运算放大器及其操作方法
【专利摘要】本发明提供的运算放大器包含一偏压电流侦测电路，用以监测流入该运算放大器的输出级的偏压电流。当该偏压电流侦测电路判定有过多的电流被浪费，便会降低该偏压电流。相对地，当该偏压电流侦测电路判定输出级中的偏压电流不足，便会提高该偏压电流。于一实施例中，该偏压电流侦测电路的输出包含一电流过高信号与一电流过低信号，并且这些信号被提供至一状态机。该状态机以一步阶方式调整该偏压电流的电流量。
【专利说明】运算放大器及其操作方法
【技术领域】
[0001] 本发明与运算放大器相关，并且尤其与适性调整运算放大器的偏压以减少耗电量 的技术相关。
【背景技术】
[0002] 运算放大器是一种应用广泛且极为重要的电路组件，其功能之一为放大模拟输入 信号，以驱动连接至运算放大器输出端的负载。传统的A类运算放大器系利用特定的晶体 管提供偏压电流。这些晶体管的控制端被耦接至固定偏压，所提供的偏压电流因而为定值。
[0003] 传统的运算放大器被适当地安装并供以电力后，其中的偏压电流组件会持续消耗 电力。实务上，运算放大器的工作周期可能不是1〇〇%。举例而言，若无信号输入时，运算放 大器便不处于工作模式，亦无须驱动其负载。然而，即使当运算放大器不处于工作模式，其 中用以提供固定偏压电流的晶体管仍然会持续消耗电力，造成不必要的浪费。
[0004] 上述问题对无线设备（例如电池能量有限的移动电话）而言尤其困扰。当运算放 大器被用于无线接收器的前端电路时，接收器通常会被期待能具有较大的信号处理动态范 围。对于典型A类运算放大器来说，增加输入信号的处理动态范围需要相当高的直流偏压 电流。于一特定无线频带中，可能会出现邻近于目标信号的干扰信号。实际上，干扰信号可 能是间歇出现，而非持续存在。即使干扰信号消失，接收器中的运算放大器依旧必须维持其 大动态范围，其中的偏压电流形同浪费，也造成电力的无谓消耗。
[0005] 虽然AB类运算放大器使用低直流偏压电流便能提供高输出电流，但这种放大器 的线性度不佳，尤其在出现较大干扰信号时。因此，存在着对于改良后A类运算放大器的需 求，期待减少被浪费的偏压电流。
【发明内容】
[0006] 为达成上述目标，本发明的一实施例中的运算放大器包含一偏压电流侦测电路， 用以镜像复制或监控流入该运算放大器的输出级的偏压电流。当偏压电流侦测电路侦测到 有太多的电流被浪费，例如流入接地端，偏压电流的供应量即被降低。相似地，当偏压电流 侦测电路侦测到偏压电流的供应量不足时，偏压电流的供应量即被提高。于一实施例中，偏 压电流侦测电路的输出信号指出偏压电流过高或过低，且该输出信号被传递至一状态机。 该状态机系用以逐步调整提供至运算放大器的输出级的偏压电流供应量。
【专利附图】
【附图说明】
[0007] 图1为可配合本发明概念的一差动运算放大器及其外围电路的功能方块图。
[0008] 图2为一功能方块图，呈现根据本发明的一实施例中的运算放大器、偏压电流侦 测电路，与用以控制偏压电流的状态机。
[0009] 图3呈现可应用于本发明的实施例中的一种状态机范例。
[0010] 图4(A)?图4(C)呈现根据本发明的一实施例中的输出级偏压电流、偏压电流侦 测电路输出信号，及运算放大器输出电压的相对关系。
[0011] 图5为根据本发明的一实施例中的偏压电流控制程序的流程图。
【具体实施方式】
[0012] 以下各实施例及其相关图式可充分说明本申请案的发明概念。各图式中相似的组 件编号系对应于相似的功能或组件。须说明的是，此处所谓本发明一辞系用以指称该等实 施例所呈现的发明概念，但其涵盖范畴并未受限于该等实施例本身。
[0013] 此外，本揭露书中的数学表示式系用以说明与本发明的实施例相关的原理和逻 辑，除非有特别指明的情况，否则不对本发明的范畴构成限制。本发明所属【技术领域】中具有 通常知识者可理解，有多种技术可实现该等数学式所对应的物理表现形式。
[0014] 以下介绍的各个功能方块图主要系用以说明信号的相对关系，并非用以限制实现 本发明的概念时的电路连接关系。各功能方块间的互动亦不一定要透过直接的电路连接始 能达成。此外，该等功能方块提供的功能于实际应用中可被整合或分散，不以图中呈现的区 分方式为限。
