CN1389980A - 可变增益放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种在切换增益的情况下阻抗无变化的可变增益放大器。对于晶体管2与晶体管5、6,通过在高增益时导通晶体管2而在低增益时导通晶体管5、6,由此切换增益,通过使得晶体管2与晶体管5的工作区一致,在高增益、低增益的任意一种情况下,输出负载条件都相同且输出阻抗不产生变化,而且对于输入阻抗,在低增益模式下,使得高增益传送的晶体管2截止,晶体管22的输入阻抗增高,而电流流过晶体管6,由于晶体管1的集电极为低阻抗,故在高增益、低增益的任意一种情况下输入阻抗不产生变化。

Description

可变增益放大器
技术领域
本发明涉及高频信号用的可变增益放大器。
背景技术
图6与图7表示以往的可变增益放大器。
在图6所示的可变增益放大器中，将要放大的输入信号RFin通过输入端200施加到发射极接地的晶体管101的基极，由于在高增益状态下通过选择开关201的接点202从偏置电源204向基极接地晶体管102施加偏置电压，故通过负载Z与晶体管102的集电极-发射极从电源205向晶体管101的集电极施加电源电压。206是产生确定晶体管101的工作点的偏置电压的偏置电源。
从同负载Z与晶体管102的集电极的接点207连接的输出端208取出信号，该信号仅被放大了由决定流过负载Z的电流的晶体管101其互导gm与负载Z的大小所决定的放大率。
在低增益状态下，由于通过选择开关201的接点203侧从偏置电源204向晶体管102施加偏置电压，故晶体管102的集电极-发射极之间截止，基极接地的晶体管103的集电极-发射极之间导通，通过负载Z、电阻104与晶体管103的集电极-发射极从电源205向晶体管101的集电极施加电源电压。与高增益状态的情况相同地，从输出端208处取信号，该信号仅被放大了由决定流过负载Z的电流的晶体管101其互导gm与负载Z的大小所决定的放大率。
由电阻104将增益设定为低于高增益状态的低增益。
在图7所示的可变增益放大器中，如下述这样进行增益切换。
高增益状态与图6的可变增益放大器相同，而低增益状态是通过选择开关201的接点203从偏置电源204向基极接地的晶体管105的基极施加偏置电压，晶体管102的集电极-发射极之间截止，晶体管105使集电极-发射极之间导通，通过晶体管105的集电极-发射极之间从电源205向晶体管101的集电极施加电源电压。通过由晶体管102的集电极-发射极之间截止时的隔离特性所决定的结电容Cj与所述接点207在高频下耦合并在低增益状态下从输出端208取出信号，该信号仅被放大了由决定流过负载Z的电流的晶体管101其互导gm与负载Z的大小所决定的放大率。
作为使用该可变增益放大器的电路示例，也能够列举高频接收设备的前端(front end)的前置放大器。如图8所示，在前置放大器A的输入级与输出级上，为了提高选择性而分别连接带通滤波器209，210、211是混频电路。
由于设计使得在特定的输入输出阻抗下满足作为目标的传输频率特性，故使用带通滤波器209、210能够根据高频接收设备所使用的电场强度前置放大器A的增益切换为高增益状态与低增益状态。
因此，作为前置放大器A无论切换为高增益状态还是低增益状态，要求输入输出阻抗为所述特定的阻抗并且恒定的。
然而，对于图6所示的以往的可变增益放大器，通过切换高增益状态与低增益状态，输出阻抗会发生变动。
具体地，如图9的史密斯圆图(smith chart)所示，1GHz时的输出阻抗如ZH，ZL那样，在高增益时与低增益时几乎没有变动，而在5GHz时的输出阻抗如ZHH，ZLL那样在高增益时与低增益时产生较大变动。
又，在图7所示的以往的可变增益放大器中，通过高增益状态与低增益状态的切换，输入阻抗会产生变动，同时低增益状态的增益由晶体管102截止时的隔离特性决定，而不能够调整增益。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种在高增益、低增益的两个状态下阻抗变化较小并且能够自由设定低增益状态的增益的可变增益电路。
