可编程的放大器电路的制作方法

【技术领域】

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及可编程的放大器电路。

背景技术：

关于信号处理，传统的机制可能使用传统的交流耦合(ac-coupled)放大器或使用传统的直流耦合(dc-coupled)放大器来用编程好的增益处理输入信号。在实际应用中，传统的交流耦合放大器的输入电容器的电容值很大且通常设置外部印刷电路板上而不设置在所述放大器的集成电路中，因此成本较高。为解决传统的交流耦合放大器的上述问题，传统的直流耦合放大器使用差分电路结构，所述差分电路结构的增益由输入电容和反馈电容确定，由此输入电容可设计得更小。

但是，传统的直流耦合放大器电路具有从所述直流耦合放大器的反馈电阻器流到所述直流耦合放大器的输入端的泄漏电流(leakagecurrent)，由此必然导致所述反馈电阻器的实际电阻下降并变得比用户设计的值小。在用户将电阻的值设计为较大值的应用中，例如，音频信号处理，实际电阻下降将导致更为严重的问题。

技术实现要素：

本发明提供可编程的放大器电路，可提供大的或者较大的反馈电阻。

本发明提供的第一种可编程的放大器电路，可包括：放大器；输入电容器，耦接于所述放大器的输入端，用于接收输入信号；反馈电容器，耦接于所述放大器的输入端和所述放大器的输出端；电压缩放电路，耦接于所述放大器的输入端和所述放大器的输出端之间，用于模拟反馈电阻器元件来减小所述放大器的所述输出端产生的信号的电压幅度，以产生反馈信号至所述放大器的所述输入端。

本发明提供的第二种可编程的放大器电路，可包括：放大器；输入电容器，耦接于所述放大器的输入端，用于接收输入信号；反馈电容器，耦接于所述放大器的所述输入端和所述放大器的输出端；开关电容电阻器电路，耦接于所述放大器的所述输入端和所述放大器的所述输出端之间，用于使用设置在所述放大器的所述输入端和所述放大器的所述输出端之间的至少一个电容器模拟反馈电阻器元件为所述放大器的反馈路径提供电阻，以避免泄漏电流流回所述放大器的所述输入端。

本发明提供的第三种可编程的放大器电路，可包括：差分放大器；第一输入电容器，耦接于所述差分放大器的正输入端，用于接收第一输入信号；第二输入电容器，耦接于所述差分放大器的负输入端，用于接收第二输入信号；第一反馈电容器，耦接于所述差分放大器的所述正输入端和所述差分放大器的负输出端；第二反馈电容器，耦接于所述差分放大器的所述负输入端和所述差分放大器的正输出端；第一开关电容电阻器电路，耦接于所述差分放大器的所述正输入端和所述差分放大器的所述负输出端之间，用于使用设置在所述差分放大器的所述正输入端和所述差分放大器的所述负输出端之间的至少一个电容器模拟第一反馈电阻器元件为所述差分放大器的第一反馈路径提供电阻，以避免泄漏电流流回所述差分放大器的一个输入端；第二开关电容电阻器电路，耦接于所述差分放大器的所述负输入端和所述差分放大器的所述正输出端之间，用于使用设置在所述差分放大器的所述负输入端和所述差分放大器的所述正输出端之间的至少一个电容器模拟第二反馈电阻器元件为所述差分放大器的第二反馈路径提供电阻，以避免泄漏电流流回所述差分放大器的另输入端。

本发明提供的第四种可编程的放大器电路，可包括：差分放大器；第一输入电容器，耦接于所述差分放大器的正输入端，用于接收第一输入信号；第二输入电容器，耦接于所述差分放大器的负输入端，用于接收第二输入信号；第一反馈电容器，耦接于所述差分放大器的正输入端和所述差分放大器的负输出端；第二反馈电容器，耦接于所述差分放大器的负输入端和所述差分放大器的正输出端；第一开关电容电阻器电路，耦接于所述差分放大器的所述负输入端和所述差分放大器的所述负输出端之间，用于使用设置在所述差分放大器的所述正输入端和所述差分放大器的所述负输出端之间的至少一个电容器模拟第一反馈电阻器元件为所述差分放大器的第一反馈路径提供电阻，以避免泄漏电流流回所述差分放大器的一个输入端；第二开关电容电阻器电路，耦接于所述差分放大器的所述正输入端和所述差分放大器的所述正输出端之间，用于使用设置在所述差分放大器的所述负输入端和所述差分放大器的所述正输出端之间的至少一个电阻器模拟第二反馈电容器元件为所述差分放大器的第二反馈路径提供电阻，以避免泄漏电流流回所述差分放大器的另一个输入端。

