用于数据网络的可编程增益放大器的制作方法

文档序号:7525991阅读:364来源:国知局
专利名称:用于数据网络的可编程增益放大器的制作方法
技术领域
本发明一般而言涉及网络接口技术,更具体地说,涉及一种用来控制在连接到网络媒体的各网站之间所进行的数据传输的系统,以及用来调整输入增益的装置和方法。
背景技术
始终存在着在各计算机之间传输各种不同类型数据地需求。发送这些数据的主要方法包括将数据编码成低频的基本数据信号,并将基本数据信号调制成高频的载波信号。然后使高频的载波信号传输经过网络电缆接口,经由射频(RF)信号、调制照度(modulated illumination)、或其它的网络媒体,到达远程计算机站。
在远程计算机站,必须接收高频的载波信号,并经解调而恢复成原来的基本数据信号。在穿越网络媒体的载波信号不出现任何失真的情况下,接收的载波将与发送载波有相同的相位、振幅、和频率,能够用已知的混频技术解调而恢复基本数据信号。然后可以使用已知的采样算法,将基本数据信号恢复成为数字信号。
然而,由于大量的分支连接而且这些分支有不同的长度,造成发送载波的大量反射,从而使得网络拓扑结构倾向于令高频载波失真。高频载波由邻近电缆媒体的电子装置操作,而由寄生噪声造成进一步的失真。这类问题甚至还出现在使用家庭电话接线电缆作为网络电缆的网络上,因为大量的分支和连接一般设计用来以0.3至3.4千赫兹(KHz)频率传输单纯的明语旧电话服务(POTS)信号,而非设计用来以1百万赫兹或更高频率量级传输高频载波信号。由于使用网络电缆的POTS的挂机(on-hook)和摘机(off-hook)噪声脉冲,由此产生的接通瞬态使得高频载波信号进一步地失真。
高频载波信号的这种频率、振幅、和相位上的失真,使得网络性能退化,并势必会妨碍更高速率网络的设计,为持续改进调制技术和数据恢复技术以改进数据速率的设计者造成困难。举例而言,在家庭电话线网络联盟(HPNA)1.0标准下,使用载波的脉冲位置调制(PPM),可达成1兆位(Mbit)数据速率,而最近的HPNA2.0标准,使用一种复杂的调制方案——其利用频率变化正交调幅(QAM)设计——可达成10兆位数据速率。问题在于,PPM调制载波信号和QAM调制载波信号具有显著的不同功率包络线(power envelope)。
伴随着正在提高的标准和增加的数据速率的另一个问题是,如在HPNA例子中,原来的基本数据信号振幅变化和失真会使得输入模拟信号具有大于模拟-数字转换器的动态范围的振幅,其中该模拟-数字转换器将输入的模拟信号转换成为该输入模拟信号的数字表示。输入的模拟信号亦可具有小于模拟-数字转换器的全动态范围的振幅,导致无法利用模拟-数字转换器的全动态范围或分辨率。
因此,根据公认的减小尺寸和降低成本的产业目的,需要一种用来调整接收器中的放大器的输入增益的装置和方法,该接收器能够使用多种调制技术来接收可能失真的、调制的载波信号。发明概述
本发明提供一种数据连网装置。此数据连网装置具有可变的增益放大器,其具有第一可选阻抗和第二可选阻抗,用于调整该可变增益放大器的增益。该数据连网装置具有模拟-数字转换器,用于将所述可变增益放大器的模拟输出信号转换成为数字信号。该数据连网装置具有数字信号监视电路,用于监视数字信号并提供反馈信号,以根据数字信号而启用所述第一和第二可选阻抗,由此调整可变增益放大器的增益。
依照本发明的另一个方面,揭示了一种控制可变增益放大器的方法。通过模拟-数字转换器而将可变增益放大器的模拟输出信号转换成为数字信号。该方法包括确定模拟-数字转换器的动态范围的一部分,该模拟-数字转换器用来转换可变增益放大器的模拟输出信号。该方法包括提供第一反馈信号至第一可选阻抗,以及提供第二反馈信号至第二可选阻抗,该第一和第二反馈信号调整所述可变增益放大器的增益,以增加由该模拟-数字转换器所使用的动态范围。附图简单说明
