专利名称：相移设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及相移设备，特别涉及一种可变相移器，其中组成输入信号的多个相移元件按照由一相移控制的信号确定的比例组合，以便提供相移输出信号。
可变相移设备是有用的，例如，在压控振荡器中，滤波器中以及类似的应用中用作相位控制元件，因为在这些应用中需要受到控制的相位移。例如，在名称为“受控振荡器”(1977年4月26授权给Hawood)的美国专利中，公开了一种压控晶体振荡器，其中用于控制振荡频率的相位移由矢量和提供。特别地，一个振荡信号借助于一个两端L-C低通滤波器被相移+90°以及当该角度因改变+90°(正交)信号幅度而可控时结合原始信号产生在0°和超前角(例如+45°)之间的合成矢量。为了提供滞后相移(例如从0°至90°)，该正交矢量的极性被反转-90°而不是+90°，该被反转的正交矢量被附加到参考信号或输入信号。这里当角度通过改变该-90°矢量的幅度而可控时，合成矢量处在0°和一滞后角(0°至45°)之间。在一种振荡器应用中，无需正交相移元件(例如90°双极点滤波)的相移电路由Paul D.Filliman在其名称为“受控振荡器”的美国专利4797634中加以描述(1989.1.10授权)不同于Harwood的装置，Filliman相移器在某一时间结合三个矢量而不是两个矢量。使用的矢量角度为相对输入信号的-45°，0°和+135°，这三个矢量的混合提供全部正的(超前)或负的(滞后)相移。同样，由于该+135°矢量由反转-45°矢量产生，以及-45°相移可由单端RC滤波器提供，所以在提供在有关电视产品中的彩色振荡器的相位控制这样的应用中，该整个相移电路能容易地按集成电路构成。
图1表示Filliman振荡器的简化方块图。如图所示，相移器10由两个反馈通道提供，包括(i)DC通道(12)，通过使用负反馈调整振荡器DC工作点的电阻(14)以及(ii)AC反馈通道(16)，通过用单位增益提供引起产生振荡的正反馈的谐振器(18，例如一个晶体)。
如图1所示，相移器10是非反相的，然而振荡器应用要求反相，以便提供适当的稳定偏置的负DC反馈以及在标称谐振频率Fr下提供引起振荡产生的正AC反馈信号。对于振荡器应用而言，反馈信号的反相在图1中是通过在该相移器输出端22的一反相器35提供的，反相可以在不同位置任意地施加。例如反相器35可以放置在该相移器10的输入端20处，或者放置在该相移器之中。同样，反相可以通过使用相移网络10中的一差分输出放大器的反相输出或使用相移器输出端的相加放大器24的反相方式简便地提供。如将描述的那样，本发明的重要性不在于相移器是否反相，而在于如何达到该相移。
相移器10包括一输入端20用于接收相位将受到偏移的振荡输入信号S1以及一输出端22用于提供一相位受到偏移的输出信号S2。输入信号S1被分成三个“中间”信号或者“矢量”分量“A”，“B”和“C”，它们通过相加电路24相加，以便在网络10输出端22上提供相位被控制的输出信号S2。以下，术语“中间”信号或分量和术语“矢量”信号或分量可以交替使用。
固定增益放大器28、两个可变增益放大器30和32(后者为反相器)以及45°相位滞后网络26提供对输入信号S1的处理，以便形成中间信号或矢量分量“A”，“B”和“C”。图1中的矢量“A”的相位角相对输入信号S1为0°，并且由通过一非反相固定增益放大器28将该输入信号加到相加电路24来产生的。
矢量“B”的相位角相对输入信号S1为-45°，并且由将该输入信号在相移网络44(例如一低通滤波器)中的谐波器18的标称频率上相移45°(滞后)来产生的。之后相移信号“B”通过可变增益非反相放大器30加到相加电路24。
矢量“C”的相位角相对输入信号S1为+135°，并且由用加到相加电路24的可控增益反相放大器32反相45°相移网络26的输出来产生的。一相移控制信号S3直接加到放大器30的增益控输入端，并且通过加到反相放大器32的增益控制输入端的一反相器38被反相。
