專利名稱：具有有限輸出動態(tài)范圍的高增益放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種放大器，包括以差分對方式連接的第一和第二晶體管，每個晶體管具有偏置端，與電流源相連的基準端，和通過電阻支路與提供端相連的傳輸端，第一和第二晶體管的偏置端和傳輸端分別形成差分輸入和輸出，用于分別接收和提供輸入電壓和輸出電壓，所述電壓的交流分量之間的比值確定放大器的增益。
這種放大器通常稱為差分放大器，目前被廣泛地用于集成電路工業(yè)中。在Messrs.Gray和Meyer合寫的題為“模擬集成電路的分析和設(shè)計”中描述了這種放大器。這種差分放大器的增益和輸出電壓的最大幅度都與電阻支路的阻抗值和稱為偏置電流的電流源提供的電流值之間的乘積成正比。在某些應(yīng)用中，對無線信號進行接收和處理是非常重要的，其中可以影響處理信號的任何形式的噪聲都必須減小，放大器具有放大正弦輸入信號和將該信號變?yōu)榉讲ㄝ敵鲂盘柕墓δ堋＿@種變換可以避免在輸出電壓中產(chǎn)生附加的噪聲分量，該噪聲分量是與輸入電壓的瞬時值相關(guān)的。這種變換還需要具有很高的增益，因此輸出電壓具有很陡的邊沿，它們所代表的過渡過程也是由時間確定的。通過選擇大阻抗值的電阻支路可以達到上述目的。然而這樣做的主要缺點是輸出電壓的最大幅度急劇上升，這將引起接收所述電壓的電路飽和，影響具有該放大器的系統(tǒng)的工作，這是不允許的。
本發(fā)明的目的是最大限度地克服這一缺點。本發(fā)明的放大器其增益和輸出電壓幅度的最大值都是可以相互獨立地控制的。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種放大器，包括以差分對方式連接的第一和第二晶體管，每個晶體管具有偏置端，與電流源相連的基準端，和通過電阻支路與提供端相連的傳輸端，第一和第二晶體管的偏置端和傳輸端分別形成差分輸入和輸出，用于分別接收和提供輸入電壓和輸出電壓，所述電壓的交流分量之間的比值確定放大器的增益，其特征在于第一和第二晶體管的每條電阻支路在串聯(lián)的第一和第二電阻元件之間至少有一個中間端，每條電阻支路具有第一元件，當與之相連的晶體管導(dǎo)通時，該第一元件使得由中間端的電位控制的導(dǎo)通電流流經(jīng)該晶體管，以及具有第二元件，當所述另一晶體管導(dǎo)通時，該第二元件使得導(dǎo)通電流流經(jīng)差分對的另一晶體管。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種無線電話裝置，包括能夠接收調(diào)頻無線信號的天線和濾波器系統(tǒng)，包括至少一個振蕩器和一個混頻器的選擇模塊，該選擇模塊選擇所述無線信號，并傳送代表所述無線信號的輸出信號，其頻率已變?yōu)橹蓄l，根據(jù)選擇模塊的輸出信號恢復(fù)一個經(jīng)解調(diào)的音頻信號的解調(diào)器，所述裝置的特征在于包括一個插入解調(diào)器前方的如上所述的放大器。
從以下結(jié)合附圖所作的描述中，可以更清楚地了解本發(fā)明的這些方面。附圖中

圖1是表示現(xiàn)有技術(shù)的差分放大器的電路結(jié)構(gòu)；圖2是表示本發(fā)明的最佳實施例的差分放大器的電路結(jié)構(gòu)；以及圖3是說明采用了本發(fā)明的放大器的無線電話裝置。
圖1是表示現(xiàn)有技術(shù)的差分放大器的電路結(jié)構(gòu)。該放大器包括以差分對方式連接的第一和第二晶體管Q1和Q2。晶體管Q1和Q2在本實施例中是雙極型晶體管。每個晶體管Q1或Q2具有由基極形成的偏置端，由發(fā)射級形成的基準端，基準端與提供偏置電流Ic的電流源相連，以及由集電極形成的傳輸端，傳輸端通過由電阻Rc形成的電阻支路與電源端VCC相連。第一和第二晶體管Q1和Q2的偏置端和傳輸端分別形成差分輸入和輸出，用于分別接收和提供輸入電壓Vin和輸出電壓Vout，所述電壓之間的比值Vout/Vin確定放大器的增益G。
