CN1941617A

CN1941617A - 用于信号处理系统的电压控制放大器

Info

Publication number: CN1941617A
Application number: CN 200510108717
Authority: CN
Inventors: 李勇明
Original assignee: Princeton Technology Corp
Current assignee: Princeton Technology Corp
Priority date: 2005-09-28
Filing date: 2005-09-28
Publication date: 2007-04-04
Anticipated expiration: 2025-09-28
Also published as: CN100521520C

Abstract

一种用于信号处理系统的电压控制放大器，其包含：电压输入端、第一电压至电流转换器、增益调整电路、参考电流产生器、第一电流镜、和输出电路。所述电压控制放大器可根据可变控制电压调整增益，以将输入电压依据调整后的增益转换为输出电压，当调整增益时，本发明仅会改变交流信号的大小，而不会改变直流信号的部分，且可降低噪声、失真及成本，并提高整合度。

Description

用于信号处理系统的电压控制放大器

技术领域

本发明涉及一种电压控制放大器，尤其涉及一种可实现处理大信号，并具有低噪声、低失真且兼顾高整合度及低成本特性的电压控制放大器(VoltageControlled Amplifier)。

背景技术

电压控制放大器可视为一种三端元件，包含信号输入端、信号输出端以及控制信号输入端，用于根据不同的控制信号改变增益。电压控制放大器常用于DVD、VCD、可携式影音播放器、数字电视、家庭影音产品等多媒体电子装置中，用户可通过电压控制放大器改变音量大小、对比度、亮度、频道等输出信号。

由于科技日新月异，信号的种类越来越多样化，使得电压控制放大器的功能日显重要。然而，传统电压控制放大器均使用双载子(Bipolar)工艺或双载子互补型金属氧化半导体电晶体(BiCMOS)工艺所设计。以双载子工艺所设计的电压控制放大器，可提供高速操作及高电流驱动能力，但与数字电路(MixedMode)的整合度低。相较之下，BiCMOS技术合并了双载子与互补金属氧化半导体电晶体(CMOS)的特性，具有双载子电晶体中高速及高电流驱动能力，亦兼具CMOS电路中低功率、高输入阻抗、高噪声边限等优点，但BiCMOS工艺的生产成本却相当高。因此，现今研发厂商无不努力于制作具有低噪声、低失真且兼顾高整合度及低成本特性的电压控制放大器。

发明内容

因此，本发明的主要目的在于提供一种用于信号处理系统的电压控制放大器。

本发明公开一种用于信号处理系统的电压控制放大器，其包含：电压输入端、第一电压至电流转换器、参考电流产生器、增益调整电路、第一电流镜和输出电路。电压输入端用于接收输入电压。第一电压至电流转换器，电连于所述电压输入端，用于根据所述电压输入端所接收的输入电压，输出第一电流。参考电流产生器用于输出第二电流。增益调整电路电连于所述第一电压至电流转换器和所述参考电流产生器，用于接收所述第一电流和所述第二电流，并调整所述电压控制放大器的增益，其包含：第一双载子电晶体，包含集电极、基极和发射极；第二双载子电晶体，包含集电极、基极和发射极；第三双载子电晶体，包含集电极、基极和发射极；第四双载子电晶体，包含集电极、基极和发射极；以及控制电压输入电路，其一端电连于所述第二双载子电晶体的基极和所述第三双载子电晶体的基极，另一端电连于所述第一双载子电晶体的基极和所述第四双载子电晶体的基极，用于输出控制电压。第一电流镜电连于所述第一电压至电流转换器、所述增益调整电路和所述参考电流产生器，其包含：参考分路、汲取分路以及映射分路。参考分路电连于所述第一电压至电流转换器的输出端，用于传送所述第一电流。汲取分路电连于所述参考电流产生器与所述第一双载子电晶体的发射极及所述第二双载子电晶体的发射极之间，用于由所述参考电流产生器与所述第一双载子电晶体的发射极及所述第二双载子电晶体的发射极之间，汲取大小等于所述第一电流的电流；以及映射分路电连于所述第三双载子电晶体的发射极与所述第四双载子电晶体的发射极之间，用于将大小等于所述第一电流的电流输入至所述第三双载子电晶体的发射极与该第四双载子电晶体的发射极之间。输出电路电连于该增益调整电路，用于判断所述第一双载子电晶体的集电极电流与所述第四双载子电晶体的集电极电流的差值，以输出输出电压。其中，藉由所述控制增益调整电路所输出的控制电压，以控制所述输出电路所输出的所述输出电压。

