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前置放大器
申请号	CN201510759907.0	申请日	2015-11-10	公开(公告)号	CN106549645A	公开(公告)日	2017-03-29
申请人	力智电子股份有限公司;			发明人	林文胜;
摘要	本发明提供一种前置放大器，包括可编程增益放大电路与滤波电路。可编程增益放大电路具有单一输出端。滤波电路包括第一切换式电容滤波器与第二切换式电容滤波器。第一切换式电容滤波器耦接单一输出端。第二切换式电容滤波器并联于第一切换式电容滤波器。第一切换式电容滤波器与第二切换式电容滤波器各自在第一模式与第二模式之间切换。当第一切换式电容滤波器切换至第一模式时，第二切换式电容滤波器切换至第二模式。本发明提供的前置放大器可以降低前置放大器的硬件成本，并有助于前置放大器的微小化。
权利要求	1.一种前置放大器，其特征在于，包括：一可编程增益放大电路，具有一单一输出端；以及一滤波电路，包括：一第一切换式电容滤波器，耦接所述单一输出端；以及一第二切换式电容滤波器，并联于所述第一切换式电容滤波器，其中，所述第一切换式电容滤波器及所述第二切换式电容滤波器各自在一第一模式与一第二模式之间切换，且当所述第一切换式电容滤波器切换至所述第一模式时，所述第二切换式电容滤波器切换至所述第二模式。 2.根据权利要求1所述的前置放大器，其特征在于，所述第一切换式电容滤波器包括：一第一开关，其第一端耦接所述单一输出端；一第一电容，耦接在所述第一开关的第二端与一接地端之间；一第二开关，其第一端耦接所述第一开关的第二端；以及一第二电容，耦接在所述第二开关的第二端与所述接地端之间；其中，在所述第一模式下，所述第一开关导通且所述第二开关不导通，且在所述第二模式下，所述第一开关不导通且所述第二开关导通。 3.根据权利要求2所述的前置放大器，其特征在于，所述第一切换式电容滤波器与所述第二切换式电容滤波器具有相同的电路结构。 4.根据权利要求1所述的前置放大器，其特征在于，所述第一切换式电容滤波器包括相互串联的一第一开关与一第二开关，所述第二切换式电容滤波器包括相互串联的一第三开关与一第四开关，所述第一开关与所述第三开关直接耦接所述可编程增益放大电路的输出端，其中当所述第一开关导通且所述第二开关不导通时，所述第三开关不导通且所述第四开关导通，当所述第一开关不导通且所述第二开关导通时，所述第三开关导通且所述第四开关不导通。 5.根据权利要求4所述的前置放大器，其特征在于，所述第一切换式电容滤波器还包括一第一电容与一第二电容，所述第一开关通过所述第一电容耦接至一接地端，且所述第二开关通过所述第二电容耦接至所述接地端。 6.根据权利要求4所述的前置放大器，其特征在于，所述第二切换式电容滤波器还包括一第三电容与一第四电容，所述第三开关通过所述第三电容耦接至一接地端，且所述第四开关通过所述第四电容耦接至所述接地端。 7.根据权利要求1所述的前置放大器，其特征在于，所述可编程增益放大电路包括：一截波放大器，其非反相输入端形成所述可编程增益放大电路的第一输入端，且所述截波放大器的输出端形成所述单一输出端；以及一可变电阻，其第一端形成所述可编程增益放大电路的第二输入端，所述可变电阻的第二端耦接所述截波放大器的反相输入端，且所述可变电阻的第三端耦接所述单一输出端。 8.根据权利要求7所述的前置放大器，其特征在于，所述截波放大器包括：一第一切换单元，调变所述截波放大器所接收的一差动输入信号；一输入级，耦接所述第一切换单元，并放大调变后的所述差动输入信号以及一输入偏移电压；一第二切换单元，耦接所述输入级，且所述第二切换单元调变所述输入偏移电压，并再次调变所述差动输入信号，以产生一差动输出信号；以及一输出级，将所述差动输出信号转换成一单端信号。 9.根据权利要求1所述的前置放大器，其特征在于，还包括：一运算放大器，其非反相输入端耦接所述滤波电路，且所述运算放大器的反相输入端与输出端电性相连。