参看以下详细说明,并参照附图,本发明的上述和其它特征将变得更为清楚,其中


图1为依照本发明的具有可变增益放大器的模拟前端电路的方框图2为依照本发明的可变增益放大器的代表性电路图3为第一可选阻抗的电路示意图,该第一可选阻抗用于依照本发明的可变增益放大器;
图4为第二可选阻抗的电路示意图,该第二可选阻抗用于依照本发明的可变增益放大器;
图5为可选择电容补偿电路的电路示意图,该可选择电容补偿电路用于依照本发明的可变增益放大器。发明描述
在以下详细说明中,相同组件赋与相同的参考编号,而不论其是否显示于本发明的不同实施例中。为了清楚和简洁说明本发明起见,各附图并不一定按尺寸绘制,且其某些特征可能仅以示意形式显示。
本发明涉及可变增益放大器,该可变增益放大器调节输入模拟电压信号状况,以利用数据连网装置中的模拟-数字(A/D)转换器的全动态范围(即分辨率)。
图1显示连网装置的模拟前端电路10,所连网络例如是1Mbps、10Mbps、100Mbps或其它带宽的家庭电话线网络联盟(HPNA)——或其它标准——的数据网络,该数据网络工作于传统的POTS RJ11电话线12上。模拟前端电路10接收从电话线12来的经由电路14的数据信号,该电路14具有调节数据信号的组件,例如滤波器、变压器、和电涌保护。接收的信号,或输入的模拟电压信号16,由电子混合电路18处理,以执行譬如冲突检测的功能。其次,使输入的信号16通过可变增益放大器(VGA)和滤波器22,以调节输入信号16。经调节的输入信号输入到另一个VGA24,该VGA24放大经过调节的接收到的信号,以用于模拟-数字(A/D)转换器26。输入至VGA24的输入信号在此处将称之为VI,而VGA24的输出,在此处将称之为VO。以下将更详细说明VGA24的操作。A/D转换器26将VGA24的输出,或者说VO,转换成为数字输出DOUT。然后DOUT从A/D转换器26送出至数字输入/输出(I/O)电路28。数字I/O电路28起到模拟前端电路10与后续的连网装置电路之间的接口的作用。
由后续的连网装置电路通过模拟前端电路10接收的数字数据输出信号,由数字I/O电路28所接收。数字数据输出信号由数字-模拟(D/A)转换器30转换成为发送的模拟信号。发送的模拟信号由另一个VGA32来调节。VGA32起到可调整增益发送衰减器的作用,以允许弹性设定模拟前端电路10的发射功率。衰减的信号进一步由滤波器34来调节。经滤波、衰减的发送信号在送到电话线12之前,经由电子混合电路18和电路14而选择性地通过发送开关36。
I/O电路28的一个功能为提供反馈信号至VGA20、VGA24和VGA32。反馈信号由VGA20、VGA24和VGA32用来改变上述这些放大器的增益。
另外参照图2,其显示了VGA24的示意图。VGA24为可编程放大器,以标准CMOS制成。通过改变输入衰减器、或第一可选阻抗44、和连接到反馈阻抗48的第二可选阻抗46,而调整VGA24的增益。如图2中所显示,第一可选阻抗44和第二可选阻抗46为连续电位器,分别具有总电阻值R1和R2。电位器为本发明的一个示范性实施例,而本领域技术人员会认识到,可选阻抗44、46能够以分立的均匀或非均匀抽头式梯型电阻来实施,该梯型电阻由CMOS结构所操纵,如图3和图4中所示,这将在下文中进行更详细的讨论。或可取而代之,阻抗44、46可以用具有等效结果、并处于本发明的范围内构思的其它电阻或开关组件来实施。反馈阻抗48具有固定值,或者说RF。
