專利名稱：可變增益放大器的制作方法
可變增益放大器在電子電路中，一般的實(shí)踐是，使用可變增益放大器對接收到的輸入信號進(jìn)行放大或衰減，以便例如確保另外的電路元件接收輸入信號的最大值，以使接收到的信號的信噪比最大化。在音頻和射頻接收機(jī)中，典型的是，在其它元件對放大后的輸入信號進(jìn)行進(jìn)一步處理之前，提供可變增益放大器，以接收可變振幅輸入信號。在這樣的電子電路中，通過使用多個(gè)開關(guān)選擇一個(gè)或更多個(gè)輸入電阻器以設(shè)置所需要的增益，來設(shè)置可變增益放大器的增益。將開關(guān)實(shí)現(xiàn)為晶體管。取決于對可變增益放大器的輸入信號，用于實(shí)現(xiàn)開關(guān)的晶體管的阻抗能夠根據(jù)輸入信號而變化，而晶體管的阻抗的這種變化對放大器的整體增益產(chǎn)生影響。由于輸入信號通常為非恒定振幅信號，晶體管的阻抗會(huì)隨輸入信號變化而變化，所以可變增益放大器的性能會(huì)變化。由于晶體管開關(guān)的非線性特性會(huì)變成占主要的，此外會(huì)導(dǎo)致輸出信號的諧波失真，所以當(dāng)需要非常高質(zhì)量的性能時(shí)，特別不期望可變增益放大器在某些情形下的這種非線性特性。因此，將會(huì)有利的是，提供至少減少晶體管開關(guān)的非線性影響的可變增益放大器級。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種可變增益放大器，其包括具有第一輸入端、 輸出端和連接在第一輸入端與輸出端之間的反饋回路的積分器，并聯(lián)在放大器輸入端與積分器的第一輸入端之間的多個(gè)輸入鏈，每個(gè)輸入鏈包括電阻器和第一開關(guān)，以及多個(gè)第二開關(guān)，每個(gè)第二開關(guān)連接在中間節(jié)點(diǎn)與積分器的反饋回路之間，其中，中間節(jié)點(diǎn)在各輸入鏈的電阻器與第一開關(guān)之間，其中，以相對于彼此的縮放因子(scaling factor)對電阻器的阻抗進(jìn)行縮放(scale)，以及以各縮放因子對連接到每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)的第一開關(guān)和第二開關(guān)的導(dǎo)通阻抗進(jìn)行縮放。優(yōu)選地，第一開關(guān)和第二開關(guān)包括晶體管?？赏ㄟ^對晶體管的寬度和長度之一或兩者進(jìn)行縮放，即縮放晶體管的硅面積來對晶體管的導(dǎo)通阻抗進(jìn)行縮放。輸出鏈中的第一開關(guān)的導(dǎo)通阻抗可不等于連接到輸入鏈的相應(yīng)的第二開關(guān)的導(dǎo)通阻抗。換言之，任意一對開關(guān)的絕對值不需要相等。施加到第一輸入鏈中的電阻器和第一開關(guān)及第二開關(guān)的相對于另一輸入鏈的縮放因子可不等于施加到第二輸入鏈中的電阻器和第一開關(guān)及第二開關(guān)的相對于該另一輸入鏈的縮放因子。換言之，縮放因子可根據(jù)需要針對任意一對輸入鏈而變化。在優(yōu)選實(shí)施例中，積分器包括運(yùn)算放大器。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種包括根據(jù)本發(fā)明的第一方面的可變增益放大器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。以下將通過僅僅是非限制性的示例以及參考下述附圖，來描述本發(fā)明的實(shí)施例， 其中

