CN101416386A - 高线性可变增益放大器 - Google Patents

Abstract

一种可变增益放大器电路使用一对单端运算放大器来放大差分输入信号的互补部分。通过使用两个单端放大器而不是单个差分放大器，明显改善线性。此外，消除了共模反馈电路以及谐波失真和对从电路输出的信号的质量具有负面影响的噪声的其它形式。

Description

高线性可变增益放大器

本申请要求于2004年3月11日提交的题为“HIGHLY LINEARVARIABLE GAIN AMPLIFIER”的第60/551,788号美国临时专利申请的优先权。

技术领域

本发明通常涉及放大信号，更具体地说，涉及一种可变增益放大器以及用于控制其的方法。

背景技术

增益受控放大器用于许多无线和有线系统。在无线应用中，在整个期望的运算范围中显示线性特性的增益受控放大器对于实现满意的性能级别来说尤其重要。

图1示出以蜂窝通信接收机的形式的一种无线应用，其包括沿着其信号路径的可变增益放大器。该接收机包括天线1、RF带通滤波器2以及低噪放大器3。在混频器4和5将从低噪放大器输出的信号与振荡器信号的相移版本进行组合。在该接收机中，振荡器信号被设置为载波频率，因此使用一个转换来执行基带信号恢复。(该类型的接收机通常指的是直接转换接收机。)每一混频器的输出通过低通滤波器LPF，由可变增益放大器VGA放大，并由ADC转换器转换为数字信号。其后执行后续信号处理步骤。

在直接转换和其它类型的接收机中，可变增益放大器用于沿着接收机信号路径抑止引入到基带信号中的噪声。所产生的噪声抑止的量通常与放大器的增益成比例。当接收的信号电平小于期望的信号电平时，放大器的增益增加。反之，当接收的信号电平大于期望的信号电平时，放大器的增益降低。通过调整放大器的增益以及相应地调整基带信号的电平，可避免对接收机的后续级(包括模数转换器)的动态范围的过分约束。

在使用可变增益放大器实现的无线应用中，增加放大器线性被认为对于获得可接受的信噪比来说是重要的。遗憾的是，当这些放大器缺少足够的线性时，由强烈干扰信号导致的交调破坏了期望的信号。

图2具有两个信号示图，其通过比较示出在无线应用中干扰可影响信号的一种方式。第一信号示图示出在被输入到可变增益放大器中的一个之前在诸如图1所示的通信接收机中的信号的状态。该信号包括期望的信号和基本具有沿着信号路径传播的相同的幅度的多个干扰信号。当期望的信号和干扰信号具有小的量级时，无论VGA中可存在的任意线性如何，期望的信号都可被放大到期望的电平。在第二信号示图中示出该情况，其中，期望的信号的幅度大于由与干扰信号进行交调所生成的干扰项的幅度。(在图2中，P_sig表示基带信号功率，其以三角形示出，其中，三角形的高度与功率直接成比例)。

图3具有两个信号示图，其通过比较示出在无线应用中干扰可影响信号的另一方式。第一信号示图示出在被输入到可变增益放大器中的一个之前在诸如图1所示的通信接收机中的信号的状态。然而，与图2不同的是，干扰信号具有明显大于期望的信号的幅度。因此，当由具有非线性特性的可变增益放大器进行放大时，期望的信号受到从与干扰信号进行的交调而产生的噪声项的严重破坏。在第二示图中示出该情况，其中，噪声项的幅度远远大于期望的信号幅度。如果不进行补偿，则噪声将在整个接收机中传播，从而降低接收的信号的质量。

图4示出了已经被提出用于接收机的可变增益放大器。从单个差分放大器50来形成该放大器，其包括两个反馈路径51和52、四个电阻器以及在放大器输入处提供的虚接地。电阻器R1放置在反向端子和非反向端子处，电阻器R2沿着反馈路径布置。电阻器R1和R2的值控制放大器的增益，即改变可变电阻器R1和R2的值将导致把放大器设置为如下面等式所示的期望的增益：

