线性放大和解调调幅信号的电路布置及其集成半导体元件的制作方法

专利名称：线性放大和解调调幅信号的电路布置及其集成半导体元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于线性放大和解调已调幅信号的一种电路布置。这样的电路布置是已知的，并且经常被应用于，例如，广播接收机中，用来放大和解调中频已调幅的声频或视频信号。
重要的是经过大动态范围增益仍保持线性状态，也就是说，应当使放大器不在大信号场强度情况下执行其限定的操作。为此目的，通常的做法是采用自动增益控制。在大信号场强度情况下，将一级增益减小以便使其后各级不执行它们的限定操作。
然而，自动增益控制具有若干缺点。需要许多电路元件用来导出，推迟、放大和/或校平所要求的控制电压。各放大级必须是可控的，为此，必须对各放大级的噪声和/或畸度性能有所让步。此外，自动声量控制(AVC)效应是，使各调制信号的最低频率部分受到抑制，结果在频率特性的最低界限形成解调信号的不希望有的衰减。
本发明的目的是提供一种用于线性放大和解调已调幅信号的电路布置，在该电路布置中，上述有关自动增益控制的各种缺点至少部分得以排除，为此目的，根据本发明的电路布置其特征在于-具有若干随输入信号的增大而顺序地执行它们的限定操作的限定放大级、并且对每级都配备有解调电路、对所有级配有公共的加法电路的样式的对数放大器，该对数放大器有一个用于供给已调幅信号的输入端和一个用于供给解调的、用对数改变形状的输出信号的输出端;
-具有连接到对数放大器输出端上的输入端的反对数电路，该电路用于具体补偿对数放大器输出信号的对数失真，并且用于供给解调的调幅信号;以及-准备使对数放大器输出信号的直流分量不加到反对数电路的输入端的隔直装置。
此外，本发明还有一个目的是提供一种用于这样的电路布置的半导体元件。
本发明在要求线性信号增益的应用中可获得很多的优点，如果已调幅信号首先借助这样的对数放大器进行放大和解调，则与合成场强有关的直流分量受到阻隔，而借助于反对数电路对该用对数变形的信号接着再次进行线性化。
从IEEE，JournalofsoliolstateCircuits，卷sc-15，no-31980年6月，第291-295页;或者从德国展出说明书2，606，270中已知有上述样式的对数放大器。这些对数放大器被用于对具有大动态范围的调幅信号进行放大和解调，在这些信号中要求大信号振幅压缩，例如，在中频雷达应用或辐射探测器应用中。由于对数压缩的结果，于是就能够取消自动声量控制。
从GB-A-1，600，117中还知道有将对数放大器与反对数电路联合用于非线性放大，例如，按信号的平方放大。
为了获得令人满意的对数特性，各放大级中每一级的增益应当是比较小的(例如，＜15db)。另一方面，加到反对数电路上的信号的振幅，应当具有对于对数失真的最佳补偿的校正值。为满足该两个要求，根据本发明的电路布置，其特征可能在于对数放大器包括若干放大级，它们具有以给定增益的信号供给下一级的第一输出和以较高增益的信号供给相关的解调电路的第二输出。
用于将对数放大器的解调的、用对数变形的输出信号加到如下串联布置上的装置，用简单的方法可得到反对数电路，该串联布置包括一个电容器，一个半导体元件的pn结，连接到电容器与pn线之间的公共接点上、用于将偏流在正面供给pn结的一个电流源，以及用于从通过pn结的电流中导出解调的调幅信号的装置。如果所述pn结是由晶体管的基极一发射结构成的、电容器和电流源都连接到该晶体管的发射极上，并且，如果将用于解调的调幅信号的输出耦合到所述晶体管的集电极，则可达到节约元件的效果。
