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    本發明提供了限幅放大器及其方法，其中限幅放大器包含複數個放大級以及一跨導放大器。此些放大級包含一第一放大級和一最後放大級，並且設置在一串疊配置中。其中，第一放大級係設置來接收一輸入訊號、最後放大級係設置來輸出一輸出訊號、跨導放大器係設置來經由一第一電阻接收來自最後放大級之電壓訊號，以及跨導放大器更設置來以一負反饋方式經由一第二電阻輸出電流訊號至第一放大級之輸出節點。
    公开号:TW201315142A
    申请号:TW101134989
    申请日:2012-09-24
    公开日:2013-04-01
    发明作者:Chia-Liang Lin
    申请人:Realtek Semiconductor Corp；
    IPC主号:H03F3-00
    专利说明:
    限幅放大器及其方法
    本發明係關於一種限幅放大器及其方法。
    眾所皆知，限幅放大器廣泛地運用在光通訊上。限幅放大器接收呈現二進位資料流之輸入訊號、以高增益放大輸入訊號至飽和狀態，並輸出呈現二進位資料流之實質二階輸出訊號。限幅放大器較佳地具有高增益的功能，致使其能放大輸入信號至飽和狀態。同時，限幅放大器應具有足夠速度以跟上快速變化的輸入訊號。此外，如同許多高增益放大器，在限幅放大器的輸入上的偏移(offset)需要適當地處理；否則此偏移會被放大至一定程度，亦即此偏移會不顧輸入訊號地使限幅放大器的後級達到飽和。
    第1圖為常見的限幅放大器100之示意圖。請參照第1圖，限幅放大器100包含七個放大級110-170。放大級110-170各自接收來自供電節點VDD之電源，並連接至接地節點VSS接地。放大級110-170係用以接收包含兩端Vi+、Vi-之差動輸入訊號(下稱Vi+/Vi-)，並輸出包含兩端Vo+、Vo-之差動輸出訊號(下稱Vo+/Vo-)。限幅放大器100更包含一低通濾波器(low pass filter；LPF)190及反饋放大器180。此低通濾波器190用以接收差動輸出訊號Vo+/Vo-並輸出包含兩端V’f+、V’f-之差動濾波訊號(下稱V’f+/V’f-)。反饋放大器180用以接收差動濾波訊號V’f+/V’f-並輸出一差動訊號至與第一放大級110共用的二共用節點111、112。放大級110-170提供一高增益至差動輸入訊號Vi+/Vi-。然而，第一放大級110的輸入可能存在有偏移，而此偏移也會以高增益放大。低通濾波器190包含一對電阻-電容(R-C)網路(191-192和193-194)，藉以擷取差動輸出訊號Vo+/Vo-的低頻成分，而此低頻成分源自於偏移。
    因此，差動濾波訊號V’f+/V’f-基本上是差動輸出訊號Vo+/Vo-之不必要成分。反饋放大器180接收並放大差動濾波訊號V’f+/V’f-，然後將放大後的輸出以極性反轉的方式傳輸至共用節點111、112。因此形成包含放大級120-170、LPF190和反饋放大器180的負反饋迴路。藉由低通濾波器190，此負反饋僅對差動輸出訊號Vo+/Vo-的低頻成分有效，而此低頻成分係源自於在限幅放大器100的輸入之偏移。由於負反饋迴路的高增益性質有效抑制不必要的偏移。然而，反饋放大器180會增加共用節點111、112的負載、抑制第一放大級110的放大功能，並減慢限幅放大器100的整體速度。
    因此，利用不會減慢限幅放大器整體速度之反饋機制的一限幅放大器是令人期望的。
    在第一實施例中，一種限幅放大器包含複數個放大級以及一跨導放大器。此些放大級包含設置在一串疊配置中之第一放大級和最後放大級。其中，第一放大級係設置來接收一輸入訊號、最後放大級係設置來輸出一輸出訊號、跨導放大器係設置來經由第一電阻接收來自最後放大級之電壓訊號，並且跨導放大器更設置來以一負反饋方式經由一第二電阻輸出電流訊號至第一放大級之輸出節點。第一電阻之阻值係實質上大於最後放大級之輸出阻抗。第二電阻之電阻值係實質上大於第一放大級之輸出阻抗。第一放大級設置以接收來自第一供電節點的電源。跨導放大器設置以接收來自第二供電節點的電源。在一實施例中，第二供電節點之電壓電位係高於第一供電節點的電壓電位。
