CN103368514B - 一种具有可变增益放大器的测量装置 - Google Patents

Abstract

一种具有可变增益放大器的测量装置，包括一个增益调整单元和一个控制单元；所述增益调整单元具有一对信号输入端、一对信号输出端和与所述控制单元连接的增益控制端；所述增益调整单元包括两组差分放大器，每组所述差分放大器均包括一个用于为所述差分放大器提供工作电流的恒流源，每组所述差分放大器均具有一对与所述增益调整单元的信号输出端连接的差分信号输出端、一对与所述增益调整单元的信号输入端连接的差分信号输入端、一个与所述增益控制端连接的开关控制端，所述控制单元用于通过所述开关控制端控制所述差分放大器的开关状态。本发明的测量装置增益能够精确控制、增益稳定度高、带宽稳定度高。

Description

一种具有可变增益放大器的测量装置

技术领域

本发明涉及测量、测试技术领域，特别是涉及一种具有可变增益放大器的测量装置。

背景技术

在测量、测试技术领域中，可变增益放大器(也称增益调整单元)是测量装置不可缺少的组成部分。通过改变可变增益放大器的增益可以调节测量装置的量程，表征在测量装置的显示部分中，即为调节测量装置的幅度灵敏度。

以现有示波器为例，参考图1，示波器100包括有依次连接的输入端子101、输入变换电路102、可变增益放大器103、模数转换器104、控制处理单元105。输入端子101一般采用BNC连接头或SMA连接头实现，通过连接探头将外部的被测信号引入示波器100，并将该信号耦合给输入变换电路102；所述输入变换电路102实现阻抗匹配、信号衰减等功能，既可以为从输入端子101引入的被测信号提供稳定的负载阻抗(一般有50Ω，75Ω和1MΩ三种)，又可以为后续的电路提供稳定的信号源阻抗，还可以将输入端子101引入的被测信号衰减或者放大固定的比例；经过输入变换电路102处理后的信号输入给可变增益放大器103，可变增益放大器103将信号放大一定比例后传输给模数转换器104，模数转换器104对信号进行数字化采样，得到数字采样信号，并传输给控制处理单元105，控制处理单元105对数字采样信号进行处理，得到用户需求的测量结果。

所述控制处理单元105还连接有输入单元106和显示单元107，输入单元106一般包括有按键、接收远程命令的通信接口等。用户可以通过输入单元106向控制处理单元105设置参数，例如选择输入变换电路102的负载阻抗、衰减比例，选择可变增益放大器103的放大比例，设置模数转换器104的采样率，等等。控制处理单元105将数据采样信号进行计算处理，可以通过显示单元107以波形的方式呈现给用户。

可变增益放大器103的增益直接决定了示波器200的电压测量范围，示波器200的电压测量范围越大，需要可变增益放大器103的增益越小，对应的垂直灵敏度越低(在示波器中，幅度灵敏度一般称为垂直灵敏度)。选择合适的垂直灵敏度，可以在显示单元107中显示完整的被测信号的波形。

现有技术的可变增益放大器有多种实现方式。

美国公开专利文件US7078968B2公开了两种步进增益CMOS放大器。

参考图2，第一种步进增益CMOS放大器200包括一个场效应晶体管对M1-M2，一个连接在所述场效应晶体管对M1-M2的公共端(源极)的另一个场效应晶体管M11，四对连接在场效应晶体管对M1-M2的漏极的场效应晶体管对M3-M4、M5-M6、M7-M8、M9-M10，场效应晶体管对中的晶体管M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9、M10的漏极分别通过开关K10、K11、K12、K13、K14、K15、K16、K17连接到一个电源，场效应晶体管对M3-M4、M5-M6、M7-M8、M9-M10的栅极也连接到该电源，场效应晶体管对M1-M2的栅极作为所述放大器200的两个输入端，场效应晶体管对M1-M2的漏极作为所述放大器200的两个输出端。

其中，所述场效应晶体管M11的栅极连接一个偏置电源，构成电流源，为所述放大器200提供工作电流。

所述场效应晶体管对M3-M4、M5-M6、M7-M8、M9-M10构成多个负载电阻对，作为放大器200的IV转换模块，将经过场效应晶体管对M1-M2的输出电流转换为输出电压从放大器的差分输出端OUTP、OUTN输出。通过控制某一个或某几个开关的闭合或断开，来改变IV转换模块中负载电阻对的大小，从而对所述放大器200的增益进行调节。

结合参考图3，第二种步进增益CMOS放大器300也包括有场效应晶体管对M1-M2、M3-M4、M5-M6、M7-M8、M9-M10，所不同的是场效应晶体管对M1-M2、M3-M4、M5-M6、M7-M8的的栅极共接在放大器300的两个输入端上，他们的漏极共接后连接在场效应晶体管对M9-M10的源极，他们的源极分别通过开关K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8连接到同一个场效应晶体管M11的漏极，场效应晶体管对M9-M10的栅极和漏极共接一个电源，场效应晶体管M11的栅极接一个偏置电压后构成为放大器300提供工作电流的电流源，场效应晶体管对M9-M10的源极作为所述放大器300的两个输出端。

