CN106208996B - 可变增益放大器电路，主放大器的控制器和相关控制方法 - Google Patents

可变增益放大器电路，主放大器的控制器和相关控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种可变增益放大器电路，包括主放大器、电流感测电路、可变负载和控制放大器。主放大器用于放大输入信号以产生输出信号。电流感测电路耦接至所述主放大器，用于提供与流过所述主放大器的电流有关的感测电流。可变负载经由节点耦接至所述电流感测电路，其中所述感测电流流过所述节点和所述可变负载以提供负载电压。控制放大器耦接至所述节点和所述主放大器，用于接收控制电压和所述负载电压以产生调整信号来控制所述主放大器的增益，其中所述可变负载的电阻与所述控制电压具有非线性关系。本发明可以提供精确的和可预测的输出功率。

Description

可变增益放大器电路，主放大器的控制器和相关控制方法
【技术领域】
本发明关于一种可变增益放大器电路，主放大器的控制器和相关控制方法。
【背景技术】
为了满足某些标准或设计要求，控制放大器(control amplifier)被设计为dB线性的可变增益放大器(linear-in-dB variable gain amplifier)，也就是说，控制放大器的输出功率和控制电压可以具有指数关系。然而，dB线性的可变增益放大器的设计可能遭受如精确性、过程/温度变化问题诸如此类的一些问题。因此，重要的是提供一种新颖的设计以解决上述问题。
【发明内容】
因此本发明的目的之一是提供一种可变增益放大器电路、主放大器的控制器和相关的控制方法，可以具有精确的和可预测的输出功率/电压、过程/温度无关的特征、灵活性的设计规范以及可调谐的放大器特性，以解决上述问题。
依据本发明一实施例，提出一种可变增益放大器电路，包括主放大器、电流感测电路、可变负载和控制放大器。主放大器用于放大输入信号以产生输出信号。电流感测电路耦接至所述主放大器，用于提供与流过所述主放大器的电流有关的感测电流。可变负载，经由节点耦接至所述电流感测电路，其中所述感测电流流过所述节点和所述可变负载以提供负载电压。控制放大器耦接至所述节点和所述主放大器，用于接收控制电压和所述负载电压以产生调整信号来控制所述主放大器的增益，其中所述可变负载的电阻与所述控制电压具有非线性关系。
依据本发明另一实施例，提出一种主放大器的控制器，包括电流感测电路、可变负载和控制放大器。电流感测电路用于产生与流过所述主放大器的电流有关的感测电流。可变负载经由节点耦接至所述电流感测电路，其中所述感测电流流过所述节点和所述可变负载。控制放大器耦接至所述节点，用于接收控制电压和所述节点的负载电压以产生调整信号来控制所述主放大器的增益，其中所述可变负载的电阻与所述控制电压具有非线性关系。
根据本发明再一实施例，提供一种控制主放大器的方法，包括：产生与流过所述主放大器的电流有关的感测电流；提供可变负载用于在节点接收所述感测电流，其中所述感测电流流过所述节点和所述可变负载；以及根据控制电压和所述节点的负载电压，产生调整信号来控制所述主放大器的增益；其中所述可变负载的电阻与所述控制电压具有非线性关系。
为了对本发明的上述及其它方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：
【附图说明】
图1为根据本发明实施例的可变增益放大器电路的示意图。
图2绘示当可变负载的电阻与控制电压具有指数关系时，输出功率/输出电压和控制电压之间的关系以及电流或与控制电压之间的关系。
图3为根据本发明实施例的可变增益放大器电路的细节结构示意图。
图4为根据本发明实施例的可变负载的细节结构示意图。
图5绘示根据本发明实施例的电路单元的电路结构。
图6绘示图5所示电路单元的特定电流和反馈电压之间的关系。
图7为当图4所示电路单元的数量为4时可变负载的细节结构的示意图。
图8绘示特定电流和反馈电压之间的关系。
图9绘示流经节点的感测电流和具有反馈电压的整个可变负载。
图10为根据本发明实施例用于控制主放大器的方法的流程图。
【具体实施方式】
在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的元件。本领域的技术人员应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”为开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。以外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接到第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。
