TWI559676B - Ａｂ類推挽放大器之輸出電路保護裝置 - Google Patents

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Description

AB類推挽放大器之輸出電路保護裝置
本發明是有關於一種互補金氧半導體(CMOS)積體電路技術，且特別是有關於一種用以保護放大器輸出電路之電路以及其方法。
放大器電路在現代電子裝置中隨處可見。電子放大器係將一個訊號的功率及/或振幅(amplitude)放大。在許多實際應用中，功率放大器電路被用於一個系統的輸出級(output stage)以驅動一外在裝置。舉例來說，在音頻系統(audio system)中，輸出功率放大器時常被使用來驅動一個外在的擴音器或手持電話。
對類比訊號放大而言，功率放大器電路的輸出級可被分類為：A類、B類、AB類，以及C類等等，此分類係根據放大裝置在輸入訊號週期中的哪一之部分運作而決定的。
A類放大器在整個輸入訊號週期中運作，使得輸出訊號為整個輸入訊號的一個放大版複製品，而沒有任何被限幅(clipping)的部分。A類放大器是被用以實現小訊號放大器(small-signal amplifier)的常用手段。在一A類電路中，放大裝置操作在它的特性曲線之線性部分。由於此類裝置總是處於運作狀態，故不論是否有輸入訊號，A類電路都會從電源供應端汲取電力。因此，A類放大器往往是相對低效率的電路，尤其對於大功率裝置而言更是如此。
相較之下，B類放大器只會放大輸入訊號之週期的一半。也因此，其較容易導致訊號失真(signal distortion)，但與A類放大器相比，其具有較佳的效率。這是由於放大元件在一半的週期內是處於關斷(switched off)，使其在一半的時間之內是不消耗能量的。而使用B類放大器的其中一個應用是互補(complementary pair)或推挽式(push-pull)的電路配置。在這裡，互補式裝置被用以分別放大輸入訊號之兩個相對的半週期(opposite halves)，之後這兩個放大後的半週期會在輸出端被重新組合在一起。這種安排會改進效能，但是需承受由於在兩個半週期訊號之接合處(joints)的不匹配所導致的缺陷，此不匹配的情況就是所謂的交越失真(crossover distortion)。一種改善前述缺陷的方式是藉由對裝置偏壓使得這兩個裝置不在使用中時皆不完全關斷。而這樣的訊號運作模式即為所謂的AB類運作。
在一個AB類運作中，和B類運作相似的，各個裝置在訊號週期的一半運作，但是這兩個裝置分別在另外一半的半週期內另外運作一小段訊號區間。如此一來，當這兩個裝置所輸出的波形被組合時，會產生較少的交越失真。此處，使兩個主動元件分別運作超過一個半週期的時間，即是用以減少B類放大器之交越失真的手段。
在某些應用中，會想要使用C類放大器，這類放大器處理少於輸入訊號的一半，且在輸出端的失真度極高，然而其可以達到很高的效能。而C類放大器的其中一個應用即為射頻發射器。
音頻放大器是一種放大低功率的音頻訊號以驅動揚聲器的電子放大器。音頻訊號的頻率通常介於20赫茲至20,000赫茲之間，也就是人類聽覺的感知範圍。在一個典型的音頻系統中，音頻放大器的前端通常具有一個低功率音頻放大器，以處理一些諸如前置放大(pre-amplification)、等化、音調控制，混合/特效，或是像如唱盤、CD播放器和MP3串流等音頻源的工作。音頻系統用於公共廣播系統、戲劇和音樂會擴聲、家庭音響系統，以及手機和平板電腦等。個人電腦中的音效卡通常包含有數個音頻放大器以做為各個立體聲或家庭電影院系統。音頻放大器通常需要滿足嚴格的性能要求。在一些應用中，傳送到音頻放大器的輸入訊號可以被測量到只有幾百微瓦(microwatt)，然而，其所輸出的功率可以是幾十或幾百瓦。
