CN101273535A - 具有线性db/v增益斜率的线性电压控制可变衰减器 - Google Patents

Abstract

提出一种可变衰减器(200)以及衰减信号的方法。可变衰减器包含接收待衰减的输入信号的输入。电阻器与并联MOSFET(M1，M2，M3)之间的分压器提供衰减后的输入信号。MOSFET具有不同的尺寸并且具有通过不同电阻连接到控制信号的栅极，使得MOSFET越大，电阻越大。控制信号取决于衰减器的输出。该方案将衰减的线性扩展到控制信号的大电压范围上并且减小衰减器的互调失真。

Description

具有线性DB/V增益斜率的线性电压控制可变衰减器

技术领域

[0001]本申请涉及一种可变衰减器。更具体地，本申请涉及一种具有线性增益斜率的电压控制可变衰减器。

背景技术

[0002]电视机包含许多组件，包括屏幕例如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)或等离子显示器，以及接收显示信号并且将信号显示在屏幕上的电路系统。该电路系统包括调谐到特定载波(频率)以接收期望信号的调谐器。

[0003]电视机调谐器接收预先确定范围上的载波，例如在一些标准上50MHz-860MHz。与其他电子设备例如在大约100MHz的频率范围上工作的蜂窝式电话相比较，这是相当大范围的频率。到调谐器的输入信号功率可以依赖于许多因素例如调谐器到信号源的距离或周围条件以许多数量级变化，例如。而且，如果电视机是移动的，随着电视机被迁移，信号强度可能连续地变化。

[0004]但是，信号强度的变化是有问题的，因为在信号提供到调谐器的输出之前，它由具有恒定增益的放大器放大。在该情况下，调节提供到放大器的信号强度，使得信号在放大器范围内。也就是，如果信号的幅度太大，放大器将使信号峰失真从而使调谐器的输出退化。因此，存在连续地控制调谐器的增益使得获得恒定输出功率电平的需求。

[0005]为了控制调谐器的增益，可变衰减器通常提供在输入信号与放大器之间。具有使用模拟控制电压的连续增益控制是期望的。类似地，具有dB/V线性的增益斜率是期望的。但是，增益变化性函数增加复杂度、噪声和失真问题。例如，衰减控制电压的灵敏度与衰减范围之间存在折衷。为了增加衰减范围，维持dB/V线性的增益斜率变得更困难。

附图说明

[0006]图1是根据本发明实施方案的调谐器中的电路系统的框图。

[0007]图2说明根据本发明实施方案的可变衰减器的一种实施方案。

[0008]图3是图2中调谐器的输入部分210的放大。

[0009]图4是根据本发明实施方案的单MOSFET可变衰减器和三MOSFET可变衰减器的衰减对比控制电压的曲线图。

[0010]图5说明根据本发明实施方案的可变衰减器的一种实施方案。

[0011]图6说明根据本发明实施方案的可变衰减器的一种实施方案。

[0012]图7说明根据本发明实施方案的可变衰减器的一种实施方案。

具体实施方式

[0013]提供一种可变衰减器和调谐器，其中可变衰减器高度线性，具有大的自动增益控制范围，并且容易实现。另外，可变衰减器提供恒定的衰减斜率以及互调失真的改进。这使得自动增益控制放大器能够集成到调谐器中，其减少成本并且增加调谐器设计的灵活性。

[0014]图1说明根据一种实施方案的调谐器中的电路系统的框图。虽然其他电路系统可能存在，例如模拟-数字(A/D)转换器或耦合电容器，为了清楚而没有显示这种电路系统。如说明的，调谐器100包含低噪声放大器(LNA)102，具有连接到调谐器100输入的输入。混频器104的输入连接到LNA 102的输出。混频器104的输出连接到第一放大器(AMP1)106的输入。第一放大器106的输出又连接到可变衰减器(ATT)108的输入。第二放大器(AMP2)110的输入连接到可变衰减器108的输出。第二放大器110的输出连接到自动增益控制器(AGC)112的输入，其输出连接到可变衰减器108的另一个输入。第二放大器110的输出也提供作为调谐器100的输出。

