用於信號處理系統的電壓控制放大器的製作方法
2023-09-24 13:24:20 2
專利名稱：用於信號處理系統的電壓控制放大器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電壓控制放大器，尤其涉及一種可實現處理大信號，並具有低噪聲、低失真且兼顧高整合度及低成本特性的電壓控制放大器(VoltageControlled Amplifier)。
背景技術：
電壓控制放大器可視為一種三端元件，包含信號輸入端、信號輸出端以及控制信號輸入端，用於根據不同的控制信號改變增益。電壓控制放大器常用於DVD、VCD、可攜式影音播放器、數位電視、家庭影音產品等多媒體電子裝置中，用戶可通過電壓控制放大器改變音量大小、對比度、亮度、頻道等輸出信號。
由於科技日新月異，信號的種類越來越多樣化，使得電壓控制放大器的功能日顯重要。然而，傳統電壓控制放大器均使用雙載子(Bipolar)工藝或雙載子互補型金屬氧化半導體電晶體(BiCMOS)工藝所設計。以雙載子工藝所設計的電壓控制放大器，可提供高速操作及高電流驅動能力，但與數字電路(MixedMode)的整合度低。相較之下，BiCMOS技術合併了雙載子與互補金屬氧化半導體電晶體(CMOS)的特性，具有雙載子電晶體中高速及高電流驅動能力，亦兼具CMOS電路中低功率、高輸入阻抗、高噪聲邊限等優點，但BiCMOS工藝的生產成本卻相當高。因此，現今研發廠商無不努力於製作具有低噪聲、低失真且兼顧高整合度及低成本特性的電壓控制放大器。
發明內容
因此，本發明的主要目的在於提供一種用於信號處理系統的電壓控制放大器。
本發明公開一種用於信號處理系統的電壓控制放大器，其包含電壓輸入端、第一電壓至電流轉換器、參考電流產生器、增益調整電路、第一電流鏡和輸出電路。電壓輸入端用於接收輸入電壓。第一電壓至電流轉換器，電連於所述電壓輸入端，用於根據所述電壓輸入端所接收的輸入電壓，輸出第一電流。參考電流產生器用於輸出第二電流。增益調整電路電連於所述第一電壓至電流轉換器和所述參考電流產生器，用於接收所述第一電流和所述第二電流，並調整所述電壓控制放大器的增益，其包含第一雙載子電晶體，包含集電極、基極和發射極；第二雙載子電晶體，包含集電極、基極和發射極；第三雙載子電晶體，包含集電極、基極和發射極；第四雙載子電晶體，包含集電極、基極和發射極；以及控制電壓輸入電路，其一端電連於所述第二雙載子電晶體的基極和所述第三雙載子電晶體的基極，另一端電連於所述第一雙載子電晶體的基極和所述第四雙載子電晶體的基極，用於輸出控制電壓。第一電流鏡電連於所述第一電壓至電流轉換器、所述增益調整電路和所述參考電流產生器，其包含參考分路、汲取分路以及映射分路。參考分路電連於所述第一電壓至電流轉換器的輸出端，用於傳送所述第一電流。汲取分路電連於所述參考電流產生器與所述第一雙載子電晶體的發射極及所述第二雙載子電晶體的發射極之間，用於由所述參考電流產生器與所述第一雙載子電晶體的發射極及所述第二雙載子電晶體的發射極之間，汲取大小等於所述第一電流的電流；以及映射分路電連於所述第三雙載子電晶體的發射極與所述第四雙載子電晶體的發射極之間，用於將大小等於所述第一電流的電流輸入至所述第三雙載子電晶體的發射極與該第四雙載子電晶體的發射極之間。輸出電路電連於該增益調整電路，用於判斷所述第一雙載子電晶體的集電極電流與所述第四雙載子電晶體的集電極電流的差值，以輸出輸出電壓。其中，藉由所述控制增益調整電路所輸出的控制電壓，以控制所述輸出電路所輸出的所述輸出電壓。
圖1為本發明優選實施例電壓控制放大器的示意圖。
圖2為傳統寄生橫向雙載子電晶體的示意圖。
圖3為一指數放大器的示意圖。
圖4為一穩定振幅振蕩器的示意圖。
圖5為一可調式低通濾波器的示意圖。
主要元件符號說明150 參考電壓產生器160 參考電流產生器100 電壓控制放大器122 控制電壓輸入電路102、104 第一、第二電壓至電流轉換器106 增益調整電路108 輸出電路110、112、116、120第四、第一、第三、第二電流鏡OP1、OP2 第一、第二運算放大器124 NMOS電晶體R1、R、R2 第一電阻、電阻、第二電阻126 PMOS電晶體Vref參考電壓Vin輸入電壓Vout輸出電壓VC控制電壓VCC系統電壓RO輸出電阻200 寄生橫向雙載子電晶體300 指數放大器400 穩定振幅振蕩器500 可調式低通濾波器具體實施方式
