專利名稱：可變增益放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于有線廣播、無線電通信、磁記錄機(jī)等的可變增益放大器，尤其涉及配有直流偏移消除設(shè)備的可變增益放大器。
背景技術(shù)：
通常，在許多放大器里無法避免直流偏移，即一偏置電壓和一偏置電流的誤差部分，在輸出級里出現(xiàn)。目前為了消除這一直流偏移已經(jīng)采取了各種措施。例如，有一種為了消除偏移而使用反饋放大器電路的偏移消除系統(tǒng)。在這種情況下，被一個預(yù)定的增益放大的信號的頻帶的下域(稱為下限頻率)會隨著主放大器的增益的變化而浮動。當(dāng)該預(yù)定的增益增加時，被放大的信號的頻帶變窄。因此，應(yīng)該以一個很高的增益被放大的信號的下頻域沒有被放大，導(dǎo)致該信號的質(zhì)量惡化。
本發(fā)明的目的是提供一種可變增益放大器，該可變增益放大器可以抑制下限頻率隨著主放大器電路增益的變化而浮動，從而實現(xiàn)很好的偏移消除。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供了一種可變增益放大器設(shè)備，該設(shè)備包括一個可變增益放大器電路，該電路被提供一個輸入信號和一個反饋信號，放大輸入信號和反饋信號之間的差異并輸出一個輸出信號；一個反饋電路，該電路提供反饋信號給可變增益放大器電路；以及一個控制器，該控制器控制可變增益放大器電路和反饋電路，隨著可變增益放大器電路的增益增加而降低反饋電路的截止頻率，反之亦然。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，可變增益放大器設(shè)備包括一個可變增益放大器電路，該電路被提供一個輸入信號和一個反饋信號，放大輸入信號和反饋信號之間的差異并輸出一個輸出信號；一個反饋電路，該電路提供反饋信號給可變增益放大器；以及一個控制器，該控制器控制可變增益放大器的增益和反饋電路的截止頻率，使得不管該可變增益放大器電路的增益如何變化輸出信號的下限頻率都保持充分的恒定。
根據(jù)本發(fā)明的第三個方面，可變增益放大器設(shè)備包括一個可變增益放大器電路，該電路被提供一個輸入信號和一個反饋信號，放大輸入信號和反饋信號之間的差異并輸出一個輸出信號，該可變增益放大器電路的增益隨著輸入信號的水平而變化；以及一個反饋電路，提供反饋信號給可變增益放大器電路，該反饋電路的截止頻率隨著該可變增益放大器電路的增益的變化而變化，以使輸出信號的下限頻率保持充分的恒定。


圖1是涉及本發(fā)明一個實施例的一個可變增益放大器的方框圖；圖2顯示了圖1所示的可變增益放大器的增益-頻率特性；圖3是第一個例子里反饋放大器電路的電路圖；圖4是另一個反饋放大器電路的電路圖；圖5是另一個反饋放大器電路的電路圖；圖6顯示了一個可變電容的電路圖；圖7A和7B顯示了不同的可變電阻的電路圖；圖8顯示了電壓-電流轉(zhuǎn)換器的電路圖；圖9顯示了另一個電壓-電流轉(zhuǎn)換器的電路圖；以及圖10顯示了一個使用可變增益放大器的無線電接收機(jī)的方框圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在結(jié)合附圖描述本發(fā)明的一個實施例。
如圖1所示，一個可變增益放大器包括一個具有可變增益A的主放大器電路11，一個輸入和主放大器電路11的輸出端相連的反饋放大器電路12，以及一個與主放大器電路11和反饋放大器電路12的控制輸入端相連的增益控制電路13。反饋放大器電路12包括一個具有恒定增益F的子放大器電路15和一個具有可變通帶的、與子放大器電路15的輸出端相連的低通濾波器電路16。增益控制電路13控制主放大器電路11的增益和低通濾波器電路16的通帶。