场效应晶体管对M9-M10构成一个负载电阻对，作为所述放大器300的IV转换模块，将经过场效应晶体管对M1-M2、M3-M4、M5-M6、M7-M8的输出电流转换为输出电压从放大器300的输出端输出。

通过控制某一个或某几个开关的闭合或断开，来选择某个或某几个晶体管对作为所述放大器300的输入晶体管，可以对所述放大器的增益进行调节。

根据MOS管的长沟道近似，放大器200和放大器300均为gmi/gmo结构。

以放大器300为例，结合参考图3，当开关K1和K2闭合，开关K3、K4、K5、K6、K7、K8断开时，放大器300的增益为：

其中，(W/L)是MOS管的宽度和长度的比值，(W/L)1是MOS管M1的宽度和长度的比值，

(W/L)9是MOS管M9的宽度和长度的比值；I9是流经MOS管M9漏极的电流；I1是流经MOS管M1漏极的电流，在放大器300中，MOS管M1对应一组受控的MOS管。电流I1和I9均由MOS管M11构成的电流源决定，I1＝I9，因此对放大器300的增益的影响可以忽略。

可以看出，上述的两种步进增益CMOS放大器200、300通过开关切换并联的输入晶体管对的数量或切换负载电阻对的数量来改变放大器200或300的增益，具有同一个电流源。如本领域普通技术人员所公知，上述的场效应晶体管理想情况下长沟道近似，但是在实际应用中，所述放大器200、300的增益受场效应晶体管的如背栅调制效应、沟道长度调制效应等短沟道效应的制约，并不能实现精确的增益控制，大信号线性度差；增益随温度变化和偏置点漂移等因素会明显变化，增益稳定度低。

美国公开专利文件US5447191公开了另一种温度稳定的可变增益放大器400，参考图4，所述放大器400的输入晶体管对为晶体管Q21和Q22，所述晶体管对Q21和Q22的基极作为所述放大器400的两个输入端，晶体管对Q21和Q22的发射极分别通过电阻R1和R2连接一个电流源G1，晶体管对Q21和Q22的集电极一方面通过一对场效应晶体管M1和M2连接到一个电压源H1、另一方面连接到另一对晶体管Q23和Q24的基极，晶体管Q23和Q24的集电极一方面通过电阻R3和R4连接到电源+VCC、另一方面也作为放大器400的两个输出端，晶体管Q23和Q24的发射极通过另一对场效应晶体管M3和M4连接到另一个电流源G14，场效应晶体管M1、M2基极连接一个控制信号VG1，场效应晶体管M3、M4的基极连接到另一个控制信号VG2。

可以看出，所述放大器400由两级放大器串联构成，第一级放大器包括晶体管Q21和Q22、场效应晶体管M1和M2、电阻R1和R2、电流源G1、电压源H1，第一级放大器的增益主要由场效应晶体管M1、M2的等效电阻R(on)1、R(on)2和电阻R1、R2的阻值决定，一般R(on)1＝R(on)2，R1＝R2，因此，第一级放大器的增益为：R(on)1/R1。

经过第一级放大器放大后的信号传输给第二级放大器，第二级放大器包括晶体管Q23和Q24、场效应晶体管M3和M4、电阻R3和R4、电流源G14，同样的，第二级放大器的增益主要由场效应晶体管M3和M4的等效电阻R(on)3、R(on)4和电阻R3、R4决定，一般R(on)3＝R(on)4，R3＝R4，因此，第二级放大器的增益为R3/R(on)3。

这样，放大器400的增益为[R(on)1/R1]×[R3/R(on)3]。

通过控制信号VG1和VG2可以调节场效应晶体管M1、M2、M3和M4的等效电阻，以此来改变放大器400的增益。假设场效应晶体管M1、M2和场效应晶体管M3、M4的等效电阻随温度有相同的变化趋势，例如：当温度升高时场效应晶体管M1、M2和场效应晶体管M3、M4的等效电阻均升高，则第一级增益减小第二级增益增加，若两级增益变化的比例的绝对值相等，则总增益能够保持稳定。从而达到稳定增益的目的。

但是，放大器400的整体增益是由场效应晶体管的等效电阻决定，由于场效应晶体管的等效电阻不能精确控制，导致放大器400的增益不能精确控制；如本领域普通技术人员公知，放大器400的第一级放大器和第二级放大器各有一个极点，第一级放大器的极点位于晶体管Q21和Q22的集电极处，且该极点由晶体管Q21、Q22的集电极处的电容和场效应晶体管M1、M2的等效电阻决定，改变场效应晶体管M1、M2的等效电阻会导致该极点的变化，因此放大器400的带宽不稳定。

