一种输出电压范围超过电源电压的放大器的制造方法
【专利摘要】一种输出电压范围超过电源电压的放大器，这种放大器可用于电池的供电，以驱动具有低电流的高阻抗负载和适度带宽信号。该放大器电路包括一个用于提供高输出阻抗的跨导放大器和一个给跨导放大器提供高电源电压的电荷泵DC/DC转换器。在本发明中，该放大器的增益是输入电压的函数，以使放大器输入端和放大器输出端负载的相应之间的传递函数线性化。
【专利说明】—种输出电压范围超过电源电压的放大器
【技术领域】:
[0001 ] 本发明涉及用于低电压设备的放大器电路，如电池供电产品。更具体地说，本发明涉及的低电压放大器电路的输出电压范围超过电源电压。
【背景技术】:
[0002]在电子工业的许多领域，设计师转向低工作电压。低电压导致电池的使用寿命增力口，产品的重量减轻，并且能使集成电路变得更小和更密集。这对便携式电子设备的设计很有利。例如，在早期大多数的手机电话使用5伏的电路设计。然而，目前的趋势是使用工作电压为1.0至3.3伏范围的电路，甚至在将来可能更低。
[0003]虽然低工作电压对延长电池的使用寿命是有利的，但低电压可能会不利于电路的运行。例如，电路的电源电压被降低时，电路中的信号电压范围降低，从而增加了噪声的影响。此外，典型的放大器电路不能输出覆盖全部电源电压范围的电压。相反，输出电压往往被限制在一些值，这些值不接近供电轨的零点几伏。这个最小的供电轨和输出电压之间的电压差，被称为“净空”，这是电路设计功能随电源电压的微小变化。因此，当电源电压降低时，净空占可用的输出电压范围一个较大的比例。
[0004]在锁相环(PLL)电路中，低工作电压对电路运行产生不利影响。锁相环的应用十分广泛，主要涉及通信方面。例如，锁相环用来恢复无线电传输中的载波频率，恢复数字比特流中的数据时钟，并且追踪信号的频率。锁相环还可用于调制和解调信号的频率和相位，以合成准确的无线电传输和接收频率，和其他的一些应用。
[0005]在其最基本的形式中，一个锁相环包括相位检测器和电压控制振荡器(VC0)。相位检测器产生一个误差信号或控制电压，该控制电压基于压控振荡器的输出信号和参考频率之间的相位差。反过来，该控制电压决定电压控制振荡器的频率。因此，相位检测器提供反馈，使电压控制振荡器在参考频率处振荡。另外，对锁相环工作的细节在下文讨论。一个更彻底的改善被发现在锁相环电路设计中，这被纳入本发明全部参考。
[0006]低工作电压以不同的方式对锁相环电路运行产生不利影响。首先，低电源电压降低提供给电压控制振荡器的控制电压的可用范围，从而限制了锁相环电路的可用频率范围。这个限制更重要，因为典型的相位检测电路的净空特性，从而进一步减少可用的控制电压范围。
[0007]尽管不是由低工作电压引起的，锁相环电路通常表现出控制电压和输出频率之间的非线性关系。这使得锁相环反馈电路补偿由于电压控制振荡器工作点的环路增益的改变更困难。一般来说，反馈环路补偿由具有高环路增益的电压控制振荡器工作点决定，使锁相环电路通过它的工作范围过度补偿。这种过度补偿可能对锁相环电路必须能够快速开关频率产生不利影响。例如，在时分复用GSM蜂窝电话指定方案中，锁相环电路必须能够改变一个时隙的频率，约570微秒。过度补偿的锁相环电路不能在所需的时间内解决新的工作频率。
【发明内容】
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[0008]因此需要提供具有小于约5伏操作电压放大器的电路和方法。并且首选小于约3伏范围的。
[0009]提供不牺牲输出电压范围的低电压放大器的电路和方法是理想的。
[0010]此外，提供具有小于约5伏操作电压锁相环的电路和方法。并且首选小于约3伏范围的。
[0011 ] 提供不牺牲频率范围的低电压锁相环的电路和方法是理想的。
[0012]此外，在锁相环电路的整个频率范围内，最好能够提供具有接近线性的控制电压-频率传递函数的锁相环电路和方法。
[0013]本发明的技术解决方案:
[0014]本发明的目的是通过包括一个电荷泵DC/DC转换器的集成电路来增加可用的操作电压和驱动高阻抗负载的跨导放大器电路。在本发明的一个实例中，该放大器具有相关输入增益，以至于传输特性是一个接近非线性传递函数的分段线性函数。