应该注意具有随输入信号的增大而顺序地执行它们的限定操作的级联放大级样式的对数放大器本身在调频接收机中应用是已知的，该种对数放大器同时用于供给一种与调频场强有关的控制量的逐级解调，然后将该控制量用于，例如，一个立体声译码电路的与调频场强有关的单立体声控制。由各级联的放大级非线性地进行放大的调频信号于是就被加到用于解调调频信号的一个调频检波器上。
在调幅调频接收机中应用根据本发明的电路布置具有的优点是，各限定的放大级既可以用来对调频信号进行放大，也可以用来对调幅信号进行放大，并且，整个对数放大器可用作两者都接收，即用于调幅信号的非线性放大和检波，并可能一方面在接收调幅的情况下用于产生一种与场强有关的控制量，另一方面在接收的调频的情况下用于产生一种与场强有关的控制量。
在用于汽车上的调频接收机中，已知有把抑制电路(IAC)用来抑制在解调的调频信号中的干扰脉冲的。当采用这样的抑制电路时，根据本发明的电路布置，其进一步的特征可能是用于从供给解调的调幅信号的输出中、把抑制脉冲供给抑制电路的连接。
所有这些意味着与那些对于接收调频信号接收和接收调幅信号采用基本上完全独立部分的电路布置相比，用本发明可获得大大的简化。这还意味着以简单而廉价的方式来提供一种集成半导体元件是有可能的，该种元件在调幅接收机、调频接收机、调幅调频接收机，以及既用于调制调幅又用于调制调频信号的接收机中都可得到广泛的应用。这样一种半导体元件最好将包括对数放大器的若干可集成的电路元件，反对数电路和调频检波器，以及，供所有待放大和解调信号用的公共输入端，供解调的调频信号的输出端，供解调的调幅信号用的输出端和供与场强有关的控制量用的输出端。
下面将通过实施例、参考各附图对本发明进行更详细的描述，附图中

图1是根据本发明电路布置的方块图;
图2是根据本发明电路布置的第二方块图;
图3展示说明图2电路布置的操作的特性曲线;
图4是根据本发明电路布置的详细电路图;
图5是图4电路图的改进;以及图6是根据本发明用于接收和处理调幅或调频已调无线电信号的电路布置的方块图。
图1的电路图展示级联的五个限定的放大级A1至A5，具有被耦合到进线端子4/5上的放大级A1的输入，以及连接到前位级A1至A4的输出的各连续级A2至A5的各自输入。各放大级A1至A5的每个输出还耦合到解调电路D1至D5的输入上，并且将所述各解调电路的输出耦合到加法电路S上，在该加法电路中，通过解调电路解调的各放大级的输出信号进行求和。将加法电路S的输出信号Vlog经由端子15和用电容器C的符号表示的直流分隔加到反对数电路AL上，该反对数电路AL具有进线端子16和用于供给线性解调信号Vo的输出端20。将调幅输入信号Vi，例如，在无线电接收机中用于已调幅信号的470KHz的中频已调幅信号加到进线端子4/5上。输入信号Vi的振幅由于两种原因可以变化，即一方面是由于信号调制(大致为20db)所造成的，但另一方面更加多(例如，50-60db)是由于经由天线和RF预备级(未示出)接收的信号受其包围的场强变化所造成的。可以用在RF预备级上的自动增益控制(AGC)来减小最高场强变化，但输入信号Vi仍然基本上是未经控制的。
输入信号Vi的振幅变化确保放大级A1至A5的或多或少各级执行它们的限作操作。就小的输入信号来说，所有级都是非限定的，但随着输入信号的增大，首先放大级A5、接着放大级A4等等将执行它们的限定操作。各放大级的输出信号在解调电路D1…D5中逐级进行解调，并接着在加法电路S中进行求和。
