專利名稱：全差分可變增益放大器和多維放大器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及全差分可變增益放大器，它包括輸入、中間級、輸出級以及電壓-電流轉(zhuǎn)換裝置，其中輸入級連接到中間級，而中間級連接到輸出級。
在最大帶寬上要求穩(wěn)定和可預(yù)測參數(shù)以及其中增益的應(yīng)用中，寬帶放大器是極為有用的裝置。這些應(yīng)用包括光纖發(fā)射機和接收機、放大光播放器的讀取頭中的輸出信號的輸入放大器以及許多其它應(yīng)用。
這些應(yīng)用通常采用互阻抗放大器(TLA)。這些放大器具有電阻反饋裝置。TLT的帶寬和增益都取決于這些反饋裝置的電阻值。
在許多情況下，都希望獲得高增益和最大帶寬。但是，采用上述標(biāo)準(zhǔn)TLA無法同時實現(xiàn)這些目標(biāo)。
另外還希望TLA能夠與差分和單端信號源配合工作，以便在應(yīng)用中獲得較大的靈活性，又不會明顯降低其性能。
只要維持以前提供的方法，就只能夠用極為復(fù)雜的解決方案來換取TLA性能的某些方面的改善，同時還無法提供獨立于帶寬的可控制增益。
US-A-5581212中公開了開篇中描述的類型的放大器。為了擴大其帶寬，這種放大器包含三級，其中TLA為最后一級。同樣，這種寬帶放大器(的操作)無法提供獨立于放大器帶寬的可控制增益。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供全差分可變增益放大器和多維放大器裝置，它能夠相互獨立地控制帶寬和增益。
根據(jù)本發(fā)明，在開篇所述的裝置中實現(xiàn)了這個目的，其特征在于，輸入級包括輸入差分放大器，其中含有局部反饋裝置和電壓-電流轉(zhuǎn)換裝置，用于將所述輸入差分放大器與中間級連接，其特征還在于，中間級包括從各個共同節(jié)點到參考節(jié)點的第一和第二支路，共同節(jié)點由所述輸入級、輸出級以及中間級共用，中間級還包括電流控制網(wǎng)絡(luò)，它經(jīng)第一反饋支路連接到公共節(jié)點，并且經(jīng)第二反饋支路連接到輸入級。局部反饋裝置降低輸入阻抗并提高輸入差分放大器的截止頻率，從而擴大帶寬。第二反饋支路還降低輸入阻抗，并同時提高輸入差分放大器的截止頻率。公共節(jié)點和參考節(jié)點之間的第一和第二支路可以用低阻抗支路來實現(xiàn)，使公共節(jié)點的阻抗可以減小。這種方法的一個直接結(jié)果是與公共節(jié)點相關(guān)的時間常數(shù)減小，并且?guī)捲龃?。在其上產(chǎn)生輸出電壓信號的輸入差分放大器的輸出端與公共節(jié)點之間的連接包括電壓-電流轉(zhuǎn)換裝置，用以使所述輸出信號適應(yīng)于低阻抗節(jié)點。所述公共節(jié)點由輸出級的各輸入端共用，其中，輸出級減小輸入阻抗以及擴大該級的帶寬。顯然，全差分可變增益放大器(以下表示為“放大器”)的帶寬通過所述局部反饋、第一反饋支路和第二反饋支路來控制。由于所述輸出級沒有包含在這個反饋系統(tǒng)中，所以它能夠獨立于“放大器”的帶寬來控制增益。這就使根據(jù)本發(fā)明的“放大器”特別適合于寬帶應(yīng)用。
如權(quán)利要求2所述的“放大器”的實施例具有提高了共模抑制比(CMRR)的優(yōu)點，其直接結(jié)果是還改善了整體信噪比(S/N)。
由于在負反饋中嵌入正反饋，所以提高了“放大器”的穩(wěn)定性。
作為說明，上述所有級均用晶體管來實現(xiàn)。在一個實施例中，所有這些晶體管均以雙極型或CMOS技術(shù)來實現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的“放大器”的低輸入阻抗允許電流源極為簡單地連接到其輸入端。這是光接收機之類的應(yīng)用特別關(guān)注的，在光接收機中，輸入裝置是光檢測器。這些裝置通常用相當(dāng)于電流源的半導(dǎo)體光電二極管來實現(xiàn)。
