專利名稱：高動態(tài)范圍可變增益放大器的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及可變增益放大器(VGA)，特別是，涉及在通信裝置中用到的VGA。
相關(guān)技術(shù)描述在無線通信環(huán)境中，無線通信接收機可以接收信號功率快速且大范圍變化的信號。諸如在寬帶數(shù)字碼分多址(CDMA)移動站中用到的接收機中，需要控制解調(diào)后的信號功率以進行適當(dāng)?shù)男盘柼幚?。此外，諸如在CDMA移動站中用到的發(fā)射機中，需要控制發(fā)射功率以避免對其它移動站的過度干擾。窄帶模擬調(diào)頻(FM)無線通信系統(tǒng)接收機和發(fā)射機同樣也考慮這些功率控制。
存在雙模式CDMA/FM無線通信裝置，需要它們來提供對數(shù)字CDMA和模擬FM調(diào)制的發(fā)送和接收信號的功率控制。在這些雙模式移動站中，由于與CDMA和FM信號相關(guān)的動態(tài)范圍和電信工業(yè)規(guī)定標準不同，使得控制處理過程很復(fù)雜。即，接收到的CDMA信號的幅度可能在大約80dB的范圍內(nèi)變化，而接收到的FM信號的幅度可能在100dB那么大的范圍內(nèi)變化。為CDMA和FM提供分立的自動增益控制(AGC)電路更加增加了這種雙模式移動站的復(fù)雜度和費用。因此，理想的是，提供對CDMA和FM信號都能工作的AGC電路。
圖1A和1B示出用于執(zhí)行AGC功能的VGA的示例環(huán)境。圖1A和1B是例如根據(jù)美國電信工業(yè)標準“雙模式寬帶擴展頻譜蜂窩網(wǎng)系統(tǒng)的移動站-基站兼容性標準”(TIA/EIA/IS-95)(一般簡稱為IS-95)設(shè)計的雙模式CDMA/FM蜂窩網(wǎng)電話900的方框圖。分別將VGA用于蜂窩網(wǎng)電話900的接收和發(fā)送AGC放大器902和904。蜂窩網(wǎng)電話900的前端接收機部分包括天線906、雙工器908、低噪聲放大器(LNA)和混頻器電路910和濾波器930。當(dāng)蜂窩網(wǎng)電話900通過CDMA系統(tǒng)的覆蓋區(qū)時，在天線906處的信號電平從大約-110dBm變化到-30dBm。注意，無論它施加什么信號電平，這些前端單元的每一個在其工作范圍一般都提供相同的增益，從而向接收AGC放大器902提供的信號的動態(tài)范圍與在天線906處的信號的動態(tài)范圍相同，約為80dB。同樣，當(dāng)蜂窩網(wǎng)電話900通過FM系統(tǒng)的覆蓋區(qū)時，在天線處的信號電平變化約100dB。
向?qū)⒛M信號變成數(shù)字信號的基帶模擬專用集成電路(BAASIC)912提供接收AGC放大器902的輸出。如果向模擬-數(shù)字變換器提供的信號電平保持不變，那么模擬-數(shù)字信號變化處理進行最好。接收AGC放大器902執(zhí)行補償變化輸入功率變化的功能，使接收AGC放大器902的輸出功率保持不變，從而模擬-數(shù)字變換器的輸入也保持不變。
移動站調(diào)制解調(diào)器ASIC914提供對CDMA和FM信號的解調(diào)，以及與CDMA工作相關(guān)的各種數(shù)字和功率控制功能。在現(xiàn)有技術(shù)中已知這種功能，而且對本發(fā)明而言不是關(guān)鍵，因此這里不再進行詳細描述。
移動站調(diào)制解調(diào)器ASIC914還對BAASIC912提供CDMA波形的基帶調(diào)制數(shù)字表示，或者FM波形的調(diào)制模擬表示。BAASIC912以恒定信號電平把基帶信號表示轉(zhuǎn)換成模擬中頻(IF)形式，并提供給發(fā)送AGC放大器904。發(fā)射機AGC放大器904向信號提供功率控制，并將該信號提供給上變頻器918、功率放大器和激勵器電路920、隔離器922、雙工器908和天線906。當(dāng)蜂窩網(wǎng)電話900通過蜂窩網(wǎng)系統(tǒng)的覆蓋區(qū)時，在天線906處的發(fā)送信號電平對接收功率反比例變化，當(dāng)接收功率最小時，發(fā)送功率接近最大。由AGC放大器904完成發(fā)送功率電平的這種變化。注意，AGC放大器904的輸入功率一般為固定，功率放大器920的增益也可固定。
在美國專利第5,288,536號(發(fā)明名稱為“高動態(tài)范圍閉環(huán)自動增益控制電路”，1994年2月1頒布)、美國專利第5,107,225號(發(fā)明名稱為“高動態(tài)范圍閉環(huán)自動增益控制電路”，1992年4月21日頒布)、美國專利第5,267,262號(發(fā)明名稱為“發(fā)射機功率控制系統(tǒng)”，1993年11月30日頒布)、美國專利第5,469,115號(發(fā)明名稱為“數(shù)字接收機自動增益控制方法和裝置”，1995年11月12日頒布)和美國專利第5,283,536號(發(fā)明名稱為“高動態(tài)范圍閉環(huán)自動增益控制電路”，1993年11月26日)中，一般可以找到關(guān)于在無線通信系統(tǒng)中的自動增益控制環(huán)的更多信息和關(guān)于功率控制的更多信息，上述每個專利都已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，按參考文獻在此引入。