对于本发明第1方面的可变增益放大器，在第1晶体管的输出电路与负载之间设置第2晶体管的输出电路，放大作为第1晶体管的输入的输入信号，从所述负载与第2晶体管的接点取出放大信号，使得导通/截止第2晶体管以切换增益，其特点在于在于，将衰减手段与第3晶体管的输出电路的串联电路与第2晶体管的输出电路并联连接，在第2晶体管的输出电路与所述负载的串联电路上并联连接第4晶体管的输出电路，同时，设置切换高增益状态与低增益状态的选择手段，构成所述选择手段，以使得在高增益状态下，在截止第3、第4晶体管的同时，导通第2晶体管并从所述接点取出信号，该信号仅被放大了由决定流过负载Z的电流的晶体管101其互导gm与负载Z的大小所决定的放大率，在低增益状态下，在截止第2晶体管的同时，导通第3、4晶体管并从所述接点取出信号，该信号仅被放大了由决定流过负载Z的电流的晶体管101其互导gm与负载Z的大小所决定的放大率。
本发明第2方面的可变增益放大器是在上述第1方面的可变增益放大器中，由电阻或电阻与电容的并联电路构成衰减手段。
本发明第3方面的可变增益放大器是在上述第1方面的可变增益放大器中，由场效应晶体管构成衰减手段。
在本发明第4方面的可变增益放大器中，在第1晶体管的输出电路与负载之间设置第2晶体管的输出电路，放大作为第1晶体管的输入的输入信号，从所述负载与第2晶体管的接点取出放大信号，使得导通/截止第2晶体管以切换增益，其特点在于，将衰减手段与第3晶体管的输出电路的串联电路与第2晶体管的输出电路并联连接，在第2晶体管的输出电路与所述负载的串联电路上并联连接第4晶体管的输出电路，同时，设置切换高增益状态中增益状态与低增益状态的选择手段，在构造上，使得在高增益状态下，在截止第3、第4、第5晶体管的同时，导通第2晶体管并从所述接点取出信号，该信号仅被放大了由决定流过负载Z的电流的晶体管101其互导gm与负载Z的大小所决定的放大率，使得在中增益的状态下，在截止第2、第5晶体管的同时，导通第3、第4晶体管并从所述接点取出由第1晶体管放大的信号，使得在低增益状态下，在截止第2、3晶体管的同时，导通第4、5晶体管并从所述接点取出信号，该信号仅被放大了由决定流过负载Z的电流的晶体管101其互导gm与负载Z的大小所决定的放大率。
本发明第5方面的可变增益放大器是在上述第4方面的可变增益放大器中，由输出电路相互并联连接的第1、第2旁路晶体管构成将输出电路同第2晶体管的输出电路与所述负载的串联电路并联连接的第4晶体管，并且，通过电阻向第1旁路晶体管的输入电路施加第3晶体管的输入电路的偏置电压，在第2旁路晶体管的输入电路上连接第5晶体管的输入电路。
附图说明
图1是表示本发明的(实施形态1)的可变增益放大器的结构图。
图2是表示该实施形态的偏置电路的结构图。
图3是本发明的(实施形态2)的可变增益放大器的结构图。
图4是本发明实施形态3的可变增益放大器的结构图。
图5是本发明实施形态4的可变增益放大器的结构图。
图6是第1以往示例的可变增益放大器的结构图。
图7是第2以往示例的可变增益放大器的结构图。
图8是表示可变增益放大器的使用示例的框图。
图9是表示第1以往示例的频率特性的史密斯圆图。
最佳实施形态
以下参照图1～图5对于本发明的各实施形态进行说明。
实施形态1
图1与图2表示本发明实施形态1的可变增益放大器。
如图1所示，将要放大的输入信号RFin施加到输入端200，从输出端208取出放大后的信号。通过选择手段SL切换为高增益状态与低增益状态。
将输入到输入端200的输入信号RFin施加到第1晶体管1的基极。在第1晶体管1的基极上通过第1偏置电路7从偏置电源206施加决定工作点的偏置电压。
在第1晶体管1的输出电路(C-E)与负载Z之间设有第2晶体管2的输出电路(C-E)，将第2晶体管2的基极通过第2偏置电路8与选择手段SL的公共接点212连接。
在第2晶体管2的集电极-发射极之间并联连接作为第1衰减手段的电阻3与第3晶体管5的输出电路的串联电路。
