CN101223689A - 可变增益放大器以及使用其的交流电源装置 - Google Patents

可变增益放大器以及使用其的交流电源装置 Download PDF

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Abstract

可变增益放大器具备与电源连接的第1和第2电源端子、跨导放大器、第1和第2PN结元件、电压降元件、第1和第2电阻、电流发生晶体管和电流镜。跨导放大器输出与第1初级晶体管基极和第2初级晶体管基极之间的电位差相应的电流。第1和第2初级晶体管的发射极通过连接点相互连接。第1和第2PN结元件分别具有与第1初级晶体管基极连接的第1端和第2端。第1PN结元件的第2端与第2PN结元件的第2端连接。电压降元件连接于第1PN结元件的第2端和第1电源端子之间。第1电阻连接于第2初级晶体管基极与作为电压源的第1输入信号源之间。电流发生晶体管具有与第1初级晶体管基极连接的集电极和与第1输入信号源连接的基极。第2电阻连接于电流发生晶体管的发射极和第2电源端子之间。电流镜与连接点连接，且使与从作为电流源的第2输入信号源流出的电流相同的电流通过该连接点。该可变增益放大器不会产生非线性失真，且能够制成小尺寸。

Description

可变增益放大器以及使用其的交流电源装置
技术领域
本发明涉及可变增益放大器以及使用其的交流电源装置。
背景技术
特开2001-308662号公报的图1所公开的现有可变增益放大器中，初级晶体管Q1、Q2的基极、发射极间电压与集电极电流之比的特性为指数函数，因此得到的输出电压V0具有非线性失真。
为了减少该失真，在初级晶体管Q1、Q2各自的发射极串联插入电阻，虽然减少了非线性失真，但是不能完全去除。
不产生非线性失真的可变增益放大器理论上由乘法电路构成。图7是乘法电路5001的电路图。集成电路(IC)1由跨导放大器2和一对PN结元件4构成，具有七个端子，即电源端子1A(+Vcc)、电源端子1B(-Vcc)、输入端子1C(INV)、输入端子1D(NI)、输入端子1E(BIAS)、输入端子1F(DB)和输出端子1G(OUT)。
输入端子1F被输入恒流源101(ID)。将恒流源101的1/2的电流的恒流源103(1/2ID)与信号输入电流源(IX)相加并输入到输入端子1C。从输出端子1G输出电流Iout。
放大器2由四个电流镜5A～5D和两个初级晶体管Q1、Q2构成。一对PN结元件4由两个二极管D1、D2构成。
对乘法电路5001的工作进行说明。
由电子电荷q和玻尔兹曼常数K和绝对温度T定义以下的量。
VT＝K·T/q
晶体管基极发射极间电压VBE按以下方式用发射极电流IE、饱和电流ISAT、集电极电流IC表示。这里，基极电流IB远小于集电极电流，因此IEIC成立。
VBE＝VT·ln(IE/ISAT)＝VT·ln(IC/ISAT)
二极管的正方向电压VD用二极管的正方向电流ID按以下方式表示。
VD＝VT·ln(ID/ISAT)
图7的点A、B间应用基尔霍夫定律得出以下方程式。
VT·ln(ID1/ISAT)+VT·ln(I1/ISAT)＝VT·ln(ID2/ISAT)+VT·ln(I2/ISAT)…(式1)
(ID1/ISAT)·(I1/ISAT)＝(ID2/ISAT)·(I2/ISAT)
ID1·I1＝ID2·I2…(式2)
ID1＝(1/2)·ID+IX…(式3)
ID2＝(1/2)·ID-IX…(式4)
I1＝(1/2)·Iy+Iout…(式5)
I2＝(1/2)·Iy-Iout…(式6)
将式3～式6代入式2得出以下方程式。
Ix·Iy＝ID·Iout
Iout＝Ix·Iy/ID…(式7)
根据式7，当ID一定时，从输出端子1G得到输入电流Ix、Iy的积，作为电流Iout。此外，当输入电流Iy一定时，得到输入电流Ix除以输入电流ID的商，作为输出电流Iout。式7中没有指数函数项，仅包含一次函数项，因此乘法电路5001中理论上不产生非线性失真。因此，通过将输入电流Ix作为信号输入，将输入电流Iy作为控制输入，得到理论上不产生非线性失真的可变增益放大器。
