專利名稱：一種控制可變增益放大器的方法和電子電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可變增益放大器的領(lǐng)域，尤其涉及具有可以結(jié)合各種開關(guān)以多個離散步長進行選擇的增益的連續(xù)模擬輸出放大器。
一種已知類型的可變增益放大器利用一個運算放大器，其中該放大器的增益由一個反饋電阻和一個串聯(lián)電阻的比值決定。在這些類型的放大器電路中，增益能夠通過在提供反饋的電阻網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置各種開關(guān)而被選擇。例如，美國專利No.4,855,685顯示了這樣一個精度可切換增益電路以用作模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器的模擬接口。
可變增益放大器也被使用在電視調(diào)諧器中，以作為控制環(huán)路的一部分來實現(xiàn)自動增益控制(AGC)。以往技術(shù)的調(diào)諧器使用雙柵極MOS晶體管，被施加到其第二柵極的DC電壓允許控制跨導(dǎo)，以及從而控制增益。在這樣一種以往技術(shù)調(diào)諧器中，增益控制是連續(xù)的。
通過設(shè)置多個開關(guān)來實現(xiàn)對增益的離散選擇的可變增益放大器對諸如電視或電臺調(diào)諧器這樣的應(yīng)用是無用的，因為增益的突然改變導(dǎo)致一個可見或可聽到的信號失真。
因此本發(fā)明目標在于提供一種用于控制一個可變增益放大器的改進方法，以減少在增益轉(zhuǎn)換過程中的失真量。
本發(fā)明提供一種用于控制一個至少具有一個半導(dǎo)體裝置的可變增益放大器的方法，以便在該可變增益放大器的第一和第二增益之間進行選擇。通過將一個控制電壓序列施加到該半導(dǎo)體裝置來控制在該可變增益放大器的增益狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換，從而借助一個步進序列來逐漸改變該半導(dǎo)體裝置的控制電壓。
這樣實現(xiàn)在可變增益放大器的離散增益狀態(tài)之間的逐步轉(zhuǎn)換以消除轉(zhuǎn)換失真。這能將具有離散可切換增益的可變增益放大器應(yīng)用到例如電視和電臺調(diào)諧器的應(yīng)用中。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，該步進信號序列在被施加到半導(dǎo)體裝置的柵極之前被低通濾波，從而進一步減少在轉(zhuǎn)換階段中的失真。
根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，多個半導(dǎo)體開關(guān)的一個子集被用于粗增益控制，同時多個開關(guān)的另一個子集被用于精細增益控制。通過選擇第一子集中的一個或更多開關(guān)和通過選擇第二子集中的一個或更多開關(guān)來選擇一個期望的增益。所選擇的第一和/或第二子集的開關(guān)必須被打開或關(guān)閉。
通過施加該步進序列來逐步切換所選擇的開關(guān)中的每一個，從而順序執(zhí)行這些開關(guān)操作。換句話來說，通過將該步進序列接連施加到所選擇開關(guān)而將所選擇的開關(guān)一個接一個地設(shè)置為所需的開關(guān)狀態(tài)。從而能夠使用一個可在各個開關(guān)間被復(fù)用的單個序列發(fā)生器。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，一個柵極電壓發(fā)生器電路和第一以及第二參考電壓電路被用于該步進柵極電壓序列的產(chǎn)生。該柵極電壓發(fā)生器電路和第一以及第二參考電壓電路對所述可變增益放大器電路來說在電氣上是等效的。
例如所述參考電壓電路中的一個的開關(guān)的柵極電壓被永遠固定到供電電壓電位，而另一個參考電壓電路的柵極被永遠固定到地。該序列發(fā)生器產(chǎn)生一個在由兩個參考電壓電路提供的參考電壓值間轉(zhuǎn)換的序列。這個步進電壓序列被使用來控制該發(fā)生器電路，該發(fā)生器電路提供該柵極電壓序列來轉(zhuǎn)換該可變增益放大器的開關(guān)狀態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，在開關(guān)柵極和序列發(fā)生器之間提供一個接口電路。該接口電路的目的在于存儲和保持開關(guān)的穩(wěn)定狀態(tài)。該接口電路提供一個相應(yīng)的狀態(tài)信號給該序列發(fā)生器，以在傳輸發(fā)生前將該開關(guān)的初始狀態(tài)通知該序列發(fā)生器。
