專利名稱：用于控制信號的振幅電平的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及振幅調(diào)整以保證信號的振幅保持為恒定水平。
背景技術(shù)：
在許多信號處理應(yīng)用中，例如無線電收發(fā)機，需要把具有未知振幅的信號轉(zhuǎn)換為具有在所需電平上的振幅的信號。根據(jù)各種原因執(zhí)行振幅控制或通常在下文中稱為“調(diào)整(leveling)”，這些原因有·為用于相位比較器的混頻器提供常量驅(qū)動電平。
·保證放大器的輸入不被過激。
·從信號中除去不需要的振幅噪聲。
通常，用兩種不同類型的電路執(zhí)行振幅調(diào)整具有峰值檢測的限幅器和自動增益控制(AGC)放大器。如下文所述，這些電路中的每一種都具有缺點。
限幅器提供大的信號增益并通過對輸入信號的信號峰值進行“削波”(即，限幅)產(chǎn)生常量的輸出電平。結(jié)果，如果在限幅器的輸入端接收正弦波形，則該限幅放大器產(chǎn)生“削去”該正弦波的正負峰值的方波輸出。限幅器電路通常被用于調(diào)頻接收器的后端以從接收信號中除去調(diào)幅信息。
限幅器的一個重要缺點是它的非線性。在正弦波輸入的例子中，該振幅被有效地限制為所需數(shù)值，但是代價很大。該輸入正弦波形被變形，并且輸出更象方波而不是正弦波。相應(yīng)地，限幅器電路不適合于輸入信號的線性和波形必須在輸出端保持的應(yīng)用中。這種應(yīng)用的例子包括在帶外濾波之前的接收器鏈和諧波電平必須被控制的線性發(fā)送器，或者對調(diào)幅信號執(zhí)行的任何信號處理中。
其它類型的常規(guī)振幅校平器是具有峰值檢測的AGC放大器。AGC放大器在把信號波形保持為所控制的振幅電平的嘗試中采用反饋。但是，具有峰值檢測的AGC放大器檢測信號的負或正峰值，而不是檢測輸入信號的峰-峰電平或RMS電平。結(jié)果，AGC校平器對非對稱信號來說不精確。
AGC方法具有其它缺點。具有峰值檢測的AGC放大器也不能對差分信號進行操作。這對于普遍使用差分信號的集成電路(IC)應(yīng)用中是一個本質(zhì)問題。另外，具有峰值檢測的AGC放大器需要大電流來保持被檢測信號的峰值。一般地，這種電容器對于集成為固態(tài)形式來說太大，因此，它必須作為分立元件提供，這增加限幅電路的尺寸和生產(chǎn)成本。
發(fā)明概要本發(fā)明克服在現(xiàn)有技術(shù)中的問題。因此，本發(fā)明一個目的是提供一種不在被調(diào)整信號中導入變形的振幅調(diào)整電路和方法。
本發(fā)明的一個目的是提供一種不需要大的分立元件(例如，大的峰值檢測器電容)并適合于固態(tài)集成的振幅調(diào)整電路。
本發(fā)明的一個目的是提供一種檢測輸入信號的峰-峰電平或均方電平以精確進行非對稱信號的振幅調(diào)整的振幅調(diào)整電路。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種可以有效地對差分信號進行操作的振幅調(diào)整電路。
上述目的可以利用具有可變增益的振幅控制電路，接收輸入信號并根據(jù)該輸入信號產(chǎn)生輸出信號的線性放大器實現(xiàn)。一信號處理器接收該輸出信號并確定相應(yīng)的均方信號。一分析器把該均方信號與一參考值相比較并根據(jù)該均方信號與該參考值之間的差別產(chǎn)生控制可變增益放大器增益的反饋控制信號。該可變增益放大器的增益被控制使得輸出信號的振幅保持在所需振幅電平。而沒有使原始輸入波形失真。為此目的，該信號處理器包括對輸出信號求平方的乘法器，以及對該平方信號求平均值以產(chǎn)生均方信號的平均器。