乘法电路5001需要用于向IC1输入来自恒流源101的电流的输入端子1F，因此，IC1至少需要七个端子。IC一般具有偶数个端子，因此，IC1必须具备具有八个端子的封装。
近年，由于对电子设备的轻型化、小型化的需求，IC的封装是八管脚还是六管脚是非常重要的。在容纳乘法电路5001的IC1中，用于连接端子的焊盘的面积相对于实现电路5001的芯片面积的占有率较大，由此，对与端子数量对应的焊盘占有的芯片的面积产生很大影响，并且对成品率、成本也有很大影响。
发明内容
可变增益放大器具备与电源连接的第1和第2电源端子、跨导放大器、第1和第2PN结元件、电压降元件、第1和第2电阻、电流发生晶体管和电流镜。跨导放大器输出与第1初级晶体管基极和第2初级晶体管基极之间的电位差相应的电流。第1和第2初级晶体管的发射极通过连接点相互连接。第1PN结元件和第2PN结元件分别具有与第1初级晶体管基极连接的第1端和第2端。第1PN结元件的第2端与第2PN结元件的第2端连接。电压降元件连接于第1PN结元件的笫2端和第1电源端子之间。第1电阻连接于第2初级晶体管基极和作为电压源的第1输入信号源之间。电流发生晶体管具有与第1初级晶体管基极连接的集电极和与第1输入信号源连接的基极。第2电阻连接于电流发生晶体管的发射极和第2电源端子之间。电流镜与连接点连接，且使与从作为电流源的第2输入信号源流出的电流相同的电流通过该连接点。
该可变增益放大器不会产生非线性失真，且能够制成小尺寸。
附图说明
图1是本发明实施方式的可变增益放大器的电路图。
图2是实施方式的可变增益放大器的集成电路的电路图。
图3是实施方式的可变增益放大器的其他集成电路的电路图。
图4A是实施方式的其他可变增益放大器的电路图。
图4B是实施方式的另一可变增益放大器的电路图。
图5是实施方式的交流电源装置的电路图。
图6是实施方式的其他交流电源装置的电路图。
图7是现有可变增益放大器的电路图。
附图标记说明
2    跨导放大器
3    电压降元件
4A   PN结元件(第1PN结元件)
4B   PN结元件(第2PN结元件)
5C   电流镜
10A  电源端子
10B  电源端子
10G  输出端子
501  输入信号源(第1输入信号源)
502  输入信号源(第2输入信号源)
FET1 场效应晶体管
Q1   初级晶体管(第1初级晶体管)
Q2   初级晶体管(第2初级晶体管)
R10  电阻(笫2电阻)
R11  电阻(第1电阻)
Tr1  电流发生晶体管
具体实施方式
图1是本发明实施方式的由乘法电路组成的可变增益放大器1001的电路图。图1中，对于与图7所示现有乘法电路5001相同的结构，标记同一符号，因此省略其说明。图1所示可变增益放大器1001与图7所示现有乘法电路5001不同，其不需要输入端子1F。
图1中，集成电路(IC)10由跨导放大器2、电压降元件3和一对PN结元件4A、4B组成，具有六个端子，即电源端子10A(Vcc)、输入端子10C(INV)、输入端子10D(NI)、输入端子10E(BIAS)、输出端子10G(OUT)和作为接地的电源端子10B(GND)。电源Vcc的一端Vcc1与电源端子10A连接，另一端Vcc2与电源端子10B连接。
PN结元件4A、4B分别由二极管D1、D2组成。电压降元件3的一端3A与电源端子10A(Vcc)连接，另一端3B的电压为从电源端子10A的电压仅下降电压V3后的电压。二极管D1、D2的阳极与电压降元件3的一端3B连接。二极管D1的阴极与输入端子10C(INV)连接。输入端子10C连接有电流发生晶体管Tr1的集电极，电流发生晶体管Tr1的发射极与电阻R10的一端R10A连接。电阻R10的一端R10B与电源Vcc(电源端子10B)连接。向电流发生晶体管Tr1的基极施加输入信号源501的电压Vs。另外，利用DC偏置电压Vb偏置输入信号源501。输入端子10D(NI)通过电阻R11与输入信号源501连接。