通过来自数字I/O电路28的反馈,控制第一可选阻抗44和第二可选阻抗46。详言之,数字I/O电路28具有数字监视电路50,其将反馈提供给VGA24。数字监视电路50监视A/D转换器26的数字输出,或者说DOUT。数字监视电路50收集关于DOUT值的信息和统计数据,该DOUT值用来调整提供给VGA24的反馈。所述统计数据和信息包括A/D转换器26的信号输出电平。若A/D转换器26的输出持续处于A/D转换器26的动态范围的上端或与其接近,则VO即可能使A/D转换器26处于饱和状态,数字监视电路50就将提供反馈至VGA24以衰减VI或减少VGA24的电流增益设定。另一方面,若DOUT持续地小于A/D转换器26的全动态范围,则数字监视电路就将提供反馈至VGA24以放大VI而利用A/D转换器26的全动态范围。举例而言,若A/D转换器26的数字输出持续处于A/D转换器的最初的60%动态范围内,则数字监视电路50将提供反馈至VGA24,使得VGA24的增益增加,从而放大提供给A/D转换器26的信号。通过监视DOUT的平均信号值,并确定是否该平均信号处于某个特定时间周期,例如1.0毫秒(ms)至1.0微秒(μs)的某些动态范围内,来采集前述关于DOUT的统计数据和信息。本领域一般技术人员会了解,可使用其它的统计数据和/或信号电平采样方法,且这些方法均应认为处于本发明的范围内。更详细的说明请参见下面的采样增益判定检查表。保守地选择加大增益的因数,从而使得VGA24的增益不在短时间周期内过份增加而导致A/D转换器26饱和。
表一
由数字监视电路50产生的反馈信号亦能够用来协助模拟前端电路10恢复以不同标准进行过调制的信号,该不同标准例如有脉冲位置调制(PPM)和频率变化正交调幅(QAM)。因此,数字I/O电路28设置有调制检测和反馈电路,或称为QAM/PPM Rx GAIN选择电路52(图1)。由该QAM/PPM Rx GAIN选择电路52检测信号调制类型,并产生对应于调制类型(Rx GAIN)的增益反馈信号,以调整VGA24的增益,从而与该调制类型的功率包络线相协调。用于调制类型(Rx GAIN)的增益反馈信号,由数字监视电路50作为一因素而产生反馈信号,用以判定是否使用了A/D转换器26的全部范围。
QAM/PPM Rx GAIN选择电路52从A/D转换器26取得数字采样,或称DOUT,并用希尔伯特变压器(Hilbert transformer)处理数字采样。使用公知技术,希尔伯特变压器从数字采样中分离I信道信号(或称I)和Q信道信号(或称G)。I信道信号和Q信道信号输入到包络线检测器,该包络线检测器使用公知技术计算I2+Q2之和的平方根,并生成代表该平方根的包络线信号。I信道信号和Q信道信号亦耦合到用来恢复QAM调制信号的均衡器和限辐器,而包络线信号则耦合到译码器电路以恢复PPM调制的数据。该包络线信号亦耦合到各QAM自动增益控制(AGC)电路和PPM AGC电路。QAM AGC电路功能为产生QAM增益值(QAM Rx GAIN),而PPM AGC电路功能为产生PPM增益值(PPMRx GAIN)。由增益选择信号所控制的多工器操作以选择QAM RxGAIN和PPM Rx GAIN信号的其中之一。由多工器所选择的增益信号,QAM Rx GAIN或者PPM Rx GAIN,以数字或模拟形式输入到数字监视电路50。包络线信号亦输入到低通滤波器,用来产生滤波的包络线信号,而该滤波的包络线信号依次耦合到载波检测电路,用来检测出现的连续载波(例如QAM载波),并产生上述的增益选择信号以控制多工器。
现继续参照图2,VGA24为电流反馈放大器,具有放大组件,或称运算放大器60。该运算放大器具有第一输入端,或称非反相输入端62,电压VI经由第一可选阻抗44而施加到该第一输入端。运算放大器60具有第二输入端,或称反相输入端64,其经由反馈阻抗48而连接到运算放大器60的输出端66。非反相输入端亦连接到第二可选阻抗46的第一端子68。第二可选阻抗46的第二端子70接地或连接到其它的参考电压。输入至VGA24(或VI)的输入电压连接到第一可选阻抗44的第一端子72。第一可选阻抗44的第二端子74接地或连接到其它的参考电压。第一可选阻抗44的输出端76连接到运算放大器60的非反相输入端62。运算放大器60的输出端66连接到A/D反相器26的输入端。