附图说明

图1为本发明优选实施例电压控制放大器的示意图。

图2为传统寄生横向双载子电晶体的示意图。

图3为一指数放大器的示意图。

图4为一稳定振幅振荡器的示意图。

图5为一可调式低通滤波器的示意图。

主要元件符号说明

150 参考电压产生器

160 参考电流产生器

100 电压控制放大器

122 控制电压输入电路

102、104 第一、第二电压至电流转换器

106 增益调整电路

108 输出电路

110、112、116、120 第四、第一、第三、第二电流镜

OP1、OP2 第一、第二运算放大器

124 NMOS电晶体

R1、R、R2 第一电阻、电阻、第二电阻

126 PMOS电晶体

V_ref 参考电压

V_in 输入电压

V_out 输出电压

V_C 控制电压

V_CC 系统电压

R_O 输出电阻

200 寄生横向双载子电晶体

300 指数放大器

400 稳定振幅振荡器

500 可调式低通滤波器

具体实施方式

参考图1，图1为本发明优选实施例电压控制放大器100的示意图。电压控制放大器100包含电压输入端、第一电压至电流转换器102、参考电流产生器160、增益调整电路106、第一电流镜112、和输出电路108。电压控制放大器100可根据可变控制电压V_C调整增益，将自电压输入端所接收的输入电压V_in依据调整后的增益转换(放大)为输出电压V_out。其中，当调整增益时，本发明仅会改变交流信号的大小，而不会改变直流信号的部分，且可降低噪声，减少失真，提高整合度。关于电压控制放大器100的详细操作，请见以下说明。

第一电压至电流转换器102包含第一运算放大器OP1、NMOS电晶体124及第一电阻R1，用于根据输入电压V_in，产生第一电流。参考电流产生器160包含第二电压至电流转换器104、参考电压产生器150、以及第四电流镜110。第二电压至电流转换器104包含第二金属氧化半导体电晶体126、第二运算放大器OP2以及第二电阻R2，用于将参考电压产生器150产生的参考电压V_ref转换为第二电流。第二金属氧化半导体电晶体126包含栅极、源极及漏极，漏极电连于第四电流镜110的一分路。第二运算放大器OP2包含第一输入端，电连于参考电压产生器150；第二输入端，电连于第二金属氧化半导体电晶体126的源极；和输出端，电连于第二金属氧化半导体电晶体的126栅极。第二电阻R2电连于第二金属氧化半导体电晶体126的源极和第二运算放大器OP2的第二输入端之间。在一实施例中，第二金属氧化半导体电晶体126为PMOS电晶体。参考电压产生器150最好包含一电压源及二个串联至接地端的电阻R，用于产生参考电压V_ref。第四电流镜110电连于第二电压至电流转换器104及增益调整电路106，用于接收并传送第二电压至电流转换器104产生的第二电流至增益调整电路106。

第一、第二运算放大器OP1、OP2最好是以CMOS工艺所形成的运算放大器，因此藉由第一、第二运算放大器OP1、OP2的高输入阻抗及低热噪声的特性，可防止输入电压V_in过大造成无法工作的情形，并可降低噪声及减少失真。第一电压至电流转换器102将输入电压V_in转换为第一电流，第二电压至电流转换器104则将参考电压V_ref转换为第二电流。第一电压至电流转换器102中的第一电阻R1的值为第二电压至电流转换器104的第二电阻R2的值的两倍，因此当输入电压V_in的直流电平等于参考电压V_ref的直流电平时，第二电压至电流转换器104所输出的第二电流的值为第一电压至电流转换器102所输出的第一电流的值的两倍；而当输入电压V_in包含交流信号时，则第一电压至电流转换器102的输出电流包含差异值Δi。换句话说，第二电压至电流转换器104所输出的第二电流可表示为2I，而第一电压至电流转换器102所输出的第一电流可表示为(I+Δi)。

增益调整电路106包含第一、第二、第三及第四双载子电晶体Q1、Q2、Q3、Q4及控制电压输入电路122。在本发明的优选实施例中，为了降低成本，第一、第二、第三及第四双载子电晶体Q1、Q2、Q3、Q4皆为以互补式金属氧化半导体工艺所形成的寄生横向双载子电晶体。参考图2，图2为传统寄生横向双载子电晶体200的示意图。如本领域技术人员所知，寄生横向双载子电晶体200由P型非本征(extrinsic)基极、N型集电极及NPN接面的P型非本征基极所形成。所谓「横向」是指电流于晶圆表面横向地由发射极流至集电极，因此可提供较大的基极阻抗，反应速度快，且易与其它CMOS电路整合。回到图1，第二电压至电流转换器104输出的电流2I流至第一及第二双载子电晶体Q1、Q2的发射极；而第一电压至电流转换器102输出的电流(I+Δi)，则通过第一电流镜112将同样大小的电流映射至第三及第四双载子电晶体Q3、Q4的发射极，并汲取流入第一及第二双载子电晶体Q1、Q2发射极的电流。因此，流入第一及第二双载子电晶体Q1、Q2发射极的电流为(I-Δi)，流入第三及第四双载子电晶体Q3、Q4发射极的电流为(I+Δi)。假设第一、第二、第三及第四双载子电晶体Q1、Q2、Q3、Q4集电极的电流分别为I_C1、I_C2、I_C3、I_C4，而第一、第二、第三及第四双载子电晶体Q1、Q2、Q3、Q4基极至发射极的电流分别为V_BE1、V_BE2、V_BE3、V_BE4，可知：