现有的示波器、数据采集卡等测量装置对可变增益放大器的要求很高，需要精确的增益控制、增益不随温度或偏置点而剧烈变化、带宽不随增益或温度等变化。因此，现有的放大器200、300、400均不能满足需求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种具有可变增益放大器的测量装置。

本发明的一种具有可变增益放大器的测量装置，包括一个增益调整单元和一个控制单元；

所述增益调整单元具有一对信号输入端、一对信号输出端和与所述控制单元连接的增益控制端；

所述增益调整单元包括两组差分放大器，

每组所述差分放大器均包括一个用于为所述差分放大器提供工作电流的恒流源，

每组所述差分放大器均具有一对与所述增益调整单元的信号输出端连接的差分信号输出端、一对与所述增益调整单元的信号输入端连接的差分信号输入端、一个与所述增益控制端连接的开关控制端，

所述控制单元用于通过所述开关控制端控制所述差分放大器的开关状态。

本发明的测量装置中，增益调整单元包括有两组并联连接的差分放大器，每组差分放大器均具有一个开关控制端，控制单元通过所述开关控制端来控制差分放大器的开关状态，以此来选择某一个或选择全部两个差分放大器构成增益调整单元，以此来改变增益调整单元的增益值。由于每一组差分放大器的增益值是固定的，并且每组差分放大器均具有一个恒流源提供工作电流，因此所述增益调整单元的增益能够精确控制、增益稳定度高、带宽稳定度高，满足测量装置的需求。

作为一种举例说明，本发明所述的测量装置中，每个所述恒流源具有一个与之对应的差分放大器的开关控制端连接的恒流源控制端，所述控制单元用于通过所述恒流源控制端控制所述恒流源的开关状态。

作为又一种举例说明，本发明所述的测量装置中，每组所述差分放大器均包括有一组差分晶体管对，

所述每组差分晶体管对的两个发射极各通过一个阻抗模块连接到所对应的恒流源，两个基极连接到所述差分放大器的一对差分信号输入端，两个集电极连接到所述差分放大器的一对差分信号输出端。

作为又一种举例说明，本发明所述的测量装置中，所述两组差分放大器具有不相等的增益。

作为又一种举例说明，本发明所述的测量装置中，所述增益调整单元的每个信号输出端仅连接一个用于将输出电流转换为输出电压的IV转换模块。

作为又一种举例说明，本发明所述的测量装置中，所述IV转换模块由50欧姆电阻构成。

作为又一种举例说明，本发明所述的测量装置中，所述两个差分放大器的每个差分输出端的共接点与所述增益调整单元的对应信号输出端之间还设置有一个共基极放大器；

所述共基极放大器的发射极连接所述差分放大器的差分输出端，集电极连接所述增益调整单元的信号输出端。

作为又一种举例说明，本发明所述的测量装置中，所述增益调整单元还包括有两个晶体管，

所述每个晶体管的基极连接到对应的一个共基极放大器的发射极，该晶体管的集电极连接到另一个共基极放大器的集电极，

所述两个晶体管的发射极共接一个程控电流源。

作为又一种举例说明，本发明所述的测量装置中，所述程控电流源具有一个用于控制所述程控电流源工作电流大小的程控控制端，所述程控控制端与所述控制单元连接。

作为又一种举例说明，本发明所述的测量装置中，所述程控电流源采用程控恒流源，所述控制单元通过所述程控控制端控制所述程控恒流源的开关状态。

作为又一种举例说明，本发明所述的测量装置中，所述每个差分放大器的恒流源与所述程控恒流源均是由晶体管构成，所述各个晶体管的控制端均通过开关连接一个偏置电压，所述各个开关的控制端均连接到所述控制单元。

本发明所述的测量装置，通过两个并联的差分放大器来构成增益调整单元，通过控制单元来选择某一个或全部两个差分放大器，来改变增益调整单元的增益值，使得增益能够精确控制、增益稳定度高、带宽稳定度高。

附图说明

图1是背景技术中示波器100的电路原理图；

图2是背景技术中步进增益CMOS放大器200的电路原理图；

图3是背景技术中又一种步进增益CMOS放大器300的电路原理图；

图4是背景技术中温度稳定的可变增益放大器400的电路原理图；

图5是本发明的测量装置500的电路原理图；

图6是本发明的测量装置500的又一电路原理图；

图7是本发明的测量装置500的又一电路原理图；

图8是本发明的测量装置500的又一电路原理图；

图9是本发明的测量装置500的又一电路原理图；

图10是本发明的测量装置500的又一电路原理图；

图11是本发明的示波器110的电路原理图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

结合参考图5，本发明所述的测量装置500包括增益调整单元501和控制单元502，增益调整单元501具有两个信号输入端503和504，两个信号输出端505和506，以及一个与控制单元502连接的增益控制端507。

