CN1126244C - 可变增益放大器电路 - Google Patents

Abstract

可变增益放大器电路，其具有由第一和第二晶体管组成的输入差动电路，其中晶体管的各基极连接于输入端上，而各发射极连接于恒定电流源上，和由第三至第八晶体管组成的增益控制差动电路，其相互连接使得基极、集电极、和发射极具有所需关系。而且，可变增益放大器电路具有第一负载电阻，其连接在第三、第五、和第七晶体管的集电极与第一电源端之间，和第二负载电阻，其连接在第六、第八、和第四晶体管的集电极与第一电源端之间。

Description

可变增益放大器电路

本发明涉及一种可变增益放大器电路。特别是，本发明涉及一种可变增益放大器电路，其能够实现最小增益的建立，而不会在增益可变时改变输出端的DC电压。

在可变增益放大器电路中，当放大器电路使增益由最小值变为最大值时，最好是不改变输出端的DC电压。在常规可变增益放大器电路中，存在的问题在于，当放大器电路响应于增益控制信号使增益发生变化时，输出端的DC电压会与增益成正比改变。日本专利申请特开平3-153133公开了一种解决该问题的可变增益放大器电路。

图1是表示按照在日本专利申请特开平3-153133中所公开常规实例的可变增益放大器电路的电路图。图1所示可变增益放大器电路包括输入差动电路，增益控制差动电路，和第一和第二负载电阻。可变增益放大器电路连接于第一电源端52与第一和第二恒定电流源37，38之间，由此差动放大输入到第一和第二输入端33，34的输入信号，以便根据来自第一和第二增益控制端31，32的增益控制信号而输出。

输入差动电路带有第一晶体管35，其基极连接于输入端33，和第二晶体管36，其基极连接于输入端34。第一晶体管35和第二晶体管36的每个发射极通过第一发射极反馈电阻4 1而相互连接，并且连接于第一和第二恒定电流源37，38上。标号39，40表示接地端。

增益控制差动电路带有第三、第九、第十、和第四晶体管42，43，48，和49，其各基极连接于第一增益控制端31上，并且其各集电极连接于第一和第二输出端53和54上，和第五、第六、第七、和第八晶体管44，45，46，和47，其各基极连接于第二增益控制端32上。第三、第九、第五、和第六晶体管42，43，44，和45的各发射极共同连接于第一晶体管35的集电极上。第七、第八、第十、和第四晶体管46，47，48，和49的各发射极共同连接于第二晶体管36的集电极上。第五和第七晶体管44和46的各集电极共同连接于第一输出端53上。第六和第八晶体管45和47的各集电极共同连接于第二输出端54上。第一负载电阻50连接在第三、第九、第五、和第七晶体管42，43，44，和46的各集电极与第一电源端52之间。第二负载电阻51连接在第六、第八、第十、和第四晶体管45，47，48，和49的各集电极与第一电源端52之间。

进一步地，建立有相互相等的第三、第九、第五、第六、第七、第八、第十、和第四晶体管42，43，44，45，46，47，48，和49的发射极区面积。

图1所示常规可变增益放大器电路按如下操作：也就是说，由第一和第二输入端33，34所输入的信号通过第一和第二晶体管35，36而变换为电流，由此共同输入给第三、第九、第五、和第六晶体管42，43，44，和45的各发射极，以及第七、第八、第十、和第四晶体管46，47，48，和49的各发射极。给各发射极所输入的电流根据增益控制端31和32的增益控制电压Vd而均分给第三、第九、第五、和第六晶体管42，43，44，和45的各集电极，以及第七、第八、第十、和第四晶体管46，47，48，和49的各集电极。将第三、第九、第五、第六、第七、第八、第十、和第四晶体管42，43，44，45，46，47，48，和49的集电极电流的DC成分分别取为I_CQ3，I_CQ9，I_CQ5，I_CQ6，I_CQ7，I_CQ8，I_CQ10，和I_CQ4，并且将第一和第二晶体管35和36的集电极电流的DC成分取为I_o。从而获得下列通式： $I_{\mathrm{CQ}3}=I_{\mathrm{CQ}9}=I_{\mathrm{CQ}10}=I_{\mathrm{CQ}4}=\frac{I_O}{2(1+e^{-\frac{\mathrm{Vd}}{\mathrm{VT}}})}$ $I_{\mathrm{CQ}5}=I_{\mathrm{CQ}6}=I_{\mathrm{CQ}7}=I_{\mathrm{CQ}8}=\frac{I_O}{2(1+e^{\frac{\mathrm{Vd}}{\mathrm{VT}}})}$ 因此，流过第一和第二负载电阻50和51的DC电流为：

