CN1848671B - 可变增益差分放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种具有高输入阻抗的可变增益放大器。该放大器包括：正输入(E+)和负输入(E-)；正输出(S+)和负输出(S-)；第一和第二差分电路(10、20)和第一、第二和第三阻抗(40、60、50)。这些阻抗形成诸输出之间的阻抗桥。第一和第二差分电路各具有：耦合于差分放大器输出之一的一个输入；耦合于阻抗桥的一个输入；以及连接于差分放大器的输出的两个输出。这些阻抗中至少有一个是可变阻抗。

Description

可变增益差分放大器
技术领域
本发明涉及集成电路放大器，更具体地涉及具有用于调节放大比的增益控制输入的差分放大器。
背景技术
这种可变增益放大器显著地用于自动增益控制(AGC)放大电路，特别是音频应用场合下。
在多种已知类型的可变增益放大器中，诸放大器使用多对被称为差分信号的信号。差分信号允许改善信噪比并使其具备工作在更高频率的能力。这种放大器可用于例如数据传送系统。
基本上，可变增益放大器的设计用到两种技术。第一种技术为使放大器的负反馈器件变化。第二种技术例如在文献WO2002/49210中有记载，它在放大器的输入增加了可变衰减级。不管使用哪种技术，已知电路的一个缺点是表现出低输入阻抗(10kΩ数量级)。
发明内容
本发明提出一种具有高输入阻抗(1MΩ数量级)的可变增益放大器。较为有利地，所提出的放大器可用已知的集成电路制造技术以相对简单的方法制造而成。
为了这个目的，本发明的第一方面提出一种差分放大器具有第一输入、第二输入、第一输出和第二输出。该放大器包括第一差分电路和第二差分电路。第一差分电路具有：耦合于差分放大器第一输入的第一输入；第二输入；以及可能经由诸如第三差分电路的放大电路分别耦合于差分放大器的第一输出和第二输出的第一输出和第二输出。第二差分电路具有：耦合于差分放大器第二输入的第一输入；第二输入；以及分别耦合于差分放大器第二输出和第一输出的第一输出和第二输出。差分放大器还包括：将差分放大器第一输出连接于第一差分电路的第二输入的第一阻抗；将差分放大器的第二输出连接于第二差分电路的第二输入第二阻抗；以及将第二差分放大器的第二输入连接于第一差分电路的第二输入的第三阻抗。第一、第二和第三阻抗中的至少一个为可变阻抗。此外，第一和第二差分电路的第一和第二输入各自对应于这些电路的晶体管(例如MOSFET晶体管)的差分对的各栅极。
如此连接，这三个阻抗形成位于差分放大器输出之间的分压电桥，它们输出(例如两阻抗共用的节点)并反馈到第一和第二差分电路的输入，以提供可变的负反馈。由于差分电路的输入对应于基本呈容性的MOS晶体管栅极，因此能获得高的输入阻抗。更具体地说，能通过任何有源器件代替MOS晶体管获得高输入阻抗，较为显著的是用其它类型晶体管，例如MESFET、GaAs晶体管或双极型晶体管(BJT)，或者以传统配置(在后级之前)或者使用达林顿配置等。
在一个实施例中，差分放大器还包括：具有耦合于第一差分电路的第一输出和第二差分电路的第二输出的第一输入的至少一个放大电路；耦合于第一差分电路第二输出和第二差分电路第一输出的第二输入；耦合于差分放大器第一输出的第一输出；以及耦合于差分放大器第二输出的第二输出。该电路提供高开环增益并由此使带宽增加。它还允许反馈受控的放大器的增益变得更独立于第一和第二差分电路的增益。
在一个实施例中，提供负反馈的第一和第二阻抗是两个可变阻抗，而第三阻抗是固定阻抗。在实际应用中，第一和第二阻抗中只要求一个是可变的，但将它们都设置成可变的则提供设计和放大器工作的对称性。在差分受控系统的情况下，这种对称性是有利的。
较为有利地，这些阻抗是制造更方便的大致呈阻性的器件。
特别地，可变阻抗包括大致呈阻性的元件切换阵列，可变阻抗的值受控为切换信号的函数，该函数定义包括并联和/或串联的一组阻性元件的切换阵列的配置。
在一个实施例中，差分放大器额外地包括并联于两个与放大电路的稳定电路，对其中一个而言，第一差分电路和第一输出和第二差分电路的第二输出连接于差分放大器的第二输出，而对另一个而言，第一差分电路的第二输出和第二差分电路的第一输出连接于差分放大器的第一输出。这些电路能提高反馈受控的放大器的稳定性。
例如，各稳定电路包括彼此并联的多个阻抗分路，每个阻抗分路包含一个切换电路，用来作为分别施加于所述切换电路输入的控制信号函数地断开或闭合所述分路中的至少一个。