在一個優(yōu)選應(yīng)用中，該振幅控制電路形成于一集成電路上。最好，該可變增益放大器接收差分輸入信號并產(chǎn)生差分輸出信號。該差分輸出信號被求平方和求均值，并且差分運算放大器把該平均信號與一參考值相比較。所得的反饋信號根據(jù)該平均信號與參考值之間的差別控制可變增益放大器的增益。按這種方式，可變增益放大器的增益被控制使得差分輸出信號的振幅保持在所需振幅電平，并且仍然保持輸入信號的波形。
在一個更具體的實施例中，該振幅控制電路包括具有一對連接到一對晶體管的偏置端的差分信號輸入端。可變增益放大器電路接收由差分放大器所產(chǎn)生的差分信號，并在一對差分信號輸出端產(chǎn)生差分輸出信號。一乘法器電路對差分輸出信號求平方。連接到一參考電流以及乘法器電路的輸出端的電流反射鏡(current mirror)產(chǎn)生連接到可變增益放大器的增益控制信號。
一對直流電平移動器電路把一對差分輸入端連接到該乘法器以在兩個不同的直流電平上產(chǎn)生差分輸出信號。該乘法器可以是連接到第一電流源的吉伯單元乘法器(Gilbert cell multiplier)，并且電流源可以被用于產(chǎn)生參考信號。該參考信號最好與由第一電流源所產(chǎn)生的電流具有預(yù)定關(guān)系。特別地，由第一和第二電流源所產(chǎn)生的電流之間的比值小于1。一電容器(在其它元件中)連接到該乘法器電路輸出到低通濾波器，對平方的差分輸出信號求平均。
下面將結(jié)合附圖和最佳實施例進一步具體描述本發(fā)明的特點、目的和優(yōu)點。
附圖簡述本發(fā)明通過實例進行說明，但不限于附圖，圖中相同的參考標號表示相同的元件

圖1示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的振幅控制電路；圖2示出本發(fā)明的另一實施例；圖3為示出根據(jù)本發(fā)明的示例方法的流程圖；以及圖4為根據(jù)本發(fā)明的振幅控制電路的另一個更加具體的實施例。
附圖詳述在下文描述中，為了解釋說明提出各種具體細節(jié)，例如特定實施例、電路、電路元件，等等，以提供對本發(fā)明徹底的了解，但并不限于此。但是，對于本領(lǐng)域內(nèi)的專業(yè)人士來說顯然可以用脫離這些具體細節(jié)的其它實施例來實現(xiàn)。在其它實例中，對于公知的方法、裝置和電路的具體描述被省略以避免不必要的細節(jié)對本發(fā)明造成混淆。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的振幅控制電路10的一般實施例。一輸入信號在線性可變增益放大器(VGA)12的輸入端處接收。由于來自線性可變增益放大器12的模擬信號輸出的振幅被限于所需電平而不對原始輸入信號的波形造成失真，因此本發(fā)明特別適用于模擬輸入信號。
可變增益放大器輸出信號被在信號處理器14中處理。特別地，信號處理器14確定對應(yīng)于可變增益放大器輸出信號的均方信號。信號的平均使得可以進行精確的全波形均方檢測，(而不是僅僅對正或負峰值的檢測)，從而對非對稱信號提供精確的限幅。為本應(yīng)用的目的，術(shù)語“平均”包括算術(shù)平均值(原文為“authentic mean”)和平均值。如果需要的話，信號處理器14也可以確定均方根(RMS)信號。
一分析器16接收來自信號處理器14的均方輸出，并把它與一參考值相比較。分析器16的輸出被作為增益控制信號反饋到線性可變增益放大器12。該反饋控制信號對應(yīng)于均方信號和參考值之間的差值，并可以被作為積分放大器。該反饋控制信號限制可變增益放大器12的輸出，但不在該原始輸入信號波形中導入失真。另外，在輸出波形的正和負方向上的信號振幅被檢測，以保證由可變增益放大器所產(chǎn)生輸出信號在均方根量值上被限于預(yù)定的所需電平。
如上文所述，本發(fā)明的一個顯著優(yōu)點是不需要大的元件并可以形成于集成電路上。該優(yōu)點更可以應(yīng)用于根據(jù)圖2所示的本發(fā)明的振幅控制電路20的第二實施例中。