说明书全文	前置放大器技术领域 [0001] 本发明是有关于一种前置放大器，且特别是有关于一种具有滤波电路的前置放大器。背景技术 [0002] 模拟前端(Analog front end，简称AFE)是由模拟电路与数字模拟混和电路所构成，并负责执行许多操作，例如：信号获取、模拟滤波…等。在信号获取上，模拟前端中的前置放大器(preamplifier)扮演着重要的角色，且其往往决定了系统的解析度与信噪比。一般而言，前置放大器是通过截波放大器(chopper amplifier)来放大差动输入信号，并通过滤波电路来滤除截波放大器的输入偏移电压所引发的高次谐波。 [0003] 然而，现有前置放大器中的滤波电路大多是由单一电容所构成。此外，用以构成滤波电路的电容必须非常地大才能滤除输入偏移电压所引发的高次谐波，导致前置放大器的硬件成本增加，并限缩前置放大器的微小化。发明内容 [0004] 本发明提供一种前置放大器，利用切换式电容滤波器来形成滤波电路，以藉此降低前置放大器的硬件成本，并有助于前置放大器的微小化。 [0005] 本发明的前置放大器，包括可编程增益放大电路与滤波电路。可编程增益放大电路具有单一输出端。滤波电路包括第一切换式电容滤波器与第二切换式电容滤波器。第一切换式电容滤波器耦接单一输出端。第二切换式电容滤波器并联于第一切换式电容滤波器。第一切换式电容滤波器与第二切换式电容滤波器各自在第一模式与第二模式之间切换。当第一切换式电容滤波器切换至第一模式时，第二切换式电容滤波器切换至第二模式。 [0006] 基于上述，本发明的前置放大器利用第一与第二切换式电容滤波器来形成滤波电路，且第一与第二切换式电容滤波器相互并联并具有相同的电路结构。在操作模式的切换上，第一切换式电容滤波器的切换顺序相反于第二切换式电容滤波器的切换顺序。由于第一与第二切换式电容滤波器所构成的滤波电路，将有助于降低前置放大器的硬件成本，并有助于前置放大器的微小化。 [0007] 为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。附图说明 [0008] 图1为本发明一实施例的前置放大器的电路示意图； [0009] 图2为本发明一实施例的用以说明前置放大器的时序图； [0010] 图3为本发明一实施例的截波放大器的电路示意图。 [0011] 附图标记说明： [0012] 10：前置放大器； [0013] 110：可编程增益放大电路； [0014] 111：可编程增益放大电路的第一输入端； [0015] 112：可编程增益放大电路的第二输入端； [0016] 113：可编程增益放大电路的单一输出端； [0017] 120：滤波电路； [0018] 121：第一切换式电容滤波器； [0019] 122：第二切换式电容滤波器； [0020] 130：运算放大器； [0021] 140：截波放大器； [0022] 150：可变电阻； [0023] IN1：截波放大器的非反相输入端； [0024] IN2：截波放大器的反相输入端； [0025] OUT：截波放大器的输出端； [0026] SW11：第一开关； [0027] SW12：第二开关； [0028] SW13：第三开关； [0029] SW14：第四开关； [0030] C1：第一电容； [0031] C2：第二电容； [0032] C3：第三电容； [0033] C4：第四电容； [0034] VIN：差动输入信号； [0035] S11：第一控制信号； [0036] S12：第二控制信号； [0037] S21、S22：曲线； [0038] 310：第一切换单元； [0039] 320：输入级； [0040] 330：第二切换单元； [0041] 340：输出级； [0042] SW31～SW38：开关； [0043] Vos：偏移电压。具体实施方式 [0044] 图1为本发明一实施例的前置放大器(preamplifier)的电路示意图。如图1所示，前置放大器10包括可编程增益放大电路(programmable gain amplifying circuit)110以及滤波电路120。其中，可编程增益放大电路110具有单一输出端113。滤波电路120包括第一切换式电容滤波器(switched-capacitor filter)121与第二切换式电容滤波器122。第一切换式电容滤波器121耦接可编程增益放大电路110的单一输出端113，且第一切换式电容滤波器121并联于第二切换式电容滤波器122。 [0045] 第一切换式电容滤波器121与第二切换式电容滤波器122具有相同的第一模式与第二模式，并各自在第一模式与第二模式之间切换。在操作上，当第一切换式电容滤波器121切换至第一模式时，第二切换式电容滤波器122切换至第二模式。