可编程增益放大器及方法

专利名称：可编程增益放大器及方法
技术领域：
本发明涉及电子电路，且更具体说涉及一种可编程增益放大器及方法。
技术背景在模拟信号处理应用中，例如，在汽车、无线通信或联网应用中，经常需要在可 处理输入模拟信号之前将其放大。放大输入模拟信号为优化处理所必需，且通常涉及 使输入信号通过放大器。可编程增益放大器(PGA)是允许将输入信号增强到经编程优化增益等级的电路。 PGA可以是单级式(用于仅需要粗增益控制的低速应用)或多级式(用于需精控制增 益的高速应用)。然而，高速操作的PGA消耗更大的功率。因而，在PGA中的操作速 度及功率消耗之间存在竞争设计约束。此外，很多电路可能需要放大一个以上模拟输 入信号。这通常通过使用若干专用PGA (每一模拟输入信号一个PGA)来完成。然而， 对更小且更廉价电路封装的需要抑制了为多模拟信号提供高速可编程放大的能力。每 一信道使用一个专用PGA还需要每一个PGA在性能特性上彼此精确地匹配。结果是 非希望地增加了电路组件及(因而)芯片面积以及功率消耗。发明内容本发明的一个实施例可包括一种可编程增益放大器，其包括可操作以依序选择用 于放大的输入信号的输入多路复用器。可基于选择信号从多个输入信号中选择输入信 号。所述可编程增益放大器可包括至少一个可操作以将可变增益量应用至所选定输入 信号的放大器增益级。所述可编程增益放大器可进一步包括控制每一所选定输入信号 的可变增益量的增益映射组件。本发明的另一实施例包括一种多通道可编程增益放大器，其包括可操作以依序在 与第一信道相关联的第一输入信号及与第二信道相关联的第二输入信号之间选择的输 入多路复用器。所述多信道可编程增益放大器可包括至少一个可操作以将可变增益量 应用至所选定输入信号的放大器增益级。所述多信道可编程增益放大器还可包括至少 一个控制多路复用器，其在提供第一增益控制信号(其为第一输入信号设定增益)及 第二增益控制信号(其为第二输入信号设定增益)之间选择。本发明的另一实施例可包括一种放大多个输入信号的方法，其包括基于选择信号 多路复用多个输入信号。选择信号可操作以依序地选择用于放大的输入信号。该方法可还包括将所选定的输入信号移位通过至少一个放大器增益级以向所选定的输入信号 提供所设定的增益量。该方法可进一步包含基于与所选定的输入信号相关联的独立增 益设定于所述至少一个放大器增益级中的每一者处应用增益量。本发明的另一实施例可包括一种用于放大多个输入信号的系统，其包括用于从多 个输入信号中依序地选择用于放大的输入信号的构件。所述系统还可包括用于将所选 定的输入信号移位通过至少一个放大器增益级的构件。-所述系统可进一步包含用于 基于选择对应于所选定输入信号的增益控制信号而变化至少一个放大器增益级的增益 量的构件。


图1图解根据本发明一个方面的可编程增益放大器的方块图。 图2图解根据本发明一个方面的可编程增益放大器的另一方块图。 图3图解根据本发明一个方面的可编程增益放大器的定时图。 图4图解一用于控制根据本发明一个方面的可编程增益放大器中的开关电容器增 益级电路的总线。图5图解根据本发明一个方面的开关电容器增益级电路。 图6图解根据本发明一个方面的开关电容器增益级电路的定时图。 图7图解根据本发明一个方面的可编程增益放大器的另一定时图。 图8图解操作根据本发明一个方面的可编程增益放大器的方法。
具体实施方式
本发明涉及电子电路，且更具体说涉及在可编程增益放大器中放大一个或多个模 拟输入信号。可编程增益放大器可包括可操作以基于选择信号依序地从多个输入信号 中选择用于放大的输入信号的输入多路复用器。所述选择信号在定时间隔循环全部所 述输入信号。可编程增益放大器还可包括至少一个可操作以将可变增益量应用于所选 定输入信号的放大器增益级。可由增益映射组件控制应用于所选定输入信号的可变增 益量以便可将相同或不同的增益量应用于多个输入信号中的每一者上。图1图解根据本发明一个方面的可编程增益放大器系统10。放大器系统10能够 提供N个数量的模拟输入信号12 (在图1中表示为IC1到ICN)的放大。模拟输入信 号12可包括分布于多信道上的单信号、分布于专用信道上的多信号、或可是独立模拟 输入信号。模拟输入信号还可是已经相移键控(PSK)调制的单信号，例如，已通过 二进制相移键控(BPSK)、正交相移键控(QPSK)或任何其他相移键控变化在多个信 道上调制的信号。输入信号12还可是基于所希望应用的单端或差分对。输入信号12被耦合至输入多路复用器14。输入多路复用器14还接收选择信号 SS，其是一个或多个用于控制输入多路复用器14的输入的数字信号。选择信号SS选
择在特定时间从多路复用器14输出N个输入信号12中的哪一者。选择信号SS可是 定时信号、基于系统时钟或定时电路在定时间隔于数个状态之间变换状态或切换。在 这种能力下，选择信号SS可在定时间隔使多路复用器14循环完N个输入信号12中 的每一个。将多路复用器14的输出提供为增益控制器16的输入信号IN。在增益控制器16 处将增益应用至输入信号IN。增益控制器16可包括可操作以放大输入信号IN的单增 益放大级18。或者，增益控制器16可包括数个单独增益放大级18，在每一放大级18 各自将具体增益量施加于输入信号IN。增益控制器16可(例如)连同选择信号SS — 起操作以依序通过增益控制器16以连续的定时间隔使不同的输入信号IN与N个输入 信号12中的每一者交替。因此，在增益控制器16包括大于一个增益放大级18的情况 下，增益控制器16可于每一连续定时间隔排队每一依序选定的输入信号IN通过每一 连续增益放大级18，从而于每一连续间隔具有在其上执行的不同放大操作。在施加一 个或多个放大操作之后，增益控制器16产生输出信号OUT，其担当放大器系统10的 输出。 ， ，放大器系统io通过产生若干金时及控制信号而确定增益控制器16的每一增益^:大级18处所施加的增益。放大器系统10接收(例如)可由定时电路或频率发生器所 产生的系统时钟信号CLK。系统时钟信号CLK将输入驱动到不重叠时钟发生器电路 20。不重叠时钟发生器电路20利用系统时钟喜好CLK产生若干时钟信号PHI，其数 量可在数量上等于输入信号12的数量。或者，时钟信号PHI的数量可少于(例如， 只少2个)输入信号12的数量N，并经采用以导出用于提供系统10的合适定时的其 他时钟信号。时钟信号PHI是不重叠，因为在任何既定时刻发出不多于一个时钟信号 PHI (也就是，逻辑l)。就是说，在发出任何其他时钟信号PHI之前撤消既定时钟信 号PHI(也就是，逻辑0)。不重叠时钟发生器20从系统时钟信号CLK产生时钟信号 PHI，且因而可以系统时钟信号CLK定时时钟信号PHI。不重叠时钟发生器20向控制信号发生器电路24及增益映射电路26两者提供时 钟信号PHI。控制信号发生器电路24接收选择信号SS及时钟信号PHI作为输入。利 用这些输入，控制信号发生器电路24产生一个或多个选择控制信号SCS。可(例如) 由一系列锁存器、触发器或其他开关或状态触发装置执行控制信号发生器电路24的操 作以产生选择控制信号SCS。选择控制信号SCS可包括一个或多个数字信号。控制信 号发生器电路24将选择控制信号SCS输出到增益映射电路26。增益监控电路28接收并监控从增益控制器16输出的输出信号OUT。增益监控电 路28可(例如)通过将既定输出信号OUT的数据点与其所来自的既定输入信号12 相匹配且进一步与施加于相应输入信号IN用于对所述信号进行闭环增益控制的增益 相匹配来监控所述数据。增益监控电路28可包括模拟数字转换器以将模拟输出信号 OUT转换为数字形式。增益监控电路28可进一步包括接口以动态地编程N个输入信号12中的每一者
(其可被彼此独立地编程)的增益。N个输入信号12的增益可(例如)由处理器(未 显示)及/或用户编程。基于从所述处理器及/或用户接收的增益设定命令，增益监控电 路28产生若干增益控制信号30 (在图1中表示为GC1到GCN)，其数量在数量上等 于输入信号12的数量N。如处理器及/或用户于增益监控电路28中所设定，增益控制 信号30可是具有对应于N个输入信号12中每一者所希望的增益设定的值的多位数字 信号。增益监控电路28将增益控制信号30输出到增益映射电路26。增益映射电路26操作以组合从增益监控电路28所接收的增益设定及由不重叠时 钟发生器20所产生的时钟信号PHI以在定时间隔于增益控制器16向输入信号IN提 供定时增益控制。增益映射电路26可包括一个或多个解码器32，其解码数字增益控 制信号30以产生增益控制器16中的每一增益放大级18的单独增益控制值。因而，可 将单独增益值(例如，各种程度的粗或精增量)通信给每一增益放大级18以使每一既 定增益放大级18可于合适的时间间隔将经编程增益施加于既定输入信号IN。增益映 射电路26可包括用于每一数字控制30的单独解码器26，或增益映射电路26可包括 一个解码器32，其中给解码器32选择N个增,益控制信号30中的既定一者供在既定时 间由(例如)多路复用器(未显示)进行解54。增益映射电路26使用选择控制信号SCS来控制增益映射电路26中的一个或多个 多路复用器34。多路复用器34的数量可等于增益控制器16中增益放大级18的数量。 多路复用器34使用选择控制信号SCS而操作以选择对应于N个输入信号12中既定输 入信号的解码器32的既定输出。将根据所选定解码器输出的值执行放大操作。多路复 用器34的输出将因而对应于在既定时间间隔存在于所述增益放大级的输入信号IN的 相应增益放大级18的增益放大值，且对应于N个输入信号12中的所选定的输入信号。一个或多个时钟映射电路36接收多路复用器34的输出。时钟映射电路36的数 量可等于多路复用器34的数量，且因而可等于增益控制器16中增益放大级18的数量。 每一时钟映射电路36使用时钟信号PHI而将相应多路复用器34的输出转换为一组时 钟导出信号或增益时钟信号。每一时钟映射电路将时钟导出信号组织为以时钟信号 PHI定时的具体布置，并在增益时钟总线38上将其输出到增益控制器16中的相应增 益放大级。时钟导出信号的具体布置存在于增益时钟总线38上，其指示在任何既定时 间间隔于每一既定增益放大级18处施加于每一既定输入信号IN的增益量。图2图解根据本发明一个方面的可编程增益放大器系统50的示例。放大器系统 50提供两个单独信道(I_CH及Q—CH)上模拟输入信号的放大。在图2的示例中， 模拟输入信号已经QPSK调制以将所述模拟信号分为两个差分对信号同相信道I—CH 及正交信道Q-CH。应了解，放大器系统50的输入可包括多输入信号，其每一者皆经 单独地PSK调制且其每一者皆分为差分对。输入信号I_CH及Q—CH耦合到输入信号I/Q多路复用器52。在图2的示例中， 输入多路复用器52还接收用于控制输入多路复用器52的输出的选择信号I/Q。选择 信号I/Q选择在既定时间将输入信号I_CH及Q—CH中的哪一者从输入多路复用器52