一個為輸入端10提供的輸入信號被輸入到主放大器電路11的非反向輸入端。主放大器電路11的輸出信號被輸入到輸出端14和反饋放大器電路12。反饋放大器電路12的輸出信號作為一個反饋信號被輸入到主放大器電路11的反向輸入端。輸入到反饋放大器電路12的信號被子放大器電路15放大。只有一個直流部分通過低通濾波器電路16從被放大的輸入信號里提取出來。反饋放大器電路12輸出的直流部分被輸入到主放大器電路11的反向輸入端。結(jié)果，該直流部分抵消了輸入到非反向輸入端的輸入信號的直流偏移部分。通過這種方式，直流偏移部分被消除了。
主放大器電路11的增益被增益控制電路13產(chǎn)生的控制信號Vca控制，該控制信號是根據(jù)一個與輸出信號的水平相對應(yīng)的信號Vcont而產(chǎn)生的，同時，低通濾波器電路16的下截止頻率也被增益控制電路13產(chǎn)生的控制信號Vcf所控制。除此之外，增益的切換可以參照主放大器電路11的輸入或輸出。
當(dāng)增益控制電路13給主放大器11提供控制信號Vca以增加主放大器電路11的增益時，它同時給低通濾波器電路16提供控制信號Vcf以降低低通濾波器16的截止頻率。該可變增益放大器的輸入-輸出特性由以下公式表達(dá)(1)T(s)＝(A1+CRs)/(FA+1+CRs)(1)其中A代表主放大器電路11的增益，F(xiàn)代表子放大器電路15的增益(低通濾波器的通帶的增益是1倍)，以及CR代表一個和低通濾波器電路16的截止頻率(fo＝1/(2πCR))相對應(yīng)的時間常數(shù)。假設(shè)控制主放大器電路11和低通濾波器電路16，使因為F是不變的而A/CR也成為不變的?，F(xiàn)有技術(shù)的可變增益放大器的傳輸特性和本實施例的可變增益放大器的傳輸特性的一個很大的區(qū)別是，時間常數(shù)CR隨著增益A同時變化。圖2按照頻率特性示出了這種情況。換句話說，1/(2π(CR)1)這一截止頻率fo指出了當(dāng)主放大器電路11的增益A為A1時的直流增益T。相似的，當(dāng)增益是A2時，fo＝1/(2π(CR)2)，當(dāng)增益是A3時，fo＝1/(2π(CR)3)。
能夠維持增益A的下限頻率(嚴(yán)格的說，使增益為A/√2的頻率)用AF/(2πCR)表示。換句話說，在本實施例中會發(fā)現(xiàn)即使增益A變?yōu)锳1、A2或A3，下限頻率AF/(2πCR)也不變。當(dāng)A變化時，為了使CR隨著增益A改變，與直流增益T(0)(≌1/F)相交的頻率也隨著增益A偏移。但是，這不影響直流增益(直流偏移衰減)T(0)。
現(xiàn)在描述反饋放大器電路12，該電路具有可以改變截止頻率的低通濾波器功能。
(第一實施例)圖3顯示了根據(jù)第一實施例的反饋放大器電路12的電路圖。反饋放大器電路12包括一個運算放大器32，一個可變電容33和一個第一電阻(電阻R)31-1，該電阻并聯(lián)在運算放大器32的輸出端和反向輸入端之間，以及一個第二電阻，該電阻連接在運算放大器32的輸入端和反向輸入端之間。此外，圖1的主放大器電路11的輸出信號通過第二電阻(電阻R2)31-2輸入到運算放大器32的反向輸入端。一個參考電壓Vref輸入到運算放大器32的非反向輸入端。該參考電壓Vref是一個直流電壓，用以使運算放大器32工作，并且不直接影響本發(fā)明的可變增益放大器的工作。
低通濾波器電路16包括運算放大器32、可變電容33和第二電阻31-2。第二放大器電路15包括第一和第二電阻31-1和31-2以及運算放大器32。