由於前述這些需求，AB類推挽電路在音頻功 率放大器中是一個很受歡迎的設計選項。即使音頻放大器電路被廣泛使用在許多應用中，其仍存在有許多限制。下述即為幾個例子，第1A圖為一傳統音頻系統之一輸出部分100的簡化示意圖。如第1A圖所示，一音頻訊號102係輸入一放大器104，其放大該音頻訊號並驅動一揚聲器108。輸出部分100的示意圖為第1B圖，其中該放大器被顯示為一前置放大器(preamplifier)105以及一個具有一個P型金氧半(PMOS)驅動裝置以及一個N型金氧半(NMOS)驅動裝置的互補金氧半(CMOS)輸出驅動電路106。揚聲器108被顯示為一個等效8歐姆的電阻負載。
在某些AB類放大器中，會使用到一個疊接(cascode)輸出級。疊接放大器通常具有一個共源極(common source)放大器作為一個被訊號源驅動的輸入級。而這個輸入級驅動一個做為輸出級的共閘極(common gate)放大器。這種疊接結構將提供一個潛在的更大的增益以及一個更大的頻帶寬度。它也同時讓低電壓裝置因此得以使用在較高電壓的電路中。此即為在輸出級使用疊接的主要原因。
第2圖所示為一傳統推挽AB類疊接放大器之輸出電路的電路圖。如第2圖所示，輸出電路200包含有一第一電源節點201以耦接至一正電源V0、一第二電源節點202以耦接至一負電源V1，以及一輸出節點205。輸出電路200更包含有串聯於第一電源節點201與輸出節點205之間的一第一P型金氧半電晶體(PMOS transistor)P1以及一第二P 型金氧半電晶體P2。第一P型金氧半電晶體P1之汲極(drain)與第二P型金氧半電晶體P2之源極(source)係耦接於節點207。輸出電路200更包含有串聯於輸出節點205與負電源供應端202之間的一第一N型金氧半電晶體N1與一第二N型金氧半電晶體N2。第一N型金氧半電晶體N1的汲極與第二N型金氧半電晶體N2之源極耦接於節點208。第一輸入節點In1耦接於第一P型金氧半電晶體P1之閘極(gate)。第二輸入節點In2耦接至第一N型金氧半電晶體N1之閘極。在第2圖中，正電源V0與負電源V1連接至一接地節點GND。由第2圖可看到第二P型金氧半電晶體P2之閘極與第二N型金氧半電晶體N2之閘極皆被一接地節點GND之接地電壓所偏壓。
由於觀察到傳統疊接放大器所遭受的各種限制，例如，傳統疊接裝置通常由一個相當於供應電壓(或接地電壓)之一半(halfway)的固定電壓所偏壓。這些疊接裝置對於靜態操作與小輸出訊號而言很適當。然而，這種配置將只能用以在裝置具有一個高於一半最大電壓擺幅(maximum voltage swimg)的崩潰電壓時處理大訊號。而這種限制是不受歡迎的，因為具有較高崩潰電壓的裝置往往需要更複雜的製程和更高的成本。因此，急需提供一種使用具有低崩潰電壓之裝置，但能容許高操作電壓範圍的疊接放大器設計。
本發明之一實施例係提供一種方法，其是依據輸出電壓提供偏壓至疊接電晶體，以保護AB類輸出級之輸出裝置。根據本發明之實施例，其係提供一放大器之一輸出電路，其包含有一用以耦接至一正電源之第一電源節點，一用以耦接至一負電源之第二電源節點，以及一輸出節點。該輸出電路更包含有串聯於該第一電源節點與該輸出節點之間之一第一P型金氧半電晶體以及一第二P型金氧半電晶體，以及串聯於該輸出節點與該第二電源節點之間之一第一N型金氧半電晶體以及一第二N型金氧半電晶體。該輸出電路更包含有一耦接至該第一P型金氧半電晶體之一閘極的第一輸入端，以及一耦接至該第一N型金氧半電晶體之一閘極的第二輸入端。此外，輸出電路具有耦接於該輸出節點以及一接地節點GND之一分壓器，該分壓器包含有連接於一第一節點之一第一電阻以及一第二電阻。該輸出電路更包含有兩個源極隨耦器。其中一第一源極隨耦器包含有一第三P型金氧半電晶體，該第三P型金氧半電晶體具有耦接至該第一節點之一閘極，以及耦接至該第二N型金氧半電晶體之一閘極的一源極。而第二源極隨耦器，包含有一第三N型金氧半電晶體，該第三N型金氧半電晶體具有耦接至該第一節點之一閘極，以及耦接至該第二P型金氧半電晶體之一閘極之一源極。
