CN1062996C - 调谐放大器 - Google Patents

Abstract

目的在于得到一种易于集成的、调谐频率和最大衰减量互不干涉的、可任意调整的调谐放大器，包括：由把通过输入阻抗输入的交流信号转换成同相和反相的交流信号并输出的转换装置(F1)和把所转换的两个交流信号通过第一阻抗元件C和第一电阻R进行合成并移相的装置构成的第一移相电路1C；由把该第一移相电路IC移相的交流信号转换成同相和反相的交流信号并输出的转换装置(F2)和把所转换的两个交流信号通过第二阻抗元件C和第二电阻R进行合成并移相的装置构成的、在与上述第一移相电路1C相同方向上移相的第二移相电路2C；使该第二移相电路的输出反相并输出的反相电路3；和把该反相电路3的输出通过反馈电阻Ro反馈到第一移相电路1C的转换装置的输入5的电路。

Description

调谐放大器

技术领域

本发明涉及一种易于集成的调谐放大器，特别涉及一种调谐频率和最大衰减量不相互干涉的、可任意调整的调谐放大器。

背景技术

作为调谐放大器，先前已经提出了并实际应用了使用有源元件和阻抗元件的各种电路。

在先有的调谐放大器中，调整调谐频率时，最大衰减量就变化，调整最大衰减量时，调谐频率就变化，因此，进行调谐频率和最大衰减量互不干涉的调整极为困难。

另外，用集成电路形成能调整调谐频率和最大衰减量的调谐放大器也存在着困难。

因此，本发明的目的在于解决这些问题。

发明的公开

本发明的调谐放大器包括：由把通过输入阻抗输入的交流信号转换成同相和反相的交流信号并输出的转换装置和把所转换的两个交流信号通过第一阻抗元件和第一电阻进行合成并移相的装置构成的第一移相电路；由把该第一移相电路移相的交流信号转换成同相和反相的交流信号并输出的转换装置和把所转换的两个交流信号通过第二阻抗元件和第二电阻进行合成并移相的装置构成的、在与上述第一移相电路相同方向上移相的第二移相电路；使该第二移相电路的输出的相位反相并输出的反相电路；和把该反相电路的输出通过反馈阻抗反馈到第一移相电路的转换装置的输入端的电路。

另外，本发明的调谐放大器还包括：由把通过输入阻抗输入的交流信号转换成同相和反相的交流信号并输出的转换装置和把所转换的两个交流信号通过第一阻抗元件和第一电阻进行合成并移相的装置构成的第一移相电路；把用该第一移相电路移相的交流信号转换成同相和反相的交流信号并输出的转换装置和把所转换的两个交流信号通过第二阻抗元件和第二电阻进行合成并移相的装置构成的、在与上述第一移相电路相反的方向上进行移相的第二移相电路；使该第二移相电路的输出以同相方式输出的非反相电路和把该非反相电路的输出通过反馈阻抗反馈到第一移相电路的转换装置的输入的电路。

附图的简单说明

图1是示出本发明的调谐放大器的第一形态的电路图；

图2是用传递函数K表示本发明的调谐放大器的电路图；

图3是图1所示电路中的移相电路的等效电路图；

图4是表示图3所示电路的移相状态的圆图；

图5是表示图1所示电路中输入电阻和反馈电阻的比值n和最大衰减量的关系的特性曲线图；

图6是本发明的调谐放大器的第二形态的电路图；

图7是图6所示电路中的移相电路的等效电路图；

图8是表示图7所示电路的移相状态的圆图；

图9是本发明的调谐放大器的第三形态的电路图；

图10是本发明的调谐放大器的第四形态的电路图；

图11是本发明的调谐放大器的第五形态的电路图；

图12是本发明的调谐放大器的第六形态的电路图；

图13是本发明的调谐放大器的其他形态的电路图。

实施发明的最佳形态

(第一实施形态)

