CN101242162A - 可变增益放大电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可变增益放大电路，包括两个具有共同的电压电流转换器的增益级。每一增益级包括两个双极结晶体管、两个压控电流源、可变电阻器、以及共享的电压电流转换器。两个双极结晶体管构成差分放大器，用于放大一对差分信号。可变电阻器连接于两个双极结晶体管的发射极之间。可变电阻器的可变电阻被控制电压所控制。两个压控电流源分别连接于相应的双极结晶体管的发射极与地之间。分别流过压控电流源的电流彼此相等。压控电流源的电流根据控制电压被共享的电压电流转换器控制。对于控制电压的相同变化，可变增益放大电路的每一增益级可提供较宽的增益范围，因此用较少的增益级即可提供较宽的总增益范围。

Description

可变增益放大电路
技术领域
本发明是关于一种可变增益放大电路，特别是关于一种具有宽增益范围以及可快速调整的可变增益放大电路。
背景技术
自动增益控制(Automatic gain control，AGC)系统常用于各种电子产品中，例如通信产品、存储器存储产品、无线收发器等。自动增益控制系统包括可变增益放大器，用以放大所接收信号，所接收信号的振幅可在宽范围内变动，从而使可变增益放大器输出的放大信号能够具有大致固定的振幅。
图1是一种现有的可变增益放大电路10的电路图。可变增益放大电路10用于放大差分输入信号Vin+和Vin-。可变增益放大电路10包括多个增益级，例如第一增益级101以及第二增益级102。第一增益级101包括两个双极结晶体管(bipolar junction transistor，BJT)110、120，三个电阻器130、132、134以及两个压控电流源140、142。双极结晶体管110的基极用于接收输入信号Vin+，以及双极结晶体管120的基极用于接收输入信号Vin-。双极结晶体管110的集电极用于输出输出信号Vout1-，以及双极结晶体管120的集电极用于输出输出信号Vout1+。输出信号Vout1+和Vout1-被第一增益级101放大。电阻器130连接在双极结晶体管110与120的发射极之间。电阻器130的电阻用RE表示。电阻器132连接于电压源VDD与双极结晶体管110的集电极之间，以及电阻器134连接于电压源VDD与双极结晶体管120的集电极之间。电阻器132和134的电阻均以RL表示。压控电流源140连接于双极结晶体管110的发射极与地之间，以及压控电流源142连接于双极结晶体管120的发射极与地之间。流过压控电流源140和142的电流彼此相等并且用IE表示。每个压控电流源的电流IE都通过控制电压Vctrl加以控制。
如图1所示，可变增益放大电路10的每一增益级的增益AV都能由方程式(1)推导出：
A v = g m R L 1 + g m R E = R L V T I C + R E - - - ( 1 )
其中gm为双极结晶体管110或120的跨导，VT为双极结晶体管110或120的热电压，IC为双极结晶体管110或120的集电极电流。
根据方程式(1)，如果集电极电流IC由于控制电压Vctrl的减少而减少，每一增益级的增益AV将会减少。根据双极结晶体管的基本特性，发射极电流IE大致等于集电极电流IC。当每一增益级的增益非常低时，发射极电流IE也非常小。因此电压Vheadroom(也就是说：电阻器132两端之间的电压降，Vheadroom＝IE×RL)也非常小。当输入信号是大摆幅交流电信号时，输入信号将被可变增益放大电路10的增益级钳制。也就是说：由于可变增益放大电路10的电压Vheadroom非常小，大摆幅交流电信号的波峰将被切掉。因此，可变增益放大电路10需要更多的增益级以避免产生此现象。
图2为另一现有的可变增益放大电路20的电路图。可变增益放大电路20与前述可变增益放大电路10类似，包括多个增益级，例如第一增益级201以及第二增益级202。但是在每一增益级并没有使用电阻器130和两个压控电流源140、142，而是连接了场效应管(field-effect transistor，FET)200以及两个电流源240、242，其中场效应管200连接于两个双极结晶体管210、220的发射极之间并提供电阻RE，电流源240、242用来分别向对应的双极结晶体管提供稳定的发射极电流IE。控制电压Vctrl输入到场效应管200的栅极内，用以控制电阻RE。
如图2所示，可变增益放大电路20每一增益级的增益Av可以通过方程式(2)推导出：