[0015]预先确定频率范围(例如50MHz-860MHz)的信号通过调谐器100的输入提供到LNA 102。信号在传递到混频器104之前由LNA 102线性地放大。混频器104将线性放大后的信号降频转换(down-convert)到基带(0Hz)或接近基带，在将降频转换后的信号提供到第一放大器106之前。第一放大器106将降频转换后的信号放大预先确定的量，然后将放大后的信号提供到可变衰减器108。可变衰减器108将放大后的信号衰减由从AGC 112提供的控制电压确定的量。然后衰减后的信号在第二放大器110中放大另一个预先确定的量。在AGC回路中，AGC 112接收来自第二放大器110的放大后信号的反馈信号并且使用反馈信号调节控制电压，从而衰减量。例如，如果调谐器100的输出在距离最大输出电压的预先确定电压内，AGC 112控制可变衰减器108以增大衰减量，而如果调谐器100的输出在距离最小输出电压的预先确定电压内，AGC 112控制可变衰减器108以减小衰减量。最小和最大输出电压可以由衰减后的输出信号提供到的模块或者由可变衰减器作为其一部分的系统确定的一些其他标准来确定。

[0016]图2说明图1中可变衰减器108的一个实例。图3是显示图2中所示可变衰减器200的输入部分210的放大。如所示，可变衰减器210包含一对第一元件(显示并在下文描述为电阻器R1，R2)和单个第二元件(显示并在下文描述为MOSFET M)。电阻器R1，R2串联在可变衰减器210的输入IN和输出OUT之间。旁路MOSFET M连接在电阻器R1，R2之间的节点与接地Vss之间。MOSFET M的衬底接地。控制电压连接到MOSFET M的控制端子(栅极)。MOSFET M用作旁路电阻器，当断开时(也就是当源极与漏极区之间的通道闭合时)具有大电阻，而当导通时(也就是当通道打开时)具有基本上较小的电阻。例如，当MOSFET M断开时，电阻可能是10R1，而当MOSFET M导通时，电阻可能是0.1R1。因此，当MOSFET M断开时，电阻器R1，R2之间的节点处的电压达到最大，而当MOSFET M导通时，节点处的电压达到最小。因此，衰减从当MOSFET M断开时的相对小的量到当MOSFET M导通时的相对大的值而变化。

[0017]但是，虽然控制电压能够改变图3的可变衰减器的衰减，衰减曲线的斜率仅在小范围上是线性的。当MOSFET导通时，衰减曲线的斜率开始增加。随着控制电压进一步增加，该斜率达到最大值。不幸地，随着控制电压继续增加，斜率不会保持恒定。在某个控制电压处，衰减对比控制电压曲线的斜率幅度开始减小。当MOSFET的漏极-源极电阻Rds由(1)给出时，这可以看到。

$R_{\mathrm{ds}}=\frac{L}{{\mathrm{\μC}}_{\mathrm{ox}}W(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}---\left(1\right)$

[0018]在该等式中，L是通道的长度，μ是载流子迁移率，C_ox是跨越氧化物而形成的电容，W是通道宽度，V_gs是栅极-源极电压，以及V_t是阈值电压。等式(1)显示电阻随着V_gs增加而减小。图2中所示电路的输入信号的衰减(以dB为单位)由(2)给出。

$\mathrm{Atten}\left(\mathrm{dB}\right)=20*\log \left(\frac{R_{\mathrm{ds}}}{R_{\mathrm{ds}}+R}\right)---\left(2\right)$

[0019]其中在图3中R为R1。该等式可以简化并重写，如由(3)所示。

$\mathrm{Atten}\left(\mathrm{dB}\right)=20*\log \left(\frac{1}{1+\mathrm{RK}(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}\right),$ 其中 $K=\frac{{\mathrm{\μC}}_{\mathrm{ox}}W}{L}---\left(3\right)$