当差分电路包含使它们输出偏压的电流源时，差分放大器还包括连接于差分放大器输出以控制所述电流源的补偿电路，从而补偿共模电压中任何可能的变化。
例如，这种电路可包括：连接差分放大器输出的电阻器桥，该电阻器桥具有输出节点，该输出节点传递基本上等于所述输出处的电压平均数相等的电压；以及误差放大器，它将所述电压平均值和基准电压之间的电压差进行放大，并将放大的误差信号作为控制信号传递给电流源。
本发明的另一个方面涉及音频CD(小型盘)和/或DVD(数字多功能盘)播放器和/或记录器，涉及用于接收卫星中继信号的“机顶盒”型的音频和/或视频解码器单元，涉及用于数字电视信号(陆基或其它)的DVB-T(数字视频陆基广播)型或DVB型编码器和/或解码器或用于数字多媒体信号(编码声音、图象和数据)的DMB(数字多媒体广播)型，并涉及音频和/或视频调谐器(例如TV调谐器)，包括根据第一方面的差分放大器。
附图说明
通过结合附图对下面说明的阅读，能更好地理解本发明，并且本发明的其它特征和优点将变得更为明显，在图中：
图1是根据本发明的放大器的功能性电路图；
图2示出表示图1电路的详细实施例；
图3示出可变阻抗的范例性实施例；
图4是在图2所示放大器中额外地加上补偿装置的电路图；以及
图5示出该补偿电路的较佳范例性实施例。
具体实施方式
图1是根据本发明的差分放大器的范例性实施例的功能性电路图。该放大器包含经部分由形成负反馈环路以控制增益的阻抗40、50和60彼此耦合在一起的差分放大电路10、20和30。
差分放大电路10、20较为有利地彼此相同。各差分电路10或20分别包括正输入INp10和INp20、负输入INn10和INn20、正输出OUTp10和OUTp20以及负输出OUTn10和OUTn20。这些差分电路的每个包含由电流源偏压的晶体管差分对。这些晶体管例如为MOSFET晶体管。该差分电路是具有高输入阻抗的高增益电路。差分电路10的正输入连接于差分放大器的正输入端E+，而差分电路20的负输入连接于放大器的负输入端E-。可使用JFET、MESFET、BJT或GaAs晶体管或任何其它类型的有源器件代替MOSFET晶体管。
差分放大器30是高增益放大器，它包括正输入Inp30、负输入INn30、正输出OUTp30和负输出OUTp30。电路30的正输入Inp30连接于差分电路10的正输出OUTp10并连接于第二差分电路20的负输出OUTn20。电路30的差分输入INn30连接于第一差分电路10的负输出OUTn10并连接于第二差分电路20的正输出OUTp20。电路30的正输出OUTp30连接于放大器的正输出端S+，而电路30的负输出OUTn30连接于放大器的负输出端S-。
电路的工作情况如下。假设由于干扰而使输出S+处的电位升高，这将使电路10的输入INn10处的电位升高。因此，其差分输入电压(在输入INp10和INn10之间)下降。电路10的输出OUTp10处的电位也下降。随后是电路30的差分输入电压(在输入INp30和INn30之间)下降，并因此这也发生在输出S+处的电位上。这样的推理表示反馈是负的。可将相同的推理应用到电路20上。
电路30对本发明来说并非不可或缺的并因此能将其省略。事实上可将该电路30代替以简单的导线，该导线分别将差分电路10和20的输出OUTp10和OUTp20直接连接于负输出端S-。这就是为什么在图中，差分电路10和20的输出OUTp10和OUTn20分别共用的节点被表示为S’+而差分电路10、20的输出OUTn10和OUTp20分别共接的节点被表示为S’-。节点S’+和S’-在没有电路30中对应于差分放大器的输出。
从图中可以看出，反馈环路长时间提供负反馈。
然而，较为有利的是提供放大电路30以增加放大器的开关增益并由此当其反馈环路是经由阻抗40、50和60时，使放大器的增益表现出独立于差分电路10、20的增益。
阻抗40、50、60提供差分放大器的反馈环路电路。这些阻抗是例如大致呈阻性的阻抗。值为R2的阻抗40将正输出端S+连接于差分电路10的负输出。值为2×R1的阻抗50将差分电路10的负输入连接于差分电路20的负输入。值为R2的阻抗60将差分电路20的负输入连接于负输出端S-。
当开环增益非常高时，能方便地计算出图1中的放大器的增益，并由下列公式表示：
G = V ( S + ) - V ( S - ) V ( E + ) - V ( E - ) = 1 + R 2 R 1 .
