CN102647155A - 可变增益放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及可变增益放大器，包括：第一衰减器(1)，用于接收输入信号(rf_in)并向第一放大器(2)发送第一衰减输入信号；第一放大器(2)，用于放大第一衰减输入信号并向第二衰减器(3)产生第一放大信号；第二衰减器(3)，用于衰减第一放大信号并向第二放大器(4)发送第二衰减信号；第二放大器(4)，用于放大第二衰减信号并产生输出信号(rf_out)。第一衰减器(1)由第一电压源(10)供电。第二衰减器(3)由第二电压源(30)供电。第一放大器(2)由第三电压源(20)供电，以及第二放大器(4)由第四电压源(40)供电。
Description
技术领域
本发明涉及可变增益放大器。
背景技术
可变增益放大器(VGA)等用在基站的接收和发送路径中，以调节射频(RF)信号的幅度，从而根据天线处的信号电平或者电子部件的增益分布(gain spread)来实现各种增益变化。
在从0.7GHz至3.8GHz范围的RF频谱内，极有必要保持几乎恒定且线性的放大(amplification)以及尽可能大的信躁比。在包括这种大频率范围时，实现这些任务并非小事。
现有技术中已知的VGA放大器包括以下部件的串联连接：小信号放大器、紧跟小信号放大器的衰减器以及紧跟衰减器的大信号放大器。然而，这种已知体系结构将产生互调噪声，从而衰减器难以适应整个频率范围内的放大器阻抗。任何VGA的重要参数是OIP3，即，输出3阶截取点(IP3，third order intercept point)。这是对电路的小信号3阶线性度的度量。以dBm表示的OIP3指示外推功率水平(extrapolated powerlevel)，在该外推功率水平下输出处的一次谐波具有与三次谐波相同的功率。
如上所述，在VGA的最大增益处的总OIP3受功率放大器中的大信号放大器的OIP3的限制。这并不令人吃惊，因为所述放大器应该掌控电路中的最大信号。还应该看出，在最大衰减处，OIP3完全由小信号放大器和衰减器来确定。
这种OIP3的问题在于两个方面：
1.在最大衰减处的线性度太低(18.4dBm，参见图1)
2.在衰减期间线性度并不恒定，并且极其依赖于衰减设置。
发明内容
因此，需要改善VGA的噪声指数(noise figure)和线性度。
因此，本发明的目的在于提供一种可变增益放大器，所述可变增益放大器包括：第一衰减器，用于接收输入信号并向第一放大器发送第一衰减输入信号；第一放大器，用于放大第一衰减输入信号并向第二衰减器产生第一放大信号；第二衰减器，用于衰减第一放大信号并向第二放大器发送第二衰减信号；第二放大器，用于放大第二衰减信号并产生输出信号；其中，第一衰减器由第一电压源供电，第二衰减器由第二电压源供电，第一放大器由第三电压源供电，第二放大器由第四电压源供电。利用上述体系结构，克服了在仅使用公共电源的条件下产生的互调噪声，并且这改善了电路的信躁比或噪声指数。在***中，通过改进的ACPR(相邻信道功率比)认识到了这一点，该改进的ACPR是谱纯度度量(spectral purity measure)，其结合了互调非线性度(OIP3)和互调噪声的效果。此外，因为衰减器是分开的，所以可以单独处理每个衰减器的噪声指数：小信号(例如，第一衰减器)的噪声指数和大信号(例如，第二衰减器)的噪声指数。
在本发明的实施例中，第一电压源和第二电压源提供相同的电压电平。这确定了衰减器提供几乎相同的噪声和衰减性能。然而，这并不必须意味着电路包括仅一个用于提供电压电平的电源，而只是表示所述电压实质上彼此相等。
在另一实施例中，第三电压源和第四电压源提供相同的电压电平。这样做的原因与前段所描述的原因相同。
在实施例中，第一放大器和第二放大器中的每一个包括相应的第一晶体管和第二晶体管，每个晶体管接收由相应的电流调节器产生的电流。第一放大器的输入经由反馈电路与第二放大器的输出和放大器的输出相耦合。
每个电流调节器包括误差放大器，误差放大器由第五电源供电。