$V_{\mathrm{OUT}}-V_{\mathrm{OUTB}}=\frac{R_2}{R_1}(V_{\mathrm{IN}}-V_{\mathrm{INB}})---\left(1\right)$

其中，V_out和V_outB是放大器的差分输出电压，V_in和V_inB是放大器的差分输入电压，R₂和R₁的比率定义增益。

等式(1)在理想运算特性下定义放大器的增益。然而，在实践中，增益并非无限的，并且放大器经受副效应的影响。例如，因为放大器增益并非无限，所以放大器的输入节点将轻微地追随输入信号。在输入处的波动的量取决于放大器的增益和频率特性。

图5示出图4的运算跨导放大器的框图。如所示的那样，可使用五个晶体管对该放大器建模，其中，晶体管M1和M2的栅极分别接收差分输入IN和INB，晶体管M3和M4的栅极从共模反馈电路(CMFB)接收控制信号，以及提供晶体管M5以从图5未示出的外部偏置电路设置运算放大器的偏置电流。共模反馈电路用于稳定两个输出信号OUT和OUTB的共模输出电压。节点N1和N2分别布置在晶体管对M1和M3之间，晶体管对M2和M4提供放大器的差分输出电压OUT和OUTB。这些电压被反馈回到CMFB，其中，它们用于设置两个输出信号的共模输出电压。M1、M2和M5是NMOS晶体管，M3和M4是PMOS晶体管，V_DD是连接到晶体管M3和M4的源极的供电电压。

放大器的非线性特性基本上可归因于输入晶体管的公共源极节点(A)。更具体地说，由于通常将放大器设计为在其输入级具有高增益，因此在输入级的小的失真会在输出级生成大的失真。这种大的失真来源于节点A作为以相反方向流动的两个电流信号(下面将更详细地解释这种相对流动)的结果所经历的瞬时效应。结果，在改变放大器的线性特性的节点A处生成谐波，并因此生成在放大的输出处产生的大的失真。下面可更详细地解释电流信号。

由于两个输入信号IN和INB运行为来自集总式共模信号的差分信号，因此两个输入信号可表示如下：

$V_{\mathrm{IN}}=V_{\mathrm{CM}}+\frac{V_D}{2}$

$V_{\mathrm{INB}}=V_{\mathrm{CM}}-\frac{V_D}{2}$

其中，V_CM由共模反馈电路限定。因此，当输入电压增加时，INB的电压减少。在此情况下，流入M1和M2晶体管的电流的相对改变将具有不同极性；也就是说，当M1中的电流增加时，M2中的电流减少，而当M1中的电流减少时，M2中的电流增加。因此，可将进入M1和M2晶体管的两个电流信号称为以相反方向流动。

图5的放大器的非线性的另一来源是共模反馈电路。在该电路对稳定放大器的输出电平有利的同时，其产生了在输出信号中导致失真的混频的谐波。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有与已经提出的其它类型的放大器相比改进的线性特性的可变增益放大器。

本发明的另一目的在于通过减小谐波和导致放大器输出中的失真的其它形式的噪声来实现前述目的。

本发明的另一目的在于通过消除充当在已经提出的其它可变增益放大器中的非线性失真的主要来源的公共源极节点连接来实现前述目的中的一个或多个。

本发明的另一目的在于通过消除还充当已经提出的其它可变增益放大器中的非线性失真的主要来源的共模反馈电路来实现前述目的中的一个或多个。

本发明的另一目的在于提供一种通信接收机，其使用用于基带信号恢复的前述可变增益放大器，和/或执行一种或多种其它信号处理功能。

本发明的另一目的在于提供一种通信接收机，其包括如前所述的可变增益放大器。

本发明的另一目的在于提供一种用于通过使用实现前述目的中的一个或多个的电路来放大信号的方法。

通过提供可变增益放大器来实现这些和其它目的和优点，根据一个实施例，所述可变增益放大器电路包括：第一放大器，用于放大第一输入信号；以及第二放大器，用于放大第二输入信号。所述第一输入信号和第二输入信号优选地是单个差分输入信号的不同部分，所述第一放大器和第二放大器输出相同差分输出信号的不同部分。