根据上述描述，本发明提供的可编程的放大器电路使用电压缩放电路或开关电容电阻器电路来模拟放大器(或者差分放大器)的输入端和输出端之间的反馈电阻器元件，由此本发明可提供大的或者较大的反馈电阻。

【附图说明】

本发明可通过阅读随后的细节描述和参考附图所举的实施例被更全面地理解，其中：

图1根据本发明的第一实施例示出放大器电路100。

图2a和图2b为根据本发明的第二实施例的放大器电路200a和200b的示意图。

图3根据本发明的第三实施例示出放大器电路300。

图4根据本发明的第四实施例示出放大器电路400。

图5根据本发明的第五实施例示出放大器电路500。

图6根据本发明的第六实施例示出放大器电路600。

【具体实施方式】

在说明书及后续的权利要求当中使用了某些术语来指称特定的组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名称来称呼同一个组件。本文件并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在接下来的说明书及权利要求中，术语“包含”及“包括”为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限制于”。此外，“耦接”一词在此包含直接及间接的电性连接手段。因此，如果一个装置耦接于另一个装置，则代表该一个装置可直接电性连接于该另一个装置，或通过其它装置或连接手段间接地电性连接至该另一个装置。

不同于传统的开关电容电阻器(switched-capacitorresistor)，本发明的一些实施例中提供一种新型的开关电容电阻器作为放大器的输入端和输出端之间的电阻器元件，以避免所述电阻器元件的实际的电阻受流回所述放大器的输入端的泄漏电流(也即，通道泄漏)的影响。此外在各种改进的实施例中，一个新型的开关电容电阻器与另一个新型的开关电容电阻器串联连接，也即，两级新型的开关电容电阻器，来形成放大器的输入端和输出端之间的反馈路径上的电阻器元件。需要注意的是，在其他实施例中，多余两级的新型的开关电容电阻器可串联连接。此外，可使用电压缩放电路缩小经过所述放大器的反馈路径的信号的幅度，以模拟电阻器元件的功能来产生反馈信号至所述放大器的输出端。新型的开关电容电阻器或者电压缩放电路均可被用来模拟可为所述放大器的反馈回路提供较大或者更大的电阻的电阻器元件。接下来将描述各种实施例。

图1根据本发明的第一实施例示出放大器电路100。放大器电路100包括放大器105、耦接于放大器105的输入端用于接收输入信号vin的输入电容器106、耦接于放大器105的输入端和输出端之间的反馈电容器107、耦接于放大器105的输入端和输出端之间的反馈电路110。放大器电路100为新型的直流耦合可编程增益放大器(programmablegainamplifier，pga)，且放大器电路100的增益由电容器106的电容cin和电容器107的电容cfb确定并可根据不同的电容调整为不同的增益值。放大器105的输出端产生输出信号vout。反馈电路110设置在放大器105的反馈闭合回路上，用于模拟可为所述反馈闭合回路提供较大或者更大的电阻的电阻器元件。反馈电路110可为放大器电路100的系统提供所述较大或更大的电阻，以维持/提高稳定性。可通过下面的等式表示放大器电路100的增益函数h(s):

其中，rfb表示反馈电路110提供的电阻值，而截止频率f-3db由下面的等式确定：

在一些应用领域，例如音频信号处理，可能需要将截止频率f-3db保持为较低或更低的频率。例如，由于音频带宽通常为20hz-20khz，因此，当放大器电路100用于处理音频信号时，其截止频率f-3db需要保持为低于20khz。为了保持截止频率f-3db为较低或更低的频率，作为新型的直流耦合可编程增益放大器的放大器电路100配置为使用反馈电路110作为可提供较大或更大电阻rfb的电阻器元件，因此，不需要增大电容器cfb的电容来保持截止频率f-3db为较低或更低的频率。在一些情形中，电容器cfb的电容可设计得非常小。由此，可降低电路成本。