如图1所示，本发明的调谐放大器包括纵向连接的第一移相电路1C、第二移相电路2C和反相电路3，还包括形成了在输入端4和相加点5之间连接的输入阻抗的电阻Ri(=nRo)以及形成了在反相电路3的输出端6和相加点5之间连接的反馈阻抗的电阻Ro和隔直流用电容Co的串联连接。

两个移相电路1C和2C的结构基本相同，包括具有栅极G、漏极D和源极S的FET(F1、F2)；在正电源和漏极D之间连接的电阻Rd；在负电源和源极S间连接的电阻Rs；形成与漏极D相连的阻抗元件的电容C和与源极相连的可变电阻R。电容C和可变电阻R的输出侧在公共点连接。漏极侧的电阻Rd和源极侧的电阻Rs的具有大致相同的电阻值。

反相电路3包括：具有栅极G、漏极D和源极S的FET(F3)；在正电源和漏极D之间连接的电阻rd以及在负电源和源极S间连接的电阻rs，把漏极侧的电阻rd设定为比源极侧的电阻rs大的电阻值(rd＞rs)使其放大倍数大于1。

第一移相电路1C中的FET(F1)的栅极G成为相加点5，输入端4通过可调输入电阻Ri和隔直流用电容Co与其相连，反相电路3的输出端6通过反馈电阻Ro和隔直流用电容Co与其相连，并且，通过电阻R3向FET(F1)的栅极G施加由电阻R1和R2将电源电压分压的偏压。

第一移相电路1C的输出与第二移相电路2C中的FET(F2)的栅极G相连，第二移相电路2C的输出与反相电路3的FET(F3)的栅极G相连，该FET(F3)的漏极D与输出端6相连，同时还通过反馈电阻Ro和隔直流用电容Co与相加点5相连。

下面对这样构成的调谐放大器的操作进行说明。

如果把连接了这样的移相电路1C、2C而形成的电路作为具有传递函数为K的电路，则系统整体就如图2(a)所示。另外，图2(a)的电路可以用米勒定理转换成图2(b)所示，系统整体的传递函数A可用下式表示： $A=\frac{\mathrm{Vo}}{\mathrm{Vi}}=\frac{k}{n(1-k)+1}------\left(1\right)$

向各级移相电路1C、2C中的FET(F1、F2)的栅极G施加交流电压，就在漏极D产生反相的交流电压，在源极S产生同相的交流电压。这些移相电路1C、2C可表示成图3所示的等效电路，包括由产生与输入的交流信号Ei同极性的交流信号的信号源11、产生与输入的交流信号Ei反极性的交流信号的信号源12、电容C和电阻R构成的闭环。

在该等效电路所示的移相电路中，如图4的圆图所示，构成电阻R的电压成分(IR)和电容C的电压成分(I/jωc)正交、输出电压E的绝对值等于圆的半径即输入的交流电压Ei、保持输出电压Eo的绝对值恒定的移相电路。

该移相电路1C、2C的输出电压Eo和输入电压Ei正交的条件是电阻R的电压成分(IR)与电容C的电压成分(I/jωc)的绝对值相等，因此输出电压Eo的相位相对于输入电压旋转90时，WCR=1成立。

用 $I=\frac{2\mathrm{Ei}}{R+(1+\mathrm{j\ωc})}------\left(2\right)$

求出流过图3所示等效电路的闭环的电流I。输出电压Eo满足

Eo+IR-Ei=0    (3)

把式(2)代入式(3)求出输出电压 $\mathrm{Eo}=\frac{1-\mathrm{j\ωCR}}{1+\mathrm{j\ωCR}}\·\mathrm{Ei}------\left(4\right)$

因此每一级移相电路的传递函数k₁为： $k_1=\frac{E_o}{E_i}=\frac{1-\mathrm{j\ωCR}}{1+\mathrm{j\ωCR}}------\left(5\right)$