於前述輸出電路之一實施例，該第一P型金氧半電晶體係用以接收一第一輸入訊號，而該第一N型金氧半電晶體係用以接收一第二輸入訊號。
在一實施例中，於該第二N型金氧半電晶體之該閘極之一偏壓，係用以追隨該輸出節點之一電壓。
在一實施例中，該第一N型金氧半電晶體之一汲極電壓係由該第一電阻與該第二電阻之電阻值以及該第三P型金氧半電晶體以及該第二N型金氧半電晶體之臨界電壓所決定。
在一實施例中，該第一N型金氧半電晶體之特徵係在一於運作時低於一第一電壓限之汲極至源極電壓。
在一實施例中，於該第二P型金氧半電晶體之該閘極之一偏壓係用以追隨該輸出節點之一電壓。
在一實施例中，該第一P型金氧半電晶體之一汲極電壓係由該第一電阻與該第二電阻之電阻值以及該第三N型金氧半電晶體以及該第二P型金氧半電晶體之臨界電壓所決定。
在一實施例中，該第一P型金氧半電晶體之特徵係在一於運作時低於一第二電壓限之汲極至源極電壓。
在一實施例中，於該第二N型金氧半電晶體之該閘極之一偏壓係用以追隨該輸出節點之一電壓。
根據本發明之另一實施例，其係提供一種AB類推挽放大器之輸出電路，包含有：一上疊接輸出級，其具有串聯於一正電源供應節點與一輸出節點之間之一第一P型金氧半電晶體以及一第二P型金氧半電晶體，其中該第一P型金氧半電晶體係用以接收一第一互補輸入訊號。輸出電路更具有一下疊接輸出級，其具有串聯於一負電源供應節點以 及該輸出節點之間之一第一N型金氧半電晶體以及一第二N型金氧半電晶體，其中該第一N型金氧半電晶體係用以接收一第二互補輸入訊號。輸出電路更具有一偏壓電路，其具有一分壓器以及兩個源極隨耦器。該分壓器耦接至該輸出節點，以提供一相關於該輸出節點之電壓的第一電壓訊號。一第一源極隨耦器，耦接以接收該第一電壓訊號並用以提供一第一偏壓至該下疊接輸出級中之該第二N型金氧半電晶體之一閘極。一第二源極隨耦器，耦接以接收該第一電壓訊號並用以提供一第二偏壓至該上疊接輸出級中之該第二P型金氧半電晶體之一閘極。
在前述輸出電路之一實施例，該第一源極隨耦器包含有一第三P型金氧半電晶體，該第三P型金氧半電晶體具有耦接至該分壓器之一第一節點的一閘極，以及耦接至該第二N型金氧半電晶體之一閘極的一源極。
在一實施例中，該第二源極隨耦器包含有一第三N型金氧半電晶體，該第三N型金氧半電晶體具有耦接至該分壓器之一第一節點的一閘極，以及耦接至該第二P型金氧半電晶體之一閘極的一源極。
在一實施例中，該第一N型金氧半電晶體之特徵係在一於運作時低於一第一電壓限之汲極至源極電壓。
在一實施例中，該第一P型金氧半電晶體之特徵係在一於運作時低於一第二電壓限之汲極至源極電壓。
根據本發明之另一實施例，其係提供一種AB類推挽放大器之輸出電路，其包含有一上疊接輸出級以及一 下疊接輸出級。該上疊接輸出級具有串聯於一正電源供應節點與一輸出節點之間之一第一P型金氧半電晶體以及一第二P型金氧半電晶體，該第一P型金氧半電晶體係用以接收一第一互補輸入訊號。該下疊接輸出級具有串聯於一負電源供應節點以及該輸出節點之間之一第一N型金氧半電晶體以及一第二N型金氧半電晶體，該第一N型金氧半電晶體係用以接收一第二互補輸入訊號。輸出電路更包含一偏壓電路，用以提供一第一偏壓至該第二N型金氧半電晶體之一閘極以及提供一第二偏壓至該第二P型金氧半電晶體之一閘極，該第一偏壓與該大致上與該輸出電壓成正比。
在前述輸出電路之一實施例，該偏壓電路具有一耦接至該輸出節點之分壓器，用以提供一正比於該輸出節點之電壓的第一電壓訊號。偏壓電路更包含有一第一源極隨耦器，其耦接以接收該第一電壓訊號並用以提供該第一偏壓至該第二N型金氧半電晶體之該閘極。偏壓電路更具有一第二源極隨耦器，其耦接以接收該第一電壓訊號並用以提供該第二偏壓至該第二P型金氧半電晶體之該閘極。
在一實施例中，該第一源極隨耦器包含有一第三P型金氧半電晶體，其具有耦接至該分壓器之一第一節點的一閘極，以及耦接至該第二N型金氧半電晶體之一閘極的一源極。
在一實施例中，該第二源極隨耦器包含有一第三N型金氧半電晶體，其具有耦接至該分壓器之一第一節點的一閘極，以及耦接至該第二P型金氧半電晶體之一閘極的 一源極。
