可變增益放大電路的制作方法

本發明涉及一種可變增益放大電路。

背景技術：

可變增益放大電路用以根據一增益控制信號以放大或衰減一輸入信號。圖1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(operationalamplifier)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。

如圖1所示，該等電阻r2a和r2b的每一個具有多個并聯的電路單元，其中每一電路單元由串聯在一起的晶體管開關和電阻所組成。一增益控制器14產生多個邏輯信號至該電阻r2a中的多個晶體管開關，且一增益控制器16產生多個邏輯信號至該電阻r2b中的多個晶體管開關。該等電阻r2a和r2b的阻值由晶體管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的阻值等于電阻r1b的阻值，且電阻r2a的阻值等于電阻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的每一個中的電路單元需要n個晶體管開關和n個電阻。因此，該可變增益放大電路100的芯片面積會隨著級數n的增加而加大許多。

技術實現要素：

根據本發明一實施例的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、一反饋元件、一動態偏壓電路和一跨導放大器。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。該反饋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。該跨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模擬輸出電流。該模擬輸出電流流經該反饋元件。該第一輸入元件具有一固定阻值。該跨導放大器的該模擬輸出電流根據該偏壓電流而改變。

附圖說明

圖1繪示一傳統可變增益放大電路的示意圖。

圖2顯示結合本發明一實施例的一可變增益放大電路的方塊示意圖。

圖3顯示結合本發明一實施例的該可變增益放大電路的電路圖。

圖4顯示結合本發明另一實施例的一可變增益放大電路的方塊示意圖。

圖5顯示結合本發明另一實施例的一可變增益放大電路的電路圖。

圖6顯示結合本發明又一實施例的可增加增益的一可變增益放大電路的方塊示意圖。

圖7顯示圖6所示的該可變增益放大電路的運作方式。

圖8顯示結合本發明再一實施例的可增加增益的一可變增益放大電路的方塊示意圖。

圖9顯示結合本發明一實施例的該可變增益放大電路的電路圖。

【符號說明】

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’跨導放大器

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檢測電路

49充電泵

600可變增益放大電路

64切換單元

66切換單元

68檢測電路

800可變增益放大電路

82檢測電路

c1，ch電容

i1，i2電流源

n1～n5晶體管

p1～p5晶體管

r1a，r2a，r1b，r2b電阻

r1～r4電阻

rlel電阻

sw1，sw2開關

具體實施方式

在說明書及所附的權利要求書當中使用了某些詞匯來指稱特定的元件。本領域技術人員應可理解，制造商可能會用不同的名詞來稱呼同樣的元件。本說明書及所附的權利要求書并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。在通篇說明書及所附的權利要求書當中所提及的“包含”或“包含”為一開放式的用語，故應解釋成“包含但不限定于”。另外，“耦接”一詞在此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于一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接于該第二裝置，或通過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。

圖2顯示結合本發明一實施例的一可變增益放大電路200的方塊示意圖。參照圖2，該可變增益放大電路200包含一增益放大器22、一跨導(transconductance)放大器24和一動態偏壓電路26。

該增益放大器22用以接收一模擬輸入信號vi以產生一模擬輸出信號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。當跨導放大器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的凈電流來獲得。參考圖2，該跨導放大器24用以轉換輸入電壓vi和參考電壓vref的差值以產生一模擬輸出電流igm。接著，該跨導放大器24提供該模擬輸出電流igm至該增益放大器22，藉以調整該增益放大器22的增益g’。注意該跨導放大器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。

圖3顯示結合本發明一實施例的該可變增益放大電路200的電路圖。參考圖3，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晶體管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晶體管n1的一柵極的一輸出端。依此結構，流過該nmos晶體管n1的電流in1可由式(2)決定。

in1＝vlel/rlel(2)

參照圖3，該電流鏡電路264由pmos晶體管p1、p2和p3所組成。該pmos晶體管p1接收流過該nmos晶體管n1的電流in1，而該等pmos晶體管p2和p3根據寬長比(w/lratio)而產生比例于該電流in1的電流。該pmos晶體管p3的電流做為該跨導放大器24的上偏壓電流。流過該pmos晶體管p2的電流流至該nmos晶體管n2，接著，該nmos晶體管n3根據寬長比而產生比例于該nmos晶體管n2的電流，以做為該跨導放大器24的下偏壓電流。

該跨導放大器24包含一輸入晶體管對，由串聯的pmos晶體管p1和nmos晶體管n4以及串聯的pmos晶體管p5和nmos晶體管n5所組成。參照圖3，該pmos晶體管p4和該nmos晶體管n4串聯連接于該pmos晶體管p3和該nmos晶體管n3之間，而該pmos晶體管p5和該nmos晶體管n5串聯連接于該pmos晶體管p3和該nmos晶體管n3之間。