二极管D1与电流发生晶体管Tr1的集电极的连接点的电位，和电阻R11与二极管D2的连接点的电位作为跨导放大器2的差分输入被施加。
构成跨导放大器2的初级差分放大器的初级晶体管Q1、Q2的共用发射极的电流，通过电流镜5C被作为电流源的输入信号源502的电流Ic所控制。
跨导放大器2具有初级晶体管Q1、Q2。初级晶体管Q1的发射极在连接点2P与初级晶体管Q2的发射极连接。从输出端子10G输出与初级晶体管Q1的基极和初级晶体管Q2的基极之间的电位差相应的电流Iout。作为PN结元件4A的二极管D1具有一端(阳极)和与初级晶体管Q1的基极连接的另一端(阴极)。作为PN结元件4B的二极管D2具有一端(阳极)和与初级晶体管Q2的基极连接的另一端(阴极)。二极管D1、D2的阴极相互连接。电压降元件3连接于二极管D1、D2的阴极和电源端子10A之间。电阻R11连接于初级晶体管Q2的基极与作为电压源的输入信号源501之间。电流发生晶体管Tr1的集电极与初级晶体管Q1的基极连接。电流发生晶体管Tr1的基极与输入信号源501连接。电阻R10连接于电流发生晶体管Tr1的发射极与电源端子10B之间。电流镜5C与连接点2P连接，且使与从作为电流源的输入信号源501流出的电流Ic相同的电流通过连接点2P。即，电流镜5C使流经初级晶体管Q1、Q2的发射极的电流之和等于电流Ic。
实施方式的可变增益放大器1001中，一边使分别流经二极管D1、D2的电流ID1与ID2之和(电流ID)保持一定，一边向ID1施加输入信号，向BIAS端子施加电流Ic。与图7所示现有乘法电路5001相同，根据式1～式7，ID一定时，从输出端子10G得到作为电流Iout的输入电流Is、Ic的积，获得乘法功能。
对一边使电流ID1、ID2之和(电流ID)保持一定，一边施加输入信号作为电流ID1的方法进行说明。电阻R10、R11的电阻值设为R，忽略电流发生晶体管Tr1的基极发射极间电压(0.7V)。
ID1＝(Vb+Vs)/R
ID2＝(Vcc-V3-(Vb+Vs))/R
ID1+ID2＝(Vcc-V3)/R
即，电流ID1、ID2之和(ID1+ID2)与输入信号源501的电压Vs无关，是一定的。
有必要调整偏移(offset)的情况下，调整电阻R12，使无信号时(Vs＝0)的电流ID1、ID2相互相等。由此，在对不考虑直流分量的交流信号进行放大的情况下，也可能不需要R12。
图1中，输入信号源501的电压Vs通过电流发生晶体管Tr1、电阻R10、R11，作为电流Is被输入到输入端子10C、10D。分别流经二极管D1、D2的电流ID1、ID2相互反相。
图1中，式7的项如下所示。
ID＝ID1+ID2
Ix＝Is
Iy＝Ic
由此，输出电流Iout由式7按如下方式表示。
Iout＝Is·Ic/(ID1+ID2)
(ID1+ID2)与电压Vs无关，为一定值，因此，图1所示可变增益放大器1001的放大率由输入到输入端子10E的电流Ic决定。该式仅包含一次函数项，因此可变增益放大器1001理论上不发生非线性失真。即，从输出端子10G输出的电流Iout与跨导放大器2的输入信号源501的电压Vs的比率随从输入信号源502流出的电流Ic而变化。
为了进行正确的乘法运算，二极管D1、D2以及初级晶体管Q1、Q2有必要为同一温度，且优选作为IC配置在同一硅衬底上。优选一对PN结元件4A、4B的二极管D1、D2具有相同特性，且具有相同接面温度，存在于IC内部为最佳。
如上所述，根据实施方式，IC10具有六个端子，因此作为IC能够与最小的小信号晶体管内置于同一封装内，对电子设备的轻薄短小化的需求非常有效。此外，由于端子数为六个，IC10的芯片面积与具有八个管脚的芯片相比变得非常小，在成品率、成本方面也非常有利。