当第一切换式电容滤波器121切换至第二模式时，第二切换式电容滤波器122切换至第一模式。 [0046] 藉此，滤波电路120在阻带(stopband)的衰减斜率将可达-40dB/decade，进而可有效地滤除可编程增益放大电路110的输出信号中的谐波成份，例如：输入偏移电压(input offset voltage)所引发的高次谐波。除此之外，由于滤波电路120是由第一切换式电容滤波器121与第二切换式电容滤波器122组合而成，因此滤波电路120的截止频率(cutoff frequency)是由第一切换式电容滤波器121与第二切换式电容滤波器122中的多个电容的比值所决定。换言之，前置放大器10可通过调整所述多个电容的比值来调整滤波电路120的截止频率，进而有助于缩减滤波电路120的布局面积。如此一来，将有助于降低前置放大器10的硬件成本，并有助于前置放大器10的微小化。 [0047] 进一步而言，第一切换式电容滤波器121与第二切换式电容滤波器122具有相同的电路结构。也即，第一切换式电容滤波器121包括第一开关SW11、第一电容C1、第二开关SW12与第二电容C2。其中，第一开关SW11的第一端耦接可编程增益放大电路110的单一输出端113。第一电容C1耦接在第一开关SW11的第二端与接地端之间。第二开关SW12的第一端耦接第一开关SW11的第二端。第二电容C2耦接在第二开关SW12的第二端与接地端之间。此外，在第一模式下，第一开关SW11导通且第二开关SW12不导通。在第二模式下，第一开关SW11不导通且第二开关SW12导通。 [0048] 相似地，第二切换式电容滤波器122包括第三开关SW13、第三电容C3、第四开关SW14与第四电容C4。其中，第三开关SW13的第一端耦接第一开关SW11的第一端。第三电容C3耦接在第三开关SW13的第二端与接地端之间。第四开关SW14的第一端耦接第三开关SW13的第二端。第四电容C4耦接在第四开关SW14的第二端与接地端之间。此外，在第一模式下，第三开关SW13导通且第四开关SW14不导通。在第二模式下，第三开关SW13不导通且第四开关SW14导通。 [0049] 换言之，第一切换式电容滤波器121包括相互串联的第一开关SW11与第二开关SW12。第一开关SW11通过第一电容C1耦接至接地端，且第二开关SW12通过第二电容C2耦接至接地端。相似地，第二切换式电容滤波器122包括相互串联的第三开关SW13与第四开关SW14。第三开关SW13通过第三电容C3耦接至接地端，且第四开关SW14通过第四电容C4耦接至接地端。 [0050] 值得注意的是，滤波电路120的截止频率是正比于第一电容C1与第二电容C2的比值以及第三电容C3与第四电容C4的比值。换言之，可通过调整两电容的比值来调整滤波电路120的截止频率。由于滤波电路120的截止频率是正比于两电容的比值，因此在等比例缩减两电容的电容值的情况下滤波电路120的截止频率依旧可以固定不变。如此将有助于缩减滤波电路120的布局面积，从而有助于前置放大器10的微小化。 [0051] 更进一步来看，图2为本发明一实施例的用以说明前置放大器的时序图。如图1与图2所示，第一切换式电容滤波器121中的第一开关SW11受控于第一控制信号S11，且第二开关SW12受控于第二控制信号S12。第一控制信号S11与第二控制信号S12为非重叠(non-overlapping)的两信号，以致使第一切换式电容滤波器121可在第一模式与第二模式之间切换。 [0052] 在操作模式的切换上，第二切换式电容滤波器122的切换顺序相反于第一切换式电容滤波器121的切换顺序，因此第三开关SW13受控于第二控制信号S12，且第四开关SW14受控于第一控制信号S11。当第一切换式电容滤波器121切换至第一模式时，第二切换式电容滤波器122切换至第二模式。也即，当第一开关SW11导通且第二开关SW12不导通时，第三开关SW13不导通且第四开关SW14导通。 [0053] 另一方面，当第一切换式电容滤波器121切换至第二模式时，第二切换式电容滤波器122切换至第一模式。也即，当第一开关SW11不导通且第二开关SW12导通时，第三开关SW13导通且第四开关SW14不导通。由于第一切换式电容滤波器121与第二切换式电容滤波器122相互并联，且两者的操作模式的切换顺序互为相反，因此滤波电路120具有良好的滤波效果。