本發(fā)明涉及集成電路領(lǐng)域，特別涉及低壓低功率可變增益放大器。

背景技術(shù)：

電子器件由集成電路構(gòu)成。集成電路處理信號并執(zhí)行無數(shù)的功能。模擬電路是處理模擬形式(即，連續(xù)的可變信號)的信號的一組電路。一個常見的模擬電路是可變增益放大器?？勺冊鲆娣糯笃魇腔谠鲆嫦禂?shù)放大輸入信號的電路。增益系數(shù)可以根據(jù)控制電壓而改變或調(diào)整?？勺冊鲆娣糯笃鞔嬖谟谠S多音頻應(yīng)用和光通信應(yīng)用中。即使存在用于可變增益放大器的許多公知的電路拓?fù)?，施加在可變增益放大器上的不斷變化的要求繼續(xù)使得難以設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)可變增益放大器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在高速通信應(yīng)用(例如，光通信)中，可變增益放大器用于輸入信號幅度歸一化或用于線性均衡。傳統(tǒng)上使用雙極吉爾伯特乘法器電路。當(dāng)朝向低功率應(yīng)用移動時，實(shí)現(xiàn)修改的電路拓?fù)湟詼p小可變增益放大器的最小電源電壓要求，同時確保偏置電流電平保持基本上相同并實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)電路相同的電流開關(guān)容量。結(jié)果，可以大大降低電路的功耗。修改的電路拓?fù)浣Y(jié)合了放大器和增益晶體管，并且使用兩對浮動電壓源的電壓差來實(shí)現(xiàn)增益編程。

附圖說明

為了提供對本公開及其特征和優(yōu)點(diǎn)的更完整理解，參考結(jié)合附圖進(jìn)行的以下描述，其中相同的附圖標(biāo)記表示相同的部分，其中：

圖1示出了傳統(tǒng)的雙極吉爾伯特乘法器電路；

圖2示出根據(jù)本公開的一些實(shí)施例的低電壓低功率可變增益放大器；

圖3示出根據(jù)本公開的一些實(shí)施例的低壓低功率可變增益放大器的一側(cè)；

圖4是示出根據(jù)本公開的一些實(shí)施例的低電壓低功率可變增益放大方法的流程圖。

圖5展示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的浮動電壓源的示范性實(shí)施方案；

圖6展示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的浮動電壓源的另一示范性實(shí)施方案；

圖7展示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的浮動電壓源的又一示范性實(shí)施方案；和

圖8示出根據(jù)本公開的一些實(shí)施例的用于浮動電壓源的示例性可編程電流源。

具體實(shí)施方式

可變增益放大器的基本原理

可變增益放大器(vga)通常用于電子器件中?？梢曰谠鲆嫦禂?shù)對可變增益放大器的輸入進(jìn)行放大，以產(chǎn)生放大輸出。增益系數(shù)可以通過控制電壓來改變或控制。一般來說，可變增益放大器可以提供具有可電子設(shè)置的電壓增益的信號調(diào)節(jié)?？勺冊鲆娣糯笃饔糜诟鞣N遙感和通信設(shè)備。應(yīng)用范圍從超聲波、雷達(dá)、激光雷達(dá)、無線通信和語音分析已經(jīng)利用可變增益來增強(qiáng)動態(tài)性能。vga可以調(diào)節(jié)具有寬動態(tài)范圍的信號。例如，到無線接收的輸入信號可以從微伏到伏特。vga可以應(yīng)用于通信、有線電視、醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)應(yīng)用中找到。

在許多高速通信應(yīng)用(包括光通信)中，可變增益放大器用于輸入信號幅度歸一化或用于線性均衡。許多vga是級聯(lián)實(shí)現(xiàn)的，其中一個vga的輸出連接到另一個vga的輸入。需要許多vga的應(yīng)用使得系統(tǒng)和塊級功耗成為將所提供的產(chǎn)品區(qū)分到市場的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)之一。

理解傳統(tǒng)雙極吉爾伯特乘法器電路的缺點(diǎn)

由于高頻輸入信號內(nèi)容，vga帶寬需求強(qiáng)制使用雙極器件用于這種應(yīng)用。傳統(tǒng)上，使用雙極吉爾伯特乘法器電路。圖1示出了傳統(tǒng)的雙極吉爾伯特乘法器電路。該電路具有兩個射極跟隨器qef0和qef1，兩個放大器晶體管qa0和qa1，以及四個增益晶體管qg01，qg00，qg10和qg11。電路的差分輸入是inm和inp，電路的差分輸出是outp和outm。圖中所示的拓?fù)渲荒軐?shí)現(xiàn)正的有符號乘法因子，但也可以通過將輸出晶體管qg00和qg10分別交叉連接到輸出節(jié)點(diǎn)outm和outp來實(shí)現(xiàn)正和負(fù)乘法因子。電路操作如下，射極跟隨器qef0和qef1分別將輸入信號inm和inp緩沖到節(jié)點(diǎn)nef0和nef1。然后，使用qa0，rd0，rd1和qa1將緩沖的輸入信號轉(zhuǎn)換為差分電流。假設(shè)qa0和qa1的跨導(dǎo)遠(yuǎn)大于rd0和rd1的電導(dǎo)，差分電流是qa0和qa1的集電極電流差的一半，可以表示如下：

