CN100428628C - 可变增益控制电路和具有该电路的集成电路器件 - Google Patents
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Abstract
提供了一种可变增益控制电路，其包括：双极晶体管，用于放大加到基极的输入信号，并经集电极输出一输出信号；串行交换单元，其被连接在双极晶体管的发射极和第一电压节点之间；并行交换单元，其被连接在双极晶体管的集电极和第一电压节点之间，并且，其中在激活串行交换单元且停用并行交换单元的高增益模式下，可变增益控制电路的增益提高；在停用串行交换单元且激活并行交换单元的低增益模式下，可变增益控制电路的增益下降。
Description
技术领域
本发明涉及一种可变增益控制电路，并且特别涉及一种嵌入到集成电路器件中的可变增益控制电路。
背景技术
可变增益控制电路用于控制依赖于距离或其它通信环境的传输输出增益的量，特别是当传送信号和在移动通信终端和基站之间发射或接收波时。输出增益的控制可以提高功率效率和防止不必要的电流泄漏到相邻信道中。
图1是传统可变增益控制电路的电路图。参照图1，传统可变增益控制电路包括输入匹配电路111，模拟控制电路121，输出匹配单元131，双极晶体管141-143和电感器151。
类似于差分放大器，根据加到双极晶体管141、142基极的电压差值，电流入双极晶体管143。通过控制经模拟控制电路121加到双极晶体管141、142的基极的控制电压Vc的大小，来控制流到双极晶体管143的电流量。当高频信号S1经输入匹配电路111输入到双极晶体管143时，可变增益控制电路101放大该信号，并且产生一输出信号并经输出匹配单元131在S2输出该输出信号。输入匹配单元111阻抗匹配输入信号S1，且输出匹配单元131阻抗匹配连接到S2的电路。
在可变增益控制电路101中，要求附加模拟控制电路121能进行更精确的线性控制。因此，装备有可变增益控制电路101的集成电路器件需要更大的空间，具有更高的电流功耗和寄生效应。
因此，存在对可变增益的变化范围大且没有模拟控制电路的可变增益控制电路的需求。
发明内容
提供了一种可变增益控制电路，其包括：双极晶体管，用于放大加到基极的输入信号，并经集电极输出一输出信号；串行交换单元，其被连接在双极晶体管的发射极和第一电压节点之间；和并行交换单元，其被连接在双极晶体管的集电极和第一电压节点之间，并且，其中在激活串行交换单元且停用并行交换单元的高增益模式下，可变增益控制电路的增益提高；在停用串行交换单元且激活并行交换单元的低增益模式下，可变增益控制电路的增益下降。最好经并行交换单元将双极晶体管的部分输出信号引入到该双极晶体管中。
根据本发明的一个实施例的可变增益控制电路还包括输入匹配单元，其被连接到双极晶体管的基极上，且使输入信号与双极晶体管阻抗匹配；和输出匹配单元，其被连接到双极晶体管的集电极上，且使输出信号与连接到可变增益控制电路的外部器件阻抗匹配。
串行交换单元包括一个电路，其在被激活时，具有降低的等效电阻，在被停用时，具有提高的等效电阻。
串行交换单元最好连接在双极晶体管的发射极和地之间，并且响应于第一控制电压而开始工作，该第一控制电压在高增益模式下是高电平且在低增益模式下是低电平，且并行交换单元连接在双极晶体管的基极和集电极之间，并且响应于第二控制电压而开始工作，该第二控制电压在高增益模式下是低电平且在低增益模式下是高电平。
也提供了具有可变增益控制电路的集成电路器件，其包括：输入衬底(pad)，用于接收外部输入信号；第一控制衬底，用于接收第一控制电压；第二控制衬底，用于接收第二控制电压；输出衬底，用于输出可变增益控制电路的输出信号；双极晶体管，用于接收和放大输入信号，并经集电极输出输出信号；反馈电路，用于有选择地将一部分输出信号耦合到双极晶体管的基极上，以便改变放大增益。反馈电路包括第一电容器，其用于将输出信号的高频部分耦合到双极晶体管的输入端上。
集成电路器件还包括第二电容器，其被连接到电场效应晶体管的栅极并消除在电场效应晶体管的栅极出现的高频噪声。
串行交换电路包括第一电场效应晶体管，其用于接收经栅极从输入衬底输入的信号，其漏极被连接到双极晶体管的发射极且源极接地；和第一电感器，其被连接到第一电场效应晶体管的漏极和源极之间。
