CN1078978C - 用于对由控制电压控制的非线性组件线性化的线性化电路 - Google Patents

Abstract

压控非线性放大器/衰减器的非线性度通过在线性化电路运算放大器(21)的反馈通路中设置非线性电路而被补偿，该电路包括一个或多个并联的差分放大器。例如，一个放大器(DAP1)可能是其指数范围在控制电压范围(V_LIN)低端的低增益放大器，而另一个放大器可能是其指数范围在控制电压范围高端的高增益放大器。当在反馈电通路中使用必要数目(n)的差分放大器时，可对非线性组件的非线性度补偿到理想的程度。

Description

由控制电压控制的非线性组件线性化的线性化电路

本发明涉及包括放大器和补偿位于其反馈通路中的非线性度性的线性化电路。施加到放大器输入的线性控制电压在线性化电路中被变换使得由变换的控制电压所控制的非线性元件的非线性度基本上被补偿，而使非线性元件输出电压基本上线性地依赖线性控制电压。

在无线电单元发射机中，使用了诸如RF衰减器和放大器的压控组件。这些组件在调节范围内的衰减和放大应当是线性地依赖于调节电压的。一个典型的实施方式是一种功率均衡电路回路，其中提供给发射机放大器的RF信号的输入功率基本上是固定的，而从放大器输出的信号功率必须在以亚微秒速度在宽广的范围内调节。许多压控组件的特性是非线性的，即如果没有任何特别的线性化，则放大器的衰减G即作为控制电压V_C的函数的输出电压V_out对输入电压V_in的比值由图1的图示所示。当控制电压从零增加时，该图示首先表示出其中衰减G具有最小值的一个泄漏区域1。它几乎与控制电压V_c无关。当控制电压增加时，来到第一线性过渡区域2。在这区域，衰减是控制电压的线性函数。下一个区域是指数或者dB线性区域3，其中衰减是控制电压的指数函数。随着控制电压的进一步的增加，来到第二线性过渡区域4。这里衰减也是控制电压的线性函数。最后的区域是饱和区域，其中衰减具有与控制电压几乎无关的最大值。

在许多实施方式中，压控组件需要的性质是线性。如前所知，这可通过使用特别的线性电路达到。线性电路的目的是为了把所提供的线性控制电压转换为其特性与压控组件的特性相反的非线性控制电压，以此它们组合成形成压控组件线性特性。

图2示出本领域中所知的典型的反向线性电路的原理。一个非线性电路22置于高增益非线性运算放大器21的反馈通路之中。该放大器的输入是要被线性化的电压V_LIN，并从该输出获得提供给压控衰减器/放大器23的非线性控制电压V_c，在此它对非线性电压G进行补偿。

为了使得非线性度G能够被补偿，它应当或者是控制电压V_c一个单调下降或者是一个单调上升的函数，由此它可由公式(1)表示：

G(V_c)＝g₀₀±g₀₁(A·(V_c-V₀₁))＝g₀₀±g₀₁(V₀)(1)

其中g₀₀是常量而g₀₁是单调下降函数。V₀₁是偏置项而A是分度因数，它们用来表示作为电压V₀的函数的非线性度。可称为补偿非线性度的非线性电路22产生一反馈电流I＝I₀₀±I₀₁(V₀)，其中I₀₀为常量部分，I₀₁为依赖于电压V₀的部分。电压V₀是从输出电压V_c通过A的分度和V₀₁的偏置而获得的。分度和偏置可使用电阻器网进行。当放大器为非反向放大器时使用正号，而当它为反向放大器时使用负号。非线性度I₀₁称为补偿非线性度，而函数g01可称为要被补偿的非线性度。如果放大器21具有无限的增益，它将试图使得在输入极性的电压相等，于是以下等式成立：

V_LIN＝(I₀₀±I₀₁(V₀))R    (2)

当以上与公式(1)比较时，我们看到如果I₀₁(V₀)是g₀₁(V₀)的线性函数则G是V_LIN的线性函数。项I₀₀与g₀₀对线性化没有影响，但是它们引起了固定的偏置，于是对I₀₁的补偿要求是

I₀₁(V₀)＝P+q-g₀₁(V₀)，

其中p和q任意常量。

在现代压控衰减器中的趋势是使得指数范围(即dB线性区域)尽可能地大并尽可能减小线性区域。在某些衰减器中，图1的第二线性区域4是非常狭窄的，并在某些地方区域3中的增益上升得比指数还快。诸如由本发明的发明者以前所提供的已知的线性化电路不能够在整体特性上线性化这种非线性组件，特别是在图1所示的曲线的区域2，3和4中。

本发明的目的是为了提供没有已知解决方案的缺陷的线性化电路。目的是为了提供一种非线性电路，在尽可能宽的区域中其特性与要被补偿的非线性度的特性相同。

用于线性化对由控制电压控制的非线性组件的一种线性化电路，该线性化电路变换线性控制电压为非线性控制电压，并且该线性化电路包括一个反馈放大器，向其输入施加线性控制电压，并从其输出获得非线性控制电压，