將如上所述的移動通信接收機和發(fā)射機設(shè)計成具有高壓縮點、低噪聲注入和低功率消耗。具有高壓縮點和低功率消耗的接收機具有高動態(tài)范圍，可以在較寬的功率電平范圍檢測信號。具有高壓縮點和低噪聲注入的發(fā)射機具有高動態(tài)范圍，可以在較寬的功率電平范圍內(nèi)發(fā)送信號。具有低功率消耗的接收機和發(fā)射機增加電池壽命。因此，當(dāng)設(shè)計在較大的功率電平范圍內(nèi)發(fā)送和接收信號的通信系統(tǒng)用的可變增益放大器時，這些特征是十分重要的。
接收機應(yīng)可以從附近大功率發(fā)射機播放的強信號和遠端低功率發(fā)射機播放的弱信號檢測信息。從接收機能檢測弱信號到能檢測強信號的范圍被稱為接收機的動態(tài)范圍。同樣，發(fā)射機應(yīng)能夠?qū)⒌凸β市盘柊l(fā)送到附近接收機，將高功率信號發(fā)送到遠端接收機。
由最小可檢測和最大可檢測信號電平建立接收機的動態(tài)范圍。由接收機的噪聲系數(shù)來確定接收機的最小可檢測信號電平。同樣，如果信號電平落到在噪聲最低值附近或低于該值，則由發(fā)射機噪聲系數(shù)設(shè)定最小可發(fā)射功率。VGA的噪聲系數(shù)部分隨噪聲注入性能和VGA增益變化。一般，接收機的增益越高，它的噪聲系數(shù)部分就越好；即，在存在噪聲的情況下，它越能檢測很弱的信號。
可由接收機的互調(diào)失真(IMD)性能建立接收機的最大可檢測信號電平。當(dāng)多信號通過任一器件時，由于器件的非線性，導(dǎo)致在信號之間發(fā)生混頻。例如，在共同存在CDMA和模擬FM系統(tǒng)的位置上，來自模擬FM系統(tǒng)的三階IM產(chǎn)物一般落在CDMA通帶內(nèi)。這個IM產(chǎn)物起促成IMD的“干擾臺”的作用，會干擾接收機內(nèi)對理想信號的檢測和解調(diào)。VGA的IMD性能部分隨它的線性和增益變化。一般，接收機的增益越低，它的IMD性能就越好。這與上述噪聲系數(shù)要求相反。于是，大動態(tài)范圍接收機所用VGA的設(shè)計包括在IMD性能和噪聲系數(shù)之間作困難的折衷。
相關(guān)于發(fā)射機VGA，也涉及同樣的設(shè)計考慮，不同之處在于通常接收機VGA設(shè)計成對各種不同的輸入功率電平提供相對恒定的輸出功率電平，而發(fā)射機VGA設(shè)計成接收相對恒定的輸入功率電平，并提供各種不同的輸出功率電平。
此外，移動接收機設(shè)計成小型，重量輕，而且具有長工作壽命。由最少數(shù)量的電池來給移動接收機供電，以減小它們的尺寸和重量，增強它們的便攜性。由于電池電壓與電池的數(shù)量成正比，所以AGC電路，包括可變增益放大器(VGA)，必須在低電源電壓下進行工作。同樣，理想的是，增長電池壽命以增加換電池或再充電的間隔時間。因此，AGC電路，包括它的VGA，應(yīng)消耗少量的直流電。
這種低直流功率消耗要求還隱含與已述的類似的設(shè)計折衷。具有良好的噪聲系數(shù)的高增益放大器需要較大的直流功率。然而，具有良好IMD性能的低功率放大器需要較小的直流功率?，F(xiàn)有VGA設(shè)計效能差，因為不能在低增益電平下充分節(jié)約直流功率。所需的是具有高動態(tài)范圍、良好噪聲系數(shù)和IMD性能以及低直流功率消耗的VGA。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明，提供一種具有高動態(tài)范圍、良好噪聲系數(shù)和IMD性能以及最小直流功率損耗的VGA。此VGA可用于蜂窩網(wǎng)電話接收機和發(fā)射機鏈的動態(tài)增益控制(AGC)放大器。該VGA通過將輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號并放大電流信號來獲得功率增益。通過用適當(dāng)?shù)淖杩菇K接VGA，可將放大后的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。
VGA包括至少兩個級聯(lián)級，輸入級和電流放大器。還可將輸入級分成CDMA輸入級和FM輸入級，同時將輸入級的輸出耦合到電流放大器的輸入端，而且可由CDMA/FM模式信號選擇。在一個實施例中， FM輸入級并為單端輸入，CDMA輸入則為平衡。通過連續(xù)級聯(lián)兩個或多個電流放大器級可以增加VGA的增益。可由控制信號控制輸入級的跨導(dǎo)增益。
運用技術(shù)組合做到高動態(tài)范圍、低功率VGA。第一實施例很適合雙模式接收AGC放大器，諸如圖1的放大器902，其中，CDMA輸入級包括與Gilbert單元衰減器級聯(lián)的可變跨導(dǎo)放大器。可變跨導(dǎo)放大器利用由可變射極負反饋電阻作用的FET晶體管控制的跨導(dǎo)，將變化的電壓信號轉(zhuǎn)換成輸出電流信號。射極負反饋提供可變本機串聯(lián)反饋，使CDMA輸入級可處理寬動態(tài)范圍的輸入信號，同時提供良好的噪聲系數(shù)和IMD性能。在出現(xiàn)低電平輸入信號的情況下，可改變FET晶體管的溝道電阻以增加輸入級的增益，從而改善接收機的噪聲系數(shù)以及檢測弱信號的能力。另一方面，在出現(xiàn)高電平輸入信號的情況下，可改變FET晶體管的溝道阻抗以減小輸入級的增益，從而改善接收機的IMD性能。Gilbert單元衰減器提供附加的電流衰減，從而當(dāng)施加大輸入信號時，任何后面的電流放大級都不會過載到非線性范圍。