放大器电路可还包括：第一节点，用于将第一输入信号输入到第一放大器；以及第二节点，用于将第二输入信号输入到第二放大器，其中，进入第一节点和第二节点的电流彼此追随，从而减少在第一输入信号和第二输入信号中的谐波分量的生成。优选地，进入第一节点和第二节点的电流的方向是相同的方向。此外，第一放大器和第二放大器优选地是单输出运算放大器。

第一放大器还可包括用于接收第一输入信号的非反向端子，第二放大器包括用于接收第二输入信号的反向端子。连接到第一放大器的反向端子的第一节点还连接到第一放大器的输出以及第二放大器的非反向端子。电阻元件优选地沿着第一节点和第二放大器的非反向端子之间的信号路径以及沿着第一节点和第一放大器的输出之间的反馈信号路径而布置。

放大器电路还可包括连接到第二放大器的非反向端子的第二节点，该第二节点还连接到第二放大器的输出和第一放大器的反向端子。电阻元件优选地沿着第一节点和第二节点之间的信号路径以及第二节点和第二放大器的输出之间的反馈信号路径而布置。

优选地，第一放大器和第二放大器被集成为包括：电流镜；第一晶体管，具有用于接收第一输入信号的栅极；以及第二晶体管，具有用于接收第二输入信号的栅极。第一晶体管和第二晶体管的源极连接以形成公共节点，第一晶体管和第二晶体管的漏极连接到电流镜。互补输出节点分别布置在电流镜与第一晶体管和第二晶体管之间。

与已经提出的其它VGA相比，本发明的可变增益放大器实现了改进的线性。这些VGA使用就产生线性特性而言是不理想的单差分运算放大器，所述单差分运算放大器使用被示出将噪声引入放大器输出的共模反馈电路。本发明通过以两个单端运算放大器代替差分运算放大器来克服这些缺点，所述单端运算放大器中的每一个被连接以接收两个差分输入信号中的相应一个。通过这种设计，极大地改进了线性，并可避免使用共模反馈电路，这两者都转换为放大器输出中的改进的信号质量。

附图说明

图1示出直接转换接收机。

图2示出在第一组条件下的用于可变增益放大器的输入和输出信号波形。

图3示出在第二组条件下的用于可变增益放大器的输入和输出信号波形。

图4示出已经提出的一种可变增益放大器。

图5示出图4所示的放大器的电路图。

图6示出根据本发明优选实施例的可变增益放大器。

图7示出包括在图6的可变增益放大器中的单端运算放大器的优选电路图。

具体实施方式

图6示出根据本发明的优选实施例的可变增益放大器。该放大器包括第一单端运算放大器100和第二单端运算放大器110以及三个可变电阻器120、130和140。第一放大器和第二放大器的非反向端子被连接以分别接收差分输入信号IN和INB。第一放大器的反向端子通过包括电阻器120的反馈路径连接到放大器100输出OUT，而第二放大器的反向端子通过包括电阻器130的反馈路径连接到放大器110的输出OUTB。电阻器120和130优选地具有相同的电阻值。

第一放大器的非反向端子和第二放大器的非反向端子通过电阻器140彼此耦合，电阻器140的值优选地不同于其它两个电阻器的值。更具体地说，如图6所示，节点A将放大器100的非反向端子连接到电阻器140和从电阻器120输出的反馈信号。节点B将放大器110的反向端子连接到电阻器140和从电阻器130输出的反馈信号。在这样的布置中，电阻器140以及电阻器120和130执行下面描述的等式(2)中所表示的增益函数。

本发明的可变增益放大器表示本领域中的明显改进。通过使用两个单端运算放大器而不是如图4的现有技术所示的一个差分放大器，本发明基本能够实现较好的线性特性。此外，因为无需共模反馈电路来实现本发明的放大器，所以明显减少了对于谐波以及引入失真及总体倾向于降低信号质量的噪声的其它形式的生成。以下将更详细地解释这些优点。

