專利名稱：低失真放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種放大器電路以及包括這種放大器電路的集成電路。
背景技術(shù)：
在音頻和無線電應(yīng)用中使用電子放大器以放大或者衰減輸入信號是常用的。這允許將具有合適幅值的信號輸出至放大器的下游的其它信號處理部件。典型地，放大器是可變增益放大器，使得能夠適當(dāng)?shù)亟邮蘸头糯蠡蛘咚p具有變化幅值的輸入信號以確保最大的信噪比(S·)。可變增益放大器的電壓增益通常由反饋網(wǎng)絡(luò)來確定，該反饋網(wǎng)絡(luò)可以包括輸入電阻和連接在放大器的輸入端和輸出端之間的反饋環(huán)路中的電阻。典型地，反饋電阻固定，而輸入電阻可以變化。并聯(lián)提供多個(gè)輸入分支是常見的，每一個(gè)分支包含不同的電阻和開關(guān)， 使得可以通過閉合多個(gè)輸入分支中的一個(gè)分支中的開關(guān)以將期望電阻連接到放大器的輸入端來實(shí)現(xiàn)期望的增益值。在輸入分支中使用的開關(guān)通常是金屬氧化物半導(dǎo)體(M0Q晶體管，由于晶體管的導(dǎo)通電阻通常是非線性的，即在晶體管導(dǎo)通時(shí)漏極和源極(或者等同物)之間的電阻隨流經(jīng)晶體管的電流變化，這又使得隨到放大器的信號輸入而變化，因此所述MOS晶體管可能產(chǎn)生困難。由于到放大器的輸入典型的是具有可變幅值的信號，因此晶體管的導(dǎo)通電阻變化，導(dǎo)致放大器的增益變化，并且因而導(dǎo)致輸出信號中的失真。圖1中示意性示出了對于該問題的方案。在該電路中，可變增益放大器形成積分器的一部分。在總體表示為10的電路中，多個(gè)輸入分支12、14、16包含其值相對于彼此成比例的輸入電阻18、20、22。因此，在分支12中，輸入電阻18具有值R，而在分支14中輸入電阻20具有值nR，其中比例因數(shù)η可以是整數(shù)，并且在分支16中輸入電阻22具有電阻mR， 其中比例因數(shù)m可以是整數(shù)。輸入分支12、14、16分別包含作為開關(guān)操作并且與各自輸入電阻18、20、22串聯(lián)的輸入晶體管24、26、觀，使得輸入電阻18、20、22能夠選擇性連接到運(yùn)算放大器(op-amp) 32 的輸入端30。配置相應(yīng)的輸入晶體管對、26、觀以使得使用與相應(yīng)輸入分支12、14、16中的輸入電阻18、20、22相同的比例因數(shù)n、m調(diào)節(jié)其導(dǎo)通電阻。因此，輸入分支12中的輸入晶體管M具有S的導(dǎo)通電阻，而輸入分支14中的輸入晶體管沈具有nS的導(dǎo)通電阻并且輸入分支16中的輸入晶體管觀具有mS的導(dǎo)通電阻。在運(yùn)算放大器32的輸入端30和輸出端38之間設(shè)置包含電容器36的反饋環(huán)路 34。反饋分支40、42、44將反饋環(huán)路34連接到位于每一個(gè)輸入分支12、14、16的輸入電阻 18,20,22和輸入晶體管對、26、觀中間的結(jié)點(diǎn)，并且每一個(gè)反饋分支40、42、44設(shè)置有用作開關(guān)的反饋晶體管46、48、50使得輸入電阻18、20、22能夠選擇性連接到反饋環(huán)路34。使用與輸入電阻18、20、22和輸入晶體管對、26、觀相同的比例因數(shù)11、111調(diào)節(jié)相應(yīng)的反饋晶體管 46,48,50的導(dǎo)通電阻。因此，將輸入電阻18連接到反饋環(huán)路34的反饋分支40中的反饋晶體管46具有S，的導(dǎo)通電阻。將輸入電阻20連接到反饋分支34的反饋分支42中的反饋晶體管48具有nS’的導(dǎo)通電阻，并且將輸入電阻22連接到反饋路徑34的反饋分支44中的反饋晶體管50具有mS’的導(dǎo)通電阻。在圖1的電路10中，相應(yīng)的輸入電阻18、20、22，輸入晶體管對、26、觀和反饋晶體管46、48、50的公共比例因數(shù)確保了輸入晶體管對、26、觀中的任何非線性對運(yùn)算放大器32 的輸出不具有影響。