專利名稱：差分放大器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種如權利要求1的前序所述的差分放大器。
本發(fā)明進一步涉及一種包括所述差分放大器的接收機。
由于差分放大器提供一個相對優(yōu)良的共模抑制比和相對高的輸出信號范圍，例如理論上輸出信號范圍可以兩倍于一個用單端放大器所獲取的范圍。所以差分放大器被廣泛地使用于各種應用中。當它們作為輸入放大器而被使用時，它們不得不提供相對低的噪聲和線性放大。在現(xiàn)代通信電路中，不得不獲得這些特征以使輸入信號位于一個相對高的頻率范圍，即，GHz，其中所述電路由一個相對低的電壓來提供。
一種可能的解決方案可以例如美國-A-4,887,047中所述。在這個專利中，給出了一種可用在醫(yī)學應用中的差分放大器。設想輸入信號是電流，所述信號就是無直流的(DC free)，即，它們沒有直流分量。放大器具有非線性的輸入阻抗和一個差分交叉耦合晶體管對。提供由電流源供電的電流鏡以便獲取一個盡可能高的放大率。由電流源和由差分交叉耦合晶體管所提供的電流在輸出節(jié)點上彼此相加，所述輸出節(jié)點擔當一個電流加法器?？梢钥吹桨ㄔ诓罘纸徊骜詈系木w管對中的晶體管擔當?shù)瓜嗥?，即，在輸出信號和輸入信號之間的相移基本上為180度。應該強調醫(yī)學信號是脈沖形狀的電流信號并且差分放大器必須感測并放大這些信號。每當在輸入信號中發(fā)生從低電平到高電平或從高電平到低電平的一個轉移時，該放大器就感測輸入信號的邊緣以便在它輸出端提供脈沖形狀的信號?？梢钥吹竭@個放大器不適于使用在通信電路中，因為當輸入信號具有從低電平到高電平的一個平滑連續(xù)的轉移時，即它們不是脈沖形狀時，它不提供一個線性放大。此外，該電路不適于與具有直流分量的信號一起使用。還可以看到這個電路的噪聲特性是使用一個非線性的輸入設備，即一個二極管和一個小輸入阻抗來實現(xiàn)的。這些解決方案不適合于使用于通信中的高頻放大器。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種具有改進線性和更好抗噪聲性的差分放大器。
根據(jù)本發(fā)明，在如介紹段落中所述的設備中實現(xiàn)這一點，所述設備其特征在于所述放大器還包括一對可控制的緩沖器，用于接收輸入差分信號和用于向一對加法器輸出一個信號，所述緩沖器對的偏置(bias)由輸入差分信號交叉控制以便對所述可控制緩沖器對的放大進行控制。這些緩沖器的放大取決于輸入信號，以致對相對大幅度信號范圍確保線性。同時，這些緩沖器偏置的控制改善了放大器的噪聲系數(shù)(figure)，因為噪聲取決于偏置。
在本發(fā)明的實施例中，倒相器對和可控制的緩沖器對是電壓到電流變換器。此特征對于其中大多數(shù)信號是電壓信號的有線或無線現(xiàn)代通信系統(tǒng)是重要的。因為放大器在它的輸出處提供電流信號，所以加法器相對更容易被實現(xiàn)，而降低放大器的成本。
在放大器的另一實施例中，加法器包括兩個電阻裝置的一串接組合。這是實現(xiàn)加法器的最簡單的方法。包括在加法器中的電阻之間的比值確定了正反饋的量，所述正反饋的量確定放大器的整體放大率。在放大器的一個實施例中，該差分放大器被耦合到一個電流到電壓變換器，所述電流電壓變換器用于把一個電流類型的差分輸入信號適配到一個電壓類型的差分信號，所述電壓被輸入到差分放大器?？梢钥吹侥承┫窆饩W(wǎng)絡那樣的通信系統(tǒng)在它們的輸入處提供光學變送器(transducer)，例如光電晶體管，這些變送器的一個輸出信號是電流類型的信號。因此，這些電流類型的信號必須首先被轉換成一個電壓，各個電壓被輸入到該差分放大器。此特征增加了在根據(jù)本發(fā)明的差分放大器的應用中的通用性(versatility)。