输出为输入信号IN。在图2的示例中，选择信号I/Q在定时间隔改变状态且具有约为 系统时钟信号CLK (例如，可由定时电路或频率发生器产生)两倍的周期(也就是， 一半的频率)。因而，选择信号I/Q担当定时信号以依序地以定时间隔在大致上每隔一 个时钟信号CLK的上升沿处在输入信号IJ2H及Q—CH中的每一者之间交替输入多路 复用器52的输出。将由选择信号I/Q从输入信号I一CH及Q一CH所选定的输入信号IN从输入多路复 用器52输出到粗增益级54，于此可以大致增量(例如，6dB/步的增量)将增益施加 于输入信号IN。在图2的示例中，粗增益级54是两个放大器增益级中的一者。另一 增益级是精增益级56，于此将较小增益增量(例如，0.375dB/步)施加于从粗增益级 54输出的CGS—OUT信号。应了解，CGS—OUT信号是在既定选择信号I/Q时间间隔 期间已由粗增益级54放大的既定信号IN。粗增益级54及精增益级56可(例如)结合选择信号I/Q操作以在输入信号I—CH 与Q—CH之间交替并在选择信号I/Q的每一连续定时间隔依序使来自其每一者的信号 IN通g粗增益级54及精增益级56两者。因而，选择,号I/Q可依序在分别对应于输 入信4 I_CH及Q_CH的信号IN之间交替，每一信号I'N经受粗增益放大及随后的精 增益放大。在施加精增益放大之后，精增益级56产生输出信号OUT,其用作放大器 系统50的输出。此外在图2的示例中，流水线模拟数字转换器(ADC) 58接收输出 信号OUT。流水线ADC将模拟输出信号OUT转换为数字输出信号DIG—OUT。放大器系统50通过产生若干定时及控制信号而确定于粗增益级54及精增益级56 两者处所施加的增益量。系统时钟信号CLK将输入驱动到不重叠时钟发生器电路60。 在图2的示例中，不重叠时钟发生器电路60利用系统时钟信号CLK产生时钟信号PHI1 及PHI2。时钟信号PHI1及PHI2是不重叠，因为任何既定时刻发出不多于一个的时 钟信号PHI1及PHI2。就是说，在发出其他时钟信号PHI1及PHI2之前将撤消既定时 钟信号PHI1及PHI2。在图2的示例中，不重叠时钟信号发生器电路60从系统时钟信 号CLK产生时钟信号PHI1及PHI2，且因而实质上以系统时钟信号CLK定时时钟信 号PHI1及PHI2。因时钟信号PHI1及PHI2是不重叠且实质上以系统时钟CLK定时， 故应了解，时钟信号PHI1及PHI2相对于彼此异相约180°。图3描绘定时图90，其演示系统时钟信号CLK、不重叠时钟信号PHI1及PHI2 及选择信号I/Q的相对定时。应了解，图3的定时图90是理想定时图，且因而未显示 系统将固有的开关及传播延迟。在定时图90中，除在系统时钟信号CLK的上升沿之 后稍稍延迟发出之外，在大致与系统时钟信号CLK相同的时间发出时钟信号PHIl。 同样地，除在系统时钟信号CLK的下降沿之后稍稍延迟发出之外，在大致与撤消系统 时钟信号CLK相同的时间发出时钟信号PHI2。结果是将时钟信号PHI1及PHI2中 的每一者发出达相对于撤消其的时间更短的持续时间。此相对定时为不重叠时钟信号 PHI1及PHI2所必需，其由虚线92演示。虚线92大致与系统时钟信号CLK的下降沿 成直线，但稍稍在时钟信号PHI1的下降沿之后且稍稍在时钟信号PHI2的上升沿之前。
图3还图解选择信号I/Q大致以时钟信号PHI2的下降沿定时，且其具有约为系统时 钟信号CLK及时钟信号PHI1及PHI2两倍的周期(也就是， 一半的频率)。再参照图2，不重叠时钟发生器60向D触发器62提供时钟信号PHI1且向D触 发器64提供时钟信号PHI2。 D触发器62及64分别地形成控制信号CGS一SEL及 FGS_SEL，其用作CGS控制多路复用器66及FGS控制多路复用器68的控制信号。 应了解，图2中放大器系统50的示例并不受限于使用D触发器来产生控制信号 CGS—SEL及FGS一SEL。其他状态触发数字装置也可用于产生控制信号CGS—SEL及 FGS_SEL。 D触发器62接收选择信号I/Q并锁存其在时钟信号PHI1的上升沿处的当 前状态。D触发器62的输出是控制信号CGS一SEL，其将输入驱动到CGS控制多路复 用器66及D触发器64两者。D触发器64锁存控制信号CGS_SEL在时钟信号PHI2 的上升沿处的状态。D触发器64的输出(其为控制信号FGS—SEL)将输入驱动到FGS 控制多路复用器68。因D触发器62锁存时钟信号PHI1上升沿上的选择信号I/Q，且 因D触发器64锁存时钟信号PHI2上升沿上的D触发器62的输出，应了解，控制信 号CGS_SEL及,FGS—SEL相对于彼此异相约90°，且具有约与选，信号I/Q相同的周 期。与选择信号'I/Q相比，参照图3更佳地演示控制信号CGS—SEL及FGS—SEL的相 对定时。在图2的示例中，增益监控电路70接收并监控从流水线ADC58输出的数字输出 信号DIG—OUT。增益监控电路70可(例如)通过将既定输出信号DIG—OUT的数据 点与其所来自的既定输入信号I—CH及Q_CH相匹配，且进一步与于粗增益级54处施 加至相应输入信号IN或于精增益级56处施加至信号CGS一OUT以用于对所述信号进 行闭环增益控制的增益相匹配来监控所述数据。增益监控电路70可进一步包括接口以动态地编程输入信号I_CH及Q—CH的增益 (其可被动态地且彼此独立地编程)。可(例如)由处理器(未显示)及/或用户编程 输入信号I一CH及Q_CH的增益。增益监控电路70基于从处理器及/或用户接收的增 益设定命令产生增益控制信号Q一GAIN及I_GAIN。如增益监控电路70中由处理器及 /或用户所编程，增益控制信号Q一GAIN及I_GAIN可是具有对应于输入信号I—CH及 Q—CH中每一者的所希望增益设定的值的多位数字信号。增益监控电路70分别地将增 益控制信号Q_GAIN及I_GAIN输出到Q-信道增益解码器72及I-信道增益解码器74。Q-信道增益解码器72接收并(例如)通过使用组合逻辑解码增益控制信号 Q_GAIN以产生粗增益级54及精增益级56用于输入信号Q—CH的单独增益控制值。 Q-信道增益解码器72将此增益控制值输出为增益信号Q_CGS (其传送用于粗增益级 54的增益控制值)及(^FGS (其传送用于精增益级56的增益控制值)。I-信道增益解 码器74接收并(例如)通过使用组合逻辑解码增益控制信号I—GAIN以产生粗增益级 54及精增益级56用于输入信号I—CH的单独增益控制值。I-信道增益解码器74将此 增益控制值输出为增益信号I—CGS (其传送用于粗增益级54的增益控制值)及I—FGS (其传送用于精增益级56的增益控制值)。因此，将单独增益值(例如，各种程度的