反饋晶體管46、48、50中的任何非線性僅在運(yùn)算放大器32的輸出端處導(dǎo)致附加的非線性，這能夠在運(yùn)算放大器32的下游進(jìn)行校正。該方案在降低例如圖1所示的積分器電路中的非線性方面是有效的。然而，在代替電容器36使用電阻性反饋元件的情況下，由于反饋晶體管40、42、44中的非線性導(dǎo)致運(yùn)算放大器32的輸出失真，因此該系統(tǒng)不存在優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種可變增益放大器電路，包括放大器元件，具有輸入端和輸出端；反饋環(huán)路，具有連接在所述放大器元件的所述輸入端和輸出端之間的反饋?zhàn)杩?；輸入分支，具有連接在所述可變增益放大器電路的輸入端和所述放大器元件的所述輸入端之間的輸入電阻；以及多個(gè)開關(guān)，用于選擇所述可變增益放大器電路的增益；其特征在于所述可變增益放大器電路進(jìn)一步包括具有輸入端和輸出端的中間元件，所述輸入端連接到所述開關(guān)中的一個(gè)和所述反饋?zhàn)杩怪g的結(jié)點(diǎn)，使得所述輸出端能夠提供能夠用于衰減由所述多個(gè)開關(guān)中的非線性導(dǎo)致的所述放大器元件的所述輸出端中的信號分量的信號。本發(fā)明的可變增益放大器電路對由所述反饋開關(guān)中的非線性導(dǎo)致的所述第一放大器的所述輸出端中的信號分量進(jìn)行衰減，使得與現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)相比較降低了所述電路的輸出端中的失真。與現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)不同，本發(fā)明的電路能夠在要求極其低的諧波失真的任何應(yīng)用中使用?？梢蕴峁┒鄠€(gè)并聯(lián)輸入分支，每一個(gè)輸入分支包含輸入電阻和輸入開關(guān)，使得能夠通過所述輸入開關(guān)中的一個(gè)或者多個(gè)的操作來選擇所述放大器電路的所述增益。可以通過公共比例因數(shù)來調(diào)節(jié)所述輸入分支中所述輸入電阻的電阻值和所述相對應(yīng)的輸入開關(guān)的導(dǎo)通電阻值。可以通過與相對應(yīng)的輸入分支中的輸入電阻值和輸入開關(guān)的導(dǎo)通電阻值的比例因數(shù)相對應(yīng)的比例因數(shù)來調(diào)節(jié)與所述輸入分支相對應(yīng)的反饋分支中的反饋開關(guān)的導(dǎo)通電阻。所述輸入開關(guān)可以包括晶體管。所述中間元件可以包括電壓到電流轉(zhuǎn)換器。所述電壓到電流轉(zhuǎn)換器可以包括簡并的(degenerated)晶體管對。所述放大器元件可以包括運(yùn)算放大器。所述電路可以是差分放大器電路。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種包括根據(jù)本發(fā)明的第一方面的可變增益放大器電路的集成電路。


現(xiàn)在將參考附圖描述嚴(yán)格地僅作為示例的本發(fā)明的實(shí)施例，在附圖中圖1是用于降低形成積分器一部分的可變增益放大器的輸入端中的非線性影響的現(xiàn)有技術(shù)電路的示意性表示；圖2是可變增益放大器電路的實(shí)施例的示意性表示；圖3是可變增益放大器的另一實(shí)施例的示意性表示；圖4是可變增益放大器的可選實(shí)施例的示意性表示；以及圖5是適于在圖4示出的電路中使用的電壓到電流轉(zhuǎn)換級的實(shí)施例的示意性表
7J\ ο