      I_CQ3+I_CQ9+I_CQ5+I_CQ7＝I_CQ4+I_CQ10+I_CQ8+I_CQ6＝I_O

由此变为恒定值，而不取决于增益控制电压Vd。也就是说，当增益可变时，不会改变输出端的DC电压。

另外，将第三、第九、第五、第六、第七、第八、第十、和第四晶体管42，43，44，45，46，47，48，和49集电极电流的AC成分取为i_CQ3，i_CQ9，i_CQ5，i_CQ6，i_CQ7，i_CQ8，i_CQ10，和i_CQ4，并且将第一晶体管35集电极电流的AC成分取为i_O，从而获得下列通式： $i_{\mathrm{CQ}3}=i_{\mathrm{CQ}9}=\frac{i_O}{2(1+e^{-\frac{\mathrm{Vd}}{\mathrm{VT}}})}=-i_{\mathrm{CQ}10}=-i_{\mathrm{CQ}4}$ $i_{\mathrm{CQ}5}=i_{\mathrm{CQ}6}=\frac{i_O}{2(1+e^{\frac{\mathrm{Vd}}{\mathrm{VT}}})}=-i_{\mathrm{CQ}7}=-i_{\mathrm{CQ}8}$

因此，流过第一和第二负载电阻50和51的AC电流为： $i_{\mathrm{CQ}3}+i_{\mathrm{CQ}9}+i_{\mathrm{CQ}5}+i_{\mathrm{CQ}7}=\frac{i_O}{1+e^{-\frac{\mathrm{Vd}}{\mathrm{VT}}}}$ $i_{\mathrm{CQ}4}+i_{\mathrm{CQ}10}+i_{\mathrm{CQ}8}+i_{\mathrm{CQ}6}=-\frac{i_O}{1+e^{-\frac{\mathrm{Vd}}{\mathrm{VT}}}}$

也就是说，第五和第七晶体管44和46集电极电流的AC成分与第八和第六晶体管47和45集电极的电流的AC成分相互完全抵消，由此不会影响增益。

下面，将负载电阻取为Rc，将增益控制电压(增益控制信号)取为Vd，将输入差动电路的传导率取为Gm，将热电压取为VT。此时，可变增益放大器电路的增益G为： $G=20\log \left(\mathrm{GmRc}\right)-20\log (1+e^{-\frac{\mathrm{Vd}}{\mathrm{VT}}})$ 在这里，当增益控制电压以负方向增加时，最小增益Gmin为：

                     Gmin＝-∞

然而，在图1所示常规可变增益放大器电路中，存在的问题在于，当增益可变时提供给增益控制端的增益控制电压在负方向上超过正常范围时，会使增益降为负无穷大。

其原因在于，第五和第七晶体管44和46集电极电流，或第六和第八晶体管45和47的集电极电流，其AC成分的幅值相互相等，并且其相位相差180度。输出上述集电极电流的第五、第六、第七、和第八晶体管44，45，46，和47以相同DC集电极电流在建立最小增益时操作，以便不改变输出端的DC电压，由此其AC成分完全抵消，使得增益降为负无穷大。

另外，还有一个问题在于，为了克服上述问题而使增益控制电路变复杂，由此使片状器件的尺寸变大。

有必要新制备一电路以增加限制的原因就是使增益控制电压在负方向上不超过正常范围，以便获得所需的最小增益。

还有一些现有技术的参考资料与图1所示的上述可变增益放大器电路相似。

A.日本专利申请特开平5-259768公开了一种可变增益放大器，其中输出电压的工作点不波动。

B.日本专利申请特开昭62-183207公开了一种可变增益放大器，其中完全消除了输出DC电平所发生的波动。

C.日本专利申请特开昭58-200612公开了一种可变增益放大器，其中不出现DC波动成分。

D.日本专利申请特开平10-41750，其公开了“增益控制频率变换电路”。

在上述参考文献A，B，和C中，提供了一对增益控制差动晶体管。例如，A的图3的Q7和Q8，B的图1的元件4和5，和C的图2的Q14和Q15。在整个各种情况下，这些增益控制差动晶体管是相互完全相同的晶体管。也就是说，在A，B，和C的结构中，除了可变增益放大器电路不改变输出端的DC电压以外，未获得任何效果。

