CN1988375A - 增益可变电路及使用该电路的自动增益控制放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供增益可变电路及使用该电路的自动增益控制放大器。所述增益可变电路及自动增益控制放大器能削减纵向层叠的晶体管数量，降低电源电压。增益可变电路包括：连接在电源端子(VD)和输出端子(OUTB)之间的负载电阻(21)；连接在电源端子(VD)和输出端子(OUT)之间的负载电阻(22)；由FET(31)和(32)构成的第1差分电路，其连接在输出端子(OUTB、OUT)与第1节点之间，根据互补的第1和第2增益可变电压之差，改变输出端子(OUTB、OUT)的输出电压的增益；由FET(33)和(34)构成的第2差分电路，其连接在输出端子(OUTB、OUT)的输出电压与第2节点之间，根据第1和第2增益可变电压之差，改变输出端子(OUTB、OUT)的输出电压的增益；由FET(35)和(36)构成的放大用源极接地电路，其连接在第1和第2节点与地(GND)之间，根据互补的第1和第2输入电压之差，将输出端子(OUTB、OUT)的输出电压放大。

Description

增益可变电路及使用该电路的自动增益控制放大器
技术领域
本发明涉及对于差分信号能够以低电压动作的增益可变电路、和使用该电路的自动增益控制放大器(以下称为“AGC放大器”)。
背景技术
以往，作为有关增益可变电路的技术，例如有以下文献记载的技术。
非专利文献1  M.Moller，H.-M.Rein and H.Wernz，“13 Gb/sSi-Bipolar AGC Amplifier IC with High Gain and Wide Dynamic Rangefor Optical-Fiber Receivers”，IEEE JOURNAL OF SOLID-STATECIRCUITS，VOL 29，No.7，JULY 1994，p815-p822
专利文献1日本特开平9-18329号公报
在非专利文献1的第817页的图2(a)中记载了由双极晶体管构成的增益可变电路的电路图，使用该增益可变电路的AGC放大器的电路图，记载于该文献1的第816页的图1中。
并且，在专利文献1的图3中，记载了使用与非专利文献1的增益可变电路为相同电路结构的场效应晶体管(以下称为“FET”)的吉伯(gilbert)型倍增器(multiplier)(双重平衡型差分放大电路)的电路结构图。该倍增器是获取两个模拟信号、输出与它们的乘积成比例的输出信号的电路，其用途与增益可变电路不同。
图4是表示以往的增益可变电路的电路图。
为了简化说明，该增益可变电路是利用FET替换非专利文献1记载的由双极晶体管构成的增益可变电路的电路。
图4所示的增益可变电路具有正相信号输入端子IN、反相信号输入端子INB、正相信号输出端子OUT、反相信号输出端子OUTB、增益可变端子VGC1、VGC2、和电源端子VD，在这些端子之间连接着两个负载电阻1、2和7个FET 11～17。
负载电阻1、2的一方端子连接电源端子VD。负载电阻1的另一方端子和FET 11、13的漏极连接输出端子OUTB，负载电阻2的另一方端子和FET 12、14的漏极连接输出端子OUT。FET 11、14的栅极连接增益可变端子VGC1，FET 12、13的栅极连接增益可变端子VGC2。FET 11、12的源极连接FET 15的漏极，FET 13、14的源极连接FET 16的漏极。FET15的栅极连接输入端子IN，FET 16的栅极连接输入端子INB。FET 15、16的源极连接FET17的漏极，该FET 17的栅极和源极连接地GND。
该增益可变电路利用FET 17构成恒流源，利用FET 15和16构成信号放大用差分电路，利用FET 11～14构成增益可变用差分电路。
在这种电路结构中，FET 15和16具有相同特性，各个FET 11、12、13、14也具有相同特性。此处，把施加给正相信号输入端子IN的输入信号电压设为vin，把施加给反相信号输入端子INB的输入信号电压设为-vin，把施加给增益可变端子VGC1和VGC2的增益可变电压之差设为vgc。把流过FET 17的漏极的恒定电流设为i，把负载电阻1和2的电阻值设为r，把FET 15和16的跨导的漏极电流依赖性设为A1，把各个FET 11、12、13、14的跨导的漏极电流依赖性设为A2。
FET 15的漏极电流I15为，
I15＝i·[1+A1·{vin-(-vin)}/2]/2