    在第二實施例中，限幅放大方法包含：接收一輸入信號；使用串疊之複數個放大級放大輸入訊號以產生一輸出訊號；以非侵入方式感測輸出訊號而產生一電壓訊號，因此感測步驟不會對輸出訊號造成實質改變；使用一跨導放大器由電壓訊號產生一電流訊號；及以非侵入方式將電流訊號注入至第一放大級之輸出節點，因此注入步驟不會對第一放大級之放大功能造成實質改變。其中，此些放大級包含第一放大級及最後放大級。在一實施例中，感測步驟包括經由一電阻耦接輸出訊號，並且此電阻的阻值實質上大於最後放大級的輸出阻抗。在一實施例中，注入步驟包含經由一電阻耦接第一放大級之輸出節點，並且此電阻的阻值實質上大於第一放大級之輸出阻抗。
    以下之詳細描述係參照所附圖式，藉由圖式說明，揭露本發明各種可實行之實施例。所記載之實施例係明確且充分揭露，使所屬技術領域中具有通常知識者能據以實施。不同之實施例間並非相互排斥，某些實施例可與一個或一個以上之實施例進行合併而成為新的實施例。因此，下列詳細描述並非用以限定本發明。
    限幅放大器200係如第2圖所示。限幅放大器200包含複數個放大級，於此以七個放大級210-270為例，非為本發明之限制。於此，放大級210-270是彼此串疊。放大級210-270各自接收來自第一供電節點VDD1之電源，並且連接至接地節點VSS接地。放大級210-270係用以接收包含兩端Vi+、Vi-之差動輸入訊號，並且放大此差動輸入訊號以輸出包含兩端Vo+、Vo-之差動輸出訊號(下稱Vo+/Vo-)。限幅放大器200更包含一跨導放大器280、一第一電阻對291-292及一第二電阻對293-294。跨導放大器280之輸入係經由第一電阻對291-292耦接差動輸出訊號Vo+/Vo-，因而能藉由感測差動輸出訊號Vo+/Vo-來產生包含兩端Vf+、Vf-之差動中間電壓訊號(下稱Vf+/Vf-)。跨導放大器280將差動中間電壓訊號Vf+/Vf-放大成包含兩分電流Io+、Io-之差動電流訊號(下稱Io+/Io-)。差動電流訊號Io+/Io-經由第二電阻對293-294注入電路節點211、212。電路節點211、212係第一放大級210之輸出節點。跨導放大器280接收來自第二供電節點VDD2之電源，並連接至接地節點VSS接地。
    在一實施例中，第二供電節點VDD2具有較第一供電節點VDD1高的電位。跨導放大器280之頻寬實質上窄於差動輸入訊號Vi+/Vi-之頻寬。七個放大級210-270提供一高增益至差動輸入訊號Vi+/Vi-。然而，在限幅放大器200之輸入可能存在有一偏移，並且此偏移也會以高增益放大，而造成差動輸入訊號Vi+/Vi-具有不必要的成分。
    跨導放大器280經由第一電阻對291-292間接地接收差動輸出訊號Vo+/Vo-。第一電阻對291-292之目的係提供最後放大級270的輸出與跨導放大器280的輸入之間的隔離，致使跨導放大器280不會對最後的放大級270造成過大的負載，以免減慢最後放大器270的速度。換言之，跨導放大器280在進行差動輸出訊號Vo+/Vo-的感測時並不會對差動輸出訊號Vo+/Vo-造成實質改變。於此，第一電阻對291-292之阻值必須實質上大於最後放大級270的輸出阻抗以達成隔離的效果。由於跨導放大器280之頻寬實質上窄於差動輸入訊號Vi+/Vi-之頻寬，因此跨導放大器280能有效地擷取差動輸出訊號Vo+/Vo-之低頻成分。此低頻成分係不必要的，且其起源於限幅放大器200之輸入的偏移。跨導放大器280將低頻成分轉換成差動電流訊號Io+/Io-，並且此差動電流訊號Io+/Io-經由第二電阻對293-294注入電路節點211、212，因而對不必要之低頻成分造成負反饋。因此，藉由負反饋迴路有效地抑制此不必要之低頻成分。換言之，在將差動電流訊號Io+/Io-注入至第一放大級210之輸出節點(即，電路節點211、212)時並不會對第一放大級210之放大功能造成實質改變。