在這個第一實施例中，F(xiàn)M輸入級是帶有射極負反饋的雙極差分放大器，隨后是Gilbert單元衰減器。差分對將輸入電壓轉(zhuǎn)換成電流并饋給Gilbert單元衰減器，進一步衰減流入下一級電流放大器的電流。與CDMA輸入級不同，F(xiàn)M輸入級運用固定增益跨導(dǎo)級，而不是可變射極負反饋，這是因為對FM信號的電信工業(yè)標準(IS-95)線性要求比對CDMA信號的要求寬松得多，它允許放大器更快地飽和成非線性。
第二實施例很適合諸如圖1的放大器904的發(fā)送AGC放大器，其中，可由固定增益跨導(dǎo)輸入級處理CDMA信號，所述固定增益跨導(dǎo)輸入級包括輸入端有串并聯(lián)反饋的差分對，隨后是跨導(dǎo)器和Gilbert單元衰減器。輸入端的串并聯(lián)反饋考慮到輸入阻抗精確、線性且無需花大力氣進行匹配。差分對的輸出可以是通過一對電容耦合到跨導(dǎo)器的交流電壓?？鐚?dǎo)器運用射極負反饋差分放大器，將差分對輸出的電壓轉(zhuǎn)換成電流。然后，將該電流饋送到Gilbert單元衰減器，進一步衰減流入下一級電流放大器的電流。由于發(fā)送AGC放大器904的輸入電平一般是恒定的，所以無需可變增益輸入級。
在適合用作接收AGC放大器902的第一實施例中，，每個電流放大器包括兩個部分差分Darlington放大器和差分級聯(lián)放大器。這些電流放大器是互線性電路，可通過改變偏置互線性環(huán)路的“尾電流”的比例來控制電流增益?？捎梢粋€或多個控制信號獨立地控制每個電流放大器的電流增益。
在適合用作發(fā)送AGC放大器904的第二實施例中，每個電流放大器包括兩個部分差分Darlington放大器和單個差分對。這個電流放大器是反饋電流放大器和互線性環(huán)路的混合。
在每個上述實施例中，由按照所加AGC控制電壓(圖1的“接收增益控制”或“發(fā)送增益控制”)改變電流放大器增益的增益控制電路控制可變增益級的增益。增益控制電路包括保證VGA在寬動態(tài)范圍內(nèi)按dB成線性的指數(shù)函數(shù)發(fā)生器。
因此，本發(fā)明的有利之處在于提供對CDMA信號和FM信號都具有高動態(tài)范圍的VGA。利用這種VGA的移動接收機可以檢測在較寬輸入功率范圍內(nèi)的信號。再一個有利之處是VGA消耗最小直流功率。因此，可在移動通信裝置中使用VGA，有利地保存電池的工作壽命。另外還有利于可通過線性調(diào)整直流控制電壓，以分貝近似線性地改變VGA的增益。


結(jié)合附圖，從下面的詳細描述，本發(fā)明的特征、目的和優(yōu)點將變得顯而易見，在上述附圖中，相同標號作相應(yīng)表示，其中圖1A和1B是能夠與本發(fā)明一起使用的示例雙模式CDMA/FM通信裝置的示意圖；圖2是本發(fā)明的示例三級可變增益放大器的方框圖；圖3是圖2的CDMA輸入級的示圖；圖4是圖2的跨導(dǎo)放大器偏置控制電路的示圖；圖5是圖4的指數(shù)函數(shù)發(fā)生器的示圖；圖6是構(gòu)成以說明本發(fā)明有利性能的圖2和3中元件的部分組合；圖7是圖2的電流放大器的示圖；圖8是圖7的尾電流發(fā)生器的示圖。
較佳實施例的詳細描述本發(fā)明針對單片集成電路可變增益放大器(VGA)。VGA提供與控制電壓成正比的增益。作為所加控制電壓方面線性增加的函數(shù)，VGA提供指數(shù)電壓增益，從而提供正比于所加控制電壓線性增加的按分貝(dB)近似線性的功率增益。VGA可以提供在超過80dB(或者1至100,000,000倍)的大動態(tài)范圍內(nèi)的線性功率增益。VGA提供能夠忍受在VGA制造過程中發(fā)生的加工差異的線性功率增益。
VGA可用于包括在接收機和發(fā)射機中的多種應(yīng)用。如果VGA在接收機中起作用，那么輸入一般在大動態(tài)范圍內(nèi)變化，同時VGA的輸出相對恒定。當(dāng)輸入到在接收機中起作用的VGA中的信號電平很小時，VGA的增益必須相對較大。當(dāng)輸入到在接收機中起作用的VGA的信號電平很大時，VGA的增益必須相對較小。于是，當(dāng)在接收機中起作用的VGA提供相對較高增益時，一般必須具有良好的噪聲性能，而當(dāng)它提供相對低增益時必須具有良好的互調(diào)性能。
如果在VGA在發(fā)射機中起作用，那么輸入一般不變，而VGA的輸出在寬動態(tài)范圍內(nèi)變化。當(dāng)VGA的信號電平輸出需要很大時，VGA的增益必須相對較大，而且互調(diào)性能必須支持所得大信號電平。當(dāng)在發(fā)射機中起作用的VGA的信號電平輸出需要較小，VGA的增益必須相對較小，而且VGA的噪聲性能會很重要。
圖2是在寬動態(tài)范圍調(diào)節(jié)輸入信號的功率電平的可變增益放大器(VGA)100的一個實施例的方框圖。圖2的實施例適合用作圖1的接收AGC放大器902。VGA100包括三個級輸入級120和兩個級聯(lián)電流放大器級160A和160B。多于一個的電流放大器級160在輸入級120之后連續(xù)級聯(lián)以增加VGA100的動態(tài)范圍。在第一實施例中，輸入級120包括分別帶有輸入端171和170的分立FM輸入級121和CDMA輸入級122。通過由CDMA/FM模式選擇信號控制的開關(guān)123，將FM輸入級121和CDMA輸入級122交替地連到電流放大器160A。當(dāng)通信裝置處于CDMA模式時，開關(guān)12將CDMA輸入級122連到電流放大器160A，而且斷開FM輸入級121。相反，當(dāng)通信裝置處于FM模式時，開關(guān)124將FM輸入級121連到電流放大器160A并斷開CDMA輸入級122。