     ＝i·(1+A1·vin)/2···············(1)
FET16的漏极电流I16为，
I16＝i·[1+A1·{(-vin)-vin}/2)/2
     ＝i·(1-A1·vin)/2················(2)
FET11的漏极电流I11为，
I11＝I15·(1+A2·vgc/2)/2
     ＝i·(1+A1·vin)·(1+A2·vgc/2)/4········(3)
FET12的漏极电流I12为，
I12＝I15·(1-A2·vgc/2)/2
     ＝i·(1+A1·vin)·(1-A2·vgc/2)/4········(4)
FET13的漏极及电流I13为，
I13＝I16·(1-A2·vgc/2)/2
     ＝i·(1-A1·vin)·(1-A2·vgc/2)/4········(5)
FET14的漏极电流I14表示为，
I14＝I16·(1+A2·vgc/2)/2
     ＝i·(1-A1·vin)·(1+A2·vgc/2)/4········(6)
并且，流过负载电阻1的电流I1是FET 11的漏极电流I11和FET 13的漏极电流I13之和，其值根据算式(3)和算式(5)为，
I1＝I11+I13
    ＝i·(1+A1·A2·vin·vgc/2)/2··········(7)
流过负载电阻2的电流I2是FET 12的漏极电流I12和FET 14的漏极电流I14之和，其值根据算式(4)和算式(6)为，
I2＝I12+I14
    ＝i·(1-A1·A2·vin·vgc/2)/2··········(8)
因此，把从正相信号输出端子OUT输出的输出信号电压vout从vgc＝0时起的变化量设为Δvout，Δvout为，
Δvout＝r·A1·A2·vin·vgc/4···········(9)
把从反相信号输出端子OUTB输出的输出信号电压voutb从vgc＝0时起的变化量设为Δvoutb时，Δvoutb为，
Δvoutb＝-r·A1·A2·vin·vgc/4··········(10)
这样，上述结构的电路作为可根据施加于增益可变端子VGC1和VGC2上的电压之差vgc而改变增益的增益可变电路而动作。并且，由于设有恒流源用的FET 17，所以具有以下优点，例如即使把施加于反相信号输入端子INB的输入信号电压-vin设为固定电压，把施加于正相信号输入端子IN的输入信号电压vin设为可变电压，由FET 15、16构成的信号放大用差分电路的单平衡转换功能工作，可获得稳定的线性输出电压。
但是，以往的增益可变电路由恒流源用的FET 17、信号放大用差分电路的FET 15、16和增益可变用差分电路的FET 11～14的纵向层叠3级、及负载电阻1、2构成，所以元件数量多，而且若把FET动作所需要的漏—源间电压设为Vds，把施加给负载电阻1、2的电压设为Vr，则所需要的最小电源电压Vmin成为Vmin＝3·Vds+Vr，存在更加难以把电源电压降低得比该最小电源电压更低的问题。
特别是增益可变电路在构成AGC放大器等各种集成电路时使用，由于前述问题，给对集成电路的电源电压的降低和构成元件数量的削减带来重大障碍，很难解决该问题。
发明内容
本发明的增益可变电路具有：第1负载单元，其连接在第1电源电压节点与输出第1输出信号的第1输出端子之间；第2负载单元，其连接在所述第1电源电压节点与输出与所述第1输出信号反相的第2输出信号的第2输出端子之间；第1差分电路，其连接在所述第1和第2输出端子与第1节点之间，根据互补的第1与第2增益可变信号之差，改变所述第1和第2输出信号的增益；第2差分电路，其连接在所述第1和第2输出端子与第2节点之间，根据所述第1与第2增益可变信号之差，改变所述第1和第2输出信号的增益；以及放大电路，其连接在所述第1和第2节点与第2电源电压节点之间，根据互补的第1与第2输入信号之差，将所述第1和第2输出信号放大。
本发明的AGC放大器具有：所述增益可变电路；1级或多级的差分放大电路，所述1级或多级的差分放大电路对所述增益可变电路的所述第1和第2输出信号进行差分放大，输出互补的第3和第4输出信号；反馈电路，其将所述第3和第4输出信号的变动量作为所述第1和第2增益可变信号，反馈输入给所述增益可变电路。
根据本发明的增益可变电路，可以削减第1、第2差分电路和放大电路的纵向层叠的元件数量，由此可以降低电源电压。
根据本发明的AGC放大器，由于设有所述增益可变电路，所以能够降低AGC放大器整体的电源电压。因此，可以实现AGC放大器整体在低电压下动作时的低功耗，可以实现基于元件数量削减的电路小型化。