需要注意的是，保持截止频率f-3db为较低或更低的频率仅用于解释将放大器电路100用于音频信号处理领域时，放大器电路100可提供的优点中的其中一个，其并不表示对本发明的限定。

特别地，反馈电路110包括新型的开关电容电阻器电路1101和电压缩放电路1102。开关电容电阻器电路1101使用设置在放大器105的输入端和输出端之间的至少一个电容值模拟反馈电阻器元件来为放大器105的反馈路径提供电阻，以避免泄漏电流流回放大器105的输入端。开关电容电阻器电路1101包括存储器模块1101a和反相电路1104。存储器模块1101a包括开关p1-p4和具有电容cs的电容器1103，用于信号隔离以避免通道泄漏电流。开关电容电阻器电路1101作用为可提供较大或更大电阻rfb’的新型的开关电容电阻器，并进一步用于为它的输入端和输出端提供信号通道隔离功能，以避免通道泄漏电流。电压缩放电路115耦接于开关电容电阻器电路1101的一端，用于缩小放大器105的输出端的信号vout的幅度，以产生信号vout/m至开关电容电阻器电路1101，来模拟电阻器元件的功能来提供电阻。反馈电路110提供的电阻rfb由开关电容电阻器电路1101的电阻和与开关电容电阻器电路1101串联的电压缩放电路1102所提供的电阻确定。

开关电容电阻器电路1101包括单级的新型的开关电容电阻器，也即，模块1101a，模块1101a包括开关p1-p4以及电容器1103。开关p1-p4的闭合(on)/断开(off)状态由频率为fclk的时钟频率信号控制。在一些应用领域，例如音频信号处理，由于音频信号的频率带宽几乎位于20hz-20khz的范围，因此频率fclk设置为大于频率20khz的两倍，以避免信号混叠。但这并不表示对本发明的限定。

当开关p1和p2同时闭合，开关p3和p4同时断开。相反，当开关p1和p2同时断开，开关p3和p4同时闭合。例如，当时钟频率信号处于上升沿，开关p1和p2闭合，开关p3和p4断开。电容器1103的第一端耦接于放大器105的输入端的电压信号，电容器1103的第二端耦接于参考电平vcm1，参考电平vcm1可为接地电平。当时钟频率信号处于所述上升沿之后的下降沿，开关p1和p2断开，开关p3和p4闭合。电容器1103的第一端立即从放大器105的输入端的电压信号断开并耦接至参考电平vcm2，参考电平vcm1和vcm2可相同或者不同。此外，电容器的第二端立即从参考电平vcm1断开并通过反相电路1104耦接于电压缩放电路1102的输出端。反相电路1104在它的输入端接收电压缩放电路1102的输出信号vout/m来产生与信号vout/m反相的信号。需要注意的是，上述提及的通过上升沿和下降沿控制每个开关的状态仅是便于说明的举例，并不表示对本发明的限定。

由于电容器1103可作为信号隔离来避免放大器105的输出端和输入端之间的直接的反馈电路路径，开关电容电阻器1101可在不导致通道泄漏电流的情形下等效地提供电阻值。可通过下面的等式确定开关电容电阻器电路1101提供的电阻rfb’：

其中，cs表示电容器1103的电容，fclk表示时钟频率信号的频率。由于电容器1103的操作，在放大器105的输入端和输出端之间不存在直接的信号路径，因此，没有通道泄漏电路流至放大器105的输入端。

电压缩放电路1102用于缩小放大器105的输出端的信号的幅度vout来产生具有电压幅度vout/m(也即，最初的幅度vout的m分之一)的反馈信号至开关电容电阻器电路1101。由于电压缩放电路102缩小电压幅度vout，因此，电压缩放电路1102等效作用为电阻器电路。

因此，基于开关电容电阻器电路1101和电压缩放电路1102的操作，反馈电路110可提供较大或更大的电阻值rfb。值得注意的是，如果希望使用更低的电路成本实施电路110，可省略开关电容电阻器1101或电压缩放电路1102中的任一个。也即，在其他实施例中，反馈电路110可包括开关电容电阻器1101而不包括电压缩放电路1102；开关电容电阻器1101的一端直接连接至放大器105的输出端。或者，反馈电路110可包括电压缩放电路1102而不包括开关电容电阻器1101；电压缩放电路1102的一端直接连接至放大器105的输入端。这些变形同样可提供较大的电阻并属于本发明的保护范围。此外，在其他实施例中，模块1101a和反相电路1104的位置可互换。也即，反相电路1104可耦接于存储器模块1101a和放大器105的输入端之间。