为了使增益可变并可控制，使诸阻抗中的至少一个可变就足够了。较为有利地，阻抗50为固定的而阻抗40、60为可变阻抗，因为对称性使布局更为简明。然而，也能将可变阻抗50与阻抗值固定或可变的阻抗40、60结合使用。
图1中放大器的实施例的集成电路形式的详细表示如图2所示。
差分放大电路10包括一对nMOS晶体管11和12，形成由公共电流源13和两个独立电流源120、210偏压的差分对。该差分放大电路20包括一对nMOS晶体管21、22，形成由公共电流源23和两个独立电流源120、210偏压的差分对。独立电流源120、210对差分电路10、20是共用的以分别提供对差分电路10和20的输出、正极和负极的耦合。
为了优化操作，可以匹配对的形式提供元件：电流源120、210较为有利地彼此相同，晶体管11、12、21、22具有相同大小并彼此靠近地设置。公共电流源13、23彼此相同而独立电流源120、210传递与公共电流源13、23所传递的电流大致相等的电流。
差分电路10的负输出和差分电路20的正输出对应于独立电流源120和晶体管11、21漏极之间的节点。类似地，差分电路10的正输出和差分电路20的负输出对应于独立电流源210和晶体管12、22的漏极之间的节点。
差分电路10、20的正输入和负输入对应于呈现出高输入阻抗的nMOS晶体管的栅极。对应于这些输入的放大器的端子也呈现出高输入阻抗。
这里，放大电路30被设计成一种形式：即分别由其沟道串联于两电源导体之间的电流源33或34的pMOS晶体管31或32形成的两个独立信号放大器。放大电路30的输入对应于pMOS晶体管31和32的栅极，而放大电路30的输出对应于pMOS晶体管31、32的漏极和电流源33、34之间的节点。
这里，阻抗50是被分成串联的具有相同阻值的两个电阻器51、52的固定阻抗。电阻器51、52之间的节点A是对应于共模电位的固定电位处的节点。阻抗40、60是可变阻抗。
在一个变例中，电阻器51、52是可变的而阻抗40、60是固定的。
图3示出分别与固定阻抗51或52有关的可变阻抗40或60的一个实施例。为了实现精确的R2/R1比，在元件阻抗值的变化斜率能被认为不变的场合下，要求使用具有相同值的阻性元件。对已选定的增益值，例如20dB、16dB、12dB、8dB和4dB，在实践中更多的是通过将对应于R1值的电阻器串联和并联加以组合而改变对应于阻抗R2的阻抗。因此，图3所示的例子包含五个并联的分路，分别包括：
-并联的四个电阻器R1的阵列，该阵列与并联的三个电阻器R1的阵列串联；
-与并联的两个电阻器R1形成的阵列串联的电阻器R1；
-串联的三个电阻器R1；
-五个串联的电阻器R1，它们与并联的三个电阻器R1形成的阵列串联；
-九个并联的电阻器R1。
为了对增益值有另外的选择，较为有利的是改变分别对应于51或52的阻抗。
这里存在许多可能性以藉由开关改变阻抗值。一个实施例包括从对应于可能的增益值的数量(在这里为5个)的多个分路中选择一路电阻器。各分路经由晶体管101-105连接于节点B+或B-，晶体管101-105接收对应于所选增益的控制信号Ci，在这里的例子中i为1-5。在任何给定时间内，其中只有一个控制信号Ci起作用，从而仅选择一个分路。
为了限制可变阻抗在硅片上所占的表面积，电阻器对若干分路是共用的。
下文中的表1示出用该方法所能获得增益的精确度，不包括关联于器件值的离差。
表1
如本领域内技术人员所能注意到的那样，晶体管101-105的栅极-源极电压对应于控制信号和节点B+或B-之间的电位差。节点B+或B-的电压对应于共模电压，在共模电压上增加与待放大的输入端E+或E-的信号对应的可变分量。当控制信号不发生作用时，在接近低供电电压的电平上，相应的晶体管101-105被截止。当控制信号作用时，在接近高供电电压的电平上，相应的晶体管101-105导通但由输入信号对栅极-源极电压进行调节。栅极-源极信号的调节导致对晶体管沟道的传导率的调节，这种调节具有将阻抗R2的值调节为输入信号的函数的效应。