參考圖1，圖1為本發明優選實施例電壓控制放大器100的示意圖。電壓控制放大器100包含電壓輸入端、第一電壓至電流轉換器102、參考電流產生器160、增益調整電路106、第一電流鏡112、和輸出電路108。電壓控制放大器100可根據可變控制電壓VC調整增益，將自電壓輸入端所接收的輸入電壓Vin依據調整後的增益轉換(放大)為輸出電壓Vout。其中，當調整增益時，本發明僅會改變交流信號的大小，而不會改變直流信號的部分，且可降低噪聲，減少失真，提高整合度。關於電壓控制放大器100的詳細操作，請見以下說明。
第一電壓至電流轉換器102包含第一運算放大器OP1、NMOS電晶體124及第一電阻R1，用於根據輸入電壓Vin，產生第一電流。參考電流產生器160包含第二電壓至電流轉換器104、參考電壓產生器150、以及第四電流鏡110。第二電壓至電流轉換器104包含第二金屬氧化半導體電晶體126、第二運算放大器OP2以及第二電阻R2，用於將參考電壓產生器150產生的參考電壓Vref轉換為第二電流。第二金屬氧化半導體電晶體126包含柵極、源極及漏極，漏極電連於第四電流鏡110的一分路。第二運算放大器OP2包含第一輸入端，電連於參考電壓產生器150；第二輸入端，電連於第二金屬氧化半導體電晶體126的源極；和輸出端，電連於第二金屬氧化半導體電晶體的126柵極。第二電阻R2電連於第二金屬氧化半導體電晶體126的源極和第二運算放大器OP2的第二輸入端之間。在一實施例中，第二金屬氧化半導體電晶體126為PMOS電晶體。參考電壓產生器150最好包含一電壓源及二個串聯至接地端的電阻R，用於產生參考電壓Vref。第四電流鏡110電連於第二電壓至電流轉換器104及增益調整電路106，用於接收並傳送第二電壓至電流轉換器104產生的第二電流至增益調整電路106。
第一、第二運算放大器OP1、OP2最好是以CMOS工藝所形成的運算放大器，因此藉由第一、第二運算放大器OP1、OP2的高輸入阻抗及低熱噪聲的特性，可防止輸入電壓Vin過大造成無法工作的情形，並可降低噪聲及減少失真。第一電壓至電流轉換器102將輸入電壓Vin轉換為第一電流，第二電壓至電流轉換器104則將參考電壓Vref轉換為第二電流。第一電壓至電流轉換器102中的第一電阻R1的值為第二電壓至電流轉換器104的第二電阻R2的值的兩倍，因此當輸入電壓Vin的直流電平等於參考電壓Vref的直流電平時，第二電壓至電流轉換器104所輸出的第二電流的值為第一電壓至電流轉換器102所輸出的第一電流的值的兩倍；而當輸入電壓Vin包含交流信號時，則第一電壓至電流轉換器102的輸出電流包含差異值Δi。換句話說，第二電壓至電流轉換器104所輸出的第二電流可表示為2I，而第一電壓至電流轉換器102所輸出的第一電流可表示為(I+Δi)。
增益調整電路106包含第一、第二、第三及第四雙載子電晶體Q1、Q2、Q3、Q4及控制電壓輸入電路122。在本發明的優選實施例中，為了降低成本，第一、第二、第三及第四雙載子電晶體Q1、Q2、Q3、Q4皆為以互補式金屬氧化半導體工藝所形成的寄生橫向雙載子電晶體。參考圖2，圖2為傳統寄生橫向雙載子電晶體200的示意圖。如本領域技術人員所知，寄生橫向雙載子電晶體200由P型非本徵(extrinsic)基極、N型集電極及NPN接面的P型非本徵基極所形成。所謂「橫向」是指電流於晶圓表面橫向地由發射極流至集電極，因此可提供較大的基極阻抗，反應速度快，且易與其它CMOS電路整合。回到圖1，第二電壓至電流轉換器104輸出的電流2I流至第一及第二雙載子電晶體Q1、Q2的發射極；而第一電壓至電流轉換器102輸出的電流(I+Δi)，則通過第一電流鏡112將同樣大小的電流映射至第三及第四雙載子電晶體Q3、Q4的發射極，並汲取流入第一及第二雙載子電晶體Q1、Q2發射極的電流。因此，流入第一及第二雙載子電晶體Q1、Q2發射極的電流為(I-Δi)，流入第三及第四雙載子電晶體Q3、Q4發射極的電流為(I+Δi)。