CN101453196A - 放大器电路 - Google Patents

Abstract

一种放大器电路，其包括有第一电阻、偏移电压产生器、第二电阻、第一运算放大器、第一电容、输出级及第三电阻。在此放大器电路中，由于偏移电压产生器可产生偏移电压，且第一运算放大器的负输入端通过电阻来接收上述的偏移电压，因此此放大器电路的输出讯号的静止点电位可被提升，进而输出完整的输出讯号。

Description

放大器电路

技术领域

本发明涉及一种放大器电路，特别是涉及一种输出波形不会被截掉的放大器电路。

背景技术

图1示出了现有的放大器电路。此放大器电路包括有电容102及108、电阻104及112、运算放大器(operational amplifier)106及输出级(outputstage)110。运算放大器106的二个电源输入端分别耦接电源电压VDD及共同电位GND，负输入端依序通过电阻104及电容102来接收输入讯号VIN，正输入端则接收参考电压Vref，而此参考电压Vref的值为电源电压VDD的值的二分之一，也就是VDD/2。电容108耦接于运算放大器106的负输入端及输出端之间。至于输出级110，其具有输入端、输出端及二个电源输入端，且此输出级110的二个电源输入端分别耦接电源电压AVCC及共同电位GND，而输入端则耦接运算放大器106的输出端。此外，电阻112耦接于运算放大器106的负输入端与输出级110的输出端之间，以将输出级110所输出的输出讯号VOUT回授至运算放大器106的负输入端。

该现有的放大器电路通常用于驱动扬声器(speaker)之类的音响装置，因此提供给输出级110的电源电压AVCC必须要够大。然而，基于高效率、低功率及低成本的考虑，提供给运算放大器106的电源电压VDD必须小于电源电压AVCC。但是，对于此电路而言，当不提供输入讯号VIN时，电流I2会等于电流I1，而这二个电流的值等于零。如此一来，输出讯号VOUT的静止点(quiescent point)便会是VDD/2，如图2所示。图2为图1所示电路的输出讯号VOUT的示意图。请参照图2，当输出讯号VOUT的静止点为VDD/2时，输出讯号VOUT底部的部分会被截掉。

因此，若扬声器之类的后级电路运用上述输出讯号VOUT来进行操作，势必会影响到后级电路的效能表现。

发明内容

本发明的目的是提供一种放大器电路，其输出波形不会被截掉，因而不会影响到后级电路的效能表现。

本发明的目的是提供一种放大器电路，其可提升静止点的电位，因而可输出完整的输出波形。

基于上述及其它目的，本发明提出一种放大器电路，其包括有第一电阻、偏移电压产生器、第二电阻、第一运算放大器、第一电容、输出级及第三电阻。在上述构件当中，第一电阻的其中一端用以接收输入讯号，偏移电压产生器用以提供偏移电压，而第二电阻的其中一端用以接收偏移电压。第一运算放大器具有正输入端、负输入端、输出端及二个电源输入端，其中上述第一运算放大器的二个电源输入端分别耦接第一电源电压及共同电位，负输入端耦接第一电阻的另一端及第二电阻的另一端，而正输入端则接收参考电压。第一电容耦接于第一运算放大器的负输入端与输出端之间。输出级具有输入端、输出端及二个电源输入端，其中上述输出级的二个电源输入端分别耦接第二电源电压及共同电位，且第二电源电压大于第一电源电压，而输出级的输入端耦接第一运算放大器的输出端，输出级的输出端则用以作为放大器电路的输出端。第三电阻的其中一端耦接第一运算放大器的负输入端，而另一端耦接输出级的输出端。

