提升差动放大器增益的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种差动放大器电路，且特别涉及一种具有增益提升特性的差动放大器电路。
【背景技术】
[0002]本案所属技术领域中具有通常知识者均能理解本案揭露内容中关于微电子学的用语及相关基本概念，例如“差动放大器”、“正反馈”、“负反馈”、“阻抗”、“增益”、“DC(直流)增益”、“互导”、“输出电阻”、“寄生电容”及“寄生电阻”。这些用语及基本概念均为已知技术文件例如教科书“模拟CMOS集成电路设计”(作者为贝赫-拉扎维；麦格罗-希尔出版；ISBN0-07-118839-8)等所惯用，故于此将不再详细解释说明。
[0003]差动放大器接收包含第一端和第二端的输入信号并输出包含第一端和第二端的输出信号，因此，藉由设定一增益因子(gain factor)可使第一端和第二端的输出信号的差值大于第一端和第二端的输入信号的差值。差动放大器通常需要一高的增益值，然而高增益值并不容易获得。泽勒等人揭露一种提升差动放大器增益的方法(揭示于IEEE固态电路期刊，第 49 册，N0.7，2014 年 7 月；刊名为“A 0.039mm2inverter-based 1.82mff68.6dB-SNDR 10MHz-Bff CT-Σ Δ-ADC in 65nm CMOS”)。然而，泽勒等人的方法系使用交叉耦接闩锁器(cross-coupled latch)来提升增益，如此容易消耗功率并引致噪声，且如上述论文中之说明，该噪声量约等于由差动放大器的一个馈入网络(feed-1n network)所产生的噪声量。
[0004]因此，亟需一种不会额外消耗功率且不会引致过多噪声的差动放大器增益提升电路及增益提升方法。
【发明内容】
[0005]本发明之一目的在于利用一正反馈增益提升网络改善差动放大器电路于低频区间由于直流增益不足而导致的不佳的频率响应。本发明之另一目的在于设置由电路输入端至输出端的直接前馈信号线，改善差动放大器电路于高频区间由于直接馈通信号从电路输入端向输出端传递导致的不佳频率响应问题。
[0006]本发明的一实施例提供一种装置，包含:一馈入网络，耦接一输入信号至一中间信号；一放大器，以一增益因子放大该中间信号藉以输出一输出信号到一负载网络；一反馈网络，配置成一负反馈拓扑并耦接该输出信号至该中间信号；以及一增益提升网络，配置成一正反馈拓扑并耦接该输出信号至该中间信号，其中该增益提升网络的阻抗约等于该馈入网络和该反馈网络两者并联后的阻抗值乘上将该增益因子减1后的值。于另一实施例中，还包含一前馈网络将输入信号耦接至输出信号，其中前馈网络的阻抗约等于馈入网络的阻抗与反馈网络的阻抗之和。
[0007]本发明的另一实施例提供一种提升差动放大器增益的方法，包含:接收一输入信号；经由一馈入网络将输入信号耦接至一中间信号；以一增益因子放大中间信号以产生一输出信号；经由配置成负反馈拓扑的一反馈网络将输出信号耦接到中间信号；以及经由配置成正反馈拓扑的一增益提升网络将输出信号耦接到中间信号，其中增益提升网络的阻抗约等于馈入网络和反馈网络两者并联后的阻抗值乘上将增益因子减1后的值。于另一实施例，上述方法还包含经由一前馈网络将输入信号耦接至输出信号的步骤，其中前馈网络的阻抗约等于馈入网络的阻抗与反馈网络的阻抗之和。
【附图说明】
[0008]图1显示本发明一实施例的电路图。
[0009]图2A显示去除图1的电路中的正反馈增益提升电路及前馈电路所获得的频率响应图。
[0010]图2B显示具有图1的电路中的正反馈增益提升电路及前馈电路所获得的频率响应图。
[0011]图3显示一种差动放大器增益提升方法的流程图。
[0012][图的符号简单说明]
[0013]100 装置
[0014]101、102 电路节点
[0015]110增益提升差动放大器
[0016]120馈入网络
[0017]121、122 馈入阻抗
[0018]130反馈网络
[0019]131、132 反馈阻抗
[0020]140 负载网络
[0021]141、142 负载阻抗
[0022]150增益提升网络
[0023]151、152增益提升阻抗
[0024]160前馈网络
[0025]161、162 前馈电路
【具体实施方式】