为了提供恒定的且可预测的性能，应当为放大器提供可调节的电流，根据本发明，所述可调节的电流由误差放大器确定，而误差放大器由不同的电源供电。这确定了从第一放大器和第二放大器产生的噪声中对误差放大器的进一步噪声去耦合。根据所驱动的放大器是何种类型，误差放大器的输出可以是电流或电压。
在本发明的另一实施例中，每个衰减器包括相应的多个衰减单元，每个单元包括：
-串联电阻器，具有与衰减器输入信号相耦合的第一端子以及与衰减器的输出信号相耦合的第二端子，其中第一端子和第二端子耦合至第一开关，
-第一并联电阻器，具有与串联电阻器的第一端子相耦合的第三端子以及与第二开关相耦合的第四端子，
-第二并联电阻器，具有与串联电阻器的第二端子相耦合的第五端子以及与第三开关相耦合的第六端子，其中第一开关由第一控制信号来控制，第二开关和第三开关由第二控制信号来控制，各个控制信号是在使用时处于不同数字状态的数字信号。
第一电阻器与第二电阻器之间的比值确定了衰减(attenuation)，而绝对值确定了衰减器的每个单元的输入和输出阻抗。当以级联的形式使用时，如果单元是相同的，则自动实现阻抗匹配，而不论是如何控制衰减器单元的。
在本发明的另一实施例中，VGA被集成到了芯片中。此外，芯片可以用于针对基站的功率放大器中。
独立权利要求限定本发明。从属权利要求限定优选实施例。
附图说明
以上和其它优点将通过附图的示例描述而清楚明白，在附图中：
图1描述了根据本发明的可变增益放大器；
图2描述了根据本发明实施例的第一和第二放大器；
图3描述了根据本发明实施例的衰减器的单元；
图4描述了根据本发明实施例的可变增益放大器的总体图；
图5描述了用于基站的发射机的示意图，根据本发明实施例，该发射机包括可变增益放大器。
具体实施方式
图1描述了根据本发明的可变增益放大器。可变增益放大器包括第一衰减器1、第一放大器2、第二衰减器3和第二放大器4，所述第一衰减器1用于接收输入信号rf_in并向第一放大器2发送第一衰减输入信号，所述第一放大器2用于放大第一衰减输入信号并向第二衰减器3产生第一放大信号，所述第二衰减器3用于衰减第一放大信号并向第二放大器4发送第二衰减信号，所述第二放大器4用于放大第二衰减信号并产生输出信号rf_out。由第一电压源10向第一衰减器1供电。由第二电压源30向第二衰减器3供电。由第三电压源20向第一放大器2供电，以及由第四电压源40向第二放大器4供电。每个电压源由相应的分离的电压调节器提供。将电源电压和调压器分离的优点在于隔离了级与级之间的相互串扰。具体地，通过将放大器彼此分离并且与衰减器分离，防止了将噪声增加至或混合至RF信号路径中。
图2描述了根据本发明实施例的第一和第二放大器。为了简化该图，在该图中故意没有示出衰减器。RF信号顺序地传输通过晶体管2、T2和4。晶体管2用作共集电极级，也已知为发射极跟随器。由包括T1、电阻器R1和误差放大器50的电流源对晶体管2进行偏置。发射极跟随器通过AC耦合电容器Cc来驱动输出级。输出级由晶体管T2和4组成。晶体管T2用作共发射极级，由电阻器R2对其负反馈(degenerate)。晶体管T2与R2确定了放大器的电压增益。晶体管4充当共基极级，也已知为共发共基放大器(cascode)。电阻器Rf和AC耦合电容器Cf将放大器的输出反馈至输入。该反馈改善了放大器的线性度，并且提供了输入和输出处的阻抗匹配。由误差放大器50来掌控对输出级T2和4的偏置，该误差放大器50基本上拷贝负反馈电阻器(degeneration resistor)R2两端的基准电压Vref，从而固定电流。应认识到，用于发射极跟随器和输出级的电流源使用基准电压Vref和误差放大器来产生恒定电流。此外，通过对Vref的调节可以容易地调节所述恒定电流，其中针对发射极跟随器与输出级，Vref可以是不同电压，或者针对第一与第二放大器，Vref可以是不同电压。可以充分利用这个特征来对放大器的电流消耗与线性度进行权衡。例如如前所述，当VGA处于其最大增益状态附近时，线性度并不非常依赖于放大器2，因而可以减小放大器2的电流而不损失***的ACPR性能。备选地，当VGA处于其最大衰减状态附近时，线性度并不非常依赖于放大器4，因而可以减小放大器4的电流。图2绘出了双极和场效应晶体管，但是本领域技术人员也可以想到其它可能的组合。此外，功率晶体管4由单独的电源电压vreg供电，并且还经由电感器从普通电源引脚VCC1去耦合，以进一步改善对可能使功率晶体管4的性能劣化的伪信号(spurious signal)的滤波。利用误差放大器50来保持电源电流相对恒定，其中所述误差放大器50也由单独的电压供电。例如当控制场效应晶体管T1时，所述误差放大器50的输出可以是电压，或者当控制双极型晶体管T2时，所述误差放大器50的输出可以是电流。
