CN1028395C - 可调节放大器电路 - Google Patents

Abstract

可调节放大器是已公知的技术，例如它被用来对ZF-信号进行幅度调节，这种放大器例如可包含在TDA 4443型的集成电路中，但这种公知的放大器不是噪音太大就是线性有限或者其线性调节不是呈dB-线性。为了改善其调节特性，将在一个差分放大器内的负反馈网络分为多个单个网络，并对这些单个网络分别提供控制电流。为了使网络中的非线性部分产生的失真小，也就是提高交叉调制度，每个单个网络的控制电流随着输入电压的增加而减小。为了实现dB-线性的调节特性，其控制电流的特性曲线可以呈双曲正切的形状。另外，这种放大器具有相对小的噪音。

Description

本发明涉及一种可调节放大器电路。

可调节放大器是一种公知的电路，例如应用它来对ZF-信号进行幅度调节，在TDA    4443集成电路中也使用这种放大器。但在这种公知的可调节放大器中存在的缺陷是噪音太高或线性有限或调节特征不是dB-线性。

本发明的任务是给出一种具有较高线性和改进了其噪音特性的可调节放大器电路。这是通过在权利要求1中所给出的本发明的电路来解决的。

在原理上，本发明的电路设置有一个接收输入电压的差分放大器，它包含有n个第一晶体管和一个第二晶体管，它们与由至少3个电阻组成的串联电路相联接，在这些电阻之间至少各联接有一个分支元件，这些元件中的每个元件至少与一个电流源相联，并且这些电流源的电流根据输入电压而变化。

本发明电路的特殊的优点是，在dB线性调节时，这些电流源的电流和一个参考电压有关，其中在串联电路中间部分放置的元件的参考电压最低，而在串联电路端部放置的元件的参考电压最高。

本发明另外的优点是在进行线性调节时，电流源的电流相互成比例，并且从串联电路的中间位置到端部位置逐渐减小。

从属权利要求中给出了具有这些优点的本发明的构型。

在一个差分放大器内，整个负反馈网络被分成各个单独的网络，它们是由至少一个本身的控制电流供电。为了减小电路中所包含的非线性元件（例如二极管）所造成的失真，也就是要提高交叉调制度，各个控制电流将随输入电压的增加而减小。为了进行dB-线性特性调节，控制电流可以是双曲正切形状或类似形状的特性曲线。具有这种构型和功能原理的放大器具有较低的噪音。

将借助于附图说明本发明的实施例。

图1是公知的可调节放大器电路;

图2是本发明的可调节放大器电路;

图3是图2所示的放大器的控制电流的特性曲线;

图4是具有dB-线性调节特性的控制电流特性曲线;

图5是产生图4所示特性曲线的电路;

图6是由多个单个放大器组成的放大器块;

图7是线性调节特性的控制电流的特性曲线;和

图8是另一个本发明的可调节放大器电路。

图1中包含有一个第1晶体管Q₁₁和一个第2晶体管Q₁₂，它们连接成差分放大器形式。这些晶体管的集电极分别通过第一电阻R₁₁和第二电阻R₁₂与电源电压相连接。这些晶体管的发射极分别通过第一电流源IO₁₁和第二电流源IO₁₂与地相连接。输入电压Vin接到两个晶体管的基极。从两个晶体管的集电极之间取出输出电压VouT。在两个晶体管的发射极之间接有一个可调节的电阻R₁₀，利用这个电阻可以设定电路的放大倍数。当R₁₁＝R₁₂＝R和IO₁₁＝IO₁₂＝IO时， 则VouT＝Vin^＊R/R₁₀。

图2中包含有8个串联连接的电阻R_1a-R_4a和R_1b-R_4b;6个从这些电阻分支出的元件D_1a-D_3a和D_1b-D_3b和3个分别与地和这些元件相连接的电流源I1-I3所组成的网络，该网络代替了图1中的可调节电阻R₁₀。