在固態(tài)線性振幅調(diào)整電路實施例的第二實例中，要被處理的信號為差分信號。本發(fā)明的精確處理差分信號的能力是優(yōu)越于常規(guī)的缺少這種功能的基于峰值檢測的AGC電平控制電路的顯著優(yōu)點。因為差分信號通常用于集成電路中。本發(fā)明在控制集成電路信號的振幅電平中特別有利。
線性可變增益放大器(VGA)22根據(jù)反饋控制增益信號把可變增益施加到被施加給正(+)和負(-)輸入端的差分輸入信號，并在正和負輸出端上產(chǎn)生相應(yīng)的差分輸出信號，該信號具有受限振幅但是不使差分輸入信號的原始波形失真。該差分輸出由對該差分輸出信號求平方然后確定其平均值的均方計算器24所處理。差分運算放大器26把由均方計算器24所產(chǎn)生的平均信號與一參考信號相比較以產(chǎn)生用于控制可變增益放大器22的增益的反饋控制信號。
在第一和第二實施例中，平方函數(shù)可以用乘法器來實現(xiàn)，并且平均或平均函數(shù)可以用低通濾波器來實現(xiàn)。這種低通濾波器一般只用相對較小的電容器，該電容器可以易于集成到集成電路中。另外，盡管當所需振幅電平為常量時參考值也一般為常量，但是，當所需振幅電平改變時參考信號也可以為調(diào)制數(shù)值。則該輸出將為可變均方輸出。
圖3示出一組過程，被稱為振幅控制(塊30)，該過程用于實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法的實例。輸入信號在線性可變增益放大器中接收，并按照大于或小于1的當前設(shè)置增益而放大(塊32)。然后，可變增益放大器的輸出被平方(塊34)并求平均(塊36)。平均輸出信號被與一參考值相比較(塊38)，以產(chǎn)生對應(yīng)于平均信號與該參考值之間的差的反饋控制信號?？勺冊鲆娣糯笃鞯脑鲆嬗煞答伩刂菩盘査刂?，以保證可變增益放大器的輸出信號的振幅保持在所需的振幅電平(塊40)。如上文所述，輸出信號的振幅保持在所需振幅電平而不會使該輸入信號失真。另外，該可變增益放大器的輸入和輸出信號可以是差分信號。
下面結(jié)合附圖4中所示的振幅控制電路50描述本發(fā)明的另一實施例。該振幅控制電路50包括連接到一對直流電平移動器54和56的可變增益放大器，這對直流電平移動器依次連接到乘法器58。乘法器的輸出連接到產(chǎn)生增益控制信號62的有源負載60。
可變增益放大器包括6個晶體管Q1-Q6、電阻器R1-R4、以及電源Vcc和Vbias。在可變增益放大器52的正端和負端(左側(cè))接收差分輸入(I/P)信號。該正端連接到晶體管Q5的基極，并且負端連接到晶體管Q6的基極。放大器Q5和Q6形成一個差分對，并且電阻R1和R2是為晶體管Q5和Q6保持線性跨導曲線的發(fā)射極負反饋電阻。結(jié)果，可變增益放大器52在工作時是線性的。
晶體管Q1-Q4執(zhí)行增益變化功能，晶體管Q5和Q6的集電極分別連接到射極耦合的晶體管對Q1、Q2和Q3、Q4。在下文中具體描述的增益控制信號63連接到晶體管Q1和Q4的基極端。晶體管Q1-Q4的集電極都連接到提供Vcc的標準直流電壓，并且連接到晶體管Q1和Q3的電阻是負載電阻。偏壓Vbias從Vcc中導出。實踐中，直流電壓被提供給晶體管Q2和Q3的基極，并且可變(緩慢改變)電壓以增益控制信號62的形式提供給晶體管對中的其它晶體管Q1和Q4。實踐中，晶體管Q1-Q4從晶體管Q5和Q6中分離部分電流。如果晶體管Q1和Q4的電流分流到Vcc。流過晶體管Q2和Q3的信號電流的其余部分流過電阻R3和R4從而產(chǎn)生一信號電壓作為差分輸出信號。
差分輸出信號端也連接到兩個直流電平移動器54和56。這些直流電平移動器提供固定的直流電平移動，并且同時保持輸出信號的交流波形成分。因為晶體管Q7至Q10需要第一直流偏壓，并且晶體管Q11和Q12需要第二較低的直流偏壓，因此采用直流電平移動器54和56?？勺冊鲆娣糯笃?3的輸出施加到這兩組晶體管上，這是為什么每個直流電平移動器包括一個輸入端和兩個輸出端的原因。
