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TWI783808B - 訊號接收裝置及其具有模式切換機制的可程式化增益放大器 - Google Patents

訊號接收裝置及其具有模式切換機制的可程式化增益放大器 Download PDF

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TWI783808B
TWI783808B TW110144986A TW110144986A TWI783808B TW I783808 B TWI783808 B TW I783808B TW 110144986 A TW110144986 A TW 110144986A TW 110144986 A TW110144986 A TW 110144986A TW I783808 B TWI783808 B TW I783808B
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陳昀澤
劉凱尹
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瑞昱半導體股份有限公司
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Abstract

一種具有模式切換機制的可程式化增益放大器。操作放大器包含第一輸入端、第二輸入端及輸出端，第二輸入端耦接於接地端，輸出端產生輸出訊號。可變電阻以及第一開關電性串聯於第一端以及第二端間，其中第二端耦接於第一輸入端。第一可變電容及第二開關串聯於第一端以及第二端間。第二可變電容以及第三開關串聯於第一端以及接地端間。低通電阻以及低通電容並聯於第一輸入端及輸出端間。輸入電阻耦接於訊號輸入端以及第一端間，自訊號輸入端接收輸入訊號。其中第一、第二及第三開關根據一組模式切換訊號切換，以形成通路或斷路。

Description

訊號接收裝置及其具有模式切換機制的可程式化增益放大器
本發明是關於訊號放大技術，尤其是關於一種訊號接收裝置及其具有模式切換機制的可程式化增益放大器。
通訊系統中經過中間介質傳輸訊號時，由於插入損耗（insertion loss）或回波損耗（return loss）而會產生訊號衰退的情形。為解決衰退的情形，訊號接收裝置需要設置訊號放大器來補償。
然而，以往的訊號接收裝置因應根據不同連線速度以及頻寬的網路通訊，往往需要設置多個不同的放大器，來達到不同程度的增益放大以及不同頻寬範圍的訊號處理。這樣的配置方式將使得硬體電路的成本大幅增加。
鑑於先前技術的問題，本發明之一目的在於提供一種訊號接收裝置及其具有模式切換機制的可程式化增益放大器，以改善先前技術。
本發明包含一種具有模式切換機制的可程式化增益放大器，包含：操作放大器（operational amplifier）、可變電阻、第一開關、第一可變電容、第二開關、第二可變電容、第三開關、低通電阻、低通電容以及輸入電阻。操作放大器包含第一輸入端、第二輸入端以及輸出端，其中第二輸入端電性耦接於接地端，輸出端配置以產生輸出訊號。可變電阻以及第一開關電性串聯於第一端以及第二端間，其中第二端電性耦接於第一輸入端。第一可變電容以及第二開關電性串聯於第一端以及第二端間。第二可變電容以及第三開關電性串聯於第一端以及接地端間。低通電阻以及低通電容電性並聯於第一輸入端以及輸出端間。輸入電阻電性耦接於訊號輸入端以及第一端間，配置以自訊號輸入端接收輸入訊號。其中第一開關、第二開關以及第三開關配置以根據一組模式切換訊號切換，以形成通路或斷路。