操作时，由于反相放大器52的作用，控制信号S3的增加将导至在端点22上矢量“B”的幅度的增加，因此将导至矢量“C”的幅度下降。而这将产生输出信号S2相对输入信号S1的滞后相位。相反地，控制信号S3的下降将导至矢量“B”的幅度下降以及矢量“C”的幅度增加，这将产生输出信号S2相对输入信号S1的超前相位。当改变相位角时，矢量“A”的幅度保持不变。矢量“B”和“C”的幅度的变化控制网络的网络相移，并由此控制振荡器的频率。
已经发现在某些特定条件下(例如不规则的放大器增益或增益变化)，使用所描述类型的三个矢量相移器的Fillman式的振荡器可呈现以下三个操作困难之一或多个(i)停振；(ii)谐波振荡；以及(iii)偏置不稳定。
以上指出的问题被发现起源于振荡器的相位偏移部分。还发现振荡器的这些问题可以通过限制相移器的相位范围这个方法来减轻。然而并不能完全满意地解决，因为它限制了振荡频率范围，并由此限制了振荡器的应用领域。
实施本发明的相移设备包括提供将被相移的输入信号的源和用于结合由该输入信号导出的具有不同相位移的第一，第二，第三信号的结合电路，以便形成相位偏移的输出信号。一第一幅度控制电路响应施加于它的相位控制信号按相反方向改变第二和第三中间信号的幅度，以便控制相位偏移输出信号的相位。此外，还提供了减小按说相移控制信号发生改变的可能性以便改变相位偏移输出信号的幅度的装置。
本发明的上述特征将在附图中加以说明，其中，相同元件由相同的参考标号指示，其中图1是使用三矢量和类型的相移网络的现有振荡器的简化方块图；图2A-2D是说明图1相移网络的正常操作的某些状态的矢量图；图3A-3D是说明非正常操作的某些状态的“伪”矢量图，在图1的相移网络的某些情况下已被发现产生；图4是实施本发明的一种相移网络的方块图；图5A-5D是说明图4的相移器的正常操作的矢量图；图6A-6D是说明图4的相移器的操作的某些方面的“伪”矢量；图7，8A和8B是说明适用于图4实施例中的适当的最小增益限制电路的电路图；以及图9，10和11是说明图4的相移器的改进的方块图。
在考虑本发明的细节之前，去考虑为何Filliman的三矢量相移器现有技术被遭受停振，谐波振荡以及偏置不稳(在某些情况下)以及为何限制相位控制范围将克服这些困难？这将是有帮助的。
首先，关于停振，如果开环增益减小到低于单位一，振荡条件不再满足。只要对于某些控制电压值在谐振器的基频上控相移电路增益呈现明显的下降这种情况就能发生。这个问题由图2A和2C说明。图2A是一矢量图，说明在图1的相移电路中的三个基本矢量，即“A”(在0度)，“B”(在-45度)以及“C”在+135度。假定所有矢量具有相同的幅度。图2C说明对于这样一种情况的合成相位移(矢量“R”)，其中相位角控制信号处在最小值(例如0)。在此情况下，当在相加电路24中相加时，矢量“A和”C“产生大大地小于矢量“A”或矢量“C”的一合成矢量“R”。由此可见，在最小相位控制信号值上(S3＝0)，该相移电路的增益基本上小于单位一，并由此中断振荡。因此，对于这种情况，人们将故意增加相移器的增益。
第二，考虑谐波振荡。如果在频带频率之外开环增益超过单位一，则满足寄生振荡的条件，这典型地发生在晶体的第三谐波处，因为在基频以及在该基频的奇次谐波处它起一个带通滤波器的作用。一低通滤波器通常包括在晶体网络(谐振器)中，以便抑制这个问题，但是在起控制电压作用的压控相移电路中过量增益仍然能引起谐波振荡。图2B说明这种过量增益的状况。在图2B中相移控制信号S3处于最大值。在这种情况下，由于在反相器32中的反相，矢量“C”为零，而矢量“A”和“B”都是全值。由相加电路24产生的它们的矢量和或合成输出信号“R”比单个矢量中之任何一个大得多，这表示增益提高。如果在振荡器应用中如上所述增益提高到足够大，则可产生寄生振荡。这样对于这种情况，人们故意降低相移器的增益。
在上述两例中可以看出对于持续振荡人们故意在相移控制信号S3的最小值上增加相移网络的增益。然而为了降低寄生振荡人们故意在控制信号S3的最大值上降低相移器增益。这些不同的增益要求在图2D的合成矢量图中说明，该图2D表示对于控制信号S3的最小最大和中间值的合成矢量。为解决这个问题人们可以试图作为控制信号S3的函数。只改变缓冲放大器35的增益然而这种假设的解决方法。
