全差分可变增益放大器和多维放大器装置

摘要

全差分可变增益放大器包括输入、中间级以及输出级，输入级(100)与中间级(200)连接，中间级与输出级(300)连接。输入级包括具有局部反馈装置和电压－电流转换装置的放大器。中间级具有节点，这些节点分别由输入级、输出级以及中间级共用，它们经相对较低阻抗的支路连接到参考节点。中间级还包括电流控制网络，它经第一反馈支路连接到公共节点，并经第二反馈支路连接到输入级。放大器具有相互独立地控制增益和带宽的装置。

说明书

本发明涉及全差分可变增益放大器，它包括输入、中间级、输出级以及电压-电流转换装置，其中输入级连接到中间级，而中间级连接到输出级。

在最大带宽上要求稳定和可预测参数以及其中增益的应用中，宽带放大器是极为有用的装置。这些应用包括光纤发射机和接收机、放大光播放器的读取头中的输出信号的输入放大器以及许多其它应用。

这些应用通常采用互阻抗放大器(TLA)。这些放大器具有电阻反馈装置。TLT的带宽和增益都取决于这些反馈装置的电阻值。

在许多情况下，都希望获得高增益和最大带宽。但是，采用上述标准TLA无法同时实现这些目标。

另外还希望TLA能够与差分和单端信号源配合工作，以便在应用中获得较大的灵活性，又不会明显降低其性能。

只要维持以前提供的方法，就只能够用极为复杂的解决方案来换取TLA性能的某些方面的改善，同时还无法提供独立于带宽的可控制增益。

US-A-5581212中公开了开篇中描述的类型的放大器。为了扩大其带宽，这种放大器包含三级，其中TLA为最后一级。同样，这种宽带放大器(的操作)无法提供独立于放大器带宽的可控制增益。

因此，本发明的一个目的是提供全差分可变增益放大器和多维放大器装置，它能够相互独立地控制带宽和增益。

根据本发明，在开篇所述的装置中实现了这个目的，其特征在于，输入级包括输入差分放大器，其中含有局部反馈装置和电压-电流转换装置，用于将所述输入差分放大器与中间级连接，其特征还在于，中间级包括从各个共同节点到参考节点的第一和第二支路，共同节点由所述输入级、输出级以及中间级共用，中间级还包括电流控制网络，它经第一反馈支路连接到公共节点，并且经第二反馈支路连接到输入级。局部反馈装置降低输入阻抗并提高输入差分放大器的截止频率，从而扩大带宽。第二反馈支路还降低输入阻抗，并同时提高输入差分放大器的截止频率。公共节点和参考节点之间的第一和第二支路可以用低阻抗支路来实现，使公共节点的阻抗可以减小。这种方法的一个直接结果是：与公共节点相关的时间常数减小，并且带宽增大。在其上产生输出电压信号的输入差分放大器的输出端与公共节点之间的连接包括电压-电流转换装置，用以使所述输出信号适应于低阻抗节点。所述公共节点由输出级的各输入端共用，其中，输出级减小输入阻抗以及扩大该级的带宽。显然，全差分可变增益放大器(以下表示为“放大器”)的带宽通过所述局部反馈、第一反馈支路和第二反馈支路来控制。由于所述输出级没有包含在这个反馈系统中，所以它能够独立于“放大器”的带宽来控制增益。这就使根据本发明的“放大器”特别适合于宽带应用。

如权利要求2所述的“放大器”的实施例具有提高了共模抑制比(CMRR)的优点，其直接结果是还改善了整体信噪比(S/N)。

由于在负反馈中嵌入正反馈，所以提高了“放大器”的稳定性。

作为说明，上述所有级均用晶体管来实现。在一个实施例中，所有这些晶体管均以双极型或CMOS技术来实现。

根据本发明的“放大器”的低输入阻抗允许电流源极为简单地连接到其输入端。这是光接收机之类的应用特别关注的，在光接收机中，输入装置是光检测器。这些装置通常用相当于电流源的半导体光电二极管来实现。

