专利名称：衰减器和衰减方法
技术领域：
本发明的一个实施例涉及半导体装置。本发明的另一实施例涉及电视机。又一实施例涉及用于衰减天线信号的方法。
背景技术：
用于接收广播信号的调谐器必须要使用自动增益控制(AGC)。
发明内容
本发明的实施例的一个目的是提供一种半导体装置，该半导体装置提供在全动态范围中具有低功耗、小占用面积和/或良好线性度的自动增益控制。另一目的是提供相应计算机程序、计算机程序产品或计算机可读存储介质。这些目的分别通过根据权利要求I、11、12和16所述的半导体装置、电视机和方法来实现。通过考虑附图及其描述将清楚本发明的其它细节。
附图被包括来提供对实施例的进一步理解，并且被结合到本说明书中构成本说明书的一部分。附示出了实施例并且与描述一起用于说明实施例的原理。其它实施例和实施例的许多预期优点将容易被理解，因为通过参考下面的详细描述会更好地明白它们。 附图的元件不一定相对于彼此成比例。相似标号指代对应的类似部分。图I示出了根据本发明实施例的半导体装置。图2示出了可用在图I的半导体装置中的量化器的细节。图3示出了用于说明图2的量化器的功能的示图。图4示出了图I的数字衰减器的实施例。图5示出了图I所示的输入衰减器的实施例。图6示出了根据用于衰减天线信号的方法的步骤。图7示出了根据本发明实施例的电视机。图8A示出了在量化器实现迟滞(hysteresis)功能的情况中的量化误差。图SB示出了在量化器实现迟滞功能的情况中的步阶(st印)AGC信号。图9示出了适于实现图8A和图SB所示的迟滞功能的量化器的实施例。
具体实施例方式下面，描述本发明的实施例。重要的是，注意，下面描述的所有实施例可以以任何方式被组合，即是说，不存在所描述的某些实施例不能与其它实施例相组合这样的限制。此夕卜，应注意，在所有附图中相同标号表示相同或类似元件。将明白，可以利用其它实施例，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下做出结构或逻辑改变。因此，下面的详细描述不应以限制性意义来理解，并且本发明的范围由所附权利要求限定。将明白，除非以其它方式具体提到，否则这里描述的各个实施例的特征可以彼此组合。图I示出了包括自动增益控制电路的半导体装置I。半导体装置I包括接收天线信号20 (也称为“RF信号”)的输入衰减器10。取决于半导体装置I的应用领域，天线信号20可以是例如40至1000MHz频率范围中的高频信号。下面，输入衰减器10也可被称为“步阶衰减器”。这是因为输入衰减器10以第一衰减因子来衰减天线信号20以生成第一经衰减信号22。从而，第一衰减因子是从多个预定衰减因子中选择的。由于第一衰减因子因此不是连续改变的因子，所以输入衰减器10的步阶功能被实现。 输入衰减器10具有作为输入信号的控制信号24。控制信号24被用来选择多个预定衰减因子之一作为随后用来衰减天线信号20的第一衰减因子。由于控制信号24被用来控制输入衰减器10 (“步阶衰减器”)，因此控制信号24在下面还可被称为“步阶AGC信号”或“经量化AGC控制信号”。半导体装置I还包括模数转换器单元12，该模数转换器单元12接收第一经衰减信号22并且通过对第一经衰减信号22数字化来生成中间信号28。模数转换器单元12还可以对第一经衰减信号22下变频和/或对信号22滤波，以移除不希望的信号分量或者避免数字化处理中的混叠(alias)。应注意，这些操作可能对信号22带来小的等待时间或处理延迟。此外，半导体装置I包括数字衰减器14。数字衰减器14接收中间信号28并输出第二经衰减信号32。第二经衰减信号32对应于通过第二衰减因子44而被衰减的中间信号28 (参见图4和下面)。第二衰减因子44被设置来补偿衰减中间信号28时的量化误差。换言之，第二衰减因子44被设置来补偿控制信号24的量化误差。如图I可见，量化误差实际上是增益的量化误差。因此，该量化误差也可被称为“增益量化误差”。为了补偿量化误差，数字衰减器14可以接收步阶补偿信号30，基于该步阶补偿信号30量化误差得到补偿。