當從某個穩(wěn)定狀態(tài)到另一個穩(wěn)定狀態(tài)的轉(zhuǎn)換被觸發(fā)時，接口電路被切換以通過該開關(guān)的柵極來提供該柵極電壓步進序列。當該轉(zhuǎn)換序列已經(jīng)被完成后，接口電路被切換回來以保持新的穩(wěn)定狀態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，通過以一個存在于所述開關(guān)的漏極的交流信號分量調(diào)制該開關(guān)的柵極電壓來進一步減少失真。例如，這個漏極信號能通過一個電阻和一個電容的串聯(lián)連接被耦合到柵極。更優(yōu)選的是，在幾個開關(guān)上分割該調(diào)制信號幅度，以進一步減少總體失真。這樣，當被用作一個可變電阻時，MOS裝置的接通電阻調(diào)制被減少。因此由MOS裝置引入的非線性被顯著降低。
下面，通過參考附圖來詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中
圖1顯示了一個具有單個開關(guān)和用于提供在各個增益之間的可控轉(zhuǎn)換的可變增益放大器的框圖，圖2顯示了一個具有多個開關(guān)以選擇離散增益的可變增益放大器，圖3顯示了一個用于在可變增益放大器開關(guān)的柵極和控制電路之間提供一個接口的接口電路，圖4顯示了一個通過一個電阻和一個電容的串聯(lián)連接來降低其MOS開關(guān)的接通電阻調(diào)制的可變增益放大器，圖5顯示了圖4的可變增益放大器的一個替換實施例，圖6顯示了圖4的可變增益放大器的另外一個替換實施例，其中在兩個MOS開關(guān)上分割該調(diào)制信號幅度。
圖1顯示了一個可變增益放大器(VGA)100。VGA 100具有用來提供輸出信號Vout的運算放大器102。輸入信號Vin通過電阻R0被耦合到運算放大器102的反相輸入端。
如果MOS晶體管開關(guān)104處于非導(dǎo)電關(guān)閉狀態(tài)，通過電阻R1將輸出信號Vout反饋到運算放大器102的反相輸入端；如果MOS晶體管開關(guān)104處于導(dǎo)電開啟狀態(tài)，該反饋通過與R2和MOS晶體管開關(guān)104的接通電阻并聯(lián)的R1被提供。通過以MOS晶體管開關(guān)104控制反饋量，對于穩(wěn)定狀態(tài)可選擇VGA 100的兩個離散增益。
運算放大器102的非反相輸入端被連接到電壓Vdc。
MOS晶體管開關(guān)104的柵極電壓VG通過控制電路106被提供?？刂齐娐?06具有發(fā)生器電路108、參考電壓電路110和參考電壓電路112。發(fā)生器電路108、參考電壓電路110和參考電壓電路112具有與可變增益放大器100相同的拓撲，并且在電氣上等效。
參考電壓電路110的MOS晶體管開關(guān)M1的柵極電壓被永遠固定到電壓VCC，而參考電壓電路112的MOS晶體管開關(guān)M2的柵極電壓被永遠固定到地。
參考電壓電路110在其輸出端提供參考電壓Vref1，同時參考電壓電路112在其輸出端提供參考電壓Vref2。參考電壓Vref1和Vref2被施加到N-1個串聯(lián)電阻114上。這樣就在兩個參考電壓之間提供了N個離散電壓。
這些離散電壓中的任意一個通過一個相應(yīng)的晶體管開關(guān)P1，P2，P3，...，PN可以被選擇。晶體管開關(guān)P1，...，PN通過序列發(fā)生器116的對應(yīng)輸出D1，D2，...，DN被控制。依賴于輸出端D1，D2，...，DN的狀態(tài)，所述多個離散電壓中的一個被選擇并且被耦合到線路118。通過線路118，所選擇的離散電壓被施加到運算放大器120的反相輸入端。優(yōu)選地，所選擇的離散電壓在被施加到運算放大器120的反相輸入端之前通過低通濾波器122被低通濾波。
運算放大器120在其非反相輸入端接收發(fā)生器電路108的輸出電壓Vgen。運算放大器120的輸出是柵極電壓VG，其被施加到MOS晶體管開關(guān)104的柵極，同時也被施加到發(fā)生器電路108的等效MOS晶體管開關(guān)M0的柵極。這樣，發(fā)生器電路108被調(diào)節(jié)，以使得對應(yīng)于所選離散輸出電壓Vref的VG結(jié)果與某一個增益設(shè)置相對應(yīng)。
序列發(fā)生器116具有輸入端124、126和128。一個時鐘信號被施加到輸入端124。輸入端126是一個復(fù)位輸入端。通過輸入端128，觸發(fā)在各穩(wěn)定狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，也就是從高增益轉(zhuǎn)換到低增益或者從低增益轉(zhuǎn)換到高增益。