图3描述了根据本发明实施例的衰减器的单元。每个单元包括串联电阻器Rs，串联电阻器Rs具有与衰减器输入信号in相耦合的第一端子和与衰减器输出信号out相耦合的第二端子，其中第一端子和第二端子耦合至第一开关S1。单元还包括第一并联电阻器RP1，第一并联电阻器RP1具有与串联电阻器Rs的第一端子相耦合的第三端子和与第二开关S2相耦合的第四端子。单元还包括第二并联电阻器Rp2，第二并联电阻器Rp2具有与串联电阻器Rs的第二端子相耦合的第五端子和与第三开关S3相耦合的第六端子，其中第一开关S1由第一控制信号Ss来控制，第二开关S2和第三开关S3由第二控制信号Sp来控制，各个控制信号是在使用中处于不同的数字状态的数字信号。在通常的实现中，并联电阻器彼此相等。
如果Ss信号为高(即，开关S1接通)而Sp为低(即，开关S2和S3都断开)，则单元不衰减，而是以尽可能小的***损失(insertion loss)将信号从输入传输到输出。如果Ss信号为低(即，开关S1断开)而Sp为高(即，开关S2和S3都接通)，则单元衰减。这里应注意，使用n沟道MOS晶体管实现了图3所示的开关，但是本领域技术人员可以将所述开关实现为务必相应地适配控制信号的双极型或p型MOS晶体管。衰减量取决于串联阻抗Rs与并联阻抗Rp的比值。输入和输出处的匹配所需的阻抗水平(impedance level)确定了阻抗的绝对值。例如，可以通过24欧姆的串联阻抗与220欧姆的并联阻抗来实现50欧姆下4dB的衰减。这些衰减部件的优点在于：
-不需要电流——实际上单元自身的零静态电流(quiescent current)；
-使衰减与电流消耗去耦合；
-极高的线性度；
-具有大的带宽；
-容易与外部阻抗(比如50欧姆)相匹配，并且由于对称性而对于输入和输出都相等地匹配，从而本质上是模块化的(modular)。
图4描述了根据本发明实施例的可变增益放大器的总体图。可变增益放大器在第一和第二衰减器中都包括第一多个衰减单元。优点在于可以单独调整(trim)所述多个衰减单元中的每个单元，以确定具体的***损失，并且一方面保持该单元与所述多个衰减单元中的其它单元在阻抗上相适应，同时另一方面保持单元与放大器在阻抗上相适应。当将图1与图4相比较时，可以发现图1中的衰减器1包括图4中4个级联的4dB单元，图1的衰减器3包括图4中具有0.5dB、1dB、2dB和(3个)4dB衰减的6个级联的单元。对于可变增益放大器(VGA)的最佳噪声性能，对这些衰减器单元的控制非常重要。为了不对VGA的噪声指数造成不利影响，起始于最大增益的衰减将在衰减器3中开始。这就解释了为什么最小的单元衰减(图4中的0.5dB)位于大信号放大器4前面的衰减器3中。因此在图4的实施例中，衰减器3实现了第一15.5dB(0.5+1+2+4+4+4)衰减。对于最佳线性度，最后16dB(4+4+4+4)衰减被布置在小信号放大器2前面。此外，为了最小程度地影响噪声性能，还针对最后16dB衰减范围重用衰减器3的最小衰减器单元(0.5、1和2dB)。因而，需要较小数目的级联的单元，这产生了最小的***损失，从而产生最小的噪声指数。应注意，当VGA被集成在芯片中时，控制和实现衰减器单元的方式提供了优点。可以单独修改每个单元的衰减，从而对于在具体情况(即衰减)下使用的单元数目的选择确定了最大程度的灵活性。
图5描述了用于基站的发射机的示意图，根据本发明，该发射机包括可变增益放大器。