圖2還示出用于對VGA100施加控制電壓的偏置端口110、130、150A、150B。由控制電壓控制每一級的增益，例如可由確定信號強度的接收機檢波電路生成上述控制電壓。每一級都包括多個元件，它們包括諸如晶體管等有源裝置。
在CDMA輸入級122的輸入端170上提供的VGA輸入信號是平衡的，即，分成兩個信號通道，每個通道攜帶信號，相互之間相位相差180度。通過VGA的輸入端170注入VGA輸入信號。然而，在FM輸入級121的輸入端171上提供的VGA輸入信號是單端的。通過端口190耦合輸入級120的輸出和電流放大器160A的輸入。
由于以低電源電壓，大約3.6伏，進行工作，所以輸入級120把輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號以免VGA各有源器件在非線性區(qū)域內(nèi)進行工作造成輸入信號產(chǎn)生失真。VGA100的低電源電壓還減小VGA100的功率消耗。
圖3示出CDMA輸入級122的一個實施例。將平衡信號注入VGA的輸入端170。CDMA輸入級122包括與Gilbert單元衰減器226耦合的可變跨導(dǎo)放大器227，并提供四種功能。第一，可變跨導(dǎo)放大器227把輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號。第二，可變跨導(dǎo)放大器227和Gilbert單元衰減器226的組合允許可變放大信號，通過在偏置端110線性調(diào)節(jié)控制電壓可使信號放大發(fā)生指數(shù)型變化(按dB線性變化)。第三，當(dāng)輸入信號電壓很大而且IMD最突出時，在可變跨導(dǎo)放大器227中的增大射極負反饋減小了VGA100的IMD。當(dāng)在可變跨導(dǎo)放大器227中的射極反饋增加時，減小輸入級120的跨導(dǎo)，因而減小IMD。最后，當(dāng)輸入信號電壓很小而且噪聲性能是最關(guān)鍵時，在可變跨導(dǎo)放大器227中減小的射極負反饋改善了VGA100的噪聲系數(shù)。當(dāng)在可變跨導(dǎo)放大器227中射極負反饋減小時，增加輸入級120的跨導(dǎo)，改善接收機的噪聲系數(shù)。
可變跨導(dǎo)放大器227包括兩個雙極結(jié)型晶體管(BJT)235和236、兩個電流源238、239和場效應(yīng)管(FET)237。電流源238、239與BJT235和236的射極串聯(lián)。FET237的源極連接228和漏極連接229分別與BJT235和236的射極相連。將在VGA輸入端170處的平衡信號加到BJT235和236的基極。可變跨導(dǎo)放大器227的平衡電流輸出從BJT235和236的集電極流出。
通過改變BJT235和236的射極負反饋，可以調(diào)節(jié)可變跨導(dǎo)放大器227的跨導(dǎo)。結(jié)果，可以改變VGA100的增益。通過改變FET237的溝道電阻，產(chǎn)生BJT235和236的射極負反饋。FET237在它的歐姆區(qū)域如可變電阻那樣工作，為JT235和236提供可變射極負反饋。因此，F(xiàn)ET237的漏極-源極偏置電壓必須小于FET237的拐點電壓。通過改變施加在偏置端122(290)處的電壓調(diào)節(jié)在FET237的柵-源結(jié)的偏置，來改變溝道電阻。通過減小FET237的溝道電阻，可以增加可變跨導(dǎo)放大器227的跨導(dǎo)。于是，本發(fā)明通過FET237提供可變溝道電阻使噪聲系數(shù)和IMD性能兩種對抗的設(shè)計考慮都可適應(yīng)。此外，由于CDMA輸入級122取出放大低電平輸入信號所需的足夠直流電流，同時在對高電平輸入信號減小跨導(dǎo)時，減小后面電流放大級的直流消耗，所以改善了VGA100的直流效率。
將可變跨導(dǎo)放大器227的差分輸出電流耦合到Gilbert單元衰減器226。Gilbert單元衰減器226改變加到它的輸入端的信號的電流幅度。Gilbert單元衰減器226包括第一對BJT231和234，以及第二對BJT232和233。由加到偏置端110的控制電壓建立Gilbert單元衰減器226的衰減電平。當(dāng)由加到偏置端口110的控制電壓偏置第一對BJT231和234，從而可變跨導(dǎo)放大器的輸出電流的分量流過第一對BJT231和234，而不是流過第二對BJT232和233時，Gilbert單元衰減器226衰減可變跨導(dǎo)放大器227的輸出電流。于是，減小在Gilbert單元衰減器226的端口190處的平衡電流。由公共電源230偏置可變跨導(dǎo)放大器227和Gilbert單元衰減器226。
除了由固定電阻代替FET237之外，F(xiàn)M輸入級121的較佳實施例與CDMA輸入級122的相類似。如上所述，F(xiàn)M輸入級121的固定電阻提供固定跨導(dǎo)，因為諸如IS-95的電信工業(yè)標準允許以低于壓縮CDMA輸入信號的輸入電平來壓縮輸入信號(即，允許VGA非線性)。另一方面，輸入級120可只包括與FM輸入級122的相類似的一個固定跨導(dǎo)級。這個變通實施例特別適合用作圖1的發(fā)送AGC放大器904。
