專利名稱：可編程增益放大器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種可編程增益放大器，其利用了MOS(金屬氧化物半導體)晶體管的開關特性和雙極晶體管的轉(zhuǎn)換特性。
圖6是一電路圖，其示出了一種可編程放大器的常用實例，該放大器利用了MOS晶體管的開關特性和雙極晶體管的轉(zhuǎn)換特性，其中各晶體管具有第一至第n(n為大于1的整數(shù))差動放大器E1至En的級聯(lián)連接，其中每個差動放大器具有的電路結構公開在日本專利申請在先公告號139531／96中。
參見圖6，每個差動放大器，例如，第一放大器E1包括一對差動雙極晶體管Q1和Q2，其發(fā)射極共同連接于恒定電流源I1上，一對第一電阻R11，一對第二電阻R12，和一對MOS晶體管M1和M2。每個第一電阻R11和每個第二電阻R12串聯(lián)連接在電源Vcc和每個差動雙極晶體管Q1和Q2的集電極之間。每個MOS晶體管M1和M2并聯(lián)連接于每個第一電阻R11上，并MOS晶體管M1和M2的柵極共同地由第一控制信號CTL1來控制。
當MOS晶體管M1和M2被控制為OFF時，第一差動放大器E1的放大系數(shù)A1可通過下式表示A1=q×I1×(R11+R12)／2kT(1)并且可以通過下式表示A1=q×I1×(R11+R0)／2kT(2)當MOS晶體管M1和M2被控制為ON時，其中q，k，T，I1，R11，R12和R0分別表示電子電荷，伯爾茲曼常數(shù)，絕對溫度，恒定電流源I1的電流值和第一電阻R11、第二電阻R12的阻值，以及MOS晶體管M1或M2接通與第一電阻R11并聯(lián)連接的電阻阻值。
因此，通過由第一控制信號CTL1來控制MOS晶體管M1和M2的ON／OFF，可以改變第一差動放大器的E1的增益或放大系數(shù)A1，同樣地，第二至第n個差動放大器E2至En的每個增益均可通過改變每個相應的第二至第n個控制信號CTL2至CTLn的邏輯電平而進行控制。
由此，圖6的常用可編程增益放大器的總增益A，其可以通過第一至第n個差動放大器E1至En的每個放大系數(shù)相乘而得到，可按照第一至第n個控制信號CTL1至CTLn的邏輯電平而由多級來控制。
然而，由上述的式(2)可以知道，每個差動放大器E1至En的放大系數(shù)是MOS晶體管通路電阻絕對值的函數(shù)，在

圖1的常用可編程增益放大器中，MOS晶體管的通路電阻可通過其擴散處理的變化而很容易地得到，并且其取決于操作溫度。
因此，要獲得多級可編程增益放大器，其增益由足夠精細而線性的步驟以dB(分貝)即按指數(shù)方式來加以控制，是非常困難的。
因此，本發(fā)明的主要目的就是提供一種可編程增益放大器，其具有簡單的電路結構，其中可按照雙極信號的邏輯電平由足夠精細而線性的步驟進行增益控制。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的可編程增益放大器包括許多級聯(lián)連接的差動放大器，其每個具有一對雙極晶體管，所述晶體管發(fā)射極共同連接；和具有輸出端子的電流控制器，用以輸出發(fā)射極電流，其電流均可提供給每個差動放大器的雙極晶體管對的共同連接發(fā)射極，發(fā)射極電流的積可按照一組提供給電流控制器的雙極控制信號的邏輯電平來進行控制。
因此，通過設置一定的發(fā)射極電流以與按照每個雙控制信號的邏輯電平用不同比值相乘，使可編程增益放大器的增益可以在寬的范圍內(nèi)以所需的精確方式進行控制。