本發(fā)明的另一個目的是提供多維放大器裝置，其特征在于，第一N1維電壓控制電流源陣列(VCCS陣列)、如權(quán)利要求1所述的第二N2維全差分可變增益放大器陣列(TLA陣列)、以及控制單元，所述控制單元連接到VCCS和TLA陣列。
VCCS陣列提供使電壓輸入矢量適應(yīng)于陣列中任何TIA的輸入的裝置?？刂茊卧ㄓ糜趯⑤斎胧噶堪l(fā)送到或者VCCS陣列或者TLA陣列的裝置?？刂茊卧€包括控制或者VCCS陣列大小或者TIA陣列大小的裝置。
通過以下結(jié)合附圖對本發(fā)明示范實施例的說明，本發(fā)明的上述及其它特征和優(yōu)點會非常明顯，圖中

圖1是放大器的一個實施例的框圖，圖2是輸入級的框圖，圖3是中間級的框圖，圖4是輸出級的框圖，圖5說明根據(jù)本發(fā)明一個實施例的放大器的雙極型-CMOS實現(xiàn)，圖6說明一種多維放大器裝置。
圖1表示根據(jù)本發(fā)明的“放大器”的框圖。其中有三個主要級，即輸入級100、中間級200以及輸出級300。輸入級100接收輸入信號(為方便起見，標(biāo)為Iin)，經(jīng)放大后，將該信號傳送給中間級200。中間級200連接到輸入級100和輸出級300。輸出級300連接到中間級200，并且提供輸出信號Vout。
此外，圖中還表示出偏置級400，它用作所述輸入級100、中間級200以及輸出級300的適當(dāng)電源。
圖2說明包括差分輸入放大器的一種類型的輸入級100，該放大器采用差分電流控制電壓源(CCVS)101來實現(xiàn)，為方便起見，其輸入節(jié)點標(biāo)為IN+和IN-，其中包含負反饋102，并提供輸出信號OUT+和OUT-。這些作為電壓的輸出信號被連接到兩個電壓-電流(V-I)轉(zhuǎn)換器103，這些轉(zhuǎn)換器提供輸出信號LIN+和LIN-。這些輸出信號是電流。輸入級101還可以與單端信號源配合使用，使得其它輸入可以用于偏移調(diào)整。
負反饋102降低CCVS 101的輸入阻抗，并提高其截止頻率，從而增加輸入級100的整體帶寬。
由于中間級200的輸入節(jié)點具有相對較低的阻抗，并且由于CCVS101輸出是電壓信號，所以設(shè)置了兩個V-I轉(zhuǎn)換器103。
圖3表示一種中間級200。它包括兩個具有反饋連接的電流控制網(wǎng)絡(luò)(CCN)201。反饋連接203和206是從中間級至輸入級100的輸入節(jié)點IN+和IN-的負反饋連接。反饋連接204和205是到公共節(jié)點LIN+和LIN-的正反饋連接。連接202和207將中間級200與輸出級300連接。輸入節(jié)點LIN+和LIN-經(jīng)低阻抗支路連接到GND，所以節(jié)點LIN+和LIN-是相對較低阻抗的節(jié)點。
CCN的作用是把通過所述低阻抗支路的電流的復(fù)制品提供給到中間級200的輸入節(jié)點LIN+和LIN-、到輸入級100的CCN反饋連接以及輸出級300。正反饋連接204和205還改善了共模抑制比(CMRR)，從而改善了“放大器”的信噪比。負反饋連接203和206還降低了輸入級100的輸入阻抗，并改善了帶寬。
低阻抗節(jié)點LIN+和LIN-由所述輸入級100、中間級200以及輸出級300共用，這減小了與這些節(jié)點和公共節(jié)點之間的阻抗相關(guān)的時間常數(shù)，直接結(jié)果是擴展了“放大器”的整體帶寬。實際上，CCN 201控制“放大器”的帶寬而與其增益無關(guān)。
