專利名稱：提供減小的失真的可變阻抗電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及電子電路，更準確地說涉及一種利用可變阻抗元件如電壓可變電容器來實現(xiàn)減小的失真性能的電子電路。
可變阻抗元件，如應(yīng)用于射頻電路的電壓可變電容器(VVC)，可變電感器等，可表現(xiàn)出較差的互調(diào)失真(IMD)性能。例如，一個電壓可變電容器的調(diào)諧比越大，電路呈現(xiàn)的互調(diào)失真性能也越差。在可調(diào)濾波器、壓控振蕩器(VCO)等電路中，低互調(diào)失真性能是十分有利的，因為起因于這些電路的失真越低，使用這些電路(如收音機、電視機等)的元件的總失真也越小。因此，需要一種可變阻抗電路，其能提供改善的失真性能。
簡單地說，根據(jù)本發(fā)明，提供有一個電子電路，它包括第一和第二可變阻抗器件。該第一和第二可變阻抗器件相互耦合，并且所述的第一和第二可變阻抗器件各有一個傳遞函數(shù)，其在電子電路的至少一個工作點附件基本上與另一個反相。
在本發(fā)明的另一個實施例中，一個電子電路包括第一和第二電壓可變電容器(VVC)。
在本發(fā)明的又一個實施例中，一個通訊裝置包括一個含有第一和第二可變阻抗器件的電子電路，并且所述的第一和第二可變阻抗器件各有一個傳遞函數(shù)，其在至少一個工作點附件與另一個基本上反相。


圖1是一個電壓可變電容器與電壓源串聯(lián)的原理圖。
圖2是一個曲線圖，它表示電容量與電壓可變電容器的直流偏置電壓的關(guān)系。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個可變阻抗電路原理圖。
圖4是示于圖3電路的交流等效原理圖。
圖5是圖4的反并聯(lián)結(jié)構(gòu)的諧波平衡模擬曲線圖。
圖6是一個根據(jù)本發(fā)明的帶通濾波器原理圖。
圖7是一個根據(jù)本發(fā)明的通訊裝置方塊圖。
盡管本說明書最后用權(quán)利要求書限定了具有新穎性的發(fā)明特點，相信，通過考慮下述的說明，結(jié)合附圖，會對本發(fā)明更加了解，附圖中，相同的參考號繼續(xù)延用。
電壓可變電容器是一種可變阻抗元件，它的電容量與電壓的比變化很大。在一個電壓可變電容器中，從低到高的偏置電壓調(diào)節(jié)量會產(chǎn)生50至1數(shù)量級的電容量變化。由于電壓可變電容器的物理結(jié)構(gòu)，如授予Cornett等人的題為“電壓可變電容器”的美國專利第5，173，835號(其在此引為對比文件)中公開的VVC，這種電性能是在沒有明顯的電耗負擔(dān)下獲得的。
圖1示出一種有助于討論電壓可變電容器失真情況的測量電路，圖1電路表示一個“無損耗”的電壓可變電容器與電壓源VS以及源電阻RS串聯(lián)。電壓可變電容器的損耗也可以加上，但為了簡化起見，在此分析中不予考慮。圖1所示電路能以兩種方式分析，即電壓分析或電流分析。為簡便起見，本說明書將根據(jù)VVC兩端的電壓集中討論失真問題。為了得出示于圖1的作為電源電壓函數(shù)的電容器(C)兩端的電壓，首先要采用一種近似。通常稱為弱非線性近似的這種近似假定C-V(電容量與電壓)曲線隨偏壓改變而緩慢變化。說明弱非線性近似的另一種方法是假設(shè)互調(diào)分量遠小于基頻信號。在這種近似下，電容器兩端電壓能用如下的簡單的線性分壓器關(guān)系來表示VC=VS1jω CRS+1jω C]]>重要的是“C”仍然取決于電源電壓VS。例如，如果采用一個尺寸為76微米×76微米的電壓可變電容器，那么，測量到的電容量與偏壓的關(guān)系示于圖2。