粗及精增量)分别地通信给粗增益级54及精增益级56以便所述增益级可各自于由选 择信号I/Q所指示的适当时间间隔将经编程增益量施加于输入信号I_CH或Q一CH。图 2的示例包括用于数字增益控制信号Q_GAIN及I—GAIN中每一者的单独解码器。然 而应了解，解码器及多路复用器的其他组合可用于分开增益控制信号Q一GAIN及 I—GAIN的粗及精增益设定。Q-信道增益解码器72及I-信道增益解码器74分别地将增 益信号Q一CGS及I—CGS输出到CGS控制多路复用器66。类似地，Q-信道增益解码 器72及I-信道增益解码器74分别地将增益信号Q一FGS及I—FGS输出到FGS控制多 工器68。
CGS控制多路复用器66使用控制信号CGS—SEL以在经解码增益信号Q一CGS与 I_CGS之间选择。同样地，FGS控制多路复用器68使用控制信号FGS_SEL以在经解 码增益信号Q—FGS与I—FGS之间选择。CGS及FGS控制多路复用器66及68分别地 将所选定的经解码增益信号CGS_CTRL及FGS—CTRL输出到CGS增益时钟映射电路 76及FGS增益时钟映射电路78。所述所选定的经解码增益信号可是多位数字信号， 其包括在由选择信号I/Q考定的适当时间间隔对应于输入信号I—CH或Q—的粗增 益级54及精增益级56的^编程增益信息。 'CGS增益时钟映射电路76接收从CGS控制多路复用器66输出的CGS一CTRL信 号，且FGS增益时钟映射电路78接收从FGS控制多路复用器68输出的FGS一CTRL 信号。CGS增益时钟映射电路76使用时钟信号PHIl及PHI2将CGS—CTRL信号中的 多位数据转换为时钟导出信号或增益时钟信号阵列。CGS增益时钟映射电路76将所 述阵列的时钟导出信号组织为以时钟信号PHIl及PHI2定时的具体布置，并在CGS 时钟总线80上将其输出到粗增益级54。时钟导出信号的具体布置存在于CGS时钟总 线80上，其指示在任何既定时间间隔于粗增益级54处施加于既定输入信号IN的增益 量。FGS增益时钟映射电路78以类似方式使用时钟信号PHIl及PHI2将FGS_CTRL 信号中的多位数据转换为时钟导出信号阵列。所述FGS增益时钟映射电路将所述阵列 的时钟导出信号组织为以时钟信号PHIl及PHI2定时的具体布置，并在FGS时钟总线 82上将其输出到精增益级56。时钟导出信号的具体布置存在于FGS时钟总线82上， 其指示在任何既定时间间隔于精增益级56处施加于基地输出信号CGS—OUT的增益 里°
图4描绘时钟总线95 (例如，图2中所图解的CGS时钟总线)的示例，其可操 作以将时钟导出信号或增益时钟信号从增益时钟映射电路(例如，如图2中所描绘的 CGS增益时钟映射电路76)传播到增益放大级(例如，粗增益级54)。图4的时钟总 线95包括八个单独信号时钟信号PHI1及PHI2、及时钟导出信号PHI1_CM1、 PHI1_CM2、 PHIl—IN1、 PHIl—IN2、 PHI2_SC1及PHI2—SC2。应了解，如图4中所描 绘，时钟信号PHI1及PHI2不需是与时钟导出信号相同的总线的一部分。如下文将关 于图5进一步论述，此八个信号沿时钟总线95自增益时钟映射电路传播到增益放大级 以便既定增益放大级使用所述信号来控制既定输入信号的放大量。
图5是(例如)本文所述的增益放大器系统100的示例，其接收模拟差分信号IN 并输出经放大模拟差分信号OUT。图5的例示性增益放大器系统100描绘为开关电容 器增益级。然而，应了解，可根据本发明的一方面使用任何类型的可调模拟信号放大 器。增益放大级100接收来自模拟差分输入信号IN的正信号IN+、来自模拟差分输入 信号IN的负信号IN-及与模拟差分输入信号IN的差分信号对相关联的共模电压信号 VCM。由输入级102接收正信号IN+，同时由输入级104接收负信号IN-。由输入级 102及输入级104两者接收共模电压信号VCM。输入级102及104中的每一者还接收一系列时钟导出或增益时钟输入信号 PHI1_CM1、 PHI1—CM2、 PHI1JN1、 PHI1—IN2、 PHI2—SC1及PHI2—SC2例如，如先 前关于图2及图4所述，可从增益时钟映射电路产生并通过时钟总线发送的信号。当 发出时所述时钟导出信号大致与导出其的时钟信号同时发出，以便大致以时钟信号 PHI1定时时钟导出信号PHI1—X，且大致以时钟信号PHI2定时时钟导出信号PHI2—X。 举例而言，当增益时钟映射电路决定发出时钟导出信号PHI1_IN1以实现在某一增益 级的某一增益时，PHI1—INl将大致与,时钟信号PHIl同时。在图5的示例中，每一时钟导出k入信号捧作以打开及关闭输入级102及104中 所包括的开关阵列中的既定开关。在图5的示例中，时钟导出信号PHI1JZM1操作开 关106，时钟导出信号PHI1JN1操作开关108，且时钟导出信号PHI2—SC1操作开关 110。同样的，时钟导出信号PHI1—CM2操作开关112，时钟导出信号PHI1JN2操作 开关114，且时钟导出信号PHI2—SC2操作开关116。开关106、 108、 110、 112、 114 及116可以是常开或常关开关，以使当发出控制既定开关的既定时钟导出信号时可打 开或关闭所述既定开关。