专利名称：可变增益放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于有线广播、无线电通信、磁记录机等的可变增益放大器，尤其涉及配有直流偏移消除设备的可变增益放大器。
背景技术：
通常，在许多放大器里无法避免直流偏移，即一偏置电压和一偏置电流的误差部分，在输出级里出现。目前为了消除这一直流偏移已经采取了各种措施。例如，有一种为了消除偏移而使用反馈放大器电路的偏移消除系统。在这种情况下，被一个预定的增益放大的信号的频带的下域(称为下限频率)会随着主放大器的增益的变化而浮动。当该预定的增益增加时，被放大的信号的频带变窄。因此，应该以一个很高的增益被放大的信号的下频域没有被放大，导致该信号的质量恶化。
本发明的目的是提供一种可变增益放大器，该可变增益放大器可以抑制下限频率随着主放大器电路增益的变化而浮动，从而实现很好的偏移消除。
发明内容
根据本发明的第一个方面，提供了一种可变增益放大器设备，该设备包括一个可变增益放大器电路，该电路被提供一个输入信号和一个反馈信号，放大输入信号和反馈信号之间的差异并输出一个输出信号；一个反馈电路，该电路提供反馈信号给可变增益放大器电路；以及一个控制器，该控制器控制可变增益放大器电路和反馈电路，随着可变增益放大器电路的增益增加而降低反馈电路的截止频率，反之亦然。
根据本发明的第二个方面，可变增益放大器设备包括一个可变增益放大器电路，该电路被提供一个输入信号和一个反馈信号，放大输入信号和反馈信号之间的差异并输出一个输出信号；一个反馈电路，该电路提供反馈信号给可变增益放大器；以及一个控制器，该控制器控制可变增益放大器的增益和反馈电路的截止频率，使得不管该可变增益放大器电路的增益如何变化输出信号的下限频率都保持充分的恒定。
根据本发明的第三个方面，可变增益放大器设备包括一个可变增益放大器电路，该电路被提供一个输入信号和一个反馈信号，放大输入信号和反馈信号之间的差异并输出一个输出信号，该可变增益放大器电路的增益随着输入信号的水平而变化；以及一个反馈电路，提供反馈信号给可变增益放大器电路，该反馈电路的截止频率随着该可变增益放大器电路的增益的变化而变化，以使输出信号的下限频率保持充分的恒定。
图1是涉及本发明一个实施例的一个可变增益放大器的方框图；图2显示了图1所示的可变增益放大器的增益-频率特性；图3是第一个例子里反馈放大器电路的电路图；图4是另一个反馈放大器电路的电路图；图5是另一个反馈放大器电路的电路图；图6显示了一个可变电容的电路图；图7A和7B显示了不同的可变电阻的电路图；图8显示了电压-电流转换器的电路图；图9显示了另一个电压-电流转换器的电路图；以及图10显示了一个使用可变增益放大器的无线电接收机的方框图。
具体实施例方式
现在结合附图描述本发明的一个实施例。
如图1所示，一个可变增益放大器包括一个具有可变增益A的主放大器电路11，一个输入和主放大器电路11的输出端相连的反馈放大器电路12，以及一个与主放大器电路11和反馈放大器电路12的控制输入端相连的增益控制电路13。反馈放大器电路12包括一个具有恒定增益F的子放大器电路15和一个具有可变通带的、与子放大器电路15的输出端相连的低通滤波器电路16。增益控制电路13控制主放大器电路11的增益和低通滤波器电路16的通带。
一个为输入端10提供的输入信号被输入到主放大器电路11的非反向输入端。主放大器电路11的输出信号被输入到输出端14和反馈放大器电路12。反馈放大器电路12的输出信号作为一个反馈信号被输入到主放大器电路11的反向输入端。输入到反馈放大器电路12的信号被子放大器电路15放大。只有一个直流部分通过低通滤波器电路16从被放大的输入信号里提取出来。反馈放大器电路12输出的直流部分被输入到主放大器电路11的反向输入端。结果，该直流部分抵消了输入到非反向输入端的输入信号的直流偏移部分。通过这种方式，直流偏移部分被消除了。
