CN104113294A - 压控放大器以及使用压控放大器的方法 - Google Patents

压控放大器以及使用压控放大器的方法 Download PDF

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Abstract

提出了一种简化的压控放大器(VCA)以及使用压控放大器的方法。与现有基于OTA的VCA相比，本发明的VCA使用更少的组件并且不那么复杂。此外，与现有VCA相比，本发明的VCA具有改善的总谐波失真(THD)和DC偏移特性。通过添加截断检测电路，VCA可以用于防止截断。

Description

压控放大器以及使用压控放大器的方法
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2013年3月14日提交的题为“VOLTAGECONTROLLED AMPLIFIER AND METHOD OF USING THE SAME”的美国临时专利申请61／785,052的优先权，其全部内容通过引用的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及压控放大器(VCA)以及使用该VCA的方法。
背景技术
在音频放大中通常出现的问题是截断(clipping)。如图1A和图1B中所示，当放大器由于高输入信号电平而过载并且尝试传送超过其最大能力的输出电压时，发生截断。在图1A中，信号101的波峰102和波谷103被准确地再现，因此未发生截断。在图1B中，信号104的波峰105和波谷106超过放大器的最大输出电压107，因此波峰105和波谷106的幅度被截断至最大输出电压107。
可以使用电路来限制截断，其中，该电路(使用本领域中已知的方法)检测放大器的输出信号中的截断并且将放大器的输入信号的幅度减小至最小化截断所需的电平。在美国专利No.5,430,409和No.5,453,409中公开了现有截断检测和减小电路的示例。可以使用压控放大器(VCA)来完成对输入信号幅度的减小，其中，VCA的增益受到从截断检测电路接收的电压信号的控制。现有VCA的示例是来自片上系统的PA381和PA382双低噪声VCA集成电路器件。
备选地，可以使用运算跨导放大器(OTA)来实现VCA。OTA是差分输入电压产生输出电流的放大器，其中，输出电流在电阻性负载两端产生输出电压。增益(Vout／Vin)受到可以根据在电阻器两端施加的控制电压得到的增益修改输入电流的控制。因此，OTA可以用作VCA。OTA的商用IC实现方式包括德州仪器的LM13700器件和LM13600器件，这两个器件均在单个封装中包含两个OTA电路。这些商用实现方式相对较大，这是因为它们包含两个OTA电路，不适用于需要单独的OTA电路的应用。
图2是示出了在现有的商用IC电路中使用的OTA电路的拓扑的示例性分立实现方式的示意图。图2的电路包括正电源电压(V+)输入端201、负电源电压(V-)输入端202、信号输入端203、信号输出端204、接地线205、运算放大器(“op amp”)206、偏置电流输入端207、电阻器208、209、216、217、218和219、以及五个匹配晶体管对210、212、213、214和215。
图2的OTA电路的增益是信号输出204与信号输入203之比，通常表示为Vo／Vin。电路的操作是正常反相op amp电路的操作，其中，通过输入电阻器208流向求和节点220的电流等于流过反馈电阻器209的电流。为了减小增益，由OTA电路增加馈送给求和节点220的电流，其实际上起到一较小值的反馈电阻器209的作用，从而限制了增益。
在图2的实现方式中，op amp206的非反相输入端(+)实质上保持接地。为了实现AC输入信号的增益减小，馈送到反相(-)输入端的增益修改电流必须是双极的。为了产生所需的双极增益修改电流，在op amp206的非反相输入端处需要使偏置电流输入端207以V-为参考并且需要多个匹配晶体管对，这导致图2的电路的复杂性。
图2的具有五个匹配晶体管对以及op amp的分立OTA电路实现方式不是现有商用OTA IC器件的可行替换方式，这是因为与现有商用IC器件相比，该器件将更大且更贵。因此，需要与现有商用的基于OTA的VCA及其分立实现方式相比不那么复杂且不那么昂贵的VCA电路备选方式。
发明内容
提出了简化的VCA电路。与现有的基于OTA的VCA相比，本发明的VCA使用更少的组件并且不那么复杂。此外，与现有的VCA相比，本发明的VCA具有改善的总谐波失真(THD和DC偏移特性。通过添加截断检测电路，该VCA可以用于防止截断。
附图说明
通过参照附图，本领域技术人员可以更好地理解本发明并且明白其特征。
图1A是不呈现截断的正弦波的示意图。
图1B是呈现波峰和波谷的截断的正弦波的示意图。
图2是示出了现有的OTA电路拓扑的示例的示意图。
图3是示出了本发明的实施例的示意图。
图4是示出了本发明的实施例的示意图。
图5是示出了本发明的实施例的总谐波失真THD加噪声相对频率的曲线的图形。
图6是示出了本发明的实施例的总谐波失真(THD)加噪声相对幅度的曲线的图形。
图7是示出了本发明的实施例的衰减相对DC偏移数字的表格。
图8是示出了根据本发明的至少一个实施例的用于控制对截断的减小的方法的流程图。
在不同的附图中使用相同的附图标记来指示类似或相同的项。
具体实施方式