[0020]如果(3)关于V_gs求微分，结果在(4)中显示。

$\frac{\∂\mathrm{Atten}\left(\mathrm{dB}\right)}{{\∂V}_{\mathrm{gs}}}=-\frac{20\mathrm{RK}\log e}{1+\mathrm{RK}(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}---\left(4\right)$

[0021]如果源极接地并且栅极提供有来自控制端子的控制电压，如图3的方案中的情况一样，(4)显示对于恰好高于V_T的控制电压，衰减对比控制电压曲线的斜率为大约-20RKloge。随着控制电压升高，斜率朝向零而降低。衰减斜率幅度的该降低限制衰减范围。

[0022]如果灵敏度增加，衰减范围可以增加。图4是显示图2的实施方案的衰减斜率的曲线图，并且如果图2中仅输入部分210存在于可变衰减器中(也就是仅单个MOSFET存在)。如图4中所示，单MOSFET情况的衰减斜率仅在从大约1.3V至大约1.6V的相对小范围的电压上是dB线性的。

[0023]对于单MOSFET衰减器，衰减斜率与衰减范围之间存在折衷。通过增加MOSFET的尺寸(W/L比)，当MOSFET导通时与当MOSFET断开时的MOSFET电阻差增加。因此，输入信号可以在MOSFET的导通和断开状态之间衰减许多数量级。结果，衰减控制的灵敏度相应地增加。换句话说，对于栅极电压的非常小的变化，输入信号的衰减将存在大的变化。另一方面，通过减小MOSFET的尺寸，当MOSFET导通时与当MOSFET断开时的MOSFET电阻差减小。因此，输入信号可以衰减相对小的量。这相应地减小衰减控制的灵敏度，使得对于栅极电压的大变化，输入信号的衰减仅发生相对小的变化。

[0024]因此，如果如图3中排列仅使用单个MOSFET，给定特定的衰减斜率，获得固定的衰减范围。关于可以使用可变衰减器的应用的一个限制是dB/V的衰减曲线的线性。AGC回路的带宽可以随着衰减斜率增加的线性而增加。如上所述，这在接收信号强度可以随着时间快速变化的移动应用中可能非常重要。但是，可变衰减器的线性也因旁路MOSFET的存在而退化。当控制电压接近MOSFET的阈值电压时，MOSFET处于饱和区中(其中V_gs＞V_t且V_ds＞V_gs-V_t，其中V_ds是漏极-源极电压)并且表现出非线性行为。随着电压增加，MOSFET的栅极-源极电压增加，直到MOSFET进入线性区(其中V_gs＞V_t且V_ds＜V_gs-V_t)。如果期望增加的衰减范围，使用增加尺寸的器件。但是，随着MOSFET尺寸增加，当控制电压接近阈值电压时可变衰减器的线性减小。

[0025]更详细地，图2说明可变衰减器的一种实施方案。如所示，可变衰减器200包含连接在可变衰减器200的输入IN与输出OUT之间的一对串联电阻器R1和R2。电阻器链R3，R4，R5，R6连接在控制电压与接地Vss之间。电阻器R3，R4，R5，R6用作控制电压与接地Vss之间的分压器。电阻器链R3，R4，R5，R6中相邻电阻器之间的节点连接到器件M1，M2，M3的控制端子。因此，相邻电阻器R3，R4，R5，R6之间的每个节点提供取决于控制电压的预先确定电压(更具体地，控制电压与Vss之间的差的比例)到器件M1，M2，M3的端子。电阻器链R3，R4，R5，R6中的电阻器，与输  IN和输出OUT之间的电阻器R1，R2类似，可能具有任何期望的电阻。例如，电阻器R2的电阻可能是0。

[0026]如上所述，MOSFET M1，M2，M3用作在可变衰减器200的输入IN与输出OUT之间传递的信号的旁路，MOSFET M1，M2，M3的栅极连接到电阻器链R3，R4，R5，R6中相邻电阻器之间的节点。可以使用n通道或p通道MOSFET，虽然n通道MOSFET可能更期望，至少因为可以使用较小的器件实现相同的漏极-源极电阻。MOSFET M1，M2，M3并联在串联电阻器R1，R2之间。

