CN104682905A - 一种超宽带可变增益放大装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变增益放大装置，信号分配模块和信号合成模块通过一组共同的控制信号C1和C2实现了信号通道1和信号通道2的切换，即C1高C2低时，信号分配模块把输入信号切换入信号通道1，同时信号合成模块将信号通道1的输出信号接至输出端，信号通路2的放大器没有输入信号也没有输出信号，在逻辑上是关断的，信号通道1内的放大器的增益即为整个电路的增益。反之信号通道2工作，信号通道1在逻辑上关断，整个电路的增益为信号通道2内的放大器的增益，通过上述装置实现了整个电路的增益程控可变；本发明的信号调理放大模块选择Cherry-Hooper负反馈结构的宽带放大器实现，可以极大地扩展带宽，提高整个可变增益调理放大器的性能。

Description

一种超宽带可变增益放大装置

技术领域

本发明属于示波器技术领域，具体涉及一种超宽带可变增益放大装置。

背景技术

在示波器超宽带前端调理电路应用中，通常需要对输入信号先进行多倍数衰减，而后再进行不同倍数的放大，以实现示波器的多量程功能。传统的前端信号调理电路采用较多分立元件来实现信号幅度的调整，包括前级衰减器、后级衰减器、放大器、单端到差分变换电路等，电路复杂度高，一致性差，调试困难，不利于大规模生产。较新的技术利用更高集成度的器件如LMH6518等替代传统前端调理电路中多个分立器件的功能以达到简化电路、降低体积、提高指标的作用。如公告号为103604963A，名称为“一种宽带信号调理电路”提供一种宽带信号调理电路，采用LMH6518增益可控放大器来简化电路结构，降低硬件成本、减小功耗和体积；可减小温度和电压等变化引起的信号幅度误差，提高信号调理的幅度准确度、频响，并有效降低通道噪声，提高示波器等数据采集产品的频响、带宽、垂直灵敏度等指标。但这种程度的优化对于目前的高速高性能示波器仍然是有限的，采用类似“一种宽带信号调理电路”专利的局部集成方案，其体积大、功耗大、性能也不高，由于采用分立元件，各焊点焊锡会不同，焊点位置也不完全相同，则会引起分布参数改变，元器件之间差异较大，导致异型性差、生产调试复杂度高，不利于大规模生产。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种超宽带可变增益放大装置，可以用单一芯片实现了两种不同放大倍数，电路表现形式简单、一致性好、利于大规模生产、且可实现更高的性能指标。

本发明的一种可变增益放大装置，包括信号分配模块、信号调理放大模块和信号合成模块，其中：

所述信号分配模块包括驱动放大器Q21、Q22和Q23，三极管C13、C14、C23和C24以及4个负载电阻：

所述驱动放大器Q21的一个输入端接输入信号，另一个输入端接地，两个输出端输出所述输入信号对应的一组差分信号P0；三极管C13和C14的基极B接差分选择信号C1，三极管C23和C24的基极B接差分选择信号C2；三极管C13和C14的发射极E接功驱动放大器Q21的第一输出端，三极管C23和C24的发射极E接驱动放大器Q21的第二输出端；三极管C13和C14的集电极C分别接驱动放大器Q22的第一输入端和第二输入端；所述三极管C23和C24的集电极C分别接驱动放大器Q23的第一输入端和第二输入端；所述三极管C13、C14、C23和C24的集电极C各自串接一个负载电阻后接电源正极；所述驱动放大器Q22和驱动放大器Q23的输出端口各输出一组差分信号P1；所述差分选择信号C1和C2为交替的低电平和高电平信号，两者的组合为：C1为低电平和C2高电平或者C2为高电平和C1为低电平；