所述增益调整单元501包括有两组差分放大器508和509，所述差分放大器508和509均具有一对差分信号输入端510和511、一对差分信号输出端512和513、一个开关控制端514以及一个恒流源。

两组差分放大器508和509的差分信号输入端510共接在一起然后连接信号输入端503，差分信号输入端511连接在一起然后连接信号输入端504；两组差分放大器508和509的差分信号输出端512共接在一起然后连接信号输出端505，差分信号输出端513共接在一起然后连接信号输出端506；两组差分放大器508和509的开关控制端514都连接到所述增益控制端507，所述控制单元502通过所述开关控制端514控制所述两组差分放大器508和509的开关状态。

差分放大器是本领域的普通技术人员所公知的技术，具有确切而稳定的增益，本发明将两个差分放大器508和509并联连接在一起，构成增益调整单元501。

本实施例中，测量装置500的输入信号通过信号输入端503和504接入到所述增益调整单元501，如果所述输入信号是差分信号，直接接到两个信号输入端503和504即可，如果输入信号是单端信号，只需将信号输入端503和504中的一个接公共端即可。

本实施例中，控制单元502根据用户选择或者自动调整，通过增益控制端507发送一个选择信号给增益调整单元501，来控制差分放大器508和509的开关状态，可以只选择差分放大器508工作、差分放大器509断开，此时输入信号通过差分放大器508的差分信号输入端510和511耦合到差分放大器508，由差分放大器508对输入信号进行放大，然后经过差分信号输出端512和513输出给信号输出端505和506，此时增益调整单元501的增益即是差分放大器508的增益值；也可以只选择差分放大器509工作、差分放大器508断开，此时输入信号通过差分放大器509的差分信号输入端510和511耦合到差分放大器509，由差分放大器509对输入信号进行放大，然后经过差分信号输出端512和513输出给信号输出端505和506，此时增益调整单元501的增益即是差分放大器509的增益值；也可以选择差分放大器508、509均工作，此时输入信号通过差分放大器508和509的差分信号输入端510和511同时耦合到差分放大器508和509，差分放大器508和509各自对输入信号进行放大，并通过各自的差分信号输出端512和513输出给信号输出端505和506，此时增益调整单元501的增益是差分放大器508和509的增益值的和，由于差分放大器508和509具有各自的恒流源提供工作电流，因此两个差分放大器508和509相互不影响，使得增益调整单元501的增益能够精确控制，增益稳定，带宽稳定。

作为说明，本发明的测量装置500中的增益调整单元501当然也可以由三组差分放大器或者更多组差分放大器并联连接构成，控制单元502可以从多组差分放大器中选择其中的一组或几组来工作，增益调整单元501的增益是多组并联的差分放大器的增益值的和，均在本发明的保护范围之内。

在本实施例中，结合参考图6，示出了差分放大器508和509的一种具体形式，以差分放大器508为例进行说明。所述差分放大器508包括有一组差分晶体管对Q1和Q2，差分晶体管对Q1和Q2的发射极分别通过一个阻抗模块R1和R2连接到一个恒流源515，差分晶体管对Q1和Q2的基极分别连接到差分放大器508的一对差分信号输入端510和511，差分晶体管对Q1和Q2的集电极一方面通过IV转换模块IV1和IV2连接到一个电源VDD、另一方面连接到所述差分放大器的差分输出端512和513。

其中，所述恒流源515的另一端连接一个电源VSS，所述恒流源515具有一个恒流源控制端516，所述恒流源控制端516连接到所述差分放大器508的开关控制端514，进而连接到所述控制单元502，所述控制单元502通过所述恒流源控制端516来控制所述恒流源515的开关状态，进而来控制所述差分放大器508的开关状态。

所述IV转换模块IV1和IV2是将差分放大器508的输出电流转换为输出电压，然后经过差分信号输出端512和513输出。

增益调整单元501将输入信号耦合到两个晶体管Q1和Q2的基极，恒流源控制端516控制恒流源515打开时，恒流源515为两个晶体管Q1和Q2提供恒定的偏置电流，这种状态下晶体管Q1和Q2的集电极的输出电流随输入信号的电压的变化而变化，而集电极输出电流经过IV转换模块IV1和IV2转换为输出电压经过差分信号输出端子512和513输出。一般取IV1＝IV2，R1＝R2，当晶体管Q1的跨导跟阻抗模块R1的阻抗的乘积远大于1时，并且晶体管Q2的跨导跟阻抗模块R2的阻抗的乘积远大于1时，差分放大器508的增益由IV转换模块IV1、IV2的等效电阻和阻抗模块R1、R2的等效电阻的比值决定。又由于IV1、IV2的等效电阻和阻抗模块R1、R2的等效电阻可以精确确定，因此差分放大器508的增益是可以精确确定的，进而增益调整单元501的增益值是可以精确确定的。