[0027]MOSFET M1，M2，M3由电阻器链R3，R4，R5，R6的相关联节点处的电压控制。该电压可以是连续的模拟电压或离散的数字电压。如上所述，随着控制电压增加，每个MOSFET的漏极-源极电阻从当MOSFET断开时的相对高的电阻连续地减小，直到它到达当MOSFET导通时的预先确定的低电阻。因此，输入信号由串联电阻器对R1，R2以及MOSFET M1，M2，M3形成的分压器衰减。因为MOSFET M1，M2，M3的栅极提供有不同的电压，其全部取决于控制电压，MOSFET M1，M2，M3在不同时间导通。换句话说，MOSFET M1，M2，M3在控制电压的不同电压电平导通。

[0028]在一种实施方案中，MOSFET M1，M2，M3具有不同的尺寸。在一些实施方案中，虽然通道长度的每个相同，MOSFETM1，M2，M3的通道宽度的每个分别是W，8W和32W。通过改变MOSFET M1，M2，M3的尺寸并且在控制电压的不同电压电平导通MOSFET M1，M2，M3，可以获得衰减范围与衰减斜率之间的较好折衷。如图2中所示，MOSFET越大，也就是宽度越大，施加到控制端子的电压越小，从而导通MOSFET的控制电压越大。该方案允许MOSFET M1，M2，M3补偿非线性。更具体地，当较大MOSFET处于饱和区时较小MOSFET保持在线性区中。因为较大MOSFET具有比较小MOSFET小的电阻，并且因为MOSFET的源极/漏极并联，较大MOSFET对于衰减斜率的饱和作用由较小MOSFET显著减小。这因此允许衰减在较高的控制电压电平处基本上线性地增加。因此，因为控制电压与来自调谐器的电压相关，随着来自调谐器的电压增加，衰减量增加。

[0029]将参考图4的控制电压对比衰减曲线描述可变衰减器200的操作。当操作时，输入信号提供到输入IN。如果控制电压是0伏特，输出电压Vout等于输入电压Vin。随着控制电压升高，MOSFET M1将首先导通。衰减对比控制电压曲线的斜率开始增加到基本上由电阻器R1和MOSFET M1的电阻的分压器确定的最大值。最终，斜率幅度开始减小，如等式(4)中所示，在该点MOSFET M2开始导通。因此，衰减斜率保持基本上恒等，直到因MOSFET M2的衰减斜率幅度开始减小。在该点，期望使得MOSFET M3开始导通，等等。

[0030]与单MOSFET可变衰减器相比较，三MOSFET衰减器的曲线斜率在宽得多的控制电压范围上基本上恒定。使用MOSFET尺寸明智选择以及电阻器链和连接到可变衰减器的输入的电阻器R1的电阻器选择，可以对于许多数量级的衰减实现特定恒定衰减斜率。因此，期望的衰减范围以及对于控制电压的灵敏度可以同时获得。控制电压扩展到3.3V的最大值。在曲线中，设计具有不同MOSFET尺寸(M3＞M2＞M1)的三MOSFET可变衰减器以给出与单MOSFET可变衰减器相同的衰减范围。也设计三MOSFET可变衰减器具有-14dB/V的衰减曲线斜率。如可以看到的，单MOSFET可变衰减器仅对于大约1.3V至大约1.6V的小范围控制电压是dB/V线性的。三MOSFET可变衰减器对于大约1.3V至大约3.3V的更大控制电压范围是dB/V线性的，近似斜率为-14dB/V。dB/V衰减斜率的该更加线性允许更大带宽的AGC回路。这使得可变衰减器能够在接收信号强度可以随着时间快速变化的移动应用中使用。

