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TWI502883B - 驅動放大器系統 - Google Patents

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TWI502883B
TWI502883B TW099124847A TW99124847A TWI502883B TW I502883 B TWI502883 B TW I502883B TW 099124847 A TW099124847 A TW 099124847A TW 99124847 A TW99124847 A TW 99124847A TW I502883 B TWI502883 B TW I502883B
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Description

驅動放大器系統
本發明係關於一種半導體電路，且特別地是關於一種驅動放大器系統。
高功率放大器在一些應用中相當普遍，其中包括驅動喇叭的聲音功率放大器、通訊系統的無線傳送器以及傳輸線的驅動放大器。典型的高功率放大器系統有一系列的串聯放大級，每一級皆會連續地放大一系統輸入，直到在最後的輸出級達到要求的輸出量。對於此功率放大器系統而言，電力的消耗是相當可觀的，甚至其可能發生在放大過程的前面級。
舉例來說，一音頻功率放大器，其係被設計用以提供大量電流給電容負載，進而產生大於20伏特之偏壓。又，用於消費與專業之語音應用放大器，其係包含複數級，如語音處理，過濾，增益控制等。在前面級中，若語音放大器和前一個放大器偏壓於同樣之電壓，當信號餘量明顯地超過預計之峰值信號之振幅，則會消耗功率效率。例如，若對一A類放大器偏壓，以提供20伏特之電壓，但峰至峰之信號擺動是1伏特，則放大器的大部分電力會在放大器的裝置中消耗，而非於負載中消耗。
特別是，因為功率放大器的第一級中的信號通常會比輸出級有較多的餘量，多級迴授功率放大器明顯地運作效能變低。因此，功率在輸入級被消耗。在多級迴授放大器的每一個級中，分別使用偏壓放大器會導致很多問題，例如，若一個多級放大器需要整體的迴授以設定增益與改善線性度，個別級的結合所導致額外地寄生效應，可能造成不穩定，且會導致由於零件和溫度變化，而產生製造上的困難。
故而，為了能產生更有效率的功率放大器系統，需要研發新式之功率效率電路與系統，藉以提高功率且降低製造成本。
於本實施例中，係揭露一種電路，包含一兩級放大器以及一回授元件。放大器電路具有一輸入級，係偏壓於第一電源供應電壓，以及輸出級，係偏壓於第二電源供應電壓。第二電源供應電壓係大於第一電源供應電壓，第二極係用以高壓操作。回授元件係連接輸出級與輸入級之間。
於另一實施例，係揭露一種半導體電路，包含：一兩級放大器，係包含：第一級係包含差動對，差動對係負載第一主動負載，第一級係用以連接低電壓電源供應。第二級係連接至該第一級之輸出。回授電容係連接於第一級與第二級之間。第一級係用以連接低電壓電源供應。第二級係具有放大電晶體(amplifying transistor)，係連接於第一級之輸出，以及第二主動負載係連接至放大電晶體之輸出。第二級係用以連接高電壓電源供應，高壓電源供應所供應之電壓係高於10伏特。
於又一實施例，係揭露一放大器。放大器係包含差動對，其具有第一型電晶體，差動對係以一第一電源供應器為參考電壓。放大器係具有一第二型之複數個第一負載電晶體。第二型係不同於第一型。第一負載電晶體係分別包含一汲極以及一源極，該些汲極係連接至差動對之汲極，且該些源極係連接至一參考節點。第二型之複數個增益電晶體，該複數個增益電晶體係包含一閘極，閘極係連接至差動對之汲極，以及連接至第一負載電晶體之該汲極。放大器亦具有第一型之複數個第二負載電晶體，該些第二負載電晶體係包含連接至該些閘極電晶體之一汲極，以及連接至一高壓電源供應之一源極。複數個電容，係連接於該複數個第一負載電晶體之該汲極，以及該複數個閘極電晶體之該汲極，其中差動對之該閘極係包含放大器之一輸入，該第二負載電晶體之該汲極係包含該放大器之一輸出。
故而，關於本發明之優點與精神可以藉由以下發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
本發明將根據實施例以特定之文字而描述，其係稱為功率效率功率放大器系統；而本發明之實施例亦可應用於其他電路與功率效率操作系統。
