CN101454972A - 增益控制低噪声放大器装置 - Google Patents

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CN101454972A CNA2007800188979A CN200780018897A CN101454972A CN 101454972 A CN101454972 A CN 101454972A CN A2007800188979 A CNA2007800188979 A CN A2007800188979A CN 200780018897 A CN200780018897 A CN 200780018897A CN 101454972 A CN101454972 A CN 101454972A
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Abstract

提供了一种增益控制低噪声放大器装置。放大器装置包括：放大器单元(T1)；第一和第二pin二极管(D1，D2)，在放大器(T1)的输入与输出之间以相反的正向将所述第一和第二pin二极管(D1，D2)串联在放大器单元(T1)的负反馈回路中。放大器装置还包括：第一电流源(IC1)，所述第一电流源(IC1)与第一和第二pin二极管(D1，D2)之间的节点连接；以及第二电流源(IC2)，所述第二电流源(IC2)与放大器单元(T1)的输入连接。

Description

增益控制低噪声放大器装置
技术领域
本发明涉及增益控制低噪声放大器装置以及视频处理设备。
背景技术
连续增益控制放大器典型地用于地面和有线电视应用。这里，将正向偏置的pin二极管用作针对线性连续增益控制跨阻(transimpedance)放大器的电流控制电阻器。然而，典型的低成本硅工艺不考虑单片电路集成。因此，可以使用系统级封装(system-in-package)SiP来实现基于低成本硅工艺的全集成(full-integrated)解决方案。
图1示出了根据现有技术的跨阻放大器的基本电路图。这里，示出了具有开环增益A的放大器T1，在放大器T1的反馈回路中采用pin二极管D1作为电流控制电阻器。
根据现有技术的、使用pin二极管以减小增益的放大器可能遇到这样的问题：线性性能可能受到二阶和三阶失真的限制。这样的限制可能是由放大器引起的，或由反馈网络(例如，如图1所示的pin二极管)的非线性特性引起的。改进放大器性能的一种方式是，提高功耗以提供更高的电压空间(voltage headroom)以及更大的偏置电流。此外或可选地，全单片多级放大器可以用于提高回路增益。然而，全单片宽带分路放大器(full monolithic wideband splitter amplifier)是有利的，这是由于其低成本、小尺寸以及最小的功耗。
此外，尤其必须关于大信号条件以及低频对pin二极管在线性方面的性能进行仔细检查。对pin二极管的失真加以改进的另外的方式可以是，在更长载流子寿命方面选择合适的pin二极管以改进低频的性能以及偏置条件。如图1所示，将pin二极管D1布置在放大器T1的反馈回路中，以在pin二极管和放大器的失真方面改进放大器T1的性能。随着电路的增益的减小能够实现这一点。如果考虑大信号条件，则可以在反馈电阻(即，pin二极管的总电阻rD)减小的情况下将电路的增益减小。如果反馈电阻包括更小的值，则可以改进放大器的回路增益以及放大器的信号处理能力。此外，如果受控电阻的值更小，则将需要更大的控制电流，以便在需要的情况下在线性方面改进pin二极管的特性。然而，在将不实行预滤波的线性增益控制放大器用于可变增益电视分路(splitter)放大器中的情况下，所述线性增益控制放大器将遇到一些问题。单个pin二极管在线性方面的性能对于低频带而言可能是不够的。此外，尤其是在采用低电压设计来实现放大器的情况下，如果将二极管串联以改进控制范围以及二极管在线性方面的特性，则反馈回路中大的电压电平移动可能导致一些问题。通过使用AC耦合的并联反馈电路来防止任何不期望的电压移动可以解决该问题。然而，尤其是针对低频电视频带，这样的解决方案将需要典型具有大于100pF的值的、非常大的去耦合电容器。
图2示出了根据现有技术的高线性度增益控制放大器的电路图。在芯片管芯CD(chip die)上，提供第一电阻器R1和第二电阻器Rf以及放大器T1。在芯片管芯CD的输入处，提供输入电容器Ci和源电阻器Rs。在输出处，提供输出电容器Co和负载电阻器RL。图2所示的放大器构成高线性度增益控制低噪声放大器。该放大器基于负反馈，所述负反馈具有布置在反馈回路中的第二电阻器RF，这允许在低欧姆输出处进行信号分路(例如，分路放大器)。因为通过以分立的阶段切换电阻器Rf来控制增益，所以这样的放大器将具有高线性度并且能够进行低噪声操作。