本發明更包含一種訊號接收裝置，包含：可程式化增益放大器、類比至數位轉換電路以及及數位訊號處理電路。可程式化增益放大器包含：操作放大器、可變電阻、第一開關、第一可變電容、第二開關、第二可變電容、第三開關、低通電阻、低通電容以及輸入電阻。操作放大器包含第一輸入端、第二輸入端以及輸出端，其中第二輸入端電性耦接於接地端，輸出端配置以產生輸出訊號。可變電阻以及第一開關電性串聯於第一端以及第二端間，其中第二端電性耦接於第一輸入端；第一可變電容以及第二開關電性串聯於第一端以及第二端間。第二可變電容以及第三開關電性串聯於第一端以及接地端間。低通電阻以及低通電容電性並聯於第一輸入端以及輸出端間。輸入電阻電性耦接於訊號輸入端以及第一端間，配置以自訊號輸入端接收輸入訊號。類比至數位轉換電路配置以對輸出訊號進行類比至數位轉換。數位訊號處理電路透過類比至數位轉換電路電性耦接於輸出端，配置以接收類比至數位轉換後的輸出訊號。其中數位訊號處理電路更配置以產生一組模式切換訊號，使第一開關、第二開關以及第三開關配置以根據該組模式切換訊號切換，以形成通路或斷路。
有關本案的特徵、實作與功效，茲配合圖式作較佳實施例詳細說明如下。
本發明之一目的在於提供一種訊號接收裝置及其具有模式切換機制的可程式化增益放大器，根據不同連線速度以及頻寬的網路通訊，以單一電路進行不同模式的切換，達到不同程度的增益放大以及不同範圍的頻寬處理，大幅降低硬體電路的成本。
請參照圖1。圖1顯示本發明之一實施例中，一種通訊系統100的方塊圖。通訊系統100包含訊號接收裝置110、訊號傳送裝置120以及走線130。
訊號接收裝置110以及訊號傳送裝置120間經由走線130相電性耦接並進行通訊，以使訊號接收裝置110透過走線130接收由訊號傳送裝置120產生的輸入訊號VIN。
訊號接收裝置110包含：可程式化增益放大器140、類比至數位轉換電路150以及數位訊號處理電路160。
可程式化增益放大器140配置以對輸入訊號VIN進行放大與濾波，並產生輸出訊號VOUT。類比至數位轉換電路150對輸出訊號VOUT進行類比至數位轉換，以由數位訊號處理電路160接收類比至數位轉換後的輸出訊號VOUTD。
由於網路的連線速度以及頻寬不同，數位訊號處理電路160配置以針對不同的運作模式產生一組模式切換訊號MS1~MS3，控制可程式化增益放大器140的組態，對輸入訊號VIN進行不同大小的增益放大以及不同頻段的濾波。
於一實施例中，模式切換訊號MS1~MS3是由數位訊號處理電路160根據與訊號傳送裝置120進行之交握程序產生。其中，數位訊號處理電路160可根據交握程序判斷訊號接收裝置110以及訊號傳送裝置120所進行的通訊規格，進而判斷所需對輸入訊號VIN進行的增益放大以及濾波。
以下將針對可程式化增益放大器140的結構進行詳細的描述。
請參照圖2。圖2顯示本發明一實施例中，可程式化增益放大器140更詳細的方塊圖。可程式化增益放大器140包含：操作放大器OP、可變電阻RA、第一開關SW1、第一可變電容CA1、第二開關SW2、第二可變電容CA2、第三開關SW3、低通電阻RB、低通電容CB以及輸入電阻RIN。
操作放大器OP包含第一輸入端、第二輸入端以及輸出端。在圖2中，第一輸入端是反相輸入端，並以符號'-'標示。第二輸入端是非反相輸入端，並以符號'+'標示。輸出端以符號'o'標示。其中，第二輸入端電性耦接於接地端GND，輸出端配置以產生輸出訊號VOUT。
可變電阻RA以及第一開關SW1電性串聯於第一端N1以及第二端N2間，其中第二端N2電性耦接於第一輸入端。
第一可變電容CA1以及第二開關SW2電性串聯於第一端N1以及第二端N2間。第二可變電容CA2以及第三開關SW3電性串聯於第一端N1以及接地端GND間。
低通電阻RB以及低通電容CB電性並聯於第一輸入端以及輸出端間。
輸入電阻RIN電性耦接於訊號輸入端SIN以及第一端N1間，配置以自訊號輸入端SIN接收輸入訊號VIN。
如圖2所示，模式切換訊號MS1~MS3配置以控制第一開關SW1、第二開關SW2以及第三開關SW3。其中，模式切換訊號MS1對應控制第一開關SW1，模式切換訊號MS2對應控制第二開關SW2，模式切換訊號MS3對應控制第三開關SW3。第一開關SW1、第二開關SW2以及第三開關SW3配置以根據模式切換訊號MS1~MS3切換，以形成通路或斷路。