所述信号调理放大模块包括2个具有不同增益的信号放大单元；每个信号放大单元又包括两个相同的信号放大电路，对属于一组差分信号P1的两路信号分别进行放大处理；每个放大电路均包括三极管B1、B3、B5和B7，电阻Rin、电阻Rf、电阻R1、电阻R3和电阻R5；所述电阻Rin的一端接所述一组差分信号P1中的一路，另一端分成两个支路：一个支路接电阻Rf后接电流源，另一个支路接三极管B1的基极B；所述三极管B1的发射极E接电流源，集电极接三极管B3的基极B；三极管B3的发射极E接电流源，集电极串接电阻R1后接三极管B5的基极B；所述三极管B5的发射极E接在三极管B3的基极B上，三极管B5的集电极串接负载电阻R3后接电源正极；基极B接负载电阻R5后接电源正极；所述三极管B3的集电极C接三极管B7的基极B；三极管B7的集电极C接电源正极，发射极E接电流源；所述三极管B7的发射极E作为信号放大电路的输出端，两个信号放大电路输出一组差分信号P2；所述信号放大单元的增益值根据用户的增益需求通过设定电阻Rf与电阻Rin的比值来实现；

信号合成模块包括2个信号合成单元，每个信号合成单元包括驱动放大器Q41，三极管C11、C21、C12和C22以及负载电阻R41、R42和R43；所述驱动放大器Q41的两个输入端接从一个所述信号放大单元输出的经过放大增益后的一组差分信号P2，驱动放大器Q41的两个输出端分别接两个三极管：第一输出端接三极管C11和三极管C21的发射极E，第二输出端接三极管C12和三极管C22的发射极E；三极管C11和三极管C21的基极B分别接所述差分选择信号C1和C2；三极管C11的集电极串接负载电阻R41后接电源正极；三极管C12和三极管C22的基极B分别接差分选择信号C1和C2，三极管C12和三极管C22的集电极C分别串接负载电阻R42和R43后接电源正极；两个信号合成单元中的第一信号合成单元中的三极管C21和C22的集电极C作为差分信号的输出端，输出一组差分信号P3；另外一个信号合成单元中的三极管C11和C12的集电极C作为一组差分信号的输出端。

进一步的，还包括信号扇出驱动模块，该模块包括多个驱动放大器和2个三极管：三极管B51和B52；所述三极管B51和B52的基极B分别接一组差分信号P3的两路信号，三极管B51和B52集电极C接电源正极，三极管B51和B52的发射集E各接一个电流源；所述三极管B51和B52的发射集E引出线作为差分信号输出线，该差分信号输出线上并接有多个驱动放大器。

较佳的，所述三极管B51的发射集E与电流源之间以及三极管B52的发射集E与电流源之间各串接多个二极管，所述电流源与该所在线路上最后一个二极管的负极之间引出线作为差分信号的输出端。

较佳的，所述三极管B7的发射极E与电流源之间串接多个二极管，所述电流源与最后一个二极管的负极之间引出线作为信号放大电路的输出端。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明的信号分配模块和信号合成模块通过一组共同的控制信号C1和C2实现了信号通道1和信号通道2的切换，即C1高C2低时，信号分配模块把输入信号切换入信号通道1，同时信号合成模块将信号通道1的输出信号接至输出端，信号通路2的放大器没有输入信号也没有输出信号，在逻辑上是关断的，信号通道1内的放大器的增益即为整个电路的增益。反之信号通道2工作，信号通道1在逻辑上关断，整个电路的增益为信号通道2内的放大器的增益。通过上述方法实现了整个电路的增益程控可变。

(2)本发明的信号调理放大模块选择Cherry-Hooper负反馈结构的宽带放大器实现，可以极大地扩展带宽，提高整个可变增益调理放大器的性能；

(3)本发明的信号扇出驱动模块设计上采用射级跟随器拖动共射放大器的结构，共射放大器驱动能力强，输出阻抗可以较好的与50欧姆或者75欧姆的系统匹配对接，芯片与外围电路和后级AD互联后信号传输损耗和反射损耗都较少。