[0015] 图1为可实现本发明概念的一差动运算放大器及其外围电路的功能方块图。更明 确地说，图1系绘示做为范例的一接收器前端电路100,其中包含低噪声放大器（LNA) 105、 混波器108、本地振荡器110、运算放大器（0ΡΑΜΡ) 200、回授电路120、122 (包含电阻和电 容）。差动输出节点150U52可连接至一后端负载160。运算放大器200连接至一电源电 压VDD与一接地端GND。
[0016] 在一般运作中，前端电路100可透过低噪声放大器105的输入端接收差动信号，并 利用混波器108将输入信号与本地振荡信号混合，产生基频差动信号。该基频差动信号被 运算放大器200放大，以配合负载160。
[0017] 如先前所述，除了期望的特定信号（例如信号170)之外，前端电路100亦可能会 收到干扰信号（例如信号175)。干扰信号175的振幅可能高于目标信号170的振幅。实际 上，干扰信号175可能不是持续出现，而是间歇性的及/或具有一低工作周期。然而，无论 干扰信号175的出现频率为何，运算放大器200都被期望在不截断其输出信号的情况下能 处理振幅较大的干扰信号175,如此能让后端电路能有效解调接收的信号成分。为了避免从 运算放大器200输出的信号的振幅被截断，运算放大器200必须供应足够大的偏压电流，以 对付干扰信号175。然而，当干扰信号175不存在时，此「额外的」偏压电流将流入接地端， 形同浪费。
[0018] 图2为一功能方块图，呈现根据本发明的一实施例中的运算放大器、偏压电流侦 测电路，与用以控制偏压电流的状态机。在图2中，运算放大器200为一差动运算放大器。 然而，本发明所属【技术领域】中具有通常知识者可理解，本发明的范畴不限于差动装置。
[0019] 运算放大器200的正输入节点（Inp)与负输入节点（Inn)分别连接至晶体管Ml、 M2的栅极。此范例中的晶体管可为金氧半导体场效晶体管，但本发明的范畴不以此为限。 晶体管Ml、M2由自电源电压VDD流出的偏压电流源206供电。如定电流源208、210所示， 偏压电流206分流至晶体管M1、M2。上述组件可被视为运算放大器200的输入级。
[0020] 运算放大器200的正输出节点（Outp)与负输出节点（Outn)分别连接至晶体管 M3、M4的汲极。晶体管M3、M4的栅极分别受正驱动信号（Vdrp)和负驱动信号（Vdrn)控 制。晶体管M3、M4接收定电流源240a、240b(统称偏压电流产生器240)供应的偏压电流 (Ioutbis)。上述组件可被视为运算放大器200的输出级。如图2所示，透过连结250,偏压 电流产生器240受到状态机280的控制。
[0021] 运算放大器200进一步包含一偏压电流侦测电路270。偏压电流侦测电路270系 用以监控流经输出晶体管M3、M4的电流量，其做法为镜像复制晶体管M3、M4的电流。如图 2所示，晶体管M3、M4的栅极的驱动信号Vdrp、Vdrn亦为偏压电流侦测电路270中的晶体 管M5、M6的栅极控制信号。于一实施例中，上述镜像复制可具有一特定比例关系。举例而 言，偏压电流侦测电路270可被设计为令流经晶体管M5、M6的电流量为任何时候流经晶体 管M3、M4的电流量的十分之一。达成上述比例关系的实施方式有好几种。举例而言，晶体管 M5、M6的通道尺寸可被设计为晶体管M3、M4的通道尺寸的十分之一。或者，驱动信号Vdrp、 Vdrn可被一分压电路（未绘示）缩小为十分之一。再或者，定电流源276、278(容后详述） 提供的电流可为偏压电流产生器240的电流的十分之一。本发明所属【技术领域】中具有通常 知识者可理解，实务上有许多种镜像复制电流的做法，皆不脱离本发明的范畴。
[0022] 如图2所示，愈多偏压电流如箭号Isink所标示流入接地端，愈少电流自输出节点 Outp、Outn流出，被浪费的偏压电流量愈高。相对地，愈少偏压电流流入接地端，被浪费的 偏压电流量愈低。由于偏压电流侦测电路270所监控的电流直接与输出节点相关，偏压电 流侦测电路270能正确地判断提供至运算放大器200的输出级的偏压电流为超量或短缺。
[0023] 偏压电流侦测电路270透过反相施密特触发器（inverting Schmitt trigger) 282、283分别输出一电流过低信号CL与一电流过高信号CH。以定电流源276、278 做为低偏压电流门槛与高偏压电流门榲，施密特触发器282、283的输出信号代表了流经输 出晶体管M3、M4的电流是否分别高于或低于定电流源276、278构成的电流门槛。
