CN101741320B - 可编程增益放大器 - Google Patents

Abstract

具有不同增益的第一增益级与第二增益级串联以构成广域且高解析的可编程增益放大器。该第二增益级仅可作为低增益与低电耗之用。此外，两对断波器电路在可编程增益放大器运作时，用来移转闪烁噪声。

Description

可编程增益放大器

技术领域

本发明涉及可编程增益放大器。更具体地说，本发明涉及一种广域且高解析的可编程增益放大器。

背景技术

现代的通讯接收器，通过模拟数字转换器的协助，将接收到的信号数值化，以便能在数字域处理复杂的信号。三角积分调节器(delta-sigmamodulator)是广为使用的转换器。它能简易地通过使用低价CMOS工艺，诸如用来生产数字集成电路的工艺来制造。然而，输入信号通常非常微弱。因此，增益放大器就用来做效果较佳的调节器以提供适当的输入信号。

工程师期望一种可以放大广域模拟输入信号的增益放大器，多阶可编程增益放大器在这种目的下诞生了。以高增益2阶运算放大器为例，其拥有高达3dB的频宽。依照封闭回路结构内不同特定的反馈因子与相位裕度，要维持广域可编程增益放大器的设计以稳定“广域”是非常困难的。另一个在使用模拟数字转换器常遇到的问题是噪扰。对于高解析模拟数字转换器，误差源来自噪扰。低解析模拟数字转换器，则主要来自噪扰运算放大器的闪烁噪声。在此同时，因电路设计的不协调也始终存在着偏移电压，电量消耗于多阶放大器内也不是很均匀。许多的发明都为了解决或消除上述问题而产生。

参见图1。美国专利第4,438,354号提供了一个消除电路内运算放大器的内在偏移电压的方法。由其它原因，包含寄生电容、开关的运作、与漏电所造成的偏移电压也被消除。

图2展示美国专利第4,555,668号的发明。增益放大器减少了由第二阶频率的相位延迟造成的偏移电压。两个增益级减少输入电容器与反馈电容器的电容比值以达到一个期望的总增益。

美国专利第6,661,283号(图3所示)为一单阶可编程增益放大器。6,661,283号专利具有降低电量消散与热噪扰的优点。

美国专利第6,262,626号(图4所示)与美国专利第7,224,216号(图5所示)利用了断波器技术。通常而言，用于放大器的断波器技术是用来将偏移噪扰与1/f噪扰调变至高频。通过低通滤波器，偏移噪扰与1/f噪扰理想上是可以被移除。6,262,626号专利使用一对断波器以减少放大器造成的直流偏移噪扰。6,262,626号专利用了最少两阶断波放大器。其效果可解决开回路问题，避免逃逸情形与减少噪扰在基带频率与断波效果强度上的混迭。

虽然这些发明解决了部份上述问题，但都不是完整的解决方案。

发明内容

本段文字摘录并概述本发明的某些特征；其余特征将在之后章节里进一步揭露。该特征包含了申请专利范围的实质与范畴内的各种修改型态与相似布置排列。

本发明提供一种可编程增益放大器，包括：第一增益级，该第一增益级包括第一可变电容器，用于接入第一输入信号；第二可变电容器，用于第二输入信号；第一运算放大器，该第一运算放大器具有与第一可变电容器连接的第一输入结点以及与第二可变电容器连接的第二输入结点，用于将第一输入信号和第二输入信号放大成为第一中间信号和第二中间信号，并将该第一中间信号和该第二中间信号分别输出至第一输出结点和第二输出结点；第一固定电容器，用于连接第一可变电容器与第一输出结点；第一开关，用于连接第一可变电容器与第一输出结点；第二固定电容器，用于连接第二可变电容器与第二输出结点；以及第二开关，用于连接第二可变电容器与第二输出结点；以及第二增益级，该第二增益级包括与第一输出结点耦合的第三可变电容器；与第二输出结点耦合的第四可变电容器；第二运算放大器，该第二运算放大器具有与第三可变电容器连接的第三输入结点以及与第四可变电容器连接的第四输入结点，用于将第一中间信号和第二中间信号放大成为第一输出信号和第二输出信号，并将该第一输出信号和该第二输出信号分别输出至第三输出结点和第四输出结点；第三运算放大器，该第三运算放大器具有与第三可变电容器连接的第五输入结点以及与第四可变电容器连接的第六输入结点，用于将第一中间信号和第二中间信号放大成为第三输出信号和第四输出信号，并将该第三输出信号和该第四输出信号分别输出至第三输出结点和第四输出结点；第三固定电容器，用于连接第三可变电容器与第三输出结点；以及第四固定电容器，用于连接第四可变电容器与第四输出结点。