因此，根据本发明的实施例，AGC可以通过所述输入衰减器10、模数转换器单元12和数字衰减器14来实现。在另一实施例中，可以分别通过控制信号24和步阶补偿信号30来控制输入衰减器10和数字衰减器14。控制信号24也可被称为“步阶AGC信号”。控制信号24可由量化单元16生成。此外，步阶补偿信号30可由量化单元16和/或延迟补偿单元18生成。在实际实现中，信号处理可能具有从量化单元16经输入衰减器10和模数转换器单元12直至数字衰减器14的延迟。为了在数字衰减器14的输出处，即在乘法单元40 (“数字步阶补偿乘法器”)处完全消除步阶(其是由输入衰减器10引起的)，需要向步阶补偿路径插入相同延迟(参见对预先步阶(pre-st印)补偿信号34进行延迟的延迟补偿单元18)。对于在设计数字电路时不知道模数信号路径的确切特性的情况，延迟补偿单元18可以具有可调节的延迟。
量化单元16基于AGC控制信号26生成控制信号24和预先步阶补偿信号34。由于AGC控制信号26具有有助于准确AGC的极高分辨率，因此其也可被称为“连续AGC控制信号”或“高分辨率AGC控制信号”。术语“连续”是指连续的电平(而非时间)。相比而言，由于控制信号24具有较低分辨率，因此其也可被称为“低分辨率AGC信号”。如图I中的虚线所指示的，输入衰减器10对模拟信号进行操作。此外，数字衰减器14、量化器16和延迟补偿单元18基于数字信号进行操作。图I所示实施例的一个优点在于能够在半导体装置I上提供高度可靠且精确的AGC0因此，能够在CMOS硅调谐器上提供高精度AGC。一般地，由于数字组件随着半导体尺寸缩小技术的进步而缩小(scale)，因此仅需要较小面积。此外，开关式步阶衰减器相对于传统的连续模拟可变增益放大器而言具有更低的功耗、更宽的动态范围和更好的噪声图(noise figure)。应注意，取决于图I所示电路将被使用的环境和设计，某些组件(例如，组件10、
16、12、14和19中的任何组件)不必被实现在如图I所示的单个半导体装置上。换言之，不是所有组件都必须在同一芯片上。在其它实施例中，可使一些组件位于其它芯片上或者由其它硬件组件实现。例如，在可能的实施例中，组件12、14、16和18可以位于一个芯片上，而输入衰减器10可单独实现。图2示出了图I所示的量化单元16的实施例。下面，量化单元16的该实施例将以标号16-1来提及。量化单元16的另一实施例在图9中示出并且将以标号16-2来提及(参见下面)。应注意，量化单元16的其它实施例也是可能的。如图2所示,量化单元16-1可以包括内部量化器36和减法单元38。内部量化器36和减法单元38都将AGC控制信号26作为输入。内部量化器36基于该AGC控制信号26，通过相应地量化AGC控制信号26生成控制信号24。“连续”AGC控制信号26的分辨率例如是O. 004dB (因此，分辨率较高)。步阶AGC信号(控制信号26)的分辨率例如是IdB(因此，与连续AGC控制信号26的分辨率相比，控制信号26的分辨率较低)。此外，减法单元38接收控制信号24并且通过从控制信号24减去AGC控制信号26来生成预先步阶补偿信号34-1。应注意，图2中的预先步阶补偿信号34-1对应于图I中的预先步阶补偿信号34，即，在量化单元16-1被用在图I所示电路中的情况下，预先步阶补偿信号34-1将被用作延迟补偿单元18的输入。图3描绘了图2所示的量化单元16-1的功能。如图可见，预先步阶补偿信号34是通过从控制信号24(步阶AGC信号)中减去AGC控制信号26生成的。应当明白，图3的示图是基于对数表示的。换言之，步阶AGC信号24和步阶补偿信号30被生成为对应于用于控制输入衰减器10和数字衰减器14的对数表示。这是因为在此情况中，对数表示的如下基本特性可被应用(参见图4，在其中对此基本特性的探究将变得清楚)log (a Xb) = log (a)+log (b)。如果步阶AGC信号24对应于log (a)并且步阶补偿信号30对应于log (b)，衰减信号20对应于U，步阶衰减器输出信号22对应于V，并且步阶补偿器输出信号32对应于W，则得到