[0024] 首先考虑偏压电流产生器240提供的输出级偏压电流过高的情况。这表示有过量 的偏压电流流入运算放大器200的输出级且该过量电流至少有一部分透过晶体管M3流入 接地端。透过驱动电压Vdrp，流经晶体管M3的电流被镜像复制至晶体管M6。在已知驱动 电压Vdrp的大小的情况下,一已知的电流量自输出节点Outp输出。驱动电压Vdrp变低会 使得晶体管M6的导通量下降，造成施密特触发器283的输入为高电压准位，因而使得施密 特触发器283的输出信号CH为低电压准位。当输出级偏压电流过高（相对于Ithh)，信号 CH具有低电压准位。若考虑极端状况，当晶体管Ml所接收的输入信号Inp具有高准位，晶 体管Ml被导通，驱动电压Vdrp = 0,晶体管M3、M6被关闭，而施密特触发器283的输入信 号被定电流源278拉高，信号CH因而具有低电压准位。
[0025] 接着考虑偏压电流产生器240提供的输出级偏压电流过低（相对于Ithl)的情 况。这表示流入运算放大器200的输出级的偏压电流量不足，亦即输出级提供给输出节点 的偏压电流不足。流经晶体管M3的偏压电流量不足的情况会透过驱动电压Vdrp反应在晶 体管M6。更明确地说，驱动电压Vdrp较高时，晶体管M6会将较多定电流源278提供的电流 递送至接地端。因此，施密特触发器283的输入为低电压准位，造成施密特触发器283产生 高准位输出。也就是说，当输出级偏压电流被认为过低，信号CH会具有高电压准位。
[0026] 本发明所属【技术领域】中具有通常知识者可理解，以上分析亦适用于运算放大器 200的输出级负端和流经晶体管M5的低门槛电流Ithl。更明确地说，当流经晶体管M4的 偏压电流太多，会令驱动电压Vdrn下降，定电流源276提供定电流给晶体管M5,但是晶体 管M5导通的的电流会减少，导致施密特触发器282的输入为高电压准位，进而使施密特触 发器282的输出为低电压准位。相对地，当流经晶体管M4的偏压电流太少，会令驱动电压 Vdrn上升，定电流源276所提供并透过晶体管M5导通的的电流会增加，导致施密特触发器 282的输入为低电压准位，进而使施密特触发器282的输出具有高电压准位。
[0027] 根据以上说明，本发明所属【技术领域】中具有通常知识者可理解当流入运算放大器 200的输出级的偏压电流过高，信号CH、CL都会具有低电压准位。当流入运算放大器200的 输出级的偏压电流过低，信号CH、CL皆具有高电压准位。也就是说，当晶体管M5、M6侦测到 的驱动电压Vdrn、Vdrp使得定电流源276、278所提供的电流中有更多电流透过晶体管M5、 M6流入接地端，施密特触发器282、283的输入会变为低电压准位，导致其输出为高电压准 位，反之亦然。
[0028] 当信号CH和CL不相同时，偏压电流量被视为足够，亦即对运算放大器200目前的 运作状态而言电流量不高也不低。
[0029] 如上所述，偏压电流侦测电路270输出的信号CH和CL被提供至状态机280 (可利 用硬件及/或软件实现）。图3呈现可应用于本发明的实施例中的一种状态机范例。在这 个范例中，偏压电流产生器240可供应四种不连续的偏压电流量，由低至高依序为：电流A、 电流B、电流C、电流D。假设偏压电流产生器被预设为于运算放大器200启动时供应电流 B。若随后发现过多的偏压电流流入输出级且被浪费掉，偏压电流侦测电路270将输出具有 低电压准位的信号CH和CL，因此，状态机280的状态会改变为对应于电流A，如图3所示。 若随后在电流A状态中，流入输出级的偏压电流被判定为太少，则信号CH和CL将皆为高电 压准位，使状态机的状态切换回电流B。
[0030] 当适量的偏压电流流入运算放大器200的输出级，CH和CL将具有不同的信号准 位。在这个情况下，如图3所示，状态机280的状态不会改变。
[0031] 在图3呈现的范例中，状态机280采用四种大小不同的偏压电流。于实际应用中， 状态机280提供的状态数量可以更多也可以更少。举例而言，一个具有八种状态的状态机 可用以产生一个三位信号（多位字multi-bit word)，自000至111总共对应八种状态。此 三位信号能透过链接250被提供至偏压电流产生器240,用以指出供应至运算放大器200的 输出级的偏压电流量。