在一實施例中，該第一N型金氧半電晶體之特徵係在一於運作時低於一第一電壓限之汲極至源極電壓。
在一實施例中，該第一P型金氧半電晶體之特徵係在一於運作時低於一第二電壓限之汲極至源極電壓。
100‧‧‧輸出部分
102‧‧‧音頻訊號
104‧‧‧放大器
105‧‧‧前置放大器
106‧‧‧互補金氧半輸出驅動電路
108‧‧‧揚聲器
200‧‧‧輸出電路
201‧‧‧第一電源節點
202‧‧‧第二電源節點
205‧‧‧輸出節點
207‧‧‧節點
208‧‧‧節點
301‧‧‧曲線
307‧‧‧曲線
407‧‧‧曲線
500‧‧‧輸出電路
501‧‧‧節點
502‧‧‧節點
505‧‧‧輸出節點
507‧‧‧節點
508‧‧‧節點
510‧‧‧分壓器
515‧‧‧第一內部分壓節點
520‧‧‧源極隨耦器
522‧‧‧源極
530‧‧‧源極隨耦器
532‧‧‧源極
601‧‧‧曲線
603‧‧‧曲線
605‧‧‧曲線
607‧‧‧曲線
706‧‧‧曲線
708‧‧‧曲線
P1‧‧‧電晶體
P2‧‧‧電晶體
P3‧‧‧電晶體
P4‧‧‧電晶體
N1‧‧‧電晶體
N2‧‧‧電晶體
N3‧‧‧電晶體
N4‧‧‧電晶體
GND‧‧‧接地節點
R1‧‧‧電阻
R2‧‧‧電阻
R3‧‧‧電阻
R4‧‧‧電阻
C1‧‧‧電容
C2‧‧‧電容
V0‧‧‧正電源
V1‧‧‧負電源
In1‧‧‧輸入節點
In2‧‧‧輸入節點
第1A圖為一傳統音頻系統之一輸出部分的簡化示意圖；第1B圖為另一傳統音頻系統之一輸出部分的簡化示意圖；第2圖所示為一傳統推挽AB類疊接放大器之輸出電路的電路圖；第3圖為第2圖之輸出電路中不同電路節點之電壓的示意圖；第4圖為第2圖之輸出電路中不同電路節點之電壓的另一示意圖；第5圖為根據本發明之一實施例一輸出電路之電路圖；第6圖所示為根據本發明之一實施例第5圖中輸出電路之不同電路節點之電壓示意圖；以及第7圖所示為根據本發明之一實施例當輸出電壓變化時第5圖中輸出電路之不同電路節點之電壓示意圖。
在一具有一電荷泵以產生一負供應電壓的音頻系統中，用以驅動如線性輸出、手持電話、耳機等輸出的放大器，其輸出電晶體之間的跨壓可能比這些輸出電晶體的崩潰電壓來的高。堆疊(stacking)，或稱疊接(cascoding)裝置可有助於使得電路更加強健。如第2圖所示以及如前所述，傳統疊接裝置常被一個在供應電壓(或接地電壓)中間的(halfway)的一個固定電壓所偏壓。這些疊接裝置對於靜態操作與小輸出訊號而言也許適當。然而，當處理的訊號是大訊號時，裝置的跨壓將高於電晶體的崩潰電壓極限，使得裝置需耗費更多的成本以具備較高的崩潰電壓。
第3圖為第2圖之輸出電路200中不同電路節點之電壓的示意圖。在第3圖中，縱軸顯示了在不同電路節點之電壓的大小，而橫軸顯示第2圖之輸出電路200中的輸入電壓。在此例中，正供應電壓可為2伏特，而負供應電壓則為負2伏特。第3圖顯示了當放大器的增益被設為1，且放大器的輸入由負2伏特改變至2伏特時，電路中的電壓情形。在此例中，電晶體具有一個2伏特的源極-汲極電壓極限。曲線301顯示了第2圖之輸出節點205的電壓，原則上，其可在負2伏特至2伏特間變化。曲線307顯示N型金氧半電晶體N1之汲極(即節點208)的電壓，其也同時為N型金氧半電晶體N2之源極的電壓。可見N型金氧半電晶體N2之源極-汲極電壓降可以高達2.25伏特，高於規格所要求的2伏特源極-汲極電壓。
第4圖為第2圖之輸出電路200中不同電路節點 之電壓的另一示意圖。第4圖與前述之第3圖近似，但是聚焦在第2圖中之P型疊接金氧半電晶體P1與P2。在第4圖中，縱軸顯示了在不同電路節點之電壓的大小，而橫軸顯示了當AB類放大器之增益被設為1時第2圖之輸出電路200中的輸入電壓。曲線301顯示了第2圖之輸出節點205的電壓，原則上，其可在負2伏特至2伏特間變化。曲線407顯示P型金氧半電晶體P1之汲極(即節點207)的電壓，其也同時為P型金氧半電晶體P2之源極的電壓。可見P型金氧半電晶體P2之源極-汲極電壓降可以高達2.47伏特，高於規格所要求的2伏特源極-汲極電壓。