[0015]对比专利文献:CN201839209U输出电压控制器201020271410.7
【专利附图】
【附图说明】:
[0016]本发明的目的将在下面作详细地描述，附图将对本发明的优点作进一步的描述。部分器件的参考字符已在图中标明。
[0017]图1是一个典型的锁相环的原理框图。
[0018]图2是图1中电压控制振荡器的简化示意图。
[0019]图3是图2中电压控制振荡器的控制电压与频率的图表。
[0020]图4A是图1相位检测器和滤波器的详细原理图，图4B是图4A电路操作的时序图。
[0021]图5是一个典型的相位检测器的净空图。
[0022]图6是一个典型的锁相环的原理图。
[0023]图7是图6中用于驱动电压控制振荡器典型放大器电路的简化原理图。
[0024]图8是图7中开关电容电荷泵的简化原理图。
【具体实施方式】:
[0025]为了帮助披露本发明的一个首选实例，下面描述锁相环电路，更具体地说，驱动电压控制振荡器中的变容二极管的放大器。然而，本发明并不限于这样的应用，更普遍地用于任何低电压电路驱动高阻抗负载，该负载的电压超过了供电轨。例如，完全打开上桥和N沟道MOS场效应管的功率开关，提高它的栅极电压，以高于源极电压几伏。根据本发明的原理所设计的放大器可以充分提高MOS场效应管的输出电压。一个类似的放大器可以用于偏置锁相环中的变容二极管。
[0026]在图1中，锁相环(PLL)电路10包括电压控制振荡器12，其输出信号的频率由输入端的控制电压决定。电压控制振荡器12的输出信号频率与通过相位检测器14和环路滤波器16的反馈路径的输入信号频率相匹配。相位检测器14提供一个相位误差信号，该相位误差信号与参考频率和电压控制振荡器输出信号之间的相位差均衡。环路滤波器16过滤掉相位误差信号来产生供给电压控制振荡器12的控制电压。环路滤波器16也可用于控制锁相环的带宽和优化锁相环的响应时间。
[0027]作为锁相环10操作的一个解说性例子，考虑一个电压控制振荡器输出信号相位滞后参考频率的情况。在这种情况下，相位检测器14产生一个倾向于增加控制电压的误差信号。增加的控制电压使电压控制振荡器的频率上升到一个略高于参考频率的频率。不匹配的频率逐渐降低相位误差，最终使电压控制振荡器的输入信号引导参考信号。然后，相位检测器14驱动较低的控制电压，从而降低了电压控制振荡器的频率，并且降低了参考频率和电压控制振荡器输出信号之间的相位误差。响应时间和过度的频率校正可以通过选择合适的环路滤波器16的特性来调整。相位检测器的反馈使电压控制振荡器在非常接近输入信号频率处振荡。
[0028]附加的元件可以被添加到一个基本的锁相环中，来提高锁相环的各种特性或使输出频率是输入参考频率的倍数。例如，锁相环10包括分频器18，以至于电压控制振荡器的输出频率是参考频率的倍数。对附加电路的过滤、检测、相乘和对输入端、输出端或反馈信号的处理可以修改锁相环在某些应用中的行为。
[0029]由于谐振电路的强稳定性、抗噪声和高工作频率，谐振电路通常基于电压控制振荡器。变容二极管的电容以电子的形式改变。具体而言，变容二极管的结电容是一个反向偏置的功能。因此，变容二极管通常用于控制基于电压控制振荡器的谐振振荡器的输出频率。
[0030]图2显示了基于电压控制振荡器的变容二极管。电压控制振荡器12包括一个谐振LC电路，也被称为LC槽，由电感20、电容30、电容22和变容二极管24形成。输出放大器26缓冲LC槽的输出端，来防止下面电路的加载。反馈放大器28和电容30提供一个驱动和持续谐振LC振荡电路的反馈路径。根据公式‘C’是电容30、电容22和变容二极管24电容值的等效组合，电压控制振荡器的谐振频率是电感20、电容30、电容22和变容二极管24的函数值。
[0031]正如上面提到的，变容二极管的电容通过改变施加在变容二极管上的反相偏置而不同。由于变容二极管24上的偏置由控制电压决定，所以控制电压决定变容二极管24的电容值和LC槽的谐振频率。电阻32与34和电容36形成一个低通滤波器，以使用于偏置变容二极管24的电压平滑和隔离变容二极管24的交流振荡信号。
