CN1494763A - 具有高线性度和单调相关的偏移电压的自动增益控制电路 - Google Patents

Abstract

一种自动增益控制(AGC)电路100包括高增益放大器A1，反馈网络RA，RB，RC，和两个跨导放大器G1，G2。所述反馈网络具有接收AGC电路的输入信号VIN的第一端，与高增益放大器的输出VOUT相连的第二端，以及两个中间节点V1，V2。每个跨导放大器G1，G2具有和所述反馈网络的各个中间节点相连的输入端，以及和高增益放大器的输入相连的输出端。所述跨导放大器共同地控制反馈网络内的虚地的位置，从而控制AGC电路的增益。每个跨导放大器G1，G2都包括衰减器201和跨导级203，被连接在反馈网络和高增益放大器之间，并被构成在相对宽的输入电压范围内线性地操作。所述AGC电路的输入偏移电压随AGC电路的增益单调地改变。

Description

具有高线性度和单调相关的 偏移电压的自动增益控制电路

相关申请的交叉参考

本申请基于2001年2月28日申请的序列号为60/272187的名称为“An Automatic Gain Control Circuit With High Linearity AndMonotonically Correlated Offset Voltage”的美国临时专利申请，该专利申请全文被包括在此作为参考。本申请和2001年8月31日申请的序列号为09/943668的名称为“A Variable TransconductanceAmplifier”的美国专利申请相关，还与2001年12月21日申请的序列号为10/027386的名称为“Precision Automatic Gain ControlCircuit”的美国专利申请相关，这两个专利申请被包括在此作为参考。

发明领域

本发明涉及一种自动增益控制(AGC)电路，尤其涉及一种具有高线性度和单调相关的偏移电压的AGC电路。

相关技术的说明

自动增益控制(AGC)电路被用于许多通信和信号处理应用中。例如，在有线或无线通信链路的接收机中，要被处理的信号可能离开一个短的距离，因此其相对强，而另一个信号可能离开一个长的距离，因而弱得多。接收机必须处理强的信号和弱的信号，这意味着具有可变增益功能。使用高增益检测和放大弱的信号，而使用低增益与/或衰减处理强的信号。

在某种体系结构中，例如零中频(ZIF)射频体系结构和类似的结构中，AGC功能要求相对大的最大电压增益和宽的总增益范围能力。此外，增益范围必须跨越两个基带信道(I和Q)相对匹配。为了有助于用于设置AGC的快速响应控制环，希望AGC具有跨越工艺变化和温度的非常好的绝对增益控制。AGC应当具有极好的低噪声和极好的线性度性能，并且在有限的电压源下操作。可能还有其它要求是必要的，例如相对高的对称性和被很好控制的过激励特性，以及低的总功率消耗。

理想的放大器没有输入偏移电压，但是在制造期间元件之间的不可避免的不匹配引起一个有限的值。输入偏移电压是当施加零输入电压时的一个视在的直流输入电压。即，在施加零输入电压下，输出电压不是零。输入偏移电压等于所述输出电压除以放大器的电压增益。在ZIF射频体系结构中，输入偏移电压需要被校正才能检测或者精确地译码低电平的信号。偏移校正必须很快地进行，但是由于输入偏移电压随放大器增益的改变而改变，使得偏移校正很复杂。因此如果输入偏移电压不能被完全消除，则最好的情况是使其和增益的相关性能够被预测，因此可以尽可能快地进行校正处理。

可以实现AGC功能的最简单的增益级是基本的差动晶体管对。差动对级的一个例子包括一对双极晶体管Q1和Q2，它们具有连接在一起并和偏流吸收器相连的发射极。一对负载或偏压电阻分别被连接在差动对的各集电极和电压源信号之间。在各晶体管的基极上施加一个差动输入，并在各自的集电极上产生差动输出。这个级的增益是晶体管Q1或Q2的跨导和负载电阻的乘积。借助于简单地改变跨导，可使增益改变。可以通过改变偏流来改变跨导。这种类型的AGC电路的基本问题是其具有有限的输入信号摆动能力。输入的差动电压大约为50毫伏的峰_峰值时便引起严重的非线性，这在许多应用中是不能接受的。这种非线性例如可以引起大于1％的总谐波失真(THD)。在高性能的***中，AGC功能可能需要处理高达2伏的峰_峰值输入差动电压，使得这种AGC级是不能接受的。

用于AGC功能的下一个最通用的增益级是具有发射极负反馈的差动对。这种具有发射极负反馈的增益级和刚刚说明的简单增益级类似，并且还包括一对发射极负反馈电阻，用于增加输入信号摆动能力。具体地说，一对差动晶体管Q1和Q2的的发射极不彼此相连。而是，每个发射极和其各自的负反馈电阻的一端相连。电阻的另一端被连接在一起，并和偏流接收器相连。发射极负反馈电阻理想地是线性电阻。这个级的总跨导通过发射极电阻被减小，并且发射极电阻的存在使得比加于晶体管Q1或Q2的非线性的基极-发射极结上的更多的输入信号出现在这些电阻上。这大大改善了大的输入差动电压的线性处理。不过，随着发射极电阻增加，该级的总的跨导越来越少地取决于晶体管的跨导而更多地取决于发射极电阻。这种结构的一个基本问题是，随着发射极电阻增加，通过改变偏流来改变增益的能力受到严重限制。

已提出了几种更先进的AGC电路。一种构思是在固定增益运算放大器的前方设置模拟衰减器。这种结构对于某些应用具有几个问题。首先，模拟衰减器电路需要至少3个晶体管和电阻构成的堆栈(级联)，这减少了电压摆动能力。其次，在大的固定增益放大器的前方放置衰减器迫使构成衰减器电路的一部分的电阻具有非常低的值，以便满足合理的噪声性能。这些低值电阻要求大的电源电流。