置于反馈通路中的非线性电路，该电路的非线性度与压控非线性组件的非线性度基本相同，

其特征在于，非线性电路至少包含一个由匹配的晶体管对形成的差分放大器，该放大器的连接使得的该对中：

第一晶体管的基极在操作功能上连接到反馈放大器的输出，以此第一晶体管集电极电流依靠于反馈放大器的输出电压，

第二晶体管的基极在功能上接地，

晶体管的发射极连接在一起，而公共的发射极电流基本上是常量，以此第一晶体管集电极电流的变化引起第二晶体管集电极电流相反的变化，

第二晶体管的集电极连接到反馈放大器的输入，并且第二晶体管的集电极连接到地。

本发明中，电路的非线性即补偿非线性度的实现是基于根据图3的已知的差分放大器的，该放大器以下称为差分对(DAP)。晶体管Q₁和Q₂是匹配对，晶体管Q₁的集电极电流I₁是所需的电流I₀₁(I₁＝I₀₁)，而晶体管Q₂的集电极电流为I₂＝I_t-I₀₁。这样的一个DAP产生公式(3)的非线性度：

I₀₁＝1/2·I_t·(1＋tanh(V₀/2V_t))    (3)其中I_t是和电流，该电流是固定电流源的电流I_t并同时是集电极电流之和，而V_t是正比于绝对温度的电压，在室温下大约为26mv。标号31表示产生固定电流I_t的电流产生器。在其它图中，电流产生器由相同的符号表示。然而一个DAP(未示出)的图示的线性区域与指数区域比较是大的，该指数区域不足以补偿大的非线性区域。本发明中，置于运算放大器的反馈通路中的非线性电路是通过组合至少两个DAP形成的，其中一个是其指数区域在控制电压区域的低端的低增益DAP，而另一个是其指数区域在控制电压区域的高端的高增益DAP。在非线性电路中，通过使用必要数量的DAP非线性组件的非线性度可被补偿到理想的程度。

在本发明的一个实施例中，使用了一个修改的DAP，其中一个额外的晶体管与基本连接的晶体管并联地连接，该额外的晶体管的集电极连接到基本连接的一个晶体管的集电极而其发射极连接到基本连接的发射极。作用在额外晶体管的基极的电压是运算放大器的输出电压V_c，虽然它已经被偏置并独立地分度。以下称这一连接为DAP-正。DAP-正的非线性度几乎与两个DAP放大器组合的非线性度相同，但是它有一些缺点，这在以下将讨论。

以下将参照附图借助于本发明的较佳实施例更为详细地讨论本发明，其中

图1表示压控衰减器典型的特性，

图2表示线性化电路的已知原理，

图3表示一个DAP，

图4表示两个DAP的组合，

图5表示三个DAP的组合，

图6表示一个DAP-正，

图7表示包含根据本发明的一个非线性电路的线性化电路，以及

图8表示包含一个修改的非线性电路线性化电路。

图4中，形成图2中所示的反馈通路补偿非线性度元件的DAP是并联的，使得两个DAP的输入为控制电压V_c。在每一对，控制电压V_c受到单独的标定(Aa，A_b)和电平位移(-V_oa，-V_ob)。在其基极的控制电压V_c已经有作用的对中的左手侧晶体管的输入电流I_o1a，I_O1b的和为I₁，而右手侧晶体管的输入电流之和为I₂。一对放大器按以下方式(图2)连接到一个线性化电路的反馈通路，使得反馈电流为I₂。也可使用电流I₁作为反馈电流，但是运算放大器的输入极符号将要变为按图2中所示的连接。然而这产生了具有下述缺点的非反向线性化电路。

在图4所示的连接的图(未示出)中，指数区域，即电流I₁关于电压V_c的导数被电流I₁除为常量即 $\frac{1}{I_1}\frac{d{I}_1}{d{V}_c}$

为常量的区域明显大于具有图3的单个DAP的连接。

任何所需数目的DAP可并联地连接。每一个DAP补偿其非线性度的自身部分，由此使用充分大数目的DAP使得能够形成理想精度的被补偿的非线性度。根据图5使用三个DAP使得能够产生大数目的不同的非线性度。图5的非线性电路对于大多数实施例是足够的。

使用几个DAP放大器很多方面有好处：例如每一对的调节参数A_n和V_0n具有独立的效果，即它们不影响其它对的操作，并且所获得的线性度对任何单独的调节参数不很敏感。此外，该电路可易于集成为模拟IC。

