專利名稱：具有驅(qū)動疊加電流的電流驅(qū)動器的放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及高頻放大器，更具體地在電路對其輸入端口上的電壓偏移敏感的電路放大環(huán)境中，本發(fā)明具有特別有利的應(yīng)用。本發(fā)明的一個應(yīng)用特例是針對可變增益放大器(“VGA”)電路，其好處是取得了大的動態(tài)范圍，寬的頻率響應(yīng)和/或改善的線性，同時消耗較低的功率。
電子工業(yè)不斷地努力取得高效率，高功能電路。通過在很小的硅晶片區(qū)上制造大規(guī)模的集成電路取得了這方面的很大進(jìn)步。對于針對高頻通信的應(yīng)用，這種設(shè)備的設(shè)計和制造中的主要目標(biāo)通常是獲得一種電路，它占用最小的區(qū)域，使用最少的功率，同時保持通過信號傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的完整性。
一般將通常使用在通信電路中的一種電路稱為可變增益放大器(“VGA”)。VGA被用在許多電子產(chǎn)品中，例如全球定位(GPS)接收機(jī)，無線本地網(wǎng)和諸如無繩和蜂窩電話等移動通信設(shè)備。特別是，將VGA用在這種設(shè)備的各個部分，例如，在射頻(RF)，中頻(IF)和低頻，和/或這些設(shè)備的基帶信號處理方面。通常的VGA包括一個晶體管差分對，將輸入電流信號的一部分引向輸出端，而將輸入電流信號的其它未用部分引到地。引向輸出端的信號電流量依賴于加到該晶體管差分對的各個基極上的差分控制電壓。通常，與另一晶體管的基極相比，對一個晶體管的基極加上較高控制電壓，將決定在輸出端可得到的輸入信號電流的數(shù)量。將這種VGA電路的增益控制特征的公式確定為由該電路的特定安排定義的互線性等式的函數(shù)。對于更詳細(xì)地分析，可參考各種資料，包括例如由B.Gilbert寫的文章，標(biāo)題為“Current-Mode Circuits from a TranslinearViewpoint”Tutorial，第二章(英國1990)，和美國專利No.5999053，No.6028478和No.5994961。
為了設(shè)計特定應(yīng)用的VGA，根據(jù)是通常給出典型VGA電路裝置的幾個已知的限定。采用無線通信作為一個應(yīng)用類型，通常將這些限定指向控制在功能塊的輸入或輸出的信號電平。通常通過控制電壓改變在電路中的增益或衰減來實現(xiàn)控制這個信號電平。然而，在VGA電路中，這種控制電壓調(diào)整可產(chǎn)生嚴(yán)重的操作缺點，包括例如，動態(tài)范圍的限制和功率消耗的明顯增加。隨著控制電壓調(diào)整的信號電平的變化還導(dǎo)致了表示VGA中所用的主要操作方面的質(zhì)量下降，即噪音和非線性性能。
因此，需要提供一種可變增益放大器，具有擴(kuò)大的動態(tài)范圍，寬的頻率響應(yīng)和/或改善的線性，同時消耗較低的功率。
針對上面提出的應(yīng)用和業(yè)務(wù)，以及其它的優(yōu)點可以多種實施方案來實施本發(fā)明，詳細(xì)地閱讀下面的討論將使這些應(yīng)用、業(yè)務(wù)和其它優(yōu)點變得更加清楚。例如，本發(fā)明的某些方面是針對在與消除提供給疊加電流引導(dǎo)電路(staeked current-steering crrcuits)的信號中的電壓偏移的組合中的疊加電流引導(dǎo)電路方面發(fā)現(xiàn)的優(yōu)點。適當(dāng)?shù)貙嵤?，這種方法可導(dǎo)致改善動態(tài)范圍，線性和功耗等許多優(yōu)點。
根據(jù)特殊的應(yīng)用實例，可以第一和第二電流引導(dǎo)部分的形式來實施本發(fā)明，安排對差分電流輸入信號進(jìn)行增益調(diào)整(或“放大”，包括正和負(fù)增益調(diào)整二者)。通過差分電流路徑對第一和第二電流引導(dǎo)部分的每個進(jìn)行電流驅(qū)動。構(gòu)成和安排該第一電流引導(dǎo)部分供給電流，從而驅(qū)動該第二電流引導(dǎo)部分。
