CN1110892C - 具有有限输出动态范围的高增益放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括以差分对方式连接的第一和第二晶体管(Q1，Q2)的放大器。根据本发明，在差分对(Q1，Q2)不平衡的情况下，切换电流和分离电阻支路的开关系统确保流经每个电阻支路的导通电流流向导通的两个晶体管(Q1)或(Q2)中的一个。放大器的增益和输出电压幅度的最大值可以相互独立地调整。本发明用于将正弦信号变为方波信号的场合，特别是用于无线电话中。

Description

具有有限输出动态范围的高增益放大器

本发明涉及一种放大器，包括以差分对方式连接的第一和第二晶体管，每个晶体管具有偏置端，与电流源相连的基准端，和通过电阻支路与提供端相连的传输端，第一和第二晶体管的偏置端和传输端分别形成差分输入和输出，用于分别接收和提供输入电压和输出电压，所述电压的交流分量之间的比值确定放大器的增益。

这种放大器通常称为差分放大器，目前被广泛地用于集成电路工业中。在Messrs.Gray和Meyer合写的题为“模拟集成电路的分析和设计”中描述了这种放大器。这种差分放大器的增益和输出电压的最大幅度都与电阻支路的阻抗值和称为偏置电流的电流源提供的电流值之间的乘积成正比。在某些应用中，对无线信号进行接收和处理是非常重要的，其中可以影响处理信号的任何形式的噪声都必须减小，放大器具有放大正弦输入信号和将该信号变为方波输出信号的功能。这种变换可以避免在输出电压中产生附加的噪声分量，该噪声分量是与输入电压的瞬时值相关的。这种变换还需要具有很高的增益，因此输出电压具有很陡的边沿，它们所代表的过渡过程也是由时间确定的。通过选择大阻抗值的电阻支路可以达到上述目的。然而这样做的主要缺点是：输出电压的最大幅度急剧上升，这将引起接收所述电压的电路饱和，影响具有该放大器的系统的工作，这是不允许的。

本发明的目的是最大限度地克服这一缺点。本发明的放大器其增益和输出电压幅度的最大值都是可以相互独立地控制的。

根据本发明的一个方面，提供了一种放大器，包括以差分对方式连接的第一和第二晶体管，每个晶体管具有偏置端，与电流源相连的基准端，和通过电阻支路与提供端相连的传输端，第一和第二晶体管的偏置端和传输端分别形成差分输入和输出，用于分别接收和提供输入电压和输出电压，所述电压的交流分量之间的比值确定放大器的增益，其特征在于第一和第二晶体管的每条电阻支路在串联的第一和第二电阻元件之间至少有一个中间端，每条电阻支路具有第一元件，当与之相连的晶体管导通时，该第一元件使得由中间端的电位控制的导通电流流经该晶体管，以及具有第二元件，当所述另一晶体管导通时，该第二元件使得导通电流流经差分对的另一晶体管。

根据本发明的另一方面，提供了一种无线电话装置，包括：能够接收调频无线信号的天线和滤波器系统，包括至少一个振荡器和一个混频器的选择模块，该选择模块选择所述无线信号，并传送代表所述无线信号的输出信号，其频率已变为中频，根据选择模块的输出信号恢复一个经解调的音频信号的解调器，所述装置的特征在于包括一个插入解调器前方的如上所述的放大器。

从以下结合附图所作的描述中，可以更清楚地了解本发明的这些方面。附图中：

图1是表示现有技术的差分放大器的电路结构；

图2是表示本发明的最佳实施例的差分放大器的电路结构；以及

图3是说明采用了本发明的放大器的无线电话装置。

图1是表示现有技术的差分放大器的电路结构。该放大器包括以差分对方式连接的第一和第二晶体管Q1和Q2。晶体管Q1和Q2在本实施例中是双极型晶体管。每个晶体管Q1或Q2具有由基极形成的偏置端，由发射级形成的基准端，基准端与提供偏置电流Ic的电流源相连，以及由集电极形成的传输端，传输端通过由电阻Rc形成的电阻支路与电源端VCC相连。第一和第二晶体管Q1和Q2的偏置端和传输端分别形成差分输入和输出，用于分别接收和提供输入电压Vin和输出电压Vout，所述电压之间的比值Vout/Vin确定放大器的增益G。