在本發(fā)明的另一實施例中，倒相器對包括一對共射極耦合的晶體管。此外，一對可控制的緩沖器包括一對共基極晶體管。該共基極晶體管經(jīng)由用于除去包括在差分輸入信號中的直流分量的電容裝置而被交叉耦合到該差分輸入信號。利用電流源來實現(xiàn)共基極晶體管和共射極晶體管的直流偏置，而同時通過輸入信號來進一步控制共基極晶體管的偏置。該控制信號是無直流的，用于只根據(jù)該輸入信號的交流分量來實現(xiàn)控制。因此，該控制只取決于該輸入信號的可變部分，該輸入信號的可變部分攜帶輸入信號中的有用信息。此控制實現(xiàn)從輸入到緩沖器的一個反饋，這改善了差分放大器的總穩(wěn)定性及其線性。
在放大器的另一實施例中，一對共射極晶體管具有用于控制所述晶體管對的放大的第一反饋裝置。第一反饋裝置還增加了輸入阻抗以便把共射極對更好地適配到電壓類型的輸入信號。同時，該放大器的線性也增加了。
在本發(fā)明的另一實施例中，一對共基極晶體管包括一對第二反饋裝置，所述第二反饋裝置用于把一對共基極晶體管的輸入阻抗適配到一個生成器的輸出阻抗，所述生成器發(fā)送差分輸入信號。第二反饋裝置增加了共基極晶體管的輸入阻抗，并且同時改善了放大器的線性。
在本發(fā)明的一個實施例中，一種接收機包括所述差分放大器。由于差分放大器改進的線性和噪聲系數(shù)，改差分放大器被用作接收機中的一個低噪聲放大器(LNA)，所述LNA是接收機中的輸入級。
參考附圖，本發(fā)明的典型實施例的如下說明使得本發(fā)明上面的以及其他特征和優(yōu)點將顯而易見，附圖中

圖1描述了根據(jù)本發(fā)明的一種差分放大器，圖2描述了根據(jù)本發(fā)明實施例用電壓到電流變換器實現(xiàn)的差分放大器，圖3描述了根據(jù)本發(fā)明另外一個實施例的加法器，圖4描述了根據(jù)本發(fā)明實施例適配到電流類型的輸入信號的放大器，圖5描述了根據(jù)本發(fā)明實施例用雙極型晶體管實現(xiàn)的放大器，圖6描述了根據(jù)本發(fā)明另外一個實施例使用放大器的接收機。
圖1描述了根據(jù)本發(fā)明的一種差分放大器。所述放大器適于處理差分輸入信號，所述信號有基本上彼此反相的兩個分量In+，In-。該放大器包括交叉耦合到一對加法器30的一對倒相器10，倒相器10接收該輸入差分信號。該放大器還包括一對可控制的緩沖器20，用于接收輸入差分信號并把信號輸出到一對加法器30。所述緩沖器對的偏置由輸入差分信號交叉控制，用于執(zhí)行輸入信號的線性放大?？梢钥吹饺魏渭臃ㄆ?0接收到兩個同相(in-phase)信號，一個信號由可控制的緩沖器20生成并且另一個由一個倒相器10生成。因此，輸出信號具有一個相對大的值。當相對大的輸入信號被提供時，該放大器可以限制它們的幅度，即，在線性放大器中不期望的非線性特性。因此，提供反饋以便控制緩沖器的偏置。當一個相對大的電壓In+出現(xiàn)時，一個相對大的反相電壓In-也出現(xiàn)。該反相電壓確定緩沖器20的偏置電壓的修改，以確定緩沖器的放大的降低。此降低還確定無失真地發(fā)送一個輸出差分信號，并且該放大器的整個放大率是線性的。該放大器是電壓控制的并且可以是運算放大器、跨導放大器、CMOS緩沖器和倒相器。
圖2描述了根據(jù)本發(fā)明實施例用電壓到電流變換器實現(xiàn)的差分放大器。在本發(fā)明的這個實施例中，一對倒相器10和一對可控制的緩沖器20是電壓到電流變換器。此特征對于其中大多數(shù)信號是電壓信號的有線或無線現(xiàn)代通信系統(tǒng)是重要的。因為放大器在它的輸出處提供電流信號，所以加法器相對更容易被實現(xiàn)，而降低放大器的成本。該電壓到電流變換器例如可以是使用例如Si、SiGe、GaAs那些材料的跨導放大器、雙極或CMOS晶體管。