V = u*e~ (log (a))w = v*e' (log (b))因此，w = u*e~ (log(a)) *e~ (log(b)) = u*e~ (log(a)+log(b))总的增益为w/u = e~ (log(a)+log(b)),取对数就是log (w/u) = log (a) +log (b)因此，可以通过对施加给分离的增益乘法器的两个分离的增益信号进行相加性组合来获得某个总增益。如果指数被应用于增益乘法器的输入与增益控制信号之间，则可以进行相加性组合。
图4示出了数字衰减器14的实施例。 数字衰减器14包括乘法单元40和函数单元42。数字衰减器14通过基于乘法单元40和函数单元42实现下面的函数来生成第二经衰减信号32 z = i · 2_kx其中，z :第二经衰减信号(32)；i:中间信号(28);2_kx :第二衰减因子(44)。因子k可被设置为使得输入步阶衰减器10和数字衰减器14的衰减大小对于输入步阶衰减器的一步来说是相等的。图5示出了输入衰减器10的实施例。在此实施例中，输入衰减器10包含多个电阻器46-1、46-2、46-3和46-4。应注意，虽然图5中仅示出了四个电阻器，但是不应以任何方式将此理解为限制性的。四个电阻器的这个数目仅用于说明目的。在实际中，更大量的电阻器被使用。例如，输入衰减器10可以包含64个电阻器。这些电阻器串联布置在输入衰减器10的输入45的输入信号线与地之间,输入45对应于天线信号20。输入衰减器10还包括布置在信号线48-0、48-1、48-2、48-3的端子处的多个触点49-0、49-1、49-2和49_3。信号线48-0运载天线信号20而不进行任何衰减。取决于电阻器46-1、46-2、46_3和46-4的电阻值，可以获得不同衰减水平。在图5的示例中，电阻器46-1、46-2、46-3和46_4的电阻值被选择为使得在触点49-1处可以抽出被衰减了 IdB的天线信号20，在触点49-2处可以抽出被衰减了 2dB的天线信号20，并且在触点49-3处可以抽出被衰减了 3dB的天线信号20。换言之，信号线48-0、48-1、48-2、48-3运载分别被衰减了 0dB、ldB、2dB和3dB的天线信号。应注意，图5中的衰减水平不应以任何方式被理解为限制性的。取决于某个应用所需的AGC电路的设计，可以通过分别设置电阻器的合适电阻值来获得不同的合适衰减水平。如图5所示，输入衰减器10还包括开关50。开关50通过将开关的输出连接到多个触点49-0、49-1、49-2和49_3中的所选出的一个来生成第一经衰减信号22。这种切换是基于控制信号24实现的。应注意，具有图5所示设计的输入衰减器10相比于其它可能的例如连续操作衰减器具有一些优点。电阻器具有良好的线性度并且因此输出信号(第一经衰减信号22)具有低失真。此外，衰减仅取决于电阻器值的比率而非绝对值。对于集成在单个半导体装置上的电阻器来说，实现精确的比率比实现精确的绝对值容易得多。另一方面，具有如图5所示电路的输入衰减器10的使用显然产生了 “逐步”衰减信号，即，第一经衰减信号22仅被衰减了所选衰减水平(图5中的0dB、、ldB、2dB和3dB)。因此，如上所述 将导致量化误差。在如上所述第一经衰减信号22将不被进一步处理的情况中，当增益被改变时，结果将是突然的接收信号功率改变。这些功率改变例如将产生-模拟TV接收中的可看见问题-FM音频接收中的可听见喀嚓声-DVB-C接收或其它连续数字调制制式中的比特错误-当未使步阶时序与OFDM分组同步时，DVB-T,DVB-T2和DVB-C2中也可能发生比
特错误。为了避免这样的问题，数字衰减器14被设计来补偿如上所述的量化误差。图6示出了根据本发明实施例的方法的步骤。在SI，取决于控制信号，例如控制信号24，多个预定衰减因子之一被选作第一衰减因子。此外，在S2，通过利用第一衰减因子来衰减天线信号，例如天线信号20，来生成第
一经衰减信号。此外，在S3，通过对第一经衰减信号数字化来生成中间信号，例如中间信号28。然后，在S4，第二经衰减信号，例如第二经衰减信号32被生成，该第二经衰减信号对应于通过第二衰减因子而被衰减的该中间信号，第二衰减因子被设置来补偿中间信号的