作为一种变形，所述差分放大器508也可以是集成式差分放大器芯片等。

作为一种变形，所述差分放大器508也可以在所述恒流源515的输出端设置有开关，所述开关的控制端连接到所述差分放大器508的开关控制端514；也可以在所述差分晶体管对Q1和Q2的发射极与所述阻抗模块R1、R2之间设置开关，所述开关的控制端连接到所述差分放大器508的开关控制端514；也可以在所述IV转换模块IV1和IV2与所述差分晶体管对Q1和Q2的集电极之间设置开关，所述开关的控制端连接到所述差分放大器508的开关控制端514，等等。所述控制单元502通过控制所述开关的断开或闭合，来控制所述差分放大器508的开关状态。

作为一个举例说明，所述阻抗模块R1和R2是由电阻构成，电阻的阻值固定，使得差分放大器508、509的增益值固定。

作为一种变形，所述阻抗模块R1和R2也可以是由电阻并联电容构成，也可以由电阻并联电容再并联电感构成，也可以由电阻串联电感构成，等等。使得阻抗模块R1和R2的阻值也是固定的，还可以实现对输入信号的频率补偿。

作为一个举例说明，所述IV转换模块IV1和IV2是由电阻构成，例如为了匹配测量装置500而采用50欧姆电阻，这使得差分放大器508、509的增益固定。

作为一种变形，所述IV转换模块也可以是由电阻并联电容构成，也可以由电阻并联电容再并联电感构成，也可以由电阻串联电感构成，也可以是由晶体管构成，等等。

作为又一个举例说明，所述的差分放大器508和509具有不相等的增益。由于差分放大器508和509的增益不相等，差分放大器508和509并联构成的增益调整单元501可以实现三种不同的增益值，实现三级调整档位。

作为一种变形，所述差分放大器508和509的增益值可以相等，差分放大器508和509并联构成的增益调整单元501可以实现两种不同的增益值，实现两级调整档位。

作为又一个举例说明，结合参考图7，两个差分放大器508和509共用一组IV转换模块IV1和IV2，因此本举例说明同时对两个差分放大器508和509同时说明。差分放大器508包括有晶体管Q1和Q2，晶体管Q1和Q2的发射极分别通过阻抗模块R1和R2连接到恒流源515，恒流源515另一端连接一个电源VSS1，恒流源515具有恒流源控制端516；差分放大器509包括有晶体管Q3和Q4，晶体管Q3和Q4的发射极分别通过阻抗模块R3和R4连接到恒流源517，恒流源517的另一端连接电源VSS，2，恒流源517具有恒流源控制端518。晶体管Q1和Q3的基极共接信号输入端503、集电极共接信号输出端505，晶体管Q2和Q4的基极共接信号输入端504、集电极共接信号输出端506，信号输出端505和506分别通过IV转换模块IV1和IV2连接到电源VDD。

因此，两个差分放大器508和509共用了一组IV转换模块IV1和IV2实现了两个差分放大器508和509并联。差分放大器508的增益是由IV转换模块IV1、IV2的等效电阻与阻抗模块R1、R2的等效电阻的比值决定，差分放大器509的增益是由IV转换模块IV1、IV2的等效电阻与阻抗模块R3、R4的等效电阻的比值决定，两个差分放大器508和509的增益值易于精确确定。控制单元502通过恒流源控制端516和518来控制恒流源515和516的开关状态，进而控制差分放大器508和509的开关状态，实现对增益调整单元501的增益的调整。

作为一种变形，所述两个差分放大器508和509可以各自采用各自的IV转换模块，使得差分放大器508和509的IV转换模块的阻值可以单独设定。

作为说明，电源VSS1和VSS2可以是同一个电源，也可以是不同的电源。

作为又一个举例说明，当所述差分放大器508和509共用一组IV转换模块IV1和IV2时，结合参考图8，所述两个差分放大器508、509的每个差分信号输出端512、513的共接点与所述增益调整单元501的对应信号输出端505、506之间还设置有一个共基极放大器519；所述共基极放大器519由两个晶体管Q5、Q6构成，所述晶体管Q5、Q6的发射极分别连接所述差分放大器508、509的差分信号输出端512、513，集电极分别连接所述增益调整单元501的信号输出端505、506，基极共接一个参考电源V1。

共基极放大器519隔离了信号输入端503、504与信号输出端505、506，进一步提高了增益调整单元501的带宽和带宽的稳定性。

作为一种变形，两组差分放大器508和509可以各设置有一组共基极放大器，两组差分放大器508和509的输出不在513、512处共接，而将两组差分放大器508和509的输出端在信号输出端505、506处共接，这样可以隔离信号输入端503、504与信号输出端505、506，进一步提高增益调整单元501的带宽和带宽的稳定性。