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在參考圖2，通常將根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的可變增益放大器電路表示為100。電路 100包括在該示例中為運(yùn)算放大器(op-amp)的輸入放大器102、中間放大器104以及在該示例中為運(yùn)算放大器的輸出放大器106。輸入運(yùn)算放大器102的輸入端108連接到多個(gè)并聯(lián)輸入分支110、112、114，每一個(gè)并聯(lián)輸入分支110、112、114包含可以例如是印刷電阻器的輸入電阻116、118、120。每一個(gè)輸入分支還包含作為開關(guān)操作的輸入晶體管122、124、126，利用該輸入晶體管122、124、 126，輸入運(yùn)算放大器102的輸入端108能夠連接到輸入分支110、112、114中的一個(gè)以及包含在其中的輸入電阻116、118、120。相對于彼此調(diào)節(jié)輸入電阻110、112、114的值。在該示例中，輸入電阻110的值為 R，而輸入電阻112的值為nR。輸入電阻114具有值mR，其中η和m是可以為整數(shù)的比例因數(shù)。輸入晶體管122、124、1沈均具有導(dǎo)通電阻，并且使用用于相對于彼此調(diào)節(jié)相對應(yīng)的輸入電阻110、112、114的比例因數(shù)來相對于彼此調(diào)節(jié)輸入晶體管122、124、126的導(dǎo)通電阻。因此，輸入晶體管122的導(dǎo)通電阻為S，而輸入晶體管124的導(dǎo)通電阻為nS，并且輸入晶體管126的電阻為mS?？梢酝ㄟ^改變由晶體管122、124、126占用的硅面積來選擇輸入晶體管122、124、126的導(dǎo)通電阻，這對于相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說將是熟悉的。電路100具有將輸入運(yùn)算放大器102的輸入端108連接到輸入運(yùn)算放大器的輸出端130的第一反饋環(huán)路128。第一反饋環(huán)路1 包含第一反饋?zhàn)杩?32。反饋分支134、136、 138將第一反饋環(huán)路128連接到每一個(gè)輸入分支110、112、114的輸入電阻116、118、120和輸入晶體管122、1對、1沈之間的結(jié)點(diǎn)，并且每一個(gè)反饋分支134、136、138設(shè)置有用作開關(guān)的反饋晶體管140、142、144，使得輸入電阻116、118、120能夠選擇性連接到第一反饋環(huán)路 128。在該示例中，能夠使用用于調(diào)節(jié)相對應(yīng)的輸入電阻116、118、120和輸入晶體管122、 124,126的比例因數(shù)n、m來調(diào)節(jié)反饋晶體管140、142、144的導(dǎo)通電阻。因此，將輸入電阻 116連接到反饋環(huán)路128的反饋分支134中的反饋晶體管140具有S，的導(dǎo)通電阻。將輸入電阻118連接到反饋分支136的反饋分支136中的反饋晶體管142具有nS’的導(dǎo)通電阻， 并且將輸入電阻120連接到反饋路徑128的反饋分支138中的反饋晶體管144具有mS’的導(dǎo)通電阻。相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將意識(shí)到，可以通過改變晶體管140、142、146的硅面積來選擇反饋晶體管140、142、144的導(dǎo)通電阻。輸入運(yùn)算放大器102的輸出端130利用電阻140連接到輸出運(yùn)算放大器106的輸入端142。在該實(shí)施例中，將輸出運(yùn)算放大器106配置為固定增益放大器，具有連接在輸出運(yùn)算放大器102的輸入端142和輸出端146之間的反饋?zhàn)杩?44。然而，應(yīng)該意識(shí)到，可以不同地配置輸出運(yùn)算放大器106以服務(wù)不同目的，例如作為積分器。將中間放大器104配置為單位增益反相放大器(即，具有-1增益的放大器)，并且具有輸入端148，所述輸入端148連接到輸入運(yùn)算放大器102的反饋環(huán)路128的反饋分支 134、136、138和反饋?zhàn)杩?32之間的結(jié)點(diǎn)。中間放大器104的輸出端150經(jīng)由電阻152連接到輸出運(yùn)算放大器106的輸入端142。中間放大器104的目的在于提供一種能夠用于否定或者衰減由反饋晶體管140、 142,144中的非線性導(dǎo)致的輸入運(yùn)算放大器102輸出的信號中的任何影響，這將在下面解釋。