δvin等于(vinp-vinm)，并且負(fù)反饋電阻器rd0和rd1等于0.5rd。qa0和qa1，icqa1和icqa0的集電極電流可分別表示為：

icqa1＝ib+iδicqq0＝ib-iδ

然后，qa0和qa1的集電極電流分別被晶體管對qg00，qg01和qg10，qg11分壓。qg11和qg01，icqg11和icqg01的集電極電流分別驅(qū)動輸出節(jié)點(diǎn)，集電極電流可表示如下：

vt是熱電壓。因此，傳統(tǒng)吉爾伯特乘法器電路的增益因子或增益系數(shù)，即k，是：

可以通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整增益控制電壓v1來設(shè)置期望的增益因子。如圖1所示，v1是連接到qg00和qg10的基極端的電壓源。電壓源v0設(shè)置直流(dc)工作點(diǎn)以產(chǎn)生用于放大器晶體管qa0和qa1工作的適當(dāng)?shù)碾妷河嗔?。增益因子k在區(qū)間(0-1)內(nèi)有界。對于等于0的v1，增益k為0.5。通過使用電阻器ro0和ro1將qg01和qg11的集電極電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓來獲得輸出信號，即電壓outp和outm的差。假設(shè)輸出電阻等于ro，傳統(tǒng)gilbert乘法器電路的傳遞函數(shù)可以寫為：

退化電容器cd0和cd1在高頻處產(chǎn)生峰化以進(jìn)一步擴(kuò)展乘法器帶寬。現(xiàn)有技術(shù)的吉爾伯特乘法器電路的最小電源電壓要求(即vccmin)可以表示如下：

雙極晶體管基極-發(fā)射極電壓表示為vbe，電流源的順應(yīng)電壓(產(chǎn)生偏置電流的電流源ib的順應(yīng)電壓)表示為vcib，峰-峰輸出信號電壓(差分輸出節(jié)點(diǎn)處的峰-峰電壓)表示為voutpp，并且峰-峰輸入信號(差分輸入節(jié)點(diǎn)處的峰-峰電壓)表示為vinpp。對于高速設(shè)計(jì)，選擇大于0伏特(v)的雙極晶體管的基極-集電極電壓差vbc以減小寄生集電極-基極電容是一種常見的設(shè)計(jì)實(shí)踐。在計(jì)算最小電源電壓要求時，假定對于等于0v的vbc滿足帶寬要求。因此vbc被視為等于vbe。如果所需的vbc較大，額外的電壓應(yīng)加到vccmin。假設(shè)輸入和輸出峰-峰信號擺幅為300毫伏(mv)，vbe和vcib分別等于800mv和400mv，最小可實(shí)現(xiàn)電源電壓電平為2.3v。實(shí)際上，vccmin通常大于2.3v。較高的電源電壓電平通常意味著較大的功耗(所有其他因素保持不變)。

修改的電路拓?fù)洌旱碗妷旱凸β士勺冊鲆娣糯笃?/u>

為了降低最小電源電壓要求，重新設(shè)計(jì)乘法器以利用不同的拓?fù)?，使得可以提供可變增益放大功能，而不需要堆疊諸如圖1所示的qg01和qa0的晶體管。結(jié)果，凈空要求降低。修改的電路拓?fù)洳皇瞧椒驳摹?/p>

圖2示出根據(jù)本公開的一些實(shí)施例的低電壓低功率可變增益放大器。修改的電路拓?fù)浣Y(jié)合了圖1中所示的放大器晶體管(qa0和qa1)和增益晶體管(qg00，qg01，qg10和qg11)，并使用兩對浮動電壓源[vg01，vg00]和[vg10，vg11]。雙極晶體管的工作點(diǎn)和無源部件值與圖1中所示的拓?fù)湎嗤?。因此，兩個放大器的交流(ac)響應(yīng)是相同的。浮動電壓源的信號帶寬可以匹配(或大于)期望的信號帶寬。修改電路的最小電源要求被大大放寬。

放大器包括接收差分輸入電壓的差分輸入節(jié)點(diǎn)inm和inp以及用于輸出差分輸出電壓的差分輸出節(jié)點(diǎn)outp和outm，其中差分輸出電壓是由放大器的可變增益設(shè)置放大的差分輸入電壓。放大器具有第一差分電壓節(jié)點(diǎn)nef0和nef1，其基于第一固定電壓變化分別緩沖或跟隨差分輸入節(jié)點(diǎn)inm和inp處的差分輸入電壓。在該示例中，nef0和nef1分別是發(fā)射極跟隨器的發(fā)射極節(jié)點(diǎn)qef0和qef1。inm驅(qū)動晶體管qef0的基極，并且發(fā)射極節(jié)點(diǎn)nef0跟隨inm，具有一個基極-發(fā)射極電壓vbe的電壓降(即，第一固定電壓變化)。inp驅(qū)動晶體管qef1的基極，發(fā)射極節(jié)點(diǎn)nef1跟隨inp，具有一個基極-發(fā)射極電壓vbe的電壓降(即，第一固定電壓變化)。

放大器通過控制被一對電流分支劃分的電流來改變其增益。換言之，可以控制該對電流分支以允許一定百分比的電流流過一個分支(即，輸出分支)相對于另一個分支(即，不是輸出分支)。被分頻的電流具有基于inm和inp處的輸入電壓的分量。放大器的可變增益設(shè)置將至少基于這樣的百分比。放大器包括驅(qū)動差分輸出節(jié)點(diǎn)的第一電流分支，例如驅(qū)動outp的qg01和驅(qū)動outm的qg11。此外，放大器包括分別與各自的第一電流分支(例如，qg01，qg11)配對的第二電流分支(例如，qg00和qg10)，以根據(jù)系數(shù)k將偏置電流ib和表示差分輸入電壓的差分電流iδ。放大器的總體可變增益設(shè)置取決于系數(shù)k。