因此，輸出訊號VOUT以及輸入訊號VIN間之增益以及濾波頻帶關係由可變電阻RA、第一可變電容CA1以及第二可變電容CA2依模式切換訊號MS1~MS3分別具有之連接關係以及可變阻抗值決定。
以下將根據不同模式下的可程式化增益放大器140的組態進行說明。
請同時參照圖3A及圖3B。圖3A顯示本發明一實施例中，位於帶通濾波模式中的可程式化增益放大器140的方塊圖。圖3B顯示本發明一實施例中，位於帶通濾波模式中的可程式化增益放大器140的頻率響應圖。其中，圖3B的橫軸表示訊號頻率（單位為赫茲），縱軸表示訊號強度（單位為dB）。
於一實施例中，帶通濾波模式對應根據5吉赫以及2.5吉赫之頻帶傳輸之輸入訊號VIN。
如圖3A所示，在帶通濾波模式中，模式切換訊號MS1~MS3使第一開關SW1形成斷路，並使第二開關SW2以及第三開關SW3形成通路。其中，與第一開關SW1相關的路徑由於成為斷路，在圖3A中以虛線繪示。
在這樣的狀況下，第一可變電容CA1以及第二可變電容CA2形成高通濾波器，低通電阻RB以及低通電容CB形成低通濾波器，共同形成帶通濾波器。第一可變電容CA1以及第二可變電容CA2的可變阻抗值的大小可決定輸入訊號VIN傳遞至操作放大器OP的電流量，進而決定增益的大小。
如圖3B所示，不同的線條對應於訊號在不同的增益的情形。在圖3B中，訊號在10 6赫茲至10 10赫茲的頻帶間均可通過。
請同時參照圖4A及圖4B。圖4A顯示本發明一實施例中，位於低通濾波模式中的可程式化增益放大器140的方塊圖。圖4B顯示本發明一實施例中，位於低通濾波模式中的可程式化增益放大器140的頻率響應圖。其中，圖4B的橫軸表示訊號頻率（單位為赫茲），縱軸表示訊號強度（單位為dB）。
於一實施例中，低通濾波模式對應根據1吉赫以下之頻帶（例如，但不限於1吉赫、100百萬赫、10百萬赫）傳輸之輸入訊號VIN。
在低通濾波模式中，模式切換訊號MS1~MS3使第一開關SW1形成通路，並使第二開關SW2以及第三開關SW3形成斷路。其中，與第二開關SW2以及第三開關SW3相關的路徑由於成為斷路，在圖4A中以虛線繪示。
在這樣的狀況下，低通電阻RB以及低通電容CB形成低通濾波器。可程式化增益放大器140的增益，是和低通電阻RB之阻抗值與輸入電阻RIN以及可變電阻RA之阻抗值之和間的比值（表示為RB/(RIN+RA)）成正比。其中，可變電阻RA之可變阻抗值的大小可決定增益的大小。
如圖4B所示，不同的線條對應於訊號在不同的增益的情形。在圖4B中，訊號在10 8赫茲以下的頻帶可通過，但在10 8赫茲以上的頻帶則衰減。
請同時參照圖5A及圖5B。圖5A顯示本發明一實施例中，位於連續時間線性均衡器模式中的可程式化增益放大器140的方塊圖。圖5B顯示本發明一實施例中，位於連續時間線性均衡器模式中的可程式化增益放大器140的頻率響應圖。其中，圖5B的橫軸表示訊號頻率（單位為赫茲），縱軸表示訊號強度（單位為dB）。
於一實施例中，連續時間線性均衡器模式對應根據1吉赫以上之頻帶傳輸且經過之走線130長度大於預設值之輸入訊號VIN。
在連續時間線性均衡器模式中，模式切換訊號MS1~MS3使第一開關SW1以及第二開關SW2形成通路，並使第三開關SW3形成斷路。其中，與第三開關SW3相關的路徑由於成為斷路，在圖5A中以虛線繪示。
在這樣的狀況下，低通電阻RB以及低通電容CB形成低通濾波器，而第一可變電容CA1則與可變電阻RA形成並聯關係。由於第一可變電容CA1的可調阻抗值是頻率與電容值的乘積倒數，在頻率愈高時可調阻抗值愈小，進而使與低通電阻RB並聯後的阻抗值愈小。因此，第一可變電容CA1以及低通電阻RB並聯後再與輸入電阻RIN串聯的阻抗值Z也愈小。
可程式化增益放大器140的增益，是和低通電阻RB之阻抗值與阻抗值Z間的比值（表示為RB/Z）成正比。其中，第一可變電容CA1與可變電阻RA之可變阻抗值的大小可決定增益的大小。