此負反饋迴路包含放大級220-270、第一電阻對291-292、跨導放大器280及第二電阻對293-294。第二電阻對293-294之目的係提供跨導放大器280的輸出與電路節點211、212之間隔離，以避免因跨導放大器280而減慢第一放大級210的速度。為提供充分之隔離，第二電阻對293-294的阻值需較大；這可能導致跨越第二電阻對293-294之一大壓降。第二供電節點VDD2具有較第一供電節點VDD1高的電位，以致儘管因第二電阻對293-294的高阻值造成跨越第二電阻對293-294的大壓降，仍能確保差動電流訊號Io+/Io-有足夠的餘裕(headroom)。
    適用於體現第2圖之七個放大級210-270中之任一者的放大器300係如第3圖所示。放大器300接收一差動輸入(包含正端+和負端-)並輸出一差動輸出(包含正端+和負端-)。放大器300包含一差動對及一電阻對321-322。一實施例，差動對具有兩個MOS電晶體311、312。MOS電晶體311、312是由來自電流源之偏壓電流Ib偏壓，其中此電流源係藉由電晶體310於閘極接收偏壓VB而實現。在一些實施例中，MOS電晶體311、312例如是NMOS電晶體，而電晶體310例如是NMOS電晶體。電阻對321-322作為差動對之負載並且作為接收來自第一供電節點VDD1之電源的路徑。放大器300係屬在先前技術中所習知之典型放大器，因而在此不再詳細描述。
    適用於體現第2圖之跨導放大器280的一實施例為第4圖所示之一跨導放大器400。跨導放大器400包含類似之二電路401、402。電路401係接收差動中間電壓訊號的一端Vf+、並產生一中間電壓Vr+及輸出分電流Io+。電路402係接收差動中間電壓訊號的另一端Vf-、產生中間電壓Vr-及輸出分電流Io-。電路401包含具有運算放大器421之電壓隨耦器及具有電晶體431之源極隨耦器，並且電壓隨耦器和源極隨耦器是配置成一負反饋架構。運算放大器421具有足夠大的增益，因而由於迫使運算放大器421負端-之電壓追蹤運算放大器421正端+之電壓的負反饋，中間電壓Vr+將有效地隨耦差動中間電壓訊號的一端Vf+。電容461係用以提供電壓隨耦器之頻率補償，以確保反饋迴路之穩定性。電容461亦執行低通濾波之功能，以限制電壓隨耦器之頻寬。換言之，跨導放大器400之頻寬係由電容461之電容值所決。電路401更包含一電流源411及一電流鏡。電路401中的電流源411係藉由以偏壓VB’來偏壓之電晶體(例如是NMOS電晶體)而實現，並用以提供實質上固定的電流I’b至具有中間電壓Vr+的電路節點。電路401中的電流鏡具有配置在二極體連接式架構(diode-connected configuration)中之電晶體441和配置在共源極架構(common source configuration)中之電晶體451，並且用以接收來自電晶體431之汲極的中間電流Ii+，然後將中間電流Ii+映射成分電流Io+。電路402與電路401可以使用相似電路，因此於此不再詳加介紹。電路401經由衰減電阻470耦接至電路402，而此衰減電阻470係設置於具有中間電壓Vr+、Vr-的兩電路節點之間。對於低頻訊號，中間電壓Vr+有效地隨耦差動中間電壓訊號的一端Vf+，且中間電壓Vr-有效地隨耦差動中間電壓訊號的另一端Vf-，因而產生經由衰減電阻470流動在中間電壓Vr+、Vr-之間的電流Ir，於此：
    其中，R代表衰減電阻470之阻值。
    若電晶體451的寬長比(W/L比，width to length ratio)較電晶體441高n倍，則電晶體441及電晶體451所形成之電流鏡提供為n之電流增益。而分電流Io+可近似於下列方程式：
    同理可得，分電流Io-可近似於下列方程式：
    差動輸出電流為：
    跨導放大器400所提供之跨導值gm為：gm≡(Io+-Io-)/(Vf+-Vf-)=2n/R。