圖4表示一種輸出級300。它包括全差分輸出放大器301。全差分輸出放大器采用CCVS來實現(xiàn)，由于它與中間級200和輸入級100共用低阻抗節(jié)點LIN+和LIN-，所以具有大的帶寬。全差分輸出放大器300具有獨立于放大器帶寬來控制增益的裝置。在其輸出端，它在節(jié)點AOUT+和AOUT-之間提供全差分電壓信號。
圖5表示一種全差分可變增益放大器的實際實現(xiàn)。作為說明，采用了雙極型和CMOS晶體管。但是，該電路也可以用雙極型、CMOS或BiCMOS技術(shù)或其組合來實現(xiàn)。對于雙極型晶體管，控制電極、第一主電極和第二主電極分別對應(yīng)于基極、發(fā)射極和集電極。對于MOS晶體管，控制電極、第一主電極和第二主電極分別對應(yīng)于柵極、源極和漏極。
圖1所示的三級100、200以及300在圖5中用虛線表示。
作為實例，圖2所示的差分電流控制電壓源采用兩個雙極型晶體管Q1和Q2來實現(xiàn)，它們經(jīng)兩個電阻105和106與電源Vcc連接。如果需要與電源完全隔離，則可用兩個電流源取代這兩個電阻105和106。
負反饋元件102是以電阻為例來說明的，但它可以是任何寬帶V-I轉(zhuǎn)換器。V-I轉(zhuǎn)換器103是普通電阻，但可以采用任何寬帶V-I轉(zhuǎn)換器。
僅僅為了說明，輸入級100是作為全差分來提供的，但是，如果單端輸入信號源連接在輸入節(jié)點IN+和參考節(jié)點之間，則輸入節(jié)點IN-可以用于控制“放大器”的偏移。
輸入級100和中間級200之間的連接由節(jié)點LIN+和LIN-來實現(xiàn)。作為舉例說明，兩個CCN由雙極型晶體管Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8來實現(xiàn)。連接相對較低阻抗的節(jié)點LIN+、LIN-和參考節(jié)點的兩個低阻抗支路包括作為二極管連接的兩個晶體管Q3和Q4，以下簡稱為二極管Q3和Q4。二極管Q3和Q4經(jīng)兩個電流源209和208連接到電源Vcc。
負反饋連接203和206用兩個晶體管Q5和Q6來實現(xiàn)。晶體管Q3、Q5以及電流源209表示電流反射鏡，負反饋信號203是與流過二極管Q3的電流成比例的電流。同樣，晶體管Q4、Q6以及電流源208表示電流反射鏡，負反饋信號206是與流過二極管Q4的電流成比例的電流。在一種可能的實際實現(xiàn)中，電流203和206可以是通過二極管Q4和Q3的電流的復(fù)制品。
兩個晶體管Q8和Q7產(chǎn)生正反饋信號204和205。晶體管Q8與二極管Q4以及電流源208表示電流反射鏡，正反饋信號204是與通過二極管Q4的電流成比例的電流。
同樣，晶體管Q7與二極管Q3以及電流源209表示電流反射鏡，正反饋信號205是與通過二極管Q3的電流成比例的電流。
在一種可能的實際實現(xiàn)中，電流204和205可以是通過二極管Q4和Q3的電流的復(fù)制品。
中間級200向輸入級100提供負反饋信號203和206，這降低了輸入級100的輸入阻抗，同時擴大了其帶寬。
中間級200向公共節(jié)點LIN+和LIN-提供正反饋信號204和205，這提高了“放大器”的CMRR因數(shù)，并且提高了電路的S/N比。
在圖5所示中間級200的一種實現(xiàn)中，公共節(jié)點LIN+和LIN-與作為輸出級300的輸入節(jié)點的輸出節(jié)點INFIN+和INFIN-重合。
輸出級300包括以差分方式連接的兩個CCVS。作為舉例說明，這兩個CCVS采用雙極型晶體管Q9和Q10來實現(xiàn)，但可以采用其它任何寬帶CCVS。在晶體管Q9和Q10的集電極上有兩個電阻303和302。
晶體管Q9、二極管Q3、電流源209以及電阻303構(gòu)成電流反射鏡，因此，通過電阻303的電流與通過二極管Q3的電流成比例。