上述的这些解决方案都不能满足用于ZIF体系结构中的AGC电路所需的所有特性。

发明概述

按照本发明的一个实施例的自动增益控制电路包括高增益放大器、反馈网络和第一及第二跨导放大器。所述高增益放大器具有维持AGC电路的输出信号的输出。所述反馈网络具有接收AGC电路的输入信号的第一端，和高增益放大器的输出相连的第二端，以及第一或和二中间节点。每个跨导放大器具有和所述反馈网络的第一和第二中间节点的各节点相连的输入，以及和高增益放大器的输入相连的输出。跨导放大器共同地控制反馈网络内的虚地的位置，从而控制AGC电路的增益。每个跨导放大器包括和所述反馈网络相连的衰减器，以及和所述衰减器以及所述高增益放大器的输入相连的跨导级。

每个跨导放大器被构成用于在相对宽的输入电压范围内线性地操作。AGC电路优选地被这样构成，使得其输入偏移电压随AGC电路的增益而单调地改变。虽然可能希望没有任何输入偏移电压，一个可预测的偏移电压容易地被补偿和减小或者被消除。

在一个实施例中，所述高增益放大器是一种差动放大器，其具有差动输入端和具有第一和第二极性输出的差动输出端。所述反馈网络包括第一和第二中间差动节点。每个跨导放大器具有和与反馈网络的第一和第二中间差动节点的各自的节点相连的差动输入端和与所述差动放大器的差动输入端相连的差动输出端。所述反馈网络可以用几种方式中的任何一种方式实施。在所示的一种结构中，所述反馈网络包括第一和第二组电阻，其中每组电阻被串联连接在输入信号的各个极性和差动放大器的相应的输出极性之间，并且形成相应的中间节点。所述串联连接的电阻组的中间节点共同形成中间差动节点。

在所述差动结构中，每个跨导放大器的衰减器和反馈网络的相应的中间差动节点相连。此外，每个跨导级具有和相应的衰减器相连的输入端，以及和差动放大器的差动输入相连的差动输出端。在另一种特定的结构中，所述衰减器包括第一和第二差动-单端跨导级和连接在一对跨导级之间的电阻装置。每个差动-单端跨导级可以包括电流镜、和所述电流镜相连的晶体管差动对、以及和所述晶体管差动对相连的偏流装置。每个跨导级的所述偏流装置吸收与绝对温度成比例的电流。

所述衰减器输出第一和第二中间差动信号，其中第一中间差动信号的第一极性是相应的中间节点对的第一极性，其中第二中间差动信号的第一极性是所述相应的中间节点对的第二极性。跨导放大器的每个跨导级包括第一和第二差动晶体管对和至少一个偏流装置。第一对差动晶体管接收第一中间差动信号，并提供差动输出信号的第一极性。第二对差动晶体管接收第二中间差动信号，并提供差动输出信号的第二极性。所述一个或几个偏流装置偏置所述第一和第二差动晶体管对。在所示的一个特定的实施例中，每个跨导放大器的衰减器和跨导级中每一个使用双极结晶体管来实现。不过，应当理解，可以使用不同类型的晶体管与/或电路元件来实现类似的功能，因此本发明不限于任何特定的电路结构。

在一个实施例中，第一偏流装置被连接用于偏置第一跨导放大器的跨导级。第二偏流装置被连接用于偏置第二跨导放大器的跨导级。此外，第一和第二偏流装置可以是可控的电流源，其被控制用于改变AGC电路的增益。为了提高线性度，在一个增益范围内使可控的电流源的电流总和保持为常数。可控的电流源可以被一个差动电流信号控制，并且可以用电子方式进行控制。所述偏流控制装置可以在预定的最大电流值和预定的最小电流值之间改变，以便控制增益。因而，一个偏流控制装置线性地增加，而另一个线性地减少，使得总的偏流基本上保持恒定。

应当理解，这里所述的增益电路具有随虚地的改变而改变的增益。所述增益由电阻与/或跨导比确定，其可以线性地、指数地(例如按照dB是线性地)、或者按照任何其它有用的函数改变。最大不失真信号值可以借助于电阻按比例地改变，并且不需要两个以上的输入级。线性度可以独立于反馈电阻网络被调节。提供在闭环放大器增益电路内的或者作为其中的一部分的增益控制网络。所述增益电路可以是直流耦合或者交流耦合的，并且可以和其它的类似的增益电路级联。披露了一种不需要共模基准的差动增益电路。所述增益电路具有低的绝对增益允差和在相同的IC硅片上的不同增益电路之间的优异的增益匹配。说明了一种能够在增益电路中实现最佳的噪声和线性度性能的控制电路。这种能力是通过分别排序构成增益电路的跨导单元来实现的，使得在任何时刻只有两个是有效的。所述控制电路可以实现一个斜坡函数，其具有精确的电流比例能力和精确的导通和截止设置点。如果需要，所述控制电路还可以级联。虽然输入偏移误差电压没有被消除，然而其随增益呈单调改变使得可以预测偏移电压的校正，因而容易补偿。

附图说明

当结合附图阅读下面的本发明的实施例的详细说明时，可以获得对本发明的更好的理解，其中：

图1是按照本发明的实施例的示例的AGC电路的原理图，该电路具有高的线性度和单调相关的偏移电压；

图2是示例的跨导放大器的方块图，包括与跨导级相连的衰减器，其中示例的跨导放大器可被用作图1的AGC电路中的任何一个跨导放大器或者两个跨导放大器；

图3是图2中衰减器的示例的实施例的原理图；

图4是图2中跨导级的示例的实施例的原理图；以及

图5是对于图1的AGC电路的具体结构的控制电流相对增益的曲线图，其中增益以分贝为单位。

本发明的实施例的详细说明

图1是按照本发明的实施例的示例的AGC电路100的原理图，该电路具有高的线性度和单调相关的偏移电压。AGC电路100包括：6个反馈电阻RA1，RA2，RB1，RB2，RC1和RC2；一对跨导放大器G1和G2；一对控制电流源I1和I2；以及高增益跨阻抗级放大器A1。跨导放大器G1和G2分别具有跨导Gm1和Gm2。控制电流源分别吸收控制电流ICNT1和ICNT2。AGC电路100接收差动输入电压VIN，其具有正负极性信号VIN+和VIN-，其中VIN＝(VIN+)-(VIN-)。AGC放大器201提供差动输出电压VOUT，其具有正负极性信号VOUT+和VOUT-，其中VOUT＝(VOUT+)-(VOUT-)。