根据优选实施例的集成电路器件还包括输入匹配单元，其包括连接在输入衬底和地之间的电感器、连接在电感器和双极晶体管的基极之间的电容器、和连接在双极晶体管的集电极和输出衬底之间的输出匹配单元，并使经输出衬底输出的信号与连接到输出衬底的外部器件相匹配。
附图说明
当参照附图来阅读优选实施例的详细目的时，本发明的实施例将会变得更加清晰，其中：
图1是传统可变增益控制电路的电路图；
图2是根据本发明的一个实施例的可变增益控制电路的电路图；
图3是示出了图2中说明的可变增益控制电路的特性曲线的图；和
图4是具有根据本发明的可变增益控制电路的集成电路器件的电路图。
具体实施方式
现在将参照附图更详细地说明本发明的优选实施例。不同图中的相同参考标号表示相同的部件。
图2是根据本发明的一个优选实施例的可变增益控制电路的电路图。参照图2，可变增益控制电路201包括双极晶体管211、串行交换单元221、并行交换单元231、输入匹配单元241、输出匹配单元251和偏压单元261。
双极晶体管211放大加到基极的外部输入信号S1，并在其集电极输出一输出信号S2。输入信号S1和输出信号S2是高频信号。双极晶体管211是NPN型晶体管。
串行交换单元221被连接在双极晶体管211的发射极和地GND之间。串行交换单元221包括第一电场效应晶体管NM1和第一电感器L1。最好将第一电场效应晶体管配置成具有N沟道增强型MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。第一电感器L1最好是嵌入到集成电路器件(图4中的401)中的螺旋形电感器。第一电感器的感抗小于大约15nH。这是由其体积和寄生元件造成的。
将第一控制电压Vc加到第一电场效应晶体管NM1的栅极。第一控制电压Vc在高增益模式下是高电平，例如，大于2伏，且在低增益模式下是低电平，例如，小于大约1.0伏。因此，第一电场效应晶体管NM1在高增益模式下被激活并具有几欧姆的低等效电阻。在低增益模式下，当NM1被停用时，它具有几千欧姆(kΩ)的高等效电阻。
由于在高增益模式下第一电场效应晶体管NM1有低等效电阻，所以串行交换单元221也有低等效电阻。在低增益模式下，第一电场效应晶体管NM1有高等效电阻(几kΩ)，且第一电感器L1有几十欧姆的等效电阻。串行交换单元221有几十欧姆的等效电阻。因此，与高增益模式相比，在低增益模式下串行交换单元221的等效电阻更高。
并行交换电路231被连接在双极晶体管211的集电极和基极之间。并行交换单元231由第二和第三电场效应晶体管NM2、NM3、电阻R1和第一至第三电容器C1～C3。
第一电容器C1被连接在双极晶体管211的集电极和第二电场效应晶体管NM2的基极之间，并在其间起耦合高频信号的作用。第二控制电压Vcn被加到第二和第三电场效应晶体管NM2和NM3上。第二和第三电容器C2和C3起过滤输入到第二和第三电场效应晶体管NM2和NM3中的高频噪声的作用。最好将第二和第三电场效应晶体管NM2和NM3中的每一个都配置成具有N-沟道增强型MOSFET。
第二控制电压Vcn被加到第二和第三电场效应晶体管NM2和NM3的栅极。第二控制电压Vcn在高增益模式下具有诸如低于1伏的低电平，且在低增益模式下具有诸如高于2伏的高电平。第二控制电压Vcn是第一控制电压Vcn的反相电压。由于在高增益模式下第二和第三电场效应晶体管NM2和NM3被停用，所以对双极晶体管211来说，并行交换单元231开路。在低增益模式期间，第二和第三电场效应晶体管NM2和NM3被激活，且在高频工作期间双极晶体管211的一部分输出信号经并行交换单元231出现在双极晶体管211的基极。因此，并行交换单元231的电路有选择地反馈已放大信号，并且在低增益模式下，可变增益控制电路的增益下降。
在高增益模式下，Vcn低且NM3被关闭。因此，如果并行交换单元231仅由第二电场效应晶体管NM2(没有NM3)组成，那么对双极晶体管211来说，并行交换单元231不是完全断路。根据本发明的一个实施例，包括第二和第三电场效应晶体管NM2和NM3的并行交换电路231在高增益模式下，对双极晶体管211来说完全开路。