已知在平衡狀態(tài)下，當考慮第一種近似時，構(gòu)成差分放大器的元件都是理想的，那么放大器的增益G可以表示為G=q.Rc.Ic/(2.k.T)，其中q是電荷，k是波耳茲曼常數(shù)，T是絕對溫度。此外，已知輸出電壓的最大幅度Voutmax可寫作Voutmax=Rc.Ic?？梢钥吹?，放大器的增益G和輸出電壓的最大幅度Voutmax都與電阻Rc和偏置電流Ic之間的乘積成正比。如果想要將正弦輸入電壓Vin變成方波輸出電壓Vout，那么放大器的增益G的值就非常大，這就是說，乘積Rc.IC就非常大。為了不造成過大的電流損耗，通常是將電阻Rc的值增加，而不是增大偏置電流Ic。雖然乘積Rc.IC增大使得增益G也增大，但是這使得輸出電壓的最大幅度Voutmax也增大。輸出電壓Vout往往被用于放大器下方的一個或幾個電路。這些電路對輸出電壓的最大值有限制。這就是說，如果這些電路中的一個電路的輸入電壓超過最大值，構(gòu)成該電路的元件將進入飽和狀態(tài)，使得被處理的信號失真。根據(jù)上述方法，增益G增加就會使輸出電壓的最大幅度Voutmax超過允許值，影響采用該放大器的整個系統(tǒng)的操作。如果輸出電壓的最大幅度Voutmax固定在150毫伏，這是某些雙極型晶體管技術(shù)目前達到的值，放大器的增益G必須限制在2.9，這一值不足以正確地實現(xiàn)所尋求的變換功能。
圖2表示根據(jù)本發(fā)明的放大器LA。為了便于理解，本發(fā)明的放大器和上述差分放大器共有的元件標以相同的參考號。在放大器LA中，第一和第二晶體管Q1和Q2的電阻支路中的每條都由串聯(lián)的第一和第二電阻R1和R2形成。因此，這些電阻支路分別具有在第一和第二電阻R1和R2之間的第一和第二中間端A和B。放大器LA進一步括第三晶體管T11，它的主電流通路插在第一晶體管Q1和與之相關(guān)的電阻支路之間，第四晶體管T12，它的主電流通路插在第二晶體管Q2和與之相關(guān)的電阻支路之間，第三和第四晶體管T11和T12的偏置端分別與第一和第二中間端A和B相連。還包括第一二極管T21以正向方式連接在第三和第二晶體管T11和Q2的傳輸端之間，第二二極管T22以正向方式連接在第四和第一晶體管T12和Q1的傳輸端之間。
在上述實施例中，第一和第二二極管T21和T22中的每一個是由偏置端與傳輸端相連的晶體管形成的。
根據(jù)差分放大器的增益公式，放大器LA的增益G可以表示為G=q.Ic.(R1+R2)/2.k.T，電阻支路Rc由串聯(lián)的第一和第二電阻R1和R2形成。在嚴重的非平衡狀態(tài)下，這就是說，當輸入電壓Vin的絕對值大時，差分對的第一和第二晶體管Q1和Q2的一個導(dǎo)通。如果假定輸入電壓Vin為正，那么第一晶體管Q1將導(dǎo)通，一部分電流I1流經(jīng)第三晶體管T11和電阻支路R1、R2，另一部分電流I2流經(jīng)第四晶體管T12的電阻支路R1、R2，然后流過第二二極管T22。這樣可寫作I1.R1+Vbe(T11)=I2.(R1+R2)+Vbe(T22)，其中Vbe(Tii)代表晶體管Tii的基極-發(fā)射級電壓。當電流I1和I2的值不對稱時，流經(jīng)第三晶體管T11的電流I1大于流經(jīng)二極管T22的電流I2，這是因為第三晶體管T11的基極端的電位高于形成二極管T22的晶體管的基極端的電位。然而，在基極-發(fā)射級電壓中的非對稱影響可以忽略，這是因為與電阻支路中產(chǎn)生的壓降相比，基極-發(fā)射級電壓要低。因此在第一種近似中，可寫作I1.R1=I2.(R1+R2)。另一方面，在當前的假設(shè)下I1+I2=Ic，僅有第一晶體管Q1導(dǎo)通，可以得到I1=Ic.(R1+R2)/(2.R1+R2)和I2=Ic.R1/(2.R1+R2)。輸出電壓的最大幅度Voutmax=(R1+R2)(I1-I2)，也可以寫作Voutmax=Tc.R2.(R1+R2)(2.R1+R2)。放大器的增益G和輸出電壓的最大幅度Voutmax作為第一和第二電阻R1和R2的標稱值的函數(shù)。如果第一電阻R1的標稱值大于第二電阻R2的標稱值，那么增益G的值主要地由第一電阻R1的標稱值確定，而輸出電壓的最大幅度Voutmax主要地由第二電阻R2的標稱值確定。
以下例子將有助于更好地了解這種放大器的優(yōu)點如果偏置電流Ic的值是100毫安，這是當前采用的技術(shù)中通常的值，R1=7.5千歐，R2=2.5千歐，k.T/q=26毫伏(在300K時)，根據(jù)上述公式，增益G在19附近時，輸出電壓的最大幅度Voutmax為140毫伏，這足以實現(xiàn)所尋求的變換功能，同時避免了放大器下方連接的電路出現(xiàn)飽和。在已知的差分放大器中，這一增益值將導(dǎo)致輸出電壓的最大幅度Voutmax為1伏，本發(fā)明限制了輸出電壓。
