多個並聯的放大器電路以構成可變增益放大器，並透過調整工作的放大器電路的數量來進行直流增益的調整。可維持可變增益放大器的頻寬、降低諧波失真率以及提供穩定的高頻增益峰値。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
101、103‧‧‧曲線
200‧‧‧可變增益放大器
211~21N‧‧‧差動放大器
220、600‧‧‧輸出級電路
VIN‧‧‧差動輸入信號對
VOUT‧‧‧輸出電壓
311~31N‧‧‧差動對電路
320‧‧‧負載電路
340‧‧‧偏壓產生器
MN1~MN16、MP1~MP4、MPA1~MPA2、MNA1~MNA2、MNC1~MNC2、MPC1‧‧‧電晶體
CT1~CT4‧‧‧電流源
VINN、VINP‧‧‧差動輸入信號
VOP‧‧‧第一輸出端
VON‧‧‧第二輸出端
VBS‧‧‧偏壓電壓
RR1、RR2‧‧‧連接結構
SA、SAB‧‧‧控制信號
S1、S2‧‧‧選擇器
211S~21NS、220S‧‧‧等效電路
Vi(s)‧‧‧差動輸入信號
Vo(s)‧‧‧輸出電壓
Rs、RF‧‧‧等效電阻
Cs‧‧‧等效電容
500‧‧‧負載電路
SW1、SW2‧‧‧開關電路
VCT‧‧‧控制電壓
VCC‧‧‧電源電壓
VCM1、VCM2‧‧‧共同電壓
RC1、RC2‧‧‧共模電阻
VREF‧‧‧參考電壓
OP1‧‧‧運算放大器
610、620‧‧‧電流源
IS1‧‧‧電流源
630‧‧‧電阻串
RA1、RA2‧‧‧電阻
710、720‧‧‧曲線
圖1繪示的習知的放大器的頻率響應圖。 圖2繪示本發明一實施例的可變增益放大器的示意圖。 圖3A繪示本發明實施例的差動放大器的實施方式。 圖3B繪示本發明實施例的差動放大器的另一實施方式。 圖3C繪示本發明實施例的差動放大器的再一實施方式。 圖4繪示本發明實施例的可變增益放大器的小訊號等效電路示意圖。 圖5繪示本發明實施例的負載電路的示意圖。 圖6繪示本發明實施例的輸出級電路的示意圖。 圖7繪示本發明實施例的可變增益放大器的頻率響應圖。
200‧‧‧可變增益放大器
211~21N‧‧‧差動放大器
220‧‧‧輸出級電路
VIN‧‧‧差動輸入信號對
VOUT‧‧‧輸出電壓

Claims (17)

  1. 一種可變增益放大器，包括：多數個差動放大器，包括一負載電路，各該差動放大器具有至少一差動對，各該至少一差動對的二電流端間透過一連接結構相互耦接，該連接結構提供一負反饋電阻值，該些差動放大器共同接收一差動輸入信號對，該些差動放大器的輸出端相互耦接，其中該至少一差動對包括：一第一差動對，耦接在該負載電路與該第一差動對的二電流端間，並受控於該差動輸入信號對，其中該第一差動對的二電流端間連接一第一連接結構；以及一第二差動對，耦接在該負載電路與該第二差動對的二電流端間，並受控於該差動輸入信號對，其中該第二差動對的二電流端間連接一第二連接結構；以及一輸出級電路，耦接該些差動放大器的輸出端，依據使該些差動放大器的輸出端上的電壓反向以產生一輸出電壓，其中，該可變增益放大器的直流增益依據調整該些差動放大器以及該些差動對的工作數量來決定。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的可變增益放大器，其中：該負載電路，分別提供第一負載及第二負載至一第一輸出端及一第二輸出端，其中該第一輸出端及該第二輸出端分別耦接至各該至少一差動對的一第一負載端及一第二負載端。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的可變增益放大器，其中該負載電路包括：一第一電晶體，耦接在一電源電壓及該第二輸出端間，受控於一控制電壓；至少一第二電晶體，耦接在該電源電壓及該第二輸出端間，受控於該控制電壓；至少一第一開關電路，耦接在該至少一第二電晶體接收該控制電壓的路徑間，使該至少一第二電晶體接收該控制電壓的路徑被導通或切斷；一第三電晶體，耦接在該電源電壓及該第一輸出端間，受控於該控制電壓；至少一第四電晶體，耦接在該電源電壓及該第一輸出端間，受控於該控制電壓；以及至少一第二開關電路，耦接在該至少一第四電晶體接收該控制電壓的路徑間，使該至少一第四電晶體接收該控制電壓的路徑被導通或切斷。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的可變增益放大器，其中該負載電路更包括：一控制電壓產生器，依據一共同電壓以及一參考電壓以產生該控制電壓。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的可變增益放大器，其中該負載電路更包括：一第一共模電阻，其一端耦接該第一輸出端，另一端接收該共同電壓；以及一第二共模電阻，其一端耦接該第二輸出端，另一端接收該共同電壓。