需要注意的是，反馈电路110的结构可用于差分放大器中。例如，两个分别具有反馈电路110的结构的反馈电路可分别放置在差分放大器的不同反馈路径上来获得前述的功能和优点。

此外，在其他实施例中，可使用多个存储器模块。例如，另一级新型的开关电容电阻器可与开关p1-p4以及电容器1103一起使用来形成串联结构的新型的开关电容电阻器(也即，两级新型的开关电容电阻器)，而不再需要反相电路1104。

图2a和图2b为根据本发明的第二实施例的放大器电路200a和200b的示意图。开关电容电阻器电路1101包括串联结构的多个新型的开关电容电阻器。开关电容电阻器电路1101包括串联连接的多个存储器模块1101a来形成所述串联结构。图2a示出串联连接的两个存储器模块。图2b示出串联连接的大于两个的存储器模块。

如图2a所示，开关电容电阻器电路1101包括串联连接的两个存储器模块1101a和1101b，其中，存储器模块1101a包括开关p1-p4以及电容器1103a，存储器模块1101b包括开关p1’-p4’以及电容器1103b。开关p1-p4以及开关p1’-p4’的闭合/断开状态由频率为fclk的时钟频率信号控制。当开关p1和p2同时闭合，开关p3和p4同时断开。相反，当开关p1和p2同时断开，开关p3和p4同时闭合。当开关p1’和p2’同时闭合，开关p3’和p4’同时断开。相反，当开关p1’和p2’同时断开，开关p3’和p4’同时闭合。

例如，当时钟频率信号处于上升沿，开关p1和p2闭合，开关p3和p4断开。电容器1103a的第一端耦接于放大器105的输入端，电容器1103a的第二端耦接于参考电平vcm1。当时钟频率信号处于所述上升沿之后的下降沿，开关p1和p2断开，开关p3和p4闭合。电容器1103a的第一端立即从放大器105的输入端断开并耦接至参考电平vcm2。此外，电容器1103a的第二端立即从参考电平vcm1断开并耦接于开关p4和p2’之间的中间节点。当所述时钟频率信号处于所述下降沿之后的另一个上升沿，开关p1’和p2’闭合，开关p3和p4断开。电容器1103b的第一端耦接于参考电平vcm2，电容器1103b的第二端耦接于开关p4和p2’之间的中间节点。当时钟频率信号处于所述另一个上升沿之后的另一个下降沿，开关p1’和p2’断开，开关p3’和p4’闭合。电容器1103b的第一端立即从参考电平vcm2断开并耦接至电压缩放电路1102的一端。此外，电容器1103b的第二端立即从开关p4和p2’之间的中间节点断开并耦接至参考电平vcm3。因此，通过具有两级新型的开关电容电阻器的串联结构，本实施例可在不使用反相电路的情形下有效地避免通道泄漏电流。需要注意的是，参考电平vcm1、vcm2、vcm3可相同或者不同。此外，上述提及的通过上升沿和下降沿控制每个开关的状态仅是便于说明的举例，并不表示对本发明的限定。

进一步，在其他实施例中，新型的开关电容电阻器和电压缩放电路形成的串联结构可用于差分放大器中。图3根据本发明的第三实施例示出放大器电路300。放大器电路300包括差分放大器305、包括电容cinp的输入电容器306p和包括电容cinn的输入电容器306n、包括电容cfbp的反馈电容器307p和包括电容cfbn的反馈电容器307n、以及反馈电路310。其中，反馈电路310包括电压缩放电路3102(包括阻抗电路z1-z4)和开关电容电阻器电路3101p和3101n，其中，开关电容电阻器电路3101p和3101n中的每一个包括多个新型的开关电容电阻器形成的串联结构。如图3所示，输入电容器306p连接在差分输入信号vinp和放大器305的正输入端之间，输入电容器306n连接在差分输入信号vinn和放大器305的负输入端之间，反馈电容器307p连接在放大器305的正输入端和负输出端之间，反馈电容器307n连接在放大器305的负输入端和正输出端之间。