附图说明
图1是表示本发明的实施例1的增益可变电路的电路图。
图2是表示本发明的实施例2的增益可变电路的电路图。
图3是表示本发明的实施例3的AGC放大器的电路图。
图4是表示以往的增益可变电路的电路图。
标号说明
21、22负载电阻；31～36第1～第6 FET；100 AGC放大器；101增益可变电路；111～114差分放大电路；130、140运算放大器。
具体实施方式
可变增益电路具有：第1负载电阻，其连接在第1电源电压节点和输出第1输出信号的第1输出端子之间；第2负载电阻，其连接在所述第1电源电压节点和输出与所述第1输出信号反相的第2输出信号的第2输出端子之间；第1差分电路，其连接在所述第1和第2输出端子与第1节点之间，根据互补的第1和第2增益可变信号之差，改变所述第1和第2输出信号的增益；第2差分电路，其连接在所述第1和第2输出端子与第2节点之间，根据所述第1和第2增益可变信号之差，改变所述第1和第2输出信号的增益；以及放大电路，其连接在所述第1和第2节点与第2电源电压节点之间，根据互补的第1和第2输入信号之差，将所述第1和第2输出信号放大。
(实施例1)
(实施例1的结构)
图1是表示本发明的实施例1的增益可变电路的电路图。
该增益可变电路具有正相信号输入端子IN、反相信号输入端子INB、第2输出端子(例如正相信号输出端子)OUT、第1输出端子(例如反相信号输出端子)OUTB、增益可变端子VGC1、VGC2、和第1电源电压节点(例如电源端子)VD，在这些端子之间连接着：第1、第2负载单元(例如负载电阻)21、22；由第1、第2晶体管(例如FET)31、32构成的增益可变用第1差分电路；由第3、第4晶体管(例如FET)35、36构成的增益可变用第2差分电路；由第5、第6晶体管(例如FET)35、36构成的放大电路(例如信号放大用源极接地电路)。在该实施例1中，取代以往的信号放大用差分电路，通过设置信号放大用源极接地电路，使FET的纵向层叠的级数为2级，可以实现元件数量的削减和电源电压的降低。
负载电阻21、22的一方端子连接电源端子VD，负载电阻21的另一方端子连接FET 31、33的漏极和输出端子OUTB。负载电阻22的另一方端子连接FET 32、34的漏极和输出端子OUT。FET 31、34的栅极连接可变增益端子VGC1，FET 32、33的栅极连接可变增益端子VGC2。FET 31、32的源极侧的第1节点连接FET 35的漏极，FET 33、34的源极侧的第2节点连接FET 36的漏极。FET 35的栅极连接输入端子IN，FET 36的栅极连接输入端子INB。FET 35、36的源极连接第2电源电压节点(地GND)。
(实施例1的动作)
在图1所示的电路结构中，FET 35和36具有相同特性，各个FET 31、32、33、34也具有相同特性。此处，把施加给正相信号输入端子IN的第1输入信号(例如输入信号电压)设为vin，把施加给反相信号输入端子INB的第2输入信号(例如输入信号电压)设为-vin，把施加给增益可变端子VGC1和VGC2的第1、第2增益可变信号(例如增益可变电压)vgcl、vgc2之差设为vgc。把vin＝-vin＝0时的FET 35和FET 36的漏极电流设为i/2，把各个负载电阻21、22的电阻值设为r，把FET 35和36的跨导的漏极电流依赖性设为A1，把各个FET 31、32、33、34的跨导的漏极电流依赖性设为A2。
FET 35的漏极电流I35为，
I35＝i·(1+A1·vin)/2·······················(11)
FET 36的漏极电流I36为，
I35＝i·{1+A1·(-vin)}/2
     ＝i·(1-A1·vin)/2·······················(12)
FET 31的漏极电流I31为，
I31＝I35·(1+A2·vgc/2)/2
     ＝i·(1+A1·vin)·(1+A2·vgc/2)/4··············(13)
FET 32的漏极电流I32为，
I32＝I35·(1-A2·vge/2)/2
     ＝i·(1+A1·vin)·(1-A2·vge/2)/4··············(14)
FET 33的漏极电流I33为，
I33＝I36·(1-A2·vgc/2)/2
    ＝i·(1-A1·vin)·(1-A2·vgc/2)/4··············(15)
FET 34的漏极电流I34为，
I34＝I36·(1+A2·vgc/2)/2