作为又一个举例说明，结合参考图9，当所述两个差分放大器508、509的每个差分信号输出端512、513的共接点与所述增益调整单元501的对应信号输出端505、506之间还设置有一个共基极放大器519时，所述增益调整单元501还包括有一个前馈跨导放大器520，所述前馈跨导放大器520包括有两个晶体管Q7和Q8，晶体管Q7的基极接所述晶体管Q5的发射极、集电极接所述晶体管Q6的集电极，晶体管Q8的基极接所述晶体管Q6的发射极、集电极接所述晶体管Q5的集电极，两个晶体管Q7和Q8的发射极分别通过电阻R5和R6接一个程控电流源521，程控电流源521的另一端接一个电压VSS3。

所述程控电流源521具有一个控制所述程控电流源521工作电流大小的程控控制端522，所述程控控制端522与所述控制单元502连接。所述控制单元502可以通过所述程控控制端522来控制所述程控电流源521的工作电流的大小，即改变了所述前馈跨导放大器520的工作电流的大小。

当所述差分放大器508、509中的晶体管Q1、Q2或Q3、Q4的跨导变化时，所述晶体管Q5或Q6的发射极电压会改变，所述晶体管Q7或Q8将晶体管Q5或Q6的发射极处的电压的变化转换成补偿电流后反相接入到晶体管Q8或Q7的集电极，达到抵消所述跨导变化的目的，进一步提高所述增益调整单元501的增益稳定度、精确度、线性度。

所述控制单元502通过所述程控控制端522来改变所述程控电流源521s的工作电流，以此改变所述前馈跨导放大器520的跨导，从而改变所述补偿电流的大小，可以获得最佳补偿效果。

作为一种变形，两组差分放大器508和509各设置有一组共基极放大器时，每组差分放大器508和509还可以各自设置有一个前馈跨导放大器，用以补偿各自的共基极放大器的发射极处的电压变化。

作为又一个举例说明，所述的程控电流源521可以采用程控恒流源实现，所述控制单元502可以通过所述程控控制端522来控制所述程控恒流源的开关状态，以此来使得所述程控恒流源所述输出一个恒定的工作电流或者不输出，达到改变所述程控恒流源的工作电流的目的。

作为又一个举例说明，结合参考图10，所述的恒流源515和517、程控电流源521都是由晶体管构成。恒流源515由晶体管Q9构成，晶体管Q9的发射极通过电阻R7接电源VSS1、集电极作为输出端接阻抗模块R1和R2、基极通过一个开关S1接一个偏置电压源523；恒流源517由晶体管Q10构成，晶体管Q10的发射极通过电阻R8接电源VSS2、集电极作为输出端接阻抗模块R3和R4、基极通过一个开关S2接所述偏置电压源523；程控电流源521由晶体管Q11构成，晶体管Q11的发射极通过电阻R9接电源VSS3、集电极作为输出接电阻R5和R6、基极通过一个开关S3接所述偏置电压源523。

作为本举例说明的一个具体例子，所述偏置电压源523包括有一个电流源I1、一个晶体管Q12，电流源的一端接一个公共端COM、另一端接所述晶体管Q12的集电极和基极，晶体管Q12的发射极通过电阻R10接一个电源VSS4，晶体管Q12的集电极和基极共接后作为偏置电压源523的输出端接所述开关S1、S2、S3。

当VSS4＝VSS1＝VSS2＝VSS3时，所述晶体管Q9、Q10、Q11的集电极输出的电流与所述电流源I1的电流具有固定的比例关系，通过设置所述电流源I1的大小可以实现对恒流源515、517和程控电流源521的输出电流的值的调节。

所述控制单元502可以通过控制所述开关S1、S2、S3的开关状态来改变所述晶体管Q9、Q10、Q11的偏置电压，进而改变所述恒流源515、517和程控电流源521的工作状态，进而改变所述差分放大器508、509和所述前馈跨导放大器520的工作状态，进而改变所述增益调整单元501的增益值。

作为一种变形，所述恒流源515、517和所述程控电流源521还可以采用其他现有技术实现，本发明不再赘述。

下面以示波器为例，给出一个具体的实施例。

结合参考图11，示波器110包括输入模块524，输入模块524包括一个连接探头的BNC连接头(也可以采用SMA连接头等)和一个输入变换电路，BNC连接口将探头测量得到的被测信号耦合到输入变换电路，输入变换电路实现输入阻抗匹配和输出阻抗匹配，输入阻抗匹配的目的是给BNC连接头连接的被测信号提供稳定的负载阻抗，通常的输入阻抗有50Ω，75Ω和1MΩ三种；输出阻抗匹配的目的是给后续的电路提供稳定的信号源阻抗，使得后续的电路能够工作在合适的状态；输入变换电路还可以实现对被测信号的衰减，具有可控的衰减比例，例如可以选择衰减比例为1/1或者1/25。输入变换电路输出单端信号给所述增益调整单元501进行增益调整，增益调整单元501受到控制单元502的控制，输出差分信号给模数转换器525，模数转换器525完成对被测信号的数字采样，然后输出给数字处理系统。