圖3描述了根據(jù)本發(fā)明另外一個實施例的加法器。假設由緩沖器輸出的電流是Ib并且由倒相器輸出的電流是Ii，那么輸出電壓，例如OUT+，如等式1所述。
OUT+＝R(1+x)Ib+xRIi (1)它導致放大取決于電阻器比率(resistors ratio)x。使這些電阻可被控制，則更易于控制放大器的放大。
圖4描述了根據(jù)本發(fā)明實施例適于電流類型輸入信號的放大器。該差分放大器被耦合到一個用于把電流類型差分輸入信號適配到電壓類型差分信號的電流到電壓變換器。所獲得的電壓被輸入到差分放大器?？梢钥吹较窆饩W(wǎng)絡那樣的某些通信系統(tǒng)在它們的輸入處提供光學變送器，例如光電晶體管。這些變送器的輸出信號是電流類型的信號。因此，這些電流類型的信號必須首先被轉換成電壓，各個電壓被輸入到該差分放大器。此特征增加了在根據(jù)本發(fā)明的差分放大器的應用中的通用性。此外，這有助于各種類型的放大器的標準化。
圖5描述了根據(jù)本發(fā)明實施例用雙極型晶體管實現(xiàn)的放大器。在圖5中，晶體管對T1、T2被視為圖1中的一對倒相器10。類似地，晶體管對T3、T4被視為一對可控制的緩沖器20。電流源I1和I2分別地偏置晶體管對T1、T2和T3、T4?？梢钥吹教峁╇娙菅b置40以便控制一對可控制的緩沖器的偏置。還可以看到第一反饋裝置R1耦合在晶體管T1、T2的發(fā)射極之間。第二反饋電阻裝置R2耦合到晶體管對T3、T4的發(fā)射極。晶體管對T1、T2處于所謂的共發(fā)射極連接。晶體管對T3、T4處于所謂的共基極連接。第一電阻反饋R1增加了該放大器的輸入阻抗，而減少了放大。在這種方式中，較大的輸入信號可以被輸入到此級(stage)。第二電阻反饋R2增加了共基極級的輸入阻抗，這同時減少了這級的整體放大?？梢钥吹絋2的集電極電流在用電阻R和xR實現(xiàn)的加法器中被加到T3的輸出電流上。類似地，T1的集電極電流被加到T4的集電極電流的電流上。同時，取決于輸入信號的無DC的信號被輸入到晶體管T2和T3的基極，所述信號基本上與它們的集電極中的信號反相。因此，當In+很大時，由In-信號確定的無DC的反饋信號減小了T3的基極電流，這減低了這級的放大。因此，該反饋增加了這級的線性。必須看到能夠用pnp雙極型晶體管，CMOS晶體管(如對于本領域技術人員來說可以顯而易見地得到的)來實現(xiàn)在此發(fā)明中給出的概念。在基極，發(fā)射極和集電極端子和門極(柵極)，源極和漏極端子之間分別有一個直接的對應。此外，使用npn雙極型晶體管的電路與用n溝道CMOS晶體管實現(xiàn)的電路等效，并且用pnp雙極型晶體管實現(xiàn)的電路與用p溝道CMOS晶體管實現(xiàn)的電路等效。
圖6描述了根據(jù)本發(fā)明另外一個實施例使用放大器1的接收機500。放大器1被使用作為接收差分輸入信號并生成差分輸出信號的低噪聲放大器(LNA)。該差分輸出信號被輸入到一對混頻器2，以便與合成器(synthesizer)6生成的一個周期正交信號相組合，所述合成器包括一個正交電壓控制振蕩器(VCO)。該周期信號可以具有與輸入信號載波頻率相等的一個頻率或者具有另一個不同的頻率。在第一種情況中，我們具有一個外差(heterodyning)接收機，并且在第二種情況中具有一個零IF接收機。由混頻器2生成的信號被輸入到自動增益控制放大器(AGC)3，用于被進一步放大。由自動增益控制AGC放大器3生成的放大信號被輸入到濾波器4。在外差接收機的情況下，濾波器是一個帶通濾波器，而在零IF接收機的情況下，濾波器是一個低通濾波器。由濾波器4生成的一個濾波器信號經(jīng)由輸出緩沖器5被發(fā)送以便進一步處理，所述緩沖器被設計成對接收機系統(tǒng)的進一步處理級執(zhí)行適配。
