CN1097876C - If放大器/限幅器 - Google Patents

Abstract

一个IF限幅放大器在其每个放大级中使用局部正反馈，以便在保持限制增益时提供额外的小信号增益。该额外的小信号增益导至接收机在偏置电流不足情况下有较高的总灵敏度。实现相同信号响应而所需级数减少从而导至电路功耗的明显的下降。

Description

IF放大器/限幅器

发明领域

本发明涉及IF放大器/限幅器。

背景技术

典型的多级IF放大器/限幅器使用反馈环路去稳定电路防止DC电源的影响。它对小输入信号提供大的增益，并控制限制更大的输入信号。这样的IF放大器/限幅器用在FM无线电，模拟蜂窝电话和无绳电话方面。一般已知的典型IF放大器/限幅器来自欧洲专利申请EP0517305A1。

当考虑到线性应用例如有源滤波器时，使放大器的输出动态范围尽可能大和同时使它的增益带宽积(GBP)尽可能大，是很重要的。如US-A 4 904 952中描述了一种增强差分放大器的输出动态范围的方法和电路。在US-A 4 904 952中在维持GBP不变的情况下，提供带有电平移动电路的差分放大器以产生附加的电压。当考虑到IF放大器/限幅器时，线性度不是一个重要的参数，因为它们是工作在很窄频率范围内的非线性电路。因此它们要为小信号提供较大的增益，而对大信号提供有限的增益。

发明方案概述

因此本发明的目的在于提供一种IF放大器/限幅器，它在对较大信号保持限制的增益时对小信号提供一个增加的增益。

本发明的另一目的在于提供一种IF放大器/限幅器，它在每级中使用局部正反馈，特别用于改善灵敏度。

本发明再一目的在于提供一种IF放大器/限幅器，在偏置电流不足条件下对接收机而言具有更高的总灵敏度。

本发明再一目的在于提供一种IF放大器/限幅器，它要求明显减少的功率总量但提供相同的信号响应。

本发明还有一个目的在于提供一种IF放大器/限幅器，它操作可靠且有效。

本发明提供的一种IF放大器/限幅电路在每级中使用局部正反馈。以便对较大信号保持限制的增益时对小信号提供额外的增益。

按照本发明，通过附加第二晶体管差分对到电路将局部正反馈引入第一差分放大对。第二差分对此交叉结构耦合到第一差分对的输出。附加到电路的附加电阻是用于调整引入到第一差分对的增益单元的正反馈量，以及调整附加小信号增益的线性范围。

根据本发明第一方面，提供了一种IF放大器/限幅器，包括：级联的差分放大器对，具有从所述差分放大器对的末级的输出端到所述差分放大器对的第一级的输入端的一个低频负反馈，所述第一差分放大器对，用于接收输入信号并在其输出端产生具有增益的输出信号；每个差分放大器对还具有电阻器装置，用于控制输出信号的增益的大小；其特征在于所述IF放大器/限幅器的每个差分放大器对还包括：局部的正反馈装置，具有一个输入端连接到所说差分放大器对的输出端，用于引入局部正反馈到相应的差分放大器对以增大它的增益。

优选地在根据本发明的IF放大器/限幅器中，所说第一差分放大器对包括：一第一晶体管，其基极接收输入信号，其发射极连接到第一电流源；以及一第二晶体管，其基极接收输入信号，其发射极连接到所说第一晶体管的发射极和第一电流源。

优选地在上述IF放大器/限幅器中，所说电阻器装置包括：一第一电阻器，其一端连接到所说第一晶体管的集电极，另一端连接到电压源V_CC；以及一第二电阻器，其一端连接到所说第二晶体管的集电极，另一端连接到该电压源V_CC，所说第一和第二电阻器控制引入所说第一差分对的局部正反馈的量。

在上述的放大器/限幅器中，所说反馈装置可以包括：一第三晶体管，其基极连接到所说第一晶体管的集电极，其集电极同所说第二晶体管的集电极连接，以及其发射极同第二电流源连接；一第四晶体管，其基极连接到所说第二晶体管的集电极，其集电极同所说第一晶体管的集电极连接，以及其发射极同所说第三晶体管的发射极和第二电流源连接，所说第三和第四晶体管确定第二差分对；以及一个调整装置，用于控制引入第一差分对的局部正反馈量，并进一步调整输出信号增益的线性范围。