第1圖係根據本發明一實施例所繪示之用於語音應用之系統100。其中驅動揚聲器122的放大器系統電路102係放大語音信號源100之輸出。訊號源120可為任何語音訊號源。例如，出自一個CD播放器或MP3播放器之輸出之一線路級(line level)語音訊號。於本發明之實施例，放大器系統電路102係為包含一些電子零件的電路板。或者，放大器系統電路102可由一個或多個積體電路所組成。
於本發明之實施例第1圖中，訊號源120之單端模式輸出，係藉由單端轉差動放大器(single-ended to differential amplifier) 104所放大，其係根據熟此技藝之技術所設計。藉由實現單端模式到差動模式的轉換，最後平衡訊號路徑有較高的電源斥拒比(PSRR)，也因此在低壓和高壓電源下可承受較多雜訊。單端轉差動放大器104係較佳地由低壓電源供給電源，例如介於約2.5伏特和3.3伏特之間。於本發明之一實施例，單端轉差動放大器104之增益係介於約-6 dB與約6 dB之間，或，單端轉差動放大器104有不同供應電壓範圍及/或不同增益範圍。如果後續的級不需要此轉換、若訊號源120為差動，又或是若單端輸入適合特定之應用，則差動轉單端放大器104可省去。
仍如第1圖，增益控制放大器106應用增益於單端轉差動放大器104之輸出。應用的增益控制之範圍係較佳地介於-12dB與約36dB之間，且可控制於類比增益控制訊號的連續模式，或使用數位可選增益之離散(discrete)模式。亦或，使用增益控制範圍大於此範圍。增益控制放大器106係較佳地由低壓電源所供應，例如，介於約2.5伏特和-3伏特之間。於語音應用方面，增益控制放大器106可用於設定聲音音量。增益放大器106係以熟知此技術與結構者所設計。於本發明之另一實施例，其他增益控制範圍、供應電壓範圍和構造可被使用。於另一實施例，增益控制放大器106可根據其應用而自放大器系統102被省略。例如，一個不需增益調節之固定增益語音放大器。
如第1圖，偏壓110和控制邏輯112為單端轉差動放大器104、增益控制放大器106和功率放大器108之介面，且提供控制和偏壓。於偏壓110和控制邏輯112之實施例，當放大器系統102未於使用中，其提供低壓模式，並減少能量消耗狀態。偏壓110和控制邏輯112也可同時運作以提供系統增益控制。於本發明之實施例，控制邏輯112可藉由使用者介面搜尋到(未圖示)。
如第1圖，功率放大器108為差動放大器，其可放大增益控制放大器106之低訊號輸出為高功率輸出至一外部負載(圖示實施例中的揚聲器。放大器108之增益係介於約30dB和約40dB之間，為產生如此高的輸出，功率放大器108之輸出級偏壓至少介於約100伏特與約300伏特間之高伏特電壓供應。於本發明之另一實施例，功率放大器108可於不同訊號輸入和輸出放大器和仰賴此應用的不同增益範圍之下運作。放大器108可於另一實施例中被定位為非語音應用，例如射頻和傳輸線之應用。
如第1圖，功率放大器108係由單一電壓供給伏特所供給電源。然而，對於多級放大器，其未於高電壓下經過高訊號級之偏壓放大器級，而消耗多餘電源，且不明顯地添加功率放大器108之雜訊和線性表現。
於本發明之實施例如第1圖中，功率放大器的第一級偏壓於低伏特電壓供應，較佳地係介於約2.5伏特與約3.3伏特。功率放大器108的輸出級，係由高伏特電壓供應所供給電源，較佳地係介於約100伏特與約300伏特。於另一實施例，亦可使用其他電壓供應伏特範圍。藉由供給功率放大器108之第一級電源，其中放大器係為有比輸出級較低的電源供應伏特，可節能又不會顯著地影響功率放大器108之性能。
第2圖係根據本發明一實施例所繪示之功率放大器200。功率放大器200具有核心差動電壓放大器202，其係具有分流回授電阻R1和分壓輸入電阻R2。功率放大器200之電壓增益從差動輸入(IP-IN)到差動輸出(OutP-Outn)係近乎R1/R2，假設伏特放大器202具有高開迴路(open loop)增益。於本一實施例中，分流回授電阻R1或R2之比率係較佳地介於約10和100之間。電阻R1和分壓輸入電阻R2之值係較佳地製作夠大，而不會明顯地影響放大器200的電源消耗，但不會大到以至於限制頻寬、雜訊以及放大器的轉動率(slew rate)到破壞基本系統需求的程度。於本發明之另一實施例中，其他電阻範圍和電阻比可被功率放大器200使用。於本發明之在另一實施例，放大器200可有個有別於有分流回授電阻之差動伏特放大器202的拓樸(topology)。例如，核心伏特放大器202可為一個單端放大器。