如圖5B所示，不同的線條對應於訊號在不同的增益的情形。在圖5B中，訊號在10 7赫茲以下的頻帶可通過，在10 7赫茲至10 8赫茲之間的頻帶具有提升（boost）效果，但在10 8赫茲以上的頻帶則衰減。
在部分技術中，在面對不同連線速度以及頻寬的網路通訊時，訊號接收裝置需要設置不同特性的放大器來對訊號進行不同程度的增益放大以及不同範圍的頻寬處理。這樣的方式，硬體電路的成本將會大幅增加。
相對的，本發明具有模式切換機制的可程式化增益放大器可根據不同連線速度以及頻寬的網路通訊，以單一電路進行不同模式的切換，達到不同程度的增益放大以及不同範圍的頻寬處理，大幅降低硬體電路的成本。
需注意的是，上述的實施方式僅為一範例。於其他實施例中，本領域的通常知識者當可在不違背本發明的精神下進行更動。
綜合上述，本發明中訊號接收裝置及其具有模式切換機制的可程式化增益放大器，可根據不同連線速度以及頻寬的網路通訊，以單一電路進行不同模式的切換，達到不同程度的增益放大以及不同範圍的頻寬處理，大幅降低硬體電路的成本。
雖然本案之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本案，本技術領域具有通常知識者可依據本案之明示或隱含之內容對本案之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本案所尋求之專利保護範疇，換言之，本案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:通訊系統 110:訊號接收裝置 120:訊號傳送裝置 130:走線 140:可程式化增益放大器 150:類比至數位轉換電路 160:數位訊號處理電路 CA1:第一可變電容 CA2:第二可變電容 CB:低通電容 GND:接地端 MS1~MS3:模式切換訊號 N1:第一端 N2:第二端 OP:操作放大器 RA:可變電阻 RB:低通電阻 RIN:輸入電阻 SW1:第一開關 SW2:第二開關 SW3:第三開關 VIN:輸入訊號 VOUT、VOUTD:輸出訊號
［圖1］分別顯示本發明之一實施例中，一種通訊系統的方塊圖； ［圖2］顯示本發明一實施例中，可程式化增益放大器更詳細的方塊圖； ［圖3A］顯示本發明一實施例中，位於帶通濾波模式中的訊號接收裝置的方塊圖； ［圖3B］顯示本發明一實施例中，位於帶通濾波模式中的訊號接收裝置的頻率響應圖； ［圖4A］顯示本發明一實施例中，位於低通濾波模式中的訊號接收裝置的方塊圖； ［圖4B］顯示本發明一實施例中，位於低通濾波模式中的訊號接收裝置的頻率響應圖； ［圖5A］顯示本發明一實施例中，位於連續時間線性均衡器模式中的訊號接收裝置的方塊圖；以及 ［圖5B］顯示本發明一實施例中，位於連續時間線性均衡器模式中的訊號接收裝置的頻率響應圖。
140:可程式化增益放大器
CA1:第一可變電容
CA2:第二可變電容
CB:低通電容
GND:接地端
MS1~MS3:模式切換訊號
N1:第一端
N2:第二端
OP:操作放大器
RA:可變電阻
RB:低通電阻
RIN:輸入電阻
SW1:第一開關
SW2:第二開關
SW3:第三開關
VIN:輸入訊號
VOUT:輸出訊號

Claims (10)

  1. 一種具有模式切換機制的可程式化增益放大器，包含： 一操作放大器（operational amplifier），包含一第一輸入端、一第二輸入端以及一輸出端，其中該第二輸入端電性耦接於一接地端，該輸出端配置以產生一輸出訊號； 一可變電阻以及一第一開關，電性串聯於一第一端以及一第二端間，其中該第二端電性耦接於該第一輸入端； 一第一可變電容以及一第二開關，電性串聯於該第一端以及該第二端間； 一第二可變電容以及一第三開關，電性串聯於該第一端以及該接地端間； 一低通電阻以及一低通電容，電性並聯於該第一輸入端以及該輸出端間；以及 一輸入電阻，電性耦接於一訊號輸入端以及該第一端間，配置以自該訊號輸入端接收一輸入訊號； 其中該第一開關、該第二開關以及該第三開關配置以根據一組模式切換訊號切換，以形成一通路或一斷路。