[0032]除了说明一个典型的电压控制振荡器传递函数的非线性性质，图3显示减少在电压控制振荡器频率范围上的控制电压范围的影响。例如，如果控制电压的范围是从约0.4伏到4.6伏(一个典型的5伏相位检测器的输出电压范围)，然后频率范围是从约620兆赫至740兆赫。然而，如果控制电压被限制在约0.4伏到2.3伏的范围(一个典型的2.7伏相位检测器的输出电压范围)，然后电压控制振荡器频率范围从约620兆赫减少到700兆赫。
[0033]控制电压范围(例如0.4-4.6伏)和电路工作电压(例如0-5伏)之间的电压差被称为净空，并且该净空是相位检测器输出电路的一个特性。图4A是典型的相位检测器14的输出电路。输出级包括电流源42a和42b，它们开启和关闭相位比较器44，相位比较器44基于对应的输入端信号间的相位关系。例如，从参考信号的上升沿到反馈信号的上升沿，电流源42a可能被打开并且电流源42b可能被关闭，而反馈信号的上升沿到参考信号的上升沿，电流源42a可能被关闭并且电流源42b可能被打开。这由图4B的时序图说明。[0034]电流源42a接通电源(Vcc)的电流来向滤波器电容46和49充电。这提高了电压控制振荡器12输入端的控制电压。以类似的方式，电流源42b提供一个路径来使电流从电容器46和49流向接地端。当控制电压升高时，在供电轨和滤波电容器之间的电压差减小了。当电压差变得足够小，电流也开始下降，甚至完全停止。当控制电压非常低时，有类似的事件发生。因此，控制电压被限制在比供电轨之间的电压差还要小的范围内，如图5所示，其中典型的5伏相位检测器由交叉阴影表明。
[0035]相位检测器的净空和低工作电压的影响被限制在电压控制振荡器频率范围。根据本发明的原理，这些限制可能被放大器(例如变容二极管驱动器)克服，该放大器输出电压的范围高于电源电压，电源电压在环路滤波器和电压控制振荡器输入端之间，如图6所示。根据本发明的原理，变容二极管驱动器50使它的输入端为控制电压和提供一个放大输出端来偏置电压控制振荡器12中的变容二极管。
[0036]现在参照图7，典型的变容二极管驱动电路50包括电荷泵DC/DC转换器52和放大器54。电荷泵DC/DC转换器52是一个多相的开关电容，电压倍增器具有一个约为4兆赫兹的有效开关频率。电荷泵DC/DC转换器52在它的CP输出端产生一个约为双倍Vcc的电压，来为放大器54提供电源。
[0037]图8是一个典型开关电容电荷泵电压倍增器的简化示意图，其中电荷泵52包括飞跨电容85、存储电容56和开关81-84。开关81-84在两个阶段运行，这两个阶段由开关时序控制87使电源电压(V。。)转移到存储电容56中。
[0038]在第一阶段，开关81-82是闭合的，而开关83-84是断开的，以至于飞跨电容85耦合到电源电压(V。。)处。在第二阶段，开关81-82是断开的，开关83-84是闭合的，并且飞跨电容85上的电荷被转移到存储电容56中。在第二阶段，开关81-84配置电路，以至于飞跨电容85上的电压加到电源电压上，因此，存储电容56上的电压是电源电压的两倍。
[0039]在本发明的第一个实例中，只有放大器54 (图7)的输出级电路应用于DC/DC转换器52。然而，在首选的实例中，放大器54的另一个电路，如输入级电路应用于DC/DC转换器52，使放大器54的输出端超过电源电压。因此，放大器54可被归类为“轨到轨”的输入放大器。
[0040]根据本发明的原理，电荷泵52在与放大器54同一个集成电路封装中,存储电容56是唯一的电荷泵52的外部元件。在另一个实例中，相位检测器14 (图6)和变容二极管电路50组合在同一个集成装置中。
[0041]各种DC/DC转换器，例如电压三倍频器，运行在不同的操作频率，可用于给放大器54提供能量。然而，根据本发明的原理，在大于4兆赫兹的频率下，在集成电路中使用内部开关电容器。此外，跨导放大器54的高输出阻抗，连同输出滤波器电容22，提供高频电流源脉动控制。输出滤波器电容22的值被调整为3dB带宽的变容二极管驱动电路。