输入信号VIN+和VIN-被提供给两个电阻RA1和RA2的各自的一端。电阻RA1的另一端和电阻RB1的一端相连，形成第一中间节点，其又和跨导放大器G1的同相输入端相连。电阻RB1的另一端和电阻RC1的一端相连，形成第二中间节点，其又和跨导放大器G2的同相输入端相连。电阻RC1的另一端和放大器A1的同相输出端相连，其产生负极性信号VOUT-。电阻RA2的另一端和电阻RB2的一端相连，形成第三中间节点，其又和跨导放大器G1的反相输入端相连。电阻RB2的另一端和电阻RC2的一端相连，形成第四中间节点，其又和跨导放大器G2的反相输入端相连。电阻RC2的另一端和放大器A1的反相输出端相连，其产生正极性信号VOUT+。

跨导放大器G1、G2的反相输出被连接在一起，并和放大器A1的同相输入端相连。跨导放大器G1、G2的同相输出被连接在一起，并和放大器A1的反相输入端相连。跨导放大器G1和电流源I1相连，并被控制电流ICNT1偏置。跨导放大器G2和电流源I2相连，并被控制电流ICNT2偏置。在第一和第三中间节点之间确定差动电压节点v1，在第二和第四中间节点之间确定差动电压节点v2。

用这种方式，AGC电路100具有4个组成部分，包括：一对跨导放大器G1、G2；放大器A1；反馈网络FB，包括电阻RA1-RC2；以及由电流源I1和I2构成的一对控制电流。跨导放大器G1、G2的差动输出驱动放大器A1的差动输入。放大器A1的差动输出驱动反馈网络FB，后其接收差动输入VIN并和跨导放大器G1、G2的输入相连。AGC电路100只使用两个跨导级，它们被设计成在具有相对大的输入电压时保持线性。

在操作时，当电流源I1导通而电流源I2截止，且施加正输入信号(VIN+＞VIN-)时，第一跨导放大器G1作为响应输出负电流。第二跨导放大器G2截止而无效或者处于对操作没有实际影响的高阻状态。来自第一跨导放大器G1的这个负输入电流被提供给高增益跨阻抗放大器A1，使其输出一个电压。放大器A1的反极性或负输出通过反馈网络FB与输入端相连。应当注意，在跨导放大器G1、G2的输入和输出之间的极性发生改变。跨阻抗放大器A1不使信号反相。

一般地说，反馈放大器例如AGC电路100的增益可以按照反馈网络FB的反馈电阻和虚地确定。如果大量的阻值非常小的电阻和电阻串的与正电压相连的一端以及与负电压相连的另一端串联，则在所述电阻串内具有这样一个节点，该节点具有接近0的电压。这个零电压节点被认为是“虚地”，因为其具有和地相同的电位，但是不直接和地相连。如果这个电阻串是用于反馈放大器的反馈网络，则可以证明，闭环电压增益等于在虚地节点和输出端之间的总电阻与在虚地节点和输入端之间的总电阻之比。

参看AGC电路100，在跨导放大器G1导通而跨导放大器G2截止时，差动的虚地在节点v1。同样，在跨导放大器G1截止而跨导放大器G2导通时，差动的虚地在节点v2。电阻RB1和RB2可以认为是串联的无限多个无限小阻值的电阻，因此在跨导放大器G1、G2都导通时，在RB1和RB2内的两个节点之间具有一个差动虚地。此时的增益是电阻RC(RC1、RC2)加上电阻RB(RB1、RB2)的一部分的和除以电阻RA(RA1，RA2)和电阻RB的其余部分的和。实际上，当增益从最小到最大时，好象是虚地的位置被强迫从电阻RB1、RB2的一端移动到另一端。

假定RA＝RA1＝RA2，RB＝RB1＝RB2，RC＝RC1＝RC2。当电流源I1导通、电流源I2截止时，虚地处于节点v1，总增益是为最大，简化为(RB+RC)/RA。当电流源I1导通、电流源I2截止时，虚地处于节点v2，总增益是为最小，简化为RC/(RA+RB)。应当注意，对于这些最大和最小增益情况，增益是电阻RA-RC之比，在集成电路(IC)处理中，其可被非常精确地匹配(例如0.2％)。因此，对于这些情况，总增益可被精确地控制。

最后的情况是当两个电流源I1、I2都导通时。对于这种情况，虚地实际上位于节点v1和v2之间，此时增益处于最大和最小情况之间。增益涉及电阻比和跨导比。跨导比在集成电路处理中也可以被精确地匹配(例如＜1％)。因此，在整个增益范围内增益都能被精确地控制。概括地说，AGC电路100位于一个负反馈结构中，其中其增益被流入跨导放大器G1、G2的控制电流改变。

假定对跨导放大器G1、G2的输入电流可以忽略，在节点v1和v2的电压分别由下面的公式1和2提供：

v1＝VIN[(RB+RC)/(RA+RB+RC)]+VOUT[(RA)/(RA+RB+RC)]

                                           (1)

v2＝VIN[(RC)/(RA+RB+RC)]+VOUT[(RA+RB)/(RA+RB+RC)]

                                           (2)

