专利名称：具有线性db/v增益斜率的线性电压控制可变衰减器的制作方法
具有线性DB/V增益斜率 的线性电压控制可变衰减器技术领域
提供一种可变衰减器和调谐器，其中可变衰减器高度线 性，具有大的自动增益控制范围，并且容易实现。另外，可变衰减 器提供恒定的衰减斜率以及互调失真的改进。这使得自动增益控制 放大器能够集成到调谐器中，其减少成本并且增加调谐器设计的灵 活性.
在该等式中，L是通道的长度，n是载流子迁移率，C。x 是跨越氧化物而形成的电容，W是通道宽度，Vgs是栅极-源极电 压，以及Vt是阈值电压。等式(1)显示电阻随着Vgs增加而减小。 图2中所示电路的输入信号的衰减(以dB为单位)由(2)给出。J故"(巡)=20 * logz及、及*+及乂(2)0019其中在图3中R为Rl。该等式可以简化并重写，如由 (3)所示。其中^ = ， (3)1 + Kr)00201如果(3)关于Vgs求微分，结果在(4)中显示。 詢g"(巡)——20欣loge ( 4 )《~~ = —l +岭,Kr0021如果源极接地并且栅极提供有来自控制端子的控制电 压，如图3的方案中的情况一样，(4)显示对于恰好高于Vt的控 制电压，衰减对比控制电压曲线的斜率为大约-20RKIoge。随着控制 电压升高，斜率朝向零而降低。衰减斜率幅度的该降低限制衰减范 围。
如上所述，MOSFET Ml, M2， M3用作在可变衰减器 200的输入IN与输出OUT之间传递的信号的旁路，MOSFET Ml， M2， M3的栅极连接到电阻器链R3， R4， R5， R6中相邻电阻器之 间的节点。可以4吏用n通道或p通道MOSFET,虽然n通道 MOSFET可能更期望，至少因为可以使用较小的器件实现相同的漏 极-源极电阻。MOSFET Ml， M2， M3并联在串联电阻器Rl， R2 之间。0027MOSFET Ml, M2， M3由电阻器链R3， R4, R5， R6 的相关联节点处的电压控制。该电压可以是连续的模拟电压或离散 的数字电压。如上所述，随着控制电压增加，每个MOSFET的漏极 -源极电阻从当MOSFET断开时的相对高的电阻连续地减小，直到 它到达当MOSFET导通时的预先确定的低电阻。因此，输入信号由 串联电阻器对Rl， R2以及MOSFET Ml， M2， M3形成的分压器 衰减。因为MOSFET Ml, M2, M3的栅极提供有不同的电压，其 全部取决于控制电压，MOSFET Ml， M2, M3在不同时间导通。换句话说， MOSFET Ml， M2, M3在控制电压的不同电压电平导通。[0028在一种实施方案中，MOSFET Ml， M2， M3具有不同 的尺寸。在一些实施方案中，虽然通道长度的每个相同，MOSFET Ml， M2， M3的通道宽度的每个分别是W， 8W和32W。通过改变 MOSFET Ml, M2， M3的尺寸并且在控制电压的不同电压电平导 通MOSFET Ml， M2， M3，可以获得衰减范围与衰减斜率之间的 较好折衷。如图2中所示，MOSFET越大，也就是宽度越大，施加 到控制端子的电压越小，从而导通MOSFET的控制电压越大。该方 案允许MOSFET Ml， M2， M3补偿非线性。更具体地，当较大 MOSFET处于饱和区时较小MOSFET保持在线性区中。因为较大 MOSFET具有比较小MOSFET小的电阻，并且因为MOSFET的源 极/漏极并联，较大MOSFET对于衰减斜率的饱和作用由较小 MOSFET显著减小。这因此允许衰减在较高的控制电压电平处基本 上线性地增加。因此，因为控制电压与来自调谐器的电压相关，随 着来自调谐器的电压增加，衰减量增加。00291将参考图4的控制电压对比衰减曲线描述可变衰减器 200的操作。当操作时，输入信号提供到输入IN。如果控制电压是0 伏特，输出电压Vout等于输入电压Vin。随着控制电压升高， MOSFET Ml将首先导通。衰减对比控制电压曲线的斜率开始增加 到基本上由电阻器Rl和MOSFET Ml的电阻的分压器确定的最大 值。最终，斜率幅度开始减小，如等式(4)中所示，在该点 MOSFET M2开始导通。因此，衰减斜率保持基本上恒等，直到因 MOSFET M2的衰减斜率幅度开始减小。在该点，期望使得 MOSFET M3开始导通，等等。[00301与单MOSFET可变衰减器相比较，三MOSFET衰减器 的曲线斜率在宽得多的控制电压范围上基本上恒定。使用MOSFET尺寸明智选择以及电阻器链和连接到可变衰减器的输入的电阻器Rl 的电阻器选择，可以对于许多数量级的衰减实现特定恒定衰减斜率。因此，期望的衰减范围以及对于控制电压的灵敏度可以同时获得。控制电压扩展到3.3V的最大值。在曲线中，设计具有不同 MOSFET尺寸(M3>M2>M1)的三MOSFET可变衰减器以给出与 单MOSFET可变衰减器相同的衰减范围。也设计三MOSFET可变 衰减器具有-14dB/V的衰减曲线斜率。如可以看到的，单MOSFET 可变衰减器仅对于大约1.3V至大约1.6V的小范围控制电压是dB/V 线性的。三MOSFET可变衰减器对于大约1.3V至大约3.3V的更大 控制电压范围是dB/V线性的，近似斜率为-14dB/V。 dB/V衰减斜率 的该更加线性允许更大带宽的AGC回路。这使得可变衰减器能够在 接收信号强度可以随着时间快速变化的移动应用中使用。