[0042]放大器54转换输入端的控制电压为电流,给电容器22充电和放电。放大器54包括一个跨导放大器，该跨导放大器具有一个由电阻58和60的值设定的闭环电压增益。电阻58和60的值提供一个约为1.7-2.5的增益，以至于2_3伏的输入将给变容二极管充电到5伏的反向偏置电压。在一些应用中，放大器50还包括电压源68，将输入电压偏移，以至于当输入信号被限制在高于O伏的较低值时,O伏的输出被提供,例如,相位检测器输出级的净空。电容器69和70提供频率补偿和降低由高反馈电阻58和60产生的热噪声。[0043]回到图2，放大器54的输出端通过一个低通滤波器应用于变容二极管24，该低通滤波器包括电阻32和34，电容36。耦合到变容二极管24的其它器件包括电容22和30。由于这些器件基本上对直流信号是开放的(例如变容二极管的偏置电压)，放大器54只需要提供足够的电流来给变容二极管24和其他相关的电容器充电，达到所需的反向偏置电压。因此，跨导放大器54上的电流非常低，并且可以通过电荷泵DC/DC转换器52得到满足。虽然较高的电流用于本发明的第一个首选实例中，跨导放大器54得到低于约100-200微安的电流，以至于电荷泵DC/DC转换器52可使用内部开关电容。
[0044]正如本文之前讨论的，电压控制振荡器的输出频率一般是一个控制电压非线性函数。该非线性使优化的环路滤波器的设计更难，如复杂的锁相环的设计。根据本发明，变容二极管50具有一个非线性传递函数，使得电压控制振荡器的频率接近鉴相器输出端控制电压的线性函数。这是通过改变放大器54的增益来实现的，根据控制电压，在一个分段线性方式中，将控制电压/频率转移函数线性化，如环路滤波器所示。
[0045]参考图7，串联的电阻62和二极管63并联耦合到电阻60上。低控制电压二极管63是非导电的，放大器54的闭环的增益是由电阻58和60决定的。然而，当控制电压超过正向压降二极管63，二极管开始有效地将电阻62与电阻60并联并且提高放大器54的闭环增益。因此，在放大器54的传递函数中，电阻62和二极管63提供一个升降或间断。额外电阻和与电阻60并联的二极管提供额外的间断。例如，电压等于2个二极管压降提供一个间断，该二极管压降由电阻60和串联的电阻64、二极管65、66并联提供。通过选择合适的升降数量和位置，一个分段线性传递函数可以得到纠正的非线性控制电压-电压控制振荡器频率转移函数。
[0046]本发明可根据其描述实行，为了说明起见，本发明的目的不受限制，本发明的权利受权利要求说明书的限制。
【权利要求】
1.一种输出电压范围超过电源电压的放大器，其特征是:放大器具有一个用于接收电源电压的功率输入端和一个用于接收输入信号的信号输入端，该放大器包括DC/DC转换器电路，该电路包括一个耦合到功率输入端的开关电容电荷泵，DC/DC转换器电路提供一个高于电源电压的电压；放大器电路包括在DC/DC转换器电路和信号输出端之间I禹合的输出级，以至于信号输出端的电压超过了功率输入端的电压。
2.根据权利要求1所述的一种输出电压范围超过电源电压的放大器，其特征是:开关电容电荷泵包括一个电压倍增器；DC/DC转换器电路和放大器电路包括一个集成电路；开关电容电荷泵包括集成的电荷转移电容器；放大器电路具有预定的增益来匹配信号输入端的信号范围，信号输入端具有预定电压范围的输出信号；放大器电路的增益是输入信号的预定函数，该函数是非线性函数的分段线性近似值；其中非线性函数近似于电路信号输出端的逆传递函数；该放大器电路还包括跨导放大器电路。
3.根据权利要求2所述的一种输出电压范围超过电源电压的放大器，其特征是:放大器电路进一步包括:在跨导放大器电路的输出端和输入端之间耦合的第一电阻；耦合到跨导放大器电路的输入端的第二电阻，第一和第二电阻的阻值决定跨导放大器电路的增益；耦合到跨导放大器电路输入端的第三电阻；与第三电阻串联耦合的开关，该开关选择性地将第三电阻与第二电阻并联，来响应放大器输入端的电压，以改变放大器的增益，从而来响应放大器输入端的电压。
4.根据权利要求1所述的一种输出电压范围超过电源电压的放大器，其特征是:变容二极管驱动电路具有一个用于接收电源电压的功率输入端和一个用于接收输入信号的信号输入端，该放大器包括DC/DC转换器电路,该电路包括一个稱合到功率输入端的开关电容电荷泵，DC/DC转换器电路提供一个高于功率输入端电压的电压；放大器电路耦合到信号输入端，并且放大器电路的输出级在DC/DC转换器电路和信号输出端之间I禹合,DC/DC转换器给该输出级提供能量，以导致信号输出端的电压超过了功率输入端的电压。