例如，通過設置一個發(fā)射極電流以乘以幾何級數(shù)的第2i-1部分，當將雙控制信號的第i個接于HIGH時，增益可以以dB用擬線性步驟進行控制，i為正整數(shù)。
例如，為了實現(xiàn)可用足夠精確的線性度進行控制的該可編程增益放大器，具有電流鏡象電路的電流控制器包括輸入雙極晶體管，其發(fā)射極通過被控制于ON的輸入MOS晶體管而接地，恒定電流流過輸入雙極晶體管；輸出雙極晶體管，每個輸出雙極晶體管具有集電極，其連接于電流控制器的每個輸出端子上，基極，其連接于輸入雙極晶體管的基極上，和發(fā)射極，其通過被控制于ON的MOS晶體管而接地，所述MOS晶體管與輸入MOS晶體管的相關通路電阻可設計為與所述每個輸出雙極晶體管與輸入雙極晶體管的相關發(fā)射極大小成反比；和控制雙極晶體管，每個控制雙極晶體管具有集電極，其連接于電流控制器的輸出端子之一上，基極，其連接于輸入雙級晶體管的基極上，和發(fā)射極，其通過MOS晶體管而接地，所述MOS晶體管與輸入MOS晶體管的相關通路電阻可設計為與所述每個控制雙極晶體管與輸入雙極晶體管的相關發(fā)射極大小成反比，并且所述雙極晶體管按照雙控制信號之一的邏輯電平來進行開關。
因此，每個發(fā)射極電流可得到精確的的控制，因為MOS晶體管的相關通路電阻很少受到其制造工藝的影響，即使其通路電阻本身即絕對值可能會受到影響。
本發(fā)明的上述以及進一步的目的、特征和優(yōu)點將通過下列描述、后續(xù)權利要求以及附圖而更加清楚，其中相同的標號表示相同或相對應的部分。
在附圖中圖1是方框圖，其表示按照本發(fā)明的一個實施例是可編程增益放大器；圖2是局部電路圖，其表示圖1電流控制器的電路圖；圖3是電路圖，其表示按照圖1實施例的可編程增益放大器的具體實例；圖4是一圖表，其表示通過按照圖3電路而制造的可編程增益放大器所獲得的控制信號的相關增益相應邏輯電平的一部分；圖5是一曲線圖，其表示按照控制級由圖3的實例所獲得的增益的線性增加；和圖6是電路圖，其表示可編程增益放大器的常用實例，其利用了MOS晶體管的開關特性和雙極晶體管的轉(zhuǎn)換特性。
現(xiàn)在，將結合實施例詳細地描述本發(fā)明的各實施例。
圖1是一方框圖，其表示按照本發(fā)明實施例的一種可編程增益放大器，其包括級聯(lián)的第一至第n個差動放大器E1至En，和電流控制器100，用以將每個第一至第n個發(fā)射極電流I1至In提供給每個第一至第n個差動放大器E1至En。
對于每個第一至第n個差動放大器E1至En，其第i個差動放大器Ei(i=1，…，n)包括一對差動雙極晶體管Q1i和Q2i，其具有發(fā)射極共同連接于電流控制器100的各輸出端子上，和一對電阻Ri，其具有相同的阻值，每個電阻將每個雙極晶體管Q1i和Q2i的集電極連接于電源Vcc上。
雙極晶體管Q11和Q21對的基極可連接于互補輸入端子IN1和IN2上。每個第i個差動放大器Ei(i=2，…，n)的雙極晶體管Q1i和Q2i對的基極可連接于前一個差動放大器Ei-1的雙極晶體管Q1(i-1)和Q2(i- 1)對的集電極上。第n個差動放大器En的雙極晶體管Q1n和Q2n對的集電極可連接于互補輸出端子OUT1和OUT2上。
如等式(1)和(2)所示，每個差動放大器的放大系數(shù)與提供給每個差動放大器的發(fā)射極電流成正比地變化，因此，增益控制可以通過在圖1的可編程增益放大器中由電流控制器100控制第一至第n個發(fā)射極電流I1至In來實現(xiàn)。
圖2是局部電路圖，其表示圖1電流控制器的電路結構。