鉴于上述观点，本发明的目的是解决上述问题，提供一种可变增益放大器电路，其能够很容易地建立最小增益，而在增益可变时不改变输出端的DC电压。

按照本发明的第一方案，就是克服上述问题，提供一种可变增益放大器电路，其具有输入差动电路，增益控制差动电路，第一负载电阻，和第二负载电阻，其同时连接在第一电源端和第一恒定电流源之间，由此根据第一和第二增益控制端的增益控制信号进行差动放大，以输出第一和第二输入信号，其特征在于：输入差动电路带有第一晶体管，其基极连接于第一输入端上，和第二晶体管，其基极连接于第二输入端上，其中第一和第二晶体管的各发射极共同连接于第一恒定电流源上，增益控制差动电路带有第三和第四晶体管，其各基极连接于第一增益控制端上，而其各集电极连接于第一和第二输出端上，和第五、第六、第七、和第八晶体管，其各基极共同连接于第二增益控制端上，其中第三、第五、和第六晶体管的各发射极共同连接于第一晶体管的集电极上，并且第七、第八、和第四晶体管的各发射极共同连接于第二晶体管的集电极上，和第五和第七晶体管的各集电极共同连接于第一输出端上，并且第六和第八晶体管的各集电极共同连接于第二输出端上，第一负载电阻连接在第三、第五、和第七晶体管的集电极与第一电源端之间，并且第二负载电阻连接在第六、第八、和第四晶体管的集电极与第一电源端之间。第三和第四晶体管、第五和第八晶体管、和第六和第七晶体管中的各发射极区面积相互等同地建立。第五或第八晶体管的发射极区面积大于第六或第七晶体管的发射极区面积。

按照本发明的第二方案，提供一种可变增益放大器电路，其中具有连接在第一晶体管和第一恒定电流源之间的第一发射极反馈电阻，和连接在第二晶体管和所述第一恒定电流源之间的第二发射极反馈电阻。

下面将通过详细的描述同时结合附图使本发明的上述和进一步的目的以及新的特征更加清楚。然而，应当理解，附图只是用于图示，其不作为对本发明的限制。

附图的简要说明。

图1是表示常规可变增益放大器电路的电路图；

图2是表示按照本发明实施例1的可变增益放大器电路的电路图；

图3是表示在按照本发明实施例1的可变增益放大器电路中当改变增益控制电压时增益变化的特性图；

图4是表示在按照本发明实施例1的可变增益放大器电路中当改变增益控制电压时增益变化的特性图；

图5是表示按照本发明实施例2的可变增益放大器电路的电路图；和

图6是表示在按照本发明实施例2的可变增益放大器电路中当改变增益控制电压时增益变化的特性图。

下面将结合附图详细地描述本发明的优选实施例。

图2是表示按照本发明实施例1的可变增益放大器电路的电路图。

在图2中，按照本发明实施例1的可变增益放大器电路包括：输入差动电路，增益控制差动电路，第一负载电阻，和第二负载电阻，其中可变增益放大器电路连接在第一电源端17和第一恒定电流源7之间，由此根据增益控制端1和2的增益控制信号对输入信号进行差动放大，并由第一和第二输入端3和4而输出。

输入差动电路带有第一晶体管5，其基极连接于第一输入端3上，和第二晶体管6，其基极连接于第二输入端4上。第一和第二晶体管5和6的各发射极共同连接于第一恒定电流源7上。