通過根據(jù)主放大器電路11的增益的提高而增加可變電容33的電容值，來降低濾波器16的截止頻率。另外，子放大器電路15的增益F由R1/R2決定。
可變電容33使用一個電容單元，其中的電容如圖6所示的那樣切換。多個電容，例如，四個電容器34，的第一個接線端互相連接，第二個接線端分別和開關(guān)35的接觸點連接。開關(guān)35由增益區(qū)分電路13所提供的控制信號Vcf進(jìn)行切換。開關(guān)35可以用CMOS晶體管組成。
(第二實施例)圖4示出了根據(jù)第二實施例的反饋放大器電路12的電路圖。該反饋放大器電路12和圖3所示的反饋放大器電路12基本上是一樣的。該反饋放大器電路12控制一個電阻，而不是一個電容。換句話說，通過根據(jù)主放大器電路的電容的提高而增加電阻41-2的值，來降低濾波器16的截止頻率。同樣，通過根據(jù)主放大器電路的增益的降低而減少電阻41-2的值，來提高濾波器16的截止頻率。為了使反饋放大器電路12的增益F不變，調(diào)整兩個可變電阻41-1和41-2使可變電阻41-1和41-2的電阻比值是一個常量。
圖7A和7B分別示出了可變電阻41的一個具體結(jié)構(gòu)。圖7A示出了可變電阻41，其中多個電阻，例如，4個電阻，并聯(lián)且被一個開關(guān)45切換。圖7B顯示的可變電阻41，其中多個電阻，例如，4個電阻相互串聯(lián)，且被開關(guān)45-1，45-2和45-3短路。這些開關(guān)可以由CMOS晶體管組成。可以用CMOS晶體管的接通電阻或由一個電壓-電流轉(zhuǎn)換器組成的偽電阻電路來代替可變電阻41。
(第三實施例)圖5示出了和第三實施例相關(guān)的反饋放大器電路12的電路圖。本實施例不同于第一和第二實施例，反饋放大器電路12包括電壓-電流轉(zhuǎn)換器51和52，其中51和52每一個的互導(dǎo)是可變的，還包括一個電容53，而沒有使用運算放大器和電阻。第一電壓-電流轉(zhuǎn)換器51把一個輸入的信號電壓轉(zhuǎn)換成一個和信號電壓成比例的電流。電容53連接在第一電壓-電流轉(zhuǎn)換器51的反向和非反向輸出端之間。該電容53在第二電壓-電流轉(zhuǎn)換器52的輸入端之間和輸出端之間短路連接。該第二電壓-電流轉(zhuǎn)換器52的作用相當(dāng)于一個電阻。
第二電壓-電流轉(zhuǎn)換器52和電容53組成了具有一個如圖1所示的信號增益的下一級低通濾波器電路16。當(dāng)電壓-電流轉(zhuǎn)換器51和52的互導(dǎo)分別以Gm1和Gm2表示時，圖1所示的子放大器電路的信號增益F為Gm1/Gm2。其截止頻率用Gm2/2πC表示。C表示電容53的電容值。當(dāng)主放大器電路11的增益A由增益控制電路13的增益控制信號Vcf增加時，電壓-電流轉(zhuǎn)換器51和52被增益控制信號Vcf控制，以使互導(dǎo)Gm1和Gm2以相同的比例同時減少?；?dǎo)Gm1和Gm2以相同的比例同時減少的原因是為了使增益F保持為一個不變的值。此外，當(dāng)Gm2減少時，等價電阻R(＝1/Gm2)增加。因此，當(dāng)反饋放大器電路12的信號增益F保持為一個常量時，截止頻率(fo＝1/(2πCR))降低。相反的，反饋放大器電路12被增益控制信號Vcf控制，以使主放大器電路11的信號增益A減少時，互導(dǎo)Gm1和Gm2增加。