如上所述,第一可选阻抗44具有总电阻值R1。第一反馈信号(或各信号)控制第一可选阻抗44,而使得在第二端子74和第一可选阻抗44的输出端76之间存在一部分R1。该部分R1,或表示为αR1,代表连接于第二端子74和输出端78之间的阻抗百分比。R1的余额部分,或表示为(1-α)R1,则代表连接于第一端子72和输出端76之间的R1百分比。第二反馈信号(或各信号)控制第二可选阻抗46,而使得反相器输入端64(或称第一端子68)与第二端子70之间存在一部分R2。该部分R2,或表示为βR2,为第一端子68和第二端子70之间的阻抗量。如本领域一般技术人员所知,VGA 24的增益可由下列方程式表示。
VO/VI=α(RF/βR2+1)
现参照图3,更详细说明第一可选阻抗44的实施例。第一可选阻抗44具有梯型电阻80,或者说另一类型的分压器,以及多工器82。该梯型电阻80具有总阻抗值R1,且其由一连串个别的电阻84组成。多工器82选择梯型电阻80连接于第一端子72和输出端76之间的部分,或者说(1-α)R1,由此也就确定了梯型电阻80连接于第二端子74和输出端76之间的部分,或者说αR1。此选择通过将一连串抽头85的其中之一耦合连接至输出端76而成。本领域技术人员应了解到,组成梯型电阻80的一连串个别电阻84并不必具有相同的阻抗值。电阻84的阻抗值可以是相同的、线性相关的、或非线性相关的——例如对数上相关。各个别电阻84的数目及其阻抗值能够调整,而达到几乎所有希望的转换曲线。事实上,个别电阻84的实际值,相比于上述高于和低于第一可选阻抗44的选择抽头85的阻抗百分比,相对不重要。
多工器82由来自数字监视电路50的一个或多个反馈线所控制。该反馈线的形式可以是多工器选择线,或者说是α选择,其用以控制或启动多工器82。对于VGA 24而言,多工器82为可能的误差源。因此,希望避免在多工器82的切换结构两端产生电压降。所以,多工器82的切换结构为一连串的MOS晶体管,其由来自数字监视电路50的α选择反馈线所控制。反馈信号(或称α选择)为数字信号,用以提供VGA 24的数字控制。多工器的NMOS和CMOS实施方案,其中该多工器适用于接收数字选择信号并将一个或多个抽头(或者说输入)多路复用(或者说耦合)至单独一个信号输出,这在本技术方面已是公知的。这种多工器的各示例见于Donald G.Fink和Donald Christiansen所著“电工手册(Electronics Engineers Handbook)”,1989年第三版,第1649~53页,其结合于本说明书以为参考。
现参照图4,第二可选阻抗亦设置有梯型电阻86(该梯型电阻86由一连串个别电阻88、或者说另一种类型的分压器所组成),以及多工器90(其将一连串抽头92的其中之一耦合至第一端子68)。相似于第一可选阻抗44,第二可选阻抗46接收来自数字监视电路50的、其形式为β选择线的反馈,从而确定梯型电阻86连接于第二可选阻抗46的第一端子68和第二端子70之间的部分,或者说是βR2。个别电阻88的各阻抗值可以是相等的、线性相关的或非线性相关的。应了解到数字监视电路50使α选择和β选择反馈信号协调,使得第一可选阻抗44和第二可选阻抗46能够个别地或同时地调整,从而为VGA24提供所需要的增益、衰减或单一增益。用于第一可选阻抗44的相同类型的MOS多工器可以使用于第二可选阻抗46。