-V_C＝V_BE1-V_BE2＝V_Tln(I_C1/I_C2)

-V_C＝V_BE3-V_BE4＝V_Tln(I_C1/I_C2)

且I_C2＝I-Δi-I_C1

I_C3＝I+Δi-I_C4

因此

-V_C＝V_Tln(I_C1/(I-Δi-I_C1))

-V_C＝V_Tln(I_C4/(I+Δi-I_C4))

则

I_C1＝(I-Δi)/(1+exp(V_C/V_T))

I_C4＝(I+Δi)/(1+exp(V_C/V_T))

其中，V_T为热电压。

另一方面，输出电路108根据第一及第四双载子电晶体Q1、Q4的集电极电流I_C1、I_C4产生输出电流I_O，输出电路108最好包含第三电流镜116、第二电流镜120及输出电阻R_O。第三电流镜116及第二电流镜120分别用于将第一及第四双载子电晶体Q1、Q4的集电极电流I_C1、I_C4映射至输出电阻R_O，可知

I_O＝I_C4-I_C1＝(2Δi)/(1+exp(V_C/V_T))

则电压控制放大器100的增益为

ΔV_out/ΔV_in＝(I_O×R_O)/(Δi×R1)＝(R_O/R1)×(2/(1+exp(V_C/V_T))

因此，电压控制放大器100增益的变动只与控制电压V_C有关，因此藉由本发明的电压控制放大器100控制增益调整电路106的控制电压，即可控制输出电路所产生的输出电压。

换言之，在本发明电压控制放大器100中，当调整控制电压V_C的大小时，输出信号V_out中只有交流部分会改变，而直流部分则不会改变。由于第一、第二、第三及第四双载子电晶体Q1、Q2、Q3、Q4皆为以互补式金属氧化半导体工艺所形成的寄生横向双载子电晶体，因此可降低成本，提供较大的基极阻抗，增加反应速度，且易与其它CMOS电路整合。此外，藉由第一、第二运算放大器OP1、OP2的高输入阻抗及低热噪声的特性，可防止输入电压V_in过大造成无法工作的情形，并可降低噪声及减少失真，因此电压控制放大器100适用于处理大信号的电子装置中。换言之，本发明可实现处理大信号的电压控制放大器，并具有低噪声、低失真且兼顾高整合度及低成本的特性。

因此，本领域技术人员可使用本发明电压控制放大器100设计不同的应用电路，以降低噪声、减少失真、提高整合度及减低成本。举例来说，参考图3、4、5，图3为一指数放大器300的示意图，图4为一稳定振幅振荡器400的示意图，图5为一可调式低通滤波器500的示意图。在图3中，指数放大器300由电压控制放大器100的接收端接收参考电压(V_in)，可将输入电压V_in′放大为指数倍(通过调整指数放大器300的电阻值，达到所需的倍数)。在图4中，稳定振幅振荡器400根据电压V_R、V-改变电压控制放大器100的控制电压V_C的大小，以通过电压控制放大器100的输出端输出最大振幅为V_R的振荡信号。另外，在图5中，通过调整电压控制放大器100的控制电压V_C，可调式低通滤波器500可改变通带宽度，以取得所需的信号。图3、4、5的例子在此供说明之用，而不欲限制本发明，本领域技术人员当可根据电压控制放大器100做出各种可能变化，而不脱离本发明的精神范畴。

综上所述，本发明电压控制放大器的增益变化只与控制电压的大小有关，且输出信号只有交流部分会改变。另外，增益调整电路的双载子电晶体皆为以互补式金属氧化半导体工艺所形成的寄生横向双载子电晶体，因此可降低成本，提供较大的基极阻抗，增加反应速度，且易与其它CMOS电路整合。此外，藉由运算放大器的高输入阻抗及低热噪声的特性，可防止输入电压过大造成无法工作的情形，并可降低噪声及减少失真。因此，本发明可实现处理大信号的电压控制放大器，并具有低噪声、低失真且兼顾高整合度及低成本的特性。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修改，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1、一种用于信号处理系统的电压控制放大器，包含：