主放大器电路11的增益被增益控制电路13产生的控制信号Vca控制，该控制信号是根据一个与输出信号的水平相对应的信号Vcont而产生的，同时，低通滤波器电路16的下截止频率也被增益控制电路13产生的控制信号Vcf所控制。除此之外，增益的切换可以参照主放大器电路11的输入或输出。
当增益控制电路13给主放大器11提供控制信号Vca以增加主放大器电路11的增益时，它同时给低通滤波器电路16提供控制信号Vcf以降低低通滤波器16的截止频率。该可变增益放大器的输入-输出特性由以下公式表达(1)T(s)＝(A1+CRs)/(FA+1+CRs)(1)其中A代表主放大器电路11的增益，F代表子放大器电路15的增益(低通滤波器的通带的增益是1倍)，以及CR代表一个和低通滤波器电路16的截止频率(fo＝1/(2πCR))相对应的时间常数。假设控制主放大器电路11和低通滤波器电路16，使因为F是不变的而A/CR也成为不变的。现有技术的可变增益放大器的传输特性和本实施例的可变增益放大器的传输特性的一个很大的区别是，时间常数CR随着增益A同时变化。图2按照频率特性示出了这种情况。换句话说，1/(2π(CR)1)这一截止频率fo指出了当主放大器电路11的增益A为A1时的直流增益T。相似的，当增益是A2时，fo＝1/(2π(CR)2)，当增益是A3时，fo＝1/(2π(CR)3)。
能够维持增益A的下限频率(严格的说，使增益为A/√2的频率)用AF/(2πCR)表示。换句话说，在本实施例中会发现即使增益A变为A1、A2或A3，下限频率AF/(2πCR)也不变。当A变化时，为了使CR随着增益A改变，与直流增益T(0)(≌1/F)相交的频率也随着增益A偏移。但是，这不影响直流增益(直流偏移衰减)T(0)。
现在描述反馈放大器电路12，该电路具有可以改变截止频率的低通滤波器功能。
(第一实施例)图3显示了根据第一实施例的反馈放大器电路12的电路图。反馈放大器电路12包括一个运算放大器32，一个可变电容33和一个第一电阻(电阻R)31-1，该电阻并联在运算放大器32的输出端和反向输入端之间，以及一个第二电阻，该电阻连接在运算放大器32的输入端和反向输入端之间。此外，图1的主放大器电路11的输出信号通过第二电阻(电阻R2)31-2输入到运算放大器32的反向输入端。一个参考电压Vref输入到运算放大器32的非反向输入端。该参考电压Vref是一个直流电压，用以使运算放大器32工作，并且不直接影响本发明的可变增益放大器的工作。
低通滤波器电路16包括运算放大器32、可变电容33和第二电阻31-2。第二放大器电路15包括第一和第二电阻31-1和31-2以及运算放大器32。
通过根据主放大器电路11的增益的提高而增加可变电容33的电容值，来降低滤波器16的截止频率。另外，子放大器电路15的增益F由R1/R2决定。
可变电容33使用一个电容单元，其中的电容如图6所示的那样切换。多个电容，例如，四个电容器34，的第一个接线端互相连接，第二个接线端分别和开关35的接触点连接。开关35由增益区分电路13所提供的控制信号Vcf进行切换。开关35可以用CMOS晶体管组成。
(第二实施例)图4示出了根据第二实施例的反馈放大器电路12的电路图。该反馈放大器电路12和图3所示的反馈放大器电路12基本上是一样的。该反馈放大器电路12控制一个电阻，而不是一个电容。换句话说，通过根据主放大器电路的电容的提高而增加电阻41-2的值，来降低滤波器16的截止频率。同样，通过根据主放大器电路的增益的降低而减少电阻41-2的值，来提高滤波器16的截止频率。为了使反馈放大器电路12的增益F不变，调整两个可变电阻41-1和41-2使可变电阻41-1和41-2的电阻比值是一个常量。