假設第一、第二、第三及第四雙載子電晶體Q1、Q2、Q3、Q4集電極的電流分別為IC1、IC2、IC3、IC4，而第一、第二、第三及第四雙載子電晶體Q1、Q2、Q3、Q4基極至發射極的電流分別為VBE1、VBE2、VBE3、VBE4，可知-VC＝VBE1-VBE2＝VTln(IC1/IC2)-VC＝VBE3-VBE4＝VTln(IC1/IC2)且IC2＝I-Δi-IC1IC3＝I+Δi-IC4因此-VC＝VTln(IC1/(I-Δi-IC1))-VC＝VTln(IC4/(I+Δi-IC4))則IC1＝(I-Δi)/(1+exp(VC/VT))IC4＝(I+Δi)/(1+exp(VC/VT))其中，VT為熱電壓。
另一方面，輸出電路108根據第一及第四雙載子電晶體Q1、Q4的集電極電流IC1、IC4產生輸出電流IO，輸出電路108最好包含第三電流鏡116、第二電流鏡120及輸出電阻RO。第三電流鏡116及第二電流鏡120分別用於將第一及第四雙載子電晶體Q1、Q4的集電極電流IC1、IC4映射至輸出電阻RO，可知
IO＝IC4-IC1＝(2Δi)/(1+exp(VC/VT))則電壓控制放大器100的增益為ΔVout/ΔVin＝(IO×RO)/(Δi×R1)＝(RO/R1)×(2/(1+exp(VC/VT))因此，電壓控制放大器100增益的變動只與控制電壓VC有關，因此藉由本發明的電壓控制放大器100控制增益調整電路106的控制電壓，即可控制輸出電路所產生的輸出電壓。
換言之，在本發明電壓控制放大器100中，當調整控制電壓VC的大小時，輸出信號Vout中只有交流部分會改變，而直流部分則不會改變。由於第一、第二、第三及第四雙載子電晶體Q1、Q2、Q3、Q4皆為以互補式金屬氧化半導體工藝所形成的寄生橫向雙載子電晶體，因此可降低成本，提供較大的基極阻抗，增加反應速度，且易與其它CMOS電路整合。此外，藉由第一、第二運算放大器OP1、OP2的高輸入阻抗及低熱噪聲的特性，可防止輸入電壓Vin過大造成無法工作的情形，並可降低噪聲及減少失真，因此電壓控制放大器100適用於處理大信號的電子裝置中。換言之，本發明可實現處理大信號的電壓控制放大器，並具有低噪聲、低失真且兼顧高整合度及低成本的特性。
因此，本領域技術人員可使用本發明電壓控制放大器100設計不同的應用電路，以降低噪聲、減少失真、提高整合度及減低成本。舉例來說，參考圖3、4、5，圖3為一指數放大器300的示意圖，圖4為一穩定振幅振蕩器400的示意圖，圖5為一可調式低通濾波器500的示意圖。在圖3中，指數放大器300由電壓控制放大器100的接收端接收參考電壓(Vin)，可將輸入電壓Vin′放大為指數倍(通過調整指數放大器300的電阻值，達到所需的倍數)。在圖4中，穩定振幅振蕩器400根據電壓VR、V-改變電壓控制放大器100的控制電壓VC的大小，以通過電壓控制放大器100的輸出端輸出最大振幅為VR的振蕩信號。另外，在圖5中，通過調整電壓控制放大器100的控制電壓VC，可調式低通濾波器500可改變通帶寬度，以取得所需的信號。圖3、4、5的例子在此供說明之用，而不欲限制本發明，本領域技術人員當可根據電壓控制放大器100做出各種可能變化，而不脫離本發明的精神範疇。
綜上所述，本發明電壓控制放大器的增益變化只與控制電壓的大小有關，且輸出信號只有交流部分會改變。另外，增益調整電路的雙載子電晶體皆為以互補式金屬氧化半導體工藝所形成的寄生橫向雙載子電晶體，因此可降低成本，提供較大的基極阻抗，增加反應速度，且易與其它CMOS電路整合。此外，藉由運算放大器的高輸入阻抗及低熱噪聲的特性，可防止輸入電壓過大造成無法工作的情形，並可降低噪聲及減少失真。因此，本發明可實現處理大信號的電壓控制放大器，並具有低噪聲、低失真且兼顧高整合度及低成本的特性。
以上所述僅為本發明的優選實施例，凡依本發明權利要求所做的均等變化與修改，皆應屬本發明的涵蓋範圍。
權利要求