采用直流電平移動器一個實例是應(yīng)用串聯(lián)的晶體管電阻電流源方案。特別是，晶體管Q16和Q17的基極連接到電阻R3和R4的輸出信號端。晶體管Q16和Q17的發(fā)射極端被用于驅(qū)動晶體管Q7-Q10的基極。在各個連接到發(fā)射極的電阻R5和R6之間的電壓下降之后，來自每個直流電平移動器54和56的第二低壓輸出信號被連接以分別驅(qū)動晶體管Q12和Q11的基極端。
所用的乘法器58是眾所周知的吉伯單元乘法器，其中包括晶體管Q7-Q12以及電阻R7和R8。由于吉伯單元乘法器是常規(guī)和眾所周知的，因此，不必對該乘法器電路58的操作作進一步的描述。在晶體管Q9和Q10的集電極處的吉伯單元乘法器58的輸出在有源負載60中的節(jié)點62處求和。該有源負載60是包含基極端相聯(lián)的晶體管Q13和Q14的電流反射鏡。該電流源I2提供對應(yīng)于作為到圖2中差分運算放大器26的輸入信號的參考值的參考電流。最好，電流I2與連接到圖4中所示的吉伯乘法器58的電流源I1所產(chǎn)生的電流相關(guān)。參考電流I2產(chǎn)生流過晶體管Q14的電流。由于晶體管Q13和Q14連接成為電流反射鏡，因此晶體管Q13用于把參考電流I2復制到節(jié)點62中。
在實踐中，有源負載包括晶體管Q13和Q14。因此，如果晶體管Q8和Q10的輸出電流大于電流源I2中的參考電流，則在節(jié)點62上的電壓下降。如果晶體管Q8和Q10的輸出電流源I2所產(chǎn)生的參考電流，則在節(jié)點62上的電壓上升。
同樣連接到節(jié)點62上的是連接到晶體管Q13和Q14的共同基極的電容C1。電容C1執(zhí)行兩個功能對節(jié)點62上的平方電壓進行濾波，以及穩(wěn)定反饋環(huán)路功能，即，增益環(huán)路控制信號63。晶體管C1的濾波作用執(zhí)行平方信號的時間平均。更具體來說，處于節(jié)點62上的電壓的更高頻率成分由該晶體管所衰減，使得在晶體管Q13的基電極上的信號中的高頻成分大大衰減。假設(shè)可變增益放大器52的輸出信號為正弦波，則用于乘法器58中的平方功能產(chǎn)生具有所需數(shù)值的直流電平，用于與參考信號相比較。但是，該平方功能也產(chǎn)生輸入信號的倍頻信號成分及其諧波。這些更高頻率成分是不希望有的，并由電容C1所濾波。由上文所述，電容C1的尺寸相對較小，因此可以在集成電路上以固態(tài)形式實現(xiàn)。
由于節(jié)點62為高阻抗節(jié)點并且不應(yīng)當加載到不具有不利影響的其它信號上，因此用晶體管Q15實現(xiàn)的射極跟隨緩沖器向晶體管Q13的集電極提供高阻抗。作為該高阻抗的結(jié)果，在晶體管Q13的集電極上的信號電平不被衰減，并且晶體管Q8、Q10以及Q13之間的電流平衡得到保持。電流源14為晶體管Q15提供偏流以保持該晶體管處于激活狀態(tài)。來自晶體管Q15的對應(yīng)于增益控制信號63的緩沖信號控制晶體管Q1和Q4的基極電壓，進而調(diào)節(jié)可變增益放大器52的增益。
電流源I3提供偏流，以保證晶體管Q1-Q6都處于激活狀態(tài)。電流源I1類似為乘法器電路58中的晶體管提供偏流，由于來自晶體管Q8和Q10的乘法器電路輸出電流與該偏流I1成比例，因此電流源I1保持電流I1與I2之間的關(guān)系。結(jié)果，一旦反饋環(huán)路獲得穩(wěn)定狀態(tài)，則晶體管Q8和Q10的集電極電流與電流I1形成預(yù)定比例。因此，電流I2被設(shè)為電流I1的一部分。通常，I2與I1的比例在0和1之間。
如上文所述，本發(fā)明提供一種振幅控制調(diào)節(jié)電路和方法，其可以利用易于在集成電路芯片中實現(xiàn)的電路精確調(diào)整不對稱信號和差分信號。等價的模擬和數(shù)字電路可以用于實現(xiàn)上述結(jié)合實施例進行描述的功能。根據(jù)本發(fā)明線性振幅調(diào)節(jié)控制不會導入失真，并適用于可以在任何數(shù)目的振幅控制環(huán)境中固態(tài)集成，例如調(diào)整用于驅(qū)動混合器的本發(fā)振蕩信號、除去交流紋波、補償溫度變化、產(chǎn)生或檢測調(diào)幅成分、避免放大器過激，等等。
