可程序化增益放大器的制作方法

本发明涉及一种可程序化增益放大器，尤其是涉及一种具有回授路径的可程序化增益放大器。

背景技术：

一般而言，为了满足或者有效地使用后端电路的动态范围，用户通常会在信号源与后端电路之间设置可程序化增益放大器(programmable gain amplifier，PGA)，从而借助可程序化增益放大器以可调的倍率选择性地放大信号源，使之符合后端电路的规格，或者达到用户所欲其的信号规格。

以往的可程序化增益放大器大部份是借助运算放大器搭配电阻接成放大电路，例如非反向放大器。这样的结构并无法有效地隔绝噪声，而使得噪声随着所欲的信号一起被可程序化增益放大器放大，从而降低了可程序化增益放大器的输出信噪比(signal noise ratio，SNR)。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提供一种可程序化增益放大器，以使可程序化增益放大器的输出具有更佳的信噪比。

本发明所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：

本发明公开一种可程序化增益放大器，所述的可程序化增益放大器具有主动负载模块、第一差动对、第二差动对与电流源模块。主动负载模块具有第一负载端与第二负载端。第一差动对具有第一输入端、第二输入端、第一电流源端、第一输出端与第二输出端。第二差动对具有第三输入端、第四输入端、第二电流源端、第三输出端与第四输出端。第二负载端电性连接输出端。第一输出端电性连接第一负载端。第二输出端电性连接第二负载端。第一输入端用来接收输入信号。第二输入端用来接收共模电压。第四输出端电性连接第二负载端。第三输出端电性连接第一负载端。第三差动电性连接可程序化增益放大器的输出端以接收回授信号。第四输入端用来接收共模电压。电流源模块电性连接第一电流源端与第二电流源端。电流源模块用来经由第一电流源端提供第一电流给第一差动对。电流源模块用来经由第二电流源端提供第二电流给第二差动对。且电流源模块用来调整第一电流的和/或小与第二电流的大小。

换句话说，本发明提供一种可程序化增益放大器包括：一主动负载模块，具有一第一负载端与一第二负载端，该第二负载端电性连接该可程序化增益放大器的输出端；一第一差动对，具有一第一输入端、一第二输入端、一第一电流源端、一第一输出端与一第二输出端，该第一输出端电性连接该第二负载端，该第二输出端电性连接该第一负载端，该第一输入端用来接收一输入信号，该第二输入端用来接收一共模电压；一第二差动对，具有一第三输入端、一第四输入端、一第二电流源端、一第三输出端与一第四输出端，该第三输出端电性连接该第一负载端，该第四输出端电性连接该第二负载端，该第三输入端电性连接该可程序化增益放大器的输出端以接收一回授信号，该第四输入端用来接收该共模电压；以及一电流源模块，电性连接该第一电流源端与该第二电流源端，该电流源模块用来经由该第一电流源端提供一第一电流给该第一差动对，该电流源模块用来经由该第二电流源端提供一第二电流给该第二差动对，且该电流源模块用来调整该第一电流的大小和/或该第二电流的大小。

进一步地，该第一差动对包含一第一晶体管与一第二晶体管，该第二差动对包含一第三晶体管与一第四晶体管，该第一晶体管的第一端电性连接该第二负载端，该第一晶体管的第二端电性连接该电流源模块，该第一晶体管的控制端用来接收该输入信号，该第二晶体管的第一端电性连接该第一负载端，该第二晶体管的第二端电性连接该电流源模块与该第一晶体管的第二端，该第二晶体管的控制端用来接收该共模电压，该第三晶体管的第一端电性连接该第一负载端，该第三晶体管的第二端电性连接该电流源模块，该第三晶体管的控制端用来接收该回授信号，该第四晶体管的第一端电性连接该第二负载端，该第四晶体管的第二端电性连接该电流源模块与该第三晶体管的第二端，该第四晶体管的控制端用来接收该共模电压。