    ＝1·(1-A1·vin)·(1+A2·vgc/2)/4··············(16)
并且，流过负载电阻21的电流I21是FET 31的漏极电流I31和FET33的漏极电流I33之和，其值根据算式(13)和算式(15)为，
I21＝I31+I33
    ＝i·(1+A1·A2·vin·vgc/2)/2·················(17)
流过负载电阻21的电流I21是FET 32的漏极电流I32和FET 34的漏极电流I34之和，其值根据算式(14)和算式(16)为，
I22＝I32+I34
    ＝i·(1-A1·A2·vin·vgc/2)/2·················(18)
因此，若从正相信号输出端子OUT输出的第2输出信号(例如输出信号电压)vout从vgc＝0时起的变化量设为Δvout，Δvout为，
Δvout＝r·A1·A2·vin·vgc/4····················(19)
若把从反相信号输出端子OUTB输出的第1输出信号(例如输出信号电压)voutb从vgc＝0时起的变化量设为Δvoutb，Δvoutb为
Δvoutb＝-r·A1·A2·vin·vgc/4···················(20)
这样，上述结构的电路作为根据施加给增益可变端子VGC1和VGC2的电压vgc1、vgc2之差vgc而改变增益的增益可变电路而动作。
(实施例1的效果)
根据该实施例1，由信号放大用源极接地电路的FET 35、36和增益可变用差分电路的FET 31～34构成的纵向层叠的2级、和负载电阻21、22构成增益可变电路，所以与以往相比，具有可以削减一个元件数量的效果。并且，在把FET动作所需要的漏—源间电压设为Vds，把施加给负载电阻21、22的电压设为Vr时，所需要的最小电源电压Vmin成为Vmin＝2·Vds+Vr，与以往的增益可变电路相比，具有可以将电源电压降低相当于FET的1级的电源电压的效果。
另外，在该实施例1中，使用由FET 35、36构成的源极接地电路用于信号放大，例如，在施加给反相信号输入端子INB的输入信号电压-vin为固定电压，施加给正相信号输入端子IN的输入信号电压vin为可变电压时，在信号放大用源极接地电路中不进行单平衡转换，所以两个输入信号被限制为差分输入。但是，通常这种增益可变电路上连接有多级放大器，所以该差分输入的限制很少成为问题，与这种不利之处相比，上述的效果相对来说更大。
(实施例2)
图2是表示本发明的实施例2的增益可变电路的电路图，对与表示实施例1的图1中的要素相同的要素赋予相同标号。
在实施例1的图1中说明了利用正电源来动作的增益可变电路，在该实施例2中表示利用负电源来使用时的电路结构。在该实施例2的增益可变电路中，使负载电阻21、22的一方端子连接地GND，使FET 35、36的源极连接负电源端子VSS。并且，对增益可变端子的VGC1和VGC2进行交替切换。在这种电路结构中，也能够获得与实施例1大致相同的作用效果。
(实施例3)
(实施例3的结构)
图3是表示本发明的实施例3的AGC放大器的电路图。
该实施例3表示作为实施例1或2的可变增益电路的应用示例的AGC放大器。该AGC放大器100具有通过隔直流电容器(blocking capacitor)98、99输入差分输入信号的正相信号输入端子IN和反相信号输入端子INB，在该输入端子IN、INB上连接着第一级的实施例1或2的可变增益电路101，在其后级侧连接着多级(例如4级)固定增益的差分放大电路111～114。在最末级的差分放大电路114内设有检测输出的振幅的峰值检测电路，该峰值检测电路的检测信号通过电阻115、116从端子PD1、PD2输出。此处，从连接在差分放大电路114的输出端子上的正相信号输出端子OUT和反相信号输出端子OUTB通过隔直流电容器117、118输出的第3和第4输出信号之差(例如差分输出振幅)、与从端子PD1、PD2输出的检测信号的差分(PD1和PD2之差分)，成比例关系。
从端子PD1、PD2通过电阻115、116和积分电容119、120输出积分值。该积分值通过作为反馈电路的例如2级运算放大电路(以下称为“运算放大器”)130、140被放大。在运算放大器130的输入输出端子之间连接着反馈电阻131，该运算放大器130的输出信号和基准电压Vth通过输入电阻132、133提供给运算放大器140。在运算放大器140的输入输出端子之间连接着反馈电容141，该运算放大器140的输出信号通过输出电阻142反馈输入给增益可变电路101的增益可变端子VGC1。增益可变电路101的增益可变端子VGC2上被施加了固定的恒压。