例如，VGA 100處于一個低增益穩(wěn)定狀態(tài)，也就是VG＝Vcc。當序列發(fā)生器116在其輸入端128接收到一個觸發(fā)信號，這會觸發(fā)從VGA100的低增益穩(wěn)定狀態(tài)到其對應(yīng)于“VG＝地電壓”的高增益穩(wěn)定狀態(tài)的受控轉(zhuǎn)換。
該序列的第一個元素用于打開晶體管P1，以選擇電壓Vref1。這通過聲明(assert)序列發(fā)生器116的信號輸出端D1來實現(xiàn)。在一個特定的預(yù)定時間間隔之后，例如在輸入端124的下一個時鐘脈沖下，輸出端D1被去聲明并且輸出端D2被聲明以打開晶體管P2，從而選擇一個在Vref1上遞增一個步長的Vref。這導(dǎo)致被施加到MOS晶體管開關(guān)104柵極的VG的一個相應(yīng)的下降。
在下一個預(yù)定時間間隔已經(jīng)經(jīng)過之后，D2被去聲明同時D3被聲明以打開晶體管P3，從而實現(xiàn)Vref的下一個遞增。這個過程持續(xù)，以便Vref步進式地從Vref1增加到Vref2。這導(dǎo)致VG的一個相應(yīng)的改變，以使得VGA 100以一種受控方式從其低增益穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)換到其高增益穩(wěn)定狀態(tài)，這種受控方式限制了瞬變非線性效應(yīng)，以及因此限制了失真。
圖2顯示了具有多個MOS晶體管開關(guān)104的VGA 100的一個替換實施例。在這里考慮的例子中，提供9個開關(guān)以用于粗增益控制，提供10個開關(guān)以用于精細增益控制。下表1顯示了用于粗增益控制的柵極信號A到I的一個真值表，同時下表2顯示了用于精細增益控制的柵極信號J到S的一個真值表。
表1(粗步長)
表2(精細步長)為了控制在圖2的VGA 100的兩個離散增益之間的轉(zhuǎn)換，控制電路106能被復(fù)用以避免對于信號A到S中的每一個具有一個分離的控制電路106。這能通過圖3的接口電路130來實現(xiàn)。
在圖3的實施例中，圖2的VGA 100被使用；MOS晶體管開關(guān)104的柵極電壓(信號A，B，...，S)需要依賴于所選離散增益的轉(zhuǎn)換控制。
接口電路130被連接到VGA 100的信號A。接口電路130具有用于存儲MOS晶體管104的當前穩(wěn)定狀態(tài)的觸發(fā)器132，其被柵極信號A控制。由于MOS晶體管開關(guān)104的當前開關(guān)條件僅存在兩個替換的穩(wěn)定狀態(tài)，所以開關(guān)S2要么被連接到Vcc，要么被連接到地。該電位通過開關(guān)S1被耦合到信號A。
觸發(fā)器132的Q輸出端提供信號pState，其被耦合到序列發(fā)生器116(圖1)以將VGA 100的當前穩(wěn)定狀態(tài)通知給序列發(fā)生器116。在從一個穩(wěn)定狀態(tài)到另一個的轉(zhuǎn)變期間，開關(guān)S1的位置被改變，以便把由控制電路116提供的信號VG耦合到信號A。在轉(zhuǎn)換階段之后，開關(guān)S1被移回其初始位置；同時開關(guān)S2的位置已經(jīng)被改變，以便保持新的穩(wěn)定狀態(tài)。
在所述轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成之后，控制電路106能被耦合到信號B或依賴于所需開關(guān)操作的信號B到S中的另外一個的接口電路130。通過提供接口電路130給信號A到S中的每一個，控制電路106能被復(fù)用，從而順序?qū)崿F(xiàn)MOS晶體管開關(guān)104的各開關(guān)狀態(tài)的所需轉(zhuǎn)換。
在操作中，通過接口電路130和控制電路106來執(zhí)行下面的方法，從而執(zhí)行準連續(xù)增益轉(zhuǎn)換-將控制電路106的輸出信號VG耦合到接口電路130的VG輸入端，同時將接口電路130的信號pState耦合到控制電路106的輸入端128。這通過一個復(fù)用器來完成，該復(fù)用器將控制電路106的輸出VG復(fù)用到各個接口電路130，以及將各個接口電路130的pState信號復(fù)用到信號控制電路106(即輸入端128)，-設(shè)置“使能＝1”以激活接口電路130，-在輸入端128通過序列發(fā)生器116(圖1)讀取信號pState，-設(shè)置控制電路106的輸出信號VG的起始值以匹配對應(yīng)于由pState指示的當前開關(guān)位置的VG值，
