專(zhuān)利名稱(chēng)：組合雙曲正切和雙曲正弦傳遞函數(shù)以消除失真的放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及放大器，具體涉及將雙曲正切傳遞函數(shù)和雙曲正弦傳遞函數(shù)組合以消除失真的放大器。
放大器通常大量用于放大輸入信號(hào)，并提供經(jīng)放大的輸出信號(hào)。放大器通常以差動(dòng)方式工作，差動(dòng)放大器典型的終端應(yīng)用包括射頻(RF)收發(fā)機(jī)、蜂窩式電話、尋呼機(jī)、無(wú)繩電話、濾波器和其它無(wú)線通訊設(shè)備。
差動(dòng)放大器的一個(gè)重要特性是在寬輸入信號(hào)幅度范圍內(nèi)保持線性工作特性。當(dāng)在線性范圍內(nèi)工作時(shí)，差動(dòng)放大器輸出的信號(hào)與輸入信號(hào)成比例，該比例值由放大器的增益決定。大部分現(xiàn)有技術(shù)的差動(dòng)放大器只在輸入信號(hào)的窄幅度范圍內(nèi)線性工作，如果放大器工作超出其線性范圍，則輸出信號(hào)易產(chǎn)生非線性失真和噪聲。
提高差動(dòng)放大器線性工作范圍的一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)工藝包括在晶體管差分對(duì)管的發(fā)射極放置負(fù)反饋電阻，不幸的是負(fù)反饋電阻會(huì)降低差動(dòng)放大器的增益并提高噪聲值，這是人們所不希望的。
因此，差動(dòng)放大器需要以高增益、低噪聲值在寬輸入信號(hào)范圍內(nèi)線性工作。


圖1是說(shuō)明將雙曲正切和雙曲正弦傳遞函數(shù)組合的放大器的框圖；圖2是用于說(shuō)明本發(fā)明的曲線波形；圖3是與圖1相應(yīng)的差動(dòng)放大器的簡(jiǎn)參考圖1，所示的放大電路10是適于用傳統(tǒng)集成電路工藝生產(chǎn)的集成電路。輸入信號(hào)VIN被提供給衰減器12和14，衰減器12和14依次提供經(jīng)衰減的輸入信號(hào)V12和V14，因此輸入信號(hào)V12和V14被獨(dú)立衰減。經(jīng)衰減的輸入信號(hào)V12通過(guò)雙曲正切(tanh)放大器16得到處理，放大器16的跨導(dǎo)傳遞函數(shù)在圖2中由波形曲線20表示，該函數(shù)隨著一個(gè)具有線性區(qū)域和非線性區(qū)域的tanh函數(shù)而變化。經(jīng)衰減的輸入信號(hào)V14通過(guò)雙曲正弦(sinh)放大器18得到處理，放大器18的跨導(dǎo)傳遞函數(shù)在圖2中由波形曲線22表示，該函數(shù)隨著一個(gè)具有線性區(qū)域和非線性區(qū)域的sinh函數(shù)變化。雙曲正切放大器16的輸出電流I16和雙曲正弦放大器18的輸出電流I18流入求和節(jié)點(diǎn)26，求和節(jié)點(diǎn)26將放大器16和18的輸出電流進(jìn)行合成或者求和，并提供輸出電流IOUT=I16+I18。
在圖2中，放大電路10的總跨導(dǎo)傳遞函數(shù)作為波形曲線20和波形曲線22的和表示為波形曲線28，波形曲線20的非線性區(qū)域與波形曲線22的非線性區(qū)域抵消。放大電路10合成雙曲正切放大器的輸出和雙曲正弦放大器的輸出，其跨導(dǎo)增益IOUT/VIN在輸入信號(hào)VIN較寬的范圍內(nèi)是線性的，該范圍比單獨(dú)由雙曲正切放大器或雙曲正弦放大器得到的線性范圍要寬。
在替代的實(shí)施例中，只要tanh的非線性區(qū)域與sinh的非線性區(qū)抵消，用其它的方法也能夠完成輸出電流I16和I18的合成。此外，以下的討論希望在某些應(yīng)用中使衰減器12和14可調(diào)。
再看圖3，圖中所示的是詳細(xì)差動(dòng)結(jié)構(gòu)的衰減器12和14以及tanh放大器16和sinh放大器18。1V左右的差動(dòng)輸入信號(hào)加到電阻分壓網(wǎng)絡(luò)30、31、32、33和34上，電阻34兩端的電壓相當(dāng)于衰減電壓V12，跨在電阻32、33和34兩端的電壓相當(dāng)于衰減電壓V14。可以用衰減輸入信號(hào)的其它衰減電路替代電阻分壓網(wǎng)絡(luò)30-34。