[0026]本发明之实施例涉及一种新颖的差动放大器。虽然说明书中描述了本发明的多个实施例以揭示实施本发明的各种可行模式，但应可理解本发明可利用不同方式来实现而不限定于如下的特定实施例、或该些实施例的特征所界定的任何特定方式。在其它的例子中，本领域公知的技术细节不再赘述以避免模糊或淡化本发明之主题。
[0027]于如下的揭露内容全文中，使用“差动信号”的用语，其中第一端电压标示为一个下标“ + ”，第二端电压标示为一个下标且一信号定义成第一端电压减去第二端电压。举例而言，一信号％包含第一端电压V 1+和第二端电压V工-，且信号％等于第一端电压和第二端电压的差值(VI= VI+—Vf)。于此为简化起见使用标号％，在本说明书中，当提及标号％时，所代表的信号系同时牵涉第一端电压V 1+和第二端电压V工-。
[0028]如图1所示，本发明一实施例的装置100包含一差动放大器110，经由一馈入网络120 (包含分别具有一馈入阻抗Zfl的馈入电路121、122)接收一输入信号V工，并输出一输出信号V。到一负载网络140，负载网络140包含分别具有一负载阻抗Z ld的负载电路141、142 ;一负反馈网络130，包含分别具有一反馈阻抗Zfb的反馈电路131、132，提供一输出信号V。的负反馈给位于电路节点101、102的中间信号Vx;以及一增益提升网络150，包含分别具有一增益提升阻抗Z#的增益提升电路151、152，用以提供输出信号Vo的正反馈给中间信号Vx。
[0029]于另一实施例中，装置100还包含一前馈网络160 (包含分别具有一前馈阻抗ΖΗ的前馈电路161、162)，用以提供输入信号％的直接前馈给输出信号V。。装置100使用增益提升网络150配置成正反馈拓扑网络以提升差动放大器110的增益。于另一实施例中，当装置100包含前馈网络160时可消除不希望产生的直接馈通，该直接馈通系由输入信号'并经由馈入网络120和反馈网络130传到输出信号Vo。以下说明本发明的运作原理。
[0030]为了便于分析，差动放大器110建立为具有互导(transconductance) gm的压控电流源的模型。虽然差动放大器110实际上具有有限输出阻抗，但为便于分析有限输出阻抗可被吸收成为负载阻抗Zld的一部分。举例而言但不限定，于一积分器的应用中，馈入阻抗Zfl可为lOKOhm的电阻，反馈阻抗Zfb可为lpF的电容器，负载阻抗Zld可为100fF的电容器并联5K0hm的电阻(该5K0hm的电阻系为差动放大器110的输出电阻且构成负载网络140的部分负载阻抗Zld)。装置100的频率响应可定义为Vo/^ ( = Vo+- Vo-/V I+- V:-)o图2A显示如图1的装置100于去除增益提升网络150和前馈网络160情况下的频率响应表现图。图2A显示出两条轨迹线210和220，其中轨迹线210对应高互导gm(lS)且轨迹线220对应低互导(lmS)。
[0031]由图2A清楚可知，装置100于高互导gm(例如轨迹线210代表的1S)下的运作可类似一积分器，但于低互导gm(例如轨迹线220代表的lmS)下的运作，特别是于低频区间(例如低于2MHz)及高频区间(例如高于300MHz)，明显不同于一积分器。低频区间的问题系因差动放大器110的增益不足所导致，而高频区间的问题系因不欲产生的直接馈通所导致，该直接馈通系由输入信号％并经由馈入网络120和反馈网络130传到输出信号Vo。增益提升网络150配置成正反馈拓扑网络可减轻低频区间增益不足的问题，而前馈网络160可减轻高频区间的直接馈通的问题。差动放大器110的直流增益(DC gain)可用标号G。表不ο
[0032]于现有技术中，差动放大器(例如差动放大器110)的直流增益等于互导gm乘上两倍的单端输出电阻(单端输出电阻值为负载阻抗Zld的电阻部分且例如可为5K0hm)。当互导gm为lmS，直流增益G。为10 ( = lm.2.5K0hm)，亦即为20dB，因此轨迹线220于低频区间的电路增益限制为20dB，中间信号丨约等于输出信号Vo除以直流增益G。，即中间信号Vx约等于Vo/G。。当G。足够大时，中间信号Vx可几乎为零而可忽略不计。反之，当G。不够大时，中间信号Vx不接近零所以不能忽略。因此，于直流增益G。不够大的情况下，必须去除中间信号^的效果。于装置100中，可藉由输