為了控制系數(shù)k，放大器包括具有相同的第一預(yù)定電壓變化/位移的第一浮動電壓源vg01，vg11和具有相同的第二預(yù)定電壓變化/位移的第二電壓源vg00，vg10。浮動電壓源通過在第一預(yù)定電壓改變/移位和第二電壓改變/移位之間施加電壓差vg來控制上述電流分配。兩個相同的第一浮置電壓源和第二電壓源對被實(shí)現(xiàn)用于電路的兩側(cè)。為了正確操作，由浮動電壓源vg01和vg11實(shí)現(xiàn)的電壓移位/改變是相同的，并且由浮動電壓源vg00和vg10實(shí)現(xiàn)的電壓移位/改變是相同的。vg01＝vg11，vg00＝vg10。電壓差vg為vg01-vg00＝vg11-vg10。

第一浮動電壓源vg01，vg11中的每一個耦接在第一差分電壓節(jié)點(diǎn)(nef0或nef1)中的相應(yīng)一個與第一電流分支(分別為晶體管qg01或qg11的基極)中的相應(yīng)一個之間，以提供第一預(yù)定電壓變化。例如，vg01連接在nef0和qg01的基極之間。vg11連接在nef1和qg11的基極之間。第二浮動電壓源vg00，vg10中的每一個分別耦接在第一差分電壓節(jié)點(diǎn)(nef0或nef1)中的相應(yīng)一個與第二電流分支(qg00或qg10)中的相應(yīng)一個之間，以在相同方向上提供第二預(yù)定變化作為第一預(yù)定電壓變化。例如，vg00連接在nef0和qg00的基極之間。vg10連接在nef1和qg10的基極之間。值得注意的是，浮動電壓在從放大器的輸入到輸出的信號路徑中。第一電流分支中的每一個包括雙極晶體管qg01或qg11，其基極(或基極端)由相應(yīng)的第一浮動電壓源vg01或vg11驅(qū)動。每個第二電流分支包括雙極晶體管qg00，qg10，其基極(或基極端)由相應(yīng)的第二浮動電壓源vg00或vg10驅(qū)動。

電路拓?fù)涞囊粋€方面是從輸入到輸出經(jīng)歷的電壓偏移的方向。電路拓?fù)涞牧硪环矫媸怯筛与妷涸刺峁┑碾妷浩频姆?。具體地設(shè)置電壓偏移的方向和幅度以確保低余量操作(以放寬vccmin)。第一預(yù)定電壓變化(vg10，vg11)和第二預(yù)定電壓變化(vg00和vg10)對應(yīng)于大小上但在相反方向上的第一固定電壓變化(qef0的vbe，qef1的vbe)。因此，vg01，vg11，vg00和vg10可以通過將電壓向上偏移一些接近一個vbe來抵消射極跟隨器的一個vbe電壓降。因此，第一預(yù)定電壓變化vg01和vg11以及第二預(yù)定電壓變化vg00和vg10被設(shè)置為在相反方向上基本上偏移一個基極-發(fā)射極電壓vbe。由圖2的拓?fù)渲械母与妷涸刺峁┑碾妷阂莆坏南喾捶较蚺c圖1的拓?fù)渲锌吹降膬蓚€vbe電壓降相反(即，由于在相同方向上的qef0和qa0的電壓降，以及由于qef1和qa1在相同方向上的電壓降)。結(jié)果，電路可以以降低的電源電壓要求操作并且大大降低功耗。一般來說，第一預(yù)定電壓變化vg01和vg11以及第二預(yù)定電壓變化vg00和vg10被設(shè)置為在相反方向上小于一個基極-發(fā)射極電壓vbe，以改善失真或帶寬。雖然不是優(yōu)選的，但是第一預(yù)定電壓變化vg01和vg11和第二預(yù)定電壓變化v。

電路拓?fù)涞牧硪环矫媸峭ㄟ^在放大器的信號路徑中的浮動電壓來設(shè)置放大器的可變增益。第一預(yù)定電壓變化和第二預(yù)定電壓變化vg＝vg01-vg00＝vg11-vg10之間的差vg設(shè)置系數(shù)以提供放大器的可變增益。晶體管qg00，qg01，qg10和qg11的基極處的電壓差控制電流分支對之間的電流分配，其中電流具有表示輸入電壓vinm的分量(在此稱為差電流)和vinp在節(jié)點(diǎn)inm和inp。

浮動電壓源的約束和功能是唯一的。第一和第二預(yù)定電壓變化/移位被適當(dāng)?shù)剡x擇以不僅減小最小電源電壓，而且還實(shí)現(xiàn)放大器的可變增益系數(shù)。不提供這些浮動電壓源以減少放大器的噪聲或失真(例如，用于微調(diào)目的)。在一個示例中，第一和第二預(yù)定電壓變化/偏移在幾百毫伏(mv)的數(shù)量級，例如1vbe或700-900mv。電壓差vg可以在一百毫伏(mv)的數(shù)量級上。例如，電壓差vg(即，編程電壓)可以在-150mv至150mv之間。

雖然所示的拓?fù)鋬H實(shí)現(xiàn)正的有符號乘法因子，但本發(fā)明也預(yù)見通過將輸出晶體管qg00和qg10分別交叉連接到輸出節(jié)點(diǎn)outm和outp來實(shí)現(xiàn)正和負(fù)乘法因子。

低電壓低功率可變增益放大系統(tǒng)