(实施例3的动作)
当差分输入信号通过隔直流电容器98、99输入到输入端子IN、INB时，该差分输入信号被放大了电路增益(增益可变电路101的增益和其后级的差分放大电路111～114的增益)的量，差分输出信号从输出端子OUT、OUTB通过隔直流电容器117、118输出。此处，在电路增益为固定值时，若差分输入信号的振幅变化，则差分输出信号的振幅也变化。
在AGC放大器100的情况下，当差分输入信号变大，从端子PD1和PD2输出的差分输出振幅的检测值的差分变大时，增益可变端子VGC1的电压增加，通过降低增益可变电路101的增益，使电路增益减小。相反，在差分输出振幅小时，增益可变端子VGC1的电压减小，进行动作以便增大电路增益。这样，增益相对于差分输入振幅的变化而变化，以使差分输出振幅恒定。
(实施例3的效果)
根据该实施例3的AGC放大器100，由于在第一级设置了实施例1或2的增益可变电路101，所以能够降低施加给电源端子VD的、AGC放大器整体的电源电压。因此，在利用集成电路等形成AGC放大器100时，可以实现基于低电压动作的低功耗，可以实现基于元件数量削减的电路的小型化。
另外，本发明不限于上述实施例1～3，可以实现各种变形及利用方式。作为该变形和利用方式，例如有下面的(1)～(3)所示情况。
(1)在图1、图2中，使用FET构成增益可变电路，但即使使用双极晶体管等其他晶体管来构成增益可变电路，也能够获得与上述实施例大致相同的作用效果。例如，在利用双极晶体管构成图1、图2所示的增益可变电路时，也可以取代由FET 35、36构成的信号放大用源极接地电路，而设置发射极接地电路等。
(2)在图1、图2的增益可变电路中，也可以设置负载晶体管等来取代负载电阻21、22。
(3)图1、图2的增益可变电路也可以实现除了图3所示的AGC放大器之外的各种使用例(应用例)。

Claims (5)

1.一种增益可变电路，其特征在于，该增益可变电路具有：
第1负载单元，其连接在第1电源电压节点与输出第1输出信号的第1输出端子之间；
第2负载单元，其连接在所述第1电源电压节点与输出与所述第1输出信号反相的第2输出信号的第2输出端子之间；
第1差分电路，其连接在所述第1和第2输出端子与第1节点之间，根据互补的第1与第2增益可变信号之差，改变所述第1和第2输出信号的增益；
第2差分电路，其连接在所述第1和第2输出端子与第2节点之间，根据所述第1与第2增益可变信号之差，改变所述第1和第2输出信号的增益；以及
放大电路，其连接在所述第1和第2节点与第2电源电压节点之间，根据互补的第1与第2输入信号之差，将所述第1和第2输出信号放大。
2.根据权利要求1所述的增益可变电路，其特征在于，所述第1差分电路包括：
第1晶体管，该第1晶体管连接在所述第1输出端子与所述第1节点之间，其导通状态被利用所述第1增益可变信号来控制；和
第2晶体管，该第2晶体管连接在所述第2输出端子与所述第1节点之间，其导通状态被利用所述第2增益可变信号来控制，
所述第2差分电路包括：
第3晶体管，该第3晶体管连接在所述第1输出端子与所述第2节点之间，其导通状态被利用所述第2增益可变信号来控制；和
第4晶体管，该第4晶体管连接在所述第2输出端子与所述第2节点之间，其导通状态被利用所述第1增益可变信号来控制。
3.根据权利要求1或2所述的增益可变电路，其特征在于，所述放大电路包括：
第5晶体管，该第5晶体管连接在所述第1节点与所述第2电源电压节点之间，其导通状态被利用所述第1输入信号来控制；和
第6晶体管，该第6晶体管连接在所述第2节点与所述第2电源电压节点之间，其导通状态被利用所述第2输入信号来控制。
4.根据权利要求3所述的增益可变电路，其特征在于，
所述第1和第2负载单元具有相同的电阻值，
所述第1、第2、第3和第4晶体管具有相同的晶体管特性，
所述第5和第6晶体管具有相同的晶体管特性。
5.一种自动增益控制放大器，其特征在于，该自动增益控制放大器具有：
权利要求1～4中任一项所述的增益可变电路；
1级或多级的差分放大电路，所述1级或多级的差分放大电路对所述增益可变电路的所述第1和第2输出信号进行差分放大，输出互补的第3和第4输出信号；以及
反馈电路，其将所述第3和第4输出信号的变动量作为所述第1和第2增益可变信号，反馈输入给所述增益可变电路。
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