图7A和7B分别示出了可变电阻41的一个具体结构。图7A示出了可变电阻41，其中多个电阻，例如，4个电阻，并联且被一个开关45切换。图7B显示的可变电阻41，其中多个电阻，例如，4个电阻相互串联，且被开关45-1，45-2和45-3短路。这些开关可以由CMOS晶体管组成。可以用CMOS晶体管的接通电阻或由一个电压-电流转换器组成的伪电阻电路来代替可变电阻41。
(第三实施例)图5示出了和第三实施例相关的反馈放大器电路12的电路图。本实施例不同于第一和第二实施例，反馈放大器电路12包括电压-电流转换器51和52，其中51和52每一个的互导是可变的，还包括一个电容53，而没有使用运算放大器和电阻。第一电压-电流转换器51把一个输入的信号电压转换成一个和信号电压成比例的电流。电容53连接在第一电压-电流转换器51的反向和非反向输出端之间。该电容53在第二电压-电流转换器52的输入端之间和输出端之间短路连接。该第二电压-电流转换器52的作用相当于一个电阻。
第二电压-电流转换器52和电容53组成了具有一个如图1所示的信号增益的下一级低通滤波器电路16。当电压-电流转换器51和52的互导分别以Gm1和Gm2表示时，图1所示的子放大器电路的信号增益F为Gm1/Gm2。其截止频率用Gm2/2πC表示。C表示电容53的电容值。当主放大器电路11的增益A由增益控制电路13的增益控制信号Vcf增加时，电压-电流转换器51和52被增益控制信号Vcf控制，以使互导Gm1和Gm2以相同的比例同时减少。互导Gm1和Gm2以相同的比例同时减少的原因是为了使增益F保持为一个不变的值。此外，当Gm2减少时，等价电阻R(＝1/Gm2)增加。因此，当反馈放大器电路12的信号增益F保持为一个常量时，截止频率(fo＝1/(2πCR))降低。相反的，反馈放大器电路12被增益控制信号Vcf控制，以使主放大器电路11的信号增益A减少时，互导Gm1和Gm2增加。
图8和图9示出了使用如图5所示的反馈放大器电路12的电压-电流转换器51和52的具体电路图。图8显示了用双极晶体管构成的电压-电流转换器，图9显示了用MOS晶体管构成的电压-电流转换器。在图8的电压-电流转换器里，双极晶体管Q1和Q2的集极与电流源相连，一个电阻R11连接在集极之间。晶体管Q1和Q2的射极通过一个电流源接地。晶体管Q1和Q2的基极和差分放大器A1和A2的输出端相连。差分放大器A1和A2的非反向输入端分别和晶体管Q1和Q2的集极相连。差分放大器A1的反向输入端和输入端55的一个接线端相连。差分放大器A2的反向输入端和晶体管Q2的基极相连。双极晶体管Q3和Q4的集极分别和可变电流源以及输出端56相连。晶体管Q3和Q4的射极通过一个可变电流源接地。晶体管Q3的基极与晶体管Q1的基极相连。晶体管Q4的基极和输入端55的另一个接线端相连。与输入到输入端55的信号电压成比例的电流从输出端56输出。该电路的互导用下面的公式(2)表示。
Gm1，Gm2＝I2/(I1*R1) (2)换句话说，可以通过改变电流I1和I2之间的比例控制互导Gm1和Gm2。但是，因为输入工作范围由I1*R1决定，如果电流I1改变，输入工作范围就改变。所以，最好只改变电流I2。
在图9的电压-电流转换器中，MOS晶体管M1和M2的漏极分别和电流源以及输出端lout+和lout-相连。晶体管M1和M2的源极分别通过MOS晶体管M3和M4的漏-源路径和一个电压源Vss相连。晶体管M1和M2的栅极分别和差分放大器A1和A2的输出端相连。晶体管M3和M4的栅极分别和输入端Vin+和Vin-相连。差分放大器A1和A2的非反向输入端分别和Vcf端相连。差分放大器A1和A2的反向输入端分别和晶体管M1和M2的源极相连。一个输入电压输入到输入端Vin+和Vin-之间，一个输出电流从输出端lout+和lout-提取出来。
可以通过控制晶体管M3、M4的互导来改变电压-电流转换器的互导Gm1和Gm2。假设设置工作点使晶体管M3、M4在线性区域里工作，晶体管M3、M4的互导和晶体管M3、M4的漏极-源极电压成比例。因此，通过控制晶体管M3和M4的漏极电压来控制互导。