请参考图1，其为根据本发明实施例的可变增益放大器电路100的示意图。如图1所示，可变增益放大器电路100包括主放大器110和控制器120。主放大器110被配置为放大输入信号Vin以产生输出信号Vout，以及控制器120被配置为接收控制电压VAPC以产生调整信号VCAS来控制主放大器110的增益。详细地，控制器120包括电流感测电路(current sensingcircuit)122、可变负载RL和控制放大器124，其中，电流感测电路122被配置为提供与流经主放大器110的电流IP相关的感测电流IRL；可变负载RL经由节点NFB被耦接到电流感测电路122，以及感测电流IRL流经节点NFB和可变负载RL以在节点NFB提供负载电压/反馈电压VFB；而控制放大器124接收控制电压VAPC和节点NFB的反馈电压VFB以产生调整信号VCAS。在图1所示的主放大器110和控制器120的回路中，当控制电压VAPC变化，相关电流和反馈电压VFB也连续变化，直到反馈电压VFB近似控制电压VAPC。
在图1中，可变负载RL的电阻是基于反馈电压VFB来确定的，并且由于该反馈电压VFB近似控制电压VAPC，则视为所述可变负载RL的电阻由控制电压VAPC控制。此外，在图1所示回路中，当可变负载RL的电阻由于控制电压VAPC的变化而变化时，感测电流IRL和电流IP也随着可变负载RL的电阻而变化，也就是说，主放大器110的增益随着控制电压VAPC而变化。在本实施例中，可变负载RL被设计成使电阻与控制电压VAPC具有非线性关系，其中，所述非线性关系可以是指数关系或多项式关系，如当控制电压VAPC增加时，可变负载RL的电阻具有非线性衰减。例如，图2示出当可变负载RL的电阻与控制电压VAPC具有指数关系时，输出功率Pout和控制电压VAPC之间的关系以及电流IP或IRL与控制电压VAPC之间的关系。如图2所示，由于当控制电压增加时可变负载RL的电阻具有指数式衰减，因此电流IP/IRL随着控制电压VAPC具有指数式增长。因此，输出功率Pout与控制电压VAPC具有dB线性关系。
参考图3，其为根据本发明实施例的可变增益放大器电路100的细节结构示意图。如图3所示，主放大器110包括两个晶体管M1和M2，并被耦合到电源电压，例如经由电感器L1耦合到电池电压VBAT；电流感测电路122包括晶体管M3-M7和控制放大器202，并且电流感测电路122被配置为提供流过主放大器110的电流IP和感测电流IRL之间的关系。在一个实施方案中，流过主放大器110的电流IP和感测电流IRL之间的关系是固定的关系。详细地说，电流感测电路122可被视为两个电流镜，即，中间电流ID是比率(1/N)乘以流经主放大器110的电流IP(即ID＝IP/N)，以及感测电流IRL是比率(1/M)乘以中间电流ID(即IRL＝ID/M)，其中N和M是任意设计的正整数。值得注意的是，图3所示的主放大器110和电流感测电路122仅用于说明性目的，而不是本发明的限制。
参考图4，其为根据本发明实施例的可变负载RL的细节结构示意图。如图4所示，可变负载RL包括k个电路单元410_1-410_k，其中，k可以是等于或大于2的任何正整数。电路单元410_1-410_k分别接收参考电压VR1-VRk和参考电流IR1-IRk并提供特定电流I1-Ik到节点NFB。在图4中，参考电压VR1-VRk和特定电流I1-Ik的值可根据设计者的考虑来确定。例如，参考电压VR1-VRk可以具有不同的值，以及特定电流I1-Ik可以具有相同的值，或者特定电流I1-Ik都不尽相同。在一个实施方案中，对于每个电路单元410_1-410_k，特定电流I(j)大于特定电流I(j-1)，以及参考电压VRj大于参考电压VR(j-1)，其中j可为等于或小于k的任意正整数。
图5示出根据本发明实施例的电路单元410_k的电路结构。如图5所示，电路单元410_k具有晶体管M8-M12，并且当反馈电压VFB增加接近于参考电压VRk时，晶体管M11开始关断，并且参考电流IRk开始流过晶体管M10和M8，以及晶体管M9以比率Nk镜像(mirror)流经晶体管M8的电流以产生特定电流Ik。更详细的说，在反馈电压VFB接近参考电压VRk时，电路单元会开始提供电流，在反馈电压VFB大于参考电压VRk时，产生特定电流Ik。最后，如图6所示特定电流Ik等于Nk*IRk。参考电压VRk设定得越低，则在同样的反馈电压VFB，输出电流会越大。
