具有消除确定性噪声功能之电路及放大器的制造方法

文档序号:10538296
具有消除确定性噪声功能之电路及放大器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了具有消除确定性噪声功能之电路及放大器。一种电路,包含一带有一输入阻抗的被动输入网络,用以耦接一输入电压到第一电路节点,一可调电流源,用以输出一可机动调整偏压电流到该第一电路节点,由一控制电压控制的一迭接元件,用以接收从该第一电路节点流出之一总电流且输出一输出电流到一第二电路节点,以及一带有一负载阻抗的负载网络,耦接该第二电路节点,其中,该可机动调整偏压电流动态调整以追踪该输入电压之中的可确定噪声分量。
【专利说明】
具有消除确定性噪声功能之电路及放大器
技术领域
[0001]本发明系关于一种放大器,特别是关于一种可消除噪声的放大器。
【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“电压”、“电流”、“增益”、“阻抗”、“电路”、“网络”、“迭接”、“电流源”、“信号”、“P型信道金属氧化物半导体”、“电路节点”、“开关”、“互补”、“电阻器”、“可变电阻器”、“单端”、“差动”、“运算放大器”以及“提升增益”,这些用语及基本概念均为习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,故于此不再赘述。
[0003]放大器是广泛使用的一种信号接收装置,可用于接收输入电压VdP输出一输出电压Vo,其中:
[0004]Vo * G.Vi (I)
[0005]于此,G代表放大器的增益。
[0006]于许多应用中,输入电压V1包含的噪声分量具有可确定性并可以精确估算。举例而言,一全双工收发器包含发射器和接收器,当由发射器发送第一信号及由接收器接收第二信号两者同时发生时,发射器会泄漏部分的第一信号到接收器,泄漏的部分第一信号可结合第二信号而构成第三信号,且该泄漏的部分第一信号通常称之为“回声”。接收器实际接收的为夹杂着回声的第三信号而不是单纯的第二信号而已。尽管回声在第三信号之中是一噪声分量,但就接收器而言,它并不是一随机噪声。亦即,回声为从发射器泄漏之第一信号,因此具有与第一信号密切相关的特性,这一点很容易从发射器得知。藉由检视第三信号以及第一信号之间的关联性,可以估算出回声值。因此,回声系为一具有可确定性并可估算的噪声,且须于接收器端消除以确保接收器的良好性能。美国公告专利7269211号揭示了一种降低回声之方法,其中功率放大以及回声消除(消除确定性噪声的特例)系两个独立的功能并由接收器的两个独立功能方块实现。
[0007 ]因此,本发明揭露并实现一种可同时放大功率并消除确定性噪声之电路及其放大器。

【发明内容】

[0008]本发明之一目的是提供一种本质上可同时实现功率放大和消除确定性噪声的放大器。
[0009]本发明之一目的是提供一种本质上可同时实现加总、信号放大和消除确定性噪声的放大器。
[0010]本发明之一目的是动态调整放大器之偏压电流以同时实现信号放大和消除确定性噪声。
[0011]本发明之一目的是使用低输入阻抗之放大器及动态调整偏压电流以放大输入信号并消除其中可确定噪声分量。
[0012]于一实施例中,电路包含:一带有一输入阻抗之被动输入网络,用以親接一输入电压到一第一电路节点;一可调电流源,用以输出一可机动调整偏压电流到第一电路节点;一迭接元件,由控制电压控制,用以接收从第一电路节点流出之一总电流,且输出一输出电流到一第二电路节点;以及一带有一负载阻抗之负载网络用以连接到第二电路节点,其中可机动调整偏压电流系动态调整以追踪输入电压之可确定噪声分量。于一实施例中,被动输入网络包含串联之一电阻器以及一电容器。于一实施例中,可调电流源包含多个电流源且用以输出多个电流,且多个电流分别依据多个逻辑信号选择性地传输到第一电路节点。于一实施例中,电路更包含一提升增益之运算放大器,用以接收第一电路节点之电压且输出控制电压。于一实施例中,确定性噪声系一回声。于一实施例中,负载阻抗和输入阻抗的比值用以决定一增益因子,且负载阻抗系为可调阻抗。