在系統(tǒng)級，低電壓低功率可變增益放大器包括第一輸入緩沖器202，第二輸入緩沖器204，輸出級206，兩組浮動電壓源(標(biāo)記為vg01，vg00，vg10，vg11)作為第一增益設(shè)置級和第二增益設(shè)置級。包括晶體管qef0的第一輸入緩沖器跟隨差分輸入(inm)中的第一個。包括晶體管qef1的第二輸入緩沖器204跟隨差分輸入(inp)中的第二個。包括晶體管qg01，qg00，qg10和qg11以及節(jié)點(diǎn)na0和na1的輸出級復(fù)制了節(jié)點(diǎn)na0和na1處的差分輸入的電壓差，并將復(fù)制的電壓差轉(zhuǎn)換為差分電流iδ，增益設(shè)置。第一增益設(shè)置級控制輸出級，該級包括第一浮動電壓源vg01和第二浮動電壓源vg00，用于將第一輸入緩沖器(節(jié)點(diǎn)nef0)的輸出移位第一預(yù)定電壓變化(vg01)，第二預(yù)定電壓變化(vg00)。以相同的方式，第二增益設(shè)置級控制輸出級，該級包括第三浮置電壓源vg11和第四浮置電壓源vg10，用于將第二輸入緩沖器(節(jié)點(diǎn)nef1)的輸出移位第一預(yù)定電壓(vg11)和第二預(yù)定電壓變化(vg10)。第一預(yù)定電壓變化和第二預(yù)定電壓變化之間的差vg設(shè)置施加到偏置電流ib和差電流iδ的增益設(shè)置k，以提供放大器的可變增益。

圖3示出根據(jù)本公開的一些實(shí)施例的低電壓低功率可變增益放大器的一側(cè)。具體地，該圖示出了圖2中所示的電路的左側(cè)。一般來說，相同的電路在右側(cè)被復(fù)制，因此為了簡單起見未示出。圖3所示的半電路包括具有晶體管qef(射極跟隨器)，作為增益設(shè)置級302的一對浮動電壓源vg1，vg0和具有輸出級304的輸出級(或輸出級的一半)304的輸入緩沖器202。晶體管qg1，qg0和節(jié)點(diǎn)na)。根據(jù)本文描述的實(shí)施例設(shè)置浮動電壓源的電壓偏移/改變以提供放大器的可變增益。具有浮動電壓源vg1，vg0的增益設(shè)置級302的各種示例性實(shí)現(xiàn)在圖5-7(相對于圖3所示的半電路)中詳細(xì)示出。

注意，示例性實(shí)現(xiàn)具有用于在低頻處傳送輸入信號并設(shè)置增益因子的低頻dc路徑。這些實(shí)施方式還具有通過耦合電容器的高頻路徑，以在高頻下傳送輸入信號。這些變化在dc信號路徑實(shí)現(xiàn)方面不同。一般來說，實(shí)施方案包括可編程電流源(本文中稱為i1和i0)以產(chǎn)生浮動電壓源。注意，可編程電流源遠(yuǎn)小于本文拓?fù)渲锌吹降钠秒娏鱥b。當(dāng)不針對速度以及對可編程電壓源的其它部分(例如，電阻器值)的適當(dāng)設(shè)置選擇可編程電流源時，可編程電流源可以在幾十到幾百微安(ua)的數(shù)量級上，此時偏置電流ib為幾毫安(ma)的數(shù)量級。例如，偏置電流ib可以是1-5ma，并且可編程電流源i1和i0可以是10-300ua。

在沒有傳統(tǒng)吉爾伯特乘法器電路的放大器晶體管的情況下產(chǎn)生差電流

為了正確操作，電壓vg01被設(shè)置為與vg11相同，并且電壓vg00被設(shè)置為與vg10相同。返回參考圖2，射極跟隨器qef0和qef1分別將輸入信號inm和inp緩沖到節(jié)點(diǎn)nef0和nef1。緩沖的輸入信號然后被電壓移位以驅(qū)動晶體管qg00，qg01，qg10和qg11的基極端。雙極晶體管對qg00-qg01和qg10-qg11形成最大電路，以在節(jié)點(diǎn)na0和na1上產(chǎn)生電壓。由于電路左側(cè)的vg01和vg00的電壓變化/偏移必須與電路右側(cè)的vg11和vg10的電壓變化/偏移相同，所以電壓從inm和inp節(jié)點(diǎn)到na1和na0節(jié)點(diǎn)也必須分別相同。因此，電路的兩側(cè)將相應(yīng)的輸入電壓vinm或vinp復(fù)制到相應(yīng)的na0或na1節(jié)點(diǎn)，以將輸入電壓差轉(zhuǎn)換為差電流iδ。差電流iδ因此表示節(jié)點(diǎn)inm和inp處的輸入電壓vinm和vinp。

假設(shè)晶體管qg00-qg01和qg10-qg11的跨導(dǎo)的總和比rd0和rd1的電導(dǎo)大得多(因?yàn)閳D2的偏置電流ib與圖1的拓?fù)湎嗤缘刃Э鐚?dǎo)是對于兩個拓?fù)涫窍嗤?，差電流iδ可以表示如下：

δvin等于(vinp-vinm)，并且負(fù)反饋電阻器rd0和rd1等于0.5rd。

再次參考圖2，電路包括在第一電流分支qg01中的晶體管的發(fā)射極處的第一節(jié)點(diǎn)na0以及在晶體管的發(fā)射極處的第二電流分支qg00中的第一電流分支qg00和第二節(jié)點(diǎn)na1在第一電流分支qg11的第二電流分支和第二電流分支qg10的第二電流分支。通過第一浮動電壓源vg01，vg00，vg10，vg11以及第一和第二電流分支qg01，qg00，qg10，在第一節(jié)點(diǎn)na0和第二節(jié)點(diǎn)na1處復(fù)制差分輸入電壓vinp-vinm的電壓差，和qg11。值得注意的是，沒有使用放大晶體管(圖1的qa0和qa1)來復(fù)制輸入電壓。該電路還包括在第一節(jié)點(diǎn)na0和第二節(jié)點(diǎn)na1之間的電阻rd0和rd1。差電流iδ是在第一節(jié)點(diǎn)na0和第二節(jié)點(diǎn)na1處被電阻rd＝rd0+rd1分壓的電壓差。