已知的各限定的放大级、各解调电路和加法电路的组合构成对数放大器/检波器LA，它的输出信号Vlog大体上是输入信号振幅的对数的令人满意的近似值。在Vlog与Vi的振幅之间的对数关系更好地近似于使A1-A5各级的每级增益较小而这些级的级数较多。另一方面所述对数放大器的动态范围基本上是由放大级的级数乘以每级的增益而确定的。例如，对于一个产生大致为70db动态范围的调幅中频放大器，可以选择每级增益为12db的6个放大级。显然图1中示出的五个级的级数只是作为实施例而给出的。在各放大级中最好是用具有直联式发射极的双极晶体管差动放大器(参见图4)以求得一种良好的对数变化。
对数放大器的输出信号Vlog包括用对数变形的调制信号，以及视接收的输入信号的平均场强而定的直流分量。该与场强有关的直流分量通过只让用对数变形的调制信号出现于反对数电路AL的输入端的方法由直流分隔来予以阻隔。在反对数电路中，将该信号转换为原先的无失真的调制信号。因此，在已知的放大器中，通过在一级或多级放大级中的自动增益控制，使输入信号的场强依存关系被抑制到一定的范围，由对数放大器/解调器、直流分隔和反对数电路的组合所示出的电路布置中则对这种场强依存关系进行完全的抑制。但是，该对数放大器必须具有一个大的动态范围，例如，20db用于信号变化，以及50db用于场强变化，从而，总计为70db，该反对数电路的动态范围只需要适用于所述信号变化(20db)。
反对数电路的输入信号应具有用于最佳信号线性化的校正值。例如，倘若将用对数变形的信号加到一个硅pn结上，Vlog应按所述信号Vi每倍频程大致为17-20毫伏计算增长。为了获得该最佳值，可以或者应予加大每放大级A…A5的增益(这有损于放大器LA的正确对数变化)，或者必须在加法电路的输出中引入额外的放大级。一种简单的解决办法可以是，使级联的每个放大级A1-A4具有两种信号输出，一种用于激励下一个放大级的信号具有低的增益，而一种用于激励相关联的解调电路的信号则具有较高的增益。
这在图2中进行了说明，在图中相同的元件应用图1中相同的标号并且其中相对于相关放大级的输入的输出的增益在放大级A1…A5的各个输出处进行表明。A1、A2、A3、和A4各级的增益G接到下一级的输入可能等于，例如，4(＝12db)，而A2、A3、A4和A5接到各自的解调电路的增益等于K×G，此处K＞1，K可能等于，例如，2，这样K×G＝8(＝18db)。
最后执行其限定操作的放大级随着输入信号(即，放大级A1)的增大而具有通到其解调输出的增益，该增益大致为 (G)/(G-1) 倍，大于通往其他各放大级的解调输出的增益，即，它适合于G＝4，那么 (G)/(G-1) ＝ 4/3 ＝2.5db，因此，级A1通到其解调输出的增益大致为20.5db。
已经发现这种方法在较高信号振幅处促使对数放大器对数特性得到改进。在图3中更详细地证明了这点。该图展示以线性标度尺表示的输出信号Vlog作为以对数标度表示的Vi的振幅的函数的特性曲线。曲线C1是具有G＝4和相同增益通到解调输出的六个放大级的特性曲线;曲线C2是具有2.5db较高增益通到放大级A1的解调输出的相同的特性曲线。代替放大器A1，解调电路D1也可以具有所要求的 (G)/(G-1) 较高增益，例如，通过将参照图4予以说明的电阻R1值选择成小于相应各电阻R2…Rn的值。
在图4的实施例中，级联设置的各放大级用A1至An进行表示，而各解调电路则用D1至Dn进行表示。放大级A1包括两个发射极是直联在一起的晶体管1和2。将DC源3装在这些发射极与地之间，将晶体管1和2的基极连接到放大级A1的两个进线端子4和5上;它们也构成对数放大器的进线端子。将正的供电端子经由两个串联设置的电阻6和7连接到晶体管1的集电极上，并经由两个串联设置的电阻8和9连接到晶体管2的集电极上。将电阻6和7以及电阻8和9的接合点连接到聚接的放大级A2的进线端子上，而将晶体管1和2的集电极连接到解调电路D1的两个进线端子上。