图3示出了根据图2的电路的电路图。这里，更详细地示出了放大器。具体地，在图3中描述了2-级负反馈放大器。放大器将包括第一和第二晶体管Q1、Q2以及第一和第二电流源Ib1、Ib2，以实现两级。
图4示出了根据图2的放大器的、NF与增益的对应关系的图。电压驻波比是3，放大器T1是无噪的并且增益＝2Vout/VS。通过使用如图2所示的跨阻放大器，需要高增益来改进性能。通过提高增益，放大器NF减小并且总体系统NF也将显著改进。较高的增益将改进噪声指数，然而在操作期间需要连续可变增益以防止信号过载。
用于模拟和数字TV接收(例如，TV、DVD-R以及PC)的(硅)调谐器需要具有高线性度的低NF。
US 6,265,942 B1示出了一种针对GHz范围内的频率具有高动态范围的增益控制放大器，其中放大器包括具有多个串联PIN二极管的自适应控制反馈网络。然而，放大器需要n个Vpin(以相同的正向串联的n个PIN二极管)来改进放大器的线性，使得该放大器不适于低电压应用。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种具有改进的线性特性的线性增益控制放大器。
利用根据权利要求1的放大器装置以及根据权利要求7的视频处理设备实现了该目的。
因此，提供了一种增益控制低噪声放大器装置。该放大器装置包括：放大器单元；第一和第二pin二极管，在放大器单元的输入与输出之间以相反的正向将所述第一和第二pin二极管串联在放大器单元的负反馈回路中。放大器装置还包括：第一电流源，所述第一电流源与第一和第二pin二极管之间的节点连接；以及第二电流源，所述第二电流源与放大器单元的输入连接。
根据本发明的一方面，以公共阳极配置将第一和第二pin二极管连接在一起。可选地，以公共阴极配置将第一和第二pin二极管连接在一起。
根据本发明的另一方面，放大器装置包括芯片管芯，其中将放大器单元以及第一和第二电流源布置在芯片管芯上。
根据本发明的另一其它方面，放大器装置包括具有芯片管芯以及第一和第二pin二极管的系统级封装布置。
根据本发明的另一其它方面，放大器装置包括高通滤波器，所述高通滤波器与第二电流源连接以滤除来自第二电流源的噪声。
本发明还涉及一种具有增益控制低噪声放大器装置的视频处理设备。放大器装置包括：放大器单元；第一和第二pin二极管，在放大器单元的输入与输出之间以相反的正向将所述第一和第二pin二极管串联在放大器单元的负反馈回路中。放大器装置还包括：第一电流源，所述第一电流源与第一和第二pin二极管之间的节点连接；以及第二电流源，所述第二电流源与放大器单元的输入连接。
本发明涉及一下构思：通过在放大器的负反馈回路以背对背(back-to-back)配置或以公共阳极配置来连接两个pin二极管，改进放大器的线性。如果将两个pin二极管等同地偏置，则将抵消各个二极管的任何二阶失真。可以在没有跨越反馈网络的电压降的情况下改进任何三阶失真以及增益范围。根据本发明的放大器将允许DC耦合的反馈网络，而不需要去耦合电容器。此外，避免了跨越反馈网络的电压降，使得可以采用低电压解决方案或采用具有更高的电压空间的解决方案来实现放大器。
可以将针对pin二极管的前向偏置电流或控制电流完全整合，或可以仅利用两个电流源实现所述前向偏置电流或控制电流。可以将主控制电流等分成两个电流。通过第二pin二极管的偏置电流与通过第一pin二极管的偏置电流相同。因为这两个偏置电流相等，所以能够抵消任何二阶失真。通过在放大器电路内部进行内部偏置，能够吸收放大器输出处的控制电流。因此，不需要附加的电路。
附图说明
现在将参考附图更详细地描述本发明的实施例和优点。
图1示出了根据现有技术的跨阻放大器的基本电路图；
图2示出了根据现有技术的高线性度增益控制放大器的电路图；
图3示出了根据图2的电路的电路图；
图4示出了根据图3的放大器的、NF与增益的对应关系的图；
图5示出了根据第一实施例的线性增益控制放大器的电路图；
图6示出了根据第二实施例的线性增益控制放大器的电路图；
图7示出了根据第三实施例的、与图6的电路图相对应的放大器的更详细电路图；
图8示出了根据第四实施例的放大器的电路图；
图9示出了根据第五实施例的、根据图8的放大器的更详细电路图；
图10示出了根据第六实施例的放大器的电路图；以及
图11示出了根据第七实施例的、根据图10的放大器的更详细电路图。
具体实施方式