增益控制差动电路带有第三和第四晶体管9和14，其各基极连接于第一增益控制端1上，而其各集电极连接于第一和第二输出端18和19上，和第五、第六、第七、和第八晶体管10，11，12，和13，其各基极共同连接于第二增益控制端2上。第三、第五、和第六晶体管9，10，和11共同连接于第一晶体管5的集电极上，而第七、第八、和第四晶体管12，13，和14共同连接于第二晶体管6的集电极上。另外，第五和第七晶体管10和12的各集电极共同连接于第一输出端18上，而第六和第八晶体管11和13的各集电极共同连接于第二输出端19上。

还有，第一负载电阻15连接在第三、第五、和第七晶体管9，10，和12共同连接的集电极与第一电源端17之间。另外，第二负载电阻16连接在第六、第八、和第四晶体管11，13，和14共同连接的集电极与第一电源端17之间。

再有，第三晶体管9的发射极区面积与第四晶体管14的发射极区面积相互相等。第五晶体管10的发射极区面积与第八晶体管13的发射极区面积相互相等。第六晶体管11的发射极区面积与第七晶体管12的发射极区面积相互相等。第五或第八晶体管10或13的发射极区面积要比第六或第七晶体管11或12的发射极区面积大。

在按照图2所示本发明实施例1的可变增益放大器电路中，由输入端3和4所输入的信号借助于第一和第二晶体管5和6而转换为各电流。该电流通过第一晶体管5共同输入给第三、第五、和第六晶体管9，10，和11的各发射极，该电流通过第二晶体管6共同输入给第七、第八、和第四晶体管12，13，和14的各发射极。另外，电流根据增益控制端1和2的增益控制电压Vd而均分给各晶体管的各集电极，由此通过输出端18和19而输出，同时借助于负载电阻15和16转换为电压。

将第三晶体管9或第四晶体管14、第五晶体管10或第八晶体管13、和第六晶体管11或第七晶体管12的发射极区面积比设置为1∶m∶n，进一步将集电极电流的DC成分设置为I_CQ3，I_CQ5，I_CQ6，I_CQ7，I_CQ8，和I_CQ4，还有将第一和第二晶体管5和6的集电极电流的DC成分设置为Io，由此得出： $I_{\mathrm{CQ}3}=I_{\mathrm{CQ}4}=\frac{I_O}{1+\frac{m+n}{\mathrm{\ι}}{e}^{-\frac{\mathrm{Vd}}{\mathrm{Vr}}}}$ $I_{\mathrm{CQ}5}=I_{\mathrm{CQ}8}=\frac{I_O{\mathrm{me}}^{-\frac{\mathrm{Vd}}{\mathrm{Vr}}}}{\mathrm{\ι}(1+\frac{m+n}{\mathrm{\ι}})e^{-\frac{\mathrm{Vd}}{\mathrm{Vr}}}}$ $I_{\mathrm{CQ}6}=I_{\mathrm{CQ}7}=\frac{I_O{\mathrm{me}}^{-\frac{\mathrm{Vd}}{\mathrm{Vr}}}}{\mathrm{\ι}(1+\frac{m+n}{\mathrm{\ι}})e^{-\frac{\mathrm{Vd}}{\mathrm{Vr}}}}$

在这里，1＝m+n(这是一个假设，并且为了简化计算，可以借助于一个实例来进行设定)，并且m＞n(这是不可缺少的)。

因此，流过第一和第二负载电阻15和16的DC电流为：

              I_CQ3+I_CQ5+I_CQ7＝I_CQ4+I_CQ8+I_CQ6＝I_O

其是恒定值而不取决于增益控制电压Vd。

也就是说，输出端的DC电压在增益可变时不会变化。

可将第三、第五、第六、第七、第八、和第四晶体管9，10，11，12，13，和14的各集电极电流的AC成分设置为i_CQ3，i_CQ5，i_CQ6，i_CQ7，i_CQ8，和i_CQ4，并且将第一晶体管5的集电极电流的AC成分设置为io，得出： $i_{\mathrm{CQ}3}=\frac{i_O}{1+e^{-\frac{\mathrm{Vd}}{\mathrm{VT}}}}=-i_{\mathrm{CQ}4}$ $i_{\mathrm{CQ}5}=\frac{{\mathrm{iome}}^{-\frac{\mathrm{Vd}}{\mathrm{VT}}}}{\mathrm{\ι}(1+e^{-\frac{\mathrm{Vd}}{\mathrm{VT}}})}=-i_{\mathrm{CQ}8}$ $i_{\mathrm{CQ}6}=\frac{{\mathrm{ione}}^{-\frac{\mathrm{Vd}}{\mathrm{VT}}}}{\mathrm{\ι}(1+e^{-\frac{\mathrm{Vd}}{\mathrm{VT}}})}=-i_{\mathrm{CQ}7}$