其中RA＝RA1＝RA2，RB＝RB1＝RB2，RC＝RC1＝RC2。

AGC电路100的输出电压是电压v1，v2的函数，由公式3表示：

VOUT＝-RT[(v1)(Gm1)+(v2)(Gm2)]             (3)其中RT是放大器A1的跨电阻。下面的公式4是通过把公式1和2代入公式3得到的，用于求解输出电压VOUT：

VOUT～-VIN[(Gm1)(RB+RC)+(Gm2)(RC)]

      /[(Gm1)(RA)+(Gm2)(RA+RB)]            (4)对于RT(Gm1+Gm2)＞＞1，并且其中“～”表示“近似等于”。

图2是示例的跨导放大器G的方块图，可被用作跨导放大器G1、G2中任何一个或两者，此外还包括控制电流源I1和I2。跨导放大器G包括第一级衰减器201，其用于降低施加于第二跨导级203的电压。对衰减器201和跨导级203中任何一个或者两者施加电子增益控制。在具有增大的输入电压时可以使衰减增加，从而维持线性度。在所示的实施例中，衰减器201是固定的，并被设置为一个预先确定的值，以便建立线性度。衰减器201在电压源信号V_supply和地之间被引用，并且接收差动输入电压VGIN，其具有差动极性信号VGIN+、VGIN-，其中VGIN＝VGIN+-VGIN-。衰减器201维持提供给跨导级203 4个电压信号VA，VB，VC，VD(分别具有电压VA，VB，VC，VD)，跨导级203产生差动输出电流IOUT，其具有差动极性输出电流信号IOUT+和IOUT-，其中IOUT＝IOUT+-IOUT-。

图3是衰减器201的示例的实施例的原理图。衰减器201包括NPN双极结晶体管(BJT)Q1-Q4、PNP BJT Q5-Q8、电阻RX以及两个恒流源或接收器305和307。电阻RX对于跨导放大器G1被电阻R1代替，对于跨导放大器G2被电阻R2代替。电流接收器305汲取电流IA1，电流接收器307汲取电流IA2。晶体管Q5-Q8的发射极和V_supply信号相连。晶体管Q5、Q7的基极被连接在一起，晶体管Q5的基极和其集电极相连。用类似方式，晶体管Q6和Q8的基极被连接在一起，晶体管Q6的基极和其集电极相连。

晶体管Q5，Q7，Q8，Q6的集电极分别和晶体管Q1，Q3，Q4，Q2的集电极相连。晶体管Q1和Q3的发射极被连接在一起，并和电流接收器305的一端相连，电流接收器305的另一端和地相连。晶体管Q2、Q4的发射极被连接在一起，并和电流接收器307的一端相连，电流接收器307的另一端和地相连。晶体管Q1、Q2的基极分别接收VGIN+、VGIN-信号，它们分别和VA、VB信号相同。晶体管Q3、Q4的基极分别产生VC和VD信号。电阻RX的一端和晶体管Q3的基极相连，其另一端和晶体管Q4的基极相连。电流ID被规定为从晶体管Q3的集电极流到基极，并且和从晶体管Q4的基极流到集电极的电流相同。电流IRX被规定为流经VC和VD信号之间的电阻RX。对于电阻R1，电流IRX由电流IR1代替，对于电阻R2，由电流IR2代替。

4个输出电压VA-VD是差动输入电压VGIN的函数，VA和VB信号和VGIN+、VGIN-两个输入信号相同。具有两个差动晶体管对Q1，Q3和Q2，Q4，它们和电阻RX的各端相连。在所示的实施例中，晶体管Q1-Q4基本上是相同的。晶体管Q3，Q4是其基极和集电极呈短路连接的二极管。晶体管Q5和Q7被构成第一电流镜301，晶体管Q6和Q8被构成为第二电流镜303。用这种方式，晶体管Q1，Q2的集电极和电流镜301、303的输入相连，电流镜的输出和晶体管Q3、Q4的集电极相连。电流镜301、303所示为PNP晶体管，但是其可以用任何其它电流镜结构来实现。例如，电流镜310、303可以使用其它类型的晶体管例如PMOS晶体管等来实现。此外，在所示的实施例中，电流镜301、303具有1∶1的输出/输入，电流源305、307假定是匹配的，并且基极电流假定可以被忽略。

差动晶体管对Q1、Q3和第一电流镜301的组合形成差动至单端的跨导级，输出电流(ID)等于差动对的差动电流输出。所述电流还流过电阻RX(IRX)，并且按照下式5被确定：

ID＝IRX＝(IA)tanh[(VA-VC)/2VT]＝(IA)tanh[(VD-VB)/2VT]

                                             (5)其中IA2＝IA1＝IA，并且其中VT是导热系数电压(温度的等效电压，其中VT＝kT/q，其中k是波耳兹曼常数，单位是焦耳每开氏温度，T是温度，单位是开氏度(绝对温标)，q是电子电荷的数量)。差动输入电压等于在电阻RX上的电流-电阻(IR)电压降加上两个差动对的两个差动输入电压，如以下公式6、7所示：

VGIN+-VGIN-＝(VA-VC)+(ID)RX+(VD-VB)＝

2(VA-VC)+(IA)(RX)tanh[(VA-VC)/2VT]           (6)

VIN+-VIN-～2(VA-VC)+[(IA)(RX)/2VT](VA-VC)＝

(VA-VC)(2+[(IA)(RX)/2VT]                     (7)其中|(VA-VC)|＜VT。下式8是衰减器的传递函数，表示施加于任何一个差动对的电压是小于或等于输入电压的一半的部分：

(VA-VC)～(VGIN+-VGIN-)(2VT/[4VT+(IA)(RX)])   (8)其中，仍然|(VA-VC)|＜VT。偏流IA越大，这个部分越小。当IA和绝对温度(PTAT)成比例时，这个部分与温度无关。下式9表示实现线性操作的条件：

|(VA-VC)|＜VT→|(VGIN+-VGIN-)|＜(2VT+(IA)(RX)/2)  (9)