基于上述及其它目的，本发明还提出另一种放大器电路，其包括有第一电阻、第二电阻、偏移电压产生器、第三电阻、第四电阻、全差动运算放大器、第一输出级、第二输出级、第五电阻、第六电阻及第七电阻。在上述构件当中，第一电阻的其中一端用以接收第一输入讯号，第二电阻的其中一端用以接收第二输入讯号，而第二输入讯号与第一输入讯号为差动讯号。偏移电压产生器用以提供偏移电压，而第三电阻的其中一端及第四电阻的其中一端皆用以接收偏移电压。全差动运算放大器具有正输入端、负输入端、正输出端、负输出端及二个电源输入端，其中上述的全差动运算放大器的二个电源输入端分别耦接第一电源电压及共同电位，正输入端耦接第一电阻的另一端及第三电阻的另一端，而负输入端则耦接第二电阻的另一端及第四电阻的另一端。第一输出级具有输入端、输出端及二个电源输入端，其中上述第一输出级的二个电源输入端分别耦接第二电源电压及共同电位，且第二电源电压大于第一电源电压，而第一输出级的输入端耦接全差动运算放大器的负输出端，第一输出级的输出端则用以作为放大器电路的第一输出端。第二输出级具有输入端、输出端及二个电源输入端，其中上述第二输出级的二个电源输入端分别耦接第二电源电压及共同电位，而第二输出级的输入端耦接全差动运算放大器的正输出端，第二输出级的输出端则用以作为放大器电路的第二输出端。第五电阻的其中一端耦接全差动运算放大器的正输入端，而另一端耦接第一输出端。第六电阻的其中一端耦接全差动运算放大器的负输入端，而另一端耦接第二输出端。第七电阻耦接于第一输出端与第二输出端之间。

依照本发明一实施例所述的放大器电路，上述偏移电压的大小包括依据 $\mathrm{Voffset}=(\frac{\mathrm{VDD}}{2}-\frac{\mathrm{AVCC}}{2})\×\frac{\mathrm{Ri}2}{\mathrm{Rf}}+\frac{\mathrm{VDD}}{2}$ 式来计算取得，其中Voffset表示偏移电压，VDD表示第一电源电压，AVCC表示第二电源电压，Ri2表示第二电阻的值，Rf表示第三电阻的值。

本发明因利用偏移电压产生器来提供一偏移电压，此偏移电压再通过电阻耦接至运算放大器的负输入端，或是通过二个电阻分别耦接至全差动运算放大器的正输入端及负输入端，因此可提升放大器电路的输出讯号的静止点电位，进而使放大器电路输出完整的输出讯号。

为使本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并结合附图详细说明如下。

附图说明

图1为现有放大器电路的电路图。

图2为图1所示电路的输出讯号VOUT的示意图。

图3为依照本发明一实施例的放大器电路的电路图。

图4为偏移电压产生器的内部电路图。

图5为输出级316的内部电路图。

图6为图3所示电路的输出讯号VOUT的示意图。

图7为依照本发明另一实施例的放大器电路的电路图。

图8为依照本发明再一实施例的放大器电路的电路图。

附图符号说明

102、108、302、312、710、802、804：电容

104、112、304、308、314、402、404、406、408、412、414、712、806、808、812、814、834、836、838：电阻

106、310、410、416：运算放大器

110、316、822、830：输出级

306、810：偏移电压产生器

502、504：MOS晶体管

702、818、826：比较器

704、820、828：电平移位电路

706、824、832：低通滤波器

708：电感

816：全差动运算放大器

GND：共同电位

VIN、VIN1、VIN2：输入讯号

I₁、I₂：电流

VDD：电源电压

VOUT、VOUT1、VOUT2：输出讯号

Voffset：偏移电压

Vramp：斜波讯号

Vref：参考电压

具体实施方式

图3示出了依照本发明一实施例的放大器电路。此放大器电路包括有电容302及312、偏移电压产生器306、运算放大器310及输出级316，此外，还包括有三个电阻，分别以304、308及314来标示。运算放大器310的二个电源输入端分别耦接电源电压VDD及共同电位GND，负输入端依序通过电阻304及电容302来接收输入讯号VIN，且此负输入端还通过电阻308耦接至偏移电压产生器306，以接收电压产生器306所输出的偏移电压Voffset。运算放大器310的正输入端用以接收参考电压Vref，而此参考电压Vref的值为电源电压VDD的值的二分之一，也就是VDD/2。

上述电容312耦接于运算放大器310的负输入端及输出端之间。至于输出级316，其具有输入端、输出端及二个电源输入端，且此输出级316的二个电源输入端分别耦接电源电压AVCC及共同电位GND，此电源电压AVCC大于电源电压VDD，而输出级316的输入端则耦接运算放大器310的输出端。此外，电阻314耦接于运算放大器310的负输入端与输出级316的输出端之间，以将输出级316所输出的输出讯号VOUT回授至运算放大器310的负输入端。上述电容302是一个阻隔电容(blocking capacitor)，使用者可依照实际需求而决定是否采用。