注意本發(fā)明的保護范圍不限制為在此描述的實施例。也不是權利要求中的附圖標記所限制的本發(fā)明的保護范圍。單詞′包括′不排除權利要求中提及的那些之外的其他部分。元件前面的單詞′一個′不排除多個那些元件。形成本發(fā)明部分的裝置既可以以專用硬件的形式實現(xiàn)又可以以編程目的的處理器的形式來實現(xiàn)。本發(fā)明存在于每個新的特征或特征組合中。
權利要求
1.一種差分放大器(1)，用于放大具有基本上彼此反相的兩個分量(In+，In-)的輸入差分信號，并且用于生成具有兩個差分分量(Out+，Out-)的輸出差分信號，所述放大器(1)包括耦合到一對加法器(30)的一對倒相器(10)，這些倒相器(10)接收所述輸入差分信號，該放大器(1)其特征在于它還包括一對可控制的緩沖器(20)，用于接收該輸入差分信號和用于向該加法器對(30)輸出信號，該輸入差分信號交叉控制所述緩沖器對的偏置，以便對所述可控制緩沖器對(20)的放大進行控制。
2.如權利要求1所述的差分放大器(1)，其中該倒相器對(10)和可控制的緩沖器對(20)是電壓到電流變換器。
3.如權利要求2所述的差分放大器(1)，其中該加法器對(30)包括電阻裝置(R，xR)的串接組合。
4.如權利要求2-3所述的差分放大器(1)，其中該差分放大器(1)被耦合到一個電流到電壓變換器(100)，所述電流到電壓變換器(100)用于把電流類型的差分輸入信號(C+，C-)適配到電壓類型的差分信號(In+，In-)，所述電壓被輸入到該差分放大器(1)。
5.如權利要求2所述的差分放大器(1)，其中該倒相器對(10)包括一對共射極耦合的晶體管(T1，T2)。
6.如權利要求3所述的差分放大器(1)，其中該可控制的緩沖器對(20)包括一對共基極晶體管(T3，T4)。
7.如權利要求6所述的差分放大器(1)，其中該共基極晶體管對經(jīng)由用于除去包括在該差分輸入信號中的直流分量的電容裝置(40)而被交叉耦合到該差分輸入信號。
8.如權利要求6所述的差分放大器(1)，其中該共射極晶體管對(T1，T2)具有用于對所述晶體管對(T1，T2)的放大進行控制的第一反饋裝置(R1)。
9.如權利要求7所述的差分放大器(1)，其中該共基極晶體管對(T3，T4)包括一對第二反饋裝置(R2)，所述第二反饋裝置用于把該共基極晶體管對(T3，T4)的輸入阻抗適配到一個生成器的輸出阻抗，所述生成器發(fā)送該差分輸入信號。
10.一種包括如權利要求1-9中所述的差分放大器(1)的接收機(500)。
全文摘要
一種差分放大器，用于放大具有基本上彼此反相的兩個分量(In+，In－)的輸入差分信號并且生成具有兩個差分分量(Out+，Out－)的輸出差分信號。該放大器包括交叉耦合到一對加法器的一對倒相器，這些倒相器接收輸入差分信號。該放大器的特征在于它還包括一對可控制的緩沖器，用于接收輸入差分信號并把一個信號輸出到一對加法器。該輸入差分信號交叉控制所述緩沖器對的偏置，以便對所述可控制的緩沖器對的放大進行控制。
文檔編號H03F3/45GK1647366SQ03807625
公開日2005年7月27日 申請日期2003年3月20日 優(yōu)先權日2002年4月8日
發(fā)明者J·C·A·德克斯, D·M·W·里納爾特斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司