在图5的示例中，当发出各自时钟导出信号时所有开关106、 108、 110、 112、 114及116被关闭。应进一步了解，在图5的示例中，输入级102及 输入级104是彼此的镜像。因此，相同编号用于描述由相同时钟导出信号操纵的开关。 举例而言，当发出时时钟导出信号PHI1—CM1关闭输入级102中的开关106及输入级 104中的开关106。增益放大级100包括四个输入电容器(Cl、 C2、 C3及C4)。电容器C1及C2电 耦合输入级102中的开关阵列，同时电容器C3及C4电耦合输入级104中的开关阵列。 应了解，在图5的示例中，电容器C1、 C2、 C3及C4的电容值是全部相同的。然而， 电容器C1、 C2、 C3及C4的电容值不需要一致，且电容器的数量不需限于四个。可 将具有相应开关的更少或附加组电容器添加到输入级102及104或从输入级102及104 减去以实现对增益放大级100的输出的不同增益。开关118电耦合输入级102中的电容器Cl及C2的相反端子，且开关120电耦合 输入级104中的电容器C3及C4D的相反端子。开关118及120操作以当发出时钟信 号PHI1时将每一电容器的相反端子连接到共模电压源VCM。时钟信号PHI1可来自传 播时钟导出输入信号的时钟总线，或器可来自另一源。当撤消时钟信号PHI1时，开 关118及120是打开的。在图5的示例中，增益放大级100从时钟总线(例如，图2的CGS时钟总线80) 接收时钟导出信号PHI1—CM1、 PHI1—CM2、 PHI1—IN1、 PHI1JN2、 PHI2—SC1及 PHI2一SC2。所述时钟导出信号被布置为一种组合以相对于开关118及120控制开关 106、 108、 110、 112、 114及116以相对于共模电压VCM将电荷供应到各个电容器 Cl、 C2、 C3及C4中的每一者上。举例而言，因大致以时钟信号PHIl定时时钟导出 信号PHI1—IN1，故当发出时钟导出信号PHI1—IN1时将大致同时闭合开关108及开关 118两者。此导致电容器Cl通过在开关108及118都闭合的情况下收集等于 C气(IN+)-(VCM))的电荷而取样正模拟输入信号IN+。同样地，电容器C4将通过在开 关108及120都打开的情况下收集等于C"(IN-)-(VCM))的电荷而取样负模拟输入信 号。当分别地同时关闭开关114、 118及120时分别对电容器C2及C3而言结果将是 相同的。由增益放大级IOO所实现的增益量取决于电容器CI、 C2、 C3及C4上的电荷组 合。此电荷组合取决于(例如)由图2的CGS增益时钟映射电路80供应到增益放大 级100的时钟导出输入信号的组合。因而，如果,容器C1及C4上的电荷不是想要的， 则CGS增益时钟映射电路80发出时钟导出信号'PHI1—CM1代替PHI1—IN1。因为大致 一起定时时钟导出信号PHI1_CM1及时钟信号PHIl，故时钟导出信号PHI1—CM1将 同开关118及120同时关闭开关106。因而，代替电容器Cl及C4分别地接收 C承((IN+)-(VCM))及C气(IN-)-(VCM))的电荷，由于开关108、 118及120的闭合，电容 器Cl及C4于其各自板上都电连接到共模电压源VCM并作为开关106、 118及120 闭合的结果接收C*((VCM)-(VCM))=0的电荷。应了解，尽管都大致定时于时钟导出信号PHIl，但PHI1—IN1及PHI1—CM1的信 号对被彼此互不相交地发出。作为发出信号PHI1—IN1及PHILCM1两者的结果，开 关106及108两者的同时关闭将导致正模拟输入信号IN+与共模电压源VCM之间的 短路。应进一步了解，基于通过发出信号PHI1—IN1及PHI1一CM1操作开关106及108 而将电荷供应到电容器Cl及C4上的上述作业还基于通过发出信号PHI1JN2及 PHI1—CM2操作开关112及114而施加于电容器C2及C3。因而，在图5的示例中，增益放大级100可具有四种可能的电容器C1、 C2、 C3 及C4上的电荷的组合。在第一种可能组合中，电容器Cl及C2上的电荷= C*((IN+)-(VCM))，且电容器C3及C4上的电荷=C*((IN-)-(VCM))。在第二种可能组 合中，电容器Cl上的电荷=C*((IN+HVCM))，电容器C4上的电荷= C承((IN-)-(VCM))，且电容器C2及C3上的电荷=C*((VCM)-(VCM)) = 0。在第三种可 能组合中，电容器C2上的电荷=C*((IN+)-(VCM))，电容器C3上的电荷= C*((IN-)-(VCM))，且电容器C1及C4上的电荷=C*((VCM)-(VCM)) = 0。在第四种最 后可能组合中，电容器C1、 C2、 C3及C4上的电荷=C*((VCM)-(VCM)) = 0。当增益放大级100完成将模拟输入信号IN收集到电容器Cl、 C2、 C3及C4的组 合上的取样阶段时，其然后在保持阶段期间将模拟输入电荷从输入级102及104转移