晶体管1和2、与它们的集电极各电阻，以及公共电流源3构成具有双曲正切转移函数的限定的放大器。通到下一个放大级的增益由电流源3和集电极电阻6和8的值予以确定。通到解调电路D1的较大的增益由电流源3和串联设置的集电极电阻6/7和8/9的值予以确定。
解调电路D1包含两个晶体管10和11，该两晶体管的发射极互相连接在一起，同时，两集电极连接到正的供电端子上。晶体管10的基极连接到晶体管1的集电极上，而晶体管11的基极则连接到晶体管2的集电极上。晶体管10和11组成用于放大级A1输出信号的全波整流器。这些晶体管的互联发射极经由电阻R1被耦合到加法电路S。
放大级A2至An和解调电路D2至Dn分别与级A1和解调电路D1都是相同的，以下述情况为条件即，使级A1的电阻7和9具有高于其他各级相应的那些电阻的值，以便使第一级达到高 (G)/(G-1) 倍的增益，而且，在最后级An中，电阻6、7和8、9可以合并成一个集电极电阻，因为已不需要为下一个放大级输出。结合参照图6将得以阐明，将具有一个输出端子29的FM检波器FD连接到最后级An上是有利的。
加法电路S包含一个公用节点P，电阻R1和相应的电阻R2…Rn都连接于其上，此外电流源12也连接于其上。该节点P经由包含晶体管13和发射极电阻14的发射级跟随器电路连接到输出端15上。该输出端子15供给对数电压Vlog，从而，起到对数放大器的输出的作用。
对数放大器的输出端子15经由分隔电容器C连接到反对数电路AL的进线端子16上。反对数电路AL包含一个晶体管71，它的基极被连接到进线端子16上，而它的发射极则直接接地。该晶体管17的集电极经由集电极电阻18被连接到正的供电端子上，同时，基极经由电源流19也连接到那里。最后，将集电极连接到用来供给线性解调信号Vo的输出端子20上。为减小晶体管17的集电极阻抗，可以将与晶体管17进行级联的一个共基极晶体管设置在该晶体管的集电极与电阻18之间。
为闸明分隔电容器C和反对数电路AL的操作，假定可以用A(1+msinμt)sinwt来代表在端子4-5处的输入信号，其中，w是已调幅载波的角频，1+msinμt是具有角频μ和调制幅度m的正弦调幅波，而A是载波振幅平均值。该振幅A是由输入信号的场强变化的结果而改变的。
由于对数放大器/解调器的解调和对数转换，信号Vlog正比于ln{A.(1+msinμt)｝＝1nA+1n(1+msinμt)。
第一项是与场强有关的Vlog的直流分量，该分量通过电容器C是不予传输的。电压1n(1+mSinμt)存在于晶体管17的基级一发射级结的两端，然后，该结的指数的电压-电流特性通过集电极电阻18将该电压转换成电流I·(1+msinμt)，其中，I是电流源19所确定的集电极电流平均值。于是，在输出端子20可得到无失真的调制。
应当注意In(1+msinμt)项实际上包含与调制有关的直流分量，该分量当然被电容器C进行隔离，并且，会因而导致该调制信号的不正确的线性化。然而，可以查明该电流源19，与晶体管17的指数的基级一发射极结一起，在该结两端再生所需要的直流分量。由电流源19供给的直流值还确定了输出信号Vo的振幅。
如果该调制信号具有其本身的DC分量，通常如视频信号那样;所述源19的电流应当根据该直流量而进行变化。这可以借助于在输出端子20，将视频信号的电平(该电平应当是恒定的，例如，峰值同步电平或脉冲后沿电平)与一个基准电平进行比较、通过从差异中导出控制电压，并利用该电压来控制电流源19来完成。