[0032] 请参阅图4(A)?图4(C)。图4(A)为输出级偏压电流相对于时间的关系图。四个 长度各为1毫秒的时间区段被标示为区域⑴?（4)。图4(B)和图4(C)皆采用相同的时 间尺度，分别绘示偏压电流侦测电路270提供的信号CH、CL以及运算放大器200的输出电 压。如图4(B)?（C)中所示，时间轴被画分为⑴?（4)四个区域。
[0033] 在图4(A)的区域（1)中，输出级偏压电流相对较少。因此，如图4(B)所示，信号 CH、CL皆具有高电压准位。此外，由于提供至运算放大器200的输出级的偏压电流不足，区 域（1)中的输出电压的顶部和底部略为失真。也就是说，输出级无法响应输入信号，相对应 提供足够的输出电流。由于信号CH、CL皆具有高电压准位，偏压电流被逐步增加，如图4 (A) 中的区域（2)所示。如图4(C)的区域（2)所示，运算放大器200的输出电压变为对称的。 然而，由于尚未达到偏压电流侦测电路270设定的电流门榲，信号CH、CL皆保持在高电压准 位，亦即表示运算放大器200的输出级需要更多偏压电流。
[0034] 图4(A)的区域（3)显示仍有更多的偏压电流被供应。图4(C)的区域（3)显示出 偏压电流不再过低（或过高），因信号CL已转变为低电压准位而信号CH保持在高电压准位 (后者表示偏压电流并未过高）。图4(C)的区域（3)中的输出电压保持稳定。
[0035] 随后，在图4(B)的区域（4)中，可看出信号CH和CL皆具有低电压准位，表示就维 持驱动电压Vdrp、Vdrn的振幅所需要的电流量而言，输出级偏压电流过高，如图4⑷的区 域（4)所示。图4(C)的区域（4)中的输出电压保持稳定。然而，根据偏压电流侦测电路 270设定的门槛电流，输出级偏压电流被判定为过高且应被降低。
[0036] 图5为根据本发明的另一实施例中的偏压电流控制程序500的流程图。步骤510 为侦测运算放大器的输出级中流入接地端的偏压电流。步骤512为比较侦测到的偏压电流 与预设的低电流门槛、高电流门槛。步骤514为提供一控制信号至一状态机。该控制信号 的产生依据为该侦测到的偏压电流是否高于或低于预设的低电流门槛、高电流门槛。步骤 516为根据该控制信号控制一偏压电流产生电路提供相同、更多或更少的偏压电流至运算 放大器的输出级。
[0037] 利用程序500,能使A类运算放大器的偏压电流更有效率地被使用。也就是说，上 述方法能监控运算放大器的输出级中被浪费的偏压电流，并根据实际需要实时动态调整偏 压电流的大小。
[0038] 于另一不使用电流镜的实施例中，一个非常小的阻抗（未绘示）被串接设置在运 算放大器的输出节点与接地端之间。流向接地端的电流量因此可以电压的形态被直接侦 测。该电压可被提供至状态机280。
[0039] 综上所述，本发明提供的A类运算放大器具有一输入级、一偏压电流产生器、一输 出级。该输入级具有至少一输入节点。该输出级具有至少一输出节点，用以响应于该至少 一输入节点上的输入信号而产生一输出信号。该输出节点自该偏压电流产生器接收一偏压 电流。一偏压电流侦测电路被用以侦测流入该输出级的偏压电流量是否高于或低于一预设 门槛，并据此控制偏压电流产生器改变该输出级的偏压电流供应量。
[0040] 根据本发明的另一实施例为一种运算放大器操作方法，包含下列步骤：侦测运算 放大器的输出级中流入接地端的偏压电流；比较侦测到的偏压电流与预设的低电流门槛、 高电流门槛；提供控制信号至一状态机。该控制信号的产生依据为侦测到的偏压电流是否 高于或低于预设的低电流门槛、高电流门槛。根据该控制信号，该状态机决定提供至运算放 大器的输出级的偏压电流量应相同、较多或较少。
[0041] 虽然本发明的概念以利用硬件实现为宜，但亦可适当结合固件及/或软件。用以 实现本发明概念的处理器指令可被编码并储存于非瞬时计算机可读取媒体内，并且不受限 于处理平台的类型，亦不受限于将该等处理器指令存入计算机可读取媒体的编码方式。 [0042] 须说明的是，上述计算机可读取媒体可为任何一种非瞬时媒体，储存有能被处理 器读取、解码并执行图5所示的程序500的处理器指令。非瞬时媒体包含电子、磁性及光 学储存装置。非瞬时计算机可读取媒体包含但不限于：只读存储器（ROM)、随机存取存储器 (RAM)和其他电子储存装置、⑶-ROM、DVD和其他光学储存装置、磁带、软盘、硬盘及其他磁 性储存装置。该等处理器指令可利用各种程序语言实现本发明。