如果电流IA增加，则最大输入电压可以增加，但是增加IA与/或RX也增加衰减量。

图4是跨导级203示例的实施例的原理图。跨导级203包括4个NPN BJT晶体管Q11，Q12，Q13，Q14和两个电流接收器401、403。晶体管Q11、Q13在其发射极被连接在一起，并和吸收电流IB1的电流接收器401的一端相连。晶体管Q12、Q14在其发射极被连接在一起，并和吸收电流IB2的电流接收器403的一端相连。VA-VD信号分别被提供给晶体管Q11-Q14的基极。晶体管Q11、Q14的集电极被连接在一起，并产生IOUT+输出信号。晶体管Q12、Q13的集电极被连接在一起，并产生IOUT-输出信号。因为来自衰减器201的4个输出是跨导级的4个输入信号(VA，VB，VC，VD)，下式10表示差动输出电流IOUT：

(IOUT+-IOUT-)＝(IB1)tanh[(VA-VC)/2VT]+(IB2)tanh

[(VD-VB)/2VT]＝2(IB)tanh[(VA-VC)/2VT]        (10)

其中IB2＝IB1＝IB。将衰减器传递函数(式8)代入上面的跨导函数，得到下式11：

(IOUT+-IOUT-)～(VGIN+-VGIN-)(2(IB)/[4VT+(IA)(RX)]

                                              (11)其中|(VA-VC)|＜VT。使用衰减器201和跨导级203的跨导放大器G的跨导Gm按照下式12被确定：

Gm＝(IOUT+-IOUT-)/(VIN+-VIN-)～2(IB)/[4VT+(IA)(RX)]

                                              (12)差动输出电流和流过电阻RX的电流IRX成比例。跨导可以通过改变跨导级的偏流(IB)或者改变衰减级的偏流(IA)，或者改变两者被改变。

跨导放大器G1、G2不必是相同的。跨导放大器G1、G2之间的差异可用于调节AGC放大器传递函数，即增益对控制电压的关系。使用上面的式12，跨导放大器G1、G2的跨导Gm1、Gm2分别由下面的公式13和14提供：

Gm1＝2(ICNT1)/[4VT+(IA)(R1)]                 (13)

Gm2＝2(ICNT2)/[4VT+(IA)(R2)]                 (14)其中IB分别由ICNT1、ICNT2代替，并且RX分别由电阻R1、R2代替。把得自式13、14的Gm1、Gm2代入由式4提供的反馈放大器增益，得到由下式15提供的作为控制电流ICNT1、ICNT2的函数的电压增益：

$\frac{\mathrm{VOUT}}{\mathrm{VIN}}~-\frac{\{2\left(\mathrm{ICNT}1\right)/[4\mathrm{VT}+\left(\mathrm{IA}\right)\left(R1\right)\left]\right\}(\mathrm{RB}+\mathrm{RC})+\{2\left(\mathrm{ICNT}2\right)/[4\mathrm{VT}+\left(\mathrm{IA}\right)\left(R2\right)\left]\right\}\left(\mathrm{RC}\right)}{\{2\left(\mathrm{ICNT}1\right)/[4\mathrm{VT}+\left(\mathrm{IA}\right)\left(R1\right)\left]\right\}\left(\mathrm{RA}\right)+\{2\left(\mathrm{ICNT}2\right)/[4\mathrm{VT}+\left(\mathrm{IA}\right)\left(R2\right)\left]\right\}(\mathrm{RA}+\mathrm{RB})}---\left(15\right)$

假定衰减器偏流IA是按照下式16的PTAT：

IA＝4VT/Rbias                         (16)对于与温度无关的偏流电阻Rbias，则放大器的增益关系简化为下式17：

$\frac{\mathrm{VOUT}}{\mathrm{VIN}}~-\frac{[2\left(\mathrm{ICNT}1\right)/(\mathrm{Rbias}+R1)](\mathrm{RB}+\mathrm{RC})+[2\left(\mathrm{ICNT}2\right)/(\mathrm{Rbias}+R2)]\left(\mathrm{RC}\right)}{[2\left(\mathrm{ICNT}1\right)/(\mathrm{Rbias}+R1)]\left(\mathrm{RA}\right)+[2\left(\mathrm{ICNT}2\right)/(\mathrm{Rbias}+R2)](\mathrm{RA}+\mathrm{RB})}---\left(17\right)$

应当注意，对于特定的结构，设置IA使得实现最佳的操作。然后根据公式16提供的关系导出Rbias。

在一个实施例中，考虑单端信号，并可使用简单的电流镜产生控制电流ICNT1，ICNT2。在另一个实施例中，单个差动输入电流作为控制电流ICNT1和ICNT2施加。例如，所述差动输入电流可以是数模转换器(DAC)的输出，并且具有任选的差值，以便改善隔离度。图5是对于AGC电路100的一种特定结构的控制电流ICNT1、ICNT2对增益的曲线图，其中增益以分贝(dB)为单位。增益从最小的G0改变到最大的G3，并且每个控制电流从预定的最小值IMIN改变到预定的最大值IMAX。当ICNT1是IMAX时，ICNT2为IMIN且增益为最大值G3。当ICNT2为IMAX时，ICNT1为IMIN且增益为小值G0。在整个操作范围内，两个控制电流的和是常数(IMAX)。在一个实施例中，IMIN接近于0。

如果x被定义为ICNT1对总电流例如IMAX之比，则增益可以被按照下式18表示：

$\frac{\mathrm{VOUT}}{\mathrm{VIN}}~-\frac{[\left(x\right)/(\mathrm{Rbias}+R1)](\mathrm{RB}+\mathrm{RC})+[(1-x)/(\mathrm{Rbias}+R2)]\left(\mathrm{RC}\right)}{[\left(x\right)/(\mathrm{Rbias}+R1)]\left(\mathrm{RA}\right)+[(1-x)/(\mathrm{Rbias}+R2)](\mathrm{RA}+\mathrm{RB})}---\left(18\right)$