[0031]另外，由多MOSFET可变衰减器产生的互调(IM)失真结果显著地小于单MOSFET可变衰减器。因为导通的第一器件具有最小的宽度(从而具有最小的电阻)，当栅极-源极电压接近阈值时它不会对于线性具有与较大器件一样的副效应。当较大MOSFET开始导通时，较小MOSFET充分进入线性区。因此，与较大MOSFET的漏极-源极电阻相关联的初始非线性因较小MOSFET的更加线性的漏极-源极电阻的存在而减小。在图4的曲线中，仿真和比较可变衰减器的线性。对于-25dBm的恒定输出功率电平，以-1dB梯级在从-1dB至-25dB的衰减级观察可变衰减器的线性。对于-25dBm的恒定输出功率，整个衰减范围上的最差互调失真对于单MOSFET可变衰减器为-56.2dB并且对于三MOSFET可变衰减器为-69.25dB。因此，三MOSFET可变衰减器具有优于单MOSFET可变衰减器的+13dB的改进互调失真级别，以及相同衰减范围上更加恒定的衰减斜率。

[0032]图5说明三MOSFET可变衰减器的另一种实施方案。如所示，可变衰减器500是包含连接在输入INP，INM的每个与各自输出OUTP，OUTM之间的一对串联电阻器R1和R2的差动可变衰减器。电阻器链R3，R4，R5，R6连接在控制电压与接地Vss之间。电阻器链R3，R4，R5，R6中相邻电阻器之间的节点连接到各自MOSFET M1，M2，M3的栅极。如以前，MOSFET M1，M2，M3分别具有W，8W和32W的通道宽度。为了平衡输出信号，一对偏压电阻器RBIAS彼此串联。与MOSFET M1，M2，M3并联的偏压电阻器RBIAS连接在串联电阻器R1，R2之间。偏压电阻器RBIAS之间的节点连接到接地Vss。

[0033]虽然电阻器已经在图2中描述为第一元件，可以使用其他器件，如图6的实施方案中所示。图6的实施方案与图2的完全相同，除了可变衰减器的输入IN与输出OUT之间的串联电阻器R1，R2已经由MOSFET M4，M5代替之外。串联MOSFET M4，M5的栅极连接到电压Vc，从而具有取决于电压Vc的电阻。串联MOSFET M4，M5具有相同或不同的尺寸并且可能具有施加到它们栅极的相同或不同电压。电压Vc可以是恒定的或者连续或离散可变的。

[0034]在其他实施方案中，可以使用任何FET或其他器件，只要它提供期望的衰减特性。例如，可以使用MISFET或可变电阻器而不是MOSFET。但是，通过使用CMOS，可变衰减器的耗用电流跨越衰减范围基本上不会改变。类似地，虽然显示使用三个MOSFET的实施方案，但是可以在不同实施方案中使用两个或更多MOSFET。而且，虽然MOSFET描述为具有不同尺寸，从而不同漏极-源极电阻，但是MOSFET中的两个或更多可以具有相同的尺寸同时连接到电阻器链的不同节点或者多个MOSFET可以连接到相同节点。因此，例如，图中所示MOSFET的一个或多个可以由多个MOSFET实现，如图7中显示的可变衰减器700中所示。在一种实施方案中，多个MOSFET具有相同的通道宽度以提供有效通道宽度。在另一种实施方案中，多个MOSFET的至少一个具有与多个MOSFET的另一个不同的通道宽度。

[0035]类似地，可以使用各种长度的MOSFET。但是，随着MOSFET的长度增加，最小电阻也增加。另外，可以使用任意数目的电阻器。例如，其他元件例如电阻器可以与MOSFET串联。比源极-漏极电阻大得多的电阻器可以置于MOSFET的源极与漏极之间。可变衰减器可以在除了调谐器之外的设备中使用，例如电缆调制解调器、无线电设备、蜂窝式电话、PDA、膝上型计算机或使用可变衰减器的其他通信设备或系统。

[0036]另外，说明书和附图看作说明性而不是限制性意义，并且所有这种修改打算包括在本发明的范围内。如这里使用的，术语“包括”、“由......构成”或任何其他变化打算覆盖非排他性包含，使得包括一系列元素的过程、方法、物品或装置不是仅包括那些元素，而是可以包括没有明确列出或者这种过程、方法、物品或装置固有的其他元素。