进一步地，该电流源模块包括一可调电流源，该可调电流源电性连接该第一电流源端与该第二电流源端的其中之一，该可调电流源依据一第一控制电压与至少一切换信号的指示调整该第一电流的大小或该第二电流的大小。

进一步地，该可调电流源包括：多个电流源；以及多个开关，每一该开关串联于其中一该电流源，串联的其中一该开关与其中一该电流源电性连接该电流输出端与一参考端之间，多个所述开关受控于该至少一切换信号。

进一步地，该电流源模块更包括一第五晶体管，该第五晶体管的第一端电性连接该第一电流源端与该第二电流源端的其中之另一，该第五晶体管的控制端用来接收该第一控制电压。

进一步地，该电流源模块更包括：一第七晶体管，该第七晶体管的第一端电性连接该第一电流源端，该第七晶体管的第二端电性连接该第五晶体管的第一端，该第七晶体管的控制端用来接收一第二控制电压；以及一第八晶体管，该第八晶体管的第一端电性连接该第二电流源端，该第八晶体管的第二端电性连接该可调电流源的第一端，该第八晶体管的控制端用来接收该第二控制电压。

进一步地，该主动负载模块包括：一第九晶体管，该第九晶体管的第一端用来接收一第一基准电压，该第九晶体管的第二端电性连接该第一负载端，该第九晶体管的控制端电性连接该第一负载端；以及一第十晶体管，该第十晶体管的第一端用来接收该第一基准电压，该第十晶体管的第二端电性连接该第二负载端，该第十晶体管的控制端电性连接该第一负载端。

进一步地，可程序化增益放大器更包括一第十一晶体管与一第十二晶体管，该第十一晶体管的第一端用来接收该第一基准电压，该第十一晶体管的控制端电性连接该第二负载端，该第十二晶体管的第一端电性连接该第十一晶体管的第二端，该第十二晶体管的第二端用来接收一第二基准电压，该第十二晶体管的控制端用来接收一第一控制电压。

进一步地，可程序化增益放大器更包括一第十三晶体管与一第十四晶体管，该第十三晶体管的第一端用来接收该第一基准电压，该第十三晶体管的第二端电性连接该输出端与该第二负载端，该第十三晶体管的控制端电性连接该第十一晶体管的第二端，该第十四晶体管的第一端电性连接该第十三晶体管的第二端，该第十四晶体管的第二端用来接收该第二基准电压，该第十四晶体管的控制端用来接收该第一控制电压。

进一步地，当该第一电流等于该第二电流时，该可程序化增益放大器的等效增益等于2。

进一步地，当该第一电流大于该第二电流时，该可程序化增益放大器的等效增益大于2，当该第一电流小于该第二电流时，该可程序化增益放大器的等效增益小于2。

综合以上所述，本发明提供了一种可程序化增益放大器，所述的可程序化增益放大器具有至少两个差动对与一电流源模块。其中一个差动对的输入端电性连接可程序化增益放大器的输出端。电流源模块用来提供电流给所述的差动对。且电流源模块更可用来所提供的至少其中一路电流的大小。借着回授路径与调整电流大小，得以控制可程序化增益放大器的等效增益。另一方面，借助多个差动对的电路连接方式，在本发明所提供的可程序化增益放大器中可有效地避免噪声随着信号同步放大，从而降低了输出端的信噪比。

以上的关于本发明内容的说明及以下的实施方式的说明是用来示范与解释本发明的精神与原理，并且为本发明的保护范围提供更进一步的解释。

附图说明

图1为本发明一实施例可程序化增益放大器的等效电路图；

图2为本发明另一实施例可程序化增益放大器的电路示意图；

图3为本发明更一实施例可程序化增益放大器的电路示意图；

图4为根据本发明再一实施例可程序化增益放大器的电路示意图。

【附图标记说明】

10、20、30 可程序化增益放大器

120 主动负载模块

140 第一差动对

160 第二差动对

180 电流源模块

1820 可调电流源

C1 电容

CS1、CS2、CS3、CSe 电流源

ICP、ICN 电流

SW1～SW3 开关

T1～T16 晶体管

N1～N16、NO 端点

VC1 第一控制信号

VC2 第二控制信号

VDD 第一基准电压

VSS 第二基准电压

具体实施方式

以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并加以实施，且根据本说明书所记载的内容、保护范围及附图，任何本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的保护范围。