对于x＝ICNT1/(ICNT1+ICNT2)，并且处于0和1之间并包括0和1。跨导级电阻R1、R2可用于调节在控制曲线的中点的增益，这有助于实现以分贝表示的增益传递函数的线性化，如下面公式19和20所示：

$\frac{\mathrm{VOUT}}{\mathrm{VIN}}~-\frac{(\mathrm{RB}+\mathrm{RC})/(\mathrm{Rbias}+R1)+\left(\mathrm{RC}\right)/(\mathrm{Rbias}+R2)}{\left(\mathrm{RA}\right)/(\mathrm{Rbias}+R1)+(\mathrm{RA}+\mathrm{RB})/(\mathrm{Rbias}+R2)}---\left(19\right)$

对于x＝0.5，以及

$\frac{\mathrm{VOUT}}{\mathrm{VIN}}~-\frac{\left(x\right)(\mathrm{RB}+\mathrm{RC})/\left({R1}^{\′}\right)+(1-x)\left(\mathrm{RC}\right)/\left({R2}^{\′}\right)}{\left(x\right)\left(\mathrm{RA}\right)/\left({R1}^{\′}\right)+(1-x)(\mathrm{RA}+\mathrm{RB})/\left({R2}^{\′}\right)}---\left(20\right)$

对于R1’＝Rbias+R1，R2’＝Rbias+R2。

假定具有和每个跨导放大器G1、G2相关的输入偏移电压。这些输入偏移电压分别用标号vio1和vio2表示，可以表示为和跨导放大器G1、G2的每个输入端串联的电压源。如果vio1和vio2分别被加到按照公式1和2的电压v1和v2上，并重复上述的分析，则可以把AGC电路100的输出电压表示为输入电压和两个跨导级偏移电压的函数。AGC输入偏移电压vio被定义为使输出电压等于0所需的输入电压的值，如下式21所示：

$\mathrm{Vio}=-\frac{\left(\mathrm{vio}1\right)\left(x\right)(\mathrm{RA}+\mathrm{RB}+\mathrm{RC})/\left({R1}^{\′}\right)+\left(\mathrm{vio}2\right)(1-x)(\mathrm{RA}+\mathrm{RB}+\mathrm{RC})/\left({R2}^{\′}\right)}{\left(x\right)\left(\mathrm{RA}\right)/\left({R1}^{\′}\right)+(1-x)(\mathrm{RA}+\mathrm{RB})/\left({R2}^{\′}\right)}---\left(21\right)$

如果对于任何x值(0-1)，AGC放大器偏移电压对x的二阶导数是0，则偏移电压可能是非单调的。这些类型的跨导级的输入偏移电压实际上独立于控制电流ICNT1和ICNT2。Vio的二阶导数由下式22提供：

d²vio/dx²＝-2[(RA/R1’)-(RA+RB)/R2’](Y)          (22)其中Y按照下式23确定：

$Y=\frac{\left(\mathrm{vio}1\right)(\mathrm{RA}+\mathrm{RB})(\mathrm{RA}+\mathrm{RB}+\mathrm{RC})/\left({R1}^{\′}\right)\left({R2}^{\′}\right)+\left(\mathrm{vio}2\right)\left(\mathrm{RA}\right)(\mathrm{RA}+\mathrm{RB}+\mathrm{RC})/\left({R1}^{\′}\right)\left({R2}^{\′}\right)}{[\left(x\right)\left(\mathrm{RA}\right)/\left({R1}^{\′}\right)+(1-x)(\mathrm{RA}+\mathrm{RB})/\left({R2}^{\′}\right){]}^3}---\left(23\right)$

其中使二阶导数是0的唯一途径是来自公式21的表达式[(RA/R1’)-(RA+RB)/R2’]是0。不过，这是一个特殊情况，其中偏移电压随x线性地改变，当然，x也是单调的。因此，偏移电压随增益单调地改变，因而允许使用快速的预测偏移校正算法。

因为输入偏移电压的主要来源发生在输入级内，具有两个以上的输入级的AGC放大器具有当增益改变时可以漂移的输入偏移电压。所示的AGC电路100的实施例只具有两个跨导放大器级，这简化了控制电路，并具有所需的性能，即输入偏移电压随增益单调地改变。这意味着，在最小和最大增益设置下求得偏移电压，便可以精确地预测在AGC电路100的任何其它增益设置下的偏移电压。精确的偏移预测使得能够减小或者消除每当增益改变时启动一个费时的搜索算法的需要。在一个实施例中，控制电路按照dB是线性的。跨导放大器G1、G2在相对大的输入电压信号下线性地操作，并且可以用电子方式实现可控的跨导放大器。例如，使用电流吸收器401和403或其类似物实现的控制电流源I1和I2容易地用电子方式可控的偏流控制装置来实现。应当注意，本发明不限于任何特定数量的输入级。

按照本发明的AGC电路具有许多需要的特性。增益随着虚地的改变而改变。电阻与/或晶体管跨导(Gm)比确定所述增益。最大的不失真信号电平可以借助于电阻而按比例改变，并且不必要求两个以上的输入级。线性度可以独立于反馈网络FB被调节。虽然没有消除输入偏移电压，但是输入偏移误差电压随增益而单调地改变，这使得能够预测偏移电压校正。增益可以按照指数规律改变，使得按照dB是线性的。在一个实施例中，增益控制网络可以在闭环放大器增益电路内或者是其中的一部分。AGC电路可以被直流或交流耦合，并且可以被级联。AGC电路是一种差动增益电路，其不需要共模基准。AGC电路具有低的绝对增益允差和同一硅片上的不同增益电路的优异的增益匹配。AGC电路不需要复杂的增益控制电路，并且如果需要，控制电路可以级联。