按本发明的一个方面，不可能仅改变合成矢量“R”的幅度校正停振和谐波振荡问题的理由是由于在基低频率上与电路操作有关的第三增益问题，“低”频率意味着由45°相移器26提供的相位移降低到很低的值(例如，几度)或者，在零Hz低通滤波器26不提供任何相移。具体地已经发现在很低的或零频率上，滤波器26不提供明显的延迟因此无明显的相移，使得在控制信号S3的某些条件下可以反转合成矢量“R”的极性。
更具体地，如果“DC”或低频增益接近零(或最坏，越过零并改变极性)将导致偏置的不稳定性。根据在本申请的电路中使用的DC偏置方法，DC或低频增益的改变能偏移环路的工作点导致停振或不满意的工作比或者，对于相位反转的情况，在DC反馈为正的封锁条件下，电路的作用像一闩锁。这个问题由图3A-3D的矢量图说明。除对于输入信号频率为零的条件外，这些图类似于图2A-2D(即为直流，DC)。
在DC，低通滤波器26提供接近高于标称(谐振器)频率3dB的幅度并且无伴随的相移产生。增加3dB增益的理由在于低通滤波器在谐振器频率引入3dB损耗，以得到-45°的相移而该损耗是通过调整放大器30和32的增益或加权相加器24来加以校正的。这在DC状况下，补偿低通滤波器的幅度将呈现纯净的3dB增益(即，1.414的增益)。因此，矢量“B”和“C”大于矢量“A”并处在矢量“A”的轴上。这将用图3A的基本矢量来说明。对于这两种原因，(B，C＞A以及都在轴上)，在DC以及低频该压控相移器比在谐振器18的标称频率呈现平坦的更高的增益灵敏度(对控制电压S3)。
图3B表示相位控制信号S3为最大情况的合成“R”。对于这种情况矢量“B”为零而矢量“C”处在其最大值。然而，在DC和低频率比矢量“A”大3dB。结果，合成矢量“R”的相位反转180°，这对于DC反馈必须为负的振荡器应用情况将引起正反馈，并造成整个电路的封锁，振荡停止。在图3D中表示这种不希望的情况，在该图3D中说明对于控制信号S3的最小，中间和最大值的三个合成矢量的合成。如所见到的那样，当相位控制信号S3处于其最小值时，合成矢量“R”的相位反转。
图4是应用本发明的相位移设备的方块图，其中的装置被提供来降低相位移控制信号S3随相位移输出信号S2幅度改变而发生变化的可能。这可通过这样一种方法实现，即相位移输出信号的相位对相位控制信号的任意值不反相。
除(1)图1的固定增益放大器26被图4中的可变增益放大器40取代，(2)对放大器40的增益控制是从控制反相放大器32的增益的相同总线52得到的，以及(3)最小增益限制器42连接到可变增益放大器40之外，图4中的相移器10A与图1中的相移器10相似。
相移器10A的操作由图5A-5D以及6A-6D说明。图5A说明用于相加的三个基本矢量，在0°，-45°和+135°具有相等的幅度。
图5B说明这样一种情况，即相位控制信号S3处最大值，使得矢量“B”增加，矢量“C”减小到零以及矢量“A”减小到由最小增益限制器42确定的最小值。这样产生出稍大于于矢量“B”的滞后合成矢量R。
图5C说明当S3置于最小值时(例如零)控制信号S3另一极端情况。在该情况中，放大器30的增益减小到零，所以矢量“B”的幅度也为零。矢量“A”的幅度由放大器40提高。矢量“C”和“A”的和“R”为超前矢量，大小与图5B中相同。图5D是说明对于相位控制信号S3的最小，中间和最大值的合成矢量的合成矢量图。如所示那样，在信号S3的全部范围上合成矢量“R”在幅度上的差异不大。
根据上面所述，已经看出，在标称工作频率下，滤波器26的相移为45°时，整个相移器电路10A的增益是稳定的。现在将考虑滤波器26的相移可忽略时给出在DC和低频上的幅度响应。
如上所讨论那样，假定在相移器的工作的标称频率上所有矢量的增益被规化。这当然应该接近振荡器应用状态的谐振器频率。这在DC和低频率上，设置在中间范围上的矢量“B”和“C”将比矢量“A”大(3dB)。图6A说明在DC和低频时“基本”矢量的矢量关系。图6B说明相位控制信号S3被设置到最大值的情况。在这种情况下放大器40将矢量“C”的幅度减小到零，而放大器40将矢量“A”的幅度减小到由最小增益限制器42确定的最小值。这样合成矢量“R”将等于最小的“A”值加上矢量“B”的增大的幅度的和。如说明那样，对于设置相位控制信号S3最大的情况不存在合成矢量的反转。