同樣，晶體管Q10、二極管Q4、電流源208以及電阻302構(gòu)成電流反射鏡，因此，通過電阻302的電流與通過二極管Q4的電流成比例。
由于輸入節(jié)點INFIN+和INFIN-是低阻抗節(jié)點，因此，輸出級具有擴大的帶寬。
“放大器”的整體增益可以由電阻302和303的值來控制，“放大器”的增益可獨立于其帶寬進行調(diào)整，由中間級200控制。
圖6給出根據(jù)本發(fā)明的多維放大器裝置500的一個實施例。多維放大器裝置的特征在于如權(quán)利要求1所定義的第一N1維電壓控制電流源陣列(VCCS陣列)510和第二N2維全差分可變增益放大器陣列(TLA陣列)520，以及控制單元530，所述控制單元530連接到VCCS和TLA陣列。
所述控制單元530可以將輸入矢量信號經(jīng)信號通路1發(fā)送到所述VCCS陣列510，或者經(jīng)信號通路3發(fā)送到TLA陣列520。還有一條信號通路2，它是所述VCCS陣列510的輸出矢量。
如果輸入矢量是一個電壓矢量，則經(jīng)信號通路1將其發(fā)送到VCCS陣列510。VCCS陣列的輸出信號則由控制單元530經(jīng)信號通路2和信號通路3發(fā)送到TIA陣列的輸入端。
如果輸入矢量是電流矢量，則它由控制單元530經(jīng)信號通路3發(fā)送到TIA陣列，把VCCS陣列510與輸入矢量斷開。如果輸入矢量包括電壓和電流分量的混合，則把電壓分量經(jīng)通路1、2和3發(fā)送到TLA陣列520，把電流分量經(jīng)通路3發(fā)送。
大小控制通路是一個控制所述VCCS陣列和所述TIA陣列的各單元的大小及數(shù)量的控制信號矢量。例如，如果N1＝N2＝1，并且僅選擇了一個VCCS和一個TLA，則獲得一個寬帶電壓控制電壓源。如果N1＝2且N2＝1，這種設(shè)置則可以定義用于寬帶信號的開關(guān)矩陣。在這種情況下，大小控制信號控制哪個輸入VCCS接收信號以及哪個TIA提供輸出信號。在這種情況下，這種電路的作用類似于用于高頻信號的縱橫開關(guān)。
應(yīng)當(dāng)指出，如果輸入矢量不是一個電流矢量或電壓矢量，則可以根據(jù)輸入矢量分量的屬性，經(jīng)VCCS陣列或者經(jīng)TLA陣列選擇通路。例如，當(dāng)輸入矢量是一個電荷矢量時，情況就是這樣。
此外，信號通路可以是硬接線的或者是可用計算機程序來編程的。
輸出矢量是一種矢量，它包含由大小控制信號選擇的應(yīng)用最佳實施例的全差分可變增益放大器的輸出。
應(yīng)當(dāng)指出，本發(fā)明的保護范圍不限于本文所述的實施例。本發(fā)明的保護范圍亦不受權(quán)利要求書中的參考標(biāo)號所限制。動詞“包括”的使用不排除權(quán)利要求書定義以外的任何要素的存在。在某個要素前面的不定冠詞“一個”不排除多個這類要素的存在。構(gòu)成本發(fā)明部分的裝置可以專用硬件的形式或者以編程通用處理器的形式來實現(xiàn)。本發(fā)明在于任何新特征或特征的組合。
權(quán)利要求
1.一種全差分可變增益放大器，它包括輸入、中間級以及輸出級，所述輸入級(100)與所述中間級(200)連接，以及所述中間級與所述輸出級(300)連接，電壓-電流轉(zhuǎn)換裝置(103)，其特征在于，所述輸入級包括差分輸入放大器(101)，該放大器具有局部反饋裝置(102)和所述電壓-電流轉(zhuǎn)換裝置，用于將所述輸入放大器連接到所述中間級，所述中間級包括從各個公共節(jié)點(LIN+)和(LIN-)到參考節(jié)點的第一和第二支路，其中公共節(jié)點由所述輸入、輸出以及中間級共用，所述中間級還包括電流控制網(wǎng)絡(luò)(201)，它經(jīng)第一反饋支路連接到所述公共節(jié)點，并經(jīng)第二反饋支路連接到所述輸入級。