因此，流过第一和第二负载电阻15和16的AC电流为： $i_{\mathrm{CQ}3}+i_{\mathrm{CQ}5}+i_{\mathrm{CQ}7}=\frac{\mathrm{iO}(l+\frac{m-n}{\mathrm{\ι}}{e}^{-\frac{\mathrm{Vd}}{\mathrm{VT}}})}{1+e^{-\frac{\mathrm{Vd}}{\mathrm{VT}}}}$ $i_{\mathrm{CQ}4}+i_{\mathrm{CQ}8}+i_{\mathrm{CQ}6}=\frac{\mathrm{iO}(1+\frac{m-n}{\mathrm{\ι}}{e}^{-\frac{\mathrm{Vd}}{\mathrm{VT}}})}{1+e^{-\frac{\mathrm{Vd}}{\mathrm{VT}}}}$

也就是说，第五和第七晶体管10和12与第八和第六晶体管13和11的AC成分分别不完全抵消，因此，对最小增益产生影响。 $G=20\log \left(\mathrm{GmRc}\right)-20\log \left(\frac{1+e^{-\frac{\mathrm{Vd}}{\mathrm{VT}}}}{1+\frac{m+n}{\mathrm{\ι}}{e}^{-\frac{\mathrm{Vd}}{\mathrm{VT}}}}\right)$ 将负载电阻设为Rc，将增益控制电压(增益控制信号)设为Vd，将输入差动电路的传导率设为Gm，并将热电压设为VT。此时，可变增益放大器电路的增益G得出上述通式。

在这里，当增益控制电压Vd在负方向上增加时，最小增益Gmin得出： $G\min =20\log \left(\mathrm{GmRc}\right)-20\log \left(\frac{\mathrm{\ι}}{m-n}\right)$

最小增益Gmin是只通过第三晶体管9(或第四晶体管14)、第五晶体管10(或第八晶体管13)、和第六晶体管11(或第七晶体管12)的发射极区面积比l∶m∶n来确定的。因此，由于根据增益控制信号限制最小增益是无必要的，所以可以简化增益控制部分。

图3表示在按照图2所示本发明实施例1的可变增益放大器电路中当增益控制电压Vd改变时增益变化的的特性图。

如图3所示，当增益控制电压Vd发生改变时，可以知道，增益会由最小增益20log(GmRc)-20log{1/(m-n)}变为最大增益20log(GmRc)。

图4是表示在按照本发明实施例1的可变增益放大器电路中当增益控制电压Vd发生改变时增益变化的特性图。

在图4中，最大增益20log(GmRc)取为15[dB]。

在本发明实施例1中，由第一和第二晶体管5和6组成的输入差动电路具有的传导率为Gm。将第三晶体管9(或第四晶体管14)、第五晶体管10(或第八晶体管13)、和第六晶体管11(或第七晶体管12)的发射极区面积比设置为11∶6∶5。

在这种情况下，在本发明实施例1中的增益会按照图4的实线所示的增益1变化。

进一步地，在本发明实施例1中，由第一和第二晶体管5和6组成的输入差动电路具有的传导率为Gm，并且将第三晶体管9(或第四晶体管14)、第五晶体管10(或第八晶体管13)、和第六晶体管11(或第七晶体管12)的发射极区面积比33∶17∶16。

在这种情况下，本发明实施例1中的增益按图4虚线所示的增益2变化。

图5是表示按照本发明实施例2的可变增益放大器电路的电路图。

按照图5所示本发明实施例2的可变增益放大器电路，其特征在于，在图2所示实施例1中的第一晶体管5与恒定电流源7之间和在第二晶体管6与第一恒定电流源7之间连接有第一和第二发射极反馈电阻20和21。其余部分的构成与实施例1相同。