藉由此放大器电路的构成，可以推导出其输出讯号VOUT的方程式，如下列式(1)所示：

$\mathrm{VOUT}=\frac{\mathrm{VDD}}{2}-(\mathrm{Voffset}-\frac{\mathrm{VDD}}{2})\×\frac{\mathrm{Rf}}{\mathrm{Ri}2}---\left(1\right)$

，假设欲使放大器电路输出具有完整波形的输出讯号VOUT，则必须先令 $\mathrm{VOUT}=\frac{\mathrm{AVCC}}{2},$ 因此可推算出实际应提供的偏移电压Voffset的电压大小，如下列式(2)所示：

$\mathrm{Voffset}=(\frac{\mathrm{VDD}}{2}-\frac{\mathrm{AVCC}}{2})\×\frac{\mathrm{Ri}2}{\mathrm{Rf}}+\frac{\mathrm{VDD}}{2}---\left(2\right)$

，其中Ri2表示电阻308的值，Rf表示电阻314的值。此外，依照上述式(2)来调整式中的各参数，例如调整Ri2或Rf，便能调整偏移电压Voffset的值。

上述偏移电压产生器306的内部电路能有多种不同的设计方式，图4即举出其中的一实施例。图4为偏移电压产生器的内部电路图。请参照图4，此偏移电压产生器包括有运算放大器410及416，还有电阻402、404、406、408、412及414。运算放大器410的负输入端通过电阻402接收电源电压VDD，且负输入端还通过电阻404耦接输出端。至于运算放大器410的正输入端，其通过电阻406接收电源电压AVCC，以及通过点阻408耦接共同电位GND。运算放大器416的负输入端通过电阻412耦接运算放大器410的输出端，且负输入端还通过电阻414耦接输出端。至于运算放大器416的正输入端，其亦接收上述的参考讯号Vref，也就是VDD/2，而运算放大器416的输出端则输出偏移电压Voffset。

基于上述的偏移电压产生器构成，若要使放大器电路输出具有完整波形的输出讯号VOUT，则可将图4中的电阻402及406二者的阻值设为与图3中的电阻314的阻值相同、将图4中的电阻404及408二者的阻值设为图3中的电阻308的阻值的二分之一，且将图4中的电阻412及414二者的阻值设为相同。

此外，上述输出级316的内部电路亦可以有多种不同的设计方式，图5即举出其中的一实施例。图5为输出级316的内部电路图。请参照图5，此输出级316包括有PMOS(P-type metal oxide semiconductor)晶体管502及NMOS(N-type metal oxide semiconductor)晶体管504。PMOS晶体管502的源极用以作为输出级316的其中一电源输入端，以耦接电源电压AVCC，而PMOS晶体管502的栅极与漏极则分别用以当作输出级316的输入端与输出端。NMOS晶体管504的栅极与漏极分别耦接PMOS晶体管502的栅极与漏极，而NMOS晶体管504的源极则用以当作输出级316的另一电源输入端，以耦接共同电位GND。

藉由偏移电压Voffset的提供，图3所示的放大器电路便能够输出具有完整波形的输出讯号VOUT，如图6所示。图6为图3所示电路的输出讯号VOUT的示意图。请参照图6，由图中输出讯号VOUT的波形可知，其静止点已被提升至使得输出讯号VOUT的波形完整。因此，若后级电路运用此输出讯号VOUT来进行操作，就不会影响到后级电路的效能表现。

图7示出了依照本发明另一实施例的放大器电路。请同时参照图7及图3，经比较后可发现，图7所示电路较图3所示电路多增加了比较器702、电平移位电路704、低通滤波器706及电阻712。为了说明的方便，以下先假设输入讯号VIN为弦波讯号。比较器702是一个斜波比较器，其正输入端用以接收斜波讯号Vramp，负输入端则耦接运算放大器310的输出端。如此一来，比较器702便可将运算放大器310的输出与斜波讯号Vramp作比较，进而输出脉冲宽度调制(pulse width modulation，简称PWM)过的讯号。电平移位电路704用以将比较器702的输出作位移，以扩展讯号的电压范围。至于由电感708及电容710所组成的低通滤波器706，则用以将脉冲宽度调制过的讯号恢复成弦波讯号。而电阻712，其是用来推动后级电路的电阻。