附图说明

图1为本发明的可变增益放大装置总体框图；

图2为本发明的信号分配模块的电路图；

图3为本发明的信号调理放大模块电路图；

图4为本发明的信号合成模块电路图；

图5为本发明的信号扇出驱动模块电路图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的一种超宽带可变增益放大装置，包括信号分配模块、信号调理放大模块和信号合成模块，其中,信号分配(输入开关阵列)和合成(输出开关阵列)模块的电路选择模拟解复用器和模拟复用器来实现。模拟复用器和解复用器具有模拟带宽较宽，与前后级模块对接灵活的优点，动态范围比较大，造成的信号失真比较小。

信号分配模块包括驱动放大器Q21、Q22和Q23，三极管C13、C14、C23和C24；负载电阻RC1、RC2、RC3和RC4：

驱动放大器Q21的一个输入端接输入信号，另一个输入端接地，两个输出端输出所述输入信号对应的一组差分信号；三极管C13和C14的集电极接差分选择信号C1，三极管C23和C24的集电极接差分选择信号C2；三极管C13和C14的发射极E接功驱动放大器Q22的第一输出端，三极管C23和C24的发射极E接驱动放大器Q22的第二输出端；三极管C13和C14的集电极C分别接驱动放大器Q22的第一输入端和第二输入端；所述三极管C23和C24的集电极C分别接驱动放大器Q23的第一输入端和第二输入端；所述三极管C13、C14、C23和C24的集电极C分别串接负载电阻RC1、RC2、RC3和RC4后接电源正极；所述驱动放大器Q22和第三驱动放大器Q23的两组输出端口输出两组共4路差分信号；所述差分选择信号C1和C2为交替的低电平个高电平信号，两者的组合为：C1为低电平和C2高电平或者C2为高电平和C1为低电平。

信号分配模块(模拟解复用器)的工作原理如下：

输入信号通过驱动放大器Q21后变成一组差分信号。当差分选择信号C1为高电平，C2为低电平时，驱动放大器Q21与信号通道2是断开的，两路差分信号依次通过三极管C13和C14进入信号通道1。当差分选择信号C1为低电平，C2为高电平时，则信号进入信号通道2，每次只有一个通道可以接入输入信号。

信号调理放大模块包括2个具有相同拓扑结构不同增益的信号放大单元，每个信号放大单元又包括两个相同的信号放大电路，对属于一组差分信号的两路信号分别进行放大处理；每个放大电路均包括三极管B1、B3、B5和B7，电阻Rin、电阻Rf、电阻R1、电阻R3、电阻R5、二极管D1和二极管D3；所述电阻Rin的一端接所述两路差分信号中的一路，另一端分成两个支路：一个支路接电阻Rf后与一只电流源相接，另一个支路接三极管B1的基极B；所述三极管B1的发射机E接电流源，集电极接三极管B3的基极B，三极管B3的发射机E接电流源，集电极串接电阻R1后接三极管B5的基极B；所述三极管B5的发射机E接在三极管B3的基极B上，三极管B5的集电极串接负载电阻R3后接电源正极；基极B接负载电阻R5后接电源正极；所述三极管B3的集电极C接三极管B7的基极B，三极管B7的集电极C接电源正极，发射机E依次串联二极管D1和D3后接电流源；所述二极管D3的负端引出线作为该信号放大电路的输出；此处二极管用于调整输出直流电平，其正极到负极会产生1V左右的电压降，三极管B7的射级每拖动一个串联二极管，单元输出端的直流电平会比B7管射级处的电平低大约1V，串联二极管的个数可根据需要设定和调整；所述信号放大单元的增益值根据用户的增益需求通过设定电阻Rf与电阻Rin的比值来实现。

信号调理放大模块的工作原理如下：因三极管增益较大，该拓扑通过两级共射放大器级联的方式实现高增益。三极管B1构成差分放大器第一增益级，B3构成第二增益级，两级前后级联，而B5实现了从第二增益级输出端向第一增益级输出端的负反馈。因B3管集电极寄生电容较大，造成系统极点频率较低，放大器带宽较窄，而B5管的输入阻抗可以推远该系统极点，扩宽放大器的带宽。三极管B7为射级跟随器，起到缓冲放大器与后级负载的效果，而二极管D1～D4为压降管，可以改变压降管的数量来选择整个放大器输出端的输出直流电平。该信号调理放大模块可以通过各种规格的三极管来实现，而电阻值需根据所选三极管特性和系统电源值综合确定。