图6C说明相位控制信号S3减小到其最小值(零)的情况，这使放大器30的增益减小，由此使矢量“B”的幅度等于零。放大器40和32两者呈现增益增加，因为它们接收了反相的相位控制信号(S3)。但是放大器40的最大增益被选择得比放大器32的大得多，使得在假定条件下矢量“A”比矢量“C”大。约6dB的增益差是适宜的，这样就允许某些放大器增益容差变化。结果，对于设置相位控制信号S3为最小的情况，合成矢量“R”是正的(即不反相)。图6D是矢量图，是相位控制信号三个值，即最小，中间和最大值的合成。虽然该图表示在DC和低频时的增益变化，然而对于相位控制信号S3的任何设置相位不反转。
在本发明的以上例子中，一可变增益放大器40被用于改变中间信号(矢量“A”)的幅度，最小增益限制器42连接到放大器40。图7是适用作为放大器40和最小增益限制器42的可变增益差分放大器。该放大器包括将晶体管Q3和Q4连接到输出端706和707的一对源，该晶体管Q3和Q4具有连接到地的漏极负载R1和R2。晶体管Q3和Q4的静电流被改变使放大器的跨导(gm)变化，由此产生正比于可变跨导和负载值乘积(RL)的可变增益K。
为了进行跨导控制，提供了晶体管Q2，工作在加到701和703端的固定的栅-源偏置上。换言之，该晶体管被偏置作为固定电流源。因此差分放大器的晶体管Q3和Q4的跨导不能小于由晶体管Q2提供的固定电流所确定的值。这相应于图4中最小增益限制器42的作用。
可变增益控制由具有固定源极电压的晶体管Q1提供，栅压随加到控制输入端702的控制信号变化从而构成一个可变电流源。这样当相位控制信号改变时由晶体管Q1提供的电流也改变，从而控制了晶体管Q3和Q4的跨导。但是当加到702端的控制电压偏置晶体管断开时，跨导不降低到零，因为晶体管Q2仍施加一最小电流，这个电流与由晶体管Q1提供的电流无关。最大增益由两电流源晶体管提供的电流和确定。
对于矢量“A”，存在着不同的设置最小幅度的其他方法。例如图9说明图4相移器的修改，其中最小增益限制器42放置在控制信号通道中用作放大器40的增益控制信号(S3)。如此目的可使用箝位电路。在图8中来自反相器38的控制信号加到输入端801、然后通过一二极管802加到输出端803。端803通过电阻804和参考电压源805(电池)还连接到地。
工作时，当相位控制信号大于电池电压和二极管802的正向电压时，二极管将导通，并且将一控制信号加到随相位控制信号改变的可变增益放大器40。但是，在低电压时，二极管将不导电，并因此加到放大器40的增益控制输入端的电压将等于参考源805电压的固定值。图8B的箝拉电路除二极管802和电阻804被交换位置外与图8A的相类似。工作时，对于大于电池和二极管电压和的输入电压，二极管将截止，放大器40的输出电压将跟随在801端上的控制信号。相反，在低电压时，二极管将被正向偏置，因此保持对放大器40的固定增益控制偏压并建立一最小增益。
图10是说明修改图4实施例的方块图，其中，最小增益限制器42是通过放置包括围绕放大器40的一放大器620的旁路通道600实施的。该通道保证甚至当放大器40被偏置产生零输出时，矢量“A”将仍具有由衰减器确定的一最小值。图11说明图4相移器的修改，其中反相器38从相位控制信号总线52移动到相位总线50。除了当相位控制信号S3变化时相位按相反方向偏移之外，电路工作和图4相同。
权利要求
1.相位偏移设备，特征在于—信号源，提供将被相移的输入信号；—装置，将从所说输入信号导出并具有不同相移的第一，第二和第三中间信号相加，以便形成相位偏移的输出信号；幅度控制装置，响应施加于它的相位控制信号，按反方向改变所说第二和第三中间信号的幅度，以便控制所说相位偏移输出信号的相位；以及—装置，用于减小所说相位移控制信号发生改变的可能性以便改变所说相位偏移输出信号的幅度。
2.按权利要求1的设备，进一步的特征在于所说电路装置包括第二幅度控制装置，作为所述相位控制信号的函数，改变所说第一中间信号的幅度起所说相位控制信，以便减小所说可能性。
3.按权利要求1的设备，进一步的特征在于所说第一中间与所说输入信号同相；所说第二和第三中间信号之一基本上相对所说输入信号相移45°；以及所说第二和第三中间信号的另一个信号与所说中间信号之一反相。