示波器110的增益调整单元501包括晶体管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12。

晶体管Q1的基极接所述输入模块524的单端输出端，发射极通过电阻R1接晶体管Q9的集电极，集电极接晶体管Q5的发射极。

晶体管Q2的基极接一个接公共端COM的电源V2，发射极通过电阻R2也接晶体管Q9的集电极，集电极接晶体管Q6的发射极。

晶体管Q3的基极也接所述输入模块524的单端输出端，发射极通过电阻R3接晶体管Q10的集电极，集电极也接晶体管Q5的发射极。

晶体管Q4的基极也接所述电源V2，发射极通过电阻R4也接晶体管Q10的集电极，集电极也接晶体管Q6的发射极。

晶体管Q5的基极接电源V1，集电极通过电阻R11接电源VDD。

晶体管Q6的基极也接电源V1，集电极通过电阻R12接电源VDD。

晶体管Q7的基极接晶体管Q5的发射极，发射极通过电阻R5接晶体管Q11的集电极，集电极接晶体管Q6的集电极。

晶体管Q8的基极接晶体管Q6的发射极，发射极通过电阻R6接晶体管Q11的集电极，集电极接晶体管Q5的集电极。

晶体管Q9的发射极通过电阻R7接电源VSS1，基极通过开关S1接晶体管Q12的基极。

晶体管Q10的发射极通过电阻R8接电源VSS2，基极通过开关S2接晶体管Q12的基极。

晶体管Q11的发射极通过电阻R9接电源VSS3，基极通过开关S3接晶体管Q12的基极。

晶体管Q12的基极和集电极共接后再连接到电流源I1的输出端，发射极通过电阻R10接电源VSS4。

电源VSS1、VSS2、VSS3、VSS4为同一电源。

晶体管Q5和晶体管Q6的集电极作为一对s输出端连接到所述模数转换器525。

开关S1、S2、S3的开关状态受控制单元502的控制。

电阻R11和R12均取50欧姆，电阻R1和R2取100欧姆，电阻R3和R4均取25欧姆，由晶体管Q1和Q2组成的差分放大器的增益为1/2，由晶体管Q3和Q4组成的差分放大器的增益为2。

电流源I1输出的电流经过晶体管Q12变换后，由晶体管Q12的基极输出一温度补偿偏置电压，该偏置电压经过加在晶体管Q9、Q10或Q11上后，使得晶体管Q9、Q10或Q11的集电极输出一个固定电流。

示波器110中所有的晶体管均采用双极型晶体管，电源V2的电平至少比电源VSS的电平高两个基极结电压(约1.4V)，电源V2的电平至少比电源V2的电平高一个基极结电压(约0.7V)。

增益调整单元501通过晶体管Q5和Q6的集电极作为一对输出端，输出端的电平由电源VDD和电阻R11、R12上的压降平均值决定，一般选电源VDD使得输出的共模电平需要满足模数转换器525的输入共模电平要求，如本领域普通技术人员所公知，也可以使用共模反馈电路进一步提高共模输出电平的稳定度和准确度。

所述的控制单元502可以是由DSP芯片构成，也可以是由FPGA芯片构成，也可以是由中央处理器构成，等等。

当示波器110需要测量大信号时，例如示波器110的垂直灵敏度设置为200mV/div时，需要较小的增益，控制单元502使得开关S2断开，开关S1和S3闭合。输入模块524输出的信号给晶体管Q1，经过晶体管Q1放大后耦合到电阻R11和R12，转换成电压信号输出给模数转换器525，增益为1/2。

当示波器110需要测量中等大小的信号时，例如示波器110的垂直灵敏度设置为50mV/div时，控制单元502使得开关S1断开，开关S2和S3闭合。输入模块524输出的信号给晶体管Q3，经过晶体管Q3的放大后耦合到电阻R11和R12，转换成电压信号输出给模数转换器525，增益为2。

当示波器110需要测量小信号时，例如示波器110的垂直灵敏度设置为10mV/div时，控制单元502使得开关S1、S2、S3全部闭合。输入模块524输出的信号分别给晶体管Q1和Q3，经过晶体管Q1和Q3的放大后共同耦合到电阻R11和R12，转换成电压信号输出给模数转换器525，增益为2+1/2＝5/2。

需要特别说明的是，本发明所述的所有晶体管均可以是双极型晶体管，也可以是场效应晶体管，也可以是复合晶体管，也可以是他们的组合，等等。

双极型晶体管具有基极、发射极和集电极。

相对的，如本领域普通技术人员所公知，场效应晶体管具有对应基极的栅极，对应集电极的漏极，对应发射极的源极；复合晶体管是由多个双极型晶体管或多个场效应晶体管组合构成的，他们也具有对应基极、发射极和集电极的连接端子，均在本发明的保护范围之内。