由此可看出在傳統輸出電路，疊接電晶體的源極-汲極電壓時常無法維持在電晶體的裝置規格範圍內。本發明的實施例提供一種方法，其是依據輸出電壓提供偏壓至疊接電晶體，以使得疊接電晶體之跨壓於運作中維持在電壓規格中，以保護AB類輸出級之輸出裝置。在一實施例中，偏壓電路包含有連接至放大器之輸出的分壓器，以及兩個連接於分壓器以及兩疊接電晶體之間的源極隨耦器。後下將敘述一實施例。
第5圖為根據本發明之一實施例中一輸出電路500之電路圖。如第5圖所示，輸出電路500包含有正電源節點501以耦接至一正電源V0，負電源節點502以耦接至一負電源V1，以及一輸出節點505。輸出電路500更包含有串聯於正電源節點501以及輸出節點505之間之第一P型金氧半電晶體P1以及第二P型金氧半電晶體P2。電晶體P1之汲 極以及電晶體P2之源極連接於節點507。輸出電路500更包含有串聯於輸出節點505以及負電源節點502之間之第一N型金氧半電晶體N1與第二N型金氧半電晶體N2。電晶體N1之汲極與電晶體N2之源極連接於節點508。第一輸入節點In1耦接至第一P型金氧半電晶體P1之閘極。第二輸入節點In2耦接至第一N型金氧半電晶體N1之閘極。分壓器510耦接至輸出節點505，且其包含有第一電阻R1與第二電阻R2。第一電阻R1與第二電阻R2連接於第一內部分壓節點515。輸出電路500更包含有第一源極隨耦器520，其包含有第三P型金氧半電晶體P3，而第三P型金氧半電晶體P3具有一閘極耦接至第一內部分壓節點515，以及一源極522耦接至第二N型金氧半電晶體N2之閘極以提供一偏壓。輸出電路500更包含有一第二源極隨耦器530，其包含有一第三N型金氧半電晶體N3，第三N型金氧半電晶體N3具有一閘極耦接至第一內部分壓節點515以及一源極532耦接至第二N型金氧半電晶體N2之閘極以提供一偏壓。
如第5圖所示，P型金氧半電晶體P1與P2之基極節點係耦接至正電源節點501。N型金氧半電晶體N1與N2之基極節點耦接至負電源節點502。源極隨耦器之P型金氧半電晶體P3具有一基極節點耦接至其源極。相似的，源極隨耦器530之N型金氧半電晶體N3具有一基極節點耦接至其源極。在第5圖中，輸入節點In1經由串聯之電阻R3與電容C1耦接至輸出節點505。相似的，輸入節點In2經由串聯之電阻R4與電容C2耦接至輸出節點505。
在第5圖中，正電源V0連接於正電源節點501以及一接地節點GND之間，且負電源V1連接於接地節點GND以及一負電源節點502之間。源極隨耦器520更包含有一負載裝置P型金氧半電晶體P4耦接至P型金氧半電晶體P3。P型金氧半電晶體P4具有一閘極連接至接地節點GND，以及連接至正電源節點501的一源極和一基極。源極隨耦器530更包含有一負載裝置N型金氧半電晶體N4耦接至N型金氧半電晶體N3。N型金氧半電晶體N4具有一閘極連接至接地節點GND，以及連接至負電源節點502的一源極和一基極。
在一實施例中，第5圖之輸出電路500可被用作一AB類放大器之輸出裝置。輸入節點In1與In2係用以接收諸如音頻輸入信號等訊號之輸入信號，並將此輸入信號提供給疊接輸出電晶體P1、P2、N1以及N2。如第5圖所示，電晶體P1與N2之偏壓係由偏壓電路所生，且這些偏壓係相依於輸出節點505之輸出電壓。偏壓電路包含有連接至放大器之輸出的分壓器510，以及兩個連接於分壓器510以及兩個疊接電晶體P2和N2之間的源極隨耦器520與530。此處，分壓器510可使輸出電壓的一部份(fraction)作為偏壓。此外，源極隨耦器可提供偏壓電路中的阻隔器。
在一些實施例中，電晶體P3和N3之汲極耦接至接地節點GND以提供疊接電晶體P2和N2更高的閘極-源極電壓Vgs。在其他實施例中，電晶體P3和N3之汲極並不一定要耦接至接地節點GND。