量化误差。其它可能的方法步骤是接收AGC控制信号并且输出经量化AGC控制信号，该经量化AGC控制信号被用作控制信号以使得多个预定衰减因子中的某个对应于经量化AGC控制信号的一个量化步阶。此外，该方法可以包括通过从经量化AGC控制信号中减去AGC控制信号来生成补
偿信号。另外，该方法可以包括通过对补偿信号进行延迟来补偿由输入衰减器和/或数字转换器单元引起的延迟。如从上面在图I至图5中描述的各组件的功能中将清楚的，另外的方法步骤也是可以的。实际上，应注意，图I至图5所示的所有组件都具有可被应用于图6的方法中相应被布置的方法步骤中的某些功能。图7示出了连接到天线电缆62的电视机60。天线电缆62提供天线信号。此外，电视机60包括如图I所示的半导体装置I。因此，电视机60包括用于AGC的电路。由半导体装置I生成的、与图I所示的第二经衰减信号32相对应的输出信号将在电视机60中被用于进一步处理。第二经衰减信号32可被连接到解调器块。解调器块例如可从该信号提取图片和声音。应注意，虽然图7示出了电视机，但是图I所示的半导体装置I同样可被用在各种其它设备中，例如收音机。此外，图7中的天线信号可以是数字或模拟电视信号。其它可能应用是个人计算机、家庭服务器或硬盘记录器。
图8A、图8B和图9说明了图I所示量化器16的替代实施例。图8A和图8B示出了用于说明图9所示量化器16-2的实施例的功能的示图。图8A的不图的X轴(横坐标)对应于图I的输入信号20 (RF输入信号)。图8A的y轴(纵坐标)对应于图9中的量化器16_2的输出信号34_2。在图I的量化单元16被实现为图9所示的量化器16-2的情况中，输出信号34-2等于图I中的预先步阶补偿信号34。在图8A的示例中，针对图I的输入衰减器10的不同衰减水平10dB、lldB和12dB示出了输出信号34-2。所选值IOdBUldB和12dB仅仅是示例并且不能在任何意义上被解释为限制。为了更好地理解图9的量化器16-2的功能，图8A还示出了图9所示的信号100和96。借助于以下示例可以明白使用量化器16-2的优点假设图I的输入衰减器10的衰减水平被设为10dB，并且RF电平(输入信号20)如图8A中的箭头109所指示那样升高。在此情况中，图I的控制信号24的量化误差，并且因此信号34-2的电平如箭头110所指示那样增大。当量化误差达到IdB时(如111处所指示)，输入衰减器10将被设为下一更高衰减水平，这里为lldB。假设输入信号20减小。在此情况中，信号34-2也将如箭头112所指示那样减小。实际上，如双向箭头113所指示的，在输入信号20在区域114中变化的情况中，输入衰减器10将被控制信号24-2(用作图I的控制信号24)控制为保持在IldB的衰减水平(借助于相应的第一衰减因子)(还参见图8B)。因此，迟滞功能被实现并有利地被用来避免频繁切换输入衰减器10的衰减水平。注意，相比之下，在使用图2的实施例的情况中，在输入信号具有围绕某点(在该点处，衰减水平例如将上下切换IdB)振荡的电平的情况中，将发生不同衰减水平之间的频繁切换。这可以在使用图9的量化器16-2时被避免。因此，当使用量化器16-2时，可存在更少的“切换噪声”。或者，换言之，可避免这样的情形小的噪声导致衰减器在恒定的RF输入电平处切换(当使用例如图2的电路16-1时)。另一方面，取决于实际应用场合，图2所示的实施例也可能是合适的。图2的优点在于具有相对少的组件。如图9所示，为了实现输出信号34-2和相应的控制信号24-2以控制图I的输入衰减器10,量化器16-2包括内部量化元件80、减法单元82、加法单元84、饱和单元86、另一减法单元88、另一加法单元90和存储元件92。如图可见，减法单元88接收AGC控制信号26作为输入。此外，另一减法单元88接收存储元件92输出的信号100。该另一减法单元88的输出信号94是通过从AGC控制信号26减去信号100生成的。信号94被用作内部量化兀件80和减法单兀82的输入。基于信号94,内部量化兀件80生成图8B所示的步阶AGC信号24-2。如图8B可见并且如上面已指示的，衰减还伴有迟滞功能。因此，在图8B中的例如点“a+Ι”左右的RF电平的情况中，衰减保持为IldB并且不会切换到下一更高或更低衰减因子。减法单元82从控制信号24-2减去信号94以生成信号96。注意，信号96也可被称为“内部差信号(internal delta signal) ”，其在图8A中被示出以便更好地理解量化器16-2的功能。
