CN101567669A - 可变增益放大器 - Google Patents

Abstract

一种可变增益放大器，包括电流调节型放大电路和补偿电路，其中，所述电流调节型放大电路根据控制电压来改变增益，而补偿电路的输出端与所述电流调节型放大电路的输出端相连，并向所述电流调节型放大电路提供直流补偿电流，所述直流补偿电流与所述电流调节型放大电路的输出电流的和等于所述电流调节型放大电路的电流源电流。所述可变增益放大器的输出电流较稳定，减小了共模输出电平的变化，从而也减小了对下一级电路偏置的影响。

Description

可变增益放大器

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及应用于通信***收发链路中的可变增益放大器。

背景技术

可变增益放大器(VGA，Variable Gain Amplify)是通信电路中的一个常用模块，其主要作用是当输入信号幅度变化很大时，调整收发链路的增益使得输出信号幅度基本稳定，便于后续处理模块对信号再处理。射频信号经过下变频混频器降频处理后，得到的基带信号通常由基带可变增益放大器(BBVGA)放大。为了得到一定的输出幅度，基带可变增益放大器通常设计成多级形式，级间还会***基带频道选择滤波器。所以第一级基带可变增益放大器输出通常接到下一级可变增益放大器的差分对或者是滤波器的跨导级。

由于基带信号频率一般较低(＜50MHz)，如果采用交流耦合，则需要的电容值较大(几十至上百nF)，片上集成非常困难且很不经济，因此片内通常采用直流耦合的方法。这就意味着前一级电路的输出电平将是后一级电路的偏置，如果直流耦合偏置设置不够合理，电路性能将受到影响，甚至无法正常工作。

对于采用数据流形式而不是帧形式的信号的通信***，使用离散增益控制策略会在增益突变时出现暂时的数据丢失，因此这种***通常采用连续增益控制策略。电流调节式(Current Steering)结构的可变增益放大器是一种常见的连续增益控制结构的可变增益放大器，其结构的一种实例参照图1所示，通过改变控制电压V_c、V_b，来调节电流I₂、I₃的比例，从而改变增益。该增益随控制电压V_bc，(V_bc＝V_b-V_c)变化的关系为：

$G=\frac{R_L}{R/2}{(1+e^{\frac{-V_{\mathrm{bc}}}{V_T}})}^{-1}---\left(1\right)$

然而，上述可变增益放大器，在调节控制电压V_bc使得其增益变化范围较大时，其共模输出电平VO_n、VO_p也显著变化，从而影响下一级偏置。

发明内容

本发明解决的问题是，现有技术通信***中应用于连续增益控制结构的可变增益放大器，其在增益变化范围较大时，共模输出电平也显著变化，从而影响下一级偏置的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种可变增益放大器，包括电流调节型放大电路和补偿电路，其中，所述电流调节型放大电路根据控制电压来改变增益，而补偿电路的输出端与所述电流调节型放大电路的输出端相连，并向所述电流调节型放大电路提供直流补偿电流，所述直流补偿电流与所述电流调节型放大电路的输出电流的和等于所述电流调节型放大电路的电流源电流。

与现有技术相比，上述可变增益放大器具有以下优点：通过所述直流补偿电流的补偿，使得可变增益放大器的输出电流保持稳定，减小了所述可变增益放大器的共模输出电平的变化，从而也减小了对下一级电路偏置的影响。

附图说明

图1是现有技术可变增益放大器的一种电路示意图；

图2是本发明可变增益放大器的一种实施例示意图；

图3是图2所示可变增益放大器与图1所示可变增益放大器的共模输出电平的比较示意图。

具体实施方式

基于上述现有技术可变增益放大器的增益公式(1)可知，现有技术的可变增益放大器通过改变控制电压V_bc，来改变增益G。然而为使得增益G的变化范围较大，则需使得控制电压V_bc的变化较大，也就是说V_b和V_c的变化也较大，相应地，I₂的变化范围也较大，约为电流源电流I₁～0。

基于上述现有技术可变增益放大器的电路结构，其共模输出电平为：

VO_n＝VO_p＝V_cc-I₂×R_L。                            (2)