在一些實(shí)施例中，電路包括通過第一差分電壓節(jié)點(diǎn)nef0，nef1，第一和第二浮動電壓源vg01，vg00，vg10復(fù)制差分輸入電壓的電壓差δvin的第二差分電壓節(jié)點(diǎn)na0和na1，vg11，以及第一和第二電流分支qg01，qg00，qg10和qg11c差分電流iδ由第二差分電壓節(jié)點(diǎn)na0和na1之間的電阻rd＝rd0+rd1上的復(fù)制電壓差產(chǎn)生。

在一些實(shí)施例中，差電流iδ由跨越電阻rd＝rd0+rd1的復(fù)制電壓差產(chǎn)生。重復(fù)的電壓差基于(1)偏移包括第一預(yù)定電壓變化和第二預(yù)定電壓變化(例如，vg01和vg00)的固定量的差分輸入電壓inm中的第一個，以及(2)第二偏移相同固定量(例如，vg11和vg00)的差分輸入電壓(inp)中的一個。值得注意的是，即使通過浮動電壓源(vg01，vg00，vg11，vg00)也可以復(fù)制輸入電壓差，因?yàn)樵搶Ω与妷涸丛陔娐返膬蓚?cè)提供相同的電壓變化/移位。

有利地，圖2中所示的電路可以產(chǎn)生與第一預(yù)定電壓變化(vg01或vg11)和第二預(yù)定電壓變化(vg00或vg10)之間的差vg無關(guān)的差電流iδ。

在一些實(shí)施例中，第一預(yù)定電壓變化和第二預(yù)定電壓變化之間的差為大約一百毫伏。短語不同，vg可以是大約+100mv或-100mv，例如在-150mv至+150mv的范圍內(nèi)。一般來說，第一預(yù)定電壓變化和第二預(yù)定電壓變化在1vbe(例如，700-900mv)的量級。

再參考圖2，晶體管qg00-qg01和晶體管qg10-qg11(具有偏置電流ib和差分電流iδ分量)的發(fā)射極電流的總和可以表示如下：

ieqg10+ieqg11＝ib+iδieqg00+ieqg01＝ib-iδ

qg01和qg11的集電極電流驅(qū)動到輸出節(jié)點(diǎn)。假設(shè)vg00-vg01＝vg10-vg11＝vg，集電極電流可表示如下：

vt是熱電壓。因此，增益因子或系數(shù)，即k，可以表示為：

可以通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整增益控制電壓vg來設(shè)置期望的增益因子。增益因子k在區(qū)間(0-1)內(nèi)有界。對于vg等于0，增益k為0.5。作為電壓outp和outm的差的輸出信號通過使用電阻器ro0和ro1將qg01和qg11的集電極電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓來獲得。假設(shè)輸出電阻等于ro，傳遞函數(shù)可寫為：

退化電容器cd0和cd1在高頻處產(chǎn)生峰值，以進(jìn)一步擴(kuò)展乘法器帶寬。

增益因子或增益系數(shù)k控制代表流過第一電流分支的差分輸入電壓(例如，ib+iδ或ib-iδ)的偏置電流ib和差分電流iδ的量(例如，qg01，qg11朝向輸出節(jié)點(diǎn)outp，outm)以及偏流ib的余量和表示流過第二開關(guān)元件的差分輸入電壓(例如ib+iδ或ib-iδ)的差電流iδ第二電流分支(例如，qg00，qg11)，以實(shí)現(xiàn)放大器的可變增益。當(dāng)利用適當(dāng)?shù)膙g適當(dāng)?shù)卦O(shè)置浮動電壓時，可以改變增益系數(shù)k。

降低的最小電源電壓

圖2中所示的可變增益放大器的最小電源電壓(即vccmin)要求可以表示如下：

雙極晶體管基極-發(fā)射極電壓表示為vbe，電流源ib的順從電壓表示為vcib，峰-峰輸出信號(差分輸出節(jié)點(diǎn)處的峰-峰電壓)為表示為voutpp，并且峰-峰輸入信號(差分輸入節(jié)點(diǎn)處的峰-峰電壓)表示為vinpp。換句話說，放大器具有最小電源電壓要求vccmin，其包括一個基極-發(fā)射極電壓vbe，產(chǎn)生偏置電流vcib的電流源的順從電壓，在差分輸入節(jié)點(diǎn)1/2vinpp處的峰-峰電壓的一半，以及差分輸出節(jié)點(diǎn)1/2voutpp的峰-峰電壓的一半。

注意，出于比較圖1和圖2的拓?fù)?在一些情況下，所需的額外電壓凈空大約為75mv)的目的，忽略了用于增益編程的額外電壓凈空要求。在計(jì)算圖2所示的可變增益放大器的最小電源電壓，即vccmin的要求時，假定對于等于0v的vbc滿足帶寬要求。因此vbc被視為等于vbe。如果所需的vbc較大，額外的電壓可以添加到vccmin。對于輸入和輸出峰-峰信號擺幅為300mv的示例，vbe和vcib分別等于800mv和400mv，最小可實(shí)現(xiàn)電源電壓電平為1.5v，同時保持電流電平類似于傳統(tǒng)吉爾伯特乘法器電路。在該示例中，第一電流分支和第二電流分支包括雙極晶體管器件qg01，qg00，qg10和qg11，并且放大器可以用低至1.5伏的電源電壓正常操作。此外，相對于具有2.3v的vccmin的傳統(tǒng)吉爾伯特乘法器電路，圖2中的電路的功率節(jié)省為35％。

低電壓低功率可變增益放大方法

圖4是示出根據(jù)本公開的一些實(shí)施例的低電壓低功率可變增益放大方法的流程圖。箭頭意在說明，并且方法的各個部分的順序和可能的并行/順序性質(zhì)可以變化。