ZIF体系结构需要具有相对大的最大电压增益(例如在示例的实施例中为AGC电路1000V/V)的AGC功能，以及相对大的总增益范围能力(例如在示例的实施例中为66dB)。此外，增益范围应当在两个基带信道(I和Q)上精确地匹配，例如相互在0.1dB内。为了有助于设置AGC的快速响应的数字控制环，希望AGC对于工艺改变和温度具有+/-1dB的绝对增益控制。所述AGC被直流耦合，应具有低的噪声和高的线性度性能，并且利用有限的电压源(例如在示例的实施例中为2.7V)工作。还设想具有附加的要求，例如高的对称性和被很好控制的过激励特性(在示例的实施例中以便支持数字控制环处理)和低的总功率消耗。本说明所述的AGC电路100实现了所有这些要求。

虽然结合一个或几个实施例说明了本发明的***和方法，但是不希望将本发明限制于这里提出的特定的形式，而是与此相反，应当包括在由所附权利要求限定的本发明的范围内的所有的改变、改型和等效技术方案。

Claims (30)

1.一种自动增益控制(AGC)电路，包括：

高增益放大器，所述高增益放大器具有输入端和输出端，所述输出端维持AGC电路的输出信号；

反馈网络，所述反馈网络具有接收AGC电路的输入信号的第一端，和高增益放大器的输出端相连的第二端，以及第一和第二中间节点；以及

第一和第二跨导放大器，每个跨导放大器具有和所述反馈网络的第一和第二中间节点中一个节点相连的输入端，以及和高增益放大器的输入端相连的输出端，所述第一和第二跨导放大器共同地控制反馈网络内的虚地的位置，从而控制AGC电路的增益，每个跨导放大器包括：

和所述反馈网络相连的衰减器；以及

和所述衰减器以及所述高增益放大器的输入端相连的跨导级，每个跨导放大器在相对宽的输入电压范围内线性地操作。

2.按照权利要求1所述的AGC电路，还包括：

所述高增益放大器包括一个差动放大器，其具有差动输入端和包括第一和第二极性输出的差动输出端；

所述反馈网络包括第一和第二中间差动节点；以及

所述每个跨导放大器具有与反馈网络的第一和第二中间差动节点中一个节点相连的差动输入端，以及与所述差动放大器的差动输入端相连的差动输出端。

3.按照权利要求2所述的AGC电路，其中所述反馈网络包括：

第一组电阻，其被串联连接在所述输入信号的第一极性和差动放大器的第一极性输出之间，并且形成第一对中间节点；以及

第二组电阻，其被串联连接在所述输入信号的第二极性和差动放大器的第二极性输出之间，并且形成第二对中间节点。

4.按照权利要求2所述的AGC电路，其中每个跨导放大器包括：

和所述反馈网络的相应的中间差动节点相连的衰减器；以及

跨导级，其具有和所述衰减器相连的输入端和与所述差动放大器的差动输入相连的差动输出端。

5.按照权利要求4所述的AGC电路，其中所述衰减器包括：

第一和第二差动-单端跨导级；以及

连接在所述第一和第二差动-单端跨导级之间的电阻装置。

6.按照权利要求5所述的AGC电路，其中所述每个差动-单端跨导级包括：

电流镜；

和所述电流镜相连的晶体管差动对；以及

和所述晶体管差动对相连的偏流装置。

7.按照权利要求6所述的AGC电路，其中第一和第二差动-单端跨导级中每个的所述偏流装置吸收与绝对温度成比例的电流。

8.按照权利要求4所述的AGC电路，其中所述衰减器输出第一和第二中间差动信号，其中第一中间差动信号的第一极性是一个相应的中间节点对的第一极性，第二中间差动信号的第一极性是所述相应的中间节点对的第二极性。