电压输入端，用于接收输入电压；

第一电压至电流转换器，电连于所述电压输入端，用于根据所述电压输入端所接收的输入电压，输出第一电流；

参考电流产生器，用于输出第二电流；

增益调整电路，电连于所述第一电压至电流转换器和所述参考电流产生器，用于接收所述第一电流和所述第二电流，并调整所述电压控制放大器的增益，其包含：

第一双载子电晶体，包含集电极、基极和发射极；

第二双载子电晶体，包含集电极、基极和发射极；

第三双载子电晶体，包含集电极、基极和发射极；

第四双载子电晶体，包含集电极、基极和发射极；以及

控制电压输入电路，其一端电连于所述第二双载子电晶体的基极和所述第三双载子电晶体的基极，另一端电连于所述第一双载子电晶体的基极和所述第四双载子电晶体的基极，用于输出控制电压；

第一电流镜，电连于所述第一电压至电流转换器、所述增益调整电路、和所述参考电流产生器，其包含：

参考分路，电连于所述第一电压至电流转换器的输出端，用于传送所述第一电流；

汲取分路，电连于所述参考电流产生器与所述第一双载子电晶体的发射极及所述第二双载子电晶体的发射极之间，用于由所述参考电流产生器与所述第一双载子电晶体的发射极及所述第二双载子电晶体的发射极之间，汲取大小等于所述第一电流的电流；以及

映射分路，电连于所述第三双载子电晶体的发射极与所述第四双载子电晶体的发射极之间，用于将大小等于所述第一电流的电流输入至所述第三双载子电晶体的发射极与所述第四双载子电晶体的发射极之间；以及

输出电路，电连于所述增益调整电路，用于判断所述第一双载子电晶体的集电极电流与所述第四双载子电晶体的集电极电流的差值，以输出输出电压；

其中，藉由所述控制增益调整电路所输出的控制电压，以控制所述输出电路所输出的所述输出电压。

2、如权利要求1所述的电压控制放大器，其中所述第二电流的大小约等于所述第一电流的两倍。

3、如权利要求1所述的电压控制放大器，其中所述第一双载子电晶体、所述第二双载子电晶体、所述第三双载子电晶体及所述第四双载子电晶体皆为以互补式金氧半导体工艺所形成的寄生横向双载子电晶体。

4、如权利要求1所述的电压控制放大器，其中所述第一电压至电流转换器包含：

第一金属氧化半导体电晶体，包含栅极、源极及漏极，所述漏极电连于所述电流镜的参考分路；

第一运算放大器，包含：第一输入端，电连于所述电压输入端；第二输入端，电连于所述金属氧化半导体电晶体的源极；和输出端，电连于所述金属氧化半导体电晶体的栅极；以及

第一电阻，电连于所述金属氧化半导体电晶体的源极和所述运算放大器的第二输入端之间。

5、如权利要求1所述的电压控制放大器，其中所述参考电流产生器包含：

参考电压产生器，用于产生参考电压；

第二电压至电流转换器，电连于所述参考电压产生器，用于根据所述参考电压，产生所述第二电流；以及

第四电流镜，电连于所述第二电压至电流转换器和所述增益调整电路，用于接收并传送所述第二电流至所述增益调整电路。

6、如权利要求5所述的电压控制放大器，其中第二电压至电流转换器包含：

第二金属氧化半导体电晶体，包含栅极、源极和漏极，所述漏极电连于所述第四电流镜，用于传送所述第二电流至所述第四电流镜；

第二运算放大器，包含：第一输入端，电连于所述参考电压产生器；第二输入端，电连于所述第二金属氧化半导体电晶体的源极；和输出端，电连于所述第二金属氧化半导体电晶体的栅极；以及

第二电阻，电连于所述第二金属氧化半导体电晶体的源极和所述第二运算放大器的第二输入端之间。

7、如权利要求1所述的电压控制放大器，其中所述输出电路包含：

第二电流镜，包含第一分路和第二分路，所述第一分路电连于所述第一双载子电晶体的集电极，而所述第二分路电连于所述输出电路的输出端；以及

第三电流镜，包含第一分路和第二分路，所述第一分路电连于所述第四双载子电晶体的集电极，而所述第二分路电连于所述输出电路的所述输出端。

8、如权利要求7所述的电压控制放大器，其中所述输出电路另包含：输出电阻，电连于所述输出端。