第6圖所示為根據本發明之一實施例第5圖中輸 出電路500之不同電路節點之電壓示意圖。在第6圖中，縱軸顯示了在不同電路節點之電壓的大小，而橫軸顯示了當AB類放大器之增益被設為1時第5圖之輸出電路500中的輸入電壓。在此例中，正供應電壓可為2伏特，且負供應電壓可為負2伏特。在本實施例中，電晶體具有2伏特之源極-汲極電壓極限。曲線601顯示輸出節點505的的電壓，其可在負2伏特至2伏特間變化。然而，在本實施例中，一箝位電路(clamping circuit)(未顯示於第5圖)可避免輸出電壓達到在圖的兩端之2伏特和負2伏特的極限。在第5圖中，曲線603顯示了分壓器510之第一內部分壓節點515的電壓，其透過電阻R1和R2，以跟隨曲線601，曲線601即為輸出節點505的電壓。曲線605顯示了第5圖中N型金氧半電晶體N2之閘極電壓。可看出疊接電晶體N2之閘極偏壓(如曲線605所示)跟隨著分壓器510之第一內部分壓節點515的電壓，第一內部分壓節點515的電壓則跟隨著曲線601。曲線607顯示了N型金氧半電晶體N1之汲極(即節點508)的電壓，其同為N型金氧半電晶體N2之源極的電壓。可看出N型金氧半電晶體N1之汲極(即節點508)一直維持在0伏特以下。如此將使得N型金氧半電晶體N1之汲極電壓維持在負2伏特與0伏特之間。據此，N型金氧半電晶體N1之源極-汲極電壓降維持在2伏特以下，因此符合規格所需之2伏特的源極-汲極電壓。此外，N型金氧半電晶體N2之源極-汲極電壓降，其為曲線601與607之間的電壓，也同樣維持在2伏特之內。
參照第5圖之電路圖以及第6圖之電壓圖可知，N型金氧半電晶體N1之汲極電壓(如曲線607所示)係與N型金氧 半電晶體N2之源極電壓相同，其係低於N型金氧半電晶體N2之閘極電壓一個N型金氧半電晶體N2之閘極-源極電壓。由第5圖可知，電晶體N2的閘極偏壓係由分壓器510之第一內部分壓節點515與源極隨耦器520之P型金氧半電晶體P3閘極-源極電壓之間的差值所得出。電晶體之閘極-源極電壓則與其臨界電壓相關，而第一內部分壓節點515之電壓是經由分壓器510由輸出節點505之輸出電壓所得出。因此，在本發明之實施例中，疊接N型金氧半電晶體N2之汲極電壓可由分壓器之電阻R1與R2、N型金氧半疊接電晶體N2之臨界電壓以及源極隨耦器520之P型金氧半電晶體P3臨界電壓所得出。藉由選擇恰當的電阻R1與R2之電阻值、以及電晶體N2和P3之臨界電壓，可使電晶體N1和N2之閘極-源極電壓降維持在一個所需的電壓規格之內。另外，藉由偏壓電路之一源極隨耦器可隔絕疊接電晶體之閘極偏壓與輸出節點。
請注意到，在第6圖中，代表N型金氧半電晶體N2之閘極電壓的曲線605不會低於接地電壓。藉由一個電阻負載，當輸出電壓接近負供應電源軌(negative supply rail)時，N型金氧半電晶體N1與N2將必須吸收大電流。電晶體之導通電阻值必須盡可能的小。因此，N2之閘極電壓被箝位於接地電壓，而並不會跟隨輸出電壓(如曲線601所示)至負電壓範圍。
第7圖所示為根據本發明之一實施例當輸出電壓變化時第5圖中輸出電路之不同電路節點之電壓示意圖。第7圖與前述之第6圖相似，但是聚焦於P型疊接金氧半電晶體P1與P2。在第7圖中，縱軸顯示了在不同電路節點之電壓的大小， 而橫軸顯示了當AB類放大器之增益被設為1時第5圖之輸出電路中的輸入電壓。同樣地，正供應電壓為2伏特，而負供應電壓為負2伏特。電晶體具有2伏特之源極-汲極電壓極限。與第6圖中所繪示的內容相似，曲線601顯示輸出節點505的電壓，而曲線603顯示了分壓器510之第一內部分壓節點515的電壓，其追隨著曲線601，亦即輸出節點505的電壓。在第7圖中，曲線706顯示了第5圖之P型金氧半電晶體P2之閘極偏壓。可看出疊接電晶體P2之閘極偏壓追隨著分壓器510之第一內部分壓節點515的電壓，而第一內部分壓節點515的電壓追隨著曲線601，輸出節點505之電壓。在第7圖中，曲線708代表P型金氧半電晶體P1之汲極電壓，其亦為P型金氧半電晶體P2之源極處的電壓。可看出P型金氧半電晶體P1之汲極(即節點507)維持在0伏特以上。因此，P型金氧半電晶體P1之汲極電壓可維持在0伏特之上。據此，P型金氧半電晶體P1之源極-汲極電壓降維持在2伏特以下，因此符合規格所需之2伏特的源極-汲極電壓。此外，P型金氧半電晶體P2之源極-汲極電壓降，其為曲線601與708之間的電壓，也同樣維持在2伏特之內。