图1为本发明一实施例可程序化增益放大器的等效电路图。请参照图1以对本发明所提供的可程序化增益放大器的输入输出进行说明。本发明所提供的可程序化增益放大器10具有输入端N1～N4与输出端NO。输入端N1用来接收输入信号VINSF。输入端N2与输入端N4用来接收共模电压VCM。输入端N3电性连接输出端NO以形成回授路径。从另一个角度来说，输出信号VOUT做为回授信号VFB而被提供至输入端N3。其中，共模电压VCM例如为可程序化增益放大器10前一级电路所提供的共模偏压。

图2为本发明另一实施例可程序化增益放大器的电路示意图。请参照图2以对可程序化增益放大器进行更具体的说明。可程序化增益放大器10具有主动负载模块120、第一差动对140、第二差动对160与电流源模块180。

主动负载模块120具有第一负载端N5与第二负载端N6。第二负载端N6电性连接输出端NO。主动负载模块120用来提供一等效负载，且所述的等效负载为可调。

第一差动对140具有第一输入端N11、第二输入端N12、第一电流源端N15、第一输出端N7与第二输出端N8。第一输出端N7电性连接第二负载端N6。第二输出端N8电性连接第一负载端N5。第一输入端N11用来经由输入端N1接收输入信号VINSF。第二输入端N12用来经由输入端N2接收共模电压VCM。第一差动对140用来依据第一电流ICP、输入信号VINSF与共模电压VCM调整流经第一负载端N5的电流与流经第二负载端N6的电流。从另一个角度来说，第一输入端N11也可被定义为如图1中的输入端N1，第二输入端N12也可被定义为如图1中的输入端N2。

第二差动对160具有第三输入端N13、第四输入端N14、第二电流源端N16、第三输出端N9与第四输出端N10。第三输出端N9电性连接第一负载端N5。第四输出端N10电性连接第二负载端N6。第三输入端N13电性连接第三输入端N13以接收回授信号VFB。第四输入端N14电性连接输入端N4以接收共模电压VCM。第二差动对160用来依据第二电流ICN、回授信号VFB与共模电压VCM调整流经第一负载端N5的电流与流经第二负载端N6的电流。从另一个角度来说，输入端N13也可被定义为如图1中的输入端N3，第四输入端N14也可被定义为如图1中的输入端N4。

电流源模块180电性连接第一电流源端N15与第二电流源端N16。电流源模块180用来经由第一电流源端N15提供第一电流ICP给第一差动对140。电流源模块180用来经由第二电流源端N16提供第二电流ICN给第二差动对160。且电流源模块180用来调整第一电流ICP的大小和/或第二电流ICN的大小。在一实施例中，电流源模块180用来调整第一电流ICP的大小，此时第二电流ICN大致上可视为一定电流。在另一实施例中，电流源模块180用来调整第二电流ICN的大小，此时第一电流ICP大致上可视为一定电流。在更一实施例中，电流源模块180用来分别调整第一电流ICP的大小与第二电流ICN的大小。

在一实施例中，当第一电流ICP等于第二电流ICN时，可程序化增益放大器10的等效增益等于2。而当第一电流ICP大于第二电流ICN时，可程序化增益放大器10的等效增益大于2。相仿地，当第一电流ICP小于第二电流ICN时，可程序化增益放大器10的等效增益小于2。在此实施例中，等效增益的定义为输入信号VINSF的电压准位与输出电压VOUT的电压比值。