现有技术可变增益放大器的非线性的主要原因在于引入到输入信号的谐波分量被转换为输出信号中的大的谐波失真。本发明通过以两个单端放大器来代替差分放大器而减少或一起消除该问题。在该配置中，在两个输入节点中的电流方向彼此追随，从而实现了对在放大器输入处的谐波分量的生成的明显减少。提供箭头125和135以示出输入放大器的电流信号的方向，即这些箭头示出当IN信号的电压增加并且INB信号的电压降低时的电流方向。

图7示出图6中使用的单端放大器的优选电路图。该示图包括五个晶体管，所述五个晶体管中的三个(M1、M2和M5)优选地以NMOS实现，其余两个(M3和M4)以PMOS实现。晶体管M1和M2的栅极被连接以接收差分输入信号IN和INB。假定IN信号的电压大于INB信号的电压，OUT信号的电压将增加，OUTB信号的电压将降低。从运算放大器的运算原理来说，这是清楚的。

当在IN节点处的电压增加时，在M1晶体管中流动的电流增加。其后，该电流通过由耦合的晶体管M3和M4形成的电流镜流入OUT节点。该操作应用于本发明的可变增益放大器的操作。

更具体地说，参照图6，随着输入IN节点的正电压增加，来自OUT节点的信号增加。这种来自OUT节点的电压的增加反过来导致由反馈电阻器120在节点A(放大器100的互补输入节点)处增加电压。在控制在节点A处的电压和从OUT节点输出的电压的过程中，电阻器R1和R2之间的比率例如以等式(2)表示的方式来设置增益。

运算放大器的大增益使在节点A和输入节点IN处的电压变为相同。相似地，在节点B和输入节点INB处的电压变为相同。因此，达到稳定状态，其中，可由下式表示可变增益放大器的输出电压：

$V_{\mathrm{OUT}}-V_{\mathrm{OUTB}}=\frac{R_2}{R_1}(V_{\mathrm{IN}}-V_{\mathrm{INB}})---\left(2\right)$

对等式(1)和等式(2)的比较显示了现有技术和本发明的可变增益放大器的增益可以是相同的。然而，与现有技术放大器不同的是，本发明的放大器的两个输入节点IN和INB彼此追随，因此，在图7中的公共源极节点C处生成的谐波分量达到最小或一起被消除。结果，大大减少了本发明的可变增益放大器的输出节点OUT和OUTB处的谐波失真。

本发明的可变增益放大器的另一优点在于其无需共模反馈电路。通过比较，在图4的放大器中，输入共模增益十分小，这说明运算放大器中的任何偏移可导致在VGA的输出节点处产生大的偏移。该共同增益与通常很大的图4中的晶体管M5的漏-源电阻成反比。因此，共同增益非常小。

反之，在图6的可变增益放大器中，OUT信号具有与IN信号相同的共模电压，OUTB信号具有与INB信号相同的共模电压。该特征消除了对使用共模反馈电路的需要，这反过来又通过消除由共模反馈电路另外生成的谐波失真而转换为改进的线性特性。

本发明还是一种通信接收机，其包括根据在此描述的任意实施例的可变增益放大器。优选地，接收机包括沿着进行基带信号恢复的接收机的前端的信号路径的可变增益放大器。在该配置中，本发明的放大器可连接到用于从接收的信号中恢复基带信号的一个或多个混频器的输出。该接收机可以是具有与图1所示的结构相同的一般结构的直接转换接收机、超外差接收机或任意其它接收机配置。

前述实施例和优点基本上仅是示例性的，而不应理解为限制本发明。该教导可容易地用于其它类型的装置。此外，在此提供的本发明的描述期望是示例性的，而非限制本发明的范围。许多替换、修改和改变对本领域技术人员来说将是清楚的。

Claims (28)