在本发明实施例2中，设置Gm≌1/(2RE)，其中将由第一和第二晶体管5和6以及第一和第二发射极反馈电阻20和21组成的输入差动电路的传导率取为Gm，并同时将第一和第二发射极反馈电阻的各电阻值取为RE。

此时，可变增益放大器电路的G为： $G=20\log \left(\frac{\mathrm{Rc}}{2\mathrm{RE}}\right)-20\log \left(\frac{1+e^{-\frac{\mathrm{Vd}}{\mathrm{VT}}}}{1+\frac{m-n}{\mathrm{\ι}}{e}^{-\frac{\mathrm{Vd}}{\mathrm{VT}}}}\right)$

在这里，当增益控制电压Vd在负方向上增加时，最小增益Gmin为： $G\min =20\log \left(\frac{\mathrm{Rc}}{2\mathrm{RE}}\right)-20\log \left(\frac{\mathrm{\ι}}{m-n}\right)$

在本发明实施例2中，当将第一恒定电流源7的电流取为2Io，通过***发射极反馈电阻20，21，输入差动电路的扩展输入动态范围为2Io×RE。由于该原因，即使输入端3和4输入信号的振幅很大，失真特性也不会变坏。

图6是表示在按照本发明实施例2的可变增益放大器电路中当改变增益控制电压Vd时增益变化的特性图。

如图6所示，当增益控制电压Vd发生变化时，将会知道，其间的增益会由最小增益20log(Rc/2RE)-20log{1/(m-n)}变为最大增益20log(Rc/2RE)。

以上基于优选实施例对本发明进行了描述。本发明可变增益放大器电路不只限于上述实施例的构成。还应包括对本发明上述实施例结构进行改型或变形的可变增益放大器电路。

如上所述，按照本发明，提供一种可变增益放大器电路，其输出端的DC电压是不变的，即使其使增益根据增益控制电压而变化。

还有，其能够通过增益控制差动电路的晶体管发射极区面积比很容易地建立最小增益。

再有，由于只通过元件的相对比可以很容易地建立最小增益，所以增益控制电压发生电路可以简化结构。

本发明的优选实施例是采用特定术语进行的描述，其描述仅仅是用以说明，可以理解，对其所进行的各种改型和变形均不会脱离下列权利要求的精神或范围。

Claims (2)

1.一种可变增益放大器电路，其具有输入差动电路，增益控制差动电路，第一负载电阻，和第二负载电阻，该可变增益放大器电路连接于第一电源端与第一恒定电流源之间，由此根据第一和第二增益控制端的增益控制信号进行差动放大，以便输出第一和第二输入信号，其特征在于：

所述输入差动电路具有第一晶体管，其基极连接于第一输入端上，和第二晶体管，其基极连接于第二输入端上，其中所述第一和第二晶体管的各发射极共同连接于所述第一恒定电流源上；

所述增益控制差动电路具有第三和第四晶体管，其各基极连接于所述第一增益控制端上，而其各集电极连接于第一和第二输出端上，和第五、第六、第七、和第八晶体管，其各基极共同连接于所述第二增益控制端上，其中所述第三、第五、和第六晶体管的各发射极共同连接于所述第一晶体管的集电极上，并且所述第七、第八、和第四晶体管的各发射极共同连接于所述第二晶体管的集电极上，并且所述第五和第七晶体管的各集电极共同连接于所述第一输出端上，和所述第六和第八晶体管的各集电极共同连接于所述第二输出端上；

所述第一负载电阻连接在所述第三、第五、和第七晶体管的所述集电极与所述第一电源端之间；

所述第二负载电阻连接在所述第六、第八、和第四晶体管的所述集电极与所述第一电源端之间；

所述第三和第四晶体管的发射极区面积相等，所述第五和第八晶体管的发射极区面积相等，和所述第六和第七晶体管中的发射极区面积相等，以及

所述第五或第八晶体管的发射极区面积大于所述第六或第七晶体管的发射极区面积。

2.根据权利要求1的可变增益放大器电路，其中在所述第一晶体管与所述第一恒定电流源之间连接有第一发射极反馈电阻，并且在所述第二晶体管与所述第一恒定电流源之间连接有第二发射极反馈电阻。

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