则基于公式(2)可知，共模输出电平的变化范围约为Vcc～Vcc-I₁×RL。当电流源电流I₁和负载电阻RL的乘积I1×RL比较大时，例如几百毫伏甚至1V左右，其共模输出电平也将因此而发生显著的变化。

基于此，本发明可变增益放大器通过构造一个直流补偿电流，来补偿上述由于改变控制电压而产生的输出电流变化，从而使得可变增益放大器的共模输出电平稳定。

本发明可变增益放大器的一种实施方式在现有电流调节型放大电路的基础上增加与其输出端相连的补偿电路，通过补偿电路向所述电流调节型放大电路的输出端提供直流补偿电流，并使得所述直流补偿电流与所述电流调节型放大电路的输出电流的和等于所述电流调节型放大电路的电流源电流。

所述补偿电路的输出端与所述电流调节型放大电路的输出端相连，因而本实施方式可变增益放大器的输出电流实质等于所述直流补偿电流与所述电流调节型放大电路的输出电流的和。根据上述说明，所述直流补偿电流与所述电流调节型放大的输出电流的和等于所述电流调节型放大电路的电流源电流，因此本实施方式可变增益放大器的输出电流就始终保持稳定，相应地，其共模输出电平也稳定，从而避免了由于共模输出电平变化较大而影响下一级电路的偏置。

以下通过一个具体的电路实例对于上述可变增益放大器进行进一步说明。

参照图2所示，本发明可变增益放大器的一种实施例包括：电流调节型放大电路10以及补偿电路20。

其中，所述电流调节型放大电路10包括两个具有电流源的差动放大电路。第三NPN管Q3、第四NPN管Q4、第一NPN管Q1(输入管)、负载电阻R_L以及第一电流源11构成具有电流源的第一差动放大电路，而第五NPN管Q5、第六NPN管Q6、第二NPN管Q2(输入管)、负载电阻R_L以及第二电流源12构成具有电流源的第二差动放大电路。

对于第一差动放大电路，第三NPN管Q3的集电极经由负载电阻R_L与Vcc相连，基极接收控制电压V_b，射极与第一NPN管Q1的集电极相连。第四NPN管Q4的集电极与Vcc相连，基极接收控制电压V_c，射极与第三NPN管Q3的射极相连。第一NPN管Q1(输入管)的基极接收输入电压VIn_p，射极与第一电流源11的一端相连。所述输入电压VIn_p，因为是直流耦合的，所以该电压既有直流分量(偏置电压)又有交流分量(信号)。第一电流源11提供恒定的偏置电流I₁，其另一端接地。

对于第二差动放大电路，第六NPN管Q6的集电极经由负载电阻R_L与Vcc相连，基极接收控制电压V_b，射极与第二NPN管Q2的集电极相连。第五NPN管Q5的集电极与Vcc相连，基极接收控制电压V_c，射极与第六NPN管Q6的射极相连。第二NPN管Q2(输入管)的基极接收输入电压VIn_n，射极与第二电流源12的一端相连，且经由第一电阻R与第一NPN管Q1的射极相连。所述输入电压VIn_n，因为是直接耦合的，所以该电压既有直流分量(偏置电压)又有交流分量(信号)。第二电流源12提供恒定的偏置电流I₁，其另一端接地。

第一差动放大电路中的第三NPN管Q3的集电极作为所述电流调节型放大电路10的第一输出端，且作为可变增益放大器的第一输出端VO_n的一个分支。第二差动放大电路中的第六NPN管Q6的集电极作为所述电流调节型放大电路10的第二输出端，且作为可变增益放大器的第二输出端VO_p的一个分支。

其中，所述补偿电路20为与电流调节型放大电路10的电路结构基本相同的镜像电路，同样包括两个具有电流源的差动放大电路。第九NPN管Q9、第十NPN管Q10、第七NPN管Q7、负载电阻R_L以及第三电流源21构成具有电流源的第三差动放大电路，而第十二NPN管Q12、第十一NPN管Q11、第八NPN管Q8、负载电阻R_L以及第四电流源22构成具有电流源的第四差动放大电路。