正如将参照图6进行说明的，经常要用到与场强有关的控制电压Vlovel。该电压可以从端子15处的电压Vlog经由一个将Vlog的AC分量滤出的低通滤波器21来导电。利用图5的反对数电路，可以用一种简单的方式来获得这样的控制电压。在该种情况下，将电压Vlog经由端子16直接加到晶体管17的基极上;这时，将电容器C′设置在晶体管17的发射极与地之间来代替图4的电容器C，并且，图5的反对数电路包含设置在发射极与地之间的电流滤19′来代替电流源19。该电路的操作基本上类似于图4的电路，但是在图5的电路中，可以直接从电容器C′减去该电压Vlevel。此外，由于除电容器C和C′之外对数放大器和反对数电路都可以用简单的方法完全结合在一个集成电路(IC)中，而应当将该电容器进行外接，所以对于图5中的电容器C′只需要一只IC管脚，而对于图4中的电容器C则需要两只IC管脚。
为减少图4/5的电路的温度依赖关系，电流源3、12、19和19′可以是与温度有关的，最好取这样的方式，使电流正比于绝对温度。
图6展示一种供已调幅和已调频信号用的无线电接收机。该接收机包括一个调频调谐器23和一个调幅调谐器24，可以将它们都连接到天线25上。调幅/调频开关26把供电电压供给用于接收调频信号的调频调谐器，同时，也供给用于接收调幅信号的调幅调谐器。
调谐器23和24都分别把它们的已调频和已调幅中频信号供给中频电路27的输入4/5，该电路可具有如参照前面的一张或多张图中所描述的形式。该IF电路27具有放大级AN的一个输出端28，用于供应由各放大级A1…AN限定和放大的调频中频信号。在接收FM期间用于解调IF信号的调频解调器29被耦合到输出端28。在干扰脉冲抑制电路(IAC)30中对已解调的调频信号进行干扰抑制，该电路具有在美国专利3，739，285中以申请人的名义所描述的一种形式，然后，该经干扰抑制的信号在立体声译码器31中进行译码，该译码器经由两个调幅/调频开关32和33分别把左和右立体声信号分别加到低频放大器34和35和连接到那里的喇叭36和37上。
当接收调幅信号之际，已调幅中频信号被加到IF电路27的输入端4/5上。如所描述的，所述输出端20供给线性放大和解调调幅信号Vo。该信号在一个低通滤波器38中不包含不想要的高频分量，而这样经滤波的低频信号经由调幅/调频开关32和33被加到低频放大器34和35上。
该中频电路27的Vo输出，不仅在接收调幅信号期间用来供给已解调的信号，而且还用于接收调频信号。事实上，在接收调频信号期间，该输出供应在调频信号中由脉冲干扰所产生的脉冲，然后将这些脉冲加到抑制电路30上，使其在一个短的周期中隔离从调频检波器至立体声译码器的信号供应。如在美国专利3，739，285中所描述的，也可以从调频中频信号中而不是从已解调的调频信号中来选择隔离脉冲。
呈现于中频电路的输出端22的与场强有关的直流电压Vlevel也可以用作接收调频和调幅信号。为此目的，将Vlevel加到立体声译码器31上，在接收的调频信号的电平变得太弱时，为了令人满意的立体声复制，用于从立体声突然或逐步的过渡到单声复制。也可得Vlevel作为自动声量控制加到调幅调谐器24上，以便在接收极度强的调幅信号时减小调幅调谐器的RF增益。
除在调频检测器中若干电路元件以外，图4和5中用破折线包围的部分中的所有元件都可以结合在一个集成半导体元件中，在该元件中，图4中4、5、15、16、29各端子和图5中4、5、20、22、29各端子可以是IC管脚。这提供了一种非常通用的IC，它可以用于调幅接收机，调频接收机，调幅/调频接收机，以及既用于已调幅又用于已调频信号的接收机中。
要注意对数放大器的各放大级A1…AN并不是都应当安排成级联的。相同优先权日期的申请人的专利申请书(PHN12，459)对这种接线法作出了参考，并将其参考结合在本说明书中。