根据本发明构想，进一步包括第一多任务器，用于为第二增益级内的第二运算放大器和第三运算放大器提供多任务传输。

根据本发明构想，进一步包括第二多任务器，用于将第一输入信号和第二输入信号提供至第三可变电容器和第四可变电容器，从而在需要低增益时不使用第一增益级。

根据本发明构想，其中当不使用第一增益级时，第一输入信号接入至第三可变电容器而第二输入信号接入至第四可变电容器。

根据本发明构想，其中第一可变电容器与第二可变电容器具有第一电容值，而第一固定电容器与第二固定电容器具有第二电容值。

根据本发明构想，其中第一增益级具有通过第一电容值与第二电容值的比例确定的第一增益因子。

根据本发明构想，其中第三可变电容器和第四可变电容器具有第三电容值，而第三固定电容器和第四固定电容器具有第四电容值。

根据本发明构想，其中第二增益级具有通过第三电容值与第四电容值的比例确定的第二增益因子。

根据本发明构想，进一步包括，第一输入断波器，设置在第一与第二输入信号以及第一与第二可变电容器之间；第一输出断波器，设置在第一与第二输出结点以及第三与第四可变电容器之间；第二输入断波器，设置在第三与第四可变电容器以及第三至第六输入结点之间；以及第二输出断波器，设置在第三与第四输出结点以及第三与第四可变电容器之间。

根据本发明构想，其中第一输入断波器通过第一断波器频率与第一输出断波器同步，且第二输入断波器通过第二断波器频率与第二输出断波器同步。

根据本发明构想，其中第一断波器频率与第二断波器频率之间具有相位延迟。

根据本发明构想，其中该相位延迟为3/4π。

附图说明

发明领域内具有通常知识者可在阅读以下详细说明描述后更加体会上述本发明的宗旨与优点，附图中：

图1描绘一个常见的多阶可编程增益放大器；

图2描绘另一个常见的多阶可编程增益放大器；

图3描绘一个常见的广域且多阶增益可编程增益放大器；

图4描绘一个常见的通过两对断波器以减少因放大器造成的直流偏移噪扰；

图5描绘一个常见的分段断波放大器；

图6描绘依照本发明的广域且高解析可编程增益放大器的第一实施例；

图7描绘依照本发明的广域且高解析可编程增益放大器的第二实施例；以及

图8描绘广域且高解析可编程增益放大器的第二实施例中的断波器频率。

主要组件符号说明

10第一增益级            102第一可变电容器

104第二可变电容器       106第一运算放大器

108第一固定电容器       110第二固定电容器

112第二输入结点         114第二开关

120第一输入结点         122第二输入结点

124第一输出结点         126第二输出结点

20第二增益级            202第三可变电容器

204第四可变电容器       206第二运算放大器

208第三运算放大器       210第三固定电容器

212第四固定电容器       220第三输入结点

222第四输入结点         224第五输入结点

226第六输入结点         228第三输出结点

230第四输出结点         30第一输入信号源

60第一增益级            602第一可变电容器

604第二可变电容器       606第一运算放大器

608第一固定电容器       610第二固定电容器

612第一开关             614第二开关

616第一输入断波器电路   618第一输出断波器电路

620第一输入结点         622第二输入结点

624第一输出结点         626第二输出结点

70第二增益级            702第三可变电容器

704第四可变电容器      706第二运算放大器

708第三运算放大器      710第三固定电容器

712第四固定电容器      714第二输入断波器电路

716第二输出断波器电路  720第三输入结点

722第四输入结点        724第五输入结点

726第六输入结点        728第三输出结点

730第四输出结点        80第一输入信号源

具体实施方式

本发明将于下列的实施例中更具体的揭露。但值得注意的是，下列本发明实施例中的描述仅出于描述与图式之用，发明本身并不局限于揭露的型态与式样。

请参见图6。图6为本发明第一实施例的概略图。可编程增益放大器具有第一增益级10与第二增益级20。

在第一增益级10内的组件描述如下。第一输入信号源30提供正电压Vin+与负电压Vin-以将其放大。第一可变电容器102接入电压Vin+。第二可变电容器104接入电压Vin-。第一运算放大器106具有第一输入结点120、第二输入结点122、第一输出结点124与第二输出结点126。该第一运算放大器106经由第一输入结点120与第一可变电容器102连接以及经由第二输入结点122与第二可变电容器104连接。第一固定电容器108连接第一可变电容器102与第一输出结点124。第一开关112连接第一可变电容器102与第一输出结点124。第二固定电容器110连接第二可变电容器104与第二输出结点126。第二开关114连接第二可变电容器104与第一输出结点126。