如上所述，設(shè)計的一個方面是線性調(diào)節(jié)加到跨導(dǎo)偏置控制電流140的偏置端130控制電壓時，可變跨導(dǎo)放大器227的跨導(dǎo)指數(shù)變化。為產(chǎn)生這個結(jié)果，當(dāng)線性調(diào)節(jié)在跨導(dǎo)偏置控制電路140的偏置端口130處的控制電壓時，F(xiàn)ET237溝道電阻也指數(shù)變化。圖4示出促成這個結(jié)果的跨導(dǎo)偏置控制電路140的一個實施例?？鐚?dǎo)偏置控制電路140包括指數(shù)函數(shù)發(fā)生器360、第一和第二指數(shù)放大器電路353和354、低通濾波器352和電流源341。
指數(shù)函數(shù)發(fā)生器360將加到偏置端口130的控制電壓轉(zhuǎn)換成從指數(shù)函數(shù)發(fā)生器360的輸出端358流到第一運算放大器電路353的兩個輸出電流。這些電流的幅度比與控制電壓成指數(shù)型比例。在圖1的示例實施例中，控制電壓是“接收增益控制”或“發(fā)送增益控制”或它的定標或溫度補償方案。這種控制電壓的生成超出了本發(fā)明的范圍，而且在諸如已按參考文獻引入的美國專利第5,469,115號等各處都有描述。
圖5示出指數(shù)函數(shù)發(fā)生器360的一個實施例。指數(shù)函數(shù)發(fā)生器360包括差分放大器465，它具有驅(qū)動FET電流鏡對474的輸出端。差分放大器465包括與電流源472相連的一對并聯(lián)的BJT461和462。FET電流鏡對474包括四個FET4664、466、468和470。由于BUT461和462的輸入電壓與輸出電流具有指數(shù)關(guān)系，它們的集電極電流比率與由控制電壓信號確定的在BJT461和462之間的差分基極電壓成比例。于是，將通過偏置端口130的線性差分電壓變化轉(zhuǎn)換成在輸出端358處成指數(shù)關(guān)系(按dB成線性)的電流。電流鏡474簡單地采用由雙極差分對461和462生成的指數(shù)關(guān)系的電流，并供它在放大器中使用。由電源400偏置指數(shù)函數(shù)發(fā)生器360。
再參照圖4，第一和第二運算放大器電路353和354與指數(shù)函數(shù)發(fā)生器360協(xié)同運作以控制圖3的FET237的溝道電阻。第一運算放大器電路353包括最好與FET237相同的主FET344、參考電阻346和差分運算放大器348。把來自指數(shù)函數(shù)發(fā)生器360的輸出電流耦合到主FET344和參考電阻346。通過調(diào)節(jié)加到主FET344的柵極的偏置電壓，差分運算放大器348迫使在主FET344的漏端和源端的電壓與參考電阻346兩端口之間的電壓相等。加到FET237和主FET344的柵極的偏置電壓一般相等。然而，對通過偏置端口122加到FET237的柵極偏置電壓進行低通濾波，以阻止來自跨導(dǎo)偏置控制電路140的熱噪聲注入到FET237。由串聯(lián)電阻350和并聯(lián)電容器351形成的低通濾波器352完成這個低通濾波。
第二運算放大器電路354迫使主FET344和FET237具有相同的源電壓。第二運算放大器包括非反相、單位增益運算放大器349和電阻345和347，它們通過源連接228和漏連接229，檢測FET237兩端的漏極-源極電壓。設(shè)計圍繞主FET344和參考電阻346連接的指數(shù)函數(shù)發(fā)生器360和電流源341，從而在參考電阻346的兩端以及在主FET344的漏極-源極之間的電壓降小于FET的拐點電壓。結(jié)果，運算放大器電路353和354的工作迫使FET237和主FET344在相同的歐姆區(qū)域靜態(tài)工作點進行工作。因此，F(xiàn)ET237和主EFT344的溝道電阻一般相等，而且隨著加到偏置端口130的線性調(diào)節(jié)控制電壓呈指數(shù)型變化。
圖6是在構(gòu)成以示出本發(fā)明有利性能的圖2和3中元件的部分組合。通過圖6中所示的布局克服的一個問題是FET237的μcCox以及作為其柵極所加電壓之函數(shù)的溝道電阻的加工差異。如上面參照圖3所述，F(xiàn)ET237控制可變跨導(dǎo)放大器227的跨導(dǎo)。由FET237所提供的可變射極負反饋使得輸入級120處理寬范圍信號。
由于由輸入級120引起的衰減對于電路的運作非常關(guān)鍵而且由FET237設(shè)定該級的特性，所以精確地設(shè)定FET237的電阻值很關(guān)鍵。由于在制造過程中，很難各部件逐一控制作為所加?xùn)艠O電壓的函數(shù)的溝道電阻，所以將外部控制環(huán)用于獲得一致性。圖6示出用于使得CDMA輸入級122的工作免受FET237的加工差異影響的控制環(huán)。
電阻346是片內(nèi)電阻。將這個電阻做得很大以使加工差異最小。將電阻346用作控制環(huán)的參考電阻。
