可编程增益放大器的制造方法
【专利说明】可编程増益放大器
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请案涉及且要求2012年5月10日以盖里· K ·赫伯特（Gary K. Hebert)的 名义递交且转让给本发明受让人的第61/645, 300号美国临时专利申请案的优先权。所参 考的临时申请案的内容以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
[0003] 本申请案涉及可编程增益放大器。
【背景技术】
[0004] 可编程增益放大器已为人所知。例如，参见2010年8月16日以盖里·Κ·赫伯特 (Gary Κ. Hebert)的名义递交且转让给本发明受让人的第12/857, 099号待决的美国申请 案。所述申请案的内容以全文引用的方式并入本文中。
【发明内容】
[0005] 根据本发明的一方面，一种集成电路（IC)包括可编程增益放大器。所述可编程 增益放大器包括第一级放大器，其被配置来用至少一个相对高电源电压进行操作，以在所 述第一级放大器的输入端处调节相对大范围的输入信号，所述第一级放大器具有增益设定 值，所述增益设定值可根据以相对粗糙增量中分开的一组预定增益设定值进行调整，以便 最小化必须与高电压活动装置一起实施以设定每个增益设定值的模拟开关的数目。所述可 编程增益放大器还包括第二级放大器，其被配置来用至少一个相对低电源电压操作，所述 低电源电压低于所述高电源电压，以最小化所述第二级放大器需要的IC面积，其中所述第 二级放大器的增益可根据以介于所述粗糙增量之间的相对小增量分开的一组增益设定值 进行调整，以达到组合的预定增益分辨率。所述可编程增益放大器的增益可通过调整所述 第一级和第二级放大器中的每一个的增益进行编程。
[0006] 根据本发明的另一方面，描述一种制造可编程增益放大器的方法。所述方法包括 将第一级放大器配置来用至少一个相对高电源电压进行操作，以在所述第一级放大器的输 入端处调节相对大范围的输入信号，所述第一级放大器具有增益设定值，所述增益设定值 可根据以相对粗糙增量分开的一组预定增益设定值进行调整，以便最小化必须与高电压活 动装置一起实施以设定每个增益设定值的模拟开关的数目；以及将第二级放大器配置来用 至少一个相对低电源电压操作，所述低电源电压低于所述高电源电压，以最小化所述第二 级放大器需要的IC面积，其中所述第二级放大器的增益可根据以介于所述粗糙增量之间 的相对小增量分开的一组增益设定值进行调整，以达到组合的预定增益分辨率；所述可编 程增益放大器的增益可通过调整所述第一级和第二级放大器中的每一个的增益进行编程。
【附图说明】
[0007] 图1为根据本文中的教导的可编程增益放大器电路的框图，说明了最适合会遇到 大共模输入电压的应用的配置。
[0008] 图2为根据本文中的教导的可编程增益放大器电路的框图，说明了与图1相比增 加了大共模输入电压的公差的配置。
[0009] 图3为根据本文中的教导的可编程增益放大器电路的框图，说明了类似于图2的 配置，其中采用差分或单端输入配置增加了驱动模数转换器的灵活性。
[0010] 图4为图3所示的可编程增益放大器的更详细的框图，说明了电子开关和电阻器 的一个可能布置。
【具体实施方式】
[0011] 本申请案优选以集成电路（IC)的形式描述可编程增益放大器（PGA)，意图适当调 整模拟信号电压，使得它们可应用作为调制解调器电路的输入信号，且具体涉及调制解调 器模数转换器（ADC)集成电路（1C)，使得应用的信号在此类调制解调器电路可处理的输入 信号的预定动态范围（幅度）内。多数的调制解调器ADC IC都是采用相对低压的CMOS工 艺制造的，以利用此类工艺中的高度集成。结果，这些ADC IC的满量程输入电压很少超过 几伏。因此，将较大的电压（例如，专业的音频和广播线路电平信号中通常遇到的那些）数 字化需要使用连接的衰减器，以在应用到ADC IC的输入端之前先降低音频和广播线路电平 信号的电平。
[0012] 另一方面，例如，通常可在麦克风的输出端得到的那些信号电压可处于几毫伏的 范围内，从而如果要完全利用转换器可用的输入信号动态范围，那么在应用到ADC IC的输 入端之前，需要使用具有大增益的放大器。
[0013] 因此，需要一种PGA 1C，其增益可在小于单位值（unity)(衰减）到远高于单位值 (放大）的较大动态范围内调节。此类装置应能够接受远远超过当前可用的ADC IC界限的 输入信号电压，例如，通常超过l〇Vrms(14. HVpeak)的专业音频线路电平信号。同时，PGA IC应具有低输入噪声，尤其是在其最高增益设定值处，以无需折衷输入信号（例如，源于动 态麦克风的那些信号）的动态范围。此类麦克风的本底噪声通常被当作与150欧姆电阻器 的热噪声相似。用于本申请案的PGA IC的输入噪声电压不应产生大体高于此电平的额外 噪声。
[0014] 具有低输入噪声电压的放大器优选采用非反相配置（也称为串并联反馈放大 器），这是因为那些反相型放大器（也称为并并联反馈放大器）在输入阻抗与输入噪声电压 之间具有固有平衡。因此，需要PGA满足先前陈述的要求，以利用非反相配置的第一级放大 器，使得输入阻抗可被选择作为最适合所述应用而无需折衷噪声性能。作为说明，反相放大 器可具有不大于150欧姆的输入阻抗，以避免将具有150欧姆源阻抗的麦克风的总噪声增 加少于3dB，从而忽略放大器中的活动电路所做的任何贡献。这一输入阻抗低于多数现代麦 克风需要的阻抗，而麦克风需要的阻抗通常应至少为1千欧姆的电阻。相比而言，非反相放 大器的输入阻抗可仅受活动电子器件的输入阻抗限制，而且可以使用输入端上的电阻终端 而任意设定为小于此的任意值。只要终端电阻大体上大于源阻抗，这便可在不折衷输入噪 声电压的情况下完成。
[0015] 使用非反相放大器配置表示放大器的输入级必须接受输入信号电压的整个动态 范围。这表示放大器输入级的总电源电压必须至少等于单端输入放大器的最大预期输入信 号电压，或至少等于差分输入放大器的最大预期输入信号电压的一半。至于专业音频线路 电平信号的情况，所需的电源电压在20到40伏的范围内（或对于分离电源而言，在+/-10 伏到+/-20伏的范围内）。与实施低电压装置相比，在集成电路工艺中实施高电压装置大体 需要集成电路上更大的面积。此外，对于给定的操作电流而言，以高电源电压操作的电路将 比以低电源电压操作的电路消耗更多的电力。因此，需要将以高压电源电压操作的电路最 小化。
[0016] 下文描述一种PGA 1C，其包括用至少一个相对高电源电压操作的低噪声第一级放 大器，以在第一级放大器的输入端处适应输入信号的相对大动态范围。此第一级放大器的 增益采用相对粗糙步长切换，以覆盖所需的增益范围（以适应输入信号的整个可能的动态 范围），还将必须与高电压活动装置一起实施的模拟开关的数目最小化。PGA IC还包括第 二级，所述第二级用至少一个相对低电源电压（低于第一级用的电源电压）操作，以将所需 的IC面积最小化。用于这一级的电源电压优选匹配用于将由此第二级驱动的模拟电路（例 如，位于ADC IC中）的电源电压。第二级放大器采用反相配置，允许其设定为小于单位值 的增益。此第二级放大