提出了新颖的压控放大器(VCA)电路。在一个或多个实施例中，本发明包括新颖的差分op amp配置，该差分op amp配置将晶体管的数量从在现有实现方式中使用的五个匹配对减少至一对，这一对无需是匹配对。在一个或多个实施例中，与现有基于OTA的VCA相比，本发明的VCA呈现改善的总谐波失真(THD和DC偏移特性。
图3示出了本发明的VCA电路的实施例。与在图2的现有实现方式中被配置为反相放大器不同，在图3的VCA电路中，op amp306被配置为差分放大器。不是如在现有技术中一样需要双极增益控制电流，图3的VCA电路使用分别经由连接线319和320馈送到op amp306的反相输入端322和非反相输入端324中的单极增益控制电流。经由单个晶体管对310和311根据输入电流307得到增益控制电流，其中，该单个晶体管对310和311可以是(但无需是)匹配对。
在图3的实施例中，输入控制电流307连接到节点324，节点324还连接到晶体管310和311的发射极。晶体管311的基极连接到节点330。电阻器315和316连接在节点330与地305之间。晶体管310的基极连接到节点328。电阻器326连接在节点328与地305之间。电阻器314连接在节点328与节点304之间，从节点340获得输出信号Vo。晶体管311的集电极连接到节点332，而晶体管310的集电极连接到节点334。节点332经由连接线319连接到节点338。节点334连接到节点336。电阻器312连接在节点334与节点340之间，节点340连接到正电源电压V+301。电阻器313连接在节点332与节点340之间。电阻器317和318连接在节点336与地305之间。节点336连接到op amp306的非反相输入端324。节点342连接到op amp306的输出端344。节点338连接到op amp306的反相输入端322。电阻器309连接在节点338与节点342之间。电阻器308连接在节点338与节点346之间。输入信号Vin303连接在节点346与地305之间。
在图3的电路中，单级控制电流307被馈送到op amp306的反相输入端322和非反相输入端324中，从而控制由op amp306向输入信号Vin303施加的增益。因此，图3的电路作为VCA操作。与图2的OTA VCA相比，图3的电路不那么复杂并且不那么昂贵，并且与图2的VCA需要五个匹配对相比，图3的电路仅需要单个(不必是匹配的)晶体管对。
图4示出了本发明的VCA的实施例，该实施例是图3的实施例的进一步简化。在图4的实施例中，电阻器315和316被等效的单个电阻器415替换，并且电阻器317和318被等效的单个电阻器416替换。除此之外，图3的电路和图4的电路相同。
图5是示出了本发明的实施例的总谐波失真加噪声(THD+N)相对频率的曲线的图形。图5的图形的横轴度量频率，并且范围跨越20Hz至20kHz并使用对数标度。图5的图形的纵轴度量THD+N，并且范围跨越0.1至1.0并使用对数标度。在图5中，THD+N被表达为所有谐波分量的功率加上噪声功率的总和与基本频率的功率之比。曲线501表示诸如图2中所示的VCA等的现有VCA的THD+N测量值。曲线502表示本发明的一个或多个实施例的THD+N测量值。图形显示与现有VCA的THD+N相比，本发明的一个或多个实施例在整个频率范围内具有更低的THD+N。此外，图形显示与现有VCA的THD+N相比，一个或多个实施例的THD+N在整个频率范围内更平坦并且更均匀。
图6是示出了本发明的实施例的总谐波失真加噪声(THD+N)相对幅度的曲线的图形。图6的图形的横轴度量幅度，并且范围跨越0dB至+10dB并使用线性标度。图6的图形的纵轴度量THD+N，并且范围跨越0.1至2.0并使用对数标度。在图6中，THD+N被表达为所有谐波分量的功率加上噪声功率的总和与基本频率的功率之比。曲线601表示诸如图2中所示的VCA等的现有VCA的THD+N测量值。曲线602表示本发明的一个或多个实施例的THD+N测量值。图形显示与现有VCA的THD+N相比，本发明的一个或多个实施例在整个幅度范围内具有更低的THD+N。此外，图形显示与现有VCA的THD+N相比，一个或多个实施例的THD+N在整个幅度范围内更平坦并且更均匀。
图7是示出了本发明的实施例的衰减相对DC偏移数字的表格。该表格显示与现有VCA的DC偏移相比，本发明的一个或多个实施例在整个衰减范围内具有总体更低、更平坦、且更均匀的DC偏移。此外，该表格显示与现有VCA的随着衰减的增加而近似线性增加的DC偏移不同，一个或多个实施例的DC偏移集中在0附近。
图8是示出了根据本发明的实施例用于减小截断的方法的流程图。该方法在步骤800开始，在步骤800，接收输入信号。在步骤805，向被配置为差分放大器的op amp的反相输入端提供输入信号。在步骤810，向音频放大器的输入端提供来自op amp的输出信号。在步骤815，向截断检测器提供来自音频放大器的输出。在步骤820，从截断检测器接收单极增益控制电流。在步骤825，将根据增益控制电流得到的第一电流提供给op amp的反相输入端。在步骤830，将根据增益控制电流得到的第二电流提供给op amp的非反相输入端。
因此，提出了新颖的压控放大器(VCA)和使用VCA来减小截断的方法。虽然已经参照某些具体实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将清楚的是，本发明的发明特征也可以应用于落入本发明的范围内的其他实施例。