    由於跨導值係由跨導放大器400所提供，因此可藉由改變衰減電阻470之阻值來進行調整跨導值，或者是藉由改變電晶體441(電晶體442隨之相應，其較佳地相同於電晶體441)之寬長比或電晶體451(電晶體452隨之相應，其較佳地相同於電晶體451)之寬長比來進行調整跨導值。跨導放大器400之頻寬可藉由改變電容461的值(電容462亦然，其較佳地相同於電容461)來進行調整。在一些實施例中，電晶體411、431例如是NMOS電晶體，而電晶體441、442、451、452例如是PMOS電晶體。
    運算放大器的實施例係為所屬技術領域中具有通常知識者所熟知，在此不再詳述。
    請參照回第2圖。於第2圖之限幅放大器200之實施例中，七個放大級210-270皆接收來自第一供電節點VDD1的電源。然而，此為範例說明，並非用以限定本發明。電路設計者可自行斟酌，而使用不同數量之放大級，亦可使用不同的供應電壓。之所以跨導放大器280接收來自電位高於第一供電節點VDD1之第二供電節點VDD2的電源，其原因係讓差動電流訊號Io+/Io-具有較大之餘裕(headroom)。為達成此目的，跨導放大器280需具有高於第一放大級210之供應電壓，但此供應電壓不必高於其餘放大級220-270。此外，若跨導放大器280與第一放大級210使用相同之供電電源而差動電流訊號Io+/Io-所需之餘裕(headroom)係足夠的，則仍然可選擇提供相同之供電電壓給跨導放大器280與第一放大級210。換言之，可依據整體電路需求，讓放大級210-270以及跨導放大器280使用相同或是不同的供電電壓。
    由上述可得根據本發明實施例之限幅放大方法包含：接收一輸入訊號、使用串疊且包含一第一放大級及一最後放大級之複數個放大級來放大輸入訊號以產生一輸出訊號、感測輸出訊號來產生一電壓訊號、使用一跨導放大器由電壓訊號產生一電流訊號、以及將電流訊號注入至第一放大級之輸出節點。其中，感測步驟不會對輸出訊號造成實質改變，且注入步驟不會對第一放大級之放大功能造成實質改變。
    雖然本發明的技術內容已經以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神所作些許之更動與潤飾，皆應涵蓋於本發明的範疇內，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。
    100‧‧‧限幅放大器
    110-170‧‧‧放大級
    111‧‧‧共用節點
    180‧‧‧反饋放大器
    190‧‧‧低通濾波器
    191-194‧‧‧電阻-電容網路
    200‧‧‧限幅放大器
    210-270‧‧‧放大級
    211-212‧‧‧電路節點
    280‧‧‧跨導放大器
    291-292‧‧‧第一電阻對
    293-294‧‧‧第二電阻對
    300‧‧‧放大器
    310‧‧‧電晶體
    311-312‧‧‧MOS電晶體
    321-322‧‧‧電阻對
    400‧‧‧跨導放大器
    401-402‧‧‧電路
    411-412‧‧‧電流源
    421-422‧‧‧運算放大器
    431-432‧‧‧電晶體
    441-442‧‧‧電晶體
    451-452‧‧‧電晶體
    461-462‧‧‧電容
    Vi+‧‧‧差動輸入訊號之一端
    Vi-‧‧‧差動輸入訊號之一端
    VDD‧‧‧供電節點
    VSS‧‧‧接地節點
    Vo+‧‧‧差動輸出訊號之一端
    Vo-‧‧‧差動輸出訊號之一端
    V’f+‧‧‧差動濾波訊號之一端
    V’f-‧‧‧差動濾波訊號之一端
    VDD1‧‧‧第一供電節點
    VDD2‧‧‧第二供電節點
    Io+‧‧‧差動電流訊號之分電流
    Io-‧‧‧差動電流訊號之分電流
    Vf+‧‧‧差動中間電壓訊號之一端
    Vf-‧‧‧差動中間電壓訊號之一端
    Ib‧‧‧偏壓電流
    VB‧‧‧偏壓
    VB’‧‧‧偏壓
    Ii+‧‧‧中間電流
    Ii--‧‧‧中間電流