注意，由電流源341設(shè)定來自指數(shù)函數(shù)發(fā)生器360的輸出端358的總電流。于是，如果通過輸出端358的一個平衡輸出口的電流增加，那么通過輸出端358的另一個平衡輸出口的電流減小。同樣，注意，在電阻346兩端的電壓降與在主FET344兩端的電壓降相同。由于每個電壓是運算放大器348的一個輸入，所以電壓降是相等的。運算放大器348的輸出控制主FET344的電阻，使在它兩端的電壓降與通過電阻346的電流和電阻346的阻值的乘積相同。因此，當(dāng)通過電阻器346的電流增加而且通過主FET344的電流減小時，在電阻346之間的電壓降增加。作為響應(yīng)，主FET344的溝道電阻必須也增加，從而電壓降保持相同。加到主FET344的柵極的運算放大器348的同一輸出電壓也加到FET237的柵極。電阻350和電容351供做運算放大器348的輸出和FET237的柵極電壓之間的低通濾波器，但是加到主FET344的柵極和FET237的柵極的直流電壓相同。
在較佳實施例中，主FET344和FET237在公共襯底上是相互緊靠著的。通過這種方法，即使VGA部件間的加工差異顯著，但是在-VGA部件內(nèi)主FET344和FET237的柵極電壓對溝道電阻特性緊緊相互跟蹤。通過這種方法，將FET237的電阻設(shè)為等于主FET344的電阻。當(dāng)FET237的溝道電阻減小時，流過晶體管235和236的電流增加。于是，本發(fā)明提供精確執(zhí)行CDMA輸入級122的可變射極負反饋的方法。
圖7示出如圖2所示的電流放大器160A、160B的一個實施例。如圖7所示的電流放大器160的輸入可與輸入級120的輸出或另一個電流放大器160的輸出耦合。電流放大器160包括Darlington差分放大器510、級聯(lián)差分放大器520和尾電流發(fā)生器570。由電源508和506以及電流源596和598偏置電流放大器160。Darlington差分放大器510包括如圖7所示的拓撲結(jié)構(gòu)的BJT580、586、588和594以及電阻582、584、590、592，從而Darlington差分放大器510具有電阻串并聯(lián)反饋以提供增強的電流增益和加工差異不靈敏性。
在本發(fā)明中，應(yīng)注意，由本發(fā)明的電阻582、584、590、592提供的電阻串并聯(lián)反饋試圖迫使通過這些電阻的反饋電流等于通過輸入端口190的輸入電流。于是，由于這些電阻還供做分流器，所以它們使得差分Darlington放大器510的電流增益增強反饋電阻比的倍率。
級聯(lián)差分放大器520提供互線性環(huán)路，它根據(jù)由尾電流發(fā)生器570生成的尾電流512的比例提供可變電流放大。級聯(lián)差分放大器包括差分電流鏡拓撲結(jié)構(gòu)(互線性環(huán)路)的BJT500、502、504和506，它允許通過改變尾電流512改變電流放大器的增益。
由尾電流發(fā)生器570控制電流放大器160的增益。通過差分端口512將尾電流發(fā)生器570與Darlington差分放大器510和級聯(lián)差分放大器520相連。通過利用加到控制端口150的由圖4和5的指數(shù)函數(shù)發(fā)生器360生成的控制電流可以按指數(shù)改變每個電流放大器160的電流放大。由電源509偏置尾電流放大器570。
圖8示出尾電流發(fā)生器570的一個實施例。尾電流發(fā)生器570包括指數(shù)函數(shù)發(fā)生器861，它可以是與指數(shù)函數(shù)發(fā)生器360(圖4和5)類似或相同的元件，產(chǎn)生輸出859指數(shù)函數(shù)發(fā)生器360的輸出358類似或相同。將指數(shù)函數(shù)發(fā)生器861耦合到雙極電流鏡對。在圖8中，將兩個電路耦合到電源509，然而它們還可耦合到不同電源。雙極電流鏡對860包括第一BJT組822、824和830、第二BJT組832、834、第一電阻器組826、828和844和第二電阻器組836、838和842。雙極電流鏡對的目的在于取得由指數(shù)函數(shù)發(fā)生器861提供的控制電流以及將它變換成尾電流512。
在本發(fā)明的一個實施例中，指數(shù)函數(shù)發(fā)生器360和861是相同的元件，于是有利地提供可被反映到CDMA輸入級122以及電流發(fā)生器160A和160B的單個控制電流。這個實施例通過同時以與減小CDMA輸入級122的跨導(dǎo)相同的比例減小電流放大器160A和160B的電流增益(因而電池直流電流消耗減小)，進一步提供直流電源效率。此外，這種布局還保證了所有級中的所有電流放大都與AGC放大器的控制電壓指數(shù)相關(guān)(按dB成線性)。
于是，本發(fā)明提供對CDMA和FM信號都具有高動態(tài)范圍的VGA，同時CDMA和FM兩種模式中的元件共用數(shù)量最多。利用這種VGA的移動接收機可以在較寬的輸入功率范圍檢測信號。VGA還消耗最小數(shù)量的直流功率。因此可以在移動通信裝置中使用VGA，而且有利地保存電池的工作壽命。最后，通過線性地調(diào)節(jié)直流控制電壓，VGA的增益可以按dB線性變化。
提供較佳實施例的上述描述使得熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員能夠進行或使用本發(fā)明。對于熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員而言，對這些實施例的各種變化是顯而易見的，而且可將這里所限定的一般原理用于其它實施例，而無需創(chuàng)造性勞動。因此，本發(fā)明并不限定于這里所示的實施例，但要符合與這里所揭示的原理和新穎性一致的最寬范圍。