请再继续参照图2以对各功能模块的详细电路结构进行说明。在图2所示的实施例中，第一差动对140具有第一晶体管T1与第二晶体管T2。第一晶体管T1的第一端电性连接第二负载端N6。第一晶体管T1的第二端电性连接电流源模块180。第一晶体管T1的控制端电性连接输入端N1以接收输入信号VINSF。第二晶体管T2的第一端电性连接第一负载端N5。第二晶体管T2的第二端电性连接电流源模块180与第一晶体管T1的第二端。第二晶体管T2的控制端电性连接输入端N2以接收共模电压VCM。换句话说，第一差动对140用来依据输入信号VINSF与共模信号VCM调整流经第一晶体管T1的电流与流经第二晶体管T2的电流之间的比例，从而调整流经第一负载端N5的电流大小与流经第二负载端N6的电流大小。

第二差动对160具有第三晶体管T3与第四晶体管T4。第三晶体管T3的第一端电性连接第一负载端N5，第三晶体管T3的第二端电性连接电流源模块180，第三晶体管T3的控制端电性连接输入端N3以接收回授信号VFB。第四晶体管T4的第一端电性连接第二负载端N6，第四晶体管T4的第二端电性连接电流源模块180与第三晶体管T3的第二端，第四晶体管T4的控制端电性连接输入端N4以接收共模电压VCM。换句话说，第二差动对160用来依据回授信号VFB与共模电压VCM调整流经第三晶体管T3的电流与流经第四晶体管T4的电流之间的比例，从而调整流经第一负载端N5的电流大小与流经第二负载端N6的电流大小。

请再继续参照图2以说明电流源模块的具体实施方式。在图2所示的实施例中，电流源模块更具有第五晶体管T5与一等效的第六晶体管T6。第五晶体管T5的第一端电性连接第一电流源端N15。第五晶体管T5的第二端用来接收第二基准电压VSS。第五晶体管T5的控制端用来接收第一控制电压VC1。等效第六晶体管T6的第一端电性连接第二电流源端N16。等效第六晶体管T6的第二端用来接收第二基准电压VSS。等效第六晶体管T6的控制端用来接收第一控制电压VC1。其中，流经等效第六晶体管T6的电流为可调。

图3为本发明更一实施例可程序化增益放大器的电路示意图；图4为根据本发明再一实施例可程序化增益放大器的电路示意图。请接着参照图3与图4以更具体地说明等效第六晶体管T6的电流调整方式，在图3的实施例中，等效第六晶体管T6被置换成可调电流源1820。可调电流源1820电性连接第二电流源端N16。可调电流源1820依据至少一切换信号的指示调整第二电流ICN的大小。在图3与图4所示的实施例中，举可调电流源1820用来调整第二电流ICN为例进行说明。但于实务上，亦可将第五晶体管T5定义为等效的晶体管并置换为可调电流源1820来调整第一电流ICP的大小。相关细节为本领域技术人员经详阅本说明书后可合理推知，不再予以赘述。

如图3所示，可调电流源1820例如具有多个电流源与多个开关。在此举电流源CS1～CS3与开关SW1～SW3为例进行说明，但电流源与开关的数量并不以此为限。每一开关串联于其中一电流源。在图2所示的实施例中，电流源CS1串联于开关SW1，电流源CS2串联于开关SW2，电流源CS3串联于开关SW3。串联的开关与电流源的一端电性连接第二电流源端N16，另一端则用来接收第二基准电压VSS。在图4所示的实施例中，定电流源CS1～CS3分别为晶体管T61～T63，晶体管T61～T63的两端分别连接对应的开关与参考端。且晶体管T61～T63分别与第五晶体管T5组成电流镜。在此实施例中，各晶体管的通道宽长比例如为第五晶体管T5的通道宽长比的三分之一。上述仅为举例示范，实际上并不以此为限。