图2是集成电路10的电路图，表示跨导放大器2以及电压降元件3。PN结元件4A、4B的二极管D1、D2由IC构成时，实际上是使用集电极与基极连接的、二极管连接的晶体管作为二极管D1、D2。
跨导放大器2由四个电流镜5A～5D和两个初级晶体管Q1、Q2构成。电流镜5A～5D分别由三个晶体管Q5、Q6、Q7构成。
电压降元件3的作用是赋予跨导放大器2的输入，即赋予初级晶体管Q1、Q2的基极适当的电位。电压降元件3由利用二极管的正向压降的两个晶体管Q8、Q9和作为连接于晶体管Q8、Q9之间的阻抗元件的电阻R3组成。电压降元件3也可以是齐纳二极管等使电压下降的元件。
图3是集成电路10的其他电路图。PN结元件4A、4B如图3所示，能够使用晶体管Q3、Q4的基极、发射极间的PN结来实现。
图4A是实施方式的可变增益放大器1001A的电路图。可变增益放大器1001A具备场效应晶体管FET1，以取代图1所示可变增益放大器1001中的电流发生晶体管Tr1。取代电流发生晶体管Tr1的集电极、基极、发射极，与场效应晶体管FET1的漏极、栅极、源极连接。
图4B是实施方式的可变增益放大器1001的其他IC110的电路图。IC110中，电压降元件3、PN结元件4A、4B、电流发生晶体管Tr1、电阻R10的排列与图1所示的IC10中的排列相反，其他部分相同。即，二极管D1的阳极与输入端子110C和初级晶体管Q1的基极连接，二极管D2的阳极与输入端子110D和晶体管Q2的基极连接。二极管D1、D2的阴极与电压降元件3的一端3A连接，电压降元件3的一端3B与作为接地的电源端子110B连接。IC110得到与图1所示IC10相同的效果。图4B中，偏移调整用电阻R12被省略。
图5是根据利用可变增益放大器1001的实施方式的交流恒压电源装置2001的电路图。波形发生器11产生要得到的交流电压的波形作为输出。产生正弦波的交流电压时，波形发生器11产生正弦波电压。波形发生器11输出的正弦波电压被施加到电流发生晶体管Tr1、电阻R11上，通过IC10的输出端子10G得到正弦波电流Iout。电阻R17将IC10输出的正弦波电流Iout转换成正弦波电压。该正弦波电压被输入到功率放大器12。
功率放大器12将输入的正弦波电压放大，施加到变压器13的一次线圈N1上，并驱动变压器13。从变压器13的二次线圈N2通过输出端子13A、13B输出正弦波交流电压。
变压器的三次线圈N3产生与输出的交流电压成比例的交流电压，该交流电压被由二极管D10、D11、D12、D13和电阻R19构成的整流电路转换成脉动电流。电阻R19是用于获得适合的脉动电流的仿真负载电阻。该脉动电流通过由电阻R14和电容器C10构成的低通滤波器被平滑，得到与从输出端子13A、13B输出的交流电压成比例的直流电压。即，该整流电路和低通滤波器构成输出电压检测电路14，其检测从输出端子13A、13B输出的交流电压，产生作为检测信号的直流电压。
比较器OP1将得到的直流电压与标准电压Vref进行比较，输出与从标准电压Vref减去该直流电压所得差对应的电压。输出的电压通过电阻R13作为电流Ic输入到IC10的输入端子10E。直流电压变低，与标准电压Vref的差变大后，比较器OP1输出的电压变大，可变增益放大器1001使从输出端子13A、13B输出的交流电压变大。通过该种负反馈被输出的交流电压可以被稳定为一定。改变输出电压时，改变标准电压Vref或对输出电压检测电路14输出的电压进行分压而改变。电阻R15、R16与电容器C11构成用于稳定负反馈的相位补偿电路。输出电压检测电路14和比较器OP1、标准电压Vref、电阻R13、R15、R16、电容器C11形成反馈电路，其将输出的交流电压的振幅作为电流Ic进行反馈。