本發(fā)明的另一方面采用疊加的吉爾伯特單元(Stacked GilbertCells)(參看上面的背景討論)來構(gòu)成可變增益放大器(“VGA”)電路，取得了大的動態(tài)范圍，寬的頻率響應(yīng)和改善的線性，同時消耗比較小的功率。在這個意義上，Gilbert單元是基于晶體管的放大器的一種形式，其中根據(jù)該晶體管放大器設(shè)計將輸入端口上的電流分為(或分開為)至少兩個輸出。
在本發(fā)明的又一特定的實施方案中，一種放大裝置包括一個電流-電壓轉(zhuǎn)換器，饋送電流給上述表征的VGA電路。
上面的概要并不想給出本發(fā)明的所有方面的綜述，在詳細(xì)描述中將舉例和描述本發(fā)明的其它方面。
結(jié)合附圖考慮本發(fā)明的各種實施方案的詳細(xì)描述可更完全地了解本發(fā)明，其中

圖1表示根據(jù)本發(fā)明實施例的放大器電路裝置的框圖；和圖2表示根據(jù)本發(fā)明的放大器電路裝置的一個特定的實施例。
盡管本發(fā)明適于各種修改和替換形式，在附圖中通過舉例表示了它的細(xì)節(jié)，并將進(jìn)行詳細(xì)地描述。然而，應(yīng)理解，不應(yīng)將本發(fā)明限定到所描述的特定實施方案。相反，本發(fā)明應(yīng)覆蓋落在所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有修改，等同物和替換物。
相信可將本發(fā)明應(yīng)用到各種高頻信號放大電路和應(yīng)用，已發(fā)現(xiàn)對于高頻信號電路放大環(huán)境本發(fā)明特別有好處，在該環(huán)境中放大器輸入端口上的控制電壓偏移可導(dǎo)致操作的缺點，包括例如動態(tài)范圍的限制和/或不必要的功率消耗增加。盡管不必將本發(fā)明限定到這些電路或應(yīng)用，但通過工作在這種環(huán)境中的實施例的討論可更好地理解本發(fā)明的各個方面。
根據(jù)第一實施例，一種電流引導(dǎo)放大器電路包括第一和第二疊加電流引導(dǎo)電路部分。構(gòu)成和安排這些電路部分的每個放大差分電流輸入信號。第一電流引導(dǎo)部分響應(yīng)供給第一部分的輸入端口控制差分電流源。將第一電流引導(dǎo)部分的放大輸出用于驅(qū)動，從而起到了第二電流引導(dǎo)部分的電流源的作用。通過控制饋送給第一電流引導(dǎo)部分的電流的幅度，電壓偏移不必控制電流引導(dǎo)放大器電路的工作，減小了它對上述問題的敏感性。因此，增加了動態(tài)范圍，改善了線性，沒有功耗的不必要增加。
現(xiàn)在參看附圖，圖1表示根據(jù)本發(fā)明實施例的放大器電路裝置100的框圖。該放大器電路裝置100包括信號源電路110，雖然對于本發(fā)明不是主要的，但是設(shè)計中的特定重要應(yīng)用方面。例如，在多種實施方案中，該信號源電路110是在調(diào)制信號的射頻(RF)，中頻(IF)和低頻級中的方框。在另一實施例中，該信號源電路110是在無線收發(fā)信機(jī)的基帶信號處理級中的方框。按照通常許多上述的應(yīng)用示例。將該信號源電路110用于對該放大器電路裝置100的下一級提共高頻電壓控制信號。
然后由電壓-電流轉(zhuǎn)換器112接收這個高頻電壓控制信號。經(jīng)電流路徑118將在該信號中的電壓偏移所傳送的信息轉(zhuǎn)換為差分電流信號。在本發(fā)明中發(fā)現(xiàn)的重要優(yōu)點是，從提供給疊加電流引導(dǎo)電路的信號中消除電壓偏移，產(chǎn)生了許多優(yōu)點，包括上述的涉及動態(tài)范圍，線性和功耗等優(yōu)點。
因此，該電流路徑118對兩個疊加電流引導(dǎo)電路114和116的第一個提供差分電流信號。每個電流引導(dǎo)電路114和116將在輸入端口接收的電流分開為兩個輸出。在這一方面，該第一電流引導(dǎo)電路114接收和放大由電流路徑118傳輸?shù)囊?guī)定為差分電流的信號，并將這個信號提供給第二電流引導(dǎo)電路116，作為對差分電流路徑120上的規(guī)定的差分電流信號。然后，將第二電流引導(dǎo)電路116用于完成放大的第二級?？蓪⑷芜x的其它疊加電流引導(dǎo)電路(未示出)用于另外的放大級，在圖1中還示出了一個任選的電壓移動電路122，使用并行電容124和126實施為一個通常的高通濾波器。