如果結(jié)合圖2所描述的實施例中的晶體管是雙極型晶體管，那么可以代替MOS型晶體管，它們的柵極、漏極和源極分別形成偏置端、傳輸端和基準端。此外，還可以采用除圖2所示的晶體管T11和T12以及二極管T21和T22以外的裝置，來實現(xiàn)由電阻支路的中間端A或B控制的、當相關(guān)的晶體管Q1或Q2導(dǎo)通時流經(jīng)晶體管Q1或Q2的電流，以及當相關(guān)的晶體管Q2或Q1導(dǎo)通時流經(jīng)晶體管Q2或Q1的電流。這些裝置對本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員是已知的，未超出本發(fā)明的范圍。
圖3是說明采用了本發(fā)明的放大器的無線電話裝置。該裝置包括能夠接收調(diào)頻無線信號的天線和濾波器系統(tǒng)AF，選擇模塊TUN，包括對稱器BALUN，用于將來自天線和濾波器系統(tǒng)AF的非對稱信號變成對稱信號，還包括振蕩器VCO和混頻器MX，所述選擇模塊TUN選擇所述無線信號，并傳送代表所述無線信號的輸出信號，其頻率已變?yōu)橹蓄l，解調(diào)器DEM，用于根據(jù)選擇模塊TUN的輸出信號恢復(fù)一個經(jīng)解調(diào)的音頻信號Vdem，以及上述放大器LA插入解調(diào)器DEM的前方。
如上所述，放大器LA增益高，但輸出電壓Vout的最大幅度足夠低，而不使解調(diào)器DEM的輸入級飽和。放大器LA可同時進行對輸入電壓Vin的放大和變換，將正弦輸入電壓Vin變成方波輸出電壓Vout。這一變換能夠避免在輸出電壓Vout中引入與調(diào)制信號的瞬時值有關(guān)的附加的噪聲分量。
權(quán)利要求
1．一種放大器，包括以差分對方式連接的第一和第二晶體管，每個晶體管具有偏置端，與電流源相連的基準端，和通過電阻支路與提供端相連的傳輸端，第一和第二晶體管的偏置端和傳輸端分別形成差分輸入和輸出，用于分別接收和提供輸入電壓和輸出電壓，所述電壓的交流分量之間的比值確定放大器的增益，其特征在于第一和第二晶體管的每條電阻支路在串聯(lián)的第一和第二電阻元件之間至少有一個中間端，每條電阻支路具有第一元件，當與之相連的晶體管導(dǎo)通時，該第一元件使得由中間端的電位控制的導(dǎo)通電流流經(jīng)該晶體管，以及具有第二元件，當所述另一晶體管導(dǎo)通時，該第二元件使得導(dǎo)通電流流經(jīng)差分對的另一晶體管。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的放大器，其特征在于包括第三和第四晶體管，其主電流通路分別插入第一晶體管和與之相連的電阻支路之間以及第二晶體管和與之相連的電阻支路之間，第三和第四晶體管的偏置端分別與第一和第二中間端相連，以及第一和第二二極管以正向方式分別連接在第三和第二晶體管的傳輸端之間以及第四和第一晶體管的傳輸端之間。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的放大器，其特征在于每條電阻支路中，與傳輸端相連的電阻元件比其它電阻元件的電阻值高。
4．根據(jù)權(quán)利要求2的放大器，其特征在于第一和第二二極管中的每一個是由偏置端與傳輸端相連的晶體管形成的。
5．一種無線電話裝置，包括能夠接收調(diào)頻無線信號的天線和濾波器系統(tǒng)，包括至少一個振蕩器和一個混頻器的選擇模塊，該選擇模塊選擇所述無線信號，并傳送代表所述無線信號的輸出信號，其頻率已變?yōu)橹蓄l，解調(diào)器，用于根據(jù)選擇模塊的輸出信號恢復(fù)一個經(jīng)解調(diào)的音頻信號，所述裝置的特征在于包括一個插入解調(diào)器前方的如權(quán)利要求1所述的放大器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包括以差分對方式連接的第一和第二晶體管(Q1,Q2)的放大器。根據(jù)本發(fā)明,在差分對(Q1,Q2)不平衡的情況下,切換電流和分離電阻支路的開關(guān)系統(tǒng)確保流經(jīng)每個電阻支路的導(dǎo)通電流流向?qū)ǖ膬蓚€晶體管(Q1)或(Q2)中的一個。放大器的增益和輸出電壓幅度的最大值可以相互獨立地調(diào)整。本發(fā)明用于將正弦信號變?yōu)榉讲ㄐ盘柕膱龊?特別是用于無線電話中。
文檔編號H03F3/45GK1217607SQ9812360
公開日1999年5月26日 申請日期1998年10月24日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月28日
發(fā)明者T·里格爾斯 申請人:皇家菲利浦電子有限公司