图6是实施方式的交流恒流电源装置3001的电路图。图6中，与图5所示交流恒压电源装置2001相同的部分标有相同的编号，故省略其说明。电阻R18产生与流经输出端子13A、13B的交流电流成比例的交流电压。产生的交流电压通过由二极管D15、D14组成的整流电路和由电容器C10与电阻R14组成的低通滤波器转换成直流电压。即，该整流电路与低通滤波器构成检测流经输出端子13A、13B的交流电流，并输出与该电流成比例的直流电压的输出电流检测电路15。与图5所示恒压电源装置2001相同，比较器OP1输出与从标准电压Vref减去该直流电压得到的差对应的电压，IC10根据比较器OP1输出的电压，通过功率放大器12驱动变压器13，从而使输出电流检测电路15输出的直流电压与标准电压Vref相同。由此能够使流经输出端子13A、13B的电流稳定成恒流。电阻R19是用于使从整流电路输出的脉动电流达到适当的电平的仿真(dummy)负载电阻。输出电流检测电路15、比较器OP1、标准电压Vref和电阻R19形成将输出的交流电压的振幅作为电流Ic反馈的反馈电路。
根据实施方式的可变增益放大器1001，得到结构简单、恒压或者恒流且可改变该电压、电流的交流电源装置2001、3001。
工业利用可能性
该可变增益放大器不会产生非线性失真，且能够小型化，因此适用于电流可变的交流电源装置等，也可以应用于不间断电源装置、复印机、打印机等电子照相处理用电源等所有的电源装置和电力装置。

Claims (5)

1.一种可变增益放大器，具备：
第1电源端子，与电源的第1端连接；
第2电源端子，与所述电源的第2端连接；
跨导放大器，其包括：第1初级晶体管，其具有发射极、基极和集电极；第2初级晶体管，具有通过连接点与所述第1初级晶体管的所述发射极连接的发射极、基极和集电极；输出端子，输出与所述第1初级晶体管的所述基极和所述第2初级晶体管的所述基极之间的电位差对应的电流；
第1PN结元件，具有与所述第1初级晶体管的所述基极连接的第1端、和第2端；
第2PN结元件，具有与所述笫2初级晶体管的所述基极连接的第1端和与所述第1PN结元件的所述第2端连接的第2端；
电压降元件，连接于所述第1PN结元件的所述第2端和所述第1电源端子之间；
第1电阻，连接于所述第2初级晶体管的所述基极和作为电压源的第1输入信号源之间；
电流发生晶体管，具有与所述第1初级晶体管的所述基极连接的集电极、与所述第1输入信号源连接的基极、以及发射极；
第2电阻，连接于所述电流发生晶体管的所述发射极和所述第2电源端子之间；以及，
电流镜，与所述连接点连接，且使与从作为电流源的第2输入信号源流出的电流相同的电流通过该连接点。
2.根据权利要求1所述的可变增益放大器，
所述输出端子输出的所述电流相对于所述跨导放大器的所述第1输入信号源的电压的增益，可根据从所述第2输入信号源流出的所述电流而变化。
3.根据权利要求1所述的可变增益放大器，还具有集成电路，
所述集成电路具有，
第1输入端子，与所述第1初级晶体管的所述基极连接；
第2输入端子，与所述第2初级晶体管的所述基极连接；
第3输入端子，作为连接所述电流镜和所述第2输入信号源的连接点；
所述第1电源端子；
所述第2电源端子；
所述跨导放大器的所述输出端子；
所述集成电路集成并容纳所述第1PN结元件、所述第2PN结元件、所述跨导放大器和所述电流镜的集成电路。
4.根据权利要求1所述的可变增益放大器，
具备场效应晶体管，以取代所述电流发生晶体管，并分别连接所述场效应晶体管的漏极、栅极和源极，以取代连接所述电流发生晶体管的所述集电极、所述基极和所述发射极。
5.一种交流电源装置，具备：
根据权利要求1～3中的任一项所述的可变增益放大器；
作为所述第1输入信号源的波形发生器；
将从所述跨导放大器的所述输出端子输出的所述电流放大并输出交流功率的功率放大器；
将所述输出的交流功率的振幅作为所述第2信号输入而反馈的反馈电路。
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