RF发射VGA150的主要功能是控制天线连接器处的输出功率。增益控制可能通过功率级的老化或由于小区(cell)内的业务量(traffice)变化(比如白天和晚上的业务量差异)而被触发。因为小区业务量随着时间细微地地变化，并且需要运营商保持输出功率水平恒定，所以需要精细的增益步长。如果不这样，则小区尺寸将缩小。后一种情况是允许的，因为其降低了小区吞吐量(throughput)，导致呼叫减少。由于高输出功率(例如，80W RMS和900W峰值)而导致末级(last stage)老化。当这种情况连续发生时，功率放大器160的晶体管的增益开始减小。这需要通过VGA150来补偿。由于希望随着时间劣化较小而再次需要精细的步长。此外在这种情况下，小区尺寸减小并且导致较小的覆盖，运营商必须对此进行补偿。通常数字增益控制相对于模拟控制是优选的。
发射机包括发射机信号处理单元100，发射机信号处理单元100用于将输入信号Rfin上变频、滤波等。此外，在110中对发射机信号处理单元100的输出信号进行进一步处理以确定中频信号，D/A转换器120将中频信号进行数模转换，然后在低通滤波器130中对D/A转换器的输出进行低通滤波。然后在混频器140中将低通滤波器产生的信号与振荡器信号混频，并将得到的上变频信号施加到可变增益放大器150。将可变增益放大器150的输出信号进一步施加到功率放大器160，其中所述功率放大器160产生发射机的高功率信号。同时，还提供了从功率放大器输出向发射机信号处理单元100的反馈，以实现数字预失真。
应注意，本发明的保护范围不限于本文所描述的实施例。本发明的保护范围也不受权利要求中的参考数字的限制。词语“包括”不排除权利要求中所提及的部分之外的其它部分。元件之前的词语“一”不排除多个这种元件。可以专用硬件的形式或以编程目的的处理器形式来实现构成本发明一部分的装置。本发明在于每个新的特征或特征组合。
Claims (9)
1.一种可变增益放大器，包括：
第一衰减器(1)，用于接收输入信号(rf_in)并向第一放大器(2)发送第一衰减输入信号，
第一放大器(2)，用于放大第一衰减输入信号并向第二衰减器(3)产生第一放大信号，
第二衰减器(3)，用于衰减第一放大信号并向第二放大器(4)发送第二衰减信号，
第二放大器(4)，用于放大第二衰减信号并产生输出信号(rf_out)，
其中，
第一衰减器(1)由第一电压源(10)供电，
第二衰减器(3)由第二电压源(30)供电，
第一放大器(2)由第三电压源(20)供电，以及
第二放大器(4)由第四电压源(40)供电。
2.如权利要求1所述的可变增益放大器，其中第一电压源(10)和第二电压源(30)提供相同的电压电平。
3.如权利要求1或2所述的可变增益放大器，其中第三电压源(20)和第四电压源(40)提供相同的电压电平。
4.如前述权利要求中任一项所述的可变增益放大器，其中第一放大器(2)和第二放大器(4)中的每一个包括相应的第一晶体管(2)和第二晶体管(4)，每个晶体管接收由相应的电流调节器产生的电流。
5.如权利要求4所述的可变增益放大器，其中第一放大器(2)的输入经由反馈电路(Rf、Cf)与第二放大器(4)的输出相耦合。
6.如权利要求4所述的可变增益放大器，其中每个电流调节器包括误差放大器(50)，所述误差放大器由第五电源(vreg)供电。
7.如前述权利要求中任一项所述的可变增益放大器，其中每个衰减器(1，3)包括相应的多个衰减单元，每个衰减单元包括：
串联电阻器(Rs)，具有与衰减器输入信号(in)相耦合的第一端子以及与衰减器的输出信号(out)相耦合的第二端子，其中第一端子和第二端子耦合至第一开关(S1)，
第一并联电阻器(Rp1)，具有与串联电阻器(Rs)的第一端子相耦合的第三端子以及与第二开关(S2)相耦合的第四端子，
第二并联电阻器(Rp2)，具有与串联电阻器(Rs)的第二端子相耦合的第五端子以及与第三开关(S3)相耦合的第六端子，其中第一开关(S1)由第一控制信号(Ss)来控制，第二开关(S2)和第三开关(S3)由第二控制信号(Sp)来控制，各个控制信号是在使用时处于不同二进制状态的二进制信号。
8.一种集成电路，包括如前述权利要求中任一项所述的可变增益放大器。
9.一种功率放大***，包括如前述权利要求中任一项所述的可变增益放大器。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120822 |