在部分402中，在以第一預(yù)定電壓偏移(vg01)移位差分輸入對(inm)中的第一個之后，在第一電壓(nef0的電壓)下驅(qū)動第一晶體管(qg01)的基極。第一晶體管(qg01)耦合到差分輸出對(outp)中的第一個。在部分404中，以第二預(yù)定電壓偏移(vg00)移位的第一電壓(nef0的電壓)驅(qū)動第二晶體管(qg00)的基極。在部分406中，由移位了第一預(yù)定電壓偏移(vg01＝vg11)的差分輸入對(inp)中的第二個之后，以第二電壓(nef1處的電壓)驅(qū)動第二晶體管(qg11)的基極，其中第三晶體管(qg11)耦合到差分輸出對(outm)中的第二個。在部分408中，第四晶體管(qg10)的基極由偏移第二預(yù)定電壓偏移(vg00＝vg10)的第二電壓(nef1的電壓)驅(qū)動。在部分410中，基于差分輸入對的電壓差(δvin＝vinp-vinm)產(chǎn)生差電流(iδ)。在部分412中，在第一晶體管(qg01)和第二晶體管(qg00)之間以及第三晶體管(qg11)和第四晶體管之間，基于第一預(yù)定電壓偏移(vg01＝vg11)和第二預(yù)定電壓偏移(vg00＝vg10)之間的差(vg＝vg01-vg00＝vg11-vg10)，劃分偏置電流和差電流(ib+iδ或ib-iδ)。

在一些實(shí)施例中，產(chǎn)生差電流iδ包括獨(dú)立于第一預(yù)定電壓偏移(vg01＝vg11)和第二預(yù)定電壓偏移(vg01＝vg11)之間的差值(vg＝vg01-vg00＝vg11-vg10)電壓漂移(vg00＝vg10)。

在一些實(shí)施例中，該方法還包括使用相同的一組電壓偏移復(fù)制差分輸入對的電壓差(δvin＝vinp-vinm)，(1)來自差分中的第一個的第一路徑輸入對到第一晶體管和第二晶體管的發(fā)射極，以及(2)從差分輸入對中的第二個到第三晶體管和第四晶體管的發(fā)射極的第二路徑。換句話說，包括該對浮置電壓源的相同組的電壓偏移在電路的兩側(cè)上相同地實(shí)現(xiàn)。例如，相同的一組電壓偏移包括第一預(yù)定電壓偏移(vg01＝vg11)和第二預(yù)定電壓偏移(vg00＝vg10)。

在一些實(shí)施例中，第一預(yù)定電壓偏移(vg01＝vg11)和第二預(yù)定電壓偏移(vg00＝vg10)之間的差(vg＝vg01-vg00＝vg11-vg10)對應(yīng)于增益系數(shù)(k)的可變增益放大器。

有利地，提供預(yù)定電壓偏移的浮動電壓源用于實(shí)現(xiàn)放大器的可變增益。此外，由于電路的兩側(cè)經(jīng)過相同的電壓偏移(即使浮動電壓源在信號路徑中)，也可以獨(dú)立于差值vg生成差值電流iδ。換句話說，基于δvin＝vinp-vinm產(chǎn)生差電流。增益控制與圖1的輸入和增益晶體管qa0和qa1組合不再需要。

在一些實(shí)施例中，第一預(yù)定電壓偏移(vg01＝vg11)和第二預(yù)定電壓偏移(vg00＝vg10)處于從差分對中的第一個到第一電壓的電壓偏移的相反方向例如基本上偏移1vbe，或優(yōu)選偏移小于1vbe)。因此，實(shí)現(xiàn)這些電壓偏移的浮動電壓源可以抵消1vbe的電壓降，以放寬最小電源電壓要求。

在一些實(shí)施例中，該方法還包括使用輸出電阻器ro0和ro1將第一晶體管(qg01)和第三晶體管(qg11)的集電極電流轉(zhuǎn)換為差分輸出對(outp和outm)處的電壓。集電極電流包括差分電流iδ分量，并且可以施加增益系數(shù)k以控制集電極電流，從而控制差分輸出對(outp和outm)處的電壓。

浮動電壓源：示例1

圖5展示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的浮動電壓源的示范性實(shí)施方案。為了固定從輸入節(jié)點(diǎn)in到nef的電壓降，可以固定qef的偏置電流ibef或等效地固定編程電流源i1和i0的和。編程電流源i1和i0可以定義為：

i0≡ibp+0.5iδi1≡ibp-0.5iδ

ibp是常數(shù)部分，iδ是編程電流的變化部分(不與差電流混淆)。編程電流源i1和i0的總和為itot：

itot＝i1+i0＝2ibp

ibef＝iqef+itot

ibef，qef的偏置電流是通過晶體管qef和itot的電流的總和。增益編程電壓，即vg可以表示為：

vg＝vg0-vg1＝bfvs(i0-i1)＝rfvsiδ

可以與電容器cfvs的值一起確定電阻器rfvs的值以實(shí)現(xiàn)期望的ac性能(零頻率)?？梢赃x擇與qg0，qg1晶體管的rπ輸入電阻相比足夠小的rfvs值，使得由于由rfvs和rπ形成的電阻分壓器導(dǎo)致的dc增益衰減在可接受的范圍內(nèi)。一旦確定了rfvs的值，就可以確定ibp以設(shè)置qg1和qg0的期望dc工作電壓電平。可以通過適當(dāng)?shù)剡x擇iδ(編程電流的變化部分)來獨(dú)立地設(shè)置編程電壓vg。注意，期望增益因子和編程電流iδ的變化部分之間的關(guān)系不是線性的。