输入匹配单元241被连接到双极晶体管211的基极。输入匹配单元241由第二电感器L2和第四电容器C4组成。在低频状态下，第二电感器L2和第四电容器C4被加到双极晶体管211的基极，以便使偏压稳定，并且在高频时，使输入信号S1与双极晶体管211阻抗匹配。
输出匹配单元251被连接到双极晶体管211的集电极。输出匹配单元251使从双极晶体管211输出的输出信号S2与连接到双极晶体管的集电极的外部器件相匹配。
偏压单元261被连接到双极晶体管211的基极以给双极晶体管211提供偏压。偏压单元261最好由双极晶体管211和电流反射镜组成，并给双极晶体管211的基极提供电流。
现在将描述可变增益控制电路201的操作。
首先，在高增益模式下，第一控制电压Vc处于高电平且第二控制电压Vcn处于低电平。串行交换单元221被激活并具有很小的等效电阻，并且并行交换单元231停用且起断开的作用。因此，双极晶体管211的幅度增大且可变增益控制电路201的增益提高。
在低增益模式下，第一控制电压Vc是低电平且第二控制电压Vcn是高电平。串行交换单元221停用，并且与高增益模式下的等效电阻相比，串行交换单元221的等效电阻增大了。因此，双极晶体管211的幅度低于高增益模式下的幅度。然而，并行交换单元231被激活且输出信号S2的一些被引入到双极晶体管211的基极，因此可变增益控制电路201的增益变低了。
如图2所示，可变增益控制电路201在没有用于线性控制的模拟控制电路的情况下工作，但是，可变增益仍在高增益模式下增大，而在低增益模式下减小。
图3是示出了图2所示的可变增益控制电路201的可变增益特性曲线的图。图3中示出的可变增益特性曲线311是在蜂窝电话的工作频率900MHz时测量的。参照图3，相对于控制电压Vc在0.7和2.7V之间变化，可变增益控制电路201的可变增益在-16.9和13.1dB之间变化。换言之，可变增益控制电路201具有13.6dB/V的变化特性。传统可变增益控制电路的可变增益通常在6.8和9.5dB/V之间变化。因此，根据本发明的优选实施例的可变增益控制电路201的可变增益与现有技术的可变增益相比提高了50-100％。
图4是具有本发明的可变增益控制电路的集成电路器件的电路图。参照图4，集成电路器件401由输入衬底(pad)或假线461、输出衬底462、第一和第二控制衬底463和464、双极晶体管411、串行交换单元421、并行交换单元431、输出匹配单元451和偏压单元471组成。
串行交换单元421由第一电场效应晶体管NM1和第一电感器L1组成。并行交换单元431由第一至第三电容器C1～C3、电阻R1和第二和第三电场效应晶体管NM2和NM3组成。输入匹配电路441由第二电感器L2和第四电容器C4组成。外部信号S1经输入衬底461被输入到输入匹配单元441中。
第一控制电压Vc从外部经第一控制衬底463被输入到第一电场效应晶体管NM1的基极。第二控制电压Vcn从外部经第二控制衬底464被输入到第二和第三电场效应晶体管NM2和NM3的基极。经输出衬底462输出集成电路器件401的输出信号S2。双极晶体管411在其基极接收从输入匹配单元441输出的信号。该信号被放大并经集电极被发送到输出匹配电路451。
第一电场效应晶体管NM1在其栅极接收从第一控制衬底463输入的第一控制电压Vc。漏极被连接到双极晶体管411的发射极且源极被连接到地GND。第一电感器L1被连接到第一电场效应晶体管NM1的漏极与源极之间。电阻R1被连接到第二电场效应晶体管NM2的栅极和第二控制衬底464之间。第二电容器C2被连接到双极晶体管411的集电极和第二电场效应晶体管NM2的栅极之间。
第三电场效应晶体管NM3的栅极和漏极被连接到第二电场效应晶体管NM2的漏极和源极。第三电场效应晶体管NM2的栅极被连接到第二控制衬底464。
偏压单元471给双极晶体管411的基极提供偏压。第四电容器C4被连接到双极晶体管411的基极和输入衬底461之间。第二电感器L2被连接到输入衬底461和地GND之间。
双极晶体管411、串行交换单元421、并行交换单元431、输入匹配单元441、输出匹配单元451和偏压电路471与图2中所示的这些部件在结构、功能和作用上均相同，故不再赘述。
如上所述，根据本发明的实施例，可变增益控制电路201具有提高的可变增益特性且可适用于不同的领域。此外，由于嵌入到集成电路器件401中的可变增益控制电路不使用附加模拟控制电路，集成电路器件401的尺寸减小了。因此，降低了集成电路器件401的制造成本。