对于第三差动放大电路，第九NPN管Q9的集电极经由负载电阻R_L与Vcc相连，基极接收控制电压V_b，射极与第七NPN管Q7的集电极相连。第十NPN管Q10的集电极接于所述电流调节型放大电路10的第一输出端VO_n，基极接收控制电压V_c，射极与第九NPN管Q9的射极相连。第七NPN管Q7(输入管)的基极接收直流偏置电压V₁，射极与第三电流源21的一端相连。第三电流源21提供恒定的偏置电流I₄，其另一端接地。

对于第四差动放大电路，第十一NPN管Q11的集电极经由负载电阻R_L与Vcc相连，基极接收控制电压V_b，射极与第八NPN管Q8的集电极相连。第十二NPN管Q12的集电极接于所述电流调节型放大电路10的第二输出端VO_p，基极接收控制电压V_c，射极与第十一NPN管Q11的射极相连。第八NPN管Q8(输入管)的基极接收直流偏置电压V₁，射极与第四电流源22的一端相连。第四电流源22提供恒定的偏置电流I₄，其另一端接地。

所述补偿电路20通过第十NPN管Q10的集电极向所述电流调节型放大电路10的第一输出端VO_n提供补偿电流I₆，其为直流电流，不含小信号分量，也不会影响可变增益放大器的增益。

所述补偿电路20中各器件的器件参数与所述电流调节型放大电路10中各相应器件的器件参数相同。

所述补偿电路20应满足偏置电流I₁和I₄相等，所以提供偏置电流I₁和I₄的电流源一般可以镜像同一个电流输入。而为了减小晶体管的Early effect，即I_c随V_ce增大而增大，才加入了第七NPN管Q7、第八NPN管Q8。所述直流偏置电压V₁通常可以大致等于VIn_p/VIn_n的直流分量，从而使得第七NPN管Q7、第八NPN管Q8的偏置与输入管Q1、Q2的偏置相等，且第三电流源21、第四电流源22中输出晶体管的集电极电流与第一电流源11、第二电流源12中输出晶体管的集电极电流相等，也即I₁和I₄相等。

经过简单分析可知，补偿电流I₆与第四NPN管Q4集电极上的电流I₃近似相等。

则此时图2所示可变增益放大器的第一输出端VO_n的电压为：

VO_n＝Vcc-(I₂+I₆)×R_L，

由上述补偿电流I₆与第四NPN管Q4集电极上的电流I₃近似相等，则可变增益放大器的第一输出端VO_n的值也近似等于：Vcc-(I₂+I₃)×R_L＝Vcc-I₁×R_L。由于电流I₁为恒定值，因此可变增益放大器的第一输出端VO_n的值也为恒定值。

同样地，此时图2所示可变增益放大器的第二输出端VO_p的电压为：

VO_p＝Vcc-(I₂+I₆)×R_L，

由上述补偿电流I₆与第四NPN管Q4集电极上的电流I₃近似相等，则可变增益放大器的第二输出端VO_p的值也近似等于：Vcc-(I₂+I₃)×R_L＝Vcc-I₁×R_L。由于电流I₁为恒定值，因此可变增益放大器的第二输出端VO_p的值也为恒定值。

因此，上述举例的可变增益放大器，其共模输出电平VO_n、VO_p的值均为恒定值，因而不会对下一级电路的偏置产生影响。

图3为图2所示可变增益放大器与图1所示可变增益放大器的共模输出电平的比较示意图。其中，曲线100代表图1所示可变增益放大器的共模输出电平曲线，曲线200代表图3所示可变增益放大器的共模输出电平曲线。电源电压Vcc为5V，控制电压V_bc的值从-50mV～50mV。