第二增益级20内的组件描述如下。第三可变电容器202与第一输出结点124电耦合。第四可变电容器204与第二输出结点126电耦合。第二运算放大器206具有第三输入结点220、第四输入结点222、第三输出结点228以及第四输出结点230。第三运算放大器208具有第五输入结点224、第六输入结点226、第三输出结点228与第四输出结点230。该第二运算放大器206经由第三输入结点220与第三可变电容器202连接以及经由第四输入结点222与第四可变电容器204连接。第三运算放大器208经由第五输入结点224与第三可变电容器202连接以及经由第六输入结点226与第四可变电容器204连接。第三固定电容器210连接至第三可变电容器202与第三输出结点228。第四固定电容器212连接至第三可变电容器202与第四输出结点230。

在此设计中有256个增益级距。最大增益为128且最小增益为1/4。第一增益级10有自2至8的增益与2位分辨率。第二增益级20有自1/4至16的增益与7位分辨率。于此，范围越宽的增益对应越高的分辨率。对低增益需求而言，第一增益级10是不需使用的因此可将其关闭，第一运算放大器102会被切断以节省电力。当第一增益级10关闭时，视第一增益为1，而第二增益级20提供自1/4至16的增益。第一输入信号源30越过第一增益级10向第二增益级20提供电压。

多任务器(未示出)可用来提供开关功能。第二运算放大器206具有自1/4至2的增益且第三运算放大器208具有自2至8的增益。当其中一个运算放大器被使用，另一个就关闭以节省电力。

在第二实施例中，本发明运用了断波技术。请参见图7。可编程增益放大器具有第一增益级60、第二增益级70、第一输入断波器电路616、第一输出断波器电路618、第二输入断波器电路714与第二输出断波器电路716。

第一增益级60内的组件描述如下。第一输入信号源80提供正电压Vin+与负电压Vin-以将其放大。第一可变电容器602与电压Vin+电耦合。第二可变电容器604与电压Vin-电耦合。第一运算放大器606具有第一输入结点620、第二输入结点622、第一输出结点624以及第二输出结点626。第一运算放大器606经由第一输入结点620与第一可变电容器602连接且经由第二输入结点622与第二可变电容器604连接。第一固定电容器608连接至第一可变电容器602与第一输出结点224。第一开关612连接至第一可变电容器602与第一输出结点624。第二固定电容器610连接至第二可变电容器604与第二输出结点626。第二开关614连接至第二可变电容器604与第一输出结点626。

第二增益级70内的组件描述如下。第三可变电容器702与第一输出结点624电耦合。第四可变电容器704与第二输出结点626电耦合。第二运算放大器706具有第三输入结点720、第四输入结点722、第三输出结点728以及第四输出结点730。第三运算放大器708具有第五输入结点724、第六输入结点276、第三输出结点728以及第四输出结点730。第二运算放大器706经由第三输入结点720与第三可变电容器702连接以及经由第四输入结点722与第四可变电容器704连接。第三运算放大器708经由第五输入结点724与第三可变电容器702连接且经由第六输入结点726与第四可变电容器704连接。第三固定电容器710连接至第三可变电容器702以及第三输出结点728。第四固定电容器712连接至第三可变电容器702与第四输出结点730。

在第一增益级内，第一输入断波器电路616安装于输入信号源80与可变电容器之间(第一可变电容器602与第二可变电容器604)。第一输出断波器电路618安装于第一增益级的输出结点(第一输出结点624与第二输出结点626)与第二增益级的可变电容器(第三可变电容器702与第四可变电容器704)之间，并与第一输入断波器616同步。在第二增益级内，第二输入断波器电路714安装于可变电容器(第三可变电容器702与第四可变电容器704)与输入结点(第三输入结点720、第四输入结点722、第五输入结点724及第六输入结点726)之间。第二输出断波器电路安装于输出结点(第三输出结点728与第四输出结点730)与可变电容器(第三可变电容器706与第四可变电容器708)之间，并与第二输入断波器电路714。

在此设计中有256个增益级距。最大增益为128且最小增益为1/2。第一增益级60有自2至8的增益与2位分辨率。第二增益级70有自1/4至16的增益与6位分辨率。于此，范围越宽的增益对应越高的分辨率。对低增益需求而言，第一增益级60是不需使用，因此可将其关闭，第一运算放大器606会被切断以节省电力。当第一增益级60关闭时，视第一增益为1，而第二增益级70提供自1/4至16的增益。第一输入信号源80越过第一增益级60向第二增益级70提供电压。