在第2晶体管2的输出电路与所述负载Z的串联电路上并联连接第4晶体管6的输出电路。将第3、第4晶体管5、6的基极通过第3偏置电路9与选择手段SL的公共接点213连接。217、218是高频下用于接地的旁路电容。
将选择手段的接点214、215接地，接点216与偏置电源204连接。又，第1偏置电路7如图2(b)所示那样由密勒电路构成，第2偏置电路8如图2(a)所示那样构成。7A是第1偏置电路7的的输出、8A是第2偏置电路8的输出，12是与第2偏置电路8的输入的连接线，11是与第3偏置电路9的输入的连接线。与第2偏置电路8相同地构成第3偏置电路9。
由于上述这样的构造，在高增益下，将选择手段SL的公共接点212与接点216连接，将公共接点213与接点215连接，通过第2偏置电路8将偏置电源204与第2晶体管2的基极连接。由于将第3偏置电路9的输入接地，故第3、第4晶体管5，6的输出电路为截止状态。
在该状态下，通过负载Z与第2晶体管2的导通状态的输出电路将电源205的电源电压施加到第1晶体管1的集电极，信号通过第2晶体管2的导通状态的输出电路从接点207输出到输出端208，该信号仅被放大了由决定流过负载Z的电流的晶体管101其互导gm与负载Z的大小所决定的放大率。
在低增益状态下，将选择手段SL的公共接点212与接点214连接，将公共接点213与接点216连接，截止施加到第2晶体管2的基极的偏置电压，通过第3偏置电路9将第3、第4晶体管5、6的基极与偏置电源204连接。由于将第2偏置电路8的输入接地，故第2晶体管2的输出电路为截止状态。
在该状态下，通过第4晶体管6的导通状态的输出电路将电源205的电源电压施加到第1晶体管1的集电极，信号通过电阻3与第3晶体管5的导通状态的输出电路输出到输出端208，该信号仅被放大了由决定流过负载Z的电流的晶体管101其互导gm与负载Z的大小所决定的放大率。因此，通过调节电阻3的阻值，能够调节第3晶体管5的发射极电位，能够自由设定第3晶体管5的基极·发射极间的电压并且能够调节增益，根据第3晶体管5的偏置条件与电阻3进行的衰减来调节增益。
又，这里，若使得第2晶体管2与第3晶体管5的工作区一致，则在高增益、低增益的情况下，输出负载条件都相同且输出阻抗没有变化。具体地，若使得用于低增益、高增益传送的基极接地晶体管的尺寸(发射极面积，基极面积，集电极面积相同的晶体管结构)相同，则在任何一种增益模式下，由于它们各自传送的基极接地的晶体管的基极·集电极间的电容总量相同，故从输出侧观察，通过导通·截止切换的阻抗没有变化。
对于输入阻抗，在低增益状态下，使得高增益传送的第2晶体管2截止，第21晶体管2的输入阻抗增高，而电流流过第4晶体管6，由于使得第1晶体管1的集电极为低阻抗，在高增益、低增益的任意一种情况下，输入阻抗都没有变化。
实施形态2
图3是表示本发明实施形态2的可变增益放大器，其不同点在于，与图1所示的实施形态1的可变增益放大器的电阻3并联连接了电容4。
由于这样的构造，在低增益时，由第4晶体管6决定第1晶体管1的集电极电位，通过调节电阻3的阻值，能够调节第3晶体管5的发射极电位，并能够自由设定第3晶体管5的基极·集电极之间的电压。因此，与实施形态1相同，可以利用第3晶体管5的偏置条件与电阻3引起的衰减来调节增益。
再者，根据该实施形态2，若调节电容4的值，能够调节电阻3引起的高频功率的衰减，能够使得电阻3的阻值所引起的衰减量的变化变得缓慢。其他与实施形态1相同。
实施形态3
图4是表示本发明实施形态3的可变增益放大器，其不同点在于，替代图1所示的实施形态1的可变增益放大器中的电阻3而连接MOS晶体管20。
再者，根据该实施形态3，在低增益时，MOS晶体管20使得功率衰减。进一步具体地，通过调节MOS晶体管20的栅极电压21，能够自由设定增益。其他与实施形态1相同。
实施形态4
图5表示本发明实施形态4的可变增益放大器，能够切换成高增益状态、中增益状态、低增益状态的3个等级，其不同点在于，与图3所示的实施形态2的第3晶体管5的输出电路并联连接晶体管8与作为第2衰减手段的电阻7的串联电路。