參照圖2，電容量與偏壓(C-V)的關(guān)系曲線204在工作點C。(如12微微法)附近的一種線性近似以202線表示。為簡化分析，僅考慮電容器兩端的交流電壓。對于電容器兩端電壓近似得出V總C＝VC+VDCC式中VC＝交流信號電壓VDCC＝直流偏壓于是，線性的C-V近似僅以交流電壓來表示。只用交流電壓的理想效果產(chǎn)生如圖2所示的坐標變換。在電路工作點CO的線性近似就變成C＝mVC+CO對于一個兩端元件，用功率表示交叉點(interceptpoint)不是很有用的。這是由于功率與測式中的器件阻抗的依賴關(guān)系。表示交叉點的更有用的方法是伏特(IP3V)。IP3V定義為電容器兩端的基頻電壓值等于IM電壓時的電壓IP3V＝｜VCfund｜＝｜VCim｜式中VCfund＝基頻電壓，以及VCim＝互調(diào)頻率電壓IP3V的計算，是通過首先選用由下述表示的功率項P=10log ｛｜Vr m s｜2｜Z ｜｝,]]>式中P等于功率，以及“Z”是在試驗中的器件的阻抗。假設(shè)｜Z(ωf)｜≈｜Z(ωf+△)｜，則IP3V等于IP3V=｜Vf u n dc｜3｜Vi mc｜]]>如果已知形成三階IM分量的基頻和偏置信號，上式可進一步簡化為IP3V=2(ω2C02RS2+1)ωRS|m|3∝1|m|]]>
以上的線性近似技術(shù)已表明，三階交叉點電壓(IP3V)是與C-V曲線的斜率(m)成反比的。這就導(dǎo)致這樣的結(jié)果，示于圖1的電壓可變電容器在其調(diào)諧范圍內(nèi)可能會有最差的互調(diào)性能。正因為IP3V與C-V曲線的低利率成反比，有相等而斜率相反的兩個相同的電壓可變電容器會得到改善的互調(diào)性能。傳統(tǒng)的做法是，兩個可變電抗器置成串聯(lián)或“背靠背”結(jié)構(gòu)，將它們的正極(或負極)連接起來。雖然這種串聯(lián)結(jié)構(gòu)能改善可變電抗器對的互調(diào)失真(IMD)，但這結(jié)構(gòu)不是最佳的。將兩個電壓可變電容器并聯(lián)，將其中一個的正極連接到另一個的負極(反并聯(lián)結(jié)構(gòu))，這種做法將在理論上消除全部的互調(diào)失真，盡管于實際電路的限制仍將看出一些失真。
參照圖3的原理圖，在可變阻抗部件300中，直流偏置為C1(V1)＝C2(V2)。電阻Rb1、Rb2和Rb3，以及電容器Cf1和Cf2是直流偏置網(wǎng)絡(luò)的一部分。VVC1302和VVC2304是這樣選取的，使它們的C-V曲線相同。圖3所示電路的交流等效電路在圖4表示。如圖4所示，容易確定，該電路的總電容量可用下面式子求出C總＝C1+C2(1)不過，如果C1和C2是相同的，并有相反的直流極性則C1＝-mVc+CO(2)C2＝mVc+CO所以，總電容量等于
C總(-mVc+CO)+(mVC+CO)＝2CO對于源幅度來說，總電容量是常數(shù)，即
上式得出零斜率，將該斜率用于IP3V等式得IP3V=2|2ωjC0RS+11/20=∝---(3)]]>上面的式子表明反并聯(lián)結(jié)構(gòu)的IP3V為無窮大，即不產(chǎn)生互調(diào)分量。并聯(lián)結(jié)構(gòu)的具體好處是，C總與源電壓無關(guān)，這和以前的可變電抗器設(shè)計的“背靠背”結(jié)構(gòu)不一樣。這種無關(guān)性可使改善的互調(diào)性能超過單個電壓可變電容器或兩個串聯(lián)電壓可變電容器結(jié)構(gòu)。
圖4電路的并聯(lián)結(jié)構(gòu)的諧波平衡模擬曲線示于圖5?？墒褂脧腍ewlettPackard公司購買的微波設(shè)計系統(tǒng)來完成這種具體的諧波模擬。圖5還示出單個電壓可變電容器的測量IP3V曲線504和計算IP3V曲線506。應(yīng)特別注意的是，反并聯(lián)結(jié)構(gòu)曲線502比另外兩條曲線有不同的標度(×0.01)，在曲線502的最小值處模擬的IP3V等于170V。