图5示出了根据第一实施例的线性增益控制放大器的电路图。具体地，将放大器实现为高线性度增益控制跨阻放大器。在放大器T1的反馈路径中，提供包括优选地背对背连接的第一和第二pin二极管D1、D2在内的二极管单元DU(实现电流控制电阻器RF)。第一电流源LC1与节点BB连接，其中所述节点BB与连接到pin二极管的背对背节点相对应。将第二电流源IC2连接在放大器T1的输入处。第一电流源涉及控制电流ICTRL。第二电流源IC2将提供0，5ICTRL的电流。
图6示出了根据第二实施例的线性增益控制放大器的电路图。由于已经在先前版本的硅调谐器中证实过的其功能性，根据第二实施例的放大器的基本结构与根据图2的放大器的结构相对应。根据第二实施例的放大器涉及对根据图3和5的电路的结合。在放大器T1的负反馈回路中，利用背对背连接的两个pin二极管D1、D2(或公共阳极的)pin二极管来实现(电流控制)电阻器RF。第一电流源IC1与节点BB连接，其中节点BB与pin二极管D1、D2所连接到的背对背节点相对应。将第二电流源IC2连接在放大器T1的输入处。第一电流源涉及控制电流ICTRL。第二电流源将提供0，5ICTRL的电流。将第一和第二电流源IC1、IC2、放大器T1以及第一电阻器R1实现在芯片管芯CD上。在芯片管芯CD的输入处提供输入电容器Ci和源电阻Rs，以及在输出处提供输出电容器Co和负载电阻RL。将芯片管芯CD、pin二极管D1、D2、输入电容器Ci以及输出电容器Co实现为系统级封装SiP。
通过将二极管D1、D2背对背放置，将抵消各个二极管的二阶失真。还可以进行公共阴极配置，然而这需要在输入和输出处的更高DC电压电平或需要负电源电压。反馈配置还将改进三阶失真以及反馈电阻的范围。需要将两个背对背二极管D1、D2匹配并且能够采用与单个pin二极管相当的成本使用标准分立SMD部件。二极管的特殊布置避免了跨越反馈网络的电压降，并且允许DC耦合的反馈网络。此外，不需要去耦合电容器并且配置简化了低电压解决方案或在负反馈放大器内保留了更多的电压空间。
能够将正向偏置电流或控制电流完全整合，并且能够仅利用两个电流源IC1和IC2简单地实现所述正向偏置电流或控制电流。将主控制电流IC1放置在节点BB处(即，公共阳极)，并且将所述主控制电流IC1等分成两个偏置电流，这是因为电流源IC2的连接(IC2＝1/2IC1)。可以将第二电流源IC2放置在输入电阻器之前或之后。然而，针对回路增益以及噪声优势，根据图6的实现是优选的。通过第二pin二极管D2的偏置电流与通过D1的偏置电流相对应，以抵消任何二阶失真。通过第二二极管D2的电流将流向放大器的输出。
图7示出了根据第三实施例的、根据图6的电路图的放大器的更详细电路图。根据第三实施例，将放大器T1实现为简化的2级负反馈放大器，即，根据第三实施例的电路同图6与图3的电路的结合相对应。放大器T1包括第一和第二晶体管Q1、Q2以及第三和第四电流源Ib1和Ib2，以实现2级。
在放大器T1的输入处，使用公共发射极晶体管Q1(或在FET情况下的公共源极)以使NF最小以及使回路增益最大。在放大器T1的输出处，使用公共集电极或射极跟随器(follower)(或在FET情况下的源极跟随器)以实现非常低欧姆的输出阻抗。与输出级有关的、第三电流源的偏置电流Ib2将从第二pin二极管D2汲取(sink)电流。由于控制电流Ictrl使得输出级Q2中的电流减小，然而可以将该情况忽略，或通过在需要时将Ib2实现为Ictrl的函数来对该情况进行补偿。利用来自第二电流源IC2的电流能够补偿第一级Q1的基极电流，以抵消任何二阶失真。
例如，在TV分路配置中，在正常工作的情况下，输出级Ib2中的偏置电流至少是Ictrl的10倍，即，能够预计这样小的影响。
来自第一和第二电流源IC1和IC2的实际噪声影响取决于控制电流Ictrl。对于低噪声或高增益操作而言，通过二极管D1、D2的偏置电流最小。这在最苛刻的情况下使散粒噪声(shot-noise)最小，并且对于电流源内的退化(degeneration)允许最大的电压空间。在噪声指数方面的影响约为0.2dB，并且主要是来自IC2的散粒噪声。
图8示出了根据第四实施例的放大器的电路图。根据第四实施例的电路图基于根据图6的第二实施例的电路图。除了图6的电路元件以外，在放大器的输入处提供高通滤波器HPF以滤除偏置电流IC2，使得在使用CENELEC所需要的滤波器的情况下不用额外的部件就能够将来自偏置电流的散粒噪声滤除。例如，可以将高通滤波器HPF实现为民用波段滤波器。