信号96被用作加法单元84和另一加法单元90的输入。加法单元84将信号100与信号96相加以输出信号98，信号98被馈送到饱和单元86中。
饱和单元86实现“上限值截取/下限值截取功能”(ceiling/flooringfunction) ο在输入信号98位于上限饱和值与下限饱和值之间(在图9的示例中为+-0. 5dB)的情况中，饱和单兀86的输出信号102等于输入信号。在输入信号98高于或低于上限饱和值或低于下限饱和值(在此示例中为+-0. 5dB)的情况中，输出值102将为+0. 5dB或-O. 5dB。例如，如果信号98等于-O. 7dB,则输出信号将为-O. 5dB。另一示例如果信号98等于+0. 8dB,则输出信号将为+0. 5dB。此外，如图可见，另一加法单元90将信号96与信号100相加以生成信号34-2，信号34-2将被用作图I中的预先步阶补偿信号34。存储元件92接收从饱和单元86输出的信号102。存储元件102存储来自上一循环的上个值(注意，该系统以离散时间操作)。换言之，存储单元92总是存储饱和单元86的上一个输出值(“上一个”是指信号102在上一周期中的值)。存储元件92的初始值可被设为O或其它适当值。除了图2和图9所示的量化器的实施例以外，量化器的内部除了可涉及另外的步骤，例如乘以恒定因子。或者量化器可以仅通过使用高位作为经量化信号并且使用低位作为补偿信号来进行没有减法的操作。虽然这里已图示并描述了具体实施例，然而本领域普通技术人员将理解，可以在不脱离所述实施例的范围的情况下，用多种替代和/或等效实现方式来替换所示出和所描述的具体实施例。本申请意图涵盖对这里讨论的具体实施例的任何改编或变更。
权利要求
1.一种半导体装置，包括 输入衰减器(10)，适用于接收天线信号(20)并输出第一经衰减信号(22)，所述第一经衰减信号对应于通过第一衰减因子而被衰减的所述天线信号，所述输入衰减器还适用于接收控制信号(24)并且取决于所述控制信号选择多个预定衰减因子之一作为所述第一衰减因子； 模数转换器单元(12)，适用于通过对所述第一经衰减信号(22)数字化来生成中间信号(28);以及 数字衰减器(14)，适用于接收所述中间信号(28)并输出第二经衰减信号(32)，所述第二经衰减信号对应于通过第二衰减因子(44)而被衰减的所述中间信号，所述第二衰减因子(44)被设置来补偿所述控制信号(24)的增益量化误差。
2.如权利要求I所述的半导体装置，包括量化单元(16)，该量化单元(16)适用于接收AGC控制信号(26)并输出与所述控制信号相对应的经量化AGC控制信号(24)，从而使得所述多个预定衰减因子中的某一个与所述经量化AGC控制信号的一个量化步阶相对应。
3.如权利要求2所述的半导体装置，其中，所述量化单元(16)适用于生成用于设置所述第二衰减因子(44)的补偿信号(34 ;34’ )。
4.如权利要求3所述的半导体装置，其中，所述量化单元(16)适用于生成所述补偿信号(34’ )以便包括迟滞功能。
5.如权利要求3所述的半导体装置，包括延迟补偿单元(18)，适用于对所述补偿信号(34)进行延迟，以便补偿由所述输入衰减器(10)和/或所述模数转换器单元(12)引起的延迟。
6.如权利要求I所述的半导体装置，其中，所述数字衰减器(14)适用于通过应用以下函数来生成所述第二经衰减信号(32)z = i · 2七 其中 z :第二经衰减信号(32)； i :中间信号(28)； 2_kx :第二衰减因子(44)。
7.如权利要求6所述的半导体装置，其中，X是所述延迟补偿单元(18)的输出信号。