請注意到在第7圖中，代表P型金氧半電晶體P2之閘極電壓之曲線706，並不會高於接地電壓。藉由一個電阻負載，當輸出電壓接近於正電源軌(positive supply rail)時，P型金氧半電晶體P1與P2將必須輸出大電流。電晶體P1與P2之導通電阻值必須盡可能的小。因此，P型金氧半電晶體P2之閘極電壓可以被箝位於接地電壓，而並不會跟隨輸出電壓(如曲線601所示)至高電壓範圍。
與前述與第5圖相關之敘述相似的，藉由選擇恰當的電阻R1與R2之電阻值、以及電晶體P2和N3之臨界電壓，於疊接電晶體P1之汲極-源極電壓降可維持在一個所需的電壓規格之內。
因此，本發明的實施提供了一種方法，其是依據輸出電壓提供偏壓至疊接電晶體，以保護AB類輸出級之輸出裝置。在一實施例中，偏壓電路包含有連接至放大器之輸出的分壓器，以及兩個連接於分壓器以及兩疊接電晶體之間的源極隨耦器。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
500‧‧‧輸出電路
501‧‧‧節點
502‧‧‧節點
505‧‧‧輸出節點
507‧‧‧節點
508‧‧‧節點
510‧‧‧分壓器
515‧‧‧第一內部分壓節點
520‧‧‧源極隨耦器
522‧‧‧源極
530‧‧‧源極隨耦器
532‧‧‧源極
P1-P4‧‧‧電晶體
N1-N4‧‧‧電晶體
GND‧‧‧接地節點
R1-R4‧‧‧電阻
C1-C2‧‧‧電容
V0、V1‧‧‧電源
In1、In2‧‧‧節點

Claims (20)

  1. 一種放大器之輸出電路，包含有：一第一電源節點，以耦接至一正電源；一第二電源節點，以耦接至一負電源；一輸出節點；一第一P型金氧半電晶體(PMOS transistor)以及一第二P型金氧半電晶體，係串聯於該第一電源節點與該輸出節點之間；一第一N型金氧半電晶體(NMOS transistor)以及一第二N型金氧半電晶體，係串聯於該輸出節點與該第二電源節點之間；一第一輸入端，耦接至該第一P型金氧半電晶體之一閘極；一第二輸入端，耦接至該第一N型金氧半電晶體之一閘極；一分壓器，耦接於該輸出節點以及一接地節點，該分壓器包含有連接於一第一節點之一第一電阻以及一第二電阻；一第一源極隨耦器，包含有一第三P型金氧半電晶體，該第三P型金氧半電晶體具有耦接至該第一節點之一閘極，以及耦接至該第二N型金氧半電晶體之一閘極的一源極；以及一第二源極隨耦器，包含有一第三N型金氧半電晶體，該第三N型金氧半電晶體具有耦接至該第一節點之一閘極，以及耦接至該第二P型金氧半電晶體之一閘極之一源極。
  2. 如請求項1所述之輸出電路，其中該第一P型 金氧半電晶體係用以接收一第一輸入訊號，而該第一N型金氧半電晶體係用以接收一第二輸入訊號。
  3. 如請求項1所述之輸出電路，其中於該第二N型金氧半電晶體之該閘極之一偏壓係用以追隨該輸出節點之一電壓。
  4. 如請求項3所述之輸出電路，其中該第一N型金氧半電晶體之一汲極電壓係由該第一電阻與該第二電阻之電阻值以及該第三P型金氧半電晶體以及該第二N型金氧半電晶體之臨界電壓所決定。
  5. 如請求項3所述之輸出電路，其中該第一N型金氧半電晶體具有於運作時低於一第一電壓限之一汲極至源極(drain-to-source)電壓。
  6. 如請求項1所述之輸出電路，其中於該第二P型金氧半電晶體之該閘極之一偏壓係用以追隨該輸出節點之一電壓。