本发明的另一个目的是提供多维放大器装置，其特征在于，第一N1维电压控制电流源阵列(VCCS阵列)、如权利要求1所述的第二N2维全差分可变增益放大器阵列(TLA阵列)、以及控制单元，所述控制单元连接到VCCS和TLA阵列。

VCCS阵列提供使电压输入矢量适应于阵列中任何TIA的输入的装置。控制单元包括用于将输入矢量发送到或者VCCS阵列或者TLA阵列的装置。控制单元还包括控制或者VCCS阵列大小或者TIA阵列大小的装置。

通过以下结合附图对本发明示范实施例的说明，本发明的上述及其它特征和优点会非常明显，图中：

图1是放大器的一个实施例的框图，

图2是输入级的框图，

图3是中间级的框图，

图4是输出级的框图，

图5说明根据本发明一个实施例的放大器的双极型-CMOS实现，

图6说明一种多维放大器装置。

图1表示根据本发明的“放大器”的框图。其中有三个主要级，即输入级100、中间级200以及输出级300。输入级100接收输入信号(为方便起见，标为Iin)，经放大后，将该信号传送给中间级200。中间级200连接到输入级100和输出级300。输出级300连接到中间级200，并且提供输出信号Vout。

此外，图中还表示出偏置级400，它用作所述输入级100、中间级200以及输出级300的适当电源。

图2说明包括差分输入放大器的一种类型的输入级100，该放大器采用差分电流控制电压源(CCVS)101来实现，为方便起见，其输入节点标为IN+和IN-，其中包含负反馈102，并提供输出信号OUT+和OUT-。这些作为电压的输出信号被连接到两个电压-电流(V-I)转换器103，这些转换器提供输出信号LIN+和LIN-。这些输出信号是电流。输入级101还可以与单端信号源配合使用，使得其它输入可以用于偏移调整。

负反馈102降低CCVS 101的输入阻抗，并提高其截止频率，从而增加输入级100的整体带宽。

由于中间级200的输入节点具有相对较低的阻抗，并且由于CCVS101输出是电压信号，所以设置了两个V-I转换器103。

图3表示一种中间级200。它包括两个具有反馈连接的电流控制网络(CCN)201。反馈连接203和206是从中间级至输入级100的输入节点IN+和IN-的负反馈连接。反馈连接204和205是到公共节点LIN+和LIN-的正反馈连接。连接202和207将中间级200与输出级300连接。输入节点LIN+和LIN-经低阻抗支路连接到GND，所以节点LIN+和LIN-是相对较低阻抗的节点。

CCN的作用是把通过所述低阻抗支路的电流的复制品提供给到中间级200的输入节点LIN+和LIN-、到输入级100的CCN反馈连接以及输出级300。正反馈连接204和205还改善了共模抑制比(CMRR)，从而改善了“放大器”的信噪比。负反馈连接203和206还降低了输入级100的输入阻抗，并改善了带宽。

低阻抗节点LIN+和LIN-由所述输入级100、中间级200以及输出级300共用，这减小了与这些节点和公共节点之间的阻抗相关的时间常数，直接结果是扩展了“放大器”的整体带宽。实际上，CCN 201控制“放大器”的带宽而与其增益无关。

图4表示一种输出级300。它包括全差分输出放大器301。全差分输出放大器采用CCVS来实现，由于它与中间级200和输入级100共用低阻抗节点LIN+和LIN-，所以具有大的带宽。全差分输出放大器300具有独立于放大器带宽来控制增益的装置。在其输出端，它在节点AOUT+和AOUT-之间提供全差分电压信号。