权利要求
1.用于对已调幅信号进行线性放大和解调的一种电路布置，其特征在于一具有若干随输入信号的增大而顺序地执行它们的限定操作的限定放大级、并且对每级都配备有解调电路、对所有级配有公共的加法电路的样式的对数放大器，该对数放大器有一个用于供给AM已调信号的输入端和一个用于供给解调的、用对数失真的输出信号的输出端；一具有其输入端连接到对数放大器输出端上的反对数电路，该电路用于大体上补偿对数放大器输出信号的对数失真，并且用于供给解调的AM信号；以及一准备使对数放大器输出信号的直流分量不加到对数电路的输入端上的隔直装置。
2.如权利要求1的一种电路布置，其特征在于对数放大器包括若干放大级，它们具有以给定增益的信号供给下一级的第一输出和以较高增益的信号供给相关的解调电路的第二输出。
3.如权利要求1的一种电路布置，其特征在于用于将对数放大器的解调的、用对数失真的输出信号加到串联布置上的装置，该串联布置包括一个电容器、一个半导体元件的Pn结，连接到电容器与Pn结之间的公共接点上、用于将偏流在正向供给Pn结的一个电流源，以及用于从通过Pn结的电流中导出解调的调幅信号的装置。
4.如权利要求3的一种电路布置，其特征在于该Pn结是由晶体管的基极发射极结构成的、在于电容器和电流源都连接到该晶体管发射极上，并且，在于将用于解调的调幅信号的输出连接到所述晶体管的集电极上。
5.如权利要求3或4的一种电路布置，其特征在于该对数放大器的输出信号大致按对数放大器的输入信号每倍频程17-20毫伏而变化。
6.如前面各权利要求中任一项的一种电路布置，其特征在于用于把已调频信号加到用于供给已调幅信号的输入端上的装置，连接到对数放大器的各放大级之一的一个输出端上的一个调频检波器，以及用于处理由反对数电路供应的已解调调幅信号和由调频检波器供应的已解调调频信号的低频电路。
7.如权利要求6的一种电路布置，其特征在于用于从对数放大器的输出信号中导出一个与场强有关的控制量的装置，以及用于把与场强有关的控制量供给具有与调频信号场强有关功能的装置，并且供给具有与调幅信号场强有关功能的装置。
8.如权利要求6的一种电路布置，它包括用来抑制在解调的调频信号中的干扰脉冲的一个抑制电路，其特征在于用于从供给解调的调幅信号的输出中、把抑制脉冲供给抑制电路的连接方法。
9.如前面各权利要求中任一项的供一种电路布置用的一种集成的半导体元件，其特征在于它包括具有随输入信号增大而顺序地执行它们的限定操作的若干放大级样式的对数放大器的可集成的电路元件，用于每个级的解调电路，和一个为所有的级所公用的加法电路，和一个反对数电路，以及耦合到对数放大器的一个输入端上用于供给待解调信号的一个输入管脚和耦合到反对数电路的一个输出端上用于供给调幅解调信号的一个输出管脚。
10.如权利要求9的一种集成半导体元件，其特征在于它另外还包括一个调频检波器的各可集成电路元件和耦合到调频检波器的一个输出端用于供给调频解调信号的一个输出管脚。
11.如权利要求9或10的一种集成半导体元件，其特征在于它进一步包括耦合到对数放大器的一个输出端上用于供给一种与场强有关的控制量的一个输出管脚。
全文摘要
一种线性放大器和用于已调幅信号的解调器包括一个具有若干放大级、顺序地执行它们的限定操作的对数放大器，一个反对数电路，以及在对数放大器与反对数电路之间的直流分隔。
文档编号H03D1/00GK1035594SQ8910116
公开日1989年9月13日 申请日期1989年2月25日 优先权日1988年2月29日
发明者阿诺德斯·加斯坎普 申请人:菲利浦光灯制造公司