具体地，将第5晶体管8与作为第2衰减手段的电阻7的串联电路同第3晶体管5的输出电路并联连接，将第6晶体管6B的输出电路与第4晶体管6的输出电路并联连接，将第5晶体管8的基极与第6晶体管6B的基极通过第4偏置电路13以连接线14与选择手段SL’连接。
选择手段SL’如下述这样构成。
在高增益状态下，使连接线12与偏置电源204连接，使连接线11、14接地，在中增益状态下，使连接线11与偏置电源204连接，使连接线12，14接地，在低增益状态下，使连接线14与偏置电源204连接，使连接线11，12接地，而如此地构成选择手段SL’。
又，在图5中，在第4晶体管6的基极与第3偏置电路9的输出之间串联连接电阻17。219是旁路电容。
由于这样的构造，在高增益时使得第2晶体管2导通，在中增益时使得第3、4晶体管5、6导通，在低增益时使得第5、6晶体管8、6B导通。
在中增益时，利用电阻3、电容4的并联电路以及第3晶体管5的偏置条件来调节增益。
在低增益时，利用电阻7以及第5晶体管8的偏置条件调节增益。通过设置电阻17，设定使中增益时的第1晶体管1的集电极电位低于低增益时的电位，并使得第3晶体管5的基极·发射极间的电压高于低增益时的第5晶体管8的基极·集电极间的电压。
由此，能够增大中增益时的衰减用的电阻3的值，能够相对于阻值的变化中增益时的增益缓慢发生变化。
又，若使得第2晶体管2与第3晶体管5以及第5晶体管8的工作区一致，则在高增益、低增益的任意情况下，输出阻抗都不发生变化。具体地，若使得用于各增益传送中的基极接地晶体管的尺寸(发射极面积，基极面积，集电极面积相同的晶体管结构)相同，则在任何一种增益模式下，由于传送的基极接地的晶体管的基极·集电极间的电容总量相同，故从输出侧观察的导通·截止切换引起的阻抗没有变化。
对于输入阻抗，在低增益模式、中增益模式下，使得高增益传送的第2晶体管2截止，则第1晶体管1的集电极侧阻抗增高，而电流流过第4晶体管6或第6晶体管6B，并且由于使得第1晶体管1的集电极为低阻抗，故在高增益、低增益的任意一种情况下，输入阻抗都不会产生变化。
又，上述各实施形态的负载Z可以是电阻、电感、电感与电容的并联电路、电感与电容以及电阻的并联电路、PNP晶体管、PMOS等。
在将电阻作为负载的情况下，电阻由于不具备频率特性，能够在从DC到毫米波这样的超高频为止的所有频带中作为负载进行工作。
将电感作为负载的情况下，由于电感具有频率特性，在DC的情况下不能够作为负载，特别地使用于接近GHz附近的高频带。又，在直流的情况下，由于几乎不存在阻抗，不会使得电源电压下降，由于能够使得晶体管的电压工作范围增大，故对于电源利用效率较差的栅地-阴地放大器(cascode)连接等的多级连接构造，能够使得线路具备高度的线性特性。
当将电感与电容的并联电路作为负载时，在电感与电容的值所决定的谐振频率下，阻抗为无限大，在该频率下增益最大。因此，对于在电路中不具备BPF特性的情况等是有效的。又，由于采用电感，电源效率增高。
在将电感与电容以及电阻的并联电路作为负载的情况下，通过降低电感与电容的并联电路的Q值并且刻意使得增益衰减，能够提高电路的稳定性。由于如PNP晶体管或PMOS那样的有源负载能够作为恒流源进行工作，故能够使得负载具有电流源的功能。因此，不需要另外多级连接电流源用的晶体管，能够提高电源效率。
上述各实施形态的晶体管可以双极场效应晶体管，而也可以由MOS晶体管构成。
在上述实施形态4中，表示能够切换成高增益状态、中增益状态以及低增益状态这样3个等级的可变增益放大器，而同样地，也可以将增益切换成4个等级以上。具体地，当将增益切换成4个等级的情况下，在图5的第5晶体管8的输出电路上并联连接衰减手段与晶体管输出电路的串联电路，并由选择手段SL’进行切换。