作為上面關(guān)于圖1討論的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)，輸入分支110、112、114中的輸入晶體管 122、124、126的導(dǎo)通電阻和相對應(yīng)的輸入電阻116、118、120的公共比例因數(shù)確保了輸入晶體管122、124、126中的任何非線性不引起由輸入運(yùn)算放大器102輸出的信號中的任何非線性影響。在電路100的使用中，將一個(gè)或者多個(gè)輸入晶體管122、124、126導(dǎo)通以選擇輸入電阻116、118、120，從而設(shè)置輸入運(yùn)算放大器102的增益，同時(shí)將反饋晶體管140、142、144 的一個(gè)或者多個(gè)導(dǎo)通以選擇反饋分支134、136、138。通過這種方式，選擇可變增益放大器電路100的增益。出于下面解釋的目的，將輸入運(yùn)算放大器102認(rèn)為是理想的運(yùn)算放大器。輸入運(yùn)算放大器102的輸入端108處的阻抗為無限大，這意味著沒有電流能夠進(jìn)入輸入運(yùn)算放大器102的輸入端108。這又意味著，在輸入晶體管122、124、126中的一個(gè)導(dǎo)通時(shí)，輸入分支 110、112、114的電阻116、118、120和相對應(yīng)的輸入晶體管122、124、126之間的結(jié)點(diǎn)處的電壓將一直等于輸入運(yùn)算放大器的輸入端108處的電壓。因此，與所選擇的輸入阻抗116、 118、120成反比的電流經(jīng)過到第一反饋環(huán)路128。由于沒有電流經(jīng)過所選擇的輸入晶體管 122、124、126，因此由輸入晶體管122、124、126中的非線性導(dǎo)致的其導(dǎo)通電阻的任何變化不會(huì)對由輸入運(yùn)算放大器102輸出的信號具有任何影響。然而，所選擇的反饋晶體管140、142、144中的任何非線性將對由輸入運(yùn)算放大器 102輸出的信號具有影響?？紤]其中導(dǎo)通輸入晶體管122以選擇輸入電阻116并且導(dǎo)通反饋晶體管140以選擇反饋分支134的情況。進(jìn)入到反饋分支134的電流I1為Z1 二￥，其中Vin是電路100的輸入端處的電壓并且R為電阻116的值。
K反饋分支134和反饋?zhàn)杩怪g的反饋環(huán)路128中的節(jié)點(diǎn)處的電壓Vf為Vf = ^1S'，其中S’是反饋晶體管140的導(dǎo)通電阻。應(yīng)該意識(shí)到，只要通過導(dǎo)通相對應(yīng)的輸入晶體管122、124、1 和相對應(yīng)的反饋晶體管140、142、144來選擇輸入電阻110、112、114，就將存在類似的電壓。在圖2示出的實(shí)施例中，將由所選擇的反饋晶體管140、142、144的導(dǎo)通電阻產(chǎn)生的電壓Vf加入到由輸入運(yùn)算放大器102輸出的信號。因此，Voutl = HVin+Vf，其中V。utl是輸入運(yùn)算放大器102的輸出端130處的電壓，H是輸入運(yùn)算放大器102的可變增益并且Vin是可變增益放大器100的輸入端處的電壓。假設(shè)輸入運(yùn)算放大器102為理想的運(yùn)算放大器，則反相輸入端108處的電壓等于同相輸入端處的電壓，在這種情況下為0V。由于Vf根據(jù)反饋晶體管140、142、144的非線性導(dǎo)致的輸入信號而變化，在輸入運(yùn)算放大器的輸出端108處的信號將失真。將中間放大器104配置為單位增益反相放大器，并且其輸入端148連接到反饋開關(guān)140、142、144和反饋?zhàn)杩?32之間的結(jié)點(diǎn)。因此，輸入端148處的電壓為Vf。由于中間放大器104具有-1的增益，所以其輸出端150處的電壓為-Vf。中間放大器104的輸出端150和輸入放大器的輸出端130連接到輸出放大器106 的輸入端142。假設(shè)輸出放大器為理想的運(yùn)算放大器，則輸出放大器106的反相輸入端142 處的電壓V-等于輸出放大器106的反相輸入端處的電壓，在這種情況下為0V。進(jìn)入輸出 放大器106的反饋?zhàn)杩?44的電流為