第3圖係繪示一個單端核心放大器300之精簡迴路圖。單端核心放大器300有由低伏特電源供應器LV所偏壓之第一級302、由高伏特電源供應器HV所偏壓之第二級306以及迴授電容304。第一級302有由電阻R3所負載之電晶體M1，且第二級306有由電阻R4所負載之電晶體M2。於本發明之一些實施例，M1和M2是n通道MOSFETs。於另一些實施例，電晶體M1和M2可由其他電晶體樣式所實現，例如，雙極電晶 體。負載電阻R3和R4也可利用在一個簡單電阻旁邊的其他網絡來實現。被動網絡如RC、RL、RLC，以及可以電感網絡為例。電阻R3和電阻R4也可利用根據特定應用及其說明書的主動負載來實現。
第3圖中，於迴授網絡中的迴授電容C係提供對放大器300反應的低頻極，放大器300係位於約gm/(2 π C)Hz的頻率，其中gm為電晶體M1之轉移電導(transconductance)。當進一步的迴授應用於放大器300，例如，電阻的分流迴授，該低頻係幫助放大器300維持穩定性。迴授電容C係較佳地以單晶片實現，然而一晶片外(off-chip)電容可於另一實施例所用。電晶體M2係較佳地實現於使用不受損裝置下仍可承載較高伏特之電晶體。這可實現於使用一較厚的閘極氧化物，一較長通道長度，和/或於M2之一連串汲極中加一串聯電晶體(未圖示)。
第4圖係繪示另一功率放大器400實施例之圖式。功率放大器400具有差動放大器核心402，輸入共模偏壓迴路406以及輸出共模偏壓404。核心放大器402具有一輸入級，該輸入級具有由PMOS電晶體MP5和MP6所組成之差動對，其中電流源410係偏壓PMOS電晶體MP5和MP6以及主動NMOS負載電晶體MN13和MN14係分別負載PMOS電晶體MP5和MP6。輸入共模偏壓迴路406透過電阻R3和R4來測量輸入共模VCMI以及透過由偏壓於電流源412之PMOS電晶體MP7和MP8所組成的差動對，來比較輸入共模伏特VCMI和一產生的共模參考伏特VCMIR。MP7和MP8之汲極係分別由二極體連接PMOS電晶體MP15和MP16所負載。MN16之閘極和汲極係連接於輸入級主動負載電晶體MN13和MN14之閘極。核心放大器402之輸入級和共模輸入偏壓404係由低伏特電源供應器VDDL所供給電源。
如第4圖，核心放大器(core amplifier)402輸出級具有輸出NMOS電晶體NM11以及NM12，其係分別負載有主動PMOS負載電晶體MP3以及MP4。電晶體NM11與NM12之閘極係分別連接至電晶體MP6以及MP5之汲極。電容C1係連接於電晶體NM11之汲極與閘極之間，以及電容C2係連接於電晶體NM12之汲極與閘極之間。電容係提供局部回授，並採用設置功率放大器400之開路(open loop)帶寬低頻極點。
如第4圖，核心放大器(core amplifier)402之輸出級係由共模輸出偏壓電路404偏壓。輸出共模電壓VCMO係由電阻R5和R6測量，且由NMOS差動對與輸出共模參考電壓VCMOR相比較，其中NMOS差動對係由電流源414偏壓之電晶體MN9和MN10所組成。電晶體MN9和MN10係由分別連接於MP1和MP3之PMOS電晶體之二極體所加載。電晶體MP1之閘極與汲極連接至輸出級負載電晶體MP3和MP4之閘極。核心放大器402之輸出級與輸出共模輸出偏壓電路404形成一回授迴路，其係設置輸出共模電壓VCMO至約VCMOR。無論是核心級放大器402之輸出級與共模輸出偏壓電路404係參照偏壓電路404之高壓電源供應。
第4圖中，電流源410，412以及414，電壓源420以及422，係使用一般熟知此技藝之結構所設計而成。因此，功率放大器400之所有電晶體係根據熟知此技藝之技術所設計大小及偏壓。然而，核心級放大器402之輸出級與共模輸出偏壓電路404之電晶體係較佳地以可以承受供應電壓VDDH之高壓電晶體所實現。在本發明之一實施例中，當供應電壓VDDH係介於約100V至約300V之間，VDDL係藉於約2.5V至約3.3V之間。於本發明之其他實施例中，其他供應電壓之範圍可用於功率放大器400之每一級，且其他變化電路拓撲亦可用於功率放大器400之每一級。