相同构成的两级连接的移相电路的传递函数K为：

连接了反相电路3的传递函数K为： $k=-\frac{{\left(\mathrm{j\ωCR}\right)}^2-2\mathrm{j\ωCR}+1}{{\left(\mathrm{j\ωCR}\right)}^2+2\mathrm{j\ωCR}+1}------\left(7\right)$

把式(7)代入式(1)，得到 $A=\frac{-\frac{1}{2n+1}\·\[1-{\left(\mathrm{\ωCR}\right)}^2-\mathrm{j\ωCR}\]}{1-{\left(\mathrm{\ωCR}\right)}^2+\frac{2\mathrm{j\ωCR}}{2n+1}}------\left(8\right)$

从该式(8)可知，ω=0(直流域)时，A=-1/(2n+1)，产生最大衰减量。另外，在ω=∞时也同样产生最大衰减量。在ωCR=1(调谐点)中A=1，与“n”无关。换言之，如图5所示，即使改变“n”调谐点也不移动，调谐点的衰减量也不变化。

象该第一实施例那样，使用作为阻抗元件的静电电容C时的时间常数T=CR，增大静电电容C和电阻R很容易，因此在低频段工作时比较有利。

(第二实施形态)

如图6所示，本发明的调谐放大器包括纵向连接的第一移相电路1L、第二移相电路2L和反相电路3，还包括在输入端4和相加点5之间连接的电阻Ri(=nRo)以及在反相电路3的输出端6和相加点5之间连接的反馈电阻Ro。

两个移相电路1L和2L的构成基本相同，包括FET(F1、F2)、在正电源和漏极D之间连接的电阻Rd、在负电源和源极S之间连接的电阻Rs、作为阻抗元件与漏极D相连的电感L和与源极相连的可变电阻R，电感L和可变电阻R的输出侧在公共点连接。另外，与电感L串联连接的电容Cd用于隔直流电流，把该阻抗的工作频率设定为极小，漏极侧的电阻Rd和源极侧的电阻Rs具有大致相同的电阻值。

在该第二实施例中，移相电路1L、2L可表示为图7所示的等效电路，包括由产生与输入的交流信号Ei同极性的交流信号的信号源11、产生与输入的交流信号Ei反极性的交流信号的信号源12、电感L和电阻R构成的闭环。

在该等效电路所示的移相电路中，如图8的圆图所示，构成了电阻的电压成分(IR)和电感L的电压成分(I·JωL)正交、输出电压Eo的绝对值等于圆的半径即输入的交流电压Ei、保持输出电压Eo的绝对值恒定的移相电路。

如图8的圆图所示，移相电路1L和2L中，电阻R的电压成分(IR)和电感L的电压成分(I·jωL)正交、输出电压Eo的绝对值等于圆的半径即输入的交流电压Ei、保持输出电压Eo的绝对值恒定的移相电路。

该移相电路1L、2L的输出电压Eo和输入电压Ei正交的条件是电阻R的电压成分(IR)与电感L的电压成分(I·jωL)的绝对值相等，因此输出电压Eo的相位相对于输入电压Ei旋转90°时，ωL/R=1成立。

这样，把两级移相电路1L、2L中的相移量相加得到180°、经反相电路3反相变成360°，可以进行频率的调谐放大操作。

如同该第二实施形态那样，作为阻抗元件使用电感L时的时间常数T=L/R，由于减小电感L比较容易，所以在高频段工作时比较有利。

(第三实施形态)

如图9所示，本发明的调谐放大器包括纵向连接的第一移相电路1L、第二移相电路2C和反相电路3，还包括在输入端4和相加点5之间连接的电阻Ri(=nRo)以及在反相电路3的输出端6和相加点5之间连接的反馈电阻Ro。

第一称相电路1L包括FET(F1)、在正电源和漏极间连接的电阻Rd、在负电源和源极间连接的电阻Rs、作为阻抗元件与漏极相连的电感L和与源极相连的可变电阻R，电感L和可变电阻R的输出侧在公共点连接。另外，与电感串连连接的电容Cd用于隔直流电流，漏极侧的电阻Rd和源极侧的电阻Rs具有大致相同的电阻值。