举例来说，图2中的曲线S21为可编程增益放大电路110响应于差动输入信号VIN所产生的输出信号，且曲线S22为滤波电路120所输出的信号。如图2的曲线S21与S22所示，滤波电路120可有效地滤除可编程增益放大电路110的输出信号中的谐波成份，以产生通过放大后的直流信号。 [0054] 请继续参照图1，可编程增益放大电路110包括截波放大器(chopper amplifier)140与可变电阻150。其中，截波放大器140的非反相输入端IN1形成可编程增益放大电路110的第一输入端111，且截波放大器140的输出端OUT形成可编程增益放大电路110的单一输出端113。可变电阻150的第一端形成可编程增益放大电路110的第二输入端112，可变电阻150的第二端耦接截波放大器140的反相输入端IN2，且可变电阻150的第三端耦接截波放大器140的输出端OUT(也即，可编程增益放大电路110的单一输出端113)。藉此，截波放大器140将可通过可变电阻150形成一负反馈组态，进而致使可编程增益放大电路110可通过具有负反馈组态的截波放大器140来放大差动输入信号VIN。可编程增益放大电路110可通过调整可变电阻150，来调整用以放大差动输入信号VIN的预设增益。 [0055] 为了使本领域技术人员能更了解本发明，图3为本发明一实施例的截波放大器的电路示意图。如图3所示，截波放大器140包括第一切换单元310、输入级320、第二切换单元330以及输出级340。其中，输入级320与输出级340可分别由一跨导放大器(transconductance amplifier)所构成。输入级320的两输入端耦接第一切换单元310，且输入级320的两输出端耦接第二切换单元330。此外，输出级340的两输入端耦接第二切换单元330。 [0056] 第一切换单元310包括开关SW31～SW34。当开关SW31与开关SW34导通时，开关SW32与开关SW33不导通。当开关SW31与开关SW34不导通时，开关SW32与开关SW33导通。藉此，通过开关SW31～SW34的切换，第一切换单元310将可形成一调变器。相似地，第二切换单元330包括开关SW35～SW38。此外，当开关SW35与开关SW38导通时，开关SW36与开关SW37不导通。开关SW35与开关SW38不导通时，开关SW36与开关SW37导通。藉此，第二切换单元330也可形成一调变器。 [0057] 在操作上，第一切换单元310可调变差动输入信号VIN，以使差动输入信号VIN可以转移到截波频率的奇次谐波上。输入级320会放大输入偏移电压Vos以及调变后的差动输入信号VIN。第二切换单元330会调变偏移电压Vos，并再次调变差动输入信号VIN。藉此，通过第二切换单元330的第二次调变，位在奇次谐波上的差动输入信号VIN将可以转移到原本的频段。此外，截波放大器140仅通过第二切换单元330对输入偏移电压Vos进行一次的调变，因此输入偏移电压Vos会被转移到截波频率的奇次谐波上。输出级340会将第二切换单元330所产生的差动输出信号转换成单端信号，以作为可编程增益放大电路110的输出信号。换言之，可编程增益放大电路110可通过截波放大器140将输入偏移电压Vos调变至高频频段，进而致使滤波电路120可针对输入偏移电压所引发的高次谐波进行滤波。 [0058] 在本发明的一实施例中，前置放大器10还包含一运算放大器130。其中，运算放大器130的非反相输入端耦接滤波电路120，且运算放大器130的反相输入端与输出端电性相连。藉此，运算放大器130将可用以作为一缓冲器。如此一来，前置放大器10将可通过由运算放大器130所构成的缓冲器来输出信号，进而避免输出电压受到后端负载的影响。 [0059] 综上所述，本发明的前置放大器利用具有相同电路结构的第一与第二切换式电容滤波器来形成滤波电路，且第一与第二切换式电容滤波器相互并联。在操作模式的切换上，第一切换式电容滤波器的切换顺序相反于第二切换式电容滤波器的切换顺序。藉此，滤波电路将具有良好的滤波效果。此外，由于第一与第二切换式电容滤波器所构成的滤波电路，将有助于降低前置放大器的硬件成本，并有助于前置放大器的微小化。 [0060] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

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