圖2表示根據(jù)本發(fā)明的對于特定應(yīng)用示例的圖1的框112、114和116的示例性衰減電路200。該衰減電路200包括電流源電路210，根據(jù)提供給輸入端口212的輸入偏置信號，選擇地將控制信號供給控制端口214。從輸入端口212，將該輸入偏置信號用于驅(qū)動晶體管220的基極，該晶體管220便用由晶體管222和它的發(fā)射極泄放(trailing)電阻224設(shè)置的基極電壓。該晶體管220通過節(jié)點218上的源電流進(jìn)行響應(yīng)，隨后轉(zhuǎn)換為使用晶體管234和236的在節(jié)點230和232上的平衡的差分電流路徑。節(jié)點230和232分別對應(yīng)于圖1的框112提供的差分電流驅(qū)動信號的反向(正和負(fù))輸入。在一個實施方案中，將鏡像的晶體管222，234和236(以及電阻238和240)匹配，以實施在該差分電流驅(qū)動信號中的最佳平衡。
可將提供給控制端口214的選擇控制信號用于不同的目的。在一種應(yīng)用中，通過使用MOS晶體管216作為開關(guān)，將節(jié)點218上的電壓有效地接地，將該選擇控制信號用于禁止該輸入偏置的另外處理，其中也減少了在該禁止模式中的漏電流。另外，或與這種開關(guān)操作結(jié)合，將該MOS晶體管216用于調(diào)節(jié)在節(jié)點218上的電壓，以便加偏置。
從節(jié)點230和232，將該差分電流驅(qū)動信號提供給第一平衡電流引導(dǎo)電路部分250。該電流引導(dǎo)電路部分250包括匹配的電流分離晶體管的兩個組252和254。該晶體管組252和254包括晶體管252a和254a，共有在它們各自基極上的第一(例如，負(fù))共同偏置；和晶體管252b和254b，具有在它們各自基極上的另一相反(或正的)共同偏置。在VGA電流引導(dǎo)電路中通常將這些偏置用于調(diào)整放大電路的操作。將晶體管252b和254b的各個集電極用于定義第二平衡電流引導(dǎo)電路部分270的饋流節(jié)點260和262。
可用在第一平衡電流引導(dǎo)電路部分250中所示的實施和操作的類似方式，實施該第二平衡電流引導(dǎo)電路部分270，來進(jìn)一步衰減在節(jié)點260和262上提供的該衰減的差分電流驅(qū)動信號。因此，將該差分電流驅(qū)動信號供給匹配的電流分離晶體管的兩組272和274的每一組的連接發(fā)射極。正如在第一平衡電流引導(dǎo)電路部分250所表示和描述的那樣，晶體管組272和274的每組具有在它們的各自基極上的共同偏置。也可與第一平衡電流引導(dǎo)電路部分250的晶體管基極偏置一起使用這些晶體管基極偏置，以便對該衰減電路200進(jìn)行任何有用的調(diào)整。
在一個特定的VGA應(yīng)用示例中，實施了上面的一個或多個實施方案。來實現(xiàn)響應(yīng)大約2.3伏控制電壓變化的從-70dB-0dB之上的線性動態(tài)范圍擴(kuò)展，而沒有通常不可接受的功耗增加。這些是對通常VGA電路的操作的顯著改善。
因此，本發(fā)明針對電流引導(dǎo)電路裝置和信號處理方法，用于實現(xiàn)在動態(tài)范圍，線性和功耗方面的明顯改善。上面只是通過舉例說明給出了各種實施方案，而不是對本發(fā)明的限制。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易理解，在不嚴(yán)格遵從這里所示和所述的示例性方案和應(yīng)用的情況下，可對本發(fā)明做出許多修改和變化。例如，可將圖2中所示的特定電流引導(dǎo)電路以許多方式改變，例如，遵從通過參考引用的上述背景部分的電流引導(dǎo)裝置的各個方面，和Gilbert單元的各種其它形式。本發(fā)明的范圍由下面的權(quán)利要求書描述。
權(quán)利要求
1.一種電流引導(dǎo)電路，包括-構(gòu)成和安排的第一和第二電路部分(114，116)，用于放大差分電流輸入信號；和-差分電流路徑(118，120)，響應(yīng)該差分電流輸入信號，具有分別通過第一和第二電路部分的平衡的第一和第二電流路徑，利用第一電路部分(114)電流驅(qū)動第二電路部分(116)來構(gòu)成和安排第一和第二電路部分。