值得注意的是,通过使用可由数字监视电路50调整放大器的增益所控制的一对可选阻抗44、46,可以用小数目的在梯型电阻80、86中的个别电阻,而达到高程度的增益控制。可以用微处理器、比较器电路或类似元件来实现数字监视电路。用预定的α和β选择反馈值来配置或编程该数字监视电路,以调整可选阻抗44、46的其中一个或同时调整二个,从而获得VGA24所需要的增益。例如,数字监视电路50可设置有内存,用来储存具有α和β选择反馈值的检查表。
在恒带宽上提供电压信号VI的稳定放大,VGA24的运算放大器60实施为电流反馈放大器,以获得具有闭环增益的恒带宽的益处。可以使用模拟前端电路,从而以不止一个带宽与其它装置通信。须记住,可用耦合到放大器60的可选择补偿电容器网络94(图5)来调整VGA24。运算放大器60设置有补偿节点96(图2),该补偿节点96经由多工器100连接到多个电容器98的其中一个。每个电容器98都具有不同的电容值,该电容值相应于对放大器60的适当补偿,从而提供在可选择恒带宽上的闭环增益。多工器100与用于第一和第二可选阻抗44、46的多工器82、90类型相同。多工器100由补偿选择反馈线(或称之为“comp.select”)所控制,该补偿选择反馈线由在数字监视电路50中的带宽监视器、电子混合电路18或连接到模拟前端电路10的接收侧的分立带宽监视电路的其中之一所控制。可选择补偿电容器网络94和VGA24的可变增益能力,使VGA24得以提供模拟电压信号至A/D转换器26,该A/D转换器26当模拟信号VI振幅变化和当接收的信号的带宽变化时,可使A/D转换器26的动态范围最大化。
虽然已详细说明了本发明的特定实施例,但应了解本发明并不限制于对应实施例中所示的范围,而是包括了在本发明所附权利要求书的精神和范围内的所有的变更、修改和等效。
权利要求
1.一种数据连网装置,包括
可变增益放大器,具有第一可选阻抗和第二可选阻抗,用来调整该可变增益放大器的增益;
模拟-数字转换器,用来将该可变增益放大器的模拟输出信号转换成为数字信号;以及
数字信号监视电路,用来监视该数字信号,并根据该数字信号而提供反馈信号以启用该第一和第二可选阻抗,从而调整该可变增益放大器的增益。
2.如权利要求1的数据连网装置,其中该第一和第二可选阻抗各自具有梯型电阻和多工器,该多工器根据该反馈信号而抽头该梯型电阻。
3.如权利要求2的数据连网装置,其中该多工器以MOS晶体管实施,而该反馈信号是用于启动该多工器的数字选择线。
4.如权利要求1的数据连网装置,其中该可变增益放大器设置有电容补偿电路,用来调整该可变增益放大器的带宽。
5.如权利要求4的数据连网装置,其中该电容补偿电路具有多个电容器,其中一个电容器以该多工器耦合到该可变增益放大器的补偿节点。
6.如权利要求1的数据连网装置,其中该数字信号监视电路监视该数字信号,从而确定该模拟-数字转换器的动态范围百分比,该模拟-数字转换器用来转换该可变增益放大器的该模拟输出信号。
7.如权利要求6的数据连网装置,其中该动态范围百分比为预定时间周期的该数字信号的平均信号值的函数。
8.如权利要求6的数据连网装置,其中信号调制类型由调制检测和反馈电路所确定,该调制检测和反馈电路产生调制类型增益反馈信号,该调制类型增益反馈信号成为该反馈信号的因素,用来启用该第一和第二可选阻抗。
9.如权利要求1的数据连网装置,其中该可变增益放大器为电流反馈运算放大器。
10.如权利要求1的数据连网装置,其中该第一可选阻抗具有梯型电阻和多工器,该梯型电阻具有连接以接收模拟电压信号的第一端子和连接参考电压的第二端子,而该多工器用来将该第一可选阻抗的输出耦合连接到在该梯型电阻上的选择点,该输出连接到放大器组件的第一输入端,该反馈信号启动该多工器以选择连接于该第一端子和该第一放大器输入端之间的该梯型电阻的一部分。