放大器16具有雙曲正切跨導(dǎo)傳遞函數(shù)，tanh放大器16包括差動(dòng)晶體管36和38，電流源40以工作在地電位的供電導(dǎo)線42為參考點(diǎn)。晶體管36的集電極耦連至節(jié)點(diǎn)44，晶體管38的集電極耦連至節(jié)點(diǎn)46，節(jié)點(diǎn)44和節(jié)點(diǎn)46是在差動(dòng)放大器10的第一和第二輸出上的合成電路或求和節(jié)點(diǎn)，差動(dòng)放大器10將流入求和節(jié)點(diǎn)的電流進(jìn)行合成。
當(dāng)晶體管36的基極電壓上升而晶體管38的基極電壓下降時(shí)，電流I36增大而電流I38減小。反之，當(dāng)晶體管36的基極電壓下降而晶體管38的基極電壓上升時(shí)，電流I36減小而電流I38增大，電流I36與I38的和保持與電流I40相等。
圖2中波形曲線20所示的tanh放大器16的跨導(dǎo)傳遞函數(shù)可表示為IDIFF1=I40*tanh(VIN/2Vt) (1)式中IDIFF1=I36-I38Vt是晶體管溫度閾值電壓(在25℃時(shí)為25毫伏)電流I40可調(diào)，用于控制波形曲線20的斜率和放大器16的相關(guān)增益。
放大器18具有雙曲正弦跨導(dǎo)傳遞函數(shù)，雙曲正弦放大器18包括晶體管50和52，晶體管50和52的集電極分別耦連至求和節(jié)點(diǎn)44和46。當(dāng)晶體管50的基極電壓上升時(shí)，于節(jié)點(diǎn)54上的晶體管50的發(fā)射極電壓相應(yīng)地上升。晶體管56傳導(dǎo)的電流I58由電流源58決定，當(dāng)節(jié)點(diǎn)54的電壓上升時(shí)，為維持晶體管56的基極-發(fā)射極電壓(Vbe)不變，晶體管56的基極電壓必須上升，使晶體管56連續(xù)傳導(dǎo)電流I58。
當(dāng)晶體管50的基極電壓上升時(shí)，晶體管52的基極電壓下降，節(jié)點(diǎn)64上的晶體管52的發(fā)射極電壓相應(yīng)地下降。晶體管62傳導(dǎo)的電流I70由電流源70決定，當(dāng)節(jié)點(diǎn)64的電壓下降時(shí)，為維持晶體管62的Vbe不變，晶體管62的基極電壓必須下降，從而使晶體管62連續(xù)傳導(dǎo)電流I70。隨著晶體管72的基極電壓上升和晶體管74的基壓電壓下降，晶體管72傳導(dǎo)的電流較小，而晶體管74傳導(dǎo)的電流較大。晶體管50傳導(dǎo)的電流I50等于電流I58加上流經(jīng)晶體管74的電流，晶體管52傳導(dǎo)的電流I52等于電流I70加上流經(jīng)晶體管72的電流。因此，在響應(yīng)差動(dòng)輸入信號(hào)時(shí)電流I50增加，電流I52減小。
當(dāng)晶體管50的基極電壓下降時(shí)，節(jié)點(diǎn)54上的晶體管50的發(fā)射極電壓相應(yīng)地下降。當(dāng)節(jié)點(diǎn)54電壓下降時(shí)，為維持晶體管56的Vbe不變，晶體管56的基極電壓必須下降，使晶體管56連續(xù)傳導(dǎo)電流I58。當(dāng)晶體管50的基極電壓下降時(shí)晶體管52的基極電壓上升，在節(jié)點(diǎn)64上的晶體管52發(fā)射極電壓相應(yīng)上升。當(dāng)節(jié)點(diǎn)64的電壓上升時(shí)，為維持晶體管62的Vbe不變，晶體管62的基極電壓必須上升，使晶體管62連續(xù)傳導(dǎo)電流I70。隨著晶體管72的基極電壓下降和晶體管74的基極電壓上升，晶體管72傳導(dǎo)的電流較大，晶體管74傳導(dǎo)的電流較小。在響應(yīng)差動(dòng)輸入信號(hào)時(shí)，電流I50減小而電流I52增加。
圖2中波形曲線22所示的sinh放大器18的跨導(dǎo)傳遞函數(shù)可表示為IDIFF2=2*I58*sinh(VIN/2Vt) (2)式中IDIFF2=I50-I52,I58等于I70電流I58和I70可調(diào)，以控制波形曲線22的斜率和放大器18的相關(guān)增益。