  7. 如請求項6所述之輸出電路，其中該第一P型金氧半電晶體之一汲極電壓係由該第一電阻與該第二電阻之電阻值以及該第三N型金氧半電晶體以及該第二P型金氧半電晶體之臨界電壓所決定。
  8. 如請求項6所述之輸出電路，其中該第一P型金氧半電晶體具有於運作時低於一第二電壓限之一汲極至源極電壓。
  9. 如請求項6所述之輸出電路，其中於該第二N型金氧半電晶體之該閘極之一偏壓係用以追隨該輸出節點之一電壓。
  10. 一種AB類推挽放大器之輸出電路，包含有：一上疊接輸出級，包含有串聯於一正電源供應節點與一輸出節點之間之一第一P型金氧半電晶體以及一第二P型金氧半電晶體，該第一P型金氧半電晶體係用以接收一第一互補輸入訊號；一下疊接輸出級，包含有串聯於一負電源供應節點以及該輸出節點之間之一第一N型金氧半電晶體以及一第二N型金氧半電晶體，該第一N型金氧半電晶體係用以接收一第二互補輸入訊號；以及一偏壓電路，包含有：一分壓器，耦接至該輸出節點，用以提供相關於該輸出節點之一電壓的一第一電壓訊號；一第一源極隨耦器，用以接收該第一電壓訊號並用以提供一第一偏壓至該下疊接輸出級中之該第二N型金氧半電晶體之一閘極；以及一第二源極隨耦器，用以接收該第一電壓訊號並用以 提供一第二偏壓至該上疊接輸出級中之該第二P型金氧半電晶體之一閘極。
  11. 如請求項10所述之輸出電路，其中該第一源極隨耦器包含有一第三P型金氧半電晶體，該第三P型金氧半電晶體具有耦接至該分壓器之一第一節點的一閘極，以及耦接至該第二N型金氧半電晶體之一閘極的一源極。
  12. 如請求項10所述之輸出電路，其中該第二源極隨耦器包含有一第三N型金氧半電晶體，該第三N型金氧半電晶體具有耦接至該分壓器之一第一節點的一閘極，以及耦接至該第二P型金氧半電晶體之一閘極的一源極。
  13. 如請求項10所述之輸出電路，其中該第一N型金氧半電晶體具有於運作時低於一第一電壓限之一汲極至源極電壓。
  14. 如請求項10所述之輸出電路，其中該第一P型金氧半電晶體具有於運作時低於一第二電壓限之一汲極至源極電壓。
  15. 一種AB類推挽放大器之輸出電路，包含有：一上疊接輸出級，包含有串聯於一正電源供應節點與一輸出節點之間之一第一P型金氧半電晶體以及一第二P型金氧 半電晶體，該第一P型金氧半電晶體係用以接收一第一互補輸入訊號；一下疊接輸出級，包含有串聯於一負電源供應節點以及該輸出節點之間之一第一N型金氧半電晶體以及一第二N型金氧半電晶體，該第一N型金氧半電晶體係用以接收一第二互補輸入訊號；以及一偏壓電路，用以提供一第一偏壓至該第二N型金氧半電晶體之一閘極以及提供一第二偏壓至該第二P型金氧半電晶體之一閘極，該輸出節點之一輸出電壓會回授至該偏壓電路，使該第一偏壓及該第二偏壓與該輸出節點的該輸出電壓成正比。
  16. 如請求項15所述之輸出電路，其中該偏壓電路包含有：一分壓器，耦接至該輸出節點，用以提供正比於該輸出節點之一電壓的一第一電壓訊號；一第一源極隨耦器，用以接收該第一電壓訊號並用以提供該第一偏壓至該第二N型金氧半電晶體之該閘極；以及一第二源極隨耦器，用以接收該第一電壓訊號並用以提供該第二偏壓至該第二P型金氧半電晶體之該閘極。
  17. 如請求項16所述之輸出電路，其中該第一源極隨耦器包含有一第三P型金氧半電晶體，該第三P型金氧半電晶體具有耦接至該分壓器之一第一節點的一閘極，以及耦接至該第二N型金氧半電晶體之一閘極的一源極。
  18. 如請求項16所述之輸出電路，其中該第二源極隨耦器包含有一第三N型金氧半電晶體，該第三N型金氧半電晶體具有耦接至該分壓器之一第一節點的一閘極，以及耦接至該第二P型金氧半電晶體之一閘極的一源極。
  19. 如請求項15所述之輸出電路，其中該第一N型金氧半電晶體具有於運作時低於一第一電壓限之一汲極至源極電壓。
  20. 如請求項15所述之輸出電路，其中該第一P型金氧半電晶體具有於運作時低於一第二電壓限之一汲極至源極電壓。
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