优选地，所说调整装置包括：一第三电阻器，其一端连接到所说第三晶体管的发射极，另一端连接到第二电流源；以及一第四电阻器，其一端连接到所说第四晶体管的发射极，另一端连接到第二电流源，所说第三和第四电阻器用于调整输出信号增益的线性范围。

优选地，在所述放大器/限幅器中，所说调整装置包括：一第三电阻器，其一端连接到所说第三晶体管的基极和所说第一晶体管的集电极，另一端连接到所说第一电阻器；以及一第四电阻器，其一端连接到所说第四晶体管的基极和所说第二晶体管的集电极，另一端连接到所说第二电阻器，所说第三和第四电阻器用于控制引入所说第一差分对的局部正反馈量。

优选地，所说调整装置可以包括：一第三电阻器，其一端连接到所说第三晶体管的发射器，另一端连接到第二电流源；一第四电阻器，其一端连接到所说第四晶体管的发射极，另一端连接到第二电流源，所说第三和第四电阻器调整输出信号增益的线性范围；一第五电阻器，其一端连接到所说第三晶体管的基板，另一端连接到所说第一电阻器；一第六电阻器，其一端连接到所说第四晶体管的基板，另一端连接到所说第二电阻器，所说第五和第六电阻器控制引入到所说第一差分对的局部正反馈量；一第七电阻器，其一端连接到所说第一晶体管的集电极，另一端连接到所说第五电阻器和所说第三晶体管的基极；以及一第八电阻器，其一端连接到所说第二晶体管的集电极，另一端连接到所说第六电阻器和所说第四晶体管的基极，所说第七和第八电阻器调整输出信号增益的线性范围。

根据本发明的另一个方面，提供了一种增加IF放大器/限幅器的灵敏度并降低操作该电路所需的功率量的方法，该方法包括：引入局部正反馈到第一差分放大器对的输出；以及调整引入到该第一差分放大器对的输出的局部正反馈量，以便得到所要求的输出信号。