示于圖3的電路最好用封裝的電壓可變電容器構(gòu)成，并測量該反并聯(lián)電壓可變電容器的失真。圖3電路的失真正如測量的那樣，它是如此之小，甚至在最大失真偏置點(～0.75V)，該互調(diào)分量低于測量所采用的頻譜分析儀的本底噪聲(-140dBm)。假設(shè)互調(diào)分量正好低于頻譜分析儀的本底噪聲，于是相應(yīng)的IP3V會有125V的最小值。這就表明在失真性能改善方面，對示于圖1的單個電壓可變電容器至少提高兩個數(shù)量級。
以上所作的失真分析是在線性的C-V曲線情況下進行的。然而這種零失真狀況不限于線性的C-V曲線。由公式(2)，我們可以得出零失真的唯一必要條件是電壓可變電容器的C-V曲線能減為一個常數(shù)電容器值。換句話說，如果作為交流電壓函數(shù)的電容量定為C(v)＝f(v)+Co(4)于是零失真的必要和充分條件是f(-v)＝-f(v)(5)按照定義，f(v)必須是v的奇函數(shù)。在上述給出的約束條件下，式(3)變成為C總＝(f(v)+CO)+(f(-v)+CO)C總＝(f(v)+CO)+(-f(v)+CO) (6)C總＝2CO如果方程式(5)的C-V曲線的約束不能在電源的整個電壓擺范圍內(nèi)保持，那么實際的失真將不為零。
圖6示出一個根據(jù)本發(fā)明的帶通濾波器600。帶通濾波器600采用了由電壓可變電容器C2和C3組成的第一組電壓可變電容器和由電壓可變電容器C7和C10組成的第二組電壓可變電容器。電壓可變電容器以其反向端并聯(lián)連接，并且如上所述，每一組都使用了彼此之間有相反傳遞函數(shù)的電壓可變電容器。所述的電壓可變電容器C2、C3、C7和C10的使用為濾波器呈現(xiàn)出很低的失真性能提供了條件。
圖7示出一個根據(jù)本發(fā)明的通訊裝置如接收機700的方塊圖。接收機700包括一個用于濾出天線702接收的射頻信號的濾波器部件704。濾波過的信號發(fā)送到用于接收信號解調(diào)的解調(diào)器706。一個控制器如微處理器710和相配的存貯器708控制接收機700的整個工作。聲頻電路712包括一個聲頻放大級，由它將解調(diào)后的信號放大并濾波，用于揚聲器714播出。可變阻抗元件如本文討論的電壓可變電容器最好在濾波器部件704中得到應(yīng)用，而且也可以在解調(diào)器706和聲頻電路712中得到應(yīng)用。
在最佳實施例中已經(jīng)看出，通過組成一個具有兩個并聯(lián)連接的電壓可變電容器的電路，而這兩個電壓可變電容器具有相反的C-V傳遞函數(shù)(在工作點附近反相的傳遞函數(shù))，則該電路的失真能被減小。這兩個可變電壓電容器在其工作點上必須有能減為一個常數(shù)值(例如，“C”必須是電壓“V”的奇函數(shù))的C-V曲線，如線性的C-V曲線。雖然線性的C-V曲線符合要求，但任何形式的曲線(例如，非線性曲線)也將符合所需的要求，只要在工作點附件兩條曲線彼此之間有相反的傳遞函數(shù)。
盡管說明和敘述了本發(fā)明的最佳實施例，但是，很清楚，本發(fā)明并不受此限制。例如使用電感器等也同樣能改善失真。對于那些本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離所附的權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，能夠進行多種修改、變動、改善、替代和等效。
權(quán)利要求
1.一種提供減少的失真性能并至少有一個工作點的電子電路，該電子電路包括一個第一可變阻抗器件；一個連接到第一可變阻抗器件的第二可變阻抗器件；以及所述的第一和第二可變阻抗器件各有一個傳遞函數(shù)，其中一個傳遞函數(shù)在至少一個工作點附近基本上與另一個反相。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電子電路，其中第一和第二可變阻抗器件是電感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的電子電路，其中第一和第二可變阻抗器件是第一和第二電壓可變電容器，而且第一和第二電壓可變電容器以反并聯(lián)結(jié)構(gòu)耦合。