權(quán)利要求
1.一種可變增益放大器電路，包括放大器元件，具有輸入端和輸出端；反饋環(huán)路，具有連接在所述放大器元件的所述輸入端和輸出端之間的反饋?zhàn)杩?；輸入分支，具有連接在所述可變增益放大器電路的輸入端和所述放大器元件的所述輸入端之間的輸入電阻；以及多個(gè)開關(guān)，用于選擇所述可變增益放大器電路的增益；其特征在于所述可變增益放大器電路還包括具有輸入端和輸出端的中間元件，所述輸入端連接到所述開關(guān)中的一個(gè)開關(guān)和所述反饋?zhàn)杩怪g的結(jié)點(diǎn)，使得所述輸出端能夠提供能夠用于衰減由所述多個(gè)開關(guān)中的非線性導(dǎo)致的所述放大器元件的所述輸出端中的信號分量的信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中設(shè)置多個(gè)并聯(lián)輸入分支，每一個(gè)輸入分支包含輸入電阻和輸入開關(guān)，使得能夠通過所述輸入開關(guān)中的一個(gè)或者多個(gè)的操作來選擇所述放大器電路的所述增益。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電路，其中通過公共比例因數(shù)來調(diào)節(jié)所述輸入分支中所述輸入電阻的電阻值和相對應(yīng)的輸入開關(guān)的導(dǎo)通電阻值。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的電路，其中所述輸入開關(guān)包括晶體管。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電路，其中所述中間元件包括電壓到電流轉(zhuǎn)換器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電路，其中所述電壓到電流轉(zhuǎn)換器包括簡并的晶體管對。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電路，其中所述放大器元件包括運(yùn)算放大器。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電路，其中所述電路是差分放大器電路。
9.一種基本上如上文參考附圖所述的電路。
10.一種集成電路，其包括根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的可變增益放大器電路。
全文摘要
本發(fā)明公開一種可變增益放大器電路(200)，包括放大器元件(202)，具有輸入端(208，210)和輸出端(220，222)；反饋環(huán)路(224，226)，具有連接在所述放大器元件(202)的所述輸入端(208，210)和輸出端(220，222)之間的反饋?zhàn)杩?228，230)；輸入分支(212，214)，具有連接在所述可變增益放大器電路的輸入端和所述放大器元件(202)的所述輸入端(208，210)之間的輸入電阻；以及多個(gè)開關(guān)，用于選擇所述可變增益放大器電路(200)的增益；其特征在于所述可變增益放大器電路(200)還包括具有輸入端和輸出端的中間元件(204)，所述輸入端連接到所述開關(guān)中的一個(gè)開關(guān)和所述反饋?zhàn)杩?228，230)之間的結(jié)點(diǎn)，使得所述輸出端能夠提供能夠用于衰減由所述多個(gè)開關(guān)中的非線性導(dǎo)致的所述放大器元件(202)的所述輸出端(220，222)中的信號分量的信號。
文檔編號H03G1/04GK102282763SQ200980154972
公開日2011年12月14日 申請日期2009年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月19日
發(fā)明者H·扎雷-霍塞尼, I·薩貝通 申請人:劍橋硅無線電通信有限公司