基于图7所示电路的教示，本发明还可扩展至具有全差动运算放大器(fully differential operational amplifier)的放大器电路，如图8所示。图8示出了依照本发明再一实施例的放大器电路。请参照图8，此放大器电路包括有电容802及804、偏移电压产生器810、全差动运算放大器816、比较器818及826、电平移位电路820及828、输出级822及830、低通滤波器824及832，还有电阻806、808、812、814、834、836及838，这些构件的耦接方式皆已展现于图中，在此便不再赘述。至于图中的VIN1及VIN2皆表示输入讯号，Voffset表示偏移电压，VDD及AVCC皆表示电源电压，GND表示共同电位，Vramp表示斜波讯号，而VOUT1及VOUT2则皆表示输出讯号。其中，输入讯号VIN1与输入讯号VIN2为差动讯号，而电源电压AVCC同样是大于电源电压VDD。

由于图8所示电路属于差动输入及差动输出型式的放大器电路，因此这个放大器电路的上半部与下半部具有对称性。例如，在理想情况下，电容802与804二者的电容值会一样，电阻806与808二者的阻值会一样，电阻812与814二者的阻值会一样，电阻834与836二者的阻值会一样。同理，其它的构件也具有相同的特性，例如比较器818与826二者的规格会一样。

上述偏移电压产生器810的内部电路同样可利用图4所示的电路构造来实现。然而，如果偏移电压产生器810采用图4所示的电路，为了输出完整的波形，因此便需要调整偏移电压产生器810中的电阻的阻值。请同时参照图8及图4，使用者可将图4中的电阻402及406二者的阻值设为与图8中的电阻834的阻值相同，将图4中的电阻404及408二者的阻值设为图8中的电阻812的阻值的二分之一，并将图4中的电阻412及414二者的阻值设为一样。

此外，在图8所示电路中，电容802及804一样是阻隔电容，使用者可依照实际的需求而决定是否采用。而比较器818及826、电平移位电路820及828、低通滤波器824及832，这些构件的功能和图7电路中的对应构件的功能一样，使用者亦可依照实际的需求而决定是否采用。

综上所述，本发明因利用偏移电压产生器来提供一偏移电压，此偏移电压再通过电阻耦接至运算放大器的负输入端，或是通过二个电阻分别耦接至全差动运算放大器的正输入端及负输入端，因此可提升放大器电路的输出讯号的静止点电位，进而使放大器电路输出完整的输出讯号。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，因此本发明的保护范围以本发明的权利要求为准。

Claims (10)

1.一种放大器电路，其包括：

一第一电阻，其一端接收一输入讯号；

一偏移电压产生器，用以提供一偏移电压；

一第二电阻，其一端接收该偏移电压；

一第一运算放大器，具有正输入端、负输入端、输出端及二个电源输入端，其中上述的二个电源输入端分别耦接一第一电源电压及一共同电位，负输入端耦接该第一电阻的另一端及该第二电阻的另一端，而正输入端则接收一参考电压；

一第一电容，耦接于该第一运算放大器的负输入端与输出端之间；

一输出级，具有输入端、输出端及二个电源输入端，其中上述的二个电源输入端分别耦接一第二电源电压及该共同电位，且该第二电源电压大于该第一电源电压，而该输出级的输入端耦接该第一运算放大器的输出端，该输出级的输出端则用以作为该放大器电路的输出端；以及

一第三电阻，其一端耦接该第一运算放大器的负输入端，而另一端耦接该输出级的输出端。

2.如权利要求1所述的放大器电路，其中该偏移电压的大小包括依据 $\mathrm{Voffset}=(\frac{\mathrm{VDD}}{2}-\frac{\mathrm{AVCC}}{2})\×\frac{\mathrm{Ri}2}{\mathrm{Rf}}+\frac{\mathrm{VDD}}{2}$ 式来计算取得，其中Voffset表示该偏移电压，VDD表示该第一电源电压，AVCC表示该第二电源电压，Ri2表示该第二电阻的值，Rf表示该第三电阻的值。