A v = g m R L 1 + g m R E = R L 1 g m + R E - - - ( 2 )
其中gm表示双极结晶体管210或220的跨导。
根据方程式(2)，如果电阻RE由于控制电压Vctrl的降低而增加，每一增益级的增益Av将降低。在低增益AV期间，当控制电压Vctrl是低电压时，场效应管200将达到截止区或饱和区。这会导致每一增益级的增益范围非常有限。因此，可变增益放大电路20需要更多增益级以获得较宽的增益范围。
因此，需要提供一种每一增益级都具有较大增益范围的可变增益放大电路，从而使可变增益放大电路只需要较少的增益级就可获得较宽的增益范围。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供了一种可变增益放大电路。
本发明提供了一种可变增益放大电路，包括增益级以及电压电流转换器。增益级用以接收一对输入信号并且通过可变增益放大输入信号，增益级包括：第一晶体管以及第二晶体管，构成差分放大器，用于放大输入信号，接着输出一对放大的信号；第一电阻器，连接于第一晶体管和稳定电压源之间；第二电阻器，连接于第二晶体管和稳定电压源之间；第一压控电流源以及第二压控电流源，分别用以提供流过第一晶体管以及第二晶体管的可变电流；以及可变电阻器，用以在第一晶体管以及第二晶体管之间提供可变电阻，其中可变电阻被控制电压所控制。电压电流转换器，用以根据控制电压控制分别流过第一压控电流源以及第二压控电流源的可变电流。
本发明另提供了一种可变增益放大电路，包括：第一增益级、第二增益级、电压电流转换器。第一增益级，用以接收一对输入信号，并且通过第一可变增益输出一对第一放大信号，第一增益级包括：第一晶体管以及第二晶体管，构成第一差分放大器，用以放大输入信号，接着输出第一放大信号；第一电阻器，连接于第一晶体管和稳定电压源之间；第二电阻器，连接于第二晶体管和稳定电压源之间；第一压控电流源以及第二压控电流源，分别用以提供流过第一晶体管以及第二晶体管的可变电流；第一可变电阻器，用以在第一晶体管以及第二晶体管之间提供第一可变电阻，其中第一可变电阻被控制电压控制。第二增益级，用以接收第一放大信号，并且通过第二可变增益输出一对第二放大信号，第二增益级包括：第三晶体管以及第四晶体管，构成第二差分放大器，用以放大第一放大信号，接着输出第二放大信号；第三电阻器，连接于第三晶体管和稳定电压源之间；第四电阻器，连接于第四晶体管和稳定电压源之间；第三压控电流源以及第四压控电流源，分别用以提供通过第三晶体管以及第四晶体管的可变电流；以及第二可变电阻器，用以在第三晶体管以及第四晶体管之间提供第二可变电阻，其中第二可变电阻被控制电压所控制。电压电流转换器，用以根据控制电压控制分别流过第一压控电流源、第二压控电流源、第三压控电流源、以及第四压控电流源的可变电流。
本发明提供的可变增益放大电路，通过控制电压来同时控制可变电阻器的可变电阻以及压控电流源的电流，可以快速调节可变增益放大电路的增益；与现有的技术相比，对于控制电压的相同变化，可变增益放大电路的每一增益级可提供较宽的增益范围，因此用较少的增益级即可提供较宽的总增益范围。
附图说明
图1是一种现有的可变增益放大电路的电路图。
图2是另一种现有的可变增益放大电路的电路图。
图3是本发明一实施例自动增益放大电路的方框图。
图4是本发明一实施例的可变增益放大电路的电路图。
图5是共享的电压电流转换器的一实施例的电路图。
具体实施方式
图3是本发明一实施例自动增益控制系统30的方框图。自动增益控制系统30包括自动增益控制器(Automatic Gain Controller，AGC)310以及可变增益放大(Variable Gain Amplifying，VGA)电路40。自动增益控制器310产生控制电压Vctrl以控制可变增益放大电路40的增益。可变增益放大电路40接收一对差分对输入信号Vin+和Vin-，以放大对应于控制电压Vctrl的可变增益，接着可变增益放大电路40输出差分对放大信号Vout+和Vout-。