圖1示出繼之以模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的可變增益放大器的簡化示意圖；圖2示出圖1中所示的電路的修改，其中，已將放大器合并到ADC之中；圖3示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的與積分器相結(jié)合的可變增益放大器；以及圖4示出具有被配置為差分放大器的可變增益放大器的本發(fā)明的另一實(shí)施例。圖1示出根據(jù)與無線電接收機(jī)的部分相結(jié)合的已知現(xiàn)有技術(shù)的可變增益放大器的簡化示意圖。可變增益放大器2包括運(yùn)算放大器4，該運(yùn)算放大器4具有連接在運(yùn)算放大器4的反相輸入端與音頻輸入端Vin之間的第一可變電阻器6，以及連接在運(yùn)算放大器4 的輸出端與反相輸入端之間的第二可變電阻器8。可變增益放大器2的輸出端連接到德爾塔-西格瑪模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)核10的輸入端。除了只要ADC 10包括被實(shí)現(xiàn)為另一運(yùn)算放大器的至少一個(gè)積分器12就足夠了之外，模數(shù)轉(zhuǎn)換器10的詳細(xì)構(gòu)造與本發(fā)明的實(shí)施例無關(guān)?，F(xiàn)有技術(shù)中用于如圖1中所示的低功率系統(tǒng)的可接受的良好實(shí)踐是將可變增益級移入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器部分中。圖2中示意性地示出了由此得到的電路，其中，已經(jīng)用單一的運(yùn)算放大積分器16替換了圖1中所示的可變增益級的運(yùn)算放大器4和積分器12。由于增益級現(xiàn)在位于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的反饋系統(tǒng)之內(nèi)，因此與圖1中所示的電路相比，放寬了對增益級的性能要求，以及減少了功耗。此外，圖2中所描繪的是圖1中所示的連接在輸入電壓Vin 與運(yùn)算放大器4、16的反相輸入端之間的可變電阻器6的通常實(shí)現(xiàn)。在這種通常實(shí)現(xiàn)中，提供了多個(gè)并行的“輸入鏈”，這些“輸入鏈”連接在輸入電壓Vin與運(yùn)算放大積分器16的反相輸入端之間。每個(gè)輸入鏈包括電阻器和開關(guān)，開關(guān)通常被實(shí)現(xiàn)為晶體管。輸入鏈中的電阻器的值彼此不同，因此通過借助于關(guān)閉相應(yīng)的一個(gè)開關(guān)或多個(gè)開關(guān)而將輸入鏈中的一個(gè)或更多個(gè)連接到運(yùn)算放大積分器的反相輸入端，能夠使輸入電壓節(jié)點(diǎn)與運(yùn)算放大積分器的反相輸入端之間的輸入阻抗發(fā)生變化。通常，但不是必需的，電阻器的值以整數(shù)縮放因子來變化。例如，在圖2所示的特定布置中，在輸入鏈中的第一輸入鏈中，電阻器18具有阻抗R，下一輸入鏈中的第二電阻器20具有nR的阻抗，其中η為第一縮放因子并且最通常為整數(shù)值， 同時(shí)在第三輸入鏈中的第三電阻器22具有mR的阻抗，其中m為可等于或可不等于η的第二縮放因子。如之前所描述的，開關(guān)對的導(dǎo)通阻抗中的任何變化，例如由晶體管開關(guān)M中的任何非線性所引起的變化，會(huì)對增益級的性能產(chǎn)生影響。由于將增益級合并到圖2中所示的電路中的積分器中，晶體管開關(guān)M內(nèi)的任何非線性對積分器的性能產(chǎn)生影響，對ADC的性能也產(chǎn)生影響。圖3示意性地描繪了解決以上描述的已知現(xiàn)有技術(shù)中的問題的本發(fā)明的實(shí)施例。 圖3中與相關(guān)聯(lián)的輸入鏈和反饋回路一起，僅示出了組合后的運(yùn)算放大積分器116，但是會(huì)很容易想到的是，例如能夠僅僅用圖3中示出的增益級來替換圖2中所示出的相應(yīng)電路元件。在圖3中，每個(gè)輸入鏈也包括電阻器118和相應(yīng)的開關(guān)124，同時(shí)每個(gè)輸入鏈選擇性地并聯(lián)在輸入端Vin與運(yùn)算放大積分器116的反相輸入端之間。與圖2中所示的電路的輸入鏈一樣，在本發(fā)明的實(shí)施例中，每個(gè)輸入鏈中的電阻器118的值相對于彼此而被縮放。例如， 圖3中所示的第一輸入鏈中的電阻器118的值為R，第二輸入鏈中的電阻器的值為nR，第三輸入鏈中的電阻器的值為mR，其中η和m優(yōu)選地為彼此可相等或可不相等的整數(shù)。