由于至少两个原因，阻抗R2的调节不会产生问题。第一个原因是这种调节保持在非常弱的态势下。事实上，该调节量用来调节MOS晶体管101-105的沟道阻值并且该沟道阻值被选择为相对于R1而言可忽略。因此所形成的调节也是可忽略的。第二个原因是放大器包括两个经调节的阻抗R2并且这两个阻抗R2以反相形式被调节。如果这些电压被考虑成差分的，这些相位反相调制彼此补偿，并且它们等效于对输出端S+、S-上的共模电压进行调节。实际上，根据应用场合，共模电压可以是重要的也可以是不重要的。
如果因为晶体管101-105的尺寸确定和在输出端的共模电压上的严格限制，则有必要补偿这个缺陷，可如图4所示地添加共模检测和反馈控制电路200。
图4中的电路对应于图2中的电路，其中独立电流源120、210被代替以可调的电流源121和211。电路200测量输出端S+和S-处的共模电压并调整可调电流源121、211的电流以保证差分放大器输出的共模电压的恒定性。
通过例示，电路200包含两个电阻器201、202以及一个误差放大器203。电阻器201和202具有相同的阻抗值R并串联在输出端S+和S-之间。两个阻抗值201和202之间的节点204则位于输出端的共模电位处。误差放大器203被连接于节点204和提供等于输出处所要求的共模电压的基准电压Vref的电路。误差放大器203放大节点204和电压Vref之间的电位差以将控制信号传送给可调电流源121、211。
在使用负反馈环路的放大器中，存在发生不稳定的危险。这能通过稳定电路进行校正，该稳定电路基于米勒效应而提供补偿。可将稳定电路300设置在放大电路30的输入和输出之间。然而，这些稳定电路的一个缺点是它们减少了放大器的带宽。实际上，在可变增益放大器中使用传统的稳定电路具有根据所选增益而改变放大器截止频率的效应。如果增益变化很大，带宽的变化也很明显，这将产生问题。
为了避免带宽大幅度的变化，这里提出使用图5中详细说明的一个实施例的稳定电路300。这些电路中的一个将差分放大电路10的输出OUTp10和差分放大电路20的输出OUTn20连接于差分放大器的输出E-。另一稳定电路200将差分放大电路10的第二输出OUTn10和差分放大电路20的输出OUTp20连接于差分放大器的输出E+。
补偿电路300包括彼此并联的若干分路。各分路分别包含与电容器CA、CB、CC串联的电阻器RA、RB或RC，以及分别形成开关的晶体管TA、TB、TC。在各分路中，电阻器被设置在晶体管和电容器之间。较为有利地，各分路的晶体管被设置在电路30的输入端。而电容器被设置在电路30的输出端。
由于放大器带宽的变化可保持在某个容限内，因此该稳定电路无需包括象分路数量那么多的可能增益值的数量。每个晶体管TA、TB、TC分别接收控制信号MA、MB或MC。在任何给定时间，诸控制信号中只有一个发生作用，由此仅一个分路被有效地连接在放大电路30的输入和输出之间。
作为一个例子，该稳定电路对五个可能的增益值仅包括三个分路。如果控制信号C1或C2发生作用，则信号MA发生作用，如果控制信号C3或C4发生作用，则信号MB发生作用，而如果控制信号C5发生作用，则信号MC发生作用。在存在更多数量的可能的增益值的情况下，例如二十个增益，由于分路选择对应于三个或四个增益值，因此能以较低的比例增加稳定电路中的分路数量。

Claims (14)

1.具有第一输入(E+)、第二输入(E-)、第一输出(S+)和第二输出(S-)的差分放大器，包括：
第一差分电路(10)，具有：耦合于差分放大器第一输入的第一输入(INp10)；经由第一阻抗(40)连接于差分放大器第一输出的第二输入(INn10)；以及分别耦合于差分放大器第一输出和第二输出的第一输出(OUTp10)和第二输出(OUTn10)；