根据上述的本发明的可变增益放大器，将衰减手段与第3晶体管输出电路的串联电路与第2晶体管的输出电路并联连接，在第2晶体管的输出电路与所述负载的串联电路上并联连接第4晶体管的输出电路，同时，设置切换高增益状态与低增益状态的选择手段，构成所述选择手段，以使得在高增益状态下，在截止第3、4晶体管的同时将第2晶体管导通并从所述接点取出信号，该信号仅被放大了由决定流过负载Z的电流的晶体管101其互导gm与负载Z的大小所决定的放大率，并且在低增益状态下，在将第2晶体管截止的同时，将第3、第4晶体管导通并从所述接点取出信号，该信号仅被放大了由决定流过负载Z的电流的晶体管101其互导gm与负载Z的大小所决定的放大率，故能够利用第3晶体管的偏置条件与衰减手段引起的衰减来调节增益，而且，若使得第1晶体管与第3晶体管的工作区一致，则无论是否进行增益切换，输出负载条件都相同且输出阻抗没有发生变化。对于输入阻抗，在使第2晶体管截止的增益切换状态下，第2晶体管的输入阻抗增高，而电流流过第4晶体管，由于使得第1晶体管的输出电路为低阻抗，故无论是否进行增益的切换，输入阻抗也都没有发生变化。

Claims (5)

1.一种可变增益放大器，在第1晶体管(1)的输出电路(C-E)与负载(Z)之间设置第2晶体管(2)的输出电路(C-E)，放大作为第1晶体管(1)的输入的输入信号(RFin)，从所述负载(Z)与第2晶体管(2)的接点(207)取出放大信号，使第2晶体管(2)导通/截止以切换增益，其特征在于，
在第2晶体管(2)的输出电路上并联连接衰减手段(3)与第3晶体管(5)的输出电路的串联电路，
在第2晶体管(2)的输出电路(C-E)与所述负载(Z)的串联电路上并联连接第4晶体管(6)的输出电路，同时，
设置切换高增益状态与低增益状态的选择手段(SL)，
构成所述选择手段(SL)，以使得在高增益状态下，在使第3、第4晶体管(5、6)截止的同时，使第2晶体管(2)导通，并从所述接点(207)取出信号，该信号仅被放大了由决定流过负载Z的电流的晶体管101其互导gm与负载Z的大小所决定的放大率，在低增益状态下，在使第2晶体管(2)的截止的同时，使第3、4晶体管(5、6)导通，并从所述接点(207)取出信号，该信号仅被放大了由决定流过负载Z的电流的晶体管101其互导gm与负载Z的大小所决定的放大率。
2.如权利要求1所述的可变增益放大器，其特征在于，
由电阻(3)或电阻(3)与电容(4)的并联电路构成衰减手段(3)。
3.如权利要求1所述的可变增益放大器，其特征在于，
由场效应晶体管构成衰减手段(3)。
4.一种可变增益放大器，在第1晶体管(1)的输出电路(C-E)与负载(Z)之间设置第2晶体管(2)的输出电路(C-E)，放大作为第1晶体管(1)的输入的输入信号(RFin)，从所述负载(Z)与第2晶体管(2)的接点(207)取出放大信号，使第2晶体管(2)导通/截止以切换增益，其特征在于，
将衰减手段(3)与第3晶体管(5)的输出电路的串联电路与第2晶体管的输出电路并联连接，
在第2晶体管(2)的输出电路(C-E)与所述负载(Z)的串联电路上并联连接第4晶体管(6，6B)的输出电路，同时，
设置切换高增益状态、中增益状态与低增益状态的选择手段(SL’)，
在构造上，使得在高增益状态下，在使第3、第4、第5晶体管(5、6、6B、8)截止的同时，使第2晶体管(2)导通，并从所述接点(207)取出信号，该信号仅被放大了由决定流过负载Z的电流的晶体管101其互导gm与负载Z的大小所决定的放大率，使得在中增益的状态下，在使第2、第5晶体管(2、8)截止的同时，使第3、第4晶体管(5、6)导通，并从所述接点(207)取出信号，该信号仅被放大由决定流过负载Z的电流的晶体管101其互导gm与负载Z的大小所决定的放大率，并且使得在低增益状态下，在使第2、3晶体管(2、5)截止的同时，使第4、5晶体管(6B、8)导通，并从所述接点(207)取出由第1晶体管(1)放大的信号。
5.如权利要求4所述的可变增益放大器，其特征在于，
由输出电路相互并联连接的第1、第2旁路晶体管(6、6B)构成将输出电路同第2晶体管(2)的输出电路(C-E)与所述负载(Z)的串联电路并联连接的第4晶体管，
通过电阻向第1旁路晶体管(6)的输入电路施加第3晶体管(5)的输入电路的偏置电压，
在第2旁路晶体管(6B)的输入电路上连接第5晶体管(8)的输入电路。
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