到输出级122。输出级122包括运算放大器(OP AMP)124。输入级102耦合到OP AMP 的正输入，且输入级104耦合到OP AMP的负输入。开关126及电容器Cfl耦合于 OP AMP 124的正输入与负输出之间。开关128及电容器Cf2耦合于OPAMP124的负 输入与正输出之间。当发出时钟信号PHI2时，开关126及128操作以电连接电容器 CI及C2与电容器Cfl ，且电连接电容器C3及C4与电容器Cf2。因大致以时钟信号PHI2定时时钟导出信号PHI2_SC1及PHI2_SC2，故将大致同 时闭合开关IIO、 116、 126及128。当开关110闭合时，电容器C1及C2的负端子一 起短路，因而将其从共模电压VCM及正模拟输入IN+断开。同样地，当开关116闭 合时，电容器C3及C4的负端子一起短路，因而将其从共模电压VCM及负模拟输入 IN-断开。当开关110、 116、 126及128闭合时，开关118及120将打开，因而将共模 电压源VCM从输入电容器Cl、 C2、 C3及C4的正端子断开，且从输出电容器Cfl 及Cf2的负端子断开。因此，当开关110、 116、 126及128大致同时闭合时，收集于 电容器Cl及C2上的组合电荷转移到电容器Cfl，且收集于电容器C3及C4上的组合 电荷转辯到电容器Cf2上。在时钟信号PHI2的下降沿(辨持阶段的末端)(刚好在开 关126 i 128打开之前)实现差分模拟输出信号OUT+及c!uT-相对于差分模拟输入信 号IN+及IN-的增益放大级100的全增益。因而如下表示在保持阶段的末端所提供的增 显增益1234=2C/Cf. 方程式1增益12=增益34=C/Cf. 方程式2方程式1及2中的下标对应于在取样阶段期间通过发出时钟导出信号PHI1—IN1 及PHI1JN2已取样模拟输入IN+及IN-的电容器的编号。应了解，方程式1及2假定 电容器C1、 C2、 C3及C4相对于彼此的相同电容值("C")，且进一步假定电容器Cfl 及Cf2相对于彼此的相同电容值("Cf")。以相对于彼此的类似方式平行添加到两个 输入级102及104的附加电容器因而将产生从C/Cf到nC/Cf的电容范围(增量为"C")， 其中，"n"等于输入级102及104的每一者中的平行电容器(全部具有相同电容值) 的数量。应进一步了解，为确定以分贝为单位的增益，人们仅需要将所计算增益的对 数值乘以20，以使(从方程式1及2算出)增益1234(dB)=201og(2C/Cf). 方程式3增益u(dB)-增益34(dB)=201og(C/Cf). 方程式4如先前所述，增益放大级100是图2中所描绘的粗增益级54的示例。如图2中 所描绘，精增益级56也可在有显著例外的情况下合适地由图5中的增益放大级100 的示例表示。为实现更小增益增量(以0.375dB的精增量代替诸如6dB的粗增量)， 可选择电容器C1、 C2、 C3及C4、及电容器Cfl及Cf2的电容值。此外，进一步对于 图2的示例来说，用于精增益级56相对于粗增益级54的时钟导出信号可彼此异相约 180°。具体来说，用于精增益级56的时钟导出信号(其可控制用于将电荷取样到输入 级102及104中的电容器上的开关)可大致以时钟信号PHI2定时，而非如先前关于 图5的粗增益级示例所述的时钟信号PHI1。因此，当发出时钟信号PHIl时，粗增益 级54可取样，同时保持精增益级56。同样的，当发出时钟信号PHI2时，可保持粗增 益级54，同时精增益级56取样。图6描绘定时图150，其显示粗增益级54与精增益级56之间的定时关系。在图 6中，首先发出从时钟信号PHI1导出的增益时钟信号(PHI1导出时钟信号)，例如， PHI1JN1、 PHI1—IN2、 PHI1—CM1及PHI1—CM2。当在上升沿152发出PHI1导出时 钟信号时，图5图解粗增益级(CGS)处于取样阶段，且因而正将电荷收集于输入级 中所包括的电容器上。同时，精增益级(FGS)处于保持阶段，且因而正将电荷从输 入级中所包括的电容器转移到输出级中所包括的电容器。因而，在PHI1导出时钟信 号的下降沿154处，FGS保持阶段结束且在精增益级的输出处实现全增益。当已完全 撤消PHI1导出时钟信号时，在上升沿156处发出从PHI2导出的增益时钟信号(PHI2 导出时钟信号)。仅在已完全撤消PHI1导出时钟信号之后，才开始发出PHI2导出时 钟信号，因为时钟信号PHI1及PHI2是不重叠的。当发出PHI2导出时钟信号时，图 5图解精增益级处f取样阶段，且因而将电荷收集到输入级中所包g的电容器上。同 时，粗增益级处于i呆持阶段，且因而将电荷从输入级中所包括的电i器转移到输出级 中所包括的电容器。因而，在PHI2导出时钟信号的下降沿158处，CGS保持阶段结 束且在粗增益级的输出处实现全增益。通过交替粗增益级及精增益级的取样及保持阶 段的顺序，既定模拟输入信号在被可编程增益放大器输出之前在粗增益调整及随后的 精增益调整之间交替。因此，通过由粗增益级放大及后续精增益级放大导致增益的和 (以dB为单位)放大既定输入信号。参照图7进一步演示可编程增益放大器中多输入信号的单独粗增益及精增益放大 的相对动作的更佳演示。图7描绘可编程增益放大器(例如，上文关于图2所述的可 编程增益放大器)中所釆用信号的定时图200的示例。可编程增益放大器可利用粗增 益级及精增益级，其可为(例如)上文关于图5所述的开关电容器增益级。应了解， 图7的定时图200是理想定时图，且因而未显示系统所固有的开关或传播延迟。定时 图200包括(例如)可由频率发生器或定时电路产生的系统时钟信号CLK与从系统时 钟信号CLK所产生的时钟信号对PHI1及PHI2的相对定时。定时图200进一步包括 选择信号I/Q，所述选择信号I/Q可用于依序从输入多路复用器在可编程增益放大器将 为其施加可编程增益的模拟输入信号的I-信道与Q-信道之间进行选择。定时图200还包括两个控制信号CGS—SEL及FGS_SEL，其可用于在一组多路复用器(例如，图2 中CGS控制多路复用器66及FGS控制多路复用器68)处在I-信道与Q-信道之间选 择以确定向输入信号中的哪一者施加增益。可通过由例如图2的CGS增益时钟映射电 路76及FGS增益时钟映射电路78的电路所产生的时钟导出信号或增益时钟信号阵列 控制粗增益级及精增益级的增益控制。在定时图200中由CGS时钟导出信号及FGS 时钟导出信号表示时钟导出信号的相对定时。定时图200还包括输出数据的表示 (OUT)以显示当既定经放大输出信号处于所述可编程增益放大器的输出处时的定时。