[0013]于一实施例中,一放大器包含:一带有一第一输入阻抗的第一被动输入网络,用以耦接一第一输入电压到第一电路节点;一带有一第二输入阻抗的第二被动输入网络,用以耦接一第二输入电压到第一电路节点;一可调电流源,用以输出一可机动调整偏压电流到第一电路节点;由一控制电压控制的一迭接元件,用以接收从第一电路节点流出之一总电流且输出一输出电流到一第二电路节点;以及带有一负载阻抗的负载网络,用以接收第二电路节点,其中该可机动调整偏压电流系动态调整以追踪第一输入电压及第二输入电压的至少其中之一的可确定噪声分量。于一实施例中,第一被动输入网络以及第二被动输入网络包含串联之一电阻器以及一电容器。于一实施例中,可调电流源包含多个电流源且用以输出多个电流,且多个电流分别依据多个逻辑信号选择性地传输到第一电路节点。于一实施例中,电路更包含一提升增益之运算放大器,用以接收第一电路节点之电压且输出控制电压。于一实施例中,负载阻抗和第一输入阻抗的比值决定一第一增益因子,且负载阻抗和第二输入阻抗的比值决定一第二增益因子。于一实施例中,该可机动调整偏压电流被动态调整以追踪第一输入电压之一第一可确定噪声分量及第二输入电压之一第二可确定噪声分量的总和。
[0014]于一实施例中,一种方法包含:接收一输入电压;使用一被动输入网络将输入电压耦接到一第一电路节点;提供一可机动调整偏压电流到第一电路节点;使用由一控制电压控制的一迭接元件将由第一电路节点流出的一总电流导至一第二电路节点;利用一负载网络终止第二电路节点;以及依据输入电压的一确定性噪声值调整该可机动调整偏压电流。于一实施例中,上述方法更包含根据第一节点之电压的负回授动态调整控制电压。负回授控制可包含使用一运算放大器接收第一节点之电压并输出控制电压。
[0015]于一实施例中,一种方法包含:接收一第一输入电压;使用一第一被动输入网络将第一输入电压耦接到一第一电路节点;接收一第二输入电压;使用一第二被动输入网络将第二输入电压耦接到第一电路节点;提供一机动调整偏压电流到第一电路节点;使用由一控制电压控制的一迭接元件将由第一电路节点流出的一总电流导至一第二电路节点;利用一负载网络终止第二电路节点;以及依据第一输入电压及第二输入电压的至少其中之一的确定性噪声值调整该可机动调整偏压电流。于一实施例中,上述方法更包含根据第一节点之电压的负回授动态调整控制电压。负回授控制可包含使用一运算放大器接收第一节点之电压并输出控制电压。
【附图说明】
[0016]图1为本发明一实施例之放大器的示意图。
[0017]图2显示适用于图1之放大器的可调电流源的电路图
[0018]图3显示适用于图1之放大器之可调电阻器的电路图。
[0019]图4显示依据本发明一实施例之差动放大器的电路图。
[0020]图5显示适用于图4之差动放大器的可调电流源之电路图。
[0021]图6显示本发明另一实施例的放大器的电路图。
[0022]符号说明
[0023]100消除确定性噪声之放大器
[0024]101第一电路节点
[0025]102第二电路节点
[0026]HO被动输入网络
[0027]111、621 电容器
[0028]112、141、320、321、322、323、412、422、622 电阻器
[0029]120、200、411、421、500、630 可调电流源
[0030]121电流源
[0031]130迭接元件
[0032]131 PMOS 晶体管
[0033]140负载网络
[0034]150提升增益放大器
[0035]151,600运算放大器
[0036]210,230静态电流源
[0037]220、221、222、223、530、540 电流源
[0038]240、241、242、243、310、311、312、313、550、551、560、561 开关
[0039]300可调电阻