开关电容电阻器电路3101p用于通过使用至少一个设置的电容器来模拟第一反馈电阻器元件为差分放大器305的第一反馈路径提供电阻，以避免通道泄漏电流流回差分放大器305的一个输入端。开关电容电感器电路3101n用于通过使用至少一个电容器来模拟第二反馈电阻器元件为差分放大器305的第二反馈路径提供电阻，以避免通道泄漏电流流回差分放大器305的另一个输入端。开关电容电阻器3101p包括两个存储器模块1101a和1101b形成的串联结构，开关电容电阻器电路3101n包括两个存储器模块1101c和1101d形成的串联结构。每一个存储器模块根据存储器模块如图1所示的1101a的结构实施。为简化起见，将不详细进行描述。

电压缩放电路3102包括阻抗单元z1-z4，阻抗单元z1-z4可为电阻器和/或其他阻抗电路。阻抗单元z1耦接于放大器305的负输出端voutn和存储器模块1101b的一端之间，阻抗单元z2耦接于存储器模块1101b的一端和参考电平vcm7(例如，普通模式电压)之间。此外，阻抗单元z3耦接于放大器305的正输出端voutp和存储器模块1101d的一端之间，阻抗单元z4耦接于存储器模块1101d的一端和参考电平vcm7之间。通过阻抗单元z1和z2，voutn上的输出信号的电压幅度可被缩小。通过阻抗单元z3和z4，voutp上的输出信号的电压幅度可被缩小。电压缩放电路3102可等效地提供电阻器功能。需要注意的是，电压缩放电路3102的阻抗仅用于举例，并不表示对本发明进行限定。

进一步，单级的新型的开关电容电阻器结构可用于差分放大器。图4根据本发明的第四实施例示出放大器电路400。放大器电路400包括差分放大器305、包括电容cinp的输入电容器306p和包括电容cinn的输入电容器306n、包括电容cfbp的反馈电容器307p和包括电容cfbn的反馈电容器307n、以及反馈电路410。其中，反馈电路410包括电压缩放电路3102(包括阻抗单元z1-z4)和开关电容电阻器电路4101p和4101n，其中，开关电容电阻器电路4101p和4101n中的每一个具有单级的新型的开关电容电阻器。开关电容电阻器电路4101p包括单个存储器模块1101a，开关电容电阻器电路4101n包括单个存储器模块1101c。如图4所示，开关电容电阻器电路4101p的输入端和电容器307p的输入端耦接于放大器305的负输入端，开关电容电阻器电路4101n的输入端和电容器307n的输入端耦接于放大器305的正输入端，不需要反相电路1104。

此外，在其他实施例中，可使用一组开关和相应的可编程电容器阵列实现位于所述放大器的输入端和输出端的反馈电容器，以避免在反馈电容器的路径上产生泄漏电流并使所述反馈电容器的电容可编程。图5根据本发明的第五实施例示出放大器电路500。放大器电路500包括差分放大器305、输入电容器306p和306n、反馈电路410、反馈电容器507p和507n。反馈电容器507p包括多个开关s1-sn和电容器阵列(包括多个电容器cp1-cpn)。反馈电容器507n包括多个开关s1’-sn’和电容器阵列(包括多个电容器cn1-cnn)。开关s1-sn和s1’-sn’为用户可选的开关。例如，用户可选择路径s1，s1’和相应的电容器cp1，cn1，以闭合开关s1，s1’并断开其他开关，以便使反馈电容器507p和507n的电容分别作为cp1和cn1。

此外，在其他实施例中，新型的开关电容电阻器的串联结构和一组开关及其相应的可编程电容器阵列可同时用于差分放大器。图6根据本发明的第六实施例示出放大器电路600。放大器电路600包括差分放大器305、输入电容器306p和306n以及反馈电路。其中，所述反馈电路包括新型的开关电容电阻器形成的串联结构以及一对反馈电容器，所述一对反馈电容器中的每一个通过一组开关和相应的可编程电容器阵列实现。图6中的电路元件的功能和操作与图3和图5中的相应的电路元件的功能和操作类似，为了简化将不进行详细描述。

权利要求书中用以修饰元件的“第一”、“第二”等序数词的使用本身未暗示任何优先权、优先次序、各元件之间的先后次序、或所执行方法的时间次序，而仅用作标识来区分具有相同名称(具有不同序数词)的不同元件。

本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。