优选地在上述方法中，所说引入局部正反馈的步骤是通过将一第二晶体管差分放大器对附加到该IF放大器/限幅器电路的第一差分放大器对的输出来完成的。

优选地在上述方法中，所说调整引入到第一差分放大器对的局部正反馈量的步骤是通过有选择地将电阻器附加到该第一和第二差分放大器对来完成的。

本发明的其他目的和特征根据下面结合披露本发明若干实施例的附图所作的详细说明将是显而易见的。然而应当理解，附图仅仅为了说明而并不作为本发明的限制。

在附图中，相同的参考符号表示相同的元件。

附图简述

图1a是现有技术的一种典型IF电路；

图1b是图1a的现有技术的单级电路；

图2是按本发明的一种具有局部正反馈的IF放大器/限幅器的第一

实施例；

图3是按本发明的一种具有局部正反馈的IF放大器/限幅器的第二

实施例；

图4是按本发明的一种具有局部正反馈的通用IF放大器/限幅器构造单元；

图5a是一个标准的现有技术的IF放大级，具有分配到电路元件的值，用于模拟试验；

图5b是图2第一实施例的改型，具有分配到电路元件的数值，用于模拟试验；

图5c是第二实施例或图3的一个例子，具有分配到电路元件的数值，用于模拟试验；

图5d和5e是在对电路5a-5c模拟期间使用的输入源电路；

图6是图5电路的DC转换功能的曲线(Vout对Vin的关系，斜率是电路的增益)；

图7是图5电路的DC转换功能的曲线，在X轴上具有更小的刻度；

图8a是图5c中所示电路的修改实施例，具有分配到电路元件的不同指定值，用于模拟试验；

图8b和8c是在对图8a电路模拟期间使用的输入源电路；

图9是图8a电路的DC转换功能的曲线；

图10a是按本发明的一种具有局部正反馈的IF放大器/限幅器的第三实施例，具有分配到电路元件的指定值，用于模拟分析。

图10b和10c是在对图10a电路模拟期间使用的输入源电路；

图11是图10a电路的DC转换功能的曲线图。

具体实施方案详述

现在转到对附图的详细描述。图1a表示用于现有技术的IF限幅放大器的标准实施电路。电路的反馈环路对电路起稳定作用，并对小全入信号允许大的增益而控制限制更大的输入信号。由于这个低频反馈环路，所有电路的结点被偏置在(VCC-0.5ItaiLRC)。在甚高频率，DC环路开路，而所有差分放大器级的总增益将倍增。在这种模式下，每级的增益被近似表示成： $A_d=\frac{I_{\mathrm{TAIL}}{R}_C}{{2V}_1}---\left(1\right)$ 这里， $V_1=\frac{\mathrm{KT}}{q}$

如果信号产生，则当所有其尾电流(tail current)转向一侧时，最后级放大器首先进行限制，由此使得在其输出端的最大差分涨落等于(R_CI_tail)。图1b表示在图1a中所示现有技术限幅放大器的一个单级。每级包括第一晶体管Q₁和第二晶体管Q₂的差分对。Q₁的发射极连接到Q₂的发射极，然后两者连接到一个电流源I_tail。Q₁的集电极通过第一电阻R_C1连接到电压源(V_CC)。Q₂的集电极通过第二电阻R_C2连接到电压源(V_CC)。第一晶体管Q₁和第二Q₂的每个基极接收输入信号的正的或负的部分。

图2表示按本发明的新的限幅IF放大器电路。新电路使用局部正反馈，该正反馈包括第三晶体管Q₃和第四晶体管Q₄的差分对以及分别连接到晶体管Q₃和Q₄发射极输出端的第三电阻R_E1和第四R_E2。如所示那样，Q₃和Q₄具有交叉连接以实现局部正反馈的集电极。第三晶体管Q₃的基极和第四晶体管Q₄的集电极连接到第一晶体管Q₁的集电极。Q₄的基极和Q₃的集电极连接到Q₂的集电极。第三电阻R_E1一端连接到Q₃的发射极输出端，而另一端连接到电流源I_t2。第四电阻R_E2一端连接到第四Q₄的发射极输出端，而另一端连接到第三电阻R_E1和电流源I_t2。

引入正反馈到现有技术的IF放大器/限幅器之中比标准差分对明显增加了小信号增益却不要求增加任何电流消耗。小信号增益定义为： $A_d=\frac{V_{\mathrm{OUT}}}{V_{\mathrm{IN}}}$

局部正反馈使得较少级数图2电路的实施就能超过图1b电路达到相同的总电路增益。所需级数减少，但却得到要求的信号，从而显著地减少了全电路的电流(功率)消耗。在某些场合，功率消耗下降可高达50％。

引入第一差分对的增益单元的局部反馈的量由第一电阻R_C1和第二R_C2控制。

图3表示具有局部正反馈的IF放大器/限幅器的第二实施例。它使用分别连接第三晶体管Q₃和第四Q₄基极的第五电阻R_P1和第六电阻R_P2作为控制引入该第一差分对的增益单元的局部反馈量的另一种方法。在该结构中，第一电阻R_C1和第五电阻R_P1彼此串联，第五电阻R_P1的另一端连接到第一晶体管Q₁的集电极，而第一电阻R_C1的另一端连接到V_CC。第二电阻R_C2和第六电阻R_P2彼此串联，第六电阻R_P2的另一端连接到第二晶体管Q₂集电极，而第二R_C2的另一端连接到V_CC。第三晶体管Q₃和第四晶体管Q₄按图2中所描述的同样结构进行连接。

第五电阻R_P1和第六电阻R_P2用于调整引入第一差分对的正反馈量。调整电阻R_P1和R_P2的数值比可使增益增加，甚至能改变其极性。这样，具备了这种电路就可能在理论上得到一个无限的小信号增益用于一个很小的信号范围。