[0037]因此，前面的详细描述打算看作说明性而不是限制性的，并且应当理解，下面的权利要求书，包括所有等价物，打算限定本发明的本质和范围。前面描述中任何都不打算否认如要求专利保护的或其等价物的本发明的范围。

Claims (21)

1.一种可变衰减器，包括：

输入，被配置为接收待衰减的输入信号；

输出，被配置为提供衰减后的输入信号；

第一元件，置于所述输入与所述输出之间；

控制端子，被配置为接收控制信号；以及

多个第二元件，连接到控制端子使得第二元件的每一个使用控制信号不同地改变输入与输出之间的衰减。

2.根据权利要求1的可变衰减器，其中每个第二元件包括场效应晶体管(FET)。

3.根据权利要求2的可变衰减器，还包括控制端子与接地之间串联的多个电阻器，FET的控制输入被连接到不同电阻器之间的节点。

4.根据权利要求2的可变衰减器，其中FET被并联连接到输入和输出。

5.根据权利要求2的可变衰减器，其中第二元件的每个具有不同的有效FET宽度。

6.根据权利要求3的可变衰减器，其中具有较小有效宽度的FET比具有较大有效宽度的FET通过更小的电阻连接到控制端子。

7.根据权利要求1的可变衰减器，其中第二元件在不同电阻范围上变化。

8.根据权利要求1的可变衰减器，其中第二元件被并联连接。

9.根据权利要求7的可变衰减器，其中第一元件和第二元件形成分压器，其输出节点连接到可变衰减器的输出。

10.一种调谐器，包括：

混频器，被配置为降频转换输入信号；

可变衰减器，被配置为衰减降频转换后的输入信号，可变衰减器包含多个并联元件和连接到控制端子的第一分压器，并联元件连接到第一分压器的不同节点；以及

第一放大器，被配置为放大衰减后信号，可变衰减器的衰减使用从第一放大器到控制端子的反馈控制。

11.根据权利要求10的调谐器，其中可变衰减器还包括第二分压器，第二分压器具有包括电阻器和所述并联元件的串联电路，电阻器与所述并联元件之间的节点连接到可变衰减器的输出。

12.根据权利要求11的调谐器，其中并联元件在不同电阻范围上变化。

13.根据权利要求12的调谐器，其中在较小电阻范围上变化的并联元件比在较大电阻范围上变化的并联元件通过更小的电阻连接到控制端子。

14.根据权利要求10的调谐器，还包括：

置于调谐器的输入与混频器之间的低噪声放大器；

置于混频器与可变衰减器之间的第二放大器；以及

自动增益控制器，被配置为接收来自第一放大器的反馈并且将控制信号提供到可变衰减器的控制端子。

15.一种包括根据权利要求10的调谐器的电子设备。

16.一种包括根据权利要求10的调谐器的移动电子设备。

17.一种衰减信号的方法，该方法包括：

提供由第一元件和多个并联元件构成的电路；

提供待衰减的输入信号到所述电路；

提供控制信号到分压器，所述并联元件被连接到分压器的不同节点，控制信号通过控制所述并联元件的电阻来控制输入信号的衰减；以及

基于输入信号提供衰减后的输出信号。

18.根据权利要求17的方法，其中第一元件和所述并联元件串联连接，第一元件与所述并联元件之间的节点连接到可变衰减器的输出。

19.根据权利要求17的方法，其中并联元件在不同电阻范围上变化。

20.根据权利要求19的方法，其中在较小电阻范围上变化的并联元件比在较大电阻范围上变化的并联元件通过更小的电阻连接到控制端子。

21.一种使用根据权利要求17的方法调谐信号的方法，该方法包括：

放大第一信号；

降频转换放大后的第一信号；

放大降频转换后的第一信号；

根据权利要求17中描述的，衰减放大的降频转换后的第一信号；

放大被衰减的信号；以及

通过自动增益控制提供基于放大后的被衰减的信号的控制信号。

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