00311另外，由多MOSFET可变衰减器产生的互调(IM)失 真结果显著地小于单MOSFET可变衰减器。因为导通的第一器件具 有最小的宽度(从而具有最小的电阻)，当栅极-源极电压接近阈 值时它不会对于线性具有与较大器件一样的副效应。当较大 MOSFET开始导通时，较小MOSFET充分进入线性区。因此，与 较大MOSFET的漏极-源极电阻相关联的初始非线性因较小 MOSFET的更加线性的漏极-源极电阻的存在而减小。在图4的曲 线中，仿真和比较可变衰减器的线性。对于-25dBm的恒定输出功率 电平，以-ldB梯级在从-ldB至-25dB的衰减级观察可变衰减器的线 性。对于-25dBm的恒定输出功率，整个衰减范围上的最差互调失真 对于单MOSFET可变衰减器为-56.2dB并且对于三MOSFET可变衰 减器为-69.25dB。因此，三MOSFET可变衰减器具有优于单 MOSFET可变衰减器的+13dB的改进互调失真级别，以及相同衰减 范围上更加恒定的衰减斜率。00321图5说明三MOSFET可变衰减器的另一种实施方案。 如所示，可变衰减器500是包含连接在输入INP， INM的每个与各 自输出OUTP， OUTM之间的一对串联电阻器Rl和R2的差动可变 衰减器，电阻器链R3， R4, R5, R6连接在控制电压与接地Vss之 间。电阻器链R3， R4， R5， R6中相邻电阻器之间的节点连接到各自MOSFET Ml, M2， M3的栅极。如以前，MOSFET Ml, M2, M3分别具有W， 8W和32W的通道宽度。为了平衡输出信号，一 对偏压电阻器RBIAS彼此串联。与MOSFET Ml, M2, M3并联的 偏压电阻器RBIAS连接在串联电阻器Rl， R2之间。偏压电阻器 RBIAS之间的节点连接到接地Vss。0033虽然电阻器已经在图2中描述为第一元件，可以使用其 他器件，如图6的实施方案中所示。图6的实施方案与图2的完全 相同，除了可变衰减器的输入IN与输出OUT之间的串联电阻器 Rl， R2已经由MOSFET M4, M5代替之外。串联MOSFET M4， M5的栅极连接到电压Vc，从而具有取决于电压Vc的电阻。串联 MOSFET M4， M5具有相同或不同的尺寸并且可能具有施加到它们 栅极的相同或不同电压。电压Vc可以是恒定的或者连续或离散可变 的。0034在其他实施方案中，可以使用任何FET或其他器件， 只要它提供期望的衰减特性。例如，可以使用MISFET或可变电阻 器而不是MOSFET。但是，通过使用CMOS,可变衰减器的耗用电 流跨越衰减范围基本上不会改变。类似地，虽然显示使用三个 MOSFET的实施方案，但是可以在不同实施方案中使用两个或更多 MOSFET。而且，虽然MOSFET描述为具有不同尺寸，从而不同漏 极-源极电阻，但是MOSFET中的两个或更多可以具有相同的尺寸 同时连接到电阻器链的不同节点或者多个MOSFET可以连接到相同 节点。因此，例如，图中所示MOSFET的一个或多个可以由多个 MOSFET实现，如图7中显示的可变衰减器700中所示。在一种实 施方案中，多个MOSFET具有相同的通道宽度以提供有效通道宽 度。在另一种实施方案中，多个MOSFET的至少一个具有与多个 MOSFET的另 一个不同的通道宽度。0035类似地，可以使用各种长度的MOSFET。但是，随着 MOSFET的长度增加，最小电阻也增加。另外，可以使用任意数目 的电阻器。例如，其他元件例如电阻器可以与MOSFET串联。比源极-漏极电阻大得多的电阻器可以置于MOSFET的源极与漏极之 间。可变衰减器可以在除了调谐器之外的设备中使用，例如电缆调 制解调器、无线电设备、蜂窝式电话、PDA、膝上型计算机或使用 可变衰减器的其他通信设备或系统。[0036另外，说明书和附图
看作说明性而不是限制性意义，并 且所有这种修改打算包括在本发明的范围内。如这里使用的，术语 "包括"、"由......构成"或任何其他变化打算覆盖非排他性包含，使得包括一系列元素的过程、方法、物品或装置不是仅包括那些元 素，而是可以包括没有明确列出或者这种过程、方法、物品或装置 固有的其他元素。[0037因此，前面的详细描述打算看作说明性而不是限制性 的，并且应当理解，下面的权利要求书，包括所有等价物，打算限 定本发明的本质和范围。前面描述中任何都不打算否认如要求专利 保护的或其等价物的本发明的范围。
权利要求
1.一种可变衰减器，包括输入，被配置为接收待衰减的输入信号；输出，被配置为提供衰减后的输入信号；第一元件，置于所述输入与所述输出之间；控制端子，被配置为接收控制信号；以及多个第二元件，连接到控制端子使得第二元件的每一个使用控制信号不同地改变输入与输出之间的衰减。
2. 根据权利要求1的可变衰减器，其中每个第二元件包括场效 应晶体管(FET)。
3. 根据权利要求2的可变衰减器，还包括控制端子与接地之间 串联的多个电阻器，FET的控制输入被连接到不同电阻器之间的节 点。
4. 根据权利要求2的可变衰减器，其中FET被并联连接到输 入和输出。
5. 根据权利要求2的可变衰减器，其中第二元件的每个具有不 同的有效FET宽度。
6. 根据权利要求3的可变衰减器，其中具有较小有效宽度的 FET比具有较大有效宽度的FET通过更小的电阻连接到控制端子.