權(quán)利要求
1.一種可變增益放大器，其特征在于，包括包含具有可變射極負反饋的至少一個晶體管的跨導(dǎo)輸入級，所述跨導(dǎo)輸入級具有用于接收要放大的信號的一對差分電壓輸入，還具有一對差分電流輸出；與所述信號的所述差分電流輸出耦合的至少一個電流放大器，用于放大要放大的所述信號；與所述跨導(dǎo)輸入級和所述至少一個電流放大器耦合的控制電路，用于將控制信號加到所述跨導(dǎo)輸入級和所述至少一個電流放大器，所述控制信號用于響應(yīng)控制電壓的線性變化改變所述跨導(dǎo)輸入級和所述至少一個電流放大器的增益。
2.如權(quán)利要求1所述的可變增益放大器，其特征在于，所述跨導(dǎo)輸入級包括具有固定跨導(dǎo)的模擬調(diào)制輸入級；具有可變跨導(dǎo)的數(shù)字調(diào)制輸入級，由所述控制信號改變所述可變跨導(dǎo)。
3.如權(quán)利要求2所述的可變增益放大器，其特征在于，還包括至少一個模式選擇開關(guān)，用于響應(yīng)模式選擇信號，將所述模擬調(diào)制輸入級和所述數(shù)字調(diào)制輸入級交替地耦合到所述至少一個電流放大器。
4.如權(quán)利要求1所述的可變增益放大器，其特征在于，所述跨導(dǎo)輸入級包括具有與第一個所述差分電壓輸入端耦合的基極的第一雙極結(jié)型晶體管；具有與第二個所述差分電壓輸入端耦合的基極的第二雙極結(jié)型晶體管；從屬場效應(yīng)晶體管，它具有與所述第一雙極結(jié)型晶體管耦合的源極和與所述第二雙極結(jié)型晶體管的射極耦合的漏極以及與所述用于接收所述控制信號的所述控制電路耦合的柵極，由此，所述控制信號改變所述從屬場效應(yīng)晶體管的溝道電阻，從而改變所述可變射極負反饋。
5.如權(quán)利要求4所述的可變增益放大器，其特征在于，所述跨導(dǎo)輸入級還包括用于限定所述差分電路輸出的衰減器。
6.如權(quán)利要求4所述的可變增益放大器，其特征在于，所述控制電路包括用于將所述控制電壓的線性變化轉(zhuǎn)換成控制電流的指數(shù)變化的指數(shù)函數(shù)發(fā)生器；第一運算放大器電路，它與所述指數(shù)函數(shù)放大器耦合并接收所述控制電流，所述第一運算放大器用于控制所述從屬場效應(yīng)晶體管的所述溝道電阻；第二運算放大器，用于控制所述從屬場效應(yīng)晶體管的漏極-源極電壓；電流鏡，用于向所述第一運算放大器電路和所述至少一個電流放大器提供所述信號。
7.如權(quán)利要求7所述的可變增益放大器，其特征在于，所述第一運算放大器電路包括與參考電阻并聯(lián)耦合的主場效應(yīng)晶體管；運算放大器，用于迫使所述從屬場效應(yīng)晶體管的所述溝道電阻與所述主場效應(yīng)晶體管的溝道電阻相同。
8.如權(quán)利要求1所述的可變增益放大器，其特征在于，所述至少一個電流放大器包括具有電阻串并聯(lián)反饋的差分Darlington放大器；作為互線性環(huán)路與所述差分Darlington放大器耦合的差分級聯(lián)放大器；與所述控制電路、所述差分Darlington放大器和所述差分級聯(lián)放大器耦合的尾電流發(fā)生器，所述尾電路發(fā)生器用于生成差分尾電流對，從而所述電流放大器的增益與所述差分尾電流對的比率成正比。
9.如權(quán)利要求8所述的可變增益放大器，其特征在于，所述差分Darlington放大器包括具有與所述跨導(dǎo)輸入級的一個所述差分電流輸出耦合的基極的第一雙極結(jié)型晶體管；具有與所述跨導(dǎo)級的另一個所述差分電流輸出耦合的基極的第二雙極結(jié)型晶體管；在第一端與所述第一雙極結(jié)型晶體管的集電極耦合并在第二端與所述第一雙極結(jié)型晶體管的所述基極耦合的第一分流器；在第一端與所述第二雙極結(jié)型晶體管的集電極耦合并在第二端與所述第二雙極結(jié)型晶體管的所述基極耦合的第二分流器，從而所述差分Darlington放大器的電流增益增加所述第一和第二分流器內(nèi)電阻比的倍率。
10.一種用于處理輸入信號的放大器，其特征在于，包括包含跨導(dǎo)放大器的輸入級；與所述輸入級耦合的電流放大器；一種裝置，用于將線性調(diào)節(jié)控制電壓加到所述電流放大器，使所述放大器增益作為所加控制電壓的函數(shù)發(fā)生指數(shù)型變化。
11.如權(quán)利要求10所述的放大器，其特征在于，所述跨導(dǎo)放大器具有可變跨導(dǎo)。
12.如權(quán)利要求11所述的放大器，其特征在于，所述輸入級還包括與所述跨導(dǎo)放大器耦合的衰減器。
13.如權(quán)利要求12所述的放大器，其特征在于，所述衰減器是Gilbert單元衰減器。
14.如權(quán)利要求11所述的放大器，其特征在于，還包括與所述跨導(dǎo)放大器耦合的跨導(dǎo)放大器偏置控制電路。
15.如權(quán)利要求14所述的放大器，其特征在于，所述輸入信號包括兩個平衡信號，而且所述跨導(dǎo)放大器還包括有源器件，其中將每個平衡信號注入到所述有源器件的各個輸入端；分別耦合到所述有源器件的電流源；耦合到所述有源器件和所述電流源的可變電阻器。
16.如權(quán)利要求15所述的放大器，其特征在于，所述衰減器還包括第二有源器件；第三有源器件，其中將所述第二有源器件和所述第三有源器件耦合到所述第一有源器件。