11.如权利要求1的数据连网装置,其中该第二可选阻抗具有梯型电阻和多工器,该梯型电阻具有连接至放大器组件的输入端的第一端子和连接于参考电压的第二端子,而该多工器用来将该第一端子耦合到该梯型电阻上的选择点,该反馈信号启动该多工器以选择连接于该放大器组件的输入端和该参考电压之间的该梯型电阻的一部分。
12.如权利要求11的数据连网装置,其中该放大器组件具有反馈阻抗,连接于该放大器组件的输出和该放大器组件的输入端之间。
13.如权利要求10的数据连网装置,其中该第二可选阻抗具有梯型电阻和多工器,该梯型电阻具有连接至该放大器组件的第二输入端的第一端子和连接于参考电压的第二端子,而该多工器用来将该第一端子耦合到该梯型电阻上的选择点,该反馈信号启动该多工器以选择连接于该放大器组件的第二输入端和该参考电压之间的该梯型电阻的一部分。
14.如权利要求13的数据连网装置,其中该放大器组件具有反馈阻抗,该反馈阻抗连接于该放大器组件的输出端和该放大器组件的第二输入端之间。
15.一种控制可变增益放大器的方法,该可变增益放大器的模拟输出信号通过模拟-数字转换器而转换成为数字信号,所述方法包括下列步骤
确定该模拟-数字转换器的动态范围的一部分,其用于转换该可变增益放大器的模拟输出信号;以及
提供第一反馈信号至第一可选阻抗并提供第二反馈信号至第二可选阻抗,该第一和第二反馈信号调整该可变增益放大器的增益,从而增加由该模拟-数字转换器使用的动态范围。
16.如权利要求15的方法,其中由该模拟-数字转换器使用的动态范围部分为预定时间周期的该数字信号的平均信号值的函数。
17.如权利要求15的方法,进一步包括以下步骤根据该第一反馈信号,选择性地使该可变增益放大器的放大器组件的第一输入端经由梯型电阻的一部分而耦合至输入电压信号。
18.如权利要求15的方法,进一步包括以下步骤根据该第二反馈信号,选择性地使该可变增益放大器的放大器组件的第二输入端经由梯型电阻的一部分而耦合至参考电压。
19.如权利要求17的方法,进一步包括以下步骤根据该第二反馈信号,选择性地使该可变增益放大器的放大器组件的第二输入端经由梯型电阻的一部分而耦合至参考电压。
20.如权利要求15的方法,进一步包括以下步骤确定接收信号的调制类型,产生调制类型增益反馈信号,并使该调制类型增益反馈信号成为该第一和第二反馈信号的因素。
21.如权利要求15的方法,其中该第一和第二反馈信号为数字选择信号,用来控制在该第一和第二可选阻抗中的多工器。
22.如权利要求15的方法,进一步包括以下步骤确定接收信号的带宽,并将反馈信号提供至一连串补偿电容器中一个耦合的补偿电容器,该耦合的补偿电容器连至该可变增益放大器的补偿节点。
全文摘要
一种具有可变增益放大器之数据连网装置,该放大器具有第一可选阻抗和第二可选阻抗,用于调整可变增益放大器的增益。数据连网装置具有模拟-数字转换器,用于将可变增益放大器的模拟输出信号转换成为数字信号。数据连网装置具有数字信号监视电路,用于监视数字信号并供应反馈信号,以操控第一和第二可选阻抗作为数字信号的函数,由此调整可变增益放大器的增益。本发明亦揭示一种控制可变增益放大器的方法。通过模拟-数字转换器而将可变增益放大器的模拟输出信号转换成为数字信号。该方法包括确定模拟-数字转换器的动态范围的一部分,该模拟-数字转换器用来转换可变增益放大器的模拟输出信号。该方法包括提供第一反馈信号至第一可选阻抗,和提供第二反馈信号至第二可选阻抗,该第一和第二反馈信号调整可变增益放大器的增益,以增加由模拟-数字转换器所使用的动态范围。
文档编号H03M1/18GK1436403SQ01811009
公开日2003年8月13日 申请日期2001年2月27日 优先权日2000年6月19日
发明者T·科恩 申请人:先进微装置公司
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