第二移相电路2C包括FET(F2)、在正电源和漏极间连接的电阻Rd、在负电源和源极间连接的电阻Rs、与源极相连的可变电阻R、作为阻抗元件与漏极相连的电容C，电容C和可变电阻R的输出侧在公共点连接。漏极侧的电阻Rd和源极侧的电阻Rs具有大致相同的电阻值。

在该第三实施形态中，通过把第一移相电路1L和电感L与FET(F1)的漏极相连、把第二移相电路2C的电容C与FET(F2)的源极相连，由于即使同时使用电感L和电容C也能进行相同方向上的移相，因此对两级移相电路1L、2C中的相移量进行相加得到180°、经反相电路3反相变成360°，可以进行频率的调谐放大操作。

在该第三实施形态中，频率变高，第一移相电路1L的电感L上的阻抗变大，负载变轻，输出变大，而第二移相电路2C的电容C的阻抗变小，负荷变大，输出变小。这样，在两个移相电路中，由于频率的高低和输出的大小存在相互抵消的关系，所以适合于工作频率在中频段中。

(第四实施形态)

如图10所示，本发明的调谐放大器包括纵向连接的第一移相电路1L、第二移相电路2C和包括作为缓冲电路工作的FET(F3)和晶体管Tr的非反相电路7，还包括在输入端4和相加点5之间连接的输入电阻Ri(=nRo)以及在非反相放大电路7的输出端6和相加点5之间连接的反馈电阻Ro。

第一移相电路1L包括FET(F1)、在正电源和漏极间连接的电阻Rd、在负电源和源极间连接的电阻Rs、作为阻抗元件与漏极相连的电感L和与源极相连的可变电阻R，电感L和可变电阻R的输出侧在公共点连接。与电感L串联连接的电容Cd用于隔直流电流，漏极侧的电阻Rd和源极侧的电阻Rs具有大致相同的电阻值。

第二移相电路2C包括FET(F2)、在正电源和漏极间连接的电阻Rd、在负电源和源极间连接的电阻Rs、作为阻抗元件与漏极相连的电容C和与漏极相连的可变电阻R，电容C和可变电阻R的输出侧在公共点连接。漏极侧的电阻Rd和漏极侧的电阻Rs具有大致相同的电阻值。

在该第四实施形态中，通过把第一移相电路1L的电感L与FET(F1)的漏极相连、把第二移相电路2C的电感C与FET(F2)的漏极相连，同时用电感L和电容C进行反向移相，在两级移相电路1L、2C中的相移进行相加成为0°，经非反相放大电路7在不反相的情况下通过反馈电路Ro向相加点5引入正反馈就能进行调谐放大操作。

作为缓冲电路工作的非反相放大电路7包括FET(F3)、在正电源和漏极间连接的电阻rd、在负电源和漏极间连接的电阻rs和其基极连接到FET(F3)的漏极的PNP晶体管Tr。该晶体管Tr的发射极直接连到正电源上，集电极通过电阻rc与FET(F3)的漏极相连。通过调整该电阻rc就能使非反相放大电路7的放大系数改变。

(第五实施形态)

如图11所示，本发明的调谐放大器包括纵向连接的第一移相电路1C、第二移相电路2C和作为缓冲电路工作的非反相放大电路7，还包括在输入端4和相加点5之间连接的输入电阻Ri(=nRo)以及在非反相放大电路7的输出端6和相加点5间连接的反馈电阻Ro。

第一移相电路1C包括FET(F1)、在正电源和漏极间连接的电阻Rd、在负电源和漏极间连接的电阻Rs、作为阻抗元件与漏极相连的电容C和与源极相连的可变电阻R，电容C和可变电阻R的输出侧在公共点连接。