第二差分电路(20)，具有：耦合于差分放大器的第二输入的第一输入(INp20)；经由第二阻抗(60)连接于差分放大器第二输出的第二输入(INn20)；以及分别耦合于差分放大器第二输出和第一输出的第一输出(OUTp20)和第二输出(OUTn20)；以及
将第二差分电路(20)的第二输入连接于第一差分电路(10)的第二输入的第三阻抗(50)；
其中第一、第二和第三阻抗中的至少一个是可变阻抗；
且第一和第二差分电路(10、20)的第一和第二输入对应于所述第一和第二差分电路的晶体管差分对的各栅极。
2.如权利要求1所述的差分放大器，其特征在于，还包括至少一个放大电路(30)，所述放大电路(30)具有：
耦合于第一差分电路(10)的第一输出并耦合于第二差分电路(20)的第二输出的第一输入；
耦合于第一差分电路(10)的第二输出并耦合于第二差分电路(20)的第一输出的第二输入；
耦合于差分放大器第一输出的第一输出；以及
耦合于差分放大器第二输出的第二输出。
3.如权利要求1和2任何一项所述的差分放大器，其特征在于，第一和第二阻抗(40、60)是两个可变阻抗，而第三阻抗(50)是固定阻抗。
4.如权利要求1和2任何一项所述的差分放大器，其特征在于，第一和第二阻抗(40、60)是两个固定阻抗，而第三阻抗(50)包含第一可变阻抗(51)和第二可变阻抗(52)。
5.如权利要求1所述的差分放大器，其特征在于，所述第一、第二和第三阻抗是呈阻性的元件。
6.如权利要求5所述的差分放大器，其特征在于，可变阻抗包括呈阻性(R1)的元件切换阵列，可变阻抗的值受控为切换信号(C1-C5)的函数，所述函数限定了包含一组并联和/或串联的阻性元件的切换阵列的配置。
7.如权利要求2所述的差分放大器，其特征在于，还包括两个并联于放大电路(30)的稳定电路(300)，所述放大电路(30)中的一个将第一差分电路的第一输出和第二差分电路的第二输出连接于差分放大器的第二输出；所述放大电路(30)中另一个将第一差分电路的第二输出和第二差分电路的第一输出连接于差分放大器的第一输出。
8.如权利要求7所述的差分放大器，其特征在于，各稳定电路(300)包括彼此并联的多个阻抗分路(RA、RB、RC、CA、CB、CC)并各自包含切换电路(TA、TB、TC)以根据分别施加到所述切换电路的输入的控制信号(MA、MB、MC)的函数而断开或闭合至少一个所述多个阻抗分路。
9.如权利要求1所述的差分放大器，其特征在于，差分电路(10、20)包含用于对输出偏压的电流源(121、211)，所述差分放大器还包括连接于差分放大器的输出(S+、S-)以控制所述电流源(121、211)的共模检测和反馈控制电路(200)
10.如权利要求9所述的差分放大器，其特征在于，共模检测和反馈控制电路包括：
连接于差分放大器输出(S+、S-)的电阻器桥(201、202)，所述电阻器桥具有传送等于出现在所述输出处的电压平均值的电压的输出节点(204)；
误差放大器(203)，所述误差放大器将所述电压平均值和基准电压(Vref)之间的电压差放大，并将放大的误差信号作为控制信号传送给电流源(121、211)。
11.包含如权利要求1-10任何一项所述的差分放大器的音频CD和/或DVD播放器和/或记录器。
12.包含如权利要求1-10任何一项所述的差分放大器的“机顶盒”型解码器单元。
13.包含如权利要求1-10任何一项所述的差分放大器的数字音频广播(DAB)、数字视频联网(DVN)、地面数字视频广播(DVB-T)和/或数字多媒体广播(DMB)信号编码器和/或解码器。
14.包含如权利要求1-10任何一项所述的差分放大器的音频和/或视频调谐器。
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