因此，当开关SW1导通时，电流源CS1电性连接至第二电流源端N16，增加了流经第二电流源端N16的电流，从而增加了第二电流ICN的大小。相仿地，当开关SW2与开关SW3导通或不导通时，第二电流ICN的电流大小因此有所增减。如前述地，第一电流ICP与第二电流ICN的相对大小关联于可程序化增益放大器的等效增益，因此，经由选择性地导通可调电流源180中的开关SW1～SW3即能对应地调整可程序化增益放大器的等效增益。在此实施例中，参考端例如具有第二基准电压VSS，第二基准电压VSS例如为系统中的相对低电压准位。

于另一实施例中，可调电流源180更具有第七晶体管T7与第八晶体管T8。第七晶体管T7的第一端电性连接第一电流源端N15。第七晶体管T7的第二端电性连接第五晶体管T5的第一端。第七晶体管T7的控制端用来接收第二控制电压VC2。第八晶体管T8的第一端电性连接第二电流源端N16。第八晶体管T8的第二端电性连接可调电流源1820。第八晶体管T8的控制端用来接收第二控制电压VC2。从另一个角度来说，第七晶体管T7与第五晶体管T5形成叠接(cascode)结构。

主动负载模块120例如具有第九晶体管T9与第十晶体管T10。第九晶体管T9的第一端用来接收第一基准电压VDD。第九晶体管T9的第二端电性连接第一负载端N5。第九晶体管T9的控制端电性连接该第一负载端N5。第十晶体管T10的第一端用来接收第一基准电压VDD。第十晶体管T10的第二端电性连接第二负载端N6。第十晶体管T10的控制端电性连接第一负载端N5。

另一方面，在图2至图4所示的实施例中，可程序化增益放大器10、20、30更具有第十一晶体管T11、第十二晶体管T12、第十三晶体管T13与第十四晶体管T14。

第十一晶体管T11的第一端用来接收第一基准电压VDD。第十一晶体管T11的控制端电性连接第二负载端N6。第十二晶体管T12的第一端电性连接第十一晶体管T11的第二端。第十二晶体管T12的第二端用来接收第二基准电压VSS。第十二晶体管T12的控制端用来接收第一控制电压VC1。从另一个角度来说，第十一晶体管T11与第十三晶体管T13形成电压随耦器，以调整可程序化增益放大器相对于后端电路来说的输出阻抗。

第十三晶体管T13的第一端用来接收第一基准电压VDD。第十三晶体管T13的第二端电性连接输出端NOUT与第二负载端N6。第十三晶体管T13的控制端电性连接第十一晶体管T11的第二端。第十四晶体管T14的第一端电性连接第十三晶体管T13的第二端。第十四晶体管T14的第二端用来接收第二基准电压VSS。第十四晶体管T14的控制端用来接收第一控制电压VC1。

此外，在图2至图4所示的实施例中，可程序化增益放大器10、20、30更具有晶体管T15、T16与电流源CSe。晶体管T15用来与第五晶体管T5组成电流镜。于图4所示的实施例中，晶体管T15更用来分别与晶体管T61～T63组成电流镜。晶体管T16用来与第七晶体管T7及第八晶体管T8组成电流镜。另一方面，第二负载端N6与输出端NO之间更设置有电容C1以隔离直流偏压。相关细节于本领域技术人员经详阅本说明书后应可合理推知，在此不予以赘述。

综合以上所述，本发明提供了一种可程序化增益放大器，所述的可程序化增益放大器具有至少两个差动对与一电流源模块。其中一个差动对的输入端电性连接可程序化增益放大器的输出端，以形成回授路径。电流源模块用来提供第一电流给其中一个差动对，电流源模块并用来提供第二电流给另一个差动对。此外，电流源模块更可用来调整第一电流和/或第二电流的大小。借着回授路径与调整第一电流或第二电流的大小，得以控制可程序化增益放大器的等效增益，而确实地实现了可程序化增益放大器。另一方面，借助多个差动对的电路连接方式，在本发明所提供的可程序化增益放大器中并不具有电阻，且可有效地隔离噪声，避免噪声与信号同步放大，从而降低了输出端的信噪比。