已知在平衡状态下，当考虑第一种近似时，构成差分放大器的元件都是理想的，那么放大器的增益G可以表示为G＝q.Rc.Ic/(2.k.T)，其中q是电荷，k是波耳兹曼常数，T是绝对温度。此外，已知输出电压的最大幅度Voutmax可写作Voutmax＝Rc.Ic。可以看到，放大器的增益G和输出电压的最大幅度Voutmax都与电阻Rc和偏置电流Ic之间的乘积成正比。如果想要将正弦输入电压Vin变成方波输出电压Vout，那么放大器的增益G的值就非常大，这就是说，乘积Rc.Ic就非常大。为了不造成过大的电流损耗，通常是将电阻Rc的值增加，而不是增大偏置电流Ic。虽然乘积Rc.IC增大使得增益G也增大，但是这使得输出电压的最大幅度Voutmax也增大。输出电压Vout往往被用于放大器下方的一个或几个电路。这些电路对输出电压的最大值有限制。这就是说，如果这些电路中的一个电路的输入电压超过最大值，构成该电路的元件将进入饱和状态，使得被处理的信号失真。根据上述方法，增益G增加就会使输出电压的最大幅度Voutmax超过允许值，影响采用该放大器的整个系统的操作。如果输出电压的最大幅度Voutmax固定在150毫伏，这是某些双极型晶体管技术目前达到的值，放大器的增益G必须限制在2.9，这一值不足以正确地实现所寻求的变换功能。

图2表示根据本发明的放大器LA。为了便于理解，本发明的放大器和上述差分放大器共有的元件标以相同的参考号。在放大器LA中，第一和第二晶体管Q1和Q2的电阻支路中的每条都由串联的第一和第二电阻R1和R2形成。因此，这些电阻支路分别具有在第一和第二电阻R1和R2之间的第一和第二中间端A和B。放大器LA进一步括：

第三晶体管T11，它的主电流通路插在第一晶体管Q1和与之相关的电阻支路之间，第四晶体管T12，它的主电流通路插在第二晶体管Q2和与之相关的电阻支路之间，第三和第四晶体管T11和T12的偏置端分别与第一和第二中间端A和B相连。还包括：

第一二极管T21以正向方式连接在第三和第二晶体管T11和Q2的传输端之间，第二二极管T22以正向方式连接在第四和第一晶体管T12和Q1的传输端之间。

在上述实施例中，第一和第二二极管T21和T22中的每一个是由偏置端与传输端相连的晶体管形成的。

根据差分放大器的增益公式，放大器LA的增益G可以表示为：

G＝q.Ic.(R1+R2)/2.k.T，电阻支路Rc由串联的第一和第二电阻R1和R2形成。在严重的非平衡状态下，这就是说，当输入电压Vin的绝对值大时，差分对的第一和第二晶体管Q1和Q2的一个导通。如果假定输入电压Vin为正，那么第一晶体管Q1将导通，一部分电流I1流经第三晶体管T11和电阻支路R1、R2，另一部分电流I2流经第四晶体管T12的电阻支路R1、R2，然后流过第二二极管T22。这样可写作：I1.R1+Vbe(T11)＝I2.(R1+R2)+Vbe(T22)，其中Vbe(Tii)代表晶体管Tii的基极一发射级电压。当电流I1和I2的值不对称时，流经第三晶体管T11的电流11大于流经二极管T22的电流12，这是因为第三晶体管T11的基极端的电位高于形成二极管T22的晶体管的基极端的电位。然而，在基极一发射级电压中的非对称影响可以忽略，这是因为与电阻支路中产生的压降相比，基极一发射级电压要低。因此在第一种近似中，可写作I1.R1＝I2.(R1+R2)。另一方面，在当前的假设下I1+I2＝Ic，仅有第一晶体管Q1导通，可以得到I1＝Ic.(R1+R2)/(2.R1+R2)和I2＝Ic.R1/(2.R1+R2)。输出电压的最大幅度Voutmax＝(R1+R2)(I1-12)，也可以写作Voutmax＝Ic.R2.(R1+R2)(2.R1+R2)。放大器的增益G和输出电压的最大幅度Voutmax作为第一和第二电阻R1和R2的标称值的函数。如果第一电阻R1的标称值大于第二电阻R2的标称值，那么增益G的值主要地由第一电阻R1的标称值确定，而输出电压的最大幅度Voutmax主要地由第二电阻R2的标称值确定。