9.按照权利要求8所述的AGC电路，其中所述跨导级包括：

第一对差动晶体管，其接收第一中间差动信号，并提供一个相应的跨导放大器的差动输出信号的第一极性；

第二对差动晶体管，其接收第二中间差动信号，并提供所述相应的跨导放大器的差动输出信号的第二极性；以及

至少一个偏流装置，用于偏置所述第一和第二对差动晶体管。

10.按照权利要求9所述的AGC电路，还包括：

第一偏流装置，其被连接用于偏置第一跨导放大器的跨导级；以及

第二偏流装置，其被连接用于偏置第二跨导放大器的跨导级。

11.按照权利要求10所述的AGC电路，其中第一和第二偏流装置包括可控的电流源，其被控制用于改变AGC电路的增益。

12.按照权利要求11所述的AGC电路，其中在一个增益范围内使第一和第二可控的电流源的电流和保持恒定。

13.按照权利要求12所述的AGC电路，其中第一和第二可控的电流源被一个差动电流信号控制。

14.按照权利要求12所述的AGC电路，其中所述第一和第二可控电流源可用电子方式进行控制。

15.按照权利要求1所述的AGC电路，其中输入偏移电压随AGC电路的增益单调地改变。

16.一种自动增益控制(AGC)电路，包括：

高增益放大器，所述高增益放大器具有差动输入端和差动输出端；

第一系列电阻，其被连接在第一极性的输入信号和所述高增益放大器的差动输出的第一极性之间，所述第一系列电阻形成第一和第二中间节点；

第二系列电阻，其被连接在第二极性的输入信号和所述高增益放大器的差动输出的第二极性之间，所述第二系列电阻形成第三和第四中间节点；

所述第一和第三中间节点形成第一中间差动节点对，所述第二和第四中间节点形成第二中间差动节点对；

第一跨导放大器，其具有差动输入端和第一中间差动节点对相连，差动输出端和高增益放大器的差动输入端相连，以及第一偏流控制装置用于控制第一跨导放大器的跨导；以及

第二跨导放大器，其具有差动输入端和第二中间差动节点对相连，差动输出端和高增益放大器的差动输入端相连，以及第二偏流控制装置用于控制第二跨导放大器的跨导；

其中所述第一和第二跨导放大器中每一个被构成在相对宽的输入电压范围内是线性的。

17.按照权利要求16所述的AGC电路，其中所述第一和第二偏流控制装置被控制用于定位在所述第一和第二中间差动节点对之间的虚地。

18.按照权利要求17所述的AGC电路，其中所述第一和第二偏流控制装置可以在预定的最大电流水平和预定的最小电流水平之间改变，以控制增益。

19.按照权利要求18所述的AGC电路，其中在一个预定的增益范围内所述第一和第二偏流控制装置的电流和保持恒定。

20.按照权利要求16所述的AGC电路，还包括：

第一系列电阻包括：第一电阻，连接在正极性的输入信号和第一中间节点之间；第二电阻，连接在第一和第二中间节点之间；以及第三电阻，连接在第二中间节点和高增益放大器的同相输出端之间；以及

第二系列电阻包括：第四电阻，连接在负极性的输入信号和第三中间节点之间；第五电阻，连接在第三和第四中间节点之间；以及第六电阻，连接在第四中间节点和高增益放大器的反相输出端之间。

21.按照权利要求20所述的AGC电路，还包括：

第一跨导放大器具有：同相输入端，和第一中间节点相连；反相输入端，和第三中间节点相连；同相输出端，和高增益放大器的同相输出端相连；以及反相输出端，和高增益放大器的反相输出端相连，以及

第二跨导放大器具有：同相输入端，和第二中间节点相连；反相输入端，和第四中间节点相连；同相输出端，和高增益放大器的同相输出端相连；以及反相输出端，和高增益放大器的反相输出端相连。

22.按照权利要求21所述的AGC电路，其中所述第一和第二跨导放大器每一个都包括：

衰减器，具有差动输入端，包括反相输入端和同相输入端，以及第一和第二差动输出端，其中所述衰减器的同相输入端是第一差动输出端的第一极性，衰减器的反相输入端是第二差动输出端的第一极性；以及

跨导级，具有：第一差动输入端，和衰减器的第一差动输出端相连；第二差动输入端，和衰减器的第二差动输出端相连；至少一个偏置输入端，和相应的偏流控制装置相连；以及差动电流输出端，包括正电流端和负电流端。

23.按照权利要求22所述的AGC电路，其中所述跨导级包括：

第一差动晶体管对，具有：差动输入端，和衰减器的第一差动输出端相连；偏置端；以及差动电流输出端，包括正电流端和负电流端；

第二差动晶体管对，具有：差动输入端，和衰减器的第二差动输出端相连；偏置端；以及差动电流输出端，包括正电流端和第一差动晶体管对的正电流端相连，以及负电流端和第一差动晶体管对的负电流端相连；以及

第一偏流控制装置，和第一差动晶体管对的偏置端相连；以及第二偏流控制装置，和第二差动晶体管对的偏置端相连。

24.按照权利要求22所述的AGC电路，其中所述的跨导级包括：

第一NPN双极结晶体管，具有：基极，和衰减器的第一差动输出端的第一极性相连；发射极；以及集电极，构成跨导级的正输出电流端；

第二NPN双极结晶体管，具有：基极，和衰减器的第一差动输出端的第二极性相连；发射极，和第一NPN双极结晶体管的发射极相连；以及集电极，其构成跨导级的负输出电流端；

第三NPN双极结晶体管，具有：基极，和衰减器的第二差动输出端的第一极性相连；发射极；以及集电极，和跨导级的正输出电流端相连；

第四NPN双极结晶体管，具有：基极，和衰减器的第二差动输出端的第二极性相连；发射极，和第三NPN双极结晶体管的发射极相连；以及集电极，和跨导级的负输出电流端相连；

第一偏流控制装置，和第一及第二NPN双极结晶体管的发射极相连；以及

第二偏流控制装置，和第三及第四NPN双极结晶体管的发射极相连。

25.按照权利要求22所述的AGC电路，还包括：

第一偏置控制电流装置，其被连接用于偏置所述第一跨导放大器的跨导级；以及

第二偏置控制电流装置，其被连接用于偏置所述第二跨导放大器的跨导级。

26.按照权利要求25所述的AGC电路，其中所述第一和第二偏置控制电流装置的电流和在一个增益范围保持恒定。

27.按照权利要求25所述的AGC电路，其中每个衰减器包括：

第一差动-单端跨导级，具有第一输出端；

第二差动-单端跨导级，具有第二输出端；以及

电阻装置，被连接在所述第一和第二输出端之间。

28.按照权利要求27所述的AGC电路，其中所述第一和第二差动-单端跨导级中每一个包括：

电流镜；

和所述电流镜相连的晶体管差动对；以及

电流接收器，其被连接用于偏置所述晶体管差动对。

29.按照权利要求28所述的AGC电路，还包括：

所述电流镜包括：

第一PNP双极晶体管，具有：发射极，其和电源信号相连；以及被连接在一起的基极和集电极；以及

第二PNP双极晶体管，具有：发射极，其和电源信号相连；基极，其和第一PNP双极晶体管的基极相连；以及集电极；以及

所述晶体管差动对包括：

第一NPN双极晶体管，其具有：集电极，和第一PNP双极晶体管的集电极相连；发射极，其和所述电流接收器相连；以及基极，用于接收差动输入信号的一个极性；以及

第二NPN双极晶体管，其具有：集电极，和第二PNP双极晶体管的集电极相连；发射极，其和所述电流接收器相连；以及基极，和其集电极相连，并和所述电阻装置的一端相连。

30.按照权利要求29所述的AGC电路，其中所述电流接收器吸收与绝对温度成比例的电流。

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