圖8和圖9示出了使用如圖5所示的反饋放大器電路12的電壓-電流轉(zhuǎn)換器51和52的具體電路圖。圖8顯示了用雙極晶體管構(gòu)成的電壓-電流轉(zhuǎn)換器，圖9顯示了用MOS晶體管構(gòu)成的電壓-電流轉(zhuǎn)換器。在圖8的電壓-電流轉(zhuǎn)換器里，雙極晶體管Q1和Q2的集極與電流源相連，一個電阻R11連接在集極之間。晶體管Q1和Q2的射極通過一個電流源接地。晶體管Q1和Q2的基極和差分放大器A1和A2的輸出端相連。差分放大器A1和A2的非反向輸入端分別和晶體管Q1和Q2的集極相連。差分放大器A1的反向輸入端和輸入端55的一個接線端相連。差分放大器A2的反向輸入端和晶體管Q2的基極相連。雙極晶體管Q3和Q4的集極分別和可變電流源以及輸出端56相連。晶體管Q3和Q4的射極通過一個可變電流源接地。晶體管Q3的基極與晶體管Q1的基極相連。晶體管Q4的基極和輸入端55的另一個接線端相連。與輸入到輸入端55的信號電壓成比例的電流從輸出端56輸出。該電路的互導(dǎo)用下面的公式(2)表示。
Gm1，Gm2＝I2/(I1*R1) (2)換句話說，可以通過改變電流I1和I2之間的比例控制互導(dǎo)Gm1和Gm2。但是，因為輸入工作范圍由I1*R1決定，如果電流I1改變，輸入工作范圍就改變。所以，最好只改變電流I2。
在圖9的電壓-電流轉(zhuǎn)換器中，MOS晶體管M1和M2的漏極分別和電流源以及輸出端lout+和lout-相連。晶體管M1和M2的源極分別通過MOS晶體管M3和M4的漏-源路徑和一個電壓源Vss相連。晶體管M1和M2的柵極分別和差分放大器A1和A2的輸出端相連。晶體管M3和M4的柵極分別和輸入端Vin+和Vin-相連。差分放大器A1和A2的非反向輸入端分別和Vcf端相連。差分放大器A1和A2的反向輸入端分別和晶體管M1和M2的源極相連。一個輸入電壓輸入到輸入端Vin+和Vin-之間，一個輸出電流從輸出端lout+和lout-提取出來。
可以通過控制晶體管M3、M4的互導(dǎo)來改變電壓-電流轉(zhuǎn)換器的互導(dǎo)Gm1和Gm2。假設(shè)設(shè)置工作點使晶體管M3、M4在線性區(qū)域里工作，晶體管M3、M4的互導(dǎo)和晶體管M3、M4的漏極-源極電壓成比例。因此，通過控制晶體管M3和M4的漏極電壓來控制互導(dǎo)。
通過運算放大器A1、A2和晶體管M1、M2組成的一個反饋結(jié)構(gòu)，反饋放大器12進(jìn)行工作從而使晶體管M1和M2的源電壓與輸入到運算放大器A1和A2的非反向輸入端的電壓相等。晶體管M3和M4的漏極電壓被輸入到運算放大器A1和A2的非反向輸入端的電壓所控制。因此，通過把增益控制電路13的控制信號Vcf輸入到運算放大器A1和A2的非反向輸入端來改變電壓-電流轉(zhuǎn)換器51和52的互導(dǎo)是可能的。
下文描述了一個應(yīng)用本發(fā)明的直接轉(zhuǎn)換無線電接收機(jī)的實施例。
根據(jù)圖10，接收一個無線電信號輸入的低噪聲放大器101的輸出端與乘法器102的一個輸入端相連。一個本地信號LO輸入到乘法器102的另一個輸入端。乘法器102的輸出端通過一個低通濾波器103和一個可變增益放大器104相連。該可變增益放大器104對應(yīng)于圖1所示的可變增益放大器。換句話說，該可變增益放大器104包括一個放大器106和一個低通濾波器107，該低通濾波器和一個加法器105的輸出端相連，從濾波器103輸出的信號輸入到該加法器105，該可變增益放大器還包括一個和加法器的輸入端相連的放大器106，一個包括低通濾波器107并把放大器106的輸出信號反饋到加法器105的反饋電路，以及一個增益控制器108。