浮動電壓源：示例2

圖6展示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的浮動電壓源的另一示范性實(shí)施方案。對于提供快速pnp雙極晶體管的技術(shù)，可以如圖6所示實(shí)現(xiàn)浮動電壓源。值得注意的是，包括pnp晶體管qef2作為浮動電壓源的一部分。該實(shí)現(xiàn)的信號路徑帶寬大于圖5中所示的拓?fù)?。編程電流源i1和i0可以被定義為：

i0≡0.5iδi1≡-0.5iδ

因此，

iqef2＝ibef2+i0+i1＝ibef2

可以與電容器cfvs的值一起確定電阻器rfvs的值以實(shí)現(xiàn)期望的ac性能(零頻率)。該實(shí)現(xiàn)允許選擇較大的rfvs值以將信號路徑上的零頻率拉到較低頻率。與qg0，qg1晶體管的rπ輸入電阻相比，可以選擇足夠小的rfvs值，使得由于由rfvs和rπ形成的電阻分壓而導(dǎo)致的dc增益衰減在可接受的范圍內(nèi)。可以選擇偏置電流ibef和ibef2以設(shè)置qg1和qg0的期望dc工作電壓電平。增益編程電壓，即vg可以表示為：

vg＝vg0-vg1＝rfvs(i0-i1)＝rfvsiδ

對于該示例，期望的增益因子和編程電流iδ的變化部分之間的關(guān)系也不是線性的。

浮動電壓源：實(shí)施例3

圖7展示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的浮動電壓源的又一示范性實(shí)施方案。為了線性化增益控制，可以實(shí)現(xiàn)如圖7所示的浮動電壓源。盡管所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與常規(guī)pn結(jié)二極管(如果可用的話)適當(dāng)?shù)夭僮?，但是可以利用肖特基二極管來利用其低正向電壓降，用于設(shè)置晶體管qg0，qg1的工作偏置電壓的額外靈活性。為了固定從輸入節(jié)點(diǎn)in到nef的電壓降，可以固定qef的偏置電流ibef或等效地將編程電流源i1和i0的和：

itot＝i1+i0

ibef＝iqef+itot

增益電壓，即vg，即電壓差vg0和vg1可以表示如下：

將上述代入到先前概述的k的等式中：

基于上述關(guān)于增益因子k的等式，可以利用偏置電流i1線性地控制增益。由于i1和i0的和等于itot，并且它們必須是正符號的，以便保持二極管正向偏置，增益k在區(qū)間(0-1)內(nèi)有界?？梢允褂胷fv和itot來適當(dāng)?shù)卦O(shè)置晶體管qg0，qg1的dc工作電壓電平。電阻器riso用于將二極管的陽極端子上的寄生電容與高頻信號路徑隔離。這些電阻應(yīng)選擇足夠低，以便由于qg0，qg1的基極電流，由riso兩端的電壓降產(chǎn)生的增益設(shè)置誤差在可接受的水平內(nèi)?？梢詫⒏綦x電阻包括在圖5-6中所示的拓?fù)渲小Ｅcqg0，qg1晶體管的rπ輸入電阻相比，rfvs和riso的和可以選擇得足夠小，使得由于電阻分壓器引起的dc增益衰減在可接受的范圍內(nèi)。注意，正向偏置二極管電容的值是其偏置電流的函數(shù)。因此，二極管電容隨著增益設(shè)置而改變。改變二極管電容對信號路徑的群延遲的不利影響可以通過適當(dāng)?shù)剡x擇rfvs電阻值來減弱。

可編程電流源

圖8示出根據(jù)本公開的一些實(shí)施例的用于浮動電壓源的示例性可編程電流源i1和i0。參考電流ibref與參考電阻器rref一起產(chǎn)生電壓vref。使用由放大器a1，晶體管q11，晶體管q01，并聯(lián)r0-rn和放大器a0，晶體管q10，晶體管q00，可并聯(lián)電阻器組形成的反饋回路在節(jié)點(diǎn)na1和na0上再生該電壓-rn。na0和na1上的參考電壓通過由prgi0[n∶0]和prgi1[n∶0]確定的電源端子的等效電阻轉(zhuǎn)換為電流。所產(chǎn)生的電流然后被q11-q01和q10-q00晶體管對除以2，以饋送正和負(fù)信號路徑的i1和i0電流。

正和負(fù)半電流發(fā)生器共享相同的放大器，使得在集電極處的信號擺動可以被再循環(huán)以便于放大器設(shè)計(jì)。所使用的放大器(a0和a1)可以是具有nmos輸入對的折疊級聯(lián)高增益放大器。單位增益帶寬頻率可以選擇為低，以便減少引入的噪聲。這又有益于放大器的功率消耗要求。

輸出電流可以表示為f

索引x是0或1，分別表示連接到晶體管qg0或qg1的基極的電流源。req0和req1是由編程信號prgi0[n：0]和prgi1[n：0]確定的等效電阻。

變化和實(shí)現(xiàn)

一般來說，本文所公開的低壓低功率可變增益放大器可以提供具有可電子設(shè)置的電壓增益的信號調(diào)節(jié)?？勺冊鲆娣糯笃饔糜诟鞣N遙感和通信設(shè)備。從蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施，手機(jī)，超聲波，雷達(dá)，激光雷達(dá)，光通信，無線通信和語音分析等應(yīng)用中利用可變增益來增強(qiáng)動態(tài)性能。vga可以調(diào)節(jié)具有寬動態(tài)范圍的信號。例如，到無線接收的輸入信號可以從微伏到伏特。vga可以在通信，有線電視，醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)應(yīng)用中找到。