[0043] 藉由以上较佳具体实施例的详述，系希望能更加清楚描述本发明的特征与精神， 而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希 望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。
【权利要求】
1. 一种运算放大器，包含： 输入级，具有用以接收输入信号的至少一输入节点； 偏压电流产生器，用以产生偏压电流； 输出级，具有至少一输出节点，响应于该至少一输入节点所接收的该输入信号，输出信 号，并且自该偏压电流产生器接收该偏压电流；以及 偏压电流侦测电路，用以侦测该偏压电流的电流量，并产生该电流量与预设门槛的比 较结果，并且根据该比较结果控制该偏压电流产生器产生该偏压电流。
2. 如权利要求1所述的运算放大器，其特征在于，进一步包含状态机，用以自该偏压电 流侦测电路接收输入，并提供控制信号至该偏压电流产生器。
3. 如权利要求2所述的运算放大器，其特征在于，该状态机提供多位字至该偏压电流 产生器。
4. 如权利要求1所述的运算放大器，其特征在于，该偏压电流侦测电路包含电路，用以 镜像复制该偏压电流。
5. 如权利要求4所述的运算放大器，其特征在于，该偏压电流侦测电路系透过位于该 至少一输出节点与接地端间的节点侦测该偏压电流。
6. 如权利要求1所述的运算放大器，其特征在于，该偏压电流侦测电路包含施密特触 发器，用以产生该偏压电流侦测电路的输出。
7. 如权利要求1所述的运算放大器，其特征在于，该偏压电流侦测电路系用以侦测流 入该输出级的正分支与负分支的该等电流量是否分别高于或低于个别的多个预设门槛，并 根据该等电流量是否分别高于或低于该等预设门槛来控制该偏压电流产生器产生该偏压 电流。
8. 如权利要求1所述的运算放大器，其特征在于，该偏压电流产生器能被控制为依据 多个预设等级改变该电流量。
9. 如权利要求1所述的运算放大器，其特征在于，该运算放大器被操作为A类运算放大 器。
10. -种运算放大器操作方法，包含： 侦测运算放大器的输出级中流入接地端的偏压电流； 比较侦测到的该偏压电流与预设的高电流门槛及低电流门槛； 提供多个控制信号至状态机，其中该多个控制信号系根据侦测到的该偏压电流是否高 于或低于该高电流门槛以及高于或低于该低电流门槛而产生；以及 根据输入至该状态机的该多个控制信号，控制输入至该运算放大器的输出级的该偏压 电流的电流量。
11. 如权利要求10所述的操作方法，其特征在于，控制该电流量包含依序并逐步增加 或减少该电流量。
12. 如权利要求10所述的操作方法，其特征在于，进一步包含：产生多位字，以表示输 入至该运算放大器的输出级的该偏压电流的该电流量。
13. 如权利要求10所述的操作方法，其特征在于，侦测该偏压电流包含镜像复制该输 出级中的该偏压电流。
14. 如权利要求13所述的操作方法，其特征在于，侦测该偏压电流包含于节点镜像复 制该偏压电流，该节点位于该运算放大器的输出节点与接地端间。
15. 如权利要求10所述的操作方法，其特征在于，提供控制信号包含透过施密特触发 器提供该控制信号。
16. 如权利要求10所述的操作方法，其特征在于，该运算放大器为差动放大器。
17. 如权利要求10所述的操作方法，其特征在于，进一步包含：侦测流入该输出级的正 分支与负分支的该等电流量是否分别高于或低于个别的多个预设门槛，并根据该等电流量 是否分别高于或低于该等预设门槛来控制该偏压电流产生器产生该偏压电流。
18. 如权利要求10所述的操作方法，其特征在于，进一步包含：依据多个预设等级改变 该电流量。
19. 如权利要求10所述的操作方法，其特征在于，进一步包含：将该运算放大器操作为 A类运算放大器。
【文档编号】H03F3/45GK104143962SQ201410182564
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年4月30日 优先权日:2013年4月30日
【发明者】生力伟 申请人:晨星半导体股份有限公司