本發(fā)明已經(jīng)結(jié)合具體實施例進行描述以利于理解。但是上述實施例只是為了說明而不是限制。對于本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員來說顯然可以脫離上述具體實施例而不脫離本發(fā)明的精神和范圍實現(xiàn)本發(fā)明。因此，本發(fā)明不應(yīng)被認為是僅限于上述實施例，而應(yīng)當被認為在范圍上與隨附權(quán)利要求完全相同。
權(quán)利要求
1.一種振幅控制電路，其中包括接收輸入信號并根據(jù)該輸入信號產(chǎn)生一輸出信號的可變增益放大器；接收該輸出信號并確定相應(yīng)均方信號的信號處理器；以及一分析器，其把該均方信號與一參考值相比較并產(chǎn)生連接到可變增益放大器的反饋控制信號，用于根據(jù)均方信號與參考值之間的差別控制可變增益放大器的增益，其特征在于，可變增益放大器的增益被控制使得輸出信號的振幅保持在所需的振幅電平上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振幅控制電路，其特征在于，該振幅控制電路形成于集成電路上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振幅控制電路，其特征在于，該信號處理器包括對該輸入信號求平方的乘法器，以及對該平方信號求平均從而產(chǎn)生均方信號的平均器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的振幅控制電路，其特征在于，該平均器包括一低通濾波器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振幅控制電路，其特征在于，該可變增益放大器為線性，并且該振幅控制電路在產(chǎn)生輸出信號時不會使輸入信號的波形失真。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振幅控制電路，其特征在于，該參考信號為與所需振幅電平相關(guān)的常量，并且該所需振幅電平對應(yīng)于一個恒定的均方輸出。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振幅控制電路，其特征在于，該參考信號為與所需振幅電平相關(guān)的調(diào)節(jié)量，并且所需振幅電平對應(yīng)于可變均方輸出。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振幅控制電路，其特征在于，該分析器包括一運算放大器。
9.一種振幅控制電路，其中包括一可變增益放大器，其接收差分輸入信號并根據(jù)該差分輸入信號產(chǎn)生差分輸出信號；一均方計算器，其求輸出差分信號的平方，并對該平方信號求平均；以及一差分運算放大器，其把該平均信號與一參考值相比較并產(chǎn)生連接到該可變增益放大器的反饋控制信號，用于根據(jù)該平均信號與參考值之間的差別控制可變增益放大器的增益，其特征在于，該可變增益放大器的增益被控制，使得該差分輸出信號的振幅保持在所需振幅電平。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的振幅控制電路，其特征在于，該可變增益放大器為線性，并且該振幅控制電路在產(chǎn)生輸出時不會使輸入信號的波形失真。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的振幅控制電路，其特征在于，該參考信號是一個與所需振幅電平相關(guān)的常量，并且所需振幅電平對應(yīng)于一個恒定的均方輸出。