多任务器(未示出)可用来提供开关功能。第二运算放大器706具有自1/4至2的增益且第三运算放大器708具有自2至16的增益。当其中一个运算放大器被使用，另一个就关闭以节省电力。

断波技术可以将闪烁噪声移转至高频。相位延迟为3/4π(频率的全周期为2π)导入于第一断波器电路频率与第二断波器电路频率。请参见图8。与主频率相比较，断波频率的频率仅为主频率的1/4。第二断波器电路频率的相位延迟造成了断波频率仅发生在输入信号的采样之后。因此，偏移噪扰与1/f噪扰被移转至高频处。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。反之，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许的改动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求为准。

Claims (10)

1.一种可编程增益放大器，该可编程增益放大器包括：

第一增益级，该第一增益级包括：

第一可变电容器，用于接入第一输入信号；

第二可变电容器，用于接入第二输入信号；

第一运算放大器，该第一运算放大器具有与所述第一可变电容器连接的第一输入结点以及与所述第二可变电容器连接的第二输入结点，用于将所述第一输入信号和所述第二输入信号放大成为第一中间信号和第二中间信号并将该第一中间信号和该第二中间信号分别输出至第一输出结点和第二输出结点；

第一固定电容器，用于连接所述第一可变电容器与所述第一输出结点；

第一开关，用于连接所述第一可变电容器与所述第一输出结点；

第二固定电容器，用于连接所述第二可变电容器与所述第二输出结点；以及

第二开关，用于连接所述第二可变电容器与所述第二输出结点；以及

第二增益级，该第二增益级包括：

与所述第一输出结点耦合的第三可变电容器；

与所述第二输出结点耦合的第四可变电容器；

第二运算放大器，该第二运算放大器具有与所述第三可变电容器连接的第三输入结点以及与所述第四可变电容器连接的第四输入结点，用于将所述第一中间信号和所述第二中间信号放大成为第一输出信号和第二输出信号并将该第一输出信号和该第二输出信号分别输出至第三输出结点和第四输出结点；

第三运算放大器，该第三运算放大器具有与所述第三可变电容器连接的第五输入结点以及与所述第四可变电容器连接的第六输入结点，用于将所述第一中间信号和所述第二中间信号放大成为第三输出信号和第四输出信号并将该第三输出信号和该第四输出信号分别输出至所述第三输出结点和所述第四输出结点；

第三固定电容器，用于连接所述第三可变电容器与所述第三输出结点；

第四固定电容器，用于连接所述第四可变电容器与所述第四输出结点；

第一多任务器，用于为所述第二增益级内的第二运算放大器和第三运算放大器提供多任务传输；以及

第二多任务器，用于将所述第一输入信号和所述第二输入信号提供至所述第三可变电容器和所述第四可变电容器，从而不使用所述第一增益级。

2.根据权利要求1所述的可编程增益放大器，其中当不使用所述第一增益级时，所述第一输入信号接入至所述第三可变电容器而所述第二输入信号接入至所述第四可变电容器。

3.根据权利要求1所述的可编程增益放大器，其中所述第一可变电容器和所述第二可变电容器具有第一电容值，而所述第一固定电容器和所述第二固定电容器具有第二电容值。

4.根据权利要求3所述的可编程增益放大器，其中所述第一增益级具有通过所述第一电容值与所述第二电容值的比例确定的第一增益因子。

5.根据权利要求1所述的可编程增益放大器，其中所述第三可变电容器和所述第四可变电容器具有第三电容值，而所述第三固定电容器和所述第四固定电容器具有第四电容值。

6.根据权利要求5所述的可编程增益放大器，其中所述第二增益级具有通过所述第三电容值与所述第四电容值的比例确定的第二增益因子。

7.根据权利要求1所述的可编程增益放大器，该可编程增益放大器进一步包括：

第一输入断波器，设置在第一与第二输入信号以及第一与第二可变电容器之间；

第一输出断波器，设置在第一与第二输出结点以及第三与第四可变电容器之间；

第二输入断波器，设置在第三与第四可变电容器以及第三至第六输入结点之间；以及

第二输出断波器，设置在第三与第四输出结点以及第三与第四可变电容器之间。

8.根据权利要求7所述的可编程增益放大器，其中所述第一输入断波器通过第一断波器频率与所述第一输出断波器同步，且所述第二输入断波器通过第二断波器频率与所述第二输出断波器同步。

9.根据权利要求8所述的可编程增益放大器，其中所述第一断波器频率与所述第二断波器频率之间具有相位延迟。

10.根据权利要求9所述的可编程增益放大器，其中所述相位延迟为3/4π。

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