一个DAP放大器可按照图6所示的方式修改。图中，额外的晶体管Q3与基本的DAP的晶体管Q1并联。前者晶体管的集电极连接到后者DAP晶体管Q1的集电极，而其发射极连接到基本连接晶体管的发射极。作用到额外晶体管Q3的基极的电压是与作用在DAP晶体管集极电压V_c一样，所不同的是它独立地由项-V_a偏置和由分度因子A_a分度。以下，这一连接称为DAP-正。

DAP-正的非线性度性质也是与几乎与两个DAP放大器组合的性质相同。然而由于调节参数彼此相互影响，它更难以设计。而且，该连接对组件的允差和温度比两个DAP的电路更为敏感。

实际上，线性化电路具有在反馈通路的电流I₀₁的曲线中平坦的区域。这成为问题，因为它意味着运算放大器在这个区域中没有反馈。如果I₀₁在V_C增加很高时同时降低，则情况更糟。然而这只是在当V_C上升很高以至晶体管之一的基极-集电极结变为导通时在非反向线性化电路中出现。这可能引起失去线性化电路操作能力的结果。因此，不建议在非线性化电路中使用长尾对。在反向线性化电路中，即使平坦的区域也比较易于处理。而且在实际的压控衰减器中已经发现，在其有用的操作区域中，它们从来不变为完全平坦。这样如图7和8所示，在运算放大器的输出和反向输入之间可放置一个大电阻器。如图1所示，这模仿了压控放大器的典型特性中的第一线性区域2。

图7和8表示本发明在线性化电路中的非线性电路。图7表示带有几个DAP的反向线性化电路，而图8表示带有一个DAP-正的线性化电路。电压V_B是该非线性电路的操作电压。这些图表示反向放大器，但是一个带有非反向放大器的电路是通过交换放大器的正和负输入并在反馈中使用图中接地的那些晶体管的集电极而获得的。然而线性反馈必须连通到放大器的负输入，即大电阻器将必须置于运算放大器的输出与反向输入之间。然而非反向结构由于上述的原因而不推荐使用。还可以使用以PNP晶体管实现的电路。在所有的这些电路中，电流源I_t可由一个电阻器和一个适当的电压源代替。

图7还示出改变线性化电路的频率响应的途径。为了频率响应尽可能地直接并防止电路在任何恰当的控制电压下振荡，需要与操作点有关的频率补偿。这可通过向非线性元件连接电容器而实现。这些电容器在图中一般由C′表示。

在图7和8中，电压-V_on通常是电源电压，这取决于需要的是正还是负偏置这一事实。在图的每一DAP中，可以提供给左手晶体管基极的偏置代替提供给右手基极的偏置，后者的偏置具有相反的符号。然而实际上，最好连接左手晶体管基极到接地。

应当理解，以上的说明和相关的附图仅仅是为了解释本发明。显然对于业内专业人士而言，在不背离所附权利要求中提出的本发明的范围和精神之下本发明可在很多方面进行变化和修改。

Claims (5)

1.用于线性化对由控制电压控制的非线性组件的一种线性化电路，该线性化电路变换线性控制电压(V_LIN)为非线性控制电压(V_c)，并且该线性化电路包括

一个反馈放大器(21)，向其输入施加线性控制电压(V_IN)，并从其输出获得非线性控制电压(V_c)，

置于反馈通路中的非线性电路(22)，该电路的非线性度与压控非线性组件的非线性度基本相同，

其特征在于，非线性电路(22)至少包含一个由匹配的晶体管对(Q₁，Q₂)形成的差分放大器，该放大器的连接使得的该对中：

第一晶体管(Q₁)的基极在操作功能上连接到反馈放大器的输出，以此第一晶体管集电极电流(I₁)依靠于反馈放大器的输出电压，

第二晶体管(Q₂)的基极在功能上接地，

晶体管的发射极连接在一起，而公共的发射极电流基本上是常量，以此第一晶体管集电极电流的变化引起第二晶体管集电极电流(I₂)相反的变化，

第二晶体管(Q2)的集电极连接到反馈放大器的输入，并且第二晶体管(Q1)的集电极连接到地。

2.根据权利要求1的线性化电路，其特征在于，一个额外的晶体管(Q3)并联地连接到差分放大器使得其集电极和发射极分别连接到第一晶体管(Q1)的集电极和发射极，并且该额外晶体管的基极还在功能上连接到反馈放大器的输出。

3.根据权利要求1或2的线性化电路，其特征在于，几个差分放大器并联使得提供给每一对的第一晶体管基极的反馈放大器的输出电压(V_c)受到分别的分度(A)和分别的电平移动(V_n)。

4.根据权利要求1或2的线性化电路，其特征在于，连接在一起的差分放大器的晶体管发射极连接到一个稳定电流源(I_t)。

5.根据权利要求3的线性化电路，其特征在于，非线性电路的非线性度图通过对应于要被线性化的非线性组件非线性度图而分别地分度和电平移动被修改，以此每一差分放大器补偿其非线性组件的非线性度自身部分。

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