參見圖2，電流控制器100包括輸入雙極晶體管Q0，第一至第n個輸出雙極晶體管Q1至Qn，和第一至第m個控制雙極晶體管QC1至Qcm(m為大于1的整數(shù))。
雙極晶體管Q1至Qn和QC1至Qcm的每個發(fā)射極可分別通過每個MOS晶體管M1至Mn和MC1至Mcm而接地GND。
恒定電流I0可提供給輸入雙極晶體管Q0的集電極-基極接點。
第一至第n個輸出雙極晶體管Q1至Qn和第一至第m個控制雙極晶體管QC1至Qcm的基極可連接于輸入雙極晶體管Q0的基極上。
由此，當將每個MOS晶體管M0至Mn和MC1至Mcm控制為ON時，每個第一至第n個輸出雙極晶體管Q1至Qn和第一至第m個控制雙極晶體管QC1至Qcm可起電流鏡象電路的輸出晶體管的作用，其電流與流經(jīng)輸入雙極晶體管Q0的集電極電流成正比。
每個第一至第n個輸出雙極晶體管Q1至Qn的集電極可連接于每個電流控制器100的輸出端子上，用以輸出每個第一至第n個發(fā)射極電流I1至In，以提供給每個第一至第n個差動放大器E1至En，一些輸出端子進一步可連接于第一至第m個控制雙極晶體管QC1至Qcm中的一個或多個集電極上。
連接于輸入晶體管Q0上的MOS晶體管M0至Mn的柵極和第一至第n個輸出雙極晶體管Q1至Qn可連接于電源Vcc上，并且每個MOS晶體管MC1至Mcm的柵極可連接于每個控制端子CTL1至CTLm上。
因此，通過改變提供給控制端子CTL1至CTLm的雙控制信號的邏輯電平值，可以控制各個第一至第n個發(fā)射極電流I1至In，以及第一至第n個發(fā)射極電流I1至In電流值的乘積，其限定了圖1的可編程增益放大器的總增益。
另外，通過將每個MOS晶體管M0至Mn和MC1至Mcm的通路電阻設置為與各個輸入、輸出和控制雙極晶體管Q0至Qn和Qc1至Qcm的相關發(fā)射極大小成反比，與恒定電流I0相關的第一至第n個發(fā)射極電流I1至In的電流值可設置為遠大于圖6常用可編程增益放大器的負載電阻比，因為MOS晶體管的相關通路電阻很少受到其制造工藝的影響，即使其通路電阻本身即絕對值會受到影響。
還有，通過如此來設置MOS晶體管的相關通路電阻，可以降低雙極晶體管的基極-發(fā)射極電壓／集電極電流特性變化的影響。
因此，通過適當?shù)貙⑤斎?、輸出和控制雙極晶體管Q0至Qn和Qc1至Qcm的相關發(fā)射極大小與其各MOS晶體管M0至Mn和MC1至Mcm的相關通路電阻一起進行設置，可以按照本發(fā)明以所需的精度和足夠的精確度獲得可編程增益放大器，其總增益可以以2m級進行控制。
以前，每個電流控制器100的輸出端子對應于每個輸出雙極晶體管，并且每個控制雙極晶體管對應于每個雙控制信號。然而，輸出雙極晶體管和控制雙極晶體管的任何一個均可以通過用一個以上的雙極晶體管來代替，其可以由適當?shù)腗OS晶體管成對地組成，以便獲得所需的發(fā)射極大小。
在下面的段落中，將描述上述實施例的具體實例。
圖3是電路圖，其表示按照圖1實施例的可編程增益放大器的具體實例，其中利用雙極晶體管和MOS晶體管(其具有簡單的尺寸／通路電阻比)以簡單的電路結構實現(xiàn)線性偏差在0．94-1．17之間的在準線性64級的大約24dB(27．3-50．9dB)寬度下的增益控制。
為了實現(xiàn)該控制過程，電流控制器100的發(fā)射極尺寸比率可如此設置，使得第一至第n個發(fā)射極電流I1至In之一可近似乘以幾何級數(shù)的第i部分，即a2i-1(a為常數(shù))，其中提供給第i個控制端子CTLi的第i個雙控制信號為邏輯電平HIGH。