[0040]400差动放大器[0041 ]413、423 电路节点
[0042]410第一放大器
[0043]420第二放大器
[0044]430全差动运算放大器
[0045]510第一固定电流源
[0046]520第二固定电流源
[0047]610核心部分
[0048]620延伸部分
[0049]601总节点
【具体实施方式】
[0050]本发明系关于一种放大器及确定性噪声消除方式。虽然说明书中已描述了本发明的实施例,但应可理解本发明可以用多种方式来实现,且不限于以下实施例或这些实施例所采用的任何特定方式或特征。在其它的实施例中,不再赘述本领域之通常知识者所周知的技术细节以避免模糊本发明。
[0051]本发明的用语系以“工程意义”进行描述,例如第一数量“等于”第二数量之用语代表第一数量和第二数量之间的差值小于一给定的容许误差。举例而言,若给定的容许误差值为0.5mV,100.2mV可被描述为等于10mV。同样地,一“预定”的物理量代表藉由工程上的手段建立一物理量,且该物理量于工程意义上等于一预定值。举例而言,所谓的一“预定电压”代表一装置产生等于一预定值的电压(例如10mV)。再者,如果藉由工程上的手段使一元件对应给定的输入产生预定的输出,则该元件的转换特性可视为已知。
[0052]图1为本发明一实施例之放大器100的不意图。放大器100包含一输入阻抗Zin的一被动输入网络110 (于本实施例中包含串联的一电容器111及一电阻器112)以親接一输入电压Vin到一第一电路节点101;—可调电流源,于本实施例中包含由数字信号D控制的一数字控制电流源121以提供一可机动调整偏压电流Ib到第一电路节点101;—由控制电压Vc控制的迭接元件130(于本实施例中包含PMOS晶体管131),用于耦接第一电路节点101到第二电路节点102;以及一负载阻抗Zl的一负载网络140(于本实施例中包含一电阻器141)耦接第二电路节点102。于本说明书内容中,Vdd表不电源节点,且Vss表不一接地点。于图1中,I in表示从被动输入网络110流入第一电路节点101的输入电流,Vs表示第一电路节点101之电压,IS表示由第一电路节点1I流入迭接元件130的总电流,IQUT表示由迭接元件130流出且流入第二电路节点10的一输出电流;Vqut表示第二电路节点102之输出电压。藉由使用迭接元件130,第一电路节点101可为低阻抗节点(迭接元件之低输入阻抗特性为本案所属技术领域中具有通常知识者所周知,故于此不再赘述)。因此,输入电流IIN近似等于输入电压Vin除以输入阻抗Zin,亦即:
[0053]Iin * Vin/Zin (2)
[0054]输入电压Vin包含可估算的确定性电压噪声Vdn,因此输入电流IIN包含确定性电流噪声IDN,确定性电流噪声IDN约等于确定性电压噪声Vdn除以输入阻抗zin,亦即:
[0055]Idn * Vdn/Zin (3)
[0056]由于确定性电压噪声Vdn可以估算,确定性电流噪声Idn可以使用方程式(3)计算出。可机动调整偏压电流Ib可使用数字信号D调整以抵消确定性电流噪声IDN,亦即:
[0057]Ib=If+1s (4)
[0058]其中If是固定电流,Iqs为补偿电流用以抵消确定性电流噪声IDN,即Iqs ?-1DN。因此,方程式(4)可以改写为:
[0059]Ib ? If+1s ? If~Vdn/Zin (5)
[0060]因此,总电流Is等于输入电流Iin以及可机动调整偏压电流Ib之总和,且基本上不包含确定性噪声。迭接元件130使输出电流Iqut基本上等于电流Is之和。因此:
[0061]1ut ? Is= Iin+Ib ? Vin/Zin+IF-Vdn/Zin
[0062]= If+(Vin-Vdn)/Zin (6)
[0063]输出电压Vciut等于输出电流Iciut乘上负载阻抗Zl,即:
[0064]Vout * If.Zl+(Vin-Vdn).Zl/Zin (7)