图4是本发明一实施例的可变增益放大电路40的电路图。本实施例的可变增益放大电路40包括第一增益级401，第二增益级402，以及第一增益级401与第二增益级402共享的电压电流转换器460。第一增益级401包括双极结晶体管420、422，电阻器430、432，压控电流源410、412以及具有可变电阻的可变电阻器440。双极结晶体管420的基极用于接收输入信号Vin+，以及双极结晶体管422的基极用于接收输入信号Vin-。双极结晶体管420的集电极用于输出放大的信号Vout1-，以及双极结晶体管422的集电极用于输出放大的信号Vout1+，其中放大的信号Vout1-和Vout1+是被第一增益级401放大。可变电阻器440连接在双极结晶体管420及422的发射极之间，其中可变电阻器440的可变电阻用RE表示。可变电阻器440的可变电阻RE被控制电压Vctrl所控制。电阻器430的一端连接于电压源VDD，电阻器430的另一端连接于双极结晶体管420的集电极。电阻器432的一端连接于电压源VDD，电阻器432的另一端连接于双极结晶体管422的集电极。电阻器430、432的电阻均用RL表示。电阻器430、432可以是由金属氧化物半导体场效应管(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)或其它电子元件(例如双极结晶体管)形成的主动负载，用以提供电阻RL。压控电流源410连接于双极结晶体管420的发射极与地之间，以及压控电流源412连接于双极结晶体管422的发射极与地之间。分别流过压控电流源410与412的电流彼此相等并且用IE表示。电流IE通过控制电压Vctrl被电压电流转换器460所控制。
第二增益级402与第一增益级401大致相同，为了简要，因此在此不再对第二增益级402进行描述。在第二增益级402中，放大的信号Vout1+和Vout1-分别被输入到相应的双极结晶体管(图中未标示)的基极。接着，第二增益级402的相应的双极结晶体管的集电极分别输出放大的信号Vout2+和Vout2-，放大的信号Vout2+和Vout2-被第二增益级402放大。可变增益放大电路40可以包括两个以上的增益级，以满足不同的需求。另外，第一增益级401的双极结晶体管420、422和第二增益级402的双极结晶体管也可以用其它晶体管替代，例如金属氧化物半导体场效应管。
可变电阻器440的可变电阻RE随着控制电压Vctrl的下降而上升，而压控电流源410和412的电流IE则随着控制电压Vctrl的下降而下降。如图4所示，可变增益放大电路40的每一增益级的增益Av可以由方程式(3)推导出：
A v = g m R L 1 + g m R L = R L V T I C + R E - - - ( 3 )
其中gm是双极结晶体管420或422的跨导，VT是双极结晶体管420或422的热电压，IC是双极结晶体管420或422的集电极电流。
根据方程式(3)，每一增益级的增益Av将随着集电极电流IC的减少而快速降低，以及可变电阻RE随着控制电压Vctrl的减少而增加。根据双极结晶体管的特性，发射极电流IE大致等于集电极电流IC。相反地，每一增益级的增益Av将随着集电极电流IC的增加而快速增加，以及可变电阻RE随着控制电压Vctrl的增加而减少。因为集电极电流IC及可变电阻RE可以被同时改变。与现有的技术相比，对于控制电压Vctrl相同的变化，可变增益放大电路40的每一增益级有较宽的增益范围。因此，可变增益放大电路40的较宽的增益范围可以用更少的增益级来完成。另外，在低增益期间，发射极电流IE可以被维持在一个较高的水平，以阻止信号由于极低的电压Vheadroom(即电阻430或432两端的电压降，IE×RL)而被钳制。
图5是电压电流转换器460的一实施例的电路图。晶体管500和530构成差分放大器。参考电压Vref是稳定电压源，控制电压Vctrl大于参考电压Vref。晶体管550和560构成第一电流镜像，晶体管570和590构成第二电流镜像。电流I1随着控制电压Vctrl的增加而增加，接着电流I2随着电流I1的增加而增加。最后，每一增益级的发射极电流IE随着电流I2的增加而增加。因此，每一增益级的发射极电流IE将根据控制电压Vctrl的改变而被改变。本实施例电压电流转换器460仅是一个例子。共享的电压电流转换器可以以任何适合的方式来达成。
相较于现有的技术，本发明提供的可变增益放大电路可以在每一增益级提供快速可调的增益以及较宽的增益范围。本发明的可变增益放大电路可以按照控制电压Vctrl的改变，同时改变发射极电流IE和电阻RE。因此，本发明的可变增益放大电路可以防止低增益期间信号被钳制，并且用较少的增益级即可提供较宽的总增益范围。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的范围内，可以做一些改动，因此本发明的保护范围应与权利要求所界定的范围为准。