2.一種電流引導(dǎo)電路，包括-疊加的第一和第二電路部分(252，254，272，274)，構(gòu)成和安排第一和第二電路部分的每個放大差分電流輸入信號；和-差分電流源路徑(230，232)電流驅(qū)動第一電路部分，而第一電路部分(252，254)電流驅(qū)動第二電路部分(272，274)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2中任一項的電流引導(dǎo)電路，其中該第一和第二電路部分的至少一個包括一對Gilbert單元(252，254，272，274)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1，2和3的任一項的電流引導(dǎo)電路，其中第一和第二電路部分的每個共用各自的公用晶體管偏置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1，2和3的任一項的電流引導(dǎo)電路，其中將該第一和第二電路部分構(gòu)成和安排為一種可變增益放大器(200)，具有在VHF頻率上的動態(tài)范圍。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的電流引導(dǎo)電路，其中將該可變增益放大器用于提供在VHF頻率上的線性動態(tài)范圍。
7.一種電流引導(dǎo)可變增益放大器裝置，包括第一和第二電流引導(dǎo)部分，用于放大差分電流輸入信號，經(jīng)過差分電流路徑電流驅(qū)動第一和第二電流引導(dǎo)部分的每一個，構(gòu)成和安排第一電流引導(dǎo)部分供給電流，從而驅(qū)動該第二電流引導(dǎo)部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的電流引導(dǎo)可變增益放大器裝置，其中第一和第二電流引導(dǎo)部分的每一個共用各自的公用晶體管偏置。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的電流引導(dǎo)可變增益放大器裝置，還包括一個電壓-電流轉(zhuǎn)換器，用于對第一電流引導(dǎo)部分提供差分電流輸入信號。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的電流引導(dǎo)可變增益放大器裝置，還包括一個VHF范圍信號源，用于提供VHF范圍信號給該電壓-電流轉(zhuǎn)換器，將該轉(zhuǎn)換器用于將該VHF范圍信號轉(zhuǎn)換為該差分電流輸入信號。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的電流引導(dǎo)可變增益放大器裝置，其中還將該第一和第二電流引導(dǎo)部分用于提供在VHF頻率上的線性動態(tài)范圍。
12.根據(jù)權(quán)利要求7電流引導(dǎo)可變增益放大器裝置，其中利用提供平衡電流引導(dǎo)的一對Gilbert單元構(gòu)成和安排第一和第二電流引導(dǎo)部分的每個。
全文摘要
根據(jù)特定的應(yīng)用示例，以用于引導(dǎo)差分電流輸入信號的第一和第二電流引導(dǎo)部分的形式來實施本發(fā)明。經(jīng)差分電流路徑電流驅(qū)動第一和第二電流引導(dǎo)部分的每一個。將第一電流引導(dǎo)部分用于提供電流，從而驅(qū)動第二電流引導(dǎo)部分。本發(fā)明的另一方面采用疊加的Gilbert單元，如上所述，構(gòu)成可變增益放大器(“VGA”)電路，取得了大的動態(tài)范圍，寬的頻率響應(yīng)，和改善的線性，同時消耗較低的功率。
文檔編號H03G3/04GK1404652SQ01803147
公開日2003年3月19日 申請日期2001年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月16日
發(fā)明者A·霍斯羅夫貝吉, S·阿加瓦爾 申請人:皇家菲利浦電子有限公司