  2. 如請求項1所述之可程式化增益放大器，其中該輸出訊號以及該輸入訊號間之一增益以及一濾波頻帶關係由該可變電阻、該第一可變電容以及該第二可變電容依該組模式切換訊號分別具有之一連接關係以及一可變阻抗值決定。
  3. 如請求項1所述之可程式化增益放大器，其中在一帶通濾波模式中，該組模式切換訊號使該第一開關形成斷路，並使該第二開關以及該第三開關形成通路； 在一低通濾波模式中，該組模式切換訊號使該第一開關形成通路，並使該第二開關以及該第三開關形成斷路；以及 在一連續時間線性均衡器（continuous time linear equalizer；CTLE）模式中，該組模式切換訊號使該第一開關以及該第二開關形成通路，並使該第三開關形成斷路。
  4. 如請求項3所述之可程式化增益放大器，其中該帶通濾波模式對應根據5吉赫以及2.5吉赫之頻帶傳輸之該輸入訊號，該低通濾波模式對應根據1吉赫以下之頻帶傳輸之該輸入訊號，該連續時間線性均衡器模式對應根據1吉赫以上之頻帶傳輸且經過之一走線長度大於一預設值之該輸入訊號。
  5. 如請求項1所述之可程式化增益放大器，其中該輸入訊號由一訊號傳送裝置產生，該輸出端更透過一類比至數位轉換電路電性耦接於一數位訊號處理電路，該組模式切換訊號由該數位訊號處理電路根據與該訊號傳送裝置進行之一交握程序產生。
  6. 一種訊號接收裝置，包含： 一可程式化增益放大器，包含： 一操作放大器，包含一第一輸入端、一第二輸入端以及一輸出端，其中該第二輸入端電性耦接於一接地端，該輸出端配置以產生一輸出訊號； 一可變電阻以及一第一開關，電性串聯於一第一端以及一第二端間，其中該第二端電性耦接於該第一輸入端； 一第一可變電容以及一第二開關，電性串聯於該第一端以及該第二端間； 一第二可變電容以及一第三開關，電性串聯於該第一端以及該接地端間； 一低通電阻以及一低通電容，電性並聯於該第一輸入端以及該輸出端間；以及 一輸入電阻，電性耦接於一訊號輸入端以及該第一端間，配置以自該訊號輸入端接收一輸入訊號； 一類比至數位轉換電路，配置以對該輸出訊號進行類比至數位轉換；以及 一數位訊號處理電路，透過該類比至數位轉換電路電性耦接於該輸出端，配置以接收類比至數位轉換後的該輸出訊號； 其中該數位訊號處理電路更配置以產生一組模式切換訊號，使該第一開關、該第二開關以及該第三開關配置以根據該組模式切換訊號切換，以形成一通路或一斷路。
  7. 如請求項6所述之訊號接收裝置，其中該輸出訊號以及該輸入訊號間之一增益以及一濾波頻帶關係由該可變電阻、該第一可變電容以及該第二可變電容依該組模式切換訊號分別具有之一連接關係以及一可變阻抗值決定。
  8. 如請求項6所述之訊號接收裝置，其中在一帶通濾波模式中，該組模式切換訊號使該第一開關形成斷路，並使該第二開關以及該第三開關形成通路； 在一低通濾波模式中，該組模式切換訊號使該第一開關形成通路，並使該第二開關以及該第三開關形成斷路；以及 在一連續時間線性均衡器（continuous time linear equalizer；CTLE）模式中，該組模式切換訊號使該第一開關以及該第二開關形成通路，並使該第三開關形成斷路。
  9. 如請求項8所述之訊號接收裝置，其中該帶通濾波模式對應根據5吉赫以及2.5吉赫之頻帶傳輸之該輸入訊號，該低通濾波模式對應根據1吉赫以下之頻帶傳輸之該輸入訊號，該連續時間線性均衡器模式對應根據1吉赫以上之頻帶傳輸且經過之一走線長度大於一預設值之該輸入訊號。
  10. 如請求項6所述之訊號接收裝置，其中該輸入訊號由一訊號傳送裝置產生，該組模式切換訊號由該數位訊號處理電路根據與該訊號傳送裝置進行之一交握程序產生。
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