參見圖3，輸入雙極晶體管Q0，第一至第六輸出雙極晶體管Q1至Q6和第一至第六控制雙極晶體管Qc1至Qc62組成電流鏡象電路，其每個借助于每個相關MOS晶體管M0至M6和Mc1至Mc6而接地GND，并且MOS晶體管M0至M6的控制極連接于電源Vcc上，同時MOS晶體管Mc1至Mc6的控制極以與圖2所述連接方式相同的方法連接于各控制端子CTL1至CTL6上。
與輸入雙極晶體管Q0和各MOS晶體管M0的通路電阻相關，第一至第六輸出雙極晶體管Q1至Q6、第一至第六控制雙極晶體管Qc1至Qc62的發(fā)射極尺寸比和其各相關通路電阻比可設置如下，以便產(chǎn)生輸出電流，其列于下表。
因此，限定圖3可編程增益放大器總增益的第一至第六發(fā)射極電流的乘積可通過將雙控制信號分別提供給每個控制端子CTL1至CTL6而相乘如下。
CTL1×42／40CTL2×44／40CTL3×24／20CTL34×26／20CTL5×40／20CTL6×42／10由此，通過由{低，低，低，低，低，低}到{高，高，高，高，高，高}改變雙控制信號的邏輯電平，使圖1的可編程增益放大器的總增益可以由準線性(以dB)64級來控制，如圖4所示。
圖4是圖表，其表示通過按照圖4的電路制造的可編程增益放大器所獲得的雙控制信號的相關增益相應邏輯電平的一部分，圖5是曲線圖，其表示按照控制過程的增益線性增加。
如圖4和5所示，按照實施例，可以采用簡單的電路結構以足夠精確的線性度實現(xiàn)足夠精細的增益控制。
權利要求
1．一種可編程增益放大器，其包括許多級聯(lián)差動放大器，其每個具有一對雙極晶體管，晶體管的發(fā)射極共同連接；和電流控制器，其具有多個輸出端子，用以輸出發(fā)射極電流，每個電流均可提供給每個差動放大器的雙極晶體管的共同連接的發(fā)射極上，發(fā)射極電流的乘積可以按照一組提供給電流控制器的雙控制信號的邏輯電平來進行控制。
2．如權利要求1的可編程增益放大器，其中某個發(fā)射極電流可以按照相應的雙控制信號的邏輯電平而乘以相互不同的比率。
3．如權利要求2的可編程增益放大器，其中發(fā)射極電流之一可近似地乘以幾何級數(shù)的第2i-1部分，其中第i個雙控制信號接到HIGH，i為正整數(shù)。
4．如權利要求1的可編程增益放大器，所述電流控制器具有電流鏡象電路，其包括輸入雙極晶體管，其發(fā)射極通過控制為ON的輸入MOS(金屬氧化物半導體)晶體管而接地，恒定電流流過該輸入雙極晶體管；輸出雙極晶體管，每個輸出雙極晶體管具有集電極，其連接于電流控制器的每個輸出端子上，基極，其連接于輸入雙極晶體管的基極上，和發(fā)射極，其通過控制為ON的MOS晶體管而接地，所述MOS晶體管與輸入MOS晶體管的相關通路電阻可設置為與所述每個輸出雙極晶體管與輸入雙極晶體管的相對發(fā)射極尺寸成反比；和控制雙極晶體管，其每個控制雙極晶體管具有集電極，其連接于電流控制器的輸出端子之一上，基極連接于輸入雙極晶體管的基極上，和發(fā)射極，其通過MOS晶體管而接地，所述MOS晶體管與輸入MOS晶體管的相關通路電阻可設置為與所述每個控制雙極晶體管與輸入雙極晶體管的相關發(fā)射極尺寸成反比，并且所述MOS晶體管可按照雙控制信號之一的邏輯電平來進行開關。
全文摘要
一種可編程增益放大器,采用簡單的電路結構可實現(xiàn)按照控制信號邏輯電平的足夠精度和線性的增益控制,包括:級聯(lián)差動放大器(E
文檔編號H03G1/00GK1204889SQ98102689
公開日1999年1月13日 申請日期1998年6月30日 優(yōu)先權日1997年6月30日
發(fā)明者巖田浩充 申請人:日本電氣株式會社