但是， 在本發(fā)明的實(shí)施例中，也以與阻抗相同的縮放因子，在鏈之間對各輸入鏈中的每個(gè)開關(guān)124 的導(dǎo)通阻抗進(jìn)行縮放。例如，第二輸入鏈中的開關(guān)124的導(dǎo)通阻抗是第一輸入鏈中的開關(guān)的導(dǎo)通阻抗的η倍(η為第一輸入鏈和第二輸入鏈之間的阻抗的縮放因子)，同時(shí)第三輸入鏈中的開關(guān)1 是第一輸入鏈中的開關(guān)的m倍(m為第一輸入鏈與第三輸入鏈之間的阻抗的縮放因子)。例如，可通過改變用于實(shí)現(xiàn)開關(guān)124的晶體管的硅面積，來控制開關(guān)124的導(dǎo)通阻抗。除了每個(gè)輸入鏈中的第一開關(guān)1 的集合之外，在本發(fā)明的實(shí)施例中，還提供了第二開關(guān)126的集合。每個(gè)第二開關(guān)s，連接在電阻器118、第一開關(guān)IM與運(yùn)算放大積分器116的反饋回路之間的各輸入鏈的中間節(jié)點(diǎn)處，使得第二開關(guān)126中的每個(gè)單個(gè)第二開關(guān)連接到相應(yīng)輸入鏈中的中間節(jié)點(diǎn)，同時(shí)第二開關(guān)的另一端連接到反饋回路中的公共點(diǎn)。 與第一開關(guān)1 類似，可將第二開關(guān)實(shí)現(xiàn)為晶體管，其導(dǎo)通阻抗相對于彼此縮放，同時(shí)縮放因子與各輸入鏈的縮放因子相同。例如，連接到第二輸入鏈的第二開關(guān)126所具有的阻抗為連接到第一輸入鏈的第二開關(guān)的阻抗的η倍等。應(yīng)該注意的是，第一開關(guān)和第二開關(guān)的導(dǎo)通阻抗的絕對值可以不同，對于任意給定輸入鏈，相同的僅是縮放因子。例如，對于具有阻抗nR的第二輸入鏈，第一開關(guān)ns的導(dǎo)通阻抗值和第二開關(guān)ns’的導(dǎo)通阻抗值可相等或可不相等，但是，導(dǎo)通阻抗會(huì)是來自具有電阻值R的第一輸入鏈的相應(yīng)開關(guān)的導(dǎo)通阻抗的η 倍?？偸且黄疬x擇與輸入鏈相關(guān)聯(lián)的第一開關(guān)和第二開關(guān)，以便例如若選擇第一輸入鏈，則第一開關(guān)和第二開關(guān)均在導(dǎo)通位置。在操作中，會(huì)選擇第一開關(guān)和第二開關(guān)對中的一個(gè)或更多個(gè)，以便針對期望的增益選擇期望的輸入阻抗。由于不可能使電流吸收到運(yùn)算放大器(理想化的)的輸入端中， 沒有電流從所選擇的第一開關(guān)124中流過，所以所選擇的輸入鏈的中間節(jié)點(diǎn)處的電壓將等于運(yùn)算放大積分器116的反相輸入端處的電壓。所以，使與輸入阻抗成反比的電流通過反饋回路。由于沒有電流從所選擇的第一開關(guān)中通過，由開關(guān)中的非線性所導(dǎo)致的開關(guān)的導(dǎo)通阻抗的任何變化對增益級的增益沒有影響。另外，由于第二開關(guān)1 在反饋回路中，而不是與現(xiàn)有技術(shù)一樣由積分器對非線性進(jìn)行積分，因此由第二開關(guān)126的特性中的非線性所導(dǎo)致的第二開關(guān)126的導(dǎo)通阻抗的任何變化，將僅僅導(dǎo)致對運(yùn)算放大積分器的輸出的某些附加的非線性。圖4中示意性地描繪了本發(fā)明的另一實(shí)施例，其中，可變增益放大器被配置為全差分放大器，以提供作為兩個(gè)輸入值之間的差的函數(shù)的輸出。在這種配置中，積分器216的每個(gè)輸入端連接到可變阻抗輸入端，每個(gè)可變阻抗輸入端包括多個(gè)并行輸入鏈200。對于圖 3中所示的配置，以類似的方式布置每個(gè)輸入鏈，即電阻器218、218’串聯(lián)到第一開關(guān)224、 224’，第一開關(guān)224、224’接著又連接到積分器的一個(gè)相應(yīng)輸入端。各第二開關(guān)226、226’ 連接到每個(gè)輸入鏈上的中間節(jié)點(diǎn)處，各第二開關(guān)226、226’的另一端連接到各反饋回路。