在时间TV选择信号I/Q是高的(也就是，逻辑l)，因而从输入多路复用器选择 I-信道以将可编程增益施加于输入信号N。控制信号CGS一SEL是高的，因此CGS CLK 总线上的时钟导出信号经布置以控制信号N的I-信道的预编程粗增益。所述粗增益可 (例如)由用户或处理器预编程。因而，在时间Tp例如上文关于图5及6所述，所 述可编程增益放大器的粗增益级通过将由CGS CLK总线上时钟导出信号的布置所指 示的粗增益量施加于信号N的I-信道而开始取样阶段。在时间丁2，如上文关于图5所述，CGS CLK总线上的时钟导出信号变低(也就 是，逻辑0)，因而所述可编程增益放大器的粗增益级(例如)通过获取输入电容器阵 列上的全部电荷量而结束取样阶段。在时间T3，选择信号I/Q更是高的，因而，可编 程增益放大器仍将增益施加于信号N的I-信道。FGS—SEL在时间T3变高，因而精增 益级接收FGS CLK总线上的时钟导出信号的预编程布置以将精增益施加于信号N的 I-信道。因此，如上文关于图5所述，所述可编程增益放大器的粗增益级(例如)通 过将输入电容器阵列上的电荷转移到输出电容器上而开始保持阶段。在相同时间T3， 所述可编程增益放大器的精增,益级开始取样阶段。此可通过精增益级基于精增帛级输 入(其是信号N的经粗增益^大的I-信道)将电荷收集于输入电容器阵列上而i现。 在图2的示例中，此可係从粗增益级在其各自保持阶段期间输出的信号CGS_OUT。在时间1，如上文关于图5所述，FGS CLK总线上的时钟导出信号变低，因而 所述可编程增益放大器的精增益级(例如)通过获取输入电容器阵列上的全部电荷量 而结束取样阶段。同样在时间T4， CGS CLK总线上的时钟导出信号变得，因而粗增 益级已完全地终止了其保持阶段。己在粗增益级的输出处实现了施加于信号N的I-信 道的整个粗增益，且因而已由下游精增益级完全地取样。选择信号I/Q变低也出现于 时间T4。因此，输入多路复用器转到Q-信道以将可编程增益施加于信号N的Q-信道。在时间Ts，控制信号CGS—SEL变低。因此，CGSCLK总线上的时钟导出信号经 布置以控制信号N的Q-信道的预编程粗增益，因而在时间T5，例如上文关于图5及6 所述，所述可编程增益放大器的粗增益级通过将由CGS CLK总线上的时钟导出信号 的布置所指示的粗增益量施加于信号N的Q-信道而开始取样阶段。在相同时间T5， 如上文关于图5所述，所述可编程增益放大器的精增益级通过将输入电容器阵列上的 电荷转移到输出电容器而开始保持阶段。在时间T5精增益级开始输出经放大数据OUT (其是输入信号N的经放大I-信道)。在时间T。 CGS CLK总线上的时钟导出信号变低，因而，所述可编程增益放大 器的粗增益级通过已完全地取样信号N的Q-信道而结束取样阶段。同样在时间T6， FGSCLK总线上的时钟导出信号变低，因而精增益级已完全地终止其保持阶段。在精 增益级的输出处已实现施加于信号N的I-信道的整个精增益，且因而已由所述可编程 增益放大器完全地输出。因此，信号N的I-信道已连续地逐级通过粗增益级及精增益 级两者，且将组合粗及精增益施加于其。在时间1，选择信号I/Q仍是低的，所述可编程增益放大器仍将增益施加于信号 N的Q-信道。FGS—SEL信号于时间T7变低，因而精增益级从FGS CLK总线上的时 钟导出信号接收信号布置以将预编程精增益施加于信号N的Q-信道。因此，所述可编 程增益放大器的粗增益级于时间T7开始保持阶段。在相同时间T7，可编程增益放大器 的精增益级通过从粗增益级在其各自保持阶段期间所输出的信号N的经粗增益放大的 Q-信道而开始取样阶段。在时间Ts，如上文关于图5所述，FGS CLK总线上的时钟导出信号变低，因而 所述可编程增益放大器的精增益级(例如)通过获取输入电容器阵列上的全部电荷量 而结束取样阶段。同样在时间Ts， CGS CLK总线上的时钟导出信号变低，因而粗增 益级已完全地终止其保持阶段。在粗增益级的输出处已实现施加于信号N的Q-信道的 整个粗增益，且因而已由下游精增益级完全地取样。选择信号I/Q变高也出现于时间 Ts。因此，输入多路复用器转回到I-信道以将可编程增益施加于信号N+l的I-信道。在时间丁9，控制信号CGS—SEL变高。因此，CGSCLK总线上的时钟导出信号经 布置以控制信号N+l的I-信道的粗增益。因而在时间T9，如上文关于图5及6所述， 所述可编程增益放大器的粗增益级通过，由CGS CLK总线上时钟导出信号的预编程 布置所指示的粗增益量施加于信号N+1 fel-信道而开始取样阶段。在相同时间T9，如 关于图5所述，所述可编程增益放大器的精增益级(例如)通过将电容器阵列上的电 荷从输入级转移到输出级而开始保持阶段。精增益级在时间T9开始输出经放大数据 OUT (其是输入信号N的经放大的Q-信道)。在时间Tu)， CGSCLK总线上的时钟导出信号变低，因而所述可编程增益放大器 的粗增益级通过已完全地取样信号N+l的I-信道而结束取样阶段。同样在时间Tu)，FGS CLK总线上达时钟导出信号变低，因而精增益级已完全地终止其保持阶段。在精增益 级的输出处已实现施加于信号N的Q-信道的整个精增益，且因而已完全地由所述可编 程增益放大器输出。因此，信号N的Q-信道已连续地逐级通过粗增益级及精增益级， 且将组合粗及精增益施加于其。因而，在时间Tu)，所述可编程增益放大器已输出整个 输入信号N的两个信道。因而，定时图200的示例通过以流水线方式在连续输入信号的经放大输出之间依 序来回切换而进行。应了解，可编程增益放大器的作业的上述示例可平等地施加于任 何大量输入信号，而不仅是具有I-信道及Q-信道分量的输入信号。考虑到上文所述的前述结构及功能特征，参照图8，某些方法将更合适。应了解 且理解，在其他实施例中所说明的动作可以不同顺序及/或与其他动作同时出现。此外， 为实施方法可能不需要全部说明的特征。应进一步理解，可以硬件(例如，诸如可包 括于具体施加集成电路或计算机系统中的模拟或数字电路)、软件(例如，存储于计算 机可读媒体上或运行于一个或多个计算机系统上的可执行指令)、或硬件及软件的任何 组合实施下述方法。图8图解说明用于在根据本发明一方面的可编程增益放大器中放大多个输入信号 的方法250。在252，所述方法基于选择信号多路复用多个输入信号以选择一个输入信