1.一種用於信號處理系統的電壓控制放大器，包含電壓輸入端，用於接收輸入電壓；第一電壓至電流轉換器，電連於所述電壓輸入端，用於根據所述電壓輸入端所接收的輸入電壓，輸出第一電流；參考電流產生器，用於輸出第二電流；增益調整電路，電連於所述第一電壓至電流轉換器和所述參考電流產生器，用於接收所述第一電流和所述第二電流，並調整所述電壓控制放大器的增益，其包含第一雙載子電晶體，包含集電極、基極和發射極；第二雙載子電晶體，包含集電極、基極和發射極；第三雙載子電晶體，包含集電極、基極和發射極；第四雙載子電晶體，包含集電極、基極和發射極；以及控制電壓輸入電路，其一端電連於所述第二雙載子電晶體的基極和所述第三雙載子電晶體的基極，另一端電連於所述第一雙載子電晶體的基極和所述第四雙載子電晶體的基極，用於輸出控制電壓；第一電流鏡，電連於所述第一電壓至電流轉換器、所述增益調整電路、和所述參考電流產生器，其包含參考分路，電連於所述第一電壓至電流轉換器的輸出端，用於傳送所述第一電流；汲取分路，電連於所述參考電流產生器與所述第一雙載子電晶體的發射極及所述第二雙載子電晶體的發射極之間，用於由所述參考電流產生器與所述第一雙載子電晶體的發射極及所述第二雙載子電晶體的發射極之間，汲取大小等於所述第一電流的電流；以及映射分路，電連於所述第三雙載子電晶體的發射極與所述第四雙載子電晶體的發射極之間，用於將大小等於所述第一電流的電流輸入至所述第三雙載子電晶體的發射極與所述第四雙載子電晶體的發射極之間；以及輸出電路，電連於所述增益調整電路，用於判斷所述第一雙載子電晶體的集電極電流與所述第四雙載子電晶體的集電極電流的差值，以輸出輸出電壓；其中，藉由所述控制增益調整電路所輸出的控制電壓，以控制所述輸出電路所輸出的所述輸出電壓。
2.如權利要求1所述的電壓控制放大器，其中所述第二電流的大小約等於所述第一電流的兩倍。
3.如權利要求1所述的電壓控制放大器，其中所述第一雙載子電晶體、所述第二雙載子電晶體、所述第三雙載子電晶體及所述第四雙載子電晶體皆為以互補式金氧半導體工藝所形成的寄生橫向雙載子電晶體。
4.如權利要求1所述的電壓控制放大器，其中所述第一電壓至電流轉換器包含第一金屬氧化半導體電晶體，包含柵極、源極及漏極，所述漏極電連於所述電流鏡的參考分路；第一運算放大器，包含第一輸入端，電連於所述電壓輸入端；第二輸入端，電連於所述金屬氧化半導體電晶體的源極；和輸出端，電連於所述金屬氧化半導體電晶體的柵極；以及第一電阻，電連於所述金屬氧化半導體電晶體的源極和所述運算放大器的第二輸入端之間。
5.如權利要求1所述的電壓控制放大器，其中所述參考電流產生器包含參考電壓產生器，用於產生參考電壓；第二電壓至電流轉換器，電連於所述參考電壓產生器，用於根據所述參考電壓，產生所述第二電流；以及第四電流鏡，電連於所述第二電壓至電流轉換器和所述增益調整電路，用於接收並傳送所述第二電流至所述增益調整電路。
6.如權利要求5所述的電壓控制放大器，其中第二電壓至電流轉換器包含第二金屬氧化半導體電晶體，包含柵極、源極和漏極，所述漏極電連於所述第四電流鏡，用於傳送所述第二電流至所述第四電流鏡；第二運算放大器，包含第一輸入端，電連於所述參考電壓產生器；第二輸入端，電連於所述第二金屬氧化半導體電晶體的源極；和輸出端，電連於所述第二金屬氧化半導體電晶體的柵極；以及第二電阻，電連於所述第二金屬氧化半導體電晶體的源極和所述第二運算放大器的第二輸入端之間。
7.如權利要求1所述的電壓控制放大器，其中所述輸出電路包含第二電流鏡，包含第一分路和第二分路，所述第一分路電連於所述第一雙載子電晶體的集電極，而所述第二分路電連於所述輸出電路的輸出端；以及第三電流鏡，包含第一分路和第二分路，所述第一分路電連於所述第四雙載子電晶體的集電極，而所述第二分路電連於所述輸出電路的所述輸出端。
8.如權利要求7所述的電壓控制放大器，其中所述輸出電路另包含輸出電阻，電連於所述輸出端。
全文摘要
一種用於信號處理系統的電壓控制放大器，其包含電壓輸入端、第一電壓至電流轉換器、增益調整電路、參考電流產生器、第一電流鏡、和輸出電路。所述電壓控制放大器可根據可變控制電壓調整增益，以將輸入電壓依據調整後的增益轉換為輸出電壓，當調整增益時，本發明僅會改變交流信號的大小，而不會改變直流信號的部分，且可降低噪聲、失真及成本，並提高整合度。
文檔編號H03G1/00GK1941617SQ20051010871
公開日2007年4月4日 申請日期2005年9月28日 優先權日2005年9月28日
發明者李勇明 申請人:普誠科技股份有限公司