[0065]需注意在方程中(7)中的第一项If.Zl系为固定直流(DC)分量,其独立于输入信号VIN之外且若针对交流(AC)相关应用可省略不计,因此上式可改写为:
[0066]Vout * (Vin-Vdn).G (8)
[0067]其中G= Zl/Zin (9)
[0068]由式(8)可看出放大器100可同时实现功率放大和消除确定性噪声之功能。
[0069]虽然迭接元件130可使第一电路节点101成为一低阻抗节点,但阻抗仍无法低到使式(2)足够准确。因此,于一实施例中可另包含一提升增益放大器150,提升增益放大器150例如可包含一运算放大器151。提升增益放大器150可根据第一电路节点101之感测电压Vs,以使用闭回路及负回授方式动态调整控制电压VC。当感测电压Vs太高(太低)时,提升增益放大器150降低(提高)控制电压VC,以便降低(提高)感测电压Vs。因此,感测电压Vs可保持稳定且几乎不会受到独立总电流Is影响。藉此,可有效地让第一电路节点101成为一虚接地。于图1的实施例中,V?代表一共模电压,且运算放大器151调整控制电压Vc使感测电压Vs等于控制电压Vcm。
[0070]图2显示适用于图1之放大器的可调电流源的电路图。举一实例说明而非限制本发明,数字信号0系4位字符而包含四个位0[3]、0[2]、0[1]、0[0]。可调电流源200包含输出固定电流If的静态电流源210,以及输出补偿电流1s的一动态电流源230。动态电流源230包含四个电流源220-223及四个开关240-243,四个电流源220-223分别用于输出4个电流1-13,以根据四个位D[0]-D[3]选择性地致能四个电流1()-13。补偿电流1s可以数学式表示为:
[0071]1s = D[0].1+D[l].Ii+D[2].I2+D[3].I3 (10)
[0072]因此,数字信号D可以动态控制补偿电流1s,以便抵销确定性电流噪声IDN。因此,输入电压Vin包含的确定性电压噪声Vdn可被消除。
[0073]请再参考图1。于一实施例中,负载网络140之负载阻抗Zl系为可调,使放大器100的增益亦为可调。于一实施例中,电阻器141系可调式电阻器。举一实例说明而非限制本发明,图3显示依本发明一实施例,可构成图1所示之负载网络141的可调电阻器300的电路图。可调电阻器300可包含电阻器320-323、以及由数字编码R[3:0]控制的开关310-313,以构成可由数字编码R[3:0]决定电阻值的可调电阻器。可调电阻器300之原理为本案所属技术领域中具有通常知识者所周知,故于此不再赘述。
[0074]在许多应用中,电路设计者常利用差动信号架构执行信号处理。在差动信号处理过程中,信号包含第一端(通常称为正端)及第二端(通常称为负端),且由包含第一半部及第二半部的一电路处理。举例而言,输入电压Vin包含第一端Vin+以及第二端Vin-,而输出电压Vciut包含第一端Vciut+和第二端Vciut-。虽然图1放大器100米用单端架构,电路设计者可轻易地使用两个相同的放大器100,其中一个作为第一半部以接收第一端输入电压VIN+及输出第一端输出电压Vciut+,另一个作为第二半部以接收第二端输入电压Vin-及输出第二端输出电压VQUT-。由于第一半部以及第二半部彼此互补,第一半部及第二半部所接收的数字信号D之值也必须是互补。举例而言,数字信号D例如是图2所示的四位数字字符D[3:0],则第一半部接收到数字信号D的值为4’blOOO,且第二半部接收到数字信号D的值为互补的4’bOl 11。如果电路设计者采用包含提升增益放大器150的实施例,则需要两个单端运算放大器(例如单端运算放大器151)。于另一实施例中,电路设计者亦可组合两个单端运算放大器而构成一全差动运算放大器。图4为本发明一实施例的可消除确定性噪声的差动放大器400的示意图,其中差动放大器400系使用一全差动运算放大器提升增益。差动放大器400包含第一放大器410、第二放大器420及全差动运算放大器430。