-將信號T1施加到翻轉(zhuǎn)觸發(fā)器134；這樣S1的位置被改變，以選擇從控制電路106輸入的外部VG，-通過順序地打開晶體管P1到PN來啟動VG的步進式轉(zhuǎn)換，-將信號T1施加到翻轉(zhuǎn)觸發(fā)器134以將開關(guān)S1帶回到其初識保持的位置。同時T2被施加以便觸發(fā)觸發(fā)器132，從而將開關(guān)S2設(shè)置為對應(yīng)于新穩(wěn)定狀態(tài)的電壓電位，-通過設(shè)置“使能＝0”來禁用接口電路130，-將控制電路106耦合到需要其開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換的MOS晶體管開關(guān)104的下一個柵極信號輸入。
圖4顯示了可變增益放大器400的一個替換實施例。以與圖1中的可變增益放大器100相同的符號來表示圖4中的可變增益放大器400的類似元件。
在圖4的實施例中，通過以存在于MOS晶體管開關(guān)104的漏極處的AC信號來調(diào)制MOS晶體管開關(guān)104的柵極電壓，減少了具有兩倍于輸入信號Vin的頻率的接通電阻的調(diào)制。這通過借助于電阻136和電容138的串聯(lián)連接將晶體管開關(guān)104的漏極耦合到柵極來實現(xiàn)。
在所述漏極和源極之間的AC電壓依賴于MOS晶體管開關(guān)104的接通電阻。由于事實上MOS晶體管開關(guān)104是一個對稱裝置，所以漏極和源極能被互換。相對于承載最低電位的端子的柵極電壓確定溝道的接通電阻。這種非線性通過柵極電壓的調(diào)制而被補償。
圖5顯示了通過使得柵-源AC電壓為漏極電壓和源極電壓的平均值來進一步減少這種調(diào)制的一種可能性。電阻R3和R5相等，電容C2和C3也相等。因此，存在于柵極處的信號是存在于漏極和源極處的信號的平均值。這樣，圖5的可變增益放大器500的線性被進一步改善。
圖6顯示了可變增益放大器600的另一個實施例。在圖6的實施例中，固定的反饋電阻被分為兩個電阻R1和R3，同時中心抽頭經(jīng)電容C1被連接到MOS晶體管開關(guān)104的柵極。晶體管R4和R5被用于減少寄生效應(yīng)的影響。
權(quán)利要求
1.一種控制一個至少具有一個半導(dǎo)體開關(guān)的可變增益放大器的方法，當該半導(dǎo)體開關(guān)處于第一穩(wěn)定狀態(tài)時該放大器具有一個第一增益、并且一個第一柵極電壓被施加到該半導(dǎo)體開關(guān)，以及當該半導(dǎo)體開關(guān)處于第二穩(wěn)定狀態(tài)時該放大器具有一個第二增益、并且一個第二柵極電壓被施加到半該導(dǎo)體開關(guān)，由此一個第三柵極電壓的序列被施加到該半導(dǎo)體開關(guān)以便在該第一和第二增益之間進行轉(zhuǎn)換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括產(chǎn)生一個步進信號序列以及對此步進信號序列進行低通濾波以獲得所述第三柵極電壓的序列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述可變增益放大器具有一組半導(dǎo)體開關(guān)，該方法進一步包括選擇該組半導(dǎo)體開關(guān)的一個子集，以及將所述第三柵極電壓的序列施加到該子集中的每個半導(dǎo)體開關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的方法，進一步包括通過一個交流漏極信號分量來調(diào)制所述柵極電壓。
5.一種電子電路，包括一個至少具有一個半導(dǎo)體開關(guān)(104)的可變增益放大器(100；400；500；600)以及控制裝置(106，130)，當該半導(dǎo)體開關(guān)處于第一穩(wěn)定狀態(tài)時該放大器具有一個第一增益、并且一個第一柵極電壓被施加到該半導(dǎo)體開關(guān)，以及當該半導(dǎo)體開關(guān)處于第二穩(wěn)定狀態(tài)時該放大器具有一個第二增益、并且一個第二柵極電壓被施加到該半導(dǎo)體開關(guān)，所述控制裝置(106，130)用于施加一個第三柵極電壓的序列以便在所述第一和第二增益之間進行轉(zhuǎn)換。