17.如權(quán)利要求14所述的放大器，其特征在于，所述跨導(dǎo)偏置控制電路還包括指數(shù)函數(shù)發(fā)生器；與所述指數(shù)函數(shù)發(fā)生器耦合的第一運算放大器電路；與所述第一運算放大器電路耦合的第二運算放大器；與所述第一運算放大器電路耦合的電流源。
18.如權(quán)利要求17所述的放大器，其特征在于，所述跨導(dǎo)放大器偏置控制電路還包括與所述第一運算放大器電路耦合的低通濾波器。
19.如權(quán)利要求17所述的放大器，其特征在于，所述指數(shù)函數(shù)放大器包括有源器件對；與所述有源器件對耦合的電流源；分別與所述有源器件耦合的電流鏡對。
20.如權(quán)利要求17所述的放大器，其特征在于，所述第一運算放大器電路還包括主有源器件；與所述主有源器件耦合的參考電阻；具有第一和第二輸入端和輸出端的差分放大器，其中所述主有源器件與所述差分放大器的所述第一輸入端和所述輸出端耦合，所述參考電阻器與所述差分放大器的所述第二輸入端耦合。
21.如權(quán)利要求17所述的放大器，其特征在于，所述第二運算放大器還包括具有第一和第二輸入端的非反相單位增益放大器；與所述非反相單位增益放大器的所述第一輸入端耦合的第一輸入電阻；與所述非反相單位增益放大器的所述第二輸入端耦合的第二輸入電阻。
22.如權(quán)利要求11所述的放大器，其特征在于，所述電流放大器級包括Darlington差分放大器；與所述Darlington差分放大器耦合的級聯(lián)差分放大器；與所述Darlington差分放大器和所述級聯(lián)差分放大器耦合的尾電流發(fā)生器。
23.如權(quán)利要求22所述的放大器，其特征在于，所述Darlington差分放大器包括第一有源器件對；分別與所述第一有源器件耦合的第二有源器件對；分別與所述第一有源器件和所述第二有源器件耦合的第一電阻對；分別與所述第一有源器件和所述第二有源器件耦合的第二電阻對；分別與所述第一有源器件和所述第二有源器件耦合的電流源對。
24.如權(quán)利要求22所述的放大器，其特征在于，所述級聯(lián)差分放大器包括第一有源器件對；分別與所述第一有源器件耦合的第二有源器件對。
25.如權(quán)利要求22所述的放大器，其特征在于，所述尾電流發(fā)生器包括指數(shù)函數(shù)發(fā)生器；與所述指數(shù)函數(shù)放大器耦合的電流鏡對。
26.如權(quán)利要求25所述的放大器，其特征在于，所述指數(shù)函數(shù)發(fā)生器包括有源器件對；與所述有源器件耦合的電流源；分別與所述有源器件耦合的電流鏡對。
27.如權(quán)利要求25所述的放大器，其特征在于，所述電流鏡對包括第一有源器件對；分別與所述第一有源器件耦合的第二有源器件對；分別與所述第一和第二有源器件耦合的第三有源器件對；分別與所述第一有源器件耦合的第一電阻對；分別與所述第一、第二和第三有源器件耦合的第二電阻對。
28.一種在放大器中處理輸入信號的方法，其特征在于，所述放大器包括與電流放大器耦合的跨導(dǎo)放大器，所述方法包括下列步驟將所述輸入信號加到跨導(dǎo)放大器；變更所述輸入信號的電流幅度。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，還包括下列步驟將線性可變控制電壓加到所述放大器，以在所述輸入信號的電流幅度產(chǎn)生相應(yīng)的指數(shù)型變化。
30.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，還包括下列步驟生成電流對，它們的幅度比隨著控制電壓發(fā)生指數(shù)型變化，從而改變所述輸入信號的電流幅度。
31.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，還包括下列步驟變更在所述跨導(dǎo)放大器中的負反饋，從而改變所述輸入信號的電流幅度。
32.如權(quán)利要求28所述的用于變更所述輸入信號的電流幅度的方法步驟，其特征在于，還包括下列步驟將控制電壓加到所述跨導(dǎo)放大器；將所述控制電壓轉(zhuǎn)換成電流對，它的幅度比與所述控制電壓成指數(shù)型比例；將所述電流對轉(zhuǎn)換成內(nèi)部電壓；以所述內(nèi)部電壓變更在所述跨導(dǎo)放大器中的負反饋，從而所述電流對的所述幅度比的線性變化線性改變所述信號的所述電流幅度。
全文摘要
多級低功率、高動態(tài)范圍可變增益放大器(100)包括與一個或多個電流放大器級(160A,160B)級聯(lián)的輸入級(120),從而可以獨立地控制每級(120)的增益。輸入級(12)可包括運用可變射極負反饋的可變跨導(dǎo)放大器(227)。電流放大器(160A,160B)可包括與差分級聯(lián)放大器(520)耦合的差分Darlington放大器(510)。跨導(dǎo)放大器(227)將輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號。設(shè)計可變增益放大器(100),以低功率有效工作。
文檔編號H03G3/12GK1245598SQ97181532
公開日2000年2月23日 申請日期1997年12月19日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月27日
發(fā)明者S·S·古坎瓦爾 申請人:夸爾柯姆股份有限公司