4.一種提供減小的失真性能的電子電路，該電子電路有至少一個工作點，電子電路包括一個有一個正極和一個負極的第一電壓可變電容器;一個有一個正極和一個負極的第二電壓可變電容器;以及第一電壓可變電容器的正極連到第二電壓可變電容器的負極，并且所述的第一和第二電壓可變電容器各有一個傳遞函數(shù)，在至少一個工作點附近一個傳遞函數(shù)基本上與另一個反相。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的電子電路，進一步包括一個連接于第一電壓可變電容器的正極和第二電壓可變電容器的負極之間的電容器。
6.根據(jù)要求5的電子電路，其中第一電壓可變電容器的負極連接到地電位。
7.一種濾波器，包括一個輸入端;以及一個有至少一個工作點的可變阻抗部件，其包括一個有一個正極和一個負極的第一可變阻抗器件，第一可變阻抗器件的正極與輸入端相連;一個有一個正極和一個負極的第二可變阻抗器件;以及第一可變阻抗器件的正極連到第二可變阻抗器件的負極，并且所述的第一和第二可變阻抗器件各有一個傳遞函數(shù)，在至少一個工作點附近，其中一個傳遞函數(shù)基本上與另一個反相。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的濾波器，其中第一和第二阻抗器件是各有一個正極和負極的電壓可變電容器，而且第一電壓可變電容器的正極連到第二電壓可變電容器的負極以及第一電壓可變電容器的負極連到第二電壓可變電容器的正極。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的濾波器，進一步包括一個連接于第一電壓可變電容器的正極和第二電壓可變電容器的負極之間的電容器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的濾波器，其中第一可變電壓電容器的負極耦合到地電位。
11.一種通信裝置，包括一個用于接收信號的輸入端;以及一個有至少一個工作點的可變阻抗部件，其包括一個第一可變阻抗器件;一個連接到第一可變阻抗器件的第二可變阻抗器件;以及所述的第一和第二可變阻抗器件各有一個傳遞函數(shù)，在至少一個工作點附件其中一個傳遞函數(shù)基本上與另一個反相。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的通信裝置，其中第一和第二可變阻抗器件是各有一個正極和負極的電壓可變電容器，并且第一電壓可變電容器的正極耦合到第二電壓可變電容器的負極。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的通信裝置，進一步包括一個耦合于第一電壓可變電容器的正極和第二電壓可變電容器的負極之間的電容器。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的通信裝置，其中第一電壓可變電容器的負極耦合到地電位。
全文摘要
一種電子電路(300)包括連接在一起的第一(302)和第二(304)可變阻抗器件，第一(302)和第二(304)可變阻抗器件被設(shè)計成在電子電路的工作點附近各有一個相對于另一個基本上反相的傳遞函數(shù)，這就為一個電子電路具有很低的失真性能提供條件。像可調(diào)濾波器、壓控振蕩器(VCO)、接收機等電路將得益于使用一個具有如此低失真性能的電子電路(300)。
文檔編號H03H7/06GK1095529SQ9410224
公開日1994年11月23日 申請日期1994年3月2日 優(yōu)先權(quán)日1993年3月3日
發(fā)明者戴維·E·博克埃爾曼, 羅伯特·E·斯坦格, 肯尼思·D·科尼特 申請人:莫托羅拉公司