第一放大器410接收第一端输入电压Vin+并输出第一端输出电压Vciut+,第二放大器420接收第二端输入电压Vin-并输出第二端输出电压Vout-,且全差动运算放大器430用以实现第一放大器410以及第二放大器420的增益提升。第一放大器410以及第二放大器420可为与图1相同的不具提升增益放大器150的放大器100,其中增益放大器150的效果可由全差动运算放大器430替代。两个单端运算放大器以及全差动运算放大器已揭示于习知技术,故于此不再赘述。如图4所示,第一放大器410内的可调电流源411可由一数字信号D控制,且第二放大器420内的可调电流源421可由一互补数字信号DB控制,互补数字信号DB是数字信号D的互补信号。由于第一放大器410内之可调电流源411及第二放大器420内之可调电流源421两者的互补架构,使这两个可调电流源411、421可组合成一差动可调电流源。图5为一差动可调电流源500的实施例的示意图,该差动可调电流源500可用来代替两个可调电流源411、421。为简化起见,于本实施例中数字信号D以一两位之数字字符D[1:0]表示以便于说明本实施例之原理,当然,本领域之通常知识者可依本实施例之原理自由地延伸位数而不限定。DB[1:0]系互补于D[1:0],举例而言,如果D[1:O ] = 2 ’ b 1,则DB [ 1: O ] = 2 ’ b01。差动可调电流源500包含:输出一第一固定电流Ifi到图4所示的电路节点413的第一固定电流源510,输出一第二固定电流If2到图4所示的电路节点423的第二固定电流源520,且两个电流源530以及540分别用于输出的电流1和I1;两组互补开关550、551以及560、561,用以依据数字字符0[0]及0[1]传输电流1()和11到图4所示的电路节点413或电路节点423。因本领域之通常知识者定能充分了解图5所示之技术细节,故于此不再赘述。
[0075]请再参考图1。被动输入网络110可包含电容器111,用于提供一AC耦接使第一电路节点1I之DC电压准位与输入电压Vin的DC电压准位分离。
[0076]于另一实施例中,图1的放大器100可扩充为可接收第一输入电压V皿以及第二输入电压VIN2,例如图6所示的放大器600。放大器600包含核心部分610以及扩充部分620,核心部分610除差动标示的差异外,与图1之放大器100完全相同,亦即图1之输入电压Vin于图6被重新标示为第一输入电压Vm,图1之第一电路节点1I于图6被重新标示为总节点601,图1之阻抗Zin的被动输入网络于图6被重新标示为阻抗Zini的第一被动输入网络,图1之输入电流I IN于图6被重新标示为第一输入电流1皿,图1之总电流Is于图6被重新标示为I’s,图1之输出电压Vqut于图6被重新标示为V’QUT,图1之数字信号D于图6被重新标示为D’,图1可调电流源120于图6被重新标示为630。延伸部分620于图6中被标记为阻抗Zin2的第二被动输入网络,延伸部分620(于本实施例600中包含电容器621以及电阻器622)耦接第二输入电压V皿到总节点601,且由延伸部分620流到总节点601的电流被标示为第二输入电流IIN2。基于上述的重新标示,方程式(2)改写为:
[0077]I皿》Vini/Zini (11)
[0078]由于总节点601是一低阻抗节点,如之前解释,第二输入电流IIN2约等于第二输入电压VlN2除以阻抗ZlN2,即:
[0079]Iin2 * V1N2/Z1N2 (12)
[0080]本领域之通常知识者可轻易理解,由于延伸部分620的存在,输出电压V’out为:
[0081]V'out * (Vini—Vdni).G1+V1N2.G2 (13)
[0082]其中
[0083]Gi = Zl/Zini (14)
[0084]以及
[0085]G2 = Zl/Zin2 (15)
[0086]于此Vdni系第一输入电压Vini内之第一确定性电压噪声。因为可适性电流I ’B被调整以抵消第一输入电流I ini内的第一确定性电流噪声I DNi,故确定性电压噪声Vdni可被消除,其中:
[0087]Idni * Vdni/Zini (16)
[0088]先前的相关说明已基于新的标示重述如上,因此,放大器600可同时实现加总、功率放大及消除确定性噪声等功能。
[0089]于另一实施例中,第二输入电压Vin2包含第二确定性电压噪声Vdn2,导致第二输入电流Iin2内的第二确定性电流噪声IDN2,其中:
[0090]Idn2 * Vdn2/Zin2 (17)
[0091]可调电流源I’b被调整以抵消第一输入电流I皿内之第一确定性电流噪声IDN1及第二输入电流11.内之第二确定性电流噪声Idn2之和,因此:
[0092]V'out * (V皿一Dini).Gi+(Vin2—Din2).G2 (18)
[0093]换言之,只要第一输入电压Vini之第一确定性电压噪声Vdni和第二输入电压Vin2之第二确定性电压噪声Vdn2可估算出,放大器600可提供放大第一输入电压Vini及第二输入电压Vin2同时消除第一确定性电压噪声Vdni及第二确定性电压噪声Vdn2的效果。
[0094]熟悉本领域之技术人员均能轻易理解,于本发明之教示下可获致针对装置及方法的各种不同修改及变更。据此,上述揭露之内容不应解释为申请专利范围之限制,任何修改与变更均应落入本发明之申请专利范围。
【主权项】
1.一种电路,包含: 一带有一输入阻抗的被动输入网络,用以耦接一输入电压到第一电路节点; 一可调电流源,用以输出一可机动调整偏压电流到所述第一电路节点; 由一控制电压控制的一迭接元件,用以接收从所述第一电路节点流出的一总电流且输出一输出电流到一第二电路节点;以及 一带有一负载阻抗的负载网络,耦接所述第二电路节点; 其中,所述可机动调整偏压电流动态调整以追踪所述输入电压之中的可确定噪声分量。2.根据权利要求1所述的电路,其中所述可机动调整电流源包含多个电流源,所述多个电流源用以输出多个电流,且所述多个电流分别依据多个逻辑信号选择性地传输到所述第一电路节点。3.根据权利要求1所述的电路,进一步包含: 一提升增益之运算放大器,用以接收所述第一电路节点的电压且输出所述控制电压。4.根据权利要求1所述的电路,其中所述负载阻抗和所述输入阻抗的比值用以决定一增益因子。5.根据权利要求1所述的电路,其中所述负载阻抗为可调阻抗。6.—种放大器,包含: 一带有一第一输入阻抗的第一被动输入网络,用以耦接一第一输入电压到第一电路节占.V , 一带有一第二输入阻抗的第二被动输入网络,用以耦接一第二输入电压到所述第一电路节点; 一可调电流源,用以输出一可机动调整偏压电流到所述第一电路节点; 由一控制电压控制的一迭接元件,用以接收从所述第一电路节点流出的一总电流且输出一输出电流到一第二电路节点;以及 一带有一负载阻抗的负载网络,耦接所述第二电路节点,其中所述可机动调整偏压电流动态调整以追踪所述第一输入电压及所述第二输入电压的至少其中之一的可确定噪声分量。7.根据权利要求6所述的放大器,其中所述可机动调整电流源包含多个电流源,所述多个电流源用以输出多个电流,且所述多个电流分别依据多个逻辑信号选择性地传输到所述第一电路节点。8.根据权利要求6所述的放大器,进一步包含: 一提升增益之运算放大器,用以接收所述第一电路节点的电压且输出所述控制电压。9.根据权利要求8所述的放大器,其中所述负载阻抗和所述第一输入阻抗的比值决定一第一增益因子,且所述负载阻抗和所述第二输入阻抗的比值决定一第二增益因子。10.根据权利要求8所述的放大器,其中所述可机动调整偏压电流动态调整以追踪所述第一输入电压的一第一可确定噪声分量及所述第二输入电压的一第二可确定噪声分量的总和。
【文档编号】H03F1/26GK105897183SQ201610066673
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年1月29日
【发明人】林嘉亮
【申请人】瑞昱半导体股份有限公司
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