图9示出了根据第五实施例的、根据图8的放大器的更详细电路图。在图9中，实现具有两个凹槽(notch)的CB滤波器HPF。通过由第二电感L2和第二电容器C2构成的低通滤波器将来自电流源IC2的噪声滤除。可以在需要时将电阻器R1布置在芯片管芯上，然而通过将其放置在模块中能够实现更精确的输入匹配(对于噪声而言是最佳的)并且能够避免一个芯片焊接(die bonding)。
图10示出了根据第六实施例的放大器的电路图。根据第六实施例的电路图基于根据图6的第二实施例的电路图。然而，尽管根据图6将两个pin二极管D1、D2背对背连接，然而在此以公共阴极实现两个pin二极管D1、D2。因此，将pin二极管D1、D2处的DC电压增大，以使放大器输出处的电压波动最大。增大DC电压改进了输出电流源的线性性能。利用更高的DC电压，具有接地电流源IC1的公共阴极配置变得更加可行。利用相同的2级负反馈放大器(接地的公共发射极放大器输入级和公共集电极输出级)，需要输入处的AC耦合(Ube≈0.8V)。因此，由于更大电压空间对于IC2可用，所以放大器对噪声更不敏感。可以将针对IC1的电流源实现为NPN型。电流源IC2不需要基极电流，即对于IC2而言不需要附加的补偿。
图11示出了根据第七实施例的放大器的电路图。根据第七实施例的电路图与图10的电路图相对应，其中，更详细地示出了放大器。由于在放大器输入处的AC耦合，使得需要针对输入级的不同偏置方案(因为现在不存在DC回路了)。
可以将附加集成电阻器与pin二极管连接，串联或并联。这将减小增益范围，然而能够改进失真。无源串联电阻器还改进放大器的稳定，以及阻碍焊线以及其它寄生部件发生不期望的震荡。
根据本发明的放大器能够用于第四代硅调谐器中，以针对模拟和数字电视、DVD-R以及PC(包括便携式计算机)实现全性能单片硅前端。此外，可以在具有非常高线性需求的其它宽带AGC放大器中实现根据本发明的放大器。
应该注意，上述实施例说明而非限制本发明，本领域技术人员能够在不背离所附权利要求范围的前提下设计出许多候选实施例。在权利要求中，位于括号中的任何参考标记不应被理解为对权利要求的限制。词语“包括”不排除存在权利要求中所列之外的其它元件或步骤。元件前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。在列举了若干器件的设备权利要求中，这些器件中的若干器件可以用同一硬件予以实现。在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施这一事实，并不表示不能有利地将这些措施结合使用。
此外，权利要求中的任何附图标记不应该被理解为限制权利要求的范围。

Claims (8)

1、一种增益控制低噪声放大器装置，包括：
放大器单元(T1)；
第一和第二pin二极管(D1，D2)，在放大器单元(T1)的输入与输出之间以相反的正向将所述第一和第二pin二极管(D1，D2)串联在放大器单元(T1)的负反馈回路中；
第一电流源(IC1)，所述第一电流源(IC1)与第一和第二pin二极管(D1，D2)之间的节点连接；以及
第二电流源(IC2)，所述第二电流源(IC2)与放大器单元(T1)的输入连接。
2、根据权利要求1的放大器装置，其中，以公共阳极配置将第一和第二pin二极管(D1，D2)连接在一起。
3、根据权利要求1的放大器装置，其中，以公共阴极配置将第一和第二pin二极管(D1，D2)连接在一起。
4、根据权利要求2或3的放大器装置，还包括芯片管芯(CD)，其中将放大器单元(T1)以及第一和第二电流源(IC2，IC1)布置在芯片管芯(CD)上。
5、根据权利要求4的放大器装置，还包括具有芯片管芯(CD)以及第一和第二pin二极管(D1，D2)的系统级封装布置。
6、根据权利要求4的放大器装置，还包括高通滤波器(HPF)，所述高通滤波器(HPF)与第二电流源(IC2)连接以滤除来自第二电流源(IC2)的噪声。
7、一种包括增益控制低噪声放大器装置的视频处理设备，包括：
放大器单元(T1)，
第一和第二pin二极管(D1，D2)，在放大器单元(T1)的输入与输出之间以相反的正向将所述第一和第二pin二极管(D1，D2)串联在放大器单元(T1)的负反馈回路中；
第一电流源(IC1)，所述第一电流源(IC1)与第一和第二pin二极管(D1，D2)之间的节点连接；以及
第二电流源(IC2)，所述第二电流源(IC2)与放大器单元(T1)的输入连接。
8、一种数据处理设备，包括根据权利要求1至6之一的增益控制低噪声放大器装置。
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