为进一步增加小信号线性范围，可以对第一晶体管Q₁和第二晶体管Q₂的集电极外加附加电阻(参见图4)，以便使输入到正反馈电路的信号更小。图4的电路表示一种通用的具有局部正反馈的IF放大器/限幅器构造单元。如所示那样，第三电阻R_E1，第四电阻R_E2，第五电阻R_P1和第六电阻R_P2和图2和3中所描述的一样。附加的第七电阻R_G1和第八电阻R_G2已附加到该电路。第七电阻R_G1的一端连接第一晶体管Q₁的集电极，而另一端连接到第五电阻R_P1和第三晶体管Q₃的基板。第八电阻R_G2一端连接到第二晶体管Q₂的集电极；而另一端连接到第六电阻R_P2和第四晶体管Q₄的基极。

在该结构中，当电阻R_C1，R_C2，R_P1和R_P2的值调整引入第一差分对的增益单元的正反馈总量时，能使用电阻R_G1，R_G2，R_E1和R_E2的值去调整该额外的小信号增益的线性的范围，以获得小信号增益。为了在电流耗损相同时具有如一个标准限幅器(图1b)同样大的信号增益(限定)，应提供下列条件：

I_t1+I_t2＝I_tail                                      (2)

I_t1(R_C1+R_P1+R_G1)+I_t2＝I_tailR_L                       (3)

用SPICE^TM电路模拟软件产生图5a-5e的电路，以表示本发明的IF放大器/限幅器同现有技术的IF放大器/限幅器相比的性能。

图5a是现有技术的标准的IF限幅放大器，图5b是在图2中所示的本发明的第一实施例的修改电路，而图5c是本发明第二实施例的修改电路。图5b表示引入该电路的第二差分对的晶体管Q₁₄和Q₁₅的不同的结构。晶体管Q₁₄的基极同晶体管Q₁₅的集电极连接，而晶体管Q₆的集电极和晶体管Q₁₅的基极同晶体管Q₁₄的集电极和晶体管Q₇的集电极连接。

图5d和5e表示模拟期间用于图5a-5c电路的输入源。为模拟分析，已对各电路元件分配了指定数值以便提供操作例。

图6和图7表示在图5a-5c中所示电路的DC转换功能的曲线图示。图6表示用于更大范围信号的DC转换功能。如图所示，图5a的现有技术电路的DC转换功能由V_C(Q₂)-V_C(Q₃)表示，并用空心方块图标表示。图5b的电路的DC转换功能由V_C(Q6)-V_C(Q₇)表示，并用实心方块图标表示。图5c的电路的DC转换功能由V_C(Q₁₂)-V_C(Q₁₃)表示，并用空心菱形图标表示。应当指出，所有三个电路具有相同的总限定增益以及恰好相同的电流耗损，但是图5b电路具有更多的小信号增益，而图5c电路具有最大的小信号增益。图7表示在-50mv到+50mv的X轴上的具有较小范围的DC转换功能。图5b电路的DC转换功能表示发射极退化对信号增益的影响，而图5c电路的DC转换功能表示在0mv交点上有一个基本上垂直的斜率，它表示一个几乎无限的小信号增益。

图8a表示图5c电路的另一例子，对各电气元件分配不同的数值。图8b和8c表示用于图8a电路的输入信号，以便模拟分析。

图9表示图8a电路的DC转换功能的曲线图示。该DC转换功能由V_C(Q₁)-V_C(Q₂)表示。该模拟试验表示通过改变在图8a电路中的电阻R₁-R₄的值，有可能将正反馈增加到这种程度，使得DC转换的极性发生改变。

图10a表示图5c电路一种改型例。具体地说，附加的电阻R₂₆和R₃₀分别连接到晶体管Q₂₃和Q₂的发射极。图10b和10c表示用于模拟的输入信号。图11是表示图10a的DC转换功能的曲线。在0mv范围处非常陡峭的曲线斜率表示对小输入信号很高的增益。

当已表示并描述了本发明的若干实施例的同时应当理解可以做很多的改变和修改而不脱离由附加的权利要求所确定的精神和范围。

Claims (10)

1.一种IF放大器/限幅器，包括：级联的差分放大器对，具有从所述差分放大器对的末级的输出端到所述差分放大器对的第一级的输入端的一个低频负反馈，所述第一差分放大器对，用于接收输入信号并在其输出端产生具有增益的输出信号；