  6. 如申請專利範圍第2項所述的可變增益放大器，其中各該差動放大器更包括：一電流產生器，耦接該至少一差動對的該些電流端，分別提供多個電流至該些電流端或分別由該些電流端汲取該些電流。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的可變增益放大器，其中：該第一差動對，包括一第一電晶體及一第二電晶體，該第一電晶體耦接在該第一輸出端與該第一差動對的第一電流端間，並受控於該差動輸入信號對的一第一差動輸入信號，該第二電晶體耦接在該第二輸出端與該第一差動對的第二電流端間，並受控於該差動輸入信號對的一第二差動輸入信號；以及該第二差動對，包括一第三電晶體及一第四電晶體，該第三電晶體耦接在該第二輸出端與該第二差動對的第一電流端間，並受控於該差動輸入信號對的該第二差動輸入信號，該第四電晶體耦接在該第一輸出端與該第二差動對的第二電流端間，並受控於該差動輸入信號對的該第一差動輸入信號。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的可變增益放大器，其中該第一連接結構與該第二連接結構差動對為導線或實體電阻。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的可變增益放大器，其中當該第一連接結構與該第二連接結構為實體電阻時，該電流產生器提供一第一電流、一第二電流至該第一差動對，提供一第三電流、一第四電流至該第二差動對。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的可變增益放大器，其中當該第一連接結構與該第二連接結構為導線時，該電流產生器提供一第一電流至該第一差動對，提供一第二電流至該第二差動對。
  11. 如申請專利範圍第7項所述的可變增益放大器，其中該電流產生器包括：多數個電晶體，分別串接在該些電流端與一參考接地端，依據一偏壓電壓產生該些電流。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的可變增益放大器，其中該電流產生器更包括：一偏壓產生器，耦接該些電晶體，依據一參考電流產生該偏壓電壓。
  13. 如申請專利範圍第7項所述的可變增益放大器，其中各該差動放大器更包括： 一第一電晶體串，耦接至該第一輸出端、該第一差動對的第二電流端、以及該第二差動對的第一電流端，依據一控制信號以及一參考電壓以被導通或被斷開；以及一第二電晶體串，耦接至該第二輸出端、該第一差動對的第一電流端以及該第二差動對的第二電流端，依據該控制信號以及該參考電壓以被導通或被斷開。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的可變增益放大器，其中該第一差動對的第一電流端、該第一差動對的第二電流端、該第二差動對的第一電流端以及該第二差動對的第二電流端相耦接。
  15. 如申請專利範圍第2項所述的可變增益放大器，其中該輸出級電路包括：一第一電流源，產生一第一電流；一第一電晶體，其第一端接收該第一電流，控制端耦接至該第二輸出端；一第二電晶體，其第一端接收該第一電流，控制端耦接至該第一輸出端；一第三電晶體，其第一端耦接至該第一電晶體的第二端，該第三電晶體的控制端耦接至該第二輸出端；一第四電晶體，其第一端耦接至該第二電晶體的第二端，該第四電晶體的控制端耦接至該第一輸出端，該第四電晶體的第二端耦接至該第三電晶體的第二端； 一第一可變電阻，串接在該第一電晶體的第二端與該第一電晶體的控制端間；一第二可變電阻，串接在該第二電晶體的第二端與該第二電晶體的控制端間；一電阻串，串接在該第一電晶體的第二端與該第二電晶體的第二端間，並產生一共同電壓；以及一第二電流源，耦接在該第三電晶體的第二端與一參考接地端間，由該第三電晶體的第二端汲取一第二電流。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的可變增益放大器，其中該第一電流源包括：一運算放大器，其第一輸入端接收該共同電壓，該運算放大器的第二輸入端接收一參考電壓；一第五電晶體，串接在一電源電壓以及該第一電晶體的第一端間，該第五電晶體的控制端耦接至該運算放大器的輸出端；以及一電容，串接在該運算放大器的輸出端及該電源電壓間。
  17. 如申請專利範圍第15項所述的可變增益放大器，其中該第二電流源包括：一電流鏡電路，鏡射一參考電流以產生該第二電流。
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