根據(jù)上述的無線電接收機(jī)，一個無線電頻率信號RF被放大器101放大，并通過乘法器102與一個本地信號LO相乘以產(chǎn)生一個相乘后的信號。低通濾波器103濾波該相乘后的信號以產(chǎn)生一個基帶信號輸入到可變增益放大器104中。在可變增益放大器104中，該基帶信號通過加法器105輸入到放大器106中并被放大器106放大。該放大后的信號被作為輸出信號從一個輸出端輸出，并通過濾波器107反饋到加法器105中。在上述操作中，當(dāng)放大器106的增益通過增益控制器108隨著濾波器103的信號增加或減少時，低通濾波器107的截止頻率同時通過增益控制器108增加或減少。結(jié)果，輸出信號的下截止頻率的浮動得到了抑制，從而實現(xiàn)了很好的偏移消除。
本發(fā)明不僅限于上述實施例，本發(fā)明還可以作適當(dāng)?shù)男薷?。在上述的實施例中，子放大器電路的增益F是不變的。但是，子放大器電路的增益F的值不僅限為不變的。換句話說，當(dāng)主放大器電路11的增益是A時，下限截止頻率是AF/(2πCR)。本實施例的目的是，如果增益A變化，該下截止頻率保持不變。因此，增益F可以在不背離該目的的范圍內(nèi)變化。
本實施例涉及到的可變增益放大器用于移動通信系統(tǒng)，該移動通信系統(tǒng)在控制增益時不允許信號帶寬下限浮動。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一個可變增益放大器，該放大器抑制了主放大器的增益變化時，由于增益的改變而引起的下截止頻率的浮動，從而實現(xiàn)了很好的偏移消除，該放大器還可以集成到一個半導(dǎo)體芯片里。
本發(fā)明其它的優(yōu)點和修改對本領(lǐng)域的技術(shù)熟練的人而言是顯而易見的。因此，從更廣的方面說，本發(fā)明不局限于這里示出、描述的具體細(xì)節(jié)和代表性實施例。因此，可以在不偏離所附的各權(quán)利要求及其等同物所限定的整體的發(fā)明概念的范圍或精神下，做出各種的修改。
權(quán)利要求
1.一種可變增益放大器，其特征在于，包括一個可變增益放大器電路(11)，該電路被提供一個輸入信號和一個反饋信號，放大輸入信號和反饋信號之間的差異并輸出一個輸出信號；一個反饋電路(12)，該電路提供反饋信號給可變增益放大器電路；以及一個控制器(13)，該控制器控制可變增益放大器電路和反饋電路，從而隨著可變增益放大器電路的增益增加而降低反饋電路的截止頻率，反之亦然。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變增益放大器設(shè)備，其特征在于控制器(13)提供第一控制信號給可變增益放大器電路(11)以增加可變增益放大器電路的增益，同時提供第二控制信號給反饋電路(12)以降低反饋電路的截止頻率，或者，提供第一控制信號給可變增益放大器電路以減少可變增益放大器電路的增益，同時提供第二控制信號給反饋電路以提高反饋電路的截止頻率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變增益放大器設(shè)備，其特征在于反饋電路(12)包括一個運算放大器(32)，并聯(lián)在運算放大器的輸出端和反向輸入端之間的一個可變電容(33)和一個第一電阻(31-1)，以及一個第二電阻(31-2)，該電阻連接在運算放大器的反向輸入端和可變增益放大器電路的一個輸出端之間，一個具有各種電容值且隨著可變增益放大器的增益增加而增加、隨著可變增益放大器的增益減小而減小的電容。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變增益放大器設(shè)備，其特征在于反饋電路(12)包括一個運算放大器(42)，一個電容(43)和一個第一電阻(41-1)，該電阻的阻值可變并且并聯(lián)在運算放大器的反向輸入端和一個輸出端之間，以及一個第二電阻(41-2)，該電阻連接在運算放大器的反向輸入端和可變增益放大器電路的一個輸出端之間，第一電阻的阻值隨著可變增益放大器的增益增加而增加、隨著可變增益放大器的增益減少而減少。