7. 根据权利要求1的可变衰减器，其中第二元.件在不同电阻范 围上变化。
8. 根据权利要求l的可变衰减器，其中第二元件被并联连接。
9. 根据权利要求7的可变衰减器，其中第一元件和笫二元件形 成分压器，其输出节点连接到可变衰减器的输出。
10. —种调谐器，包括混频器，被配置为降频转换输入信号；可变衰减器，被配置为衰减降频转换后的输入信号，可变衰减 器包含多个并联元件和连接到控制端子的第一分压器，并联元件连接到第一分压器的不同节点；以及第一放大器，被配置为放大衰减后信号，可变衰减器的衰减使 用从第一放大器到控制端子的反馈控制。
11. 根据权利要求10的调谐器，其中可变衰减器还包括第二分 压器，第二分压器具有包括电阻器和所述并联元件的串联电路，电 阻器与所述并联元件之间的节点连接到可变衰减器的输出。
12. 根据权利要求11的调谐器，其中并联元件在不同电阻范围 上变化。
13. 根据权利要求12的调谐器，其中在较小电阻范围上变化的 并联元件比在较大电阻范围上变化的并联元件通过更小的电阻连接 到控制端子。
14. 根据权利要求10的调谐器，还包括置于调谐器的输入与混频器之间的低噪声放大器； 置于混频器与可变衰减器之间的第二放大器；以及 自动增益控制器，被配置为接收来自第一放大器的反馈并且将 控制信号提供到可变衰减器的控制端子。
15. —种包括根据权利要求10的调谐器的电子设备。
16. —种包括根据权利要求10的调谐器的移动电子设备。
17. —种衰减信号的方法，该方法包括 提供由第一元件和多个并联元件构成的电路； 提供待衰减的输入信号到所述电路；提供控制信号到分压器，所述并联元件被连接到分压器的不同 节点，控制信号通过控制所述并联元件的电阻来控制输入信号的衰 减；以及基于输入信号提供衰减后的输出信号.
18. 根据权利要求17的方法，其中第一元件和所述并联元件串 联连接，第 一元件与所述并联元件之间的节点连接到可变袭减器的 输出。
19. 根据权利要求17的方法，其中并联元件在不同电阻范围上变化。
20. 根据权利要求19的方法，其中在较小电阻范围上变化的并 联元件比在较大电阻范围上变化的并联元件通过更小的电阻连接到 控制端子。
21. —种使用根据权利要求17的方法调谐信号的方法，该方法包括放大第一信号； 降频转换放大后的第 一信号； 放大降频转换后的第一信号；根据权利要求17中描述的，衰减放大的降频转换后的第一信号；放大4皮衰减的信号；以及通过自动增益控制提供基于放大后的被衰减的信号的控制信号。
全文摘要
提出一种可变衰减器(200)以及衰减信号的方法。可变衰减器包含接收待衰减的输入信号的输入。电阻器与并联MOSFET(M1，M2，M3)之间的分压器提供衰减后的输入信号。MOSFET具有不同的尺寸并且具有通过不同电阻连接到控制信号的栅极，使得MOSFET越大，电阻越大。控制信号取决于衰减器的输出。该方案将衰减的线性扩展到控制信号的大电压范围上并且减小衰减器的互调失真。
文档编号H04B1/06GK101273535SQ200680035706
公开日2008年9月24日 申请日期2006年9月22日 优先权日2005年9月28日
发明者D·P·麦卡锡, L·E·库尼尔, N·W·霍伦贝克 申请人:飞思卡尔半导体公司