2.如權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，所述第一反饋支路包括負反饋裝置(202，207)，以及所述第二反饋支路包括正反饋裝置(204，205)。
3.如權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，所述局部反饋裝置包括負反饋裝置(102)。
4.如權(quán)利要求2所述的放大器，其特征在于，所述輸入級(100)包括具有局部負反饋(102)的電流控制電壓源(101)，所述中間級包括所述正和負反饋裝置，用于將流入所述第一和第二支路的電流復(fù)制到所述電流控制電壓源(101)的所述輸入端和所述輸出級(300)。
5.如權(quán)利要求4所述的放大器，其特征在于，所述輸出級包括電流控制電壓源。
6.一種多維放大器裝置(500)，其特征在于第一N1維電壓控制電流源陣列(VCCS陣列)(510)、如權(quán)利要求1所述的第二N2維全差分可變增益放大器陣列(TIA陣列)(520)、以及控制單元(530)，所述控制單元(530)連接到所述VCCS和所述TIA陣列。
7.如權(quán)利要求6所述的多維裝置(500)，其特征在于，所述控制單元(530)包括用于通過大小控制信號來控制所述VCCS陣列(510)的大小和/或所述TIA陣列(520)的大小的裝置。
8.如權(quán)利要求7所述的多維裝置(500)，其特征在于，所述大小控制信號是第一信號矢量。
9.如權(quán)利要求6所述的多維裝置(500)，其特征在于，所述控制單元(530)包括在輸入控制信號的控制下、控制輸入矢量或者經(jīng)信號通路1發(fā)送到所述VCCS陣列(510)或者經(jīng)信號通路3發(fā)送到所述TIA陣列(520)的裝置。
10.如權(quán)利要求9所述的多維裝置(500)，其特征在于，所述輸入控制信號是第二信號矢量。
11.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，如果所述輸入矢量是電壓矢量，則所述信號通路1對于所述輸入矢量是相同的，所述信號通路3是所述VCCS陣列(510)產(chǎn)生的輸出信號陣列2。
12.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，如果所述輸入矢量是電流矢量，則所述信號矢量3對于所述電流矢量是相同的，所述VCCS陣列(520)與所述電流矢量斷開。
13.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述TIA陣列(520)包括輸出矢量，所述輸出矢量是第三信號矢量，其中包括如權(quán)利要求1所述的全差分可變增益放大器的輸出。
全文摘要
全差分可變增益放大器包括輸入、中間級以及輸出級，輸入級(100)與中間級(200)連接，中間級與輸出級(300)連接。輸入級包括具有局部反饋裝置和電壓－電流轉(zhuǎn)換裝置的放大器。中間級具有節(jié)點，這些節(jié)點分別由輸入級、輸出級以及中間級共用，它們經(jīng)相對較低阻抗的支路連接到參考節(jié)點。中間級還包括電流控制網(wǎng)絡(luò)，它經(jīng)第一反饋支路連接到公共節(jié)點，并經(jīng)第二反饋支路連接到輸入級。放大器具有相互獨立地控制增益和帶寬的裝置。
文檔編號H03G3/12GK1526197SQ01809043
公開日2004年9月1日 申請日期2001年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月10日
發(fā)明者M·A·T·桑杜利亞努, M A T 桑杜利亞努 申請人:皇家菲利浦電子有限公司