由曲线100可以看到，对图1所示可变增益放大器，在控制电压V_bc的值变化时，其共模输出电平值从2.8V变化到4.1V，变化幅度超过了1V。

而由曲线200可以看到，对图3所示可变增益放大器，在控制电压V_bc的值变化时，其共模输出电平值基本维持在2.7V左右，变化幅度小于100mV。

因此，根据上述比较也可看到，对于例如图1所示的现有可变增益放大器，其在控制电压变化较大时，相应的共模输出电平的变化幅度也较大，会对下一级电路的偏置产生影响。

而例如图3所示的本发明可变增益放大器的实施例，其在控制电压变化较大时，相应的共模输出电平的变化幅度却很小，因而对下一级电路的偏置所产生的影响也很小。

综上所述，本发明可变增益放大器通过直流补偿电流对输出电流进行补偿，以使得可变增益放大器在控制电压改变增益时，能够提供稳定的共模输出电平，从而提供下一级电路一个稳定的偏置。在将该可变增益放大器应用于连续增益控制策略时，能够提高通信***的性能。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种可变增益放大器，包括电流调节型放大电路，所述电流调节型放大电路根据控制电压来改变增益，其特征在于，还包括补偿电路，所述补偿电路的输出端与所述电流调节型放大电路的输出端相连，并向所述电流调节型放大电路提供直流补偿电流，所述直流补偿电流与所述电流调节型放大电路的输出电流的和等于所述电流调节型放大电路的电流源电流。

2.如权利要求1所述的可变增益放大器，其特征在于，所述电流调节型放大电路包括两个具有电流源的差动放大电路，且所述两个差动放大电路中接收相同控制电压的两个晶体管的集电极作为所述电流调节型放大电路的共模输出。

3.如权利要求2所述的可变增益放大器，其特征在于，所述补偿电路包括两个具有电流源的差动放大电路，且所述两个差动放大电路中接收相同控制电压的两个晶体管的集电极分别与所述电流调节型放大电路的共模输出相连。

4.如权利要求3所述的可变增益放大器，其特征在于，所述补偿电路中差动放大电路的电流源提供的电流与所述电流调节型放大电路中差动放大电路的电流源提供的电流相等。

5.如权利要求3所述的可变增益放大器，其特征在于，所述补偿电路中各晶体管的器件参数与所述电流调节型放大电路中各相应晶体管的器件参数相同。

6.如权利要求1所述的可变增益放大器，其特征在于，所述电流调节型放大电路包括：

集电极经负载电阻与电源相连的第三NPN管，其基极接收第一控制电压；

集电极与电源相连的第四NPN管，其基极接收第二控制电压；

基极接收第一输入电压的第一NPN管，其集电极与第三NPN管、第四NPN管的射极相连，其射极与第一电流源的一端相连；

集电极经负载电阻与电源相连的第六NPN管，其基极接收第一控制电压；

集电极与电源相连的第五NPN管，其基极接收第二控制电压；

基极接收第二输入电压的第二NPN管，其集电极与第五NPN管、第六NPN管的射极相连，其射极与第二电流源的一端相连，且经第一电阻与第一NPN管的射极相连；

第一电流源和第二电流源的另一端共同接地，

其中，第三NPN管和第六NPN管的集电极作为电流调节型放大电路的共模输出。

7.如权利要求6所述的可变增益放大器，其特征在于，所述补偿电路包括：

集电极经负载电阻与电源相连的第九NPN管，其基极接收第一控制电压；

集电极与第三NPN管的集电极相连的第十NPN管，其基极接收第二控制电压；

基极接收直流偏置电压的第七NPN管，其集电极与第九NPN管、第十NPN管的射极相连，其射极与第三电流源的一端相连；

集电极经负载电阻与电源相连的第十一NPN管，其基极接收第一控制电压；

集电极与第六NPN管的集电极相连的第十二NPN管，其基极接收第二控制电压；

基极接收直流偏置电压的第八NPN管，其集电极与第十一NPN管、第十二NPN管的射极相连，其射极与第四电流源的一端相连；

第三电流源和第四电流源的另一端共同接地。

8.如权利要求7所述的可变增益放大器，其特征在于，所述补偿电路中各NPN管的器件参数与所述电流调节型放大电路中各相应NPN管的器件参数相同。

9.如权利要求7所述的可变增益放大器，其特征在于，所述第一、第二电流源提供的电流与第三、第四电流源提供的电流相等。

10.如权利要求7所述的可变增益放大器，其特征在于，所述第七、第八NPN管的偏置与第一、第二NPN管的偏置相等。

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