在双极性电路中这6个元件可以是二极管，它们的流通方向指向电流源I1-I3。这些二极管的交流电阻等于V_T/I，其中V_T是T温度时的电压，I是通过二极管的电流。

在MOS电路情况下，这6个元件可以是由FET晶体管构成的可调电阻，通过对N-MOS和P-MOS晶体管的组合可呈现较好线性的电阻。

电路中Q₂₁，Q₂₂，R₂₁，R₂₂，IO₂₁和IO₂₂分别与图1电路中的Q₁₁，Q₁₂，R₁₁，R₁₂，IO₁₁和IO₂₂相对应。

替代电阻R₁₀的电路部分的数量或依次接入的分压级的数量可按照所使用的运行电压和所需的调节范围而定。

从低电平开始，当输入电压Vin增加时，电流源I1的电流首先减小，则元件（二极管）D1a和D1b是高阻值。在高电平时，D1a和D1b所产生的失真相对于放大器总的失真的影响可以忽略不计，并且放大倍数相应的减小。元件R_1a和R_2a及R_1b和R_2b相对于元件D_2a和D_2b来说相当于一个具有放大了分压比的一个分压器，这样，相对于D_2a和D_2b相应的较高的输入电压Vin是允许的。随后的元件的输入电压将继续增加。

例如可采用如下的数据：

R₂₁＝R₂₂＝3.9KΩ

R_1a＝R_1b＝100Ω

R_2a＝R_2b＝1.38KΩ

R_3a＝R_3b＝1.26KΩ

R_4a＝R_4b＝1.26KΩ

图3给出了随放大倍数G增加的电流源I1，I2，I3的控制电流幅度A的变化。在较大的放大倍数情况下（即较小的输入电压Vin下）所有的控制电流将达到最大值。在输入电压增加时（即放大倍数减小时）首先电流源I1的控制电流减小，当这个控制电流等于零时，电流源I2的控制电流开始减小，当I2的控制电流为零时，电流源I3的控制电流开始减小，当I3的控制电流为零时，其放大倍数为最小。相应的其余的控制电流也可依此类推。

这种方式使得输出电压VouT在其放大器调节范围之内与输入电压Vin无关而保持恒定，与公知的电平放大器相比，这种放大器的线性在调节范围内显著的提高了。

通过电流源I1-I3的控制电流的过程，可以相应地影响图2中放大器的调节特性。通过较大的控制电流可得到较大的放大倍数。控制电流的数目可由整个调节范围的线性的要求来设定，但是，增加控制电流的数目或增加控制电流的总量需要相应地提高运行电压U。当电流源I2等于零和电流源I3的控制电流刚刚减小时放大因数是30，对于其它控制电流的相应的放大因数可由向任一电流源I1，I2，I3提供的参考电压来确定。

一个ZF-放大器具有的调节范围是60dB。而一控制电压V_AGC例如应可在6dB范围内调整，对于这样的线性调节特性其控制电压为：

V_{AGC 6dB}＝（2/1000）＊V_{AGC Max}

（6dB＝因子2，60dB＝因子1000）

在这种dB-线性调节特性情况下，控制电压为：

V_{AGC 6dB}＝（6/60）＊V_{AGC Max}

这种dB-线性调节特性具有调节简单，调节速度和电平稳定的优点。

使用本发明电路具有很容易实现dB-线性调节特性的优点。在图4中给出了相应于放大倍数G的电流源I1，I2，I3的改进了的控制电流的幅度特性A。每个特性曲线和双曲正切特性曲线类似。图3的说明在这里也适用。