參照圖3，該pmos晶體管p4和該nmos晶體管n4的柵極用以接收該模擬輸入信號vi，而該pmos晶體管p5和該nmos晶體管n5的柵極用以接收該參考電壓vref。因此，該跨導放大器24的該模擬輸出電流igm的電流值會比例于該輸入電壓vi和參考電壓vref的差值。此外，該跨導放大器24的增益相應于該pmos晶體管p3或該nmos晶體管n3的偏壓電流值。

以下參考圖3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。由于電流鏡264會產生一復制電流，其等比例于流過該電阻rlel的電流。因此，該pmos晶體管p3和該pmos晶體管p3的偏壓電流值也會隨之增加。當vi>vref時，該跨導放大器24產生該模擬輸出電流igm，此時該模擬輸出電流igm會帶走原本流過該電阻r2的電流，故流過電阻r2的凈電流會下降，這使得該增益放大電路22的增益下降。

在圖3中，一單端輸入單端輸出的運算放大器224使用于該增益放大器22中。然而，本發明不應限定于此一類型的運算放大器。該增益放大器22也可以是差動輸入差動輸出放大器的類型。圖4顯示結合本發明另一實施例的一可變增益放大電路400的方塊示意圖。參照圖4，該可變增益放大電路400包含一增益放大器42、一跨導放大器24’、一動態偏壓電路26’、一檢測電路48和一充電泵49。圖4中類似圖2的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類型。該增益放大器42接收互補的模擬輸入信號vip和vin以產生互補的模擬輸出信號vop和von。如圖4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的阻值等于電阻r2的阻值，且電阻r3的阻值等于電阻r4的阻值時，在該跨導放大器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由式(3)決定。

g＝r3/r1(3)

在此狀況下，當輸入電壓vip大于輸入電壓vin時，流過電阻r3的電流的方向和流過r4的電流的方向如圖4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，當該檢測電路48檢測到該可變增益放大電路400的輸出電壓不在一預定范圍內時，該增益放大器42的增益可以開始進行調整。以下參考圖5說明該可變增益放大電路400的一運作方式。當該檢測電路48檢測到該可變增益放大電路400的輸出電壓vop，von不在該預定范圍內時，該檢測電路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。如圖5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。當該檢測電路48檢測到該可變增益放大電路400的輸出電壓vop，von不在該預定范圍內時，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晶體管p3或該nmos晶體管n3的偏壓電流值也會隨之增加，使得該跨導放大器24的模擬輸出電流ij1和ij2增加。因此，流過電阻r3和r4的凈電流會下降，這使得該增益放大器42的增益下降。注意該等模擬輸出電流ij1和ij2的電流方向會相反。當該增益放大器42的增益下降后，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范圍內時，使得該信號vlel的信號不會持續增加且保持一穩定值。

圖2和圖4中的可變增益放大電路可使用在許多通信系統和信號處理單元中。舉例而言，該可變增益放大電路200可以運用于一音量控制單元中以增加或衰減輸入的音頻信號。圖6顯示結合本發明又一實施例的可增加增益的一可變增益放大電路600的方塊示意圖。參照圖6，該可變增益放大電路600包含一增益放大器42、一跨導放大器24’、一切換單元64、一切換單元66、一動態偏壓電路26’、一檢測電路68和一充電泵49。圖6中類似圖4的元件以類似的參考數字顯示。

現說明該可變增益放大電路600的運作方式。當該檢測電路68檢測到該可變增益放大電路600的輸出電壓vop和von不在一較高預定范圍內(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，該跨導放大器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的凈電流減少，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不在較高預定范圍內時，該可變增益放大電路600可降低增益。

另一方面，當該檢測電路48檢測到該可變增益放大電路400的輸出電壓vop，von不在一較低預定范圍內(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，該跨導放大器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。如圖7所示，流過電阻r3和r4的凈電流會增加，這使得該增益放大器42的增益上升。

圖8顯示結合本發明再一實施例的可增加增益的一可變增益放大電路800的方塊示意圖。參照圖8，該可變增益放大電路800包含一增益放大器42、一跨導放大器24’、一動態偏壓電路26’、一檢測電路82、一開關sw和一電容ch。圖2中的可變增益放大電路200和圖4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，在模擬輸入電壓的頂端時，仍有可能造成可聽見的瞬變(audibletransient)。對于高質量的音響裝置，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會需要檢測電路72以檢測輸入電壓或輸出電壓的零交越處(zerocrossing)，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。

圖9顯示結合本發明一實施例的該可變增益放大電路800的電路圖。圖9中類似圖5的元件以類似的參考數字顯示。參考圖9，在本實施例中，該檢測電路82接收互補的模擬輸出信號vop和von并且在輸出信號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產生提供至該跨導放大器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只有在檢測電路82檢測到零交越點時才會調整增益值。

本發明的技術內容及技術特點已揭示如上，然而本領域技術人員仍可能基于本發明的教示及揭示而作種種不背離本發明精神的替換及修飾。因此，本發明的保護范圍應不限于實施例所揭示者，而應包含各種不背離本發明的替換及修飾，并為隨后的權利要求書所涵蓋。