    Vr+‧‧‧中間電壓
    Vr-‧‧‧中間電壓
    I’b‧‧‧定電流
    第1圖為傳統限幅放大器之示意圖。
    第2圖為本發明一實施例之限幅放大器之示意圖。
    第3圖為一實施例之放大級之示意圖。
    第4圖為一實施例之跨導放大器之示意圖。
    200‧‧‧限幅放大器
    210-270‧‧‧放大級
    211-212‧‧‧電路節點
    280‧‧‧跨導放大器
    291-292‧‧‧第一電阻對
    293-294‧‧‧第二電阻對
    权利要求:
    Claims (15)
    [1] 一種限幅放大器，包含：一第一放大級與一最後放大級，設置在一串疊配置中；一跨導放大器；及一第一電阻以及一第二電阻；其中，該第一放大級係設置來接收一輸入訊號；其中，該最後放大級係設置來輸出一輸出訊號；其中，該跨導放大器係設置來經由該第一電阻接收來自該最後放大級的一電壓訊號；及其中，該跨導放大器係更設置來經由該第二電阻輸出一電流訊號至該第一放大級之輸出節點。
    [2] 如請求項1所述之限幅放大器，其中該第一放大級更設置來接收來自一第一供電節點的電源，且該跨導放大器係設置來接收來自一第二供電節點的電源。
    [3] 如請求項2所述之限幅放大器，其中該第二供電節點之電位係高於該第一供電節點之電位。
    [4] 如請求項1所述之限幅放大器，其中該第一電阻之阻值實質上大於該最後放大級之輸出阻抗。
    [5] 如請求項1所述之限幅放大器，其中該第二電阻之阻值實質上大於該第一放大級之輸出阻抗。
    [6] 如請求項1所述之限幅放大器，其中該跨導放大器之頻寬實質上窄於該輸入訊號之頻寬。
    [7] 如請求項6所述之限幅放大器，其中該跨導放大器包含一電容，且該跨導放大器之該頻寬係由該電容之電容值所決定。
    [8] 如請求項1所述之限幅放大器，其中該跨導放大器包含：一電壓隨耦器，以使一中間電壓隨耦該電壓訊號；一衰減電阻，以提供該中間電壓；及一電流鏡，以根據相應該中間電流之一中間電流行成一分電流。
    [9] 如請求項1或8所述之限幅放大器，其中該跨導放大器之跨導值實質上反比於該衰減電阻之阻值。
    [10] 如請求項1所述之限幅放大器，其中該跨導放大器係更設置來來以一反饋方式經由該第二電阻輸出該電流訊號至該第一放大級之輸出節點。
    [11] 一種限幅放大方法，包含：接收一輸入訊號；使用串疊之複數個放大級來放大該輸入訊號以產生一輸出訊號，其中該些複數個放大級包含一第一放大級及一最後放大級；感測該輸出訊號來產生一電壓訊號，其中該感測步驟不會對該輸出訊號造成實質改變；使用一跨導放大器由該電壓訊號產生一電流訊號；及將該電流訊號注入至該第一放大級之輸出節點，其中，該注入步驟不會對該第一放大級之放大功能造成實質改變。
    [12] 如請求項11所述之限幅放大方法，更包含：使用一第一供應電壓於該第一放大級及使用一第二供應電壓於該跨導放大器。
    [13] 如請求項12所述之限幅放大方法，其中該第二供應電壓高於該第一供應電壓。
    [14] 如請求項11所述之限幅放大方法，其中該感測步驟包含：經由一電阻耦接該輸出訊號，其中該電阻的阻值實質上大於該最後放大級之輸出阻抗。
    [15] 如請求項11所述之限幅放大方法，其中該注入步驟包含：經由一電阻耦接該第一放大級之該輸出節點，其中該電阻之阻值實質上大於該第一放大級之輸出阻抗。
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    法律状态:
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    US13/244,626|US8456215B2|2011-09-25|2011-09-25|Limiting amplifier and method thereof|
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