5.根据权利要求4所述的一种输出电压范围超过电源电压的放大器，其特征是:变容二极管驱动电路中的开关电容电荷泵电路包括一个电压倍增器；变容二极管驱动电路中的DC/DC转换器电路和放大器电路包括一个集成电路；变容二极管驱动电路中的开关电容电荷泵包括集成的电荷转移电容器；变容二极管驱动电路中的放大器电路具有预定的增益来匹配信号输入端的信号范围，信号输入端具有预定电压范围的输出信号；变容二极管驱动电路中的放大器电路的增益是输入信号函数；该函数是非线性函数的分段线性近似值；变容二极管驱动电路中的非线性函数近似于电路信号输出端的逆传递函数。
6.根据权利要求1所述的一种输出电压范围超过电源电压的放大器，其特征是:放大信号的方法包括提供用于接收电源电压的电荷泵电路和提供一个高于电源电压的电压；提供用于接收信号的放大器电路，其中该放大器电路包括在电荷泵电路和放大器电路输出端之间耦合的输出级，以至于放大信号的电压范围超过电源电压；提供电荷泵电路的步骤包括提供一个开关电容电荷泵电压倍增器；提供电荷泵电路和放大器电路的步骤包括一个集成电路；提供放大器电路的步骤包括放大器电路具有预定的增益来匹配所需输出信号的电压范围；提供放大器电路的步骤包括放大器电路的增益是预定的信号函数，且该函数是非线性函数的分段线性近似值；其中非线性函数近似于电路信号输出端的逆传递函数。
7.根据权利要求1所述的一种输出电压范围超过电源电压的放大器，其特征是:驱动电路包括一个放大器；用于接收输入电压和给放大器提供电源电压的DC/DC电压转换器；在放大器输出端和输入端之间稱合的第一电阻，来建立一个反馈回路；稱合到放大器输入端的第二电阻，第一和第二电阻的阻值决定放大器的增益；耦合到放大器输入端的第三电阻；与第三电阻串联耦合的第一开关，该开关选择性地将第三电阻与第二电阻并联，来响应放大器输入端的电压，从而改变放大器的增益；其中放大器是一个跨导放大器；其中开关是一个二极管；其中第二电阻的值和第一开关的切换点是预定的，以至于放大器的增益近似于非线性函数；其中驱动电路包括一个集成电路；驱动电路进一步包括耦合到放大器输入端的第四电阻；与第四电阻串联耦合的第二开关，该开关选择性地将第四电阻与第二和第三电阻并联，来响应放大器输入端的电压；其中电压转换器是一个开关电容电压倍增器；其中电压转换器和放大器包括一个集成电路。
8.根据权利要求1所述的一种输出电压范围超过电源电压的放大器，其特征是:驱动高阻抗负载的电路包括一个用于接收第一电压功率的功率输入端；一个用于接收输入信号的信号输入端；一个用于提供输出信号的信号输出端；放大器电路包括一个I禹合到信号输出端的输出级，其中放大器电路具有一个传递函数，该传递函数是一个分段线性函数，近似于输入信号的非线性函数；耦合到功率输入端和输出级的DC/DC电压转换器电路，用于提供高于第一电压的第二电压，以至于信号输出端的电压超过第一电压；DC/DC电压转换器电路和放大器电路包括一个集成电路；DC/DC电压转换器包括一个开关电容电荷泵,集成电路包括一个集成电荷转移电容器；其中非线性函数近似于电路信号输出端的逆传递函数；放大器电路包括跨导放大器电路。
9.根据权利要求1所述的一种输出电压范围超过电源电压的放大器，其特征是:集成电路包括一个用于接收第一电压功率的功率输入端；一个用于接收输入信号的信号输入端；一个用于提供输出信号的信号输出端；放大器电路包括一个I禹合到信号输出端的输出级，来用于提供一个输出信号；开关电容电荷泵包括集`成电荷转移电容器，稱合到功率输入端和输出级的开关电容电荷泵电路，用来提供高于第一电压的第二电压，以至于信号输出端的电压超过第一电压；非线性函数近似于电路信号输出端的逆传递函数；放大器电路包括跨导放大器电路；变容二极管驱动电路中的放大器电路具有预定的增益，该增益是一个非线性函数的分段线性近似值；变容二极管驱动电路中非线性函数近似于电路信号输出端的逆传递函数。
【文档编号】H03L7/099GK103618547SQ201310616672
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年11月27日 优先权日:2013年11月27日
【发明者】李志鹏 申请人:苏州贝克微电子有限公司