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的可變增益放大器設(shè)備，其特征在于第二電阻包括一個電阻(41-2)，該電阻(41-2)的阻值可變，第一電阻和第二電阻的阻值隨著可變增益放大器的增益增加而增加、隨著可變增益放大器的增益減少而減少，從而在第一電阻和第二電阻之間保持一個不變的電阻比。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變增益放大器設(shè)備，其特征在于反饋電路包括一個第一電壓-電流轉(zhuǎn)換器(51)，一個與第一電壓-電流轉(zhuǎn)換器的一個輸出端相連的電容(53)，以及一個第二電壓-電流轉(zhuǎn)換器(52)，該電壓-電流轉(zhuǎn)換器(52)的互導(dǎo)可變，并且包括一個與電容相連的輸入端和一個輸出端，該輸入端和輸出端之間短路，并且第二電壓-電流轉(zhuǎn)換器的互導(dǎo)隨著可變增益放大器電路的增益的增加而減少，反之亦然。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的可變增益放大器設(shè)備，其特征在于第一電壓-電流轉(zhuǎn)換器的互導(dǎo)是可變的，并且第一電壓-電流轉(zhuǎn)換器(51)和第二電壓-電流轉(zhuǎn)換器(52)的互導(dǎo)隨著可變增益放大器電路的增益的增加以相同的比例減小，反之亦然。
8.一種可變增益放大器，其特征在于，包括一個可變增益放大器電路(11)，該電路放大輸入信號和反饋信號之間的差異并輸出一個輸出信號；一個反饋電路(12)，該電路提供反饋信號給可變增益放大器；以及一個控制器(13)，該控制器控制可變增益放大器的增益和反饋電路的截止頻率，使得不管該可變增益放大器電路的增益如何變化輸出信號的下限頻率都保持充分的恒定。
9.一種可變增益放大器，其特征在于，包括一個可變增益放大器電路(11)，該電路被提供一個輸入信號和一個反饋信號，將放大輸入信號和反饋信號之間的差異并輸出一個輸出信號，該可變增益放大器電路的增益隨著輸入信號和輸出信號的至少一個的水平而變化；以及一個反饋電路(12)，該電路提供反饋信號給可變增益放大器電路，該反饋電路的截止頻率隨著該可變增益放大器電路的增益的變化而變化，以使輸出信號的下限頻率保持充分的恒定。
10.根據(jù)權(quán)利要求1，8或9所述的可變增益放大器設(shè)備，其特征在于反饋電路(12)只把可變增益放大器電路的輸出信號頻率部分中一個預(yù)定的低頻部分作為反饋信號輸出。
11.一種無線電接收機(jī)，包括一個基帶電路(101，102，103)，用于把一個無線電信號轉(zhuǎn)換成一個基帶信號；以及根據(jù)權(quán)利要求1，8或9所述的可變增益放大器(104)，該放大器放大該基帶信號。
全文摘要
一種可變增益放大器設(shè)備，包括一個可變增益放大器電路(11)，該電路放大輸入信號和反饋信號之間的差異并輸出一個輸出信號，一個反饋電路(12)，該電路提供反饋信號給可變增益放大器電路，以及一個控制器(13)，該控制器控制可變增益放大器電路和反饋電路，隨著可變增益放大器電路的增益增加而降低反饋電路的截止頻率，反之亦然。
文檔編號H03G9/16GK1411142SQ0213058
公開日2003年4月16日 申請日期2002年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月27日
發(fā)明者上野隆, 新井正, 板倉哲朗 申請人:株式會社東芝