1、一种可变增益放大器电路，包括：

第一放大器，用于放大第一输入信号；以及

第二放大器，用于放大第二输入信号，其中，第一输入信号和第二输入信号是单个差分输入信号的不同部分。

2、如权利要求1所述的电路，还包括：

用于将第一输入信号输入到第一放大器的第一节点；以及

用于将第二输入信号输入到第二放大器的第二节点，

其中，流入第一节点和第二节点的电流彼此追随从而减少在第一输入信号和第二输入信号中的谐波分量的生成。

3、如权利要求2所述的电路，其中，流入第一节点和第二节点的电流的方向是相同的方向。

4、如权利要求1所述的电路，其中，第一放大器和第二放大器是单输出运算放大器。

5、如权利要求1所述的电路，其中，第一放大器包括非反向端子，所述非反向端子接收第一输入信号，并且其中，第二放大器包括反向端子，所述反向端子接收第二输入信号。

6、如权利要求5所述的电路，还包括：

连接到第一放大器的反向端子的第一节点，

其中，第一节点连接到第一放大器的输出以及第二放大器的非反向端子。

7、如权利要求6所述的电路，还包括：

沿着第一节点和第二放大器的非反向端子之间的信号路径连接的电阻元件。

8、如权利要求6所述的电路，还包括：

沿着第一节点和第一放大器的输出之间的反馈信号路径连接的电阻元件。

9、如权利要求6所述的电路，还包括：

连接到第二放大器的非反向端子的第二节点，其中，第二节点连接到第二放大器的输出以及第一放大器的反向端子。

10、如权利要求9所述的电路，还包括：

沿着第一节点和第二节点之间的信号路径连接的电阻元件。

11、如权利要求9所述的电路，还包括：

沿着第二节点和第二放大器的输出之间的反馈信号路径连接的电阻元件。

12、如权利要求9所述的电路，还包括：

沿着第一节点和第一放大器的输出之间的反馈信号路径连接的第一电阻器；以及

沿着第二节点和第二放大器的输出之间的反馈信号路径连接的第二电阻器，所述第一电阻器和第二电阻器具有相同的电阻值。

13、如权利要求1所述的电路，其中，第一放大器和第二放大器输出相同的差分输出信号的不同部分。

14、如权利要求1所述的电路，其中，第一放大器和第二放大器被集成为包括：

电流镜；

第一晶体管，具有用于接收第一输入信号的栅极；

第二晶体管，具有用于接收第二输入信号的栅极，

其中，第一晶体管和第二晶体管的源极被连接以形成公共节点，而第一晶体管和第二晶体管的漏极连接到电流镜。

15、如权利要求14所述的电路，还包括：

互补输出节点，分别布置在电流镜与第一晶体管和第二晶体管之间。

16.如权利要求1所述的电路，其中，不需要共模反馈电路用于操作。

17、一种用于执行信号放大的方法，包括：

在第一放大器中放大第一信号；以及

在第二放大器中放大第二信号，其中，第一信号和第二信号是单个差分输入信号的不同部分。

18、如权利要求17所述的方法，其中，流入第一放大器的输入节点的电流追随流入第二放大器的输入节点的电流。

19、如权利要求18所述的方法，其中，流入第一放大器的输入节点的电流的方向与流入第二放大器的输入节点的电流的方向相同。

20、如权利要求17所述的方法，其中，第一放大器和第二放大器是单输出运算放大器。

21、如权利要求17所述的方法，还包括：

将第一信号输入第一放大器的非反向端子；以及

将第二信号输入第二放大器的反向端子。

22、如权利要求21所述的方法，其中，第一节点连接到第一放大器的反向端子、第一放大器的输出以及第二放大器的非反向端子。

23、如权利要求22所述的方法，其中，第一节点和第二放大器的非反向端子之间的信号路径包括电阻元件。

24、如权利要求22所述的方法，其中，第二节点连接到第二放大器的非反向端子、第二放大器的输出以及第一放大器的反向端子。

25、如权利要求24所述的方法，其中，第一节点和第二节点之间的信号路径包括电阻元件。

26、如权利要求17所述的方法，其中，第一放大器和第二放大器输出相同差分输出信号的不同部分。

27、如权利要求17所述的方法，其中，在没有共模反馈电路的情况下执行信号放大。

28、一种通信接收机，包括：

混频器，用于从接收的信号中恢复基带信号；以及

可变增益放大器，其包括：

(a)第一放大器，用于放大第一输入信号，以及

(b)第二放大器，用于放大第二输入信号，

其中，第一输入信号和第二输入信号是单个差分输入信号的不同部分。

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