4.按权利要求1的设备，进一步特征在于所说第一，第二和第三中间信号相对所说输入信号分别相移0，-45和+135°角
5.按权利要求1的设备，进一步特征在于所说第一，第二和第三中间信号相对所说输入信号分别相移0，-45和+135°角；所说第一，第二和第三中间信号的每个信号都由各自的一个第一，第二和第三放大器放大，每个放大器有各自的增益；以及所说第一放大器的增益大于所说第三放大器的增益。
6.按权利要求1的设备，进一步特征在于幅度限制装置，用于设置所说第一中间信号的最小幅度。
7.按权利要求1的设备，进一步的特征在于所说第二幅度控制装置包括—放大器，具有赖于加到它的一工作电流的跨导；—电流源，用于将第一工作电流加到随所说相位控制信号作用的变化所说放大器；以及—装置，用于限制所说放大器的跨导到从一最小值到一最大值的数值范围。
8.按权利要求1的设备，进一步的特征在于所说幅度控制装置包括—放大器，具有赖于加到它的一工作电流值的跨导；—一第一电流源用于将一固定工作电流加到所说放大器，由此建立对于所说放大器的跨导的一最小值；以及—第二电流源，响应所说相位控制信号，将一可变工作电流加到所说放大器，由此将所说跨导从由所说第一电流源提供的所说最小值改变到正比于由两电流源提供的电流和的一最大值。
9.相位偏移设备，特征在于—信号源(20)，提供将被相移的输入信号(S1)；—装置(24)，用于将全由所说输入信号导出的第一(A)，第二(B)和和第三(C)中间信号相加。以便形成相位偏移的输出信号，所说第一中间信号(A)与所说输入信号同相，所说第二中间信号(B)相对输入信号基本相移45°，以及所说中间信号(C)相对所说第二中间信号基本相移180°；第一幅度控制装置(30，32，34，38)响应加到它们的相位偏移控制信号(S3)，按反方向改变所说第二和第三中间信号的幅度，用于控制所说相位偏移输出信号的相位；以及第二幅度控制装置(34，38，40)，用于和所选择的所说第二和第三信号之一个信号(C)的幅度变化相一致改变所说第一中间信号(A)的幅度。
10.按权利要求9的设备，进一步特征在于所说第一中间信号在具有第一增益的第一放大器中经受放大；所说选择的所说第二和第三信号之一个信号在具有第二增益的第二放大器中经受放大；以及所说第一放大器的所说第一增益大于所说第二放大器的第二增益。
11.按权利要求9的相位偏移设备，进一步特征在于第三幅度控制装置(42)，用于设置所说第一信号(A)的最小幅度的限制，所说最小幅度与所说相位控制信号变化无关。
12.按权利要求9的设备，进一步的特征在于所说第二幅度控制装置(图7)包括—放大器(Q3，Q4)，所说输入信号加到它，用于(704或705)产生所说第一中间信号(A)，所说放大器具有赖于加到它的一工作电流值的跨导(gm)；—一电流源(Q1)，用于施加一工作电流到随所说相位控制信号(S3)作用变化的所说放大器；以及—装置(Q2)，用于限制所说放大器的跨导到从一最小值到一最大值的数值范围。
13.按权利要求9的设备，进一步特征在于所说第二幅度控制装置包括—放大器(Q3，Q4)，所说输入信号加到它用于产生所说第一中间信号(A)，所说放大器具有赖于加到它的一工作值的跨导(gm)；—电流源(Q2)，用于将一固定工作电流加到所说放大器，由此对所说放大器建立跨导的一最小值，以及—一第二电流源(Q1)，响应所说控制信号(S3)，用于将一可变工作电流加到所说放大器，使所说跨导在从由所说第一电流源提供的所说最小值到正比于由两个电流源提供的电流和最大值这个范围内变化。
全文摘要
一源提供一个将被相移的输入信号，以及一结合电路，结合由输入信号导出的具有不同相移的第一，第二和第三中间信号，以便形成相位偏移的输出信号，一第一幅度控制器响应施加于它的一相位控制信号按相反方向改变第二和第三中间信号的幅度以便控制相位偏移输出信号的相位。此外，幅度控制器减小相位移控制信号发生变化的可能性，以便改变相位偏移输出信号的交流(图5)直流(图6)电流的幅度。
文档编号H03B5/08GK1165437SQ96121940
公开日1997年11月19日 申请日期1996年9月21日 优先权日1995年9月22日
发明者P·D·菲利曼, M·F·朗姆拉希 申请人:汤姆森消费电子有限公司