通过运算放大器A1、A2和晶体管M1、M2组成的一个反馈结构，反馈放大器12进行工作从而使晶体管M1和M2的源电压与输入到运算放大器A1和A2的非反向输入端的电压相等。晶体管M3和M4的漏极电压被输入到运算放大器A1和A2的非反向输入端的电压所控制。因此，通过把增益控制电路13的控制信号Vcf输入到运算放大器A1和A2的非反向输入端来改变电压-电流转换器51和52的互导是可能的。
下文描述了一个应用本发明的直接转换无线电接收机的实施例。
根据图10，接收一个无线电信号输入的低噪声放大器101的输出端与乘法器102的一个输入端相连。一个本地信号LO输入到乘法器102的另一个输入端。乘法器102的输出端通过一个低通滤波器103和一个可变增益放大器104相连。该可变增益放大器104对应于图1所示的可变增益放大器。换句话说，该可变增益放大器104包括一个放大器106和一个低通滤波器107，该低通滤波器和一个加法器105的输出端相连，从滤波器103输出的信号输入到该加法器105，该可变增益放大器还包括一个和加法器的输入端相连的放大器106，一个包括低通滤波器107并把放大器106的输出信号反馈到加法器105的反馈电路，以及一个增益控制器108。
根据上述的无线电接收机，一个无线电频率信号RF被放大器101放大，并通过乘法器102与一个本地信号LO相乘以产生一个相乘后的信号。低通滤波器103滤波该相乘后的信号以产生一个基带信号输入到可变增益放大器104中。在可变增益放大器104中，该基带信号通过加法器105输入到放大器106中并被放大器106放大。该放大后的信号被作为输出信号从一个输出端输出，并通过滤波器107反馈到加法器105中。在上述操作中，当放大器106的增益通过增益控制器108随着滤波器103的信号增加或减少时，低通滤波器107的截止频率同时通过增益控制器108增加或减少。结果，输出信号的下截止频率的浮动得到了抑制，从而实现了很好的偏移消除。
本发明不仅限于上述实施例，本发明还可以作适当的修改。在上述的实施例中，子放大器电路的增益F是不变的。但是，子放大器电路的增益F的值不仅限为不变的。换句话说，当主放大器电路11的增益是A时，下限截止频率是AF/(2πCR)。本实施例的目的是，如果增益A变化，该下截止频率保持不变。因此，增益F可以在不背离该目的的范围内变化。
本实施例涉及到的可变增益放大器用于移动通信系统，该移动通信系统在控制增益时不允许信号带宽下限浮动。
根据本发明，提供了一个可变增益放大器，该放大器抑制了主放大器的增益变化时，由于增益的改变而引起的下截止频率的浮动，从而实现了很好的偏移消除，该放大器还可以集成到一个半导体芯片里。
本发明其它的优点和修改对本领域的技术熟练的人而言是显而易见的。因此，从更广的方面说，本发明不局限于这里示出、描述的具体细节和代表性实施例。因此，可以在不偏离所附的各权利要求及其等同物所限定的整体的发明概念的范围或精神下，做出各种的修改。
权利要求
1.一种可变增益放大器，其特征在于，包括一个可变增益放大器电路(11)，该电路被提供一个输入信号和一个反馈信号，放大输入信号和反馈信号之间的差异并输出一个输出信号；一个反馈电路(12)，该电路提供反馈信号给可变增益放大器电路；以及一个控制器(13)，该控制器控制可变增益放大器电路和反馈电路，从而随着可变增益放大器电路的增益增加而降低反馈电路的截止频率，反之亦然。
2.根据权利要求1所述的可变增益放大器设备，其特征在于控制器(13)提供第一控制信号给可变增益放大器电路(11)以增加可变增益放大器电路的增益，同时提供第二控制信号给反馈电路(12)以降低反馈电路的截止频率，或者，提供第一控制信号给可变增益放大器电路以减少可变增益放大器电路的增益，同时提供第二控制信号给反馈电路以提高反馈电路的截止频率。