在圖4所示的差分配置中，積分器具有+ve輸出和-ve輸出，同時(shí)反饋回路連接到一個(gè)相應(yīng)的輸出端。在所示的配置中，每個(gè)反饋回路包括反饋電容器230、230’，反饋電容器230、230’ 具有連接到相應(yīng)的積分器輸出的第一端子，以及連接到各輸入鏈中的第二開關(guān)226、226’中的每一個(gè)的第二端子。對于連接到積分器的各輸入端的輸入鏈的每個(gè)集合，如以上關(guān)于圖 3所描述的，電阻器R的值和第一開關(guān)及第二開關(guān)的導(dǎo)通阻抗相對于彼此被縮放。
權(quán)利要求
1.一種可變增益放大器，包括積分器，其具有輸入端、輸出端和連接在所述輸入端與所述輸出端之間的反饋回路；多個(gè)輸入鏈，其并聯(lián)在放大器輸入端與所述積分器的所述輸入端之間，每個(gè)輸入鏈包括電阻器和第一開關(guān)；以及多個(gè)第二開關(guān)，每個(gè)第二開關(guān)連接在中間節(jié)點(diǎn)與所述積分器的反饋回路之間，其中，所述中間節(jié)點(diǎn)在各輸入鏈中的所述電阻器與第一開關(guān)之間，其中，以相對于彼此的縮放因子對所述輸入鏈中的所述電阻器的阻抗進(jìn)行縮放，以及以相應(yīng)的縮放因子對連接到每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)的所述第一開關(guān)和第二開關(guān)的導(dǎo)通阻抗進(jìn)行縮放。
2.如權(quán)利要求1所述的可變增益放大器，其中，所述開關(guān)包括晶體管。
3.如權(quán)利要求2所述的可變增益放大器，其中，通過對所述晶體管的寬度和長度之一或兩者進(jìn)行縮放，來對所述晶體管的導(dǎo)通阻抗進(jìn)行縮放。
4.如任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的可變增益放大器，其中，輸出鏈中的第一開關(guān)的導(dǎo)通阻抗不等于連接到所述輸入鏈的相應(yīng)的第二開關(guān)的導(dǎo)通阻抗。
5.如任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的可變增益放大器，其中，施加到第一輸入鏈中的電阻器和第一開關(guān)及第二開關(guān)的相對于另一輸入鏈的縮放因子不等于施加到第二輸入鏈中的電阻器和第一開關(guān)及第二開關(guān)的相對于所述另一輸入鏈的縮放因子。
6.如任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的可變增益放大器，其中，所述積分器包括運(yùn)算放大器。
7.一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的可變增益放大器。
全文摘要
一種可變增益放大器包括積分器，其具有輸入端、輸出端和連接在輸入端與輸出端之間的反饋回路；多個(gè)輸入鏈，其并聯(lián)在放大器輸入端與積分器的輸入端之間，每個(gè)輸入鏈包括電阻器和第一開關(guān)；以及多個(gè)第二開關(guān)，每個(gè)第二開關(guān)連接在中間節(jié)點(diǎn)與積分器的反饋回路之間，其中，中間節(jié)點(diǎn)在各輸入鏈中的電阻器與第一開關(guān)之間，其中，以相對于彼此的縮放因子對輸入鏈中的電阻器的阻抗進(jìn)行縮放，以及以相應(yīng)的縮放因子對連接到每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)的第一開關(guān)和第二開關(guān)的導(dǎo)通阻抗進(jìn)行縮放。
文檔編號H03G1/00GK102217192SQ200980142966
公開日2011年10月12日 申請日期2009年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月31日
發(fā)明者哈希姆·扎雷-侯賽尼 申請人:劍橋硅無線電有限公司