12.一種方法，其中包括如下步驟在可變增益放大器接收一輸入信號；對該可變增益放大器的輸出求平方；對該平方輸出信號求平均；把該平均輸出信號與一參考值相比較；產(chǎn)生對應(yīng)于該平均信號與該參考值之間的差值的反饋控制信號；以及用該反饋控制信號控制可變增益放大器的增益，以使該輸出信號的振幅保持或低于所需振幅電平。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，該平方和平均步驟對應(yīng)于產(chǎn)生該可變增益放大器的輸出信號的均方值。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，該可變增益放大器為線性，并且該方法還包括把該輸出信號的振幅保持在所需振幅電平，而不使輸入信號發(fā)生失真。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，該輸入信號和輸出信號為差分信號。
16.一種振幅控制電路，其中包括一差分放大器，其具有一對連接到一對相連晶體管的偏置端的差分信號輸入端；一可變增益放大器電路，其接收由該差分放大器所產(chǎn)生的差分信號，并在一對差分信號輸出端產(chǎn)生差分輸出信號；一乘法器電路，其用于對該差分輸出信號求平方；以及一電流反射鏡，其連接到一參考電流以及該乘法器電流的輸出端，用于產(chǎn)生連接到可變增益放大器的增益控制信號。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的振幅控制電路，其中還包括一直流電平移動器電流，其把一對差分輸出端連接到該乘法器，用于在兩個不同的直流電平上產(chǎn)生差分輸出信號。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的振幅控制電路，其特征在于，該乘法器是連接到第一電流源的吉伯單元乘法器。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的振幅控制電路，其中還包括產(chǎn)生該參考信號的第二電流源，其特征在于，該參考信號與由第一電流源所產(chǎn)生的電流相關(guān)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的振幅控制電路，其特征在于，由該第二電流源和第一電流源所產(chǎn)生的電流之間的比率小于1。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的振幅控制電路，其中還包括一連接于該電流反射鏡輸出端與可變增益控制電路之間的緩沖放大器。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的振幅控制電路，其特征在于，該可變增益放大器為線性。
23.根據(jù)權(quán)利要求16所述的振幅控制電路，其中還包括連接到該乘法器電路、電流反射鏡以及可變增益放大器的電容器。
全文摘要
一種振幅調(diào)整電路包括接收一輸入信號并根據(jù)該輸入信號產(chǎn)生一輸出信號的可變增益線性放大器。該信號可以有不同形式。一信號處理器接收該輸出信號并確定相應(yīng)的均方信號。該信號處理器包括對該輸出信號求平方的乘法器,以及求該平方信號的平均值以產(chǎn)生均方信號的平均器。一分析器把均方信號與參考值相比較并產(chǎn)生根據(jù)該均方信號與該參考值之間的差別控制可變增益放大器的增益的反饋控制信號。在放大器中的變量的增益被控制使得輸出信號的振幅保持在所需的振幅電平,而不使原始輸入波形失真。
文檔編號H03G1/00GK1243615SQ98801648
公開日2000年2月2日 申請日期1998年7月9日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月5日
發(fā)明者M·A·瓊斯 申請人:艾利森公司