3.根据权利要求1所述的可变增益放大器设备，其特征在于反馈电路(12)包括一个运算放大器(32)，并联在运算放大器的输出端和反向输入端之间的一个可变电容(33)和一个第一电阻(31-1)，以及一个第二电阻(31-2)，该电阻连接在运算放大器的反向输入端和可变增益放大器电路的一个输出端之间，一个具有各种电容值且随着可变增益放大器的增益增加而增加、随着可变增益放大器的增益减小而减小的电容。
4.根据权利要求1所述的可变增益放大器设备，其特征在于反馈电路(12)包括一个运算放大器(42)，一个电容(43)和一个第一电阻(41-1)，该电阻的阻值可变并且并联在运算放大器的反向输入端和一个输出端之间，以及一个第二电阻(41-2)，该电阻连接在运算放大器的反向输入端和可变增益放大器电路的一个输出端之间，第一电阻的阻值随着可变增益放大器的增益增加而增加、随着可变增益放大器的增益减少而减少。
5.根据权利要求4所述的可变增益放大器设备，其特征在于第二电阻包括一个电阻(41-2)，该电阻(41-2)的阻值可变，第一电阻和第二电阻的阻值随着可变增益放大器的增益增加而增加、随着可变增益放大器的增益减少而减少，从而在第一电阻和第二电阻之间保持一个不变的电阻比。
6.根据权利要求1所述的可变增益放大器设备，其特征在于反馈电路包括一个第一电压-电流转换器(51)，一个与第一电压-电流转换器的一个输出端相连的电容(53)，以及一个第二电压-电流转换器(52)，该电压-电流转换器(52)的互导可变，并且包括一个与电容相连的输入端和一个输出端，该输入端和输出端之间短路，并且第二电压-电流转换器的互导随着可变增益放大器电路的增益的增加而减少，反之亦然。
7.根据权利要求6所述的可变增益放大器设备，其特征在于第一电压-电流转换器的互导是可变的，并且第一电压-电流转换器(51)和第二电压-电流转换器(52)的互导随着可变增益放大器电路的增益的增加以相同的比例减小，反之亦然。
8.一种可变增益放大器，其特征在于，包括一个可变增益放大器电路(11)，该电路放大输入信号和反馈信号之间的差异并输出一个输出信号；一个反馈电路(12)，该电路提供反馈信号给可变增益放大器；以及一个控制器(13)，该控制器控制可变增益放大器的增益和反馈电路的截止频率，使得不管该可变增益放大器电路的增益如何变化输出信号的下限频率都保持充分的恒定。
9.一种可变增益放大器，其特征在于，包括一个可变增益放大器电路(11)，该电路被提供一个输入信号和一个反馈信号，将放大输入信号和反馈信号之间的差异并输出一个输出信号，该可变增益放大器电路的增益随着输入信号和输出信号的至少一个的水平而变化；以及一个反馈电路(12)，该电路提供反馈信号给可变增益放大器电路，该反馈电路的截止频率随着该可变增益放大器电路的增益的变化而变化，以使输出信号的下限频率保持充分的恒定。
10.根据权利要求1，8或9所述的可变增益放大器设备，其特征在于反馈电路(12)只把可变增益放大器电路的输出信号频率部分中一个预定的低频部分作为反馈信号输出。
11.一种无线电接收机，包括一个基带电路(101，102，103)，用于把一个无线电信号转换成一个基带信号；以及根据权利要求1，8或9所述的可变增益放大器(104)，该放大器放大该基带信号。
全文摘要
一种可变增益放大器设备，包括一个可变增益放大器电路(11)，该电路放大输入信号和反馈信号之间的差异并输出一个输出信号，一个反馈电路(12)，该电路提供反馈信号给可变增益放大器电路，以及一个控制器(13)，该控制器控制可变增益放大器电路和反馈电路，随着可变增益放大器电路的增益增加而降低反馈电路的截止频率，反之亦然。
文档编号H03G9/16GK1411142SQ0213058
公开日2003年4月16日 申请日期2002年8月19日 优先权日2001年9月27日
发明者上野隆, 新井正, 板仓哲朗 申请人:株式会社东芝