由第4圖可看出，由參考這些電路至低電壓供應VDDL，以最小化其核心放大器402之第一級與輸入共模電路406。若這些電路參考高壓電源VDDH，電流源410和412將消耗更多的電源。舉例來說，若核心放大器402之第一級，以及輸入共模電路406消耗之總電流為IS1 +IS2 ，電源係節省(VDDH-VDDL)*(IS1 +IS2 中)，藉由使用此放大器400輸入級之低電壓供應所達成。在本發明之另一實施例，亦可使用其他類型之電晶體所實現。例如，根據應用及需求，NMOS電晶體可以PMOS電晶體所取代，以及PMOS電晶體可以NMOS取代。於又一實施例，雙極電晶體以及其他技術之電晶體可以第4圖之部分或全部裝置所取代。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
100‧‧‧系統
102‧‧‧放大器系統電路
104‧‧‧單端轉差動放大器(single-ended to differential amplifier)
106‧‧‧增益控制放大器
108‧‧‧功率放大器
110‧‧‧偏壓
112‧‧‧控制邏輯
120‧‧‧訊號源
122‧‧‧揚聲器
R1‧‧‧分流回授電阻
R2‧‧‧分壓輸入電阻
R3、R4、R5、R6‧‧‧電阻
M2‧‧‧電晶體
C‧‧‧迴授電容
C1、C2‧‧‧電容
MP1、MP3、MP4‧‧‧輸出級負載電晶體
MP5、MP6、MP7、MP8‧‧‧皆是PMOS電晶體
MN9、MN10、NM11、NM12、MN13、MN14、MN15、MN16‧‧‧ 電晶體
VCMI‧‧‧輸入共模
VCMO‧‧‧共模電壓
VCMOR‧‧‧共模參考電壓
VDDL‧‧‧低伏特電源供應器
HV‧‧‧電源供應器
200‧‧‧功率放大器
202‧‧‧核心差動電壓放大器
300‧‧‧單端核心放大器
302‧‧‧第一級
306‧‧‧第二級
400‧‧‧功率放大器
401‧‧‧差動放大器核心
402‧‧‧核心放大器
404‧‧‧輸出共模偏壓
410、412、414‧‧‧電流源
420、422‧‧‧電壓源
第1圖係根據本發明所繪示之放大器系統電路方塊圖；第2圖係根據本發明一實施例所繪示之差動迴授功率放大器示意圖；第3圖係根據本發明一實施例所繪示之功率放大器示意圖；以及第4圖係根據本發明所繪示之差動功率放大器示意圖。
R1．．．分流回授電阻
R2．．．分壓輸入電阻
R3、R4、R5、R6．．．電阻
M2．．．電晶體
C．．．迴授電容
C1、C2．．．電容
MP1、MP3、MP4．．．輸出級負載電晶體
MP5、MP6、MP7、MP8．．．皆是PMOS電晶體
MN9、MN10、NM11、NM12、MN13、MN14、MN15、MN16．．．電晶體
VCMI．．．輸入共模
VCMO．．．共模電壓
VCMOR．．．共模參考電壓
VDDL．．．低伏特電源供應器
HV．．．電源供應器
400．．．功率放大器
401．．．差動放大器核心
402．．．核心放大器
404．．．輸出共模偏壓
410、412、414．．．電流源
420、422．．．電壓源

Claims (18)

  1. 一種放大器電路，該放大器電路係包含：一兩級放大器，包含：一輸入級，係偏壓於一第一電源供應電壓；一輸出級，係偏壓於一第二電源供應電壓，該第二電源供應電壓係大於該第一電源供應電壓，其中該輸出級係用以高電壓操作，該輸入級以及該輸出級係包含一全差動放大器(fully differential amplifier)，包含：一第一串聯輸入電阻，係連接於一正系統輸入以及該輸入級之一負系統輸入；一第二串聯輸入電阻，係連接於一負系統輸入以及該輸入級之一負輸入之間；一第一回授電阻，係連接於該輸出級之一正輸出以及該輸入級之該負輸入之間；以及一第二回授電阻，係連接於該輸出級之一負輸出以及該輸入級之該正輸入之間；一回授元件，係連接該輸出級與該輸入級之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之放大器電路，其中該輸入級係包含一差動對(differential pair)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之放大器電路，其中該回授元件係自該輸出級之一輸出連接至該輸入級之一輸出。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之放大器電路，更包含：一差動增益控制放大器；以及一單端至差動轉換器(single-ended to differential converter)，係包含一差動輸出，該差動輸出係連接於該差動增益控制放大器之一輸入。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之放大器電路，其中該放大器包含一語音放大器。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之放大器電路，其中該輸出級包含高壓電晶體。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之放大器電路，其中該放大器電路係設置於一積體電路。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之放大器電路，其中該回授元件包含一電容。