第二移相电路2C包括FET(F2)、在正电源和漏极间连接的电阻Rd、在负电源和源极间连接的电阻Rs、与源极相连的可变电阻R和作为阻抗元件与源极相连的电容C，可变电阻和电容C的输出端在公共点连接。

另外，在两级移相电路1C、2C中，漏极侧的电阻Rd和源极侧的电阻Rs具有大致相同的电阻值。

第一移相电路1C的输入中的相加点5通过可调整的输入阻抗Ri与输入端4相连、通过反馈电阻Ro与非反相放大电路3的输出端6相连。

另外，通过向FET(F1)的栅极施加用电阻R1和R2分压电源电压得到的偏压，FET(F1)的栅极通过隔直流用电容Co与相加点5相连。在放大低频信号时，可以省去电容Co。

在该实施例中，通过在FET(F1)的漏极侧连接第一移相电路1C的电容C、在FET(F2)的漏极侧连接第二移相电路2C的电容C，使在两级移相电路1C、2C中以相互反向的方式移相，对两级移相电路1C、2C中的相移量相加得到0°，若在非反相放大电路7不反相的情况下通过反馈电阻Ro向相加点5引入正反馈的话，可以进行调谐放大操作。

(第六实施形态)

在图11所示的第五实施例中，在各移相电路1C、2C中使用了作为阻抗元件的电容c，然而如图12所示，也可以使用电感L作为阻抗元件。

第一移相电路1L包括FET(F1)、在正电源和漏极间连接的电阻Rd、在负电源和漏极间连接的电阻Rs、作为阻抗元件与漏极相连的电感L和与源极相连的可变电阻R，电感L和可变电阻R的输出端在公共点连接。

第二移相电路2L包括FET(F2)、在正电源和漏极间连接的电阻Rd、在负电源和漏极间连接的电阻Rs、与漏极相连的可变电阻和作为阻抗元件与漏极相连的电感L，电感L和可变电阻的输出侧在公共点相连。

另外，在各级移相电路1L、2L中，与电感L串联连接的电容Cd用于隔直流电流，把该阻抗在工作频率处设定得极小，漏极侧的电阻Rd和源极侧的电阻Rs具有基本相同的电阻值。

在该实施例中，通过把第一移相电路1L的电感L与FET(F1)的漏极相连、把第二移相电路2L的电感L与FET(F2)的源极相连，使第一移相电路1L和第二移相电路2L相互反向地移相，对两级移相电路1L、2L中的相移量相加得到0°，若在非反相放大电路3不反相的情况下通过反馈电阻Ro向相加点5引入正反馈的话，可以进行调谐放大操作。

(实施发明的其他形态)

在以上说明的实施发明的形态中，在移相电路中使用FET，但使用双极晶体管也能进行同样的操作。

此外，如图13所示，作为各移相电路1、2中的电阻R使用FET(f1，f2)的源-漏间的沟道，外部使该FET(f1，f2)的栅极电压改变，沟道的电阻也改变，各移相电路的相移就改变，就可以任意调整调谐频率。在调整调谐频率时，通过改变两级移相电路中任一级的电阻R的电阻值可以更容易地进行微调。

同样，输入电阻Ri(=nRo)也可以使用FET(f3)的源-漏间的沟道来形成，外部使该FET(f3)的栅极电压改变，则沟道的电阻就改变，使式(8)中的“n”变化，因此，如图5所示，可以调整最大衰减量。

在使用多级输出电压恒定的理想的移相电路时，即使单独改变电路参数的电阻R，即使双方以相互关连的方式变化输出电压也不变化。也就是说，在集成电路上把调谐放大器的整个电路集成为单片时比较有利。

另外，作为各移相电路中的阻抗元件使用电容时，也可以通过SiO2等绝缘氧化膜形成电容；作为各移相电路中的阻抗元件使用电感时，可以用照相蚀刻法形成螺旋状的绕组。

作为阻抗元件使用电容C时的时间常数T=CR，作为阻抗元件使用电感L时的时间常数T=L/R，因此，在低频段工作时使用电容C比较有利，在高频段工作时使用电感L比较有利。