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電子電路，還包括用于產(chǎn)生一個步進信號序列的裝置(116)和用于對該步進信號序列進行低通濾波以獲得所述第三增益電壓的序列的裝置(122)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的電子電路，還包括一個柵極電壓發(fā)生器電路(108)、一個第一參考電壓電路(110)和一個第二(112)參考電壓電路，該柵極電壓發(fā)生器電路、第一和第二參考電壓電路對于該可變增益放大器是等效的，其中該第一柵極電壓被施加到該第一參考電壓電路的半導(dǎo)體開關(guān)的柵極并且該第二柵極電壓被施加到該第二參考電壓電路的半導(dǎo)體開關(guān)的柵極、以便分別提供第一和第二參考電壓，以及該序列發(fā)生器裝置(106)用于產(chǎn)生在該第一和第二電壓參考之間轉(zhuǎn)換的電壓序列，該柵極電壓發(fā)生器電路通過由該序列發(fā)生器裝置提供的電壓序列而被控制，從而產(chǎn)生所述第三柵極電壓的序列。
8.根據(jù)權(quán)利要求5、6或7所述的電子電路，其中所述半導(dǎo)體開關(guān)的第一部分用于粗增益選擇，并且所述半導(dǎo)體開關(guān)的第二部分用于精細增益選擇。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求5至8中的任何一個的電子電路，還包括用于復(fù)用該控制裝置以在所述半導(dǎo)體開關(guān)之間施加所述第三電壓的序列的裝置，從而使得所述半導(dǎo)體開關(guān)能夠在對應(yīng)的第一和第二穩(wěn)定狀態(tài)之間進行順序轉(zhuǎn)換。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求5至9中的任何一個的電子電路，還包括一個在所述半導(dǎo)體開關(guān)的柵極和所述控制裝置之間的接口電路(130)，該接口電路具有一個存儲器以存儲所述半導(dǎo)體開關(guān)的當前穩(wěn)定狀態(tài)，以及將該半導(dǎo)體開關(guān)的當前穩(wěn)定狀態(tài)的狀態(tài)信號提供給該控制裝置。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求5至10中的任何一個的電子電路，還包括用于借助一個交流漏極信號分量來調(diào)制所述柵極電壓的裝置(136)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的電子電路，該用于調(diào)制柵極電壓的裝置包括一個與一個電容串聯(lián)的電阻(136)，該電阻和電容的串聯(lián)連接將所述半導(dǎo)體開關(guān)的漏極和源極耦合在一起。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的電子電路，該用于調(diào)制柵極電壓的裝置適于將所述半導(dǎo)體開關(guān)的柵-源電壓的交流電壓分量帶到所述半導(dǎo)體開關(guān)的漏極電壓和源極電壓的平均值。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的電子電路，一個電容和一個電阻的第一串聯(lián)連接被耦合在所述半導(dǎo)體開關(guān)的柵極和漏極之間，以及一個電阻和一個電容的第二串聯(lián)連接被耦合在所述半導(dǎo)體開關(guān)的柵極和源極之間。
15.根據(jù)上述權(quán)利要求11至14中的任何一個的電子電路，該用于調(diào)制柵極電壓的裝置適于在幾個半導(dǎo)體開關(guān)上分割所述調(diào)制信號幅度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種控制一個至少具有一個半導(dǎo)體開關(guān)的可變增益放大器的方法，當該半導(dǎo)體開關(guān)處于第一穩(wěn)定狀態(tài)時該放大器具有一個第一增益、并且一個第一柵極電壓被施加到該半導(dǎo)體開關(guān)，以及當該半導(dǎo)體開關(guān)處于第二穩(wěn)定狀態(tài)時該放大器具有一個第二增益、并且一個第二柵極電壓被施加到半該導(dǎo)體開關(guān)，由此一個第三柵極電壓的序列被施加到該半導(dǎo)體開關(guān)以便在該第一和第二增益之間進行轉(zhuǎn)換。
文檔編號H03G1/00GK1774859SQ200480010286
公開日2006年5月17日 申請日期2004年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月16日
發(fā)明者J·H·A·布里克曼斯, M·G·M·諾特坦 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司