使用图5所示的电流源电路可以实现如图4中所示的相应特性曲线的电流源I1，I2或I3。

向三个电流源电路提供相同的控制电压V_AGC和任何一个单独的参考电压Vref。将控制电压V_AGC和参考电压Vref加到两个差分放大器晶体管Q₅₁和Q₅₂，它们的发射极与电阻R₅₀相连接并分别经电流源IO₅₁和IO₅₂与地相联。Q₅₁的集电极通过两个二极管D₅₁和D₅₂与运行电压U相连接，Q₅₂的集电极电压通过两个二极管D₅₃和D₅₄和运行电压U相联。两个集电极的电压差加到另外差分放大器-晶体管Q₅₃和Q₅₄的基极，并且由晶体管Q₅₁和Q₅₂来控制差分放大器。Q₅₃和Q₅₄的发射极经第三电流源I₅₀和运行电压相连。Q₅₃的集电极接地，Q₅₄的集电极和第五个晶体管Q₅₅的基极和集电极相联，它的发射极经第2个电阻R₅₁接地并且其基极和第6个晶体管的基极相联。第6个晶体管的发射极经第3个电阻R₅₂接地，从集电极可取出任一电流源I1，I2和I3的电流。

电压是V＝（V_AGC-Vref），Io是由电流源IO₅₁的IO₅₂和I₅₀的IO₅₀的注入电流时，有在任一输出电流Oou_T。

In＝C＊IO₅₀＊[1/1+（（IO+V/R₅₀）/（IO-V/R₅₀））^K）]

其中n是任一特性曲线的脚注（n＝1，2，3）

k是任意接入二极管的数目

c是一个常数，例如c＝3

在图5的电流源电路中k＝2。任一控制电流-特性曲线的斜率是除以电阻R₅₀和IO₅₀/Io的比和控制电流的任一最大值除以IO₅₀给出的。

例如在图6中所示的电流源框图61中，采用如下数值的元件：

U＝7.7V

电流源I1：

R₅₀＝8.0KΩ

R₅₁＝R₅₂＝2.7KΩ

Io＝167μA

I₅₀的电流＝103μA

Vref＝3.624V

电流源I2

R₅₀＝10.0KΩ

R₅₁＝R₅₂＝2.25KΩ

Io＝50.6μA

I₅₀的电流＝103μA

Vref＝2.76V

电流源I3：

R₅₀＝4.0KΩ

R₅₁＝R₅₂＝1.5KΩ

Io＝50.5μA

I₅₀的电流＝103μA

Vref＝2.179V

对于在图6中所示的第二个电流源框63中，采用如下数值元件：

电流源I1：

Io＝169μA

Vref＝5.67V

电流源I2：

Io＝51.4μA

Vref＝4.766V

电流源I3：

Io＝51.3μA

Vref＝4.326V

图6中所示的ZF-放大器中包括了四个单独的放大器V1-V4，它们与图2中的一个可调节放大器相对应。这些放大器所必须的控制电流被提供给图5所示的6个电流源电路，其中前面的三个电流源 电路合并作为第一个电流源组61，另外三个电流源电路合并作为第二个电流源组63，第一个电流源组61控制第一放大器V1和第二放大器V2，第二电流源组63控制第三放大器V3和第四放大器V4，根据所要求的调节质量可选择电流源组的数目为1-4个。

一个电流源组相应于图5所示的三个电流源电路。电流源组包括共同的控制电压V_AGC，并从参考电压组中所获得各自的参考电压。

依次连接的调节放大器构成了集成电路的ZF-放大器电路的主要部分。

通过使用图7所示的两个控制电流进行调节也可得到一个线性的调节特性，为此，可在图2所示电路中采用如下具体元件参数：

R₂₁＝R₂₂＝3.0KΩ

R_1a＝R_1b＝100Ω

R_3a＝R_3b＝2.486KΩ

R_4a＝R_4b＝158Ω，去除R_2a，R_2b和I₂。

不使用串联连接的8个电阻R_1a-R_4a和R_1b-R_4b，以及由这些电阻分支出去的元件D_1a-D_3a和D_1b-D_3b，以及在一侧接地而另一侧则和上述元件相连接的3个电流源I1-I3（图2）所组成的网络，而使用图8所示的网络。

在与晶体管Q₂₁和Q₂₂相对应的晶体管Q₈₁和Q₈₂的发射极之间串联有下述元件：

-电阻R_81a，R_81b，R₈₀₁和在这些电阻之间连接的二极管D_81a和D_81b，电流源I1和二极管相连;