電流I50和I52分別流入求和節(jié)點(diǎn)44和46，因此輸出電流IOUT1=I36+I50，輸出電流IOUT2=I38+I52，圖1中放大電路10的輸出電流IOUT表示為IOUT=IOUT1-IOUT2，或等效為IOUT=Atanh(B*VIN)+Csinh(D*VIN) (3)=I40*tanh(B*VIN/2Vt)+2*I58*sinh(D*VIN/2Vt) (4)
式中A由I40決定；B由衰減器12決定；C由I58決定；D由衰減器14決定。
參數(shù)A、B、C和D可調(diào)，以使輸入信號(hào)VIN的線性工作區(qū)域達(dá)到最大。在一個(gè)實(shí)施例中，各電流I40、I58和I70被設(shè)置為100μA至1mA之間的值，參數(shù)B的值定為0.5，而參數(shù)D的值定為0.9。通過(guò)將tanh放大器和sinh放大器的運(yùn)算合成并將結(jié)果相加，就可增加輸入信號(hào)的線性工作范圍。
總之，本發(fā)明提供的差動(dòng)放大器包括可各自接收輸入信號(hào)的雙曲正切放大器和雙曲正弦放大器，到達(dá)雙曲正切放大器和雙曲正弦放大器的輸入信號(hào)被獨(dú)立衰減，雙曲正切放大器和雙曲正弦放大器的傳遞函數(shù)各自有其線性區(qū)域和非線性區(qū)域，將雙曲正切放大器和雙曲正弦放大器的輸出求和，就可使雙曲正切放大器的非線性區(qū)域與雙曲正弦放大器的非線性區(qū)域抵消，非線性區(qū)域的抵消使差動(dòng)放大器總傳遞函數(shù)在寬輸入信號(hào)幅度范圍內(nèi)是線性的。
權(quán)利要求
1．一種放大電路，其輸入端用于接收輸入信號(hào)，其輸出端提供輸出信號(hào)，該電路的特征在于包括第一放大器(16)，其具有用來(lái)接收輸入信號(hào)的輸入端，所述第一放大器具有雙曲正切跨導(dǎo)傳遞函數(shù)；第二放大器(18)，其具有用來(lái)接收輸入信號(hào)的輸入端，所述第二放大器具有雙曲正弦跨導(dǎo)傳遞函數(shù)；合成電路(26)，其第一輸入端耦連至第一放大器的輸出端，第二輸入端耦連至第二放大器的輸出端，其輸出端用于提供放大電路的輸出信號(hào)。
2．權(quán)利要求1所述的放大電路，其特征在于還包括第一衰減器(12)，其輸入端接收輸入信號(hào)，輸出端耦連至所述第一放大器的輸入端；第二衰減器(14)，其輸入端接收輸入信號(hào)，輸出端耦連至所述第二放大器的輸入端。
3．一種放大輸入信號(hào)和提供輸出信號(hào)的方法，其特征在于包括以下步驟按照雙曲正切傳遞函數(shù)放大輸入信號(hào)，以提供第一放大信號(hào)；按照雙曲正弦傳遞函數(shù)放大輸入信號(hào)，以提供第二放大信號(hào)；將第一和第二放大的信號(hào)合成，消除由雙曲正切傳遞函數(shù)和雙曲正弦傳遞函數(shù)施加于輸出信號(hào)的失真。
4．權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于還包括在放大步驟之前衰減輸入信號(hào)的步驟。
全文摘要
差動(dòng)放大器接收差動(dòng)輸入信號(hào)，輸入信號(hào)經(jīng)第一衰減器衰減后被提供給雙曲正切放大器，輸入信號(hào)經(jīng)第二衰減器衰減后被提供給雙曲正弦放大器，輸入信號(hào)被雙曲正切放大器和雙曲正弦放大器獨(dú)立衰減。雙曲正切放大器和雙曲正弦放大器的傳遞函數(shù)有各自的線性區(qū)域和非線性區(qū)域。將雙曲正切放大器和雙曲正弦放大器的輸出求和，使雙曲正切放大器與雙曲正弦放大器的非線性區(qū)域抵消，從而使差動(dòng)放大器的總傳遞函數(shù)在寬輸入信號(hào)幅度范圍內(nèi)為線性。
文檔編號(hào)H03F1/32GK1237825SQ99107910
公開(kāi)日1999年12月8日 申請(qǐng)日期1999年6月1日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月1日
發(fā)明者耶蘇·L·菲諾爾, 戴維·K·洛夫萊斯 申請(qǐng)人:摩托羅拉公司