  9. 一種半導體電路，該半導體電路係包含：一兩級放大器，包含：一第一級，係包含一差動對，該差動對係負載一第一主動負載，該第一級係用以連接一低電壓電源供應；一第二級，係連接至該第一級之一輸出，該第二級係包含：一放大電晶體(amplifying transistor)，係連接於該第一級之一輸出；一第二主動負載，係連接至該放大電晶 體之一輸出，其中，該第二級係用以連接至一高壓電源供應電壓，該高壓電源供應電壓係大於10伏特；以及一回授電容，係連接於該第一級與該第二級之間。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之半導體電路，其中包含：該差動對、該第一主動負載、該第二主動負載以及該放大電晶體係包含MOSFET電晶體。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之半導體電路，其中包含：該第一級以及該第二級係包含全差動放大器(fully differential amplifier)；該全差動放大器係偏壓於共模回授；以及該回授電容係包含兩回授電容。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之半導體電路，其中包含：該差動對，係包含複數個第一型電晶體；該第一主動負載，係包含複數個第二型電晶體，該些第二型電晶體係不同於該些第一型電晶體；該放大電晶體，係包含該些第二型電晶體；以及該第二主動負載，係包含該些第一型電晶體。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之半導體電路，其中包含： 該些第一型電晶體係為PMOS電晶體；以及該第二型電晶體係為NMOS電晶體。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之半導體電路，其中包含：該放大電晶體係包含一共源裝置；該第一主動負載之一汲極係連接於該共源裝置之一閘極；以及該回授電容係自該共源裝置之該閘級連接該共源裝置之一汲極。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之半導體電路，其中包含：該第一主動負載係以一共模回授電路偏壓，該共模回授電路係連接於該第一極之一輸入；以及該第二主動負載係以一共模回授電路偏壓，該共模回授電路係連接至該第二級之該輸出。
  16. 一放大器，包含：一差動對，包含一第一型之電晶體，其中該差動對係以一第一電源供應器為參考電壓；一第二型之複數個第一負載電晶體，該第二型係不同於第一型，該些第一負載電晶體係分別包含一汲極以及一源極，該些汲極係連接至該差動對之汲極，且該些源極係連接至一參考節點；該第二型之複數個增益電晶體，該複數個增益電晶體係包含一閘極，該閘極係連接至該差動對之該 汲極，以及連接至該第一負載電晶體之該汲極；該第一型之複數個第二負載電晶體，該些第二負載電晶體係包含連接至該些閘極電晶體之一汲極，以及連接至一高壓電源供應之一源極；以及複數個電容，係連接於該複數個第一負載電晶體之該汲極，以及該複數個閘極電晶體之該汲極，其中該差動對之該閘極係包含該放大器之一輸入，該第二負載電晶體之該汲極係包含該放大器之一輸出。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之放大器，其中包含：該第一型電晶體係包含一PMOS裝置；以及該第二型電晶體係包含一NMOS裝置。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之放大器，其中該複數個第二負載電晶體係包含高壓元件。
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