-电阻R_83a，R_83b，R₈₀₃和这些电阻之间连接的二极管D_83a和D_83b，电流源I3和二极管相连;

-电阻R_82a，R_82b，R₈₀₂和在这些电阻之间连接的二极管D_82a和D_82b，电流源I2和二极管相连，其中电阻R_82a和R_82b不是连接在两个晶体管发射极而是连接到电阻R_81a和R₈₀₁以及电阻R_81b和R₈₀₁之间。

和R₈₀₂可以并联连接相应的元件和电流源。

Claims (11)

1、一种可调节放大器电路，具有接收输入电压(V_in)的差分放大器，该放大器电路包括有一个第一晶体管(Q₂₁)和一个第二晶体管(Q₂₂)，它们的发射极接有电阻，其特征在于其发射极接有由至少三个电阻(R_1a-R_4a，R_1b-R_4b；R_81a，R₈₀₁，R_81b)的串联电路，其中，在这些电阻之间可各分支出一个可控电阻元件(D_1a-D_3a，D_1b-D_3b；D_81a-D_81b)这些元件的每个分别与一个相应的电流源(11，12，13)相连，并且这些电流源的电流随输入电压(V_in)而变化，这些串连电路中的电阻中的中间电阻(R₈₀₁)可分成两个单独的电阻，在这两个电阻的连接处没有可控电阻元件分支出来。

2、权利要求1所述的电路，其特征是，电流源（I1，I2，I3）的电流还与一参考电压有关，其中对串联电路中间设备的可控电阻元件（D_3a，D_3b）所提供的参考电压最低而对接近串联电路端设备的可控电阻（D_1a，D_1b）提供的参考电压最高。

3、权利要求1或2所述的电路，其特征是，可控电阻元件（D_1a，D_3a，D_1b，D_3b）是二极管或是由FFF晶体管形成的可控电流电阻，特别是由N-MOS和P-MOS晶体管组成的晶体管对。

4、权利要求1或2或3中所述的电路，其特征是，电流源（I1，I2，I3）的电流在幅度上和伺服放大器的增益有关，并且由一个幅度增加部分和一个幅度平坦部分组成，前一个特性曲线的增加部分终止时则下一个特性曲线的增加部分开始，任一个参考电压（Vref）确定该特性曲线增加部分的开始和/或结束。

5、权利要求1或2或3或4中所述的电路，其特征是，电流源（I1，I2，I3）的电流的特性曲线（图1）实际上具有双曲正切的形状。

6、权利要求5所述的电路，其特征是，可调放大器的调节特性实质上是dB-线性或线性的。

7、权利要求4或5或6中所述的电路，其特征是，在串联电路中间设置的可控电阻元件（D_3a，D_3b）的特性曲线的平坦部分最低，越靠近串联电路端部设置的可控电阻元件的特性曲线的平坦部分越高。

8、权利要求4或5或6中所述的电路，其特征是，多个伺服放大器依次串联连接，其中后一个调节放大器的参考电压（Vref）总是高于前一个放大器的参考电压。

9、权利要求8所述的电路，其特征是，由至少两个依次相连的伺服放大器组成的相应可控电阻元件（D_1a-D_3a，D_1b-D_3b）联接到共同的电流源（I1，I2，I3）上。

10、权利要求8或9所述电路，其特征是，串联的伺服放大器实际上构成了集成电路ZF-放大电路的一部分。

11、权利要求1或2或3或4或5或7或8或9或10中任一个所述的电路，其特征是，除了包含至少三个电阻（R_81a，R₈₀₁，R_81b）的串联电路，还提供了多个电阻（R_82a，R₈₀₂，R_82b，R_83a，R₈₀₃，R_83b）的串联电路，它们与所述的串联电路并联或接于所述的串联电路的电阻（R_81a或R_91b）而不和第一及第二晶体管相连，从而在这些电阻之间分支出一个电阻可调的元件（D_82a，D_83a，D_82b，D_83b），该元件分别和一个电流源（I2，I3）相连，并且这些电流源的电流随输入电压（Vin）而变化。

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