在上述實(shí)施例的討論中，電容器，電阻器，放大器，二極管，晶體管和/或其它組件可以容易地被替換，替換或以其它方式修改以適應(yīng)特定的電路需要。此外，應(yīng)當(dāng)注意，互補(bǔ)電子器件(例如，pnp雙極晶體管與npn雙極晶體管)的使用為實(shí)現(xiàn)本公開的教導(dǎo)提供了同樣可行的選擇。各種實(shí)現(xiàn)方式等效于使用互補(bǔ)晶體管器件的所公開的實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楦鞣N實(shí)現(xiàn)方式將以基本相同的方式執(zhí)行基本上相同的功能，以產(chǎn)生基本上相同的結(jié)果。對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，互補(bǔ)或等效的配置將被認(rèn)為可以與本文描述的實(shí)施例互換。

在一個示例實(shí)施例中，圖中的任何數(shù)量的電路可以在相關(guān)聯(lián)的電子設(shè)備的板上實(shí)現(xiàn)。板可以是能夠保持電子設(shè)備的內(nèi)部電子系統(tǒng)的各種部件，并且還提供用于其他外圍設(shè)備的連接器的通用電路板。更具體地，板可以提供電連接，系統(tǒng)的其他部件可以通過該電連接電通信?；谔囟ㄅ渲眯枨?，處理需求，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)等，任何合適的處理器(包括數(shù)字信號處理器，微處理器，支持芯片組等)，計(jì)算機(jī)可讀非暫時性存儲器元件等可以適當(dāng)?shù)伛詈系桨?。諸如外部存儲器，附加傳感器，用于音頻/視頻顯示的控制器以及外圍設(shè)備的其它組件可以作為插入卡，經(jīng)由電纜附接到板或者集成到板本身中。

在另一示例實(shí)施例中，附圖的電路可以被實(shí)現(xiàn)為獨(dú)立模塊(例如，具有被配置為執(zhí)行特定應(yīng)用或功能的相關(guān)組件和電路的設(shè)備)或?qū)崿F(xiàn)為應(yīng)用中的插件模塊電子設(shè)備的特定硬件。注意，本公開的特定實(shí)施例可以部分地或整體地容易地包括在片上系統(tǒng)(soc)封裝中。soc表示將計(jì)算機(jī)或其他電子系統(tǒng)的組件集成到單個芯片中的ic。它可以包含數(shù)字，模擬，混合信號和通常的射頻功能：所有這些可以提供在單個芯片襯底上。其他實(shí)施例可以包括多芯片模塊(mcm)，其具有位于單個電子封裝內(nèi)的多個分離的ic，并且被配置為通過電子封裝彼此緊密地相互作用。

還必須注意，這里概述的所有規(guī)格，尺寸和關(guān)系(例如，晶體管，電阻器，電容器，二極管等的數(shù)量)僅僅是為了示例和教導(dǎo)的目的而提供的。在不脫離本公開的精神或所附權(quán)利要求的范圍的情況下，可以相當(dāng)大地改變這樣的信息。該規(guī)范僅適用于一個非限制性示例，因此，它們應(yīng)當(dāng)被這樣解釋。在前面的描述中，已經(jīng)參考特定的處理器和/或組件布置描述了示例實(shí)施例。在不脫離所附權(quán)利要求的范圍的情況下，可對這些實(shí)施例進(jìn)行各種修改和改變。因此，描述和附圖被認(rèn)為是說明性的而不是限制性的。

注意，利用本文提供的大量示例，可以根據(jù)兩個，三個，四個或更多個電子部件來描述交互。然而，這僅僅是為了清楚和示例的目的。應(yīng)當(dāng)理解，系統(tǒng)可以以任何合適的方式合并。沿著類似的設(shè)計(jì)替代方案，附圖的任何所示的部件，模塊和元件可以以各種可能的配置組合，所有這些都明顯在本說明書的廣泛范圍內(nèi)。在某些情況下，可以通過僅參考有限數(shù)量的電氣元件來更容易地描述給定的一組流的一個或多個功能。應(yīng)當(dāng)理解，圖中的電路及其教導(dǎo)是容易擴(kuò)展的，并且可以容納大量部件，以及更復(fù)雜/復(fù)雜的布置和配置。因此，所提供的示例不應(yīng)限制可能應(yīng)用于無數(shù)其它架構(gòu)的電路的范圍或抑制電路的廣泛教導(dǎo)。

注意，在本說明書中，包括在“一個實(shí)施例”、“示例性實(shí)施例”、“實(shí)施例”、“另一實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“各種實(shí)施例”、“其它實(shí)施例”、“替代實(shí)施例”等中的各種特征(例如，元件、結(jié)構(gòu)、模塊、組件、步驟、操作、特性等)旨在表示任何這樣的特征包括在本公開的一個或多個實(shí)施例中，或者可以不必在相同的實(shí)施例中組合。

還重要的是注意，與可變增益放大器相關(guān)的功能僅示出可由諸如圖4所示的系統(tǒng)執(zhí)行或在其內(nèi)執(zhí)行的一些可能的功能。這些操作中的一些可以在適當(dāng)?shù)牡胤奖粍h除或移除，或者這些操作可以被顯著地修改或改變而不背離本公開的范圍。此外，這些操作的定時可以顯著改變。前面的操作流程已經(jīng)被提供用于示例和討論的目的。

本文描述的實(shí)施例提供了基本的靈活性，因?yàn)樵诓幻撾x本公開的教導(dǎo)的情況下可以提供任何合適的布置、時間順序、配置和定時機(jī)制。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以確定許多其它改變、替代、變化、改變和修改，并且本公開旨在涵蓋落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有這樣的改變、替換、變化、更改和修改、聲明。注意，本文所描述的所有可選特征還可以相對于本文所述的方法或過程來實(shí)現(xiàn)，并且實(shí)施例中的細(xì)節(jié)可以在一個或多個實(shí)施例中的任何地方使用。