号。所述选择信号可是图1示例中的选择信号SS。所述选择信号用于依序从多个输入信号中选择一个输入信号以放大。在254，所述方法将所选定输入信号移位通过至少 一个放大器增益级。被移位通过所述至少一个放大器增益级的每一输入信号随着其依 序通过所述至少一个放大器增益级而被放大与所选定输入信号相关联的所设定的增益 量。在256，所述方法于每一至少一放大器增益级处将增益施加于所选定的输入信号。 于256所施加的增益可是基于增益设定，增益设定可经独立地编程以将既定增益量施 加于所选定输入信号。本发明所属技术领域的技术人员应了解，可在不背离本发明范围的情况下对所述 实施例做出增加、删减、替代及其他修改。
权利要求
1、一种可编程增益放大器，其包括输入多路复用器，其可操作以基于选择信号从多个输入信号中依序选择输入信号进行放大；至少一个放大器增益级，其可操作以将可变增益量施加至选定的输入信号；及增益映射组件，其控制所述选定的输入信号中每一者的所述可变增益量。
2、 如权利要求1所述的放大器，其中在多个相应信道上提供所述多个输入信号; 且所述多个相应信道包含同相信道及正交信道。
3、 如权利要求1或2所述的放大器，其进一步包括产生不重叠定时信号的不重 叠时钟发生器，其中所述增益映射组件从所述不重叠定时信号导出增益时钟信号以用 于独立地控制所述选定的输入信号中每一者的所述可变增益量；且其中从系统时钟信 号中产生所述不重叠定时信号。
4、 如权利要求1或2所述的放大器，其进一步包括增益监控组件，其可操作以 向所述增益映射组件提供对应于所述多个输入信号中每一者的增益量的数字信号；且 其中所述增益监控组件接收所述可编程增益放大器的输出以向所述增益映射组件提供 闭环增益控制反馈。
5、 如权利要求1所述的放大器，其中所述输入多路复用器可操作以依序在与第 一信道相关联的第一输入信号及与第二信道相关联的第二输入信号之间进行选择；其 进一步包括至少一个控制多路复用器，所述控制多路复用器在提供设定所述第一输入 信号的增益的第一增益控制信号与提供设定所述第二输入信号的增益的第二增益控制 信号之间进行选择；且其中所述增益映射组件包含至少一个增益映射组件，其可操作 以接收所述第一及第二增益控制信号并产生用于在所述至少一个放大器增益级处可变 地且独立地控制所述第一及第二输入信号中每一者的增益量的增益时钟信号。
6、 如权利要求5所述的放大器，其中所述第一信道包含同相信道且所述第二信 道包含正交信道。
7、 如权利要求5或6所述的放大器，其进一步包括不重叠时钟发生器，所述不 重叠时钟发生器产生不重叠定时信号，所述增益映射组件从所述不重叠定时信号导出 所述增益时钟信号。
8、 如权利要求5或6所述的放大器，其中所述至少一个控制多路复用器包含粗 增益控制多路复用器及精增益控制多路复用器，所述粗增益控制多路复用器可操作以 在对应于所述第一输入信号的第一粗增益控制信号与对应于所述第二输入信号的第二 粗增益控制信号之间进行选择，所述精增益控制多路复用器可操作以在对应于所述第 一输入信号的第一精增益控制信号与对应于所述第二输入信号的第二精增益控制信号 之间进行选择。
9、 一种用于放大多个输入信号的方法，所述方法包括基于选择信号对所述多个输入信号进行多路复用以依序选择输入信号进行放大； 将所述选定的输入信号移位通过至少一个放大器增益级以将设定的增益量提供给所述各个选定的输入信号；及基于与各个选定的输入信号相关联的独立增益设定在所述至少一个放大器增益级中每一者处施加所述设定的增益量。
10、 如权利要求9所述的方法，其中在多个相应信道上提供所述多个输入信号； 且其中设定所述增益量进一步包含从不重叠定时信号导出增益时钟信号以独立地控制 所述选定的输入信号中每一者的所述可变增益量。
11、 一种用于放大多个输入信号的设备，所述系统包括-用于依序从多个输入信号选择输入信号进行放大的构件； 用于将所述选定的输入信号移位通过至少一个放大器增益级的构件；及 用于基于选择对应于所述选定的输入信号的增益控制信号而在所述至少一个放大器增益级处改变所述增益量的构件。
12、如权利要求11所述的系统，其中在多个相应请道上提供所述多个输入信号； 其中所述多个相应信道包含同相信道及正交信道；且其中所述至少一个增益级包含粗 增益级及精增益级。
全文摘要
本发明的一个实施例可包括一种可编程增益放大器，其包括可操作以依序选择输入信号(12)进行放大的输入多路复用器(14)。可基于选择信号从多个输入信号中选择所述输入信号。所述可编程增益放大器(18)可包括至少一个可操作以将可变增益量施加至选定的输入信号的放大器增益级。所述可编程增益放大器可进一步包括增益映射组件，所述增益映射组件控制所述选定输入信号中每一者的所述可变增益量。
文档编号H03G3/30GK101164232SQ200680013186
公开日2008年4月16日 申请日期2006年2月27日 优先权日2005年2月25日
发明者亚历山大·托伊奇, 穆罕默德·A·阿尔-夏伊奥克 申请人:德州仪器公司