虽然参照本发明的优选实施例详细地示出和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解：在不背离由所附权利要求所限定的本发明的精神和保护范围的情况下，可在形式和细节上对本发明作各种修改。
Claims (14)
1.一种可变增益控制电路，包括：
双极晶体管，用于放大加到基极的输入信号，并经集电极输出一输出信号；
串行交换单元，其被连接在所述双极晶体管的发射极和第一电压节点之间；
并行交换单元，包括连接到所述双极晶体管的集电极的电容器，栅极连接到该电容器并且漏极接收控制电压的第一电场效应晶体管，和漏极连接到所述第一电场效应晶体管的源极、栅极接收控制电压并且源极连接到所述双极晶体管的基极的第二电场效应晶体管，
其中在激活串行交换单元且停用并行交换单元的高增益模式下，可变增益控制电路的增益提高，且在停用串行交换单元且激活并行交换单元的低增益模式下，可变增益控制电路的增益降低。
2.如权利要求1所述的可变增益控制电路，还包括输入匹配单元，其被连接到双极晶体管的基极上，且使输入信号与双极晶体管阻抗匹配。
3.如权利要求1所述的可变增益控制电路，还包括输出匹配单元，其被连接到双极晶体管的集电极上，且使输出信号与连接到可变增益控制电路的外部器件阻抗匹配。
4.如权利要求1所述的可变增益控制电路，其中串行交换单元包括一个电路，当该电路被激活时，其具有降低的等效电阻，且当该电路被停用时，其具有提高的等效电阻。
5.如权利要求1所述的可变增益控制电路，其中双极晶体管的输出信号的一部分经并行交换单元被引入到双极晶体管中。
6.如权利要求1所述的可变增益控制电路，其中串行交换单元被连接在双极晶体管的发射极和地之间，并且响应于第一控制电压而开始工作，该第一控制电压在高增益模式下是高电平且在低增益模式下是低电平，且并行交换单元连接在双极晶体管的基极和集电极之间，并且响应于第二控制电压而开始工作，该第二控制电压在高增益模式下是低电平且在低增益模式下是高电平。
7.如权利要求6所述的可变增益控制电路，其中并行交换单元包括将从双极晶体管的集电极输出的信号的一部分耦合到双极晶体管的基极的电路。
8.一种具有可变增益控制电路的集成电路器件，包括：
输入衬底，用于接收外部输入信号；
第一控制衬底，用于接收第一控制电压；
第二控制衬底，用于接收第二控制电压；
输出衬底，用于输出该可变增益控制电路的输出信号；
双极晶体管，用于接收和放大从所述输入衬底输入的输入信号，并经集电极输出该信号到所述输出衬底；
串行交换单元，连接在所述双极晶体管的发射极与地之间，并受来自所述第一控制衬底的第一控制电压控制；
并行交换单元，连接在所述双极晶体管的集电极与所述双极晶体管的基极之间，并受来自所述第二控制衬底的第二控制电压控制；
其中在激活串行交换单元且停用并行交换单元的高增益模式下，可变增益控制电路的增益提高，且在停用串行交换单元且激活并行交换单元的低增益模式下，可变增益控制电路的增益降低。
9.如权利要求8所述的集成电路器件，其中所述并行交换单元包括第一电容器，其用于耦合输出信号的高频部分。
10.如权利要求9所述的集成电路器件，还包括第二电容器，其包括在所述并行交换单元中，用于消除高频噪声。
11.如权利要求8所述的集成电路器件，还包括：
第一电场效应晶体管，其用于接收经栅极从第一控制衬底输入的所述第一控制电压，其漏极被连接到双极晶体管的发射极且源极接地；和
第一电感器，其被连接到第一电场效应晶体管的漏极和源极之间。
12.如权利要求8所述的集成电路器件，还包括输入匹配单元，其包括：
连接在输入衬底和地之间的电感器；和
连接在电感器和双极晶体管的基极之间的电容器。
13.如权利要求12所述的集成电路器件，还包括：
连接在双极晶体管的集电极和输出衬底之间的输出匹配单元，并使经输出衬底输出的信号与连接到输出衬底的外部器件相匹配。
14.如权利要求11所述的集成电路器件，其中所述串行交换单元包括一个电路，当该电路被激活时，其具有降低的等效电阻，且当该电路被停用时，其具有提高的等效电阻。
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