每个差分放大器对还具有电阻器装置，用于控制输出信号的增益的大小；

其特征在于所述IF放大器/限幅器的每个差分放大器对还包括：局部的正反馈装置，具有一个输入端连接到所说差分放大器对的输出端，用于引入局部正反馈到相应的差分放大器对以增大它的增益。

2.根据权利要求1的IF放大器/限幅器，其中所说第一差分放大器对包括：

一第一晶体管，其基极接收输入信号，其发射极连接到第一电流源；以及

一第二晶体管，其基极接收输入信号，其发射极连接到所说第一晶体管的发射极和第一电流源。

3.根据权利要求2的IF放大器/限幅器，其中所说电阻器装置包括：

一第一电阻器，其一端连接到所说第一晶体管的集电极，另一端连接到电压源(V_CC)；以及

一第二电阻器，其一端连接到所说第二晶体管的集电极，另一端连接到该电压源(V_CC)，所说第一和第二电阻器控制引入所说第一差分对的局部正反馈的量。

4.根据权利要求3的放大器/限幅器，其中所说反馈装置包括：

一第三晶体管，其基极连接到所说第一晶体管的集电极，其集电极同所说第二晶体管的集电极连接，以及其发射极同第二电流源连接；

一第四晶体管，其基极连接到所说第二晶体管的集电极，其集电极同所说第一晶体管的集电极连接，以及其发射极同所说第三晶体管的发射极和第二电流源连接，所说第三和第四晶体管确定第二差分对；以及

调整装置，用于控制引入第一差分对的局部正反馈量，并进一步调整输出信号增益的线性范围。

5.根据权利要求4的放大器/限幅器，其中所说调整装置包括：

一第三电阻器，其一端连接到所说第三晶体管的发射极，另一端连接到第二电流源；以及

一第四电阻器，其一端连接到所说第四晶体管的发射极，另一端连接到第二电流源，所说第三和第四电阻器用于调整输出信号增益的线性范围。

6.根据权利要求4的放大器/限幅器，其中所说调整装置包括：

一第三电阻器，其一端连接到所说第三晶体管的基极和所说第一晶体管的集电极，另一端连接到所说第一电阻器；以及

一第四电阻器，其一端连接到所说第四晶体管的基极和所说第二晶体管的集电极，另一端连接到所说第二电阻器，所说第三和第四电阻器用于控制引入所说第一差分对的局部正反馈量。

7.根据权利要求4的放大器/限幅器，其中所说调整装置包括：

一第三电阻器，其一端连接到所说第三晶体管的发射器，另一端连接到第二电流源；

一第四电阻器，其一端连接到所说第四晶体管的发射极，另一端连接到第二电流源，所说第三和第四电阻器调整输出信号增益的线性范围；

一第五电阻器，其一端连接到所说第三晶体管的基板，另一端连接到所说第一电阻器；

一第六电阻器，其一端连接到所说第四晶体管的基板，另一端连接到所说第二电阻器，所说第五和第六电阻器控制引入到所说第一差分对的局部正反馈量；

一第七电阻器，其一端连接到所说第一晶体管的集电极，另一端连接到所说第五电阻器和所说第三晶体管的基极；以及

一第八电阻器，其一端连接到所说第二晶体管的集电极，另一端连接到所说第六电阻器和所说第四晶体管的基极，所说第七和第八电阻器调整输出信号增益的线性范围。

8.一种增加权利要求1所述的IF放大器/限幅器的灵敏度并降低操作该电路所需的功率量的方法，该方法包括：

引入局部正反馈到第一差分放大器对的输出；以及

调整引入到该第一差分放大器对的输出的局部正反馈量，以便得到所要求的输出信号。

9.根据权利要求8的方法，其中，所说引入局部正反馈的步骤是通过将一第二晶体管差分放大器对附加到该IF放大器/限幅器电路的第一差分放大器对的输出来完成的。

10.根据权利要求8的方法，其中所说调整引入到第一差分放大器对的局部正反馈量的步骤是通过有选择地将电阻器附加到该第一和第二差分放大器对来完成的。

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