信号合成模块包括2个信号合成单元，每个信号合成单元包括驱动放大器Q41，三极管C11、C21、C12和C22以及负载电阻R41、R42和R43；所述驱动放大器Q41的两个输入端接从一个所述信号放大单元输出的经过放大增益后的一组差分信号，驱动放大器Q41的两个输出端分别接两个三极管：第一输出端接三极管C11和三极管C21的射极E，第二输出端接三极管C12和三极管C22的射极E；三极管C11和三极管C21的基极B分别接所述差分选择信号C1和C2；三极管C11的集电极串接负载电阻R41后接电源正极；三极管C12和三极管C22的基极B分别接差分选择信号C1和C2，三极管C12和三极管C22的集电极C分别串接负载电阻R42和R43后接电源正极；两个信号合成单元中的第一信号合成单元中的三极管C21和C22的集电极C作为一组差分信号的输出端，另外一个信号合成单元中的三极管C11和C12的集电极C作为一组差分信号的输出端。

信号合成模块(模拟复用器)的工作原理如下：

从号调理放大模块输出两组差分信号，分别进入信号合成模块的两个信号合成单元。输入信号1路和输入信号2路各接入一个驱动放大器(可由基本的共射放大器实现)，两个驱动放大器的差分输出信号通过不同的开关三极管同时与孤立的电阻负载和接至输出端的电阻负载相连。具体地，当差分选择信号C1输入高电平，信号C2则输入低电平，此时所有C1控制的开关导通，C2控制的开关关断，则信号2路的驱动放大器等效接入孤立的电阻负载，而信号1路与输出端相连，此拓扑实现了隔离信号2路，导通信号1路，反之则信号1路导通，信号2路与后级电路隔离。

如此，信号分配模块和信号合成模块通过一组共同的控制信号C1和C2实现了信号通道1和信号通道2的切换，即C1高C2低时，信号分配模块把输入信号切换入信号通道1，同时信号合成模块将信号通道1的输出信号接至输出端，信号通路2的放大器没有输入信号也没有输出信号，在逻辑上是关断的，信号通道1内的放大器的增益即为整个电路的增益。反之信号通道2工作，信号通道1在逻辑上关断，整个电路的增益为信号通道2内的放大器的增益。通过上述方法实现了整个电路的增益程控可变。

本发明的装置还包括信号扇出驱动模块，该模块包括2个三极管、4个二极管和多个驱动放大器；其工作原理是通过一个差分射级跟随器(B51和B52)直接驱动四路共射放大器(即四路输出通道)。射级跟随器起到隔离前级开关阵列与后级的四通道输出的作用，B51和B52射级所接二极管用于调整直流电平，可根据最终电路的共模输出电平要求调整二极管个数。输出通道使用共射放大器驱动，具有动态范围大，可驱动50欧姆负载和传输线的优点。这样芯片与外围电路和后级AD互联后信号传输损耗和反射损耗都较少。其连接关系为三极管B51和B52的基极B分别接一组差分信号的两路信号，三极管B51和B52集电极C接正电，三极管B51和B52的发射集E分别串接两个二极管后接电流源；所述原理发射极的二极管的负端引出线作为信号输出线，则两个二极管负端引出的两条信号输出线分别作为一组差分信号中的两路信号的输出线。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种可变增益放大装置，其特征在于，包括信号分配模块、信号调理放大模块和信号合成模块，其中：