Claims (15)

1.一种压控放大器，包括：
运算放大器；
第一输入端，用于接收输入信号，所述第一输入端连接到所述运算放大器的反相输入端；
第二输入端，用于接收输入控制电流；
电路，用于将根据所述输入控制电流得到的第一电流传送到所述运算放大器的所述反相输入端并且将根据所述输入控制电流得到的第二电流传送到所述运算放大器的所述非反相输入端，以减小所述运算放大器的增益。
2.根据权利要求1所述的压控放大器，其中，所述运算放大器被配置为差分放大器。
3.根据权利要求1所述的压控放大器，其中，用于传送根据所述输入控制电流得到的所述第一电流和所述第二电流的所述电路包含少于五个晶体管对。
4.根据权利要求3所述的压控放大器，其中，用于传送根据所述输入控制电流得到的所述第一电流和所述第二电流的所述电路包括不匹配的晶体管对。
5.根据权利要求3所述的压控放大器，其中，用于传送根据所述输入控制电流得到的所述第一电流和所述第二电流的所述电路仅包含单个晶体管对。
6.根据权利要求5所述的压控放大器，其中，所述单个晶体管对是匹配的晶体管对。
7.根据权利要求6所述的压控放大器，其中，所述单个晶体管对是不匹配的晶体管对。
8.一种用于减小音频放大器中的截断的方法，包括：
在压控放大器处接收输入信号；
向运算放大器的反相输入端提供所述输入信号；
向所述音频放大器提供来自所述运算放大器的第一输出信号；
向截断检测器提供来自所述音频放大器的第二输出信号；
在所述压控放大器处从所述截断检测器接收单极电流信号；
向所述运算放大器的所述反相输入端提供根据所述电流信号得到的第一电流；
向所述运算放大器的非反相输入端提供根据所述电流信号得到的第二电流。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括以下步骤：将所述运算放大器配置为差分运算放大器。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述向所述运算放大器的所述反相输入端提供根据所述电流信号得到的所述第一电流的步骤包括：使用单个晶体管对得到所述第一电流。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述向所述运算放大器的所述非反相输入端提供根据所述电流信号得到的所述第二电流的步骤包括：使用单个晶体管对得到所述第一电流。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述向所述运算放大器的所述非反相输入端提供根据所述电流信号得到的所述第二电流的步骤包括：使用所述单个晶体管对得到所述第一电流。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述向所述运算放大器的所述反相输入端提供根据所述电流信号得到的所述第一电流的步骤包括：使用单个不匹配的晶体管对得到所述第一电流。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述向所述运算放大器的所述非反相输入端提供根据所述电流信号得到的所述第二电流的步骤包括：使用单个不匹配的晶体管对得到所述第一电流。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述向所述运算放大器的所述非反相输入端提供根据所述电流信号得到的所述第二电流的步骤包括：使用所述单个不匹配的晶体管对得到所述第一电流。
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