8.如权利要求I所述的半导体装置，其中，所述输入衰减器(10)适用于以模拟信号进行操作。
9.如权利要求I所述的半导体装置，其中，所述输入衰减器(10)包括串联布置在所述输入衰减器(10)的输入信号线与地之间的多个电阻器，所述输入信号线传送所述天线信号(20)。
10.如权利要求9所述的半导体装置，包括开关(50)和分别布置在所述多个电阻器之间的多个触点(49-1........49-3)，所述开关的输出对应于所述第一经衰减信号(22)，其中所述开关(50)适用于通过将所述开关的输出连接到所述多个触点中的所选一个触点来生成所述第一经衰减信号(22)，其中该选择基于所述控制信号(24)来实现。
11.如权利要求I所述的半导体装置，其中，所述天线信号(20)和所述第一经衰减信号(22)是40-1000MHZ频率范围中的高频信号。
12.一种包括半导体装置的电视机，该半导体装置包括 输入衰减器(10)，适用于接收天线信号(20)并输出第一经衰减信号(22)，所述第一经衰减信号对应于通过第一衰减因子而被衰减的所述天线信号，所述输入衰减器还适用于接收控制信号(24)并且取决于所述控制信号选择多个预定衰减因子之一作为所述第一衰减因子； 模数转换器单元(12)，适用于通过对所述第一经衰减信号(22)数字化来生成中间信号(28);以及 数字衰减器(14)，适用于接收所述中间信号(28)并输出第二经衰减信号(32)，所述第二经衰减信号对应于通过第二衰减因子(44)而被衰减的所述中间信号，所述第二衰减因子(44)被设置来补偿所述控制信号(24)的增益量化误差。
13.一种用于衰减天线信号的方法，包括 取决于控制信号(24)选择多个预定衰减因子之一作为第一衰减因子； 通过利用所述第一衰减因子衰减天线信号(20)来生成第一经衰减信号(22)； 通过对所述第一经衰减信号(22)数字化来生成中间信号(28)； 生成第二经衰减信号(32)，所述第二经衰减信号对应于通过第二衰减因子(44)而被衰减的所述中间信号，所述第二衰减因子被设置来补偿所述控制信号(24)的增益量化误差。
14.如权利要求13所述的方法，包括 接收AGC控制信号(26)； 输出被用作控制信号的经量化AGC控制信号(24)，以使得所述多个预定衰减因子中的某个衰减因子与所述经量化AGC控制信号的一个量化步阶相对应。
15.如权利要求14所述的方法，包括生成补偿信号(34)。
16.如权利要求15所述的方法，包括通过延迟所述补偿信号(34)来补偿由输入衰减器(10)和/或数字转换器单元(12)引起的延迟。
17.一种计算机程序、计算机程序产品或计算机可读存储介质，包括用于使计算机或信号处理器执行用于衰减天线信号的方法的计算机程序指令，所述方法包括 取决于控制信号(24)选择多个预定衰减因子之一作为第一衰减因子； 通过利用所述第一衰减因子衰减天线信号(20)来生成第一经衰减信号(22)； 通过对所述第一经衰减信号(22)数字化来生成中间信号(28);以及生成第二经衰减信号(32)，所述第二经衰减信号对应于通过第二衰减因子(44)而被衰减的所述中间信号，所述第二衰减因子被设置来补偿所述控制信号(24)的增益量化误差。
全文摘要
本发明公开了衰减器和衰减方法。一种半导体装置(1)，包括输入衰减器(10)，适用于接收天线信号(20)并输出第一经衰减信号(22)，第一经衰减信号对应于通过第一衰减因子而被衰减的天线信号，输入衰减器还适用于接收控制信号(24)并且取决于控制信号选择多个预定衰减因子之一作为所述第一衰减因子；模数转换器单元(12)，适用于通过对第一经衰减信号(22)数字化来生成中间信号(28)；以及数字衰减器(14)，适用于接收中间信号(28)并输出第二经衰减信号(32)，第二经衰减信号对应于通过第二衰减因子(44)而被衰减的中间信号，第二衰减因子(44)被设置来补偿控制信号(24)的增益量化误差。
文档编号H03G3/20GK102655396SQ20121004878
公开日2012年9月5日 申请日期2012年2月27日 优先权日2011年3月3日
发明者让德·斯帕林克 申请人:索尼公司