图7为当图4所示电路单元的数量为4时可变负载RL的细节结构的示意图，并且每个电路单元使用图5所示的实施例来实现。如图7所示，可变负载RL具有四个电路单元410_1-410_4，其中电路单元410_1接收参考电压VR1和参考电流IR，以及图5所示的电流镜的比率N1为“1”；电路单元410_2接收参考电压VR2和参考电流IR，以及图5所示的电流镜的比率N2为“2”；电路单元410_3接收参考电压VR3和参考电流IR，以及图5所示的电流镜的比率N3为“10”；电路单元410_4接收参考电压VR4和参考电流IR，以及图5所示的电流镜的比率N4为“38”。图8示出了特定电流I1-I4和反馈电压VFB之间的关系，以及图9示出了流经节点NFB的感测电流IRL和具有反馈电压VFB的整个可变负载RL，其中感测电流IRL是由电路单元410_1-410_4提供的所有特定电流的总和。如图7-9所示，可变负载RL能够操作使得感测电流IRL与反馈电压VFB呈现指数关系，也就是主放大器110的输出功率也与控制电压VAPC(VFB～VAPC)具有指数关系(dB线性)。
在一个实施方案中，为使控制器120的操作独立于温度/过程变化，图4所示的参考电压VR1-VRk可以由带隙参考电压发生器(bandgap reference voltage generator)产生，以及参考电流IR1-IRk可以由带隙参考电流发生器(bandgap reference currentgenerator)产生。
值得注意的是，图4所示的可变负载RL和图5所示的电路单元的实施例仅用于说明性目的，而不是本发明的限制。在本发明的其他实施方案中，图4所示的电路单元可以有不同的电路设计，以及可变负载RL还可以包括与电路单元410_1-410_k并联连接的电阻器。这些替代的设计都属于本发明的范围之内。
请一起参考图1和图10，图10为根据本发明实施例用于控制主放大器的方法的流程图。如图10所示，流程描述如下。
步骤1000：流程开始。
步骤1002：产生与流过主放大器的电流有关的感测电流。
步骤1004：提供可变负载用于在节点处接收感测电流，其中，感测电流流过节点和可变负载。
步骤1006：接收控制电压和节点的电压以根据控制电压和节点的电压产生调整信号来控制主放大器的增益，其中，可变负载的电阻与控制电压具有非线性关系。
简要概述，在可变增益放大器电路中，本发明主放大器的控制器和相关的控制方法，通过使用其电阻与控制电压具有非线性关系(例如指数关系)的可变负载，主放大器可以具有所需的输出功率以响应于控制电压(例如呈dB线性关系)。因此，本发明的实施例可以提供精确的和可预测的输出功率。另外，通过设置图4-5所示的电流镜的参考电压、参考电流和/或比率，主放大器的输出功率和控制电压可以具有不同的关系，也就是说本发明的实施例在设计规格上是弹性的以及在放大器特性上是可调谐的。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定者为准。

Claims (22)

1.一种可变增益放大器电路，其特征在于，包括：
主放大器，用于放大输入信号以产生输出信号；
电流感测电路，耦接至所述主放大器，用于提供与流过所述主放大器的电流有关的感测电流；
可变负载，经由节点耦接至所述电流感测电路，其中所述感测电流流过所述节点和所述可变负载以提供负载电压；以及
控制放大器，耦接至所述节点和所述主放大器，用于接收控制电压和所述负载电压以产生调整信号来控制所述主放大器的增益；
其中所述可变负载的电阻与所述控制电压具有非线性关系；
所述可变负载包括多个电路单元，其中，所述多个电路单元分别接收多个参考电压，以及当特定电压大于所接收的所述参考电压时，每个所述电路单元提供特定电流给所述节点，其中所述特定电压是根据输入到所述控制放大器的所述控制电压而产生的；所述多个电路单元所提供的所述多个特定电流的总和为流过所述节点和所述可变负载的感测电流。
2.如权利要求1所述的可变增益放大器电路，其特征在于，所述可变负载的所述电阻与所述控制电压具有指数关系。
3.如权利要求1所述的可变增益放大器电路，其特征在于，所述可变负载的所述电阻与所述控制电压具有多项式关系。
4.如权利要求1所述的可变增益放大器电路，其特征在于，由所述多个电路单元所提供的所述多个特定电流是相同的。
5.如权利要求1所述的可变增益放大器电路，其特征在于，所述多个电路单元分别接收多个参考电流，所述特定电压为所述负载电压。
6.如权利要求1所述的可变增益放大器电路，其特征在于，所述多个参考电压不尽相同。
7.如权利要求6所述的可变增益放大器电路，其特征在于，对于所述多个电路单元，所接收到的所述参考电压越小，提供给所述节点的所述特定电流越大。
8.如权利要求1所述的可变增益放大器电路，其特征在于，所述多个电路单元分别接收多个参考电流，所述多个电路单元中的每个电路单元包含电流镜，以一比率镜像所述参考电流来产生所述特定电流。
9.如权利要求1所述的可变增益放大器电路，其特征在于，所述电路单元包括：
第一N型晶体管；
第二N型晶体管，其中所述第二N型晶体管的栅电极耦接于所述第一N型晶体管的栅电极；
第一P型晶体管，其中所述第一P型晶体管的栅电极耦接于参考电压，以及所述第一P型晶体管的漏电极耦接于所述第一N型晶体管的漏电极；