以下例子将有助于更好地了解这种放大器的优点：如果偏置电流Ic的值是100毫安，这是当前采用的技术中通常的值，R1＝7.5千欧，R2＝2.5千欧，k.T/q＝26毫伏(在300K时)，根据上述公式，增益G在19附近时，输出电压的最大幅度Voutmax为140毫伏，这足以实现所寻求的变换功能，同时避免了放大器下方连接的电路出现饱和。在已知的差分放大器中，这一增益值将导致输出电压的最大幅度Voutmax为1伏，本发明限制了输出电压。

如果结合图2所描述的实施例中的晶体管是双极型晶体管，那么可以代替MOS型晶体管，它们的栅极、漏极和源极分别形成偏置端、传输端和基准端。此外，还可以采用除图2所示的晶体管T11和T12以及二极管T21和T22以外的装置或传导元件，来实现由电阻支路的中间端A或B控制的、当相关的晶体管Q1或Q2导通时流经晶体管Q1或Q2的电流，以及当相关的晶体管Q2或Q1导通时流经晶体管Q2或Q1的电流。这些装置对本领域的一般技术人员是已知的，未超出本发明的范围。

图3是说明采用了本发明的放大器的无线电话装置。该装置包括：

能够接收调频无线信号的天线和滤波器系统AF，

选择模块TUN，包括对称器BALUN，用于将来自天线和滤波器系统AF的非对称信号变成对称信号，还包括振荡器VCO和混频器MX，所述选择模块TUN选择所述无线信号，并传送代表所述无线信号的输出信号，其频率已变为中频，

解调器DEM，用于根据选择模块TUN的输出信号恢复一个经解调的音频信号Vdem，以及

上述放大器LA插入解调器DEM的前方。

如上所述，放大器LA增益高，但输出电压Vout的最大幅度足够低，而不使解调器DEM的输入级饱和。放大器LA可同时进行对输入电压Vin的放大和变换，将正弦输入电压Vin变成方波输出电压Vout。这一变换能够避免在输出电压Vout中引入与调制信号的瞬时值有关的附加的噪声分量。

Claims (5)

1.一种放大器，包括以差分对方式连接的第一和第二晶体管，每个晶体管具有偏置端，与电流源相连的基准端，和通过电阻支路与提供端相连的传输端，第一和第二晶体管的偏置端和传输端分别形成差分输入和输出，用于分别接收和提供输入电压和输出电压，所述电压的交流分量之间的比值确定放大器的增益，其特征在于第一和第二晶体管的每条电阻支路在串联的第一和第二电阻元件之间至少有一个中间端，每条电阻支路具有第一传导元件，当与之相连的晶体管导通时，该第一传导元件使得由中间端的电位控制的导通电流流经该晶体管，以及具有第二传导元件，当所述另一晶体管导通时，该第二传导元件使得导通电流流经差分对的另一晶体管。

2.根据权利要求1的放大器，其特征在于包括：

第三和第四晶体管，其主电流通路分别插入第一晶体管和与之相连的电阻支路之间以及第二晶体管和与之相连的电阻支路之间，第三和第四晶体管的偏置端分别与第一和第二中间端相连，以及

第一和第二二极管以正向方式分别连接在第三和第二晶体管的传输端之间以及第四和第一晶体管的传输端之间。

3.根据权利要求1的放大器，其特征在于每条电阻支路中，与传输端相连的电阻元件比其它电阻元件的电阻值高。

4.根据权利要求2的放大器，其特征在于第一和第二二极管中的每一个是由偏置端与传输端相连的晶体管形成的。

5.一种无线电话装置，包括：

能够接收调频无线信号的天线和滤波器系统，

包括至少一个振荡器和一个混频器的选择模块，该选择模块选择所述无线信号，并传送代表所述无线信号的输出信号，其频率已变为中频，

解调器，用于根据选择模块的输出信号恢复一个经解调的音频信号，

所述装置的特征在于包括一个插入解调器前方的如权利要求1所述的放大器。

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