这样，构成本发明的调谐放大器的各个元件可以用半导体制造方法形成因此，可以在半导体晶片上作为集成电路形成调谐放大器，通过大量生产可廉价地制造。

工业上的可利用性

从上面根据实施本发明的最佳形态进行的说明可以知道，按照本发明的调谐放大器，调谐频率和最大衰减量互不干涉，可任意进行调整，可得到符合放大信号的频率和波形，并且，构成调谐放大器的各个元件可以通过半导体制造方法形成，因此，调谐放大器可以作为集成电路以小型化的方式形成在半导体晶片上，通过大量生产可廉价地制造。

特别是如果在各移相电路中作为可变电阻使用FET的源-漏间的沟道、从外部调整施加到该FET栅极上的控制电压来改变沟道的电阻，就可避免外加控制电压的布线的电感和静电电容等的影响，能够得到具有与设计形状大体一致的理想特性的调谐放大器。

另外，在用电容C和电感L构成的调谐电路中，因为调谐频率 $\mathrm{fo}=1/2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}$ ，所以，为调整调谐频率而改变电容C或电感L时，频率与该改变量的平方根成正比改变，然而根据本发明的调谐放大器能够与电阻成正比改变调谐频率，因此可以进行大幅度的调整。

Claims (11)

1．一种调谐放大器，其特征在于包括：

由把通过输入阻抗输入的交流信号转换成同相和反相的交流信号并输出的转换装置和把所转换的两个交流信号通过第一阻抗元件和第一电阻进行合成并移相的装置构成的第一移相电路；

由把该第一移相电路移相的交流信号转换成同相和反相的交流信号并输出的转换装置和把所转换的两个交流信号通过第二阻抗元件和第二电阻进行合成并移相的装置构成的、在与上述第一移相电路相同方向上移相的第二移相电路；

使该第二移相电路的输出反相并输出的反相电路；和

把该反相电路的输出通过反馈阻抗反馈到上述第一移相电路的转换装置的输入的电路。

2．权利要求1记载的调谐放大器的特征在于：

改变第一移相电路的第一电阻和/或第二移相电路的第二电阻来改变调谐频率。

3．权利要求1记载的调谐放大器的特征在于：

改变作为输入阻抗的电阻与作为反馈阻抗的电阻的电阻值之比来改变最大衰减量。

4．权利要求1记载的调谐放大器的特征在于：

由FET的沟道形成各个电阻。

5．权利要求1记载的调谐放大器的特征在于：

调谐放大器作为半导体集成电路来形成。

6．一种调谐放大器，其特征在于包括：

由把通过输入阻抗输入的交流信号转换成同相和反相的交流信号并输出的转换装置和把所转换的两个交流信号通过第一阻抗元件和第一电阻进行合成并移相的装置构成的第一移相电路；

把用该第一移相电路移相的交流信号转换成同相和反相的交流信号并输出的转换装置和把所转换的两个交流信号通过第二阻抗元件和第二电阻进行合成并移相的装置构成的、在与上述第一移相电路相反方向上移相的第二移相电路；

使该第二移相电路的输出通过反馈阻抗反馈到上述第一移相电路的转换装置的输出的电路。

7．权利要求6记载的调谐放大器的特征在于：

在第二移相电路的输出和反馈阻抗间介入非反相放大器。

8．权利要求6记载的调谐放大器的特征在于：

改变第一移相电路的第一电阻和/或第二移相电路的第二电阻来改变调谐频率。

9．权利要求6记载的调谐放大器的特征在于：

改变作为输入阻抗的电阻与作为反馈阻抗的电阻的电阻值之比来改变最大衰减量。

10．权利要求6记载的调谐放大器的特征在于：

由FET的沟通形成各个电阻。

11．权利要求6记载的调谐放大器的特征在于：

调谐放大器作为半导体集成电路来形成。

Images