第二P型晶体管，其中所述第二P型晶体管的栅电极耦接于所述第二N型晶体管的漏电极，以及所述第一P型晶体管的源电极和所述第二P型晶体管的源电极耦接于由参考电流所供应的端子；以及
第三N型晶体管，其中所述第三N型晶体管的栅电极和漏电极耦接于所述第二P型晶体管的漏电极；
其中流经所述第二N型晶体管的电流作为所述电路单元的所述特定电流。
10.一种主放大器的控制器，其特征在于，包括：
电流感测电路，用于产生与流过所述主放大器的电流有关的感测电流；
可变负载，经由节点耦接至所述电流感测电路，其中所述感测电流流过所述节点和所述可变负载；以及
控制放大器，耦接至所述节点，用于接收控制电压和所述节点的负载电压以产生调整信号来控制所述主放大器的增益；
其中所述可变负载的电阻与所述控制电压具有非线性关系；
其中，所述可变负载包括多个电路单元，所述多个电路单元分别接收多个参考电压，以及当特定电压大于所接收的所述参考电压时，每个所述电路单元提供特定电流给所述节点，其中所述特定电压是根据输入到所述控制放大器的所述控制电压而产生的，其中，所述多个电路单元所提供的所述多个特定电流的总和为流过所述节点和所述可变负载的感测电流。
11.如权利要求10所述的控制器，其特征在于，所述可变负载的所述电阻与所述控制电压具有指数关系。
12.如权利要求10所述的控制器，其特征在于，所述可变负载的所述电阻与所述控制电压具有多项式关系。
13.如权利要求10所述的控制器，其特征在于，由所述多个电路单元所提供的所述多个特定电流是相同的。
14.如权利要求10所述的控制器，其特征在于，所述多个电路单元分别接收多个参考电流。
15.如权利要求10所述的控制器，其特征在于，所述多个参考电压不尽相同。
16.如权利要求15所述的控制器，其特征在于，对于所述多个电路单元，所接收到的所述参考电压越小，提供给所述节点的所述特定电流越大。
17.如权利要求10所述的控制器，其特征在于，所述多个电路单元分别接收多个参考电流，所述多个电路单元中的每个电路单元包含电流镜，以一比率镜像所述参考电流来产生所述特定电流。
18.如权利要求10所述的控制器，其特征在于，所述电路单元包括：
第一N型晶体管；
第二N型晶体管，其中所述第二N型晶体管的栅电极耦接于所述第一N型晶体管的栅电极；
第一P型晶体管，其中所述第一P型晶体管的栅电极耦接于参考电压，以及所述第一P型晶体管的漏电极耦接于所述第一N型晶体管的漏电极；
第二P型晶体管，其中所述第二P型晶体管的栅电极耦接于所述第二N型晶体管的漏电极，以及所述第一P型晶体管的源电极和所述第二P型晶体管的源电极耦接于由参考电流所供应的端子；以及
第三N型晶体管，其中所述第三N型晶体管的栅电极和漏电极耦接于所述第二P型晶体管的漏电极；
其中流经所述第二N型晶体管的电流作为所述电路单元的所述特定电流。
19.一种控制主放大器的方法，其特征在于，包括：
产生与流过所述主放大器的电流有关的感测电流；
提供可变负载用于在节点接收所述感测电流，其中所述感测电流流过所述节点和所述可变负载；以及
控制放大器根据控制电压和所述节点的负载电压，产生调整信号来控制所述主放大器的增益；
其中所述可变负载的电阻与所述控制电压具有非线性关系；
其中，所述可变负载包括多个电路单元，所述多个电路单元分别接收多个参考电压，以及当特定电压大于所接收的所述参考电压时，每个所述电路单元提供特定电流给所述节点，其中所述特定电压是根据输入到所述控制放大器的所述控制电压而产生的，其中，所述多个电路单元所提供的所述多个特定电流的总和为流过所述节点和所述可变负载的感测电流。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述可变负载的所述电阻与所述控制电压具有指数关系。
21.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述可变负载的所述电阻与所述控制电压具有多项式关系。
22.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述电路单元包括：
第一N型晶体管；
第二N型晶体管，其中所述第二N型晶体管的栅电极耦接于所述第一N型晶体管的栅电极；
第一P型晶体管，其中所述第一P型晶体管的栅电极耦接于参考电压，以及所述第一P型晶体管的漏电极耦接于所述第一N型晶体管的漏电极；
第二P型晶体管，其中所述第二P型晶体管的栅电极耦接于所述第二N型晶体管的漏电极，以及所述第一P型晶体管的源电极和所述第二P型晶体管的源电极耦接于由参考电流所供应的端子；以及
第三N型晶体管，其中所述第三N型晶体管的栅电极和漏电极耦接于所述第二P型晶体管的漏电极；
其中流经所述第二N型晶体管的电流作为所述电路单元的所述特定电流。
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