Claims (13)

1.一种可变增益放大电路，其中包括：
增益级，用以接收一对输入信号并且通过可变增益放大该对输入信号，该增益级包括：
第一晶体管以及第二晶体管，构成差分放大器，用于放大该对输入信号，接着输出一对放大的信号；
第一电阻器，连接于该第一晶体管和稳定电压源之间；
第二电阻器，连接于该第二晶体管和该稳定电压源之间；
第一压控电流源以及第二压控电流源，分别用以提供流过该第一晶体管以及该第二晶体管的可变电流；以及
可变电阻器，用以在该第一晶体管以及该第二晶体管之间提供可变电阻，其中该可变电阻被控制电压所控制；以及
电压电流转换器，用以根据该控制电压控制分别流过该第一压控电流源以及该第二压控电流源的可变电流。
2.如权利要求1所述的可变增益放大电路，其特征在于，该第一晶体管以及该第二晶体管是双极结晶体管。
3.如权利要求2所述的可变增益放大电路，其特征在于，该第一晶体管以及该第二晶体管有各自的基极以及各自的集电极，该两个基极用以接收该对输入信号，该两个集电极用以输出该对放大的信号，该第一电阻器连接于该第一晶体管的集电极与该稳定电压源之间，该第二电阻器连接于该第二晶体管的集电极与该稳定电压源之间，该可变电阻器连接于该第一晶体管的发射极以及该第二晶体管的发射极之间，该第一压控电流源连接于该第一晶体管的集电极与地之间，以及该第二压控电流源连接于该第二晶体管的集电极与地之间。
4.如权利要求1所述的可变增益放大电路，其特征在于，该第一晶体管以及该第二晶体管是场效应管。
5.如权利要求1所述的可变增益放大电路，其特征在于，该第一电阻器以及该第二电阻器是场效应管，每一场效应管具有栅极，其中，该两个栅极接收控制电压以改变场效应管的电阻。
6.如权利要求1所述的可变增益放大电路，其特征在于，该第一压控电流源以及该第二压控电流源的可变电流随着该控制电压的减少而降低。
7.如权利要求1所述的可变增益放大电路，其特征在于，该可变电阻器的可变电阻随着该控制电压的减少而升高。
8.一种可变增益放大电路，其中包括：
第一增益级，用以接收一对输入信号，并且通过第一可变增益输出一对第一放大信号，该第一增益级包括：
第一晶体管以及第二晶体管，构成第一差分放大器，用以放大该对输入信号，接着输出该对第一放大信号；
第一电阻器，连接于该第一晶体管和稳定电压源之间；
第二电阻器，连接于该第二晶体管和该稳定电压源之间；
第一压控电流源以及第二压控电流源，分别用以提供流过第一晶体管以及该第二晶体管的可变电流；
第一可变电阻器，用以在该第一晶体管以及该第二晶体管之间提供第一可变电阻，其中该第一可变电阻被控制电压控制；
第二增益级，用以接收该对第一放大信号，并且通过第二可变增益输出一对第二放大信号，该第二增益级包括：
第三晶体管以及第四晶体管，构成第二差分放大器，用以放大该第一放大信号，接着输出该对第二放大信号；
第三电阻器，连接于该第三晶体管和该稳定电压源之间；
第四电阻器，连接于该第四晶体管和该稳定电压源之间；
第三压控电流源以及第四压控电流源，分别用以提供通过该第三晶体管以及该第四晶体管的可变电流；以及
第二可变电阻器，用以在该第三晶体管以及该第四晶体管之间提供第二可变电阻，其中该第二可变电阻被该控制电压所控制；以及
电压电流转换器，用以根据该控制电压控制分别流过该第一压控电流源、该第二压控电流源、该第三压控电流源、以及该第四压控电流源的可变电流。
9.如权利要求8所述的可变增益放大电路，其特征在于，该第一晶体管、该第二晶体管、该第三晶体管、以及该第四晶体管是双极结晶体管。
10.如权利要求8所述的可变增益放大电路，其特征在于，该第一晶体管、该第二晶体管、该第三晶体管、以及该第四晶体管是场效应管。
11.如权利要求8所述的可变增益放大电路，其特征在于，该第一电阻器、该第二电阻器、该第三电阻器、以及该第四电阻器是场效应管，每一场效应管有栅极，用以接收该控制电压以改变场效应管的电阻。
12.如权利要求8所述的可变增益放大电路，其特征在于，该第一压控电流源、该第二压控电流源、该第三压控电流源、以及该第四压控电流源的可变电流随着该控制电压的减少而降低。
13.如权利要求8所述的可变增益放大电路，其特征在于，该第一可变电阻器以及该第二可变电阻器的该第一可变电阻以及该第二可变电阻随着该控制电压的减少而升高。
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