所述信号分配模块包括驱动放大器Q21、Q22和Q23，三极管C13、C14、C23和C24以及4个负载电阻：

所述驱动放大器Q21的一个输入端接输入信号，另一个输入端接地，两个输出端输出所述输入信号对应的一组差分信号P0；三极管C13和C14的基极B接差分选择信号C1，三极管C23和C24的基极B接差分选择信号C2；三极管C13和C14的发射极E接功驱动放大器Q21的第一输出端，三极管C23和C24的发射极E接驱动放大器Q21的第二输出端；三极管C13和C14的集电极C分别接驱动放大器Q22的第一输入端和第二输入端；所述三极管C23和C24的集电极C分别接驱动放大器Q23的第一输入端和第二输入端；所述三极管C13、C14、C23和C24的集电极C各自串接一个负载电阻后接电源正极；所述驱动放大器Q22和驱动放大器Q23的输出端口各输出一组差分信号P1；所述差分选择信号C1和C2为交替的低电平和高电平信号，两者的组合为：C1为低电平和C2高电平或者C2为高电平和C1为低电平；

所述信号调理放大模块包括2个具有不同增益的信号放大单元；每个信号放大单元又包括两个相同的信号放大电路，对属于一组差分信号P1的两路信号分别进行放大处理；每个放大电路均包括三极管B1、B3、B5和B7，电阻Rin、电阻Rf、电阻R1、电阻R3和电阻R5；所述电阻Rin的一端接所述一组差分信号P1中的一路，另一端分成两个支路：一个支路接电阻Rf后接电流源，另一个支路接三极管B1的基极B；所述三极管B1的发射极E接电流源，集电极接三极管B3的基极B；三极管B3的发射极E接电流源，集电极串接电阻R1后接三极管B5的基极B；所述三极管B5的发射极E接在三极管B3的基极B上，三极管B5的集电极串接负载电阻R3后接电源正极；基极B接负载电阻R5后接电源正极；所述三极管B3的集电极C接三极管B7的基极B；三极管B7的集电极C接电源正极，发射极E接电流源；所述三极管B7的发射极E作为信号放大电路的输出端，两个信号放大电路输出一组差分信号P2；所述信号放大单元的增益值根据用户的增益需求通过设定电阻Rf与电阻Rin的比值来实现；

信号合成模块包括2个信号合成单元，每个信号合成单元包括驱动放大器Q41，三极管C11、C21、C12和C22以及负载电阻R41、R42和R43；所述驱动放大器Q41的两个输入端接从一个所述信号放大单元输出的经过放大增益后的一组差分信号P2，驱动放大器Q41的两个输出端分别接两个三极管：第一输出端接三极管C11和三极管C21的发射极E，第二输出端接三极管C12和三极管C22的发射极E；三极管C11和三极管C21的基极B分别接所述差分选择信号C1和C2；三极管C11的集电极串接负载电阻R41后接电源正极；三极管C12和三极管C22的基极B分别接差分选择信号C1和C2，三极管C12和三极管C22的集电极C分别串接负载电阻R42和R43后接电源正极；两个信号合成单元中的第一信号合成单元中的三极管C21和C22的集电极C作为差分信号的输出端，输出一组差分信号P3；另外一个信号合成单元中的三极管C11和C12的集电极C作为一组差分信号的输出端。

2.如权利要求1所述的一种可变增益放大装置，其特征在于，还包括信号扇出驱动模块，该模块包括多个驱动放大器和2个三极管：三极管B51和B52；所述三极管B51和B52的基极B分别接一组差分信号P3的两路信号，三极管B51和B52集电极C接电源正极，三极管B51和B52的发射集E各接一个电流源；所述三极管B51和B52的发射集E引出线作为差分信号输出线，该差分信号输出线上并接有多个驱动放大器。

3.如权利要求2所述的一种可变增益放大装置，其特征在于，所述三极管B51的发射集E与电流源之间以及三极管B52的发射集E与电流源之间各串接多个二极管，所述电流源与该所在线路上最后一个二极管的负极之间引出线作为差分信号的输出端。

4.如权利要求1所述的一种可变增益放大装置，其特征在于，所述三极管B7的发射极E与电流源之间串接多个二极管，所述电流源与最后一个二极管的负极之间引出线作为信号放大电路的输出端。