本发明所述的测量装置可以是示波器，也可以是数据采集卡，也可以是万用表，也可以是频谱仪等。

本发明直接将两个各自具有恒流源的差分放大器并联实现，不需要在一个恒流源下切换晶体管，带宽很宽。由于差分放大器的增益是通过IV转换模块和阻抗模块精确确定的，增益可以精确控制，因此测量装置的总的增益可以精确控制。由于IV转换模块和阻抗模块几乎不会受温度、偏置点等的影响，因此增益稳定度好，线性度好。由于不同的增益采用不同的差分放大器实现，因此小增益也具有大的输入范围。由于输出极点的要素主要为电阻、电容等，不随增益和偏置点的变化而变化，因此具有稳定的整体带宽。由于采用多个差分放大器并联，可以具有多种增益等级。由于可以使得多个差分放大器同时工作，因此增益的等级大于差分放大器的数量，节约成本。由于输出端的共模电平仅通过改变电源VDD的电位就可以实现调节，因此输出的共模电平易于改变，且不会影响带宽、线性度、输入范围等，灵活性好。本发明还在差分放大器中设置共基极放大器，隔离输入端和输出端，使得电路带宽进一步扩大，且带宽受增益切换的影响更小。本发明还在共基极放大器的发射极和集电极之间设置有反相的前馈跨导放大器，抵消因晶体管的跨导误差和漂移，使得本发明的增益调整单元具有更高的线性度，增益受温度漂移和偏置电流漂移的影响也更小。本发明使用一个电流源来实现多路可关断恒流源，能够提供非常稳定的电流给各个晶体管，增益更加稳定，能够满足示波器等测量装置的需要。

以上所述的仅为本发明的具体实施例，所应理解的是，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的思想和原则之内所做的任何修改、等同替换等等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种具有可变增益放大器的测量装置，包括一个增益调整单元和一个控制单元；

所述增益调整单元具有一对信号输入端、一对信号输出端和与所述控制单元连接的增益控制端；

其特征在于：

所述增益调整单元包括两组差分放大器，

每组所述差分放大器均包括一个用于为所述差分放大器提供工作电流的恒流源，

每组所述差分放大器均具有一对与所述增益调整单元的信号输出端连接的差分信号输出端、一对与所述增益调整单元的信号输入端连接的差分信号输入端、一个与所述增益控制端连接的开关控制端，其中，两组差分放大器的差分信号输入端共接在一起然后连接所述信号输入端；

所述控制单元用于通过所述开关控制端控制所述差分放大器的开关状态。

2.根据权利要求1所述的具有可变增益放大器的测量装置，其特征在于：

每个所述恒流源具有一个与对应的差分放大器的开关控制端连接的恒流源控制端，所述控制单元用于通过所述恒流源控制端控制所述恒流源的开关状态。

3.根据权利要求2所述的具有可变增益放大器的测量装置，其特征在于：

每组所述差分放大器均包括有一组差分晶体管对，

所述每组差分晶体管对的两个发射极各通过一个阻抗模块连接到所对应的恒流源，两个基极连接到所述差分放大器的一对差分信号输入端，两个集电极连接到所述差分放大器的一对差分信号输出端。

4.根据权利要求3所述的具有可变增益放大器的测量装置，其特征在于：

所述两组差分放大器具有不相等的增益。

5.根据权利要求4所述的具有可变增益放大器的测量装置，其特征在于：

所述增益调整单元的每个信号输出端仅连接一个用于将输出电流转换为输出电压的IV转换模块。

6.根据权利要求5所述的具有可变增益放大器的测量装置，其特征在于：

所述IV转换模块由50欧姆电阻构成。

7.根据权利要求5或6所述的具有可变增益放大器的测量装置，其特征在于：

所述两个差分放大器的每个差分输出端的共接点与所述增益调整单元的对应信号输出端之间还设置有一个共基极放大器；

所述共基极放大器的发射极连接所述差分放大器的差分输出端，集电极连接所述增益调整单元的信号输出端。

8.根据权利要求7所述的具有可变增益放大器的测量装置，其特征在于：

所述增益调整单元还包括有两个晶体管，

所述每个晶体管的基极连接到对应的一个共基极放大器的发射极，该晶体管的集电极连接到另一个共基极放大器的集电极，

所述两个晶体管的发射极共接一个程控电流源。

9.根据权利要求8所述的具有可变增益放大器的测量装置，其特征在于：

所述程控电流源具有一个用于控制所述程控电流源工作电流大小的程控控制端，所述程控控制端与所述控制单元连接。

10.根据权利要求9所述的具有可变增益放大器的测量装置，其特征在于：

所述程控电流源采用程控恒流源，

所述控制单元通过所述程控控制端控制所述程控恒流源的开关状态。

11.根据权利要求10所述的具有可变增益放大器的测量装置，其特征在于：

所述每个差分放大器的恒流源与所述程控恒流源均是由晶体管构成，所述各个晶体管的控制端均通过开关连接一个偏置电压，

所述各个开关的控制端均连接到所述控制单元。