3.如权利要求1所述的放大器电路，其中该偏移电压产生器包括：

一第二运算放大器；

一第四电阻，其一端耦接该第一电源电压，另一端耦接该第二运算放大器的负输入端；

一第五电阻，耦接于该第二运算放大器的负输入端与输出端之间；

一第六电阻，其一端耦接该第二电源电压，另一端耦接该第二运算放大器的正输入端；

一第七电阻，耦接于该第二运算放大器的正输入端与该共同电位之间；

一第八电阻，其一端耦接该第二运算放大器的输出端；

一第三运算放大器，其负输入端耦接该第八电阻的另一端，正输入端接收该参考电压，而输出端则输出该偏移电压；以及

一第九电阻，耦接于该第三运算放大器的负输入端与输出端之间。

4.如权利要求3所述的放大器电路，其中该第三电阻、该第四电阻及该第六电阻的阻值相同，该第五电阻及该第七电阻的阻值皆为该第二电阻的阻值的二分之一，且该第八电阻及该第九电阻的阻值相同。

5.如权利要求1所述的放大器电路，其中该参考电压的大小为该第一电源电压的值的二分之一。

6.一种放大器电路，其包括：

一第一电阻，其一端接收一第一输入讯号；

一第二电阻，其一端接收一第二输入讯号，其中该第二输入讯号与该第一输入讯号为差动讯号；

一偏移电压产生器，用以提供一偏移电压；

一第三电阻，其一端接收该偏移电压；

一第四电阻，其一端接收该偏移电压；

一全差动运算放大器，具有正输入端、负输入端、正输出端、负输出端及二个电源输入端，其中上述的二个电源输入端分别耦接一第一电源电压及一共同电位，正输入端耦接该第一电阻的另一端及该第三电阻的另一端，而负输入端则耦接该第二电阻的另一端及该第四电阻的另一端；

一第一输出级，具有输入端、输出端及二个电源输入端，其中上述的二个电源输入端分别耦接一第二电源电压及该共同电位，且该第二电源电压大于该第一电源电压，而该第一输出级的输入端耦接该全差动运算放大器的负输出端，该第一输出级的输出端则用以作为该放大器电路的一第一输出端；

一第二输出级，具有输入端、输出端及二个电源输入端，其中上述的二个电源输入端分别耦接该第二电源电压及该共同电位，而该第二输出级的输入端耦接该全差动运算放大器的正输出端，该第二输出级的输出端则用以作为该放大器电路的一第二输出端；

一第五电阻，其一端耦接该全差动运算放大器的正输入端，而另一端耦接该第一输出端；

一第六电阻，其一端耦接该全差动运算放大器的负输入端，而另一端耦接该第二输出端；以及

一第七电阻，耦接于该第一输出端与该第二输出端之间。

7.如权利要求6所述的放大器电路，其中该第三电阻及该第四电阻的阻值相同，而该第五电阻及该第六电阻的阻值相同，且该偏移电压的大小包括依据 $\mathrm{Voffset}=(\frac{\mathrm{VDD}}{2}-\frac{\mathrm{AVCC}}{2})\×\frac{\mathrm{Ri}2}{\mathrm{Rf}}+\frac{\mathrm{VDD}}{2}$ 式来计算取得，其中Voffset表示该偏移电压，VDD表示该第一电源电压，AVCC表示该第二电源电压，Ri2表示该第三电阻及该第四电阻的值，Rf表示该第五电阻及该第六电阻的值。

8.如权利要求6所述的放大器电路，其中该偏移电压产生器包括：

一第一运算放大器；

一第八电阻，其一端耦接该第一电源电压，另一端耦接该第一运算放大器的负输入端；

一第九电阻，耦接于该第一运算放大器的负输入端与输出端之间；

一第十电阻，其一端耦接该第二电源电压，另一端耦接该第一运算放大器的正输入端；

一第十一电阻，耦接于该第一运算放大器的正输入端与该共同电位之间；

一第十二电阻，其一端耦接该第一运算放大器的输出端；

一第二运算放大器，其负输入端耦接该第十二电阻的另一端，正输入端接收一参考电压，而输出端则输出该偏移电压；以及

一第十三电阻，耦接于该第二运算放大器的负输入端与输出端之间。

9.如权利要求8所述的放大器电路，其中该第五电阻、该第六电阻、该第八电阻及该第十电阻的阻值相同，该第三电阻及该第四电阻的阻值相同，且该第九电阻及该第十一电阻的阻值皆为该第三电阻的阻值的二分之一，而该第十二电阻及该第十三电阻的阻值亦相同。

10.如权利要求8所述的放大器电路，其中该参考电压的大小为该第一电源电压的值的二分之一。

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