图5表示一种全差分可变增益放大器的实际实现。作为说明，采用了双极型和CMOS晶体管。但是，该电路也可以用双极型、CMOS或BiCMOS技术或其组合来实现。对于双极型晶体管，控制电极、第一主电极和第二主电极分别对应于基极、发射极和集电极。对于MOS晶体管，控制电极、第一主电极和第二主电极分别对应于栅极、源极和漏极。

图1所示的三级100、200以及300在图5中用虚线表示。

作为实例，图2所示的差分电流控制电压源采用两个双极型晶体管Q1和Q2来实现，它们经两个电阻105和106与电源Vcc连接。如果需要与电源完全隔离，则可用两个电流源取代这两个电阻105和106。

负反馈元件102是以电阻为例来说明的，但它可以是任何宽带V-I转换器。V-I转换器103是普通电阻，但可以采用任何宽带V-I转换器。

仅仅为了说明，输入级100是作为全差分来提供的，但是，如果单端输入信号源连接在输入节点IN+和参考节点之间，则输入节点IN-可以用于控制“放大器”的偏移。

输入级100和中间级200之间的连接由节点LIN+和LIN-来实现。作为举例说明，两个CCN由双极型晶体管Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8来实现。连接相对较低阻抗的节点LIN+、LIN-和参考节点的两个低阻抗支路包括作为二极管连接的两个晶体管Q3和Q4，以下简称为二极管Q3和Q4。二极管Q3和Q4经两个电流源209和208连接到电源Vcc。

负反馈连接203和206用两个晶体管Q5和Q6来实现。晶体管Q3、Q5以及电流源209表示电流反射镜，负反馈信号203是与流过二极管Q3的电流成比例的电流。同样，晶体管Q4、Q6以及电流源208表示电流反射镜，负反馈信号206是与流过二极管Q4的电流成比例的电流。在一种可能的实际实现中，电流203和206可以是通过二极管Q4和Q3的电流的复制品。

两个晶体管Q8和Q7产生正反馈信号204和205。晶体管Q8与二极管Q4以及电流源208表示电流反射镜，正反馈信号204是与通过二极管Q4的电流成比例的电流。

同样，晶体管Q7与二极管Q3以及电流源209表示电流反射镜，正反馈信号205是与通过二极管Q3的电流成比例的电流。

在一种可能的实际实现中，电流204和205可以是通过二极管Q4和Q3的电流的复制品。

中间级200向输入级100提供负反馈信号203和206，这降低了输入级100的输入阻抗，同时扩大了其带宽。

中间级200向公共节点LIN+和LIN-提供正反馈信号204和205，这提高了“放大器”的CMRR因数，并且提高了电路的S/N比。

在图5所示中间级200的一种实现中，公共节点LIN+和LIN-与作为输出级300的输入节点的输出节点INFIN+和INFIN-重合。

输出级300包括以差分方式连接的两个CCVS。作为举例说明，这两个CCVS采用双极型晶体管Q9和Q10来实现，但可以采用其它任何宽带CCVS。在晶体管Q9和Q10的集电极上有两个电阻303和302。

晶体管Q9、二极管Q3、电流源209以及电阻303构成电流反射镜，因此，通过电阻303的电流与通过二极管Q3的电流成比例。

同样，晶体管Q10、二极管Q4、电流源208以及电阻302构成电流反射镜，因此，通过电阻302的电流与通过二极管Q4的电流成比例。

由于输入节点INFIN+和INFIN-是低阻抗节点，因此，输出级具有扩大的带宽。

“放大器”的整体增益可以由电阻302和303的值来控制，“放大器”的增益可独立于其带宽进行调整，由中间级200控制。

图6给出根据本发明的多维放大器装置500的一个实施例。多维放大器装置的特征在于如权利要求1所定义的第一N1维电压控制电流源阵列(VCCS阵列)510和第二N2维全差分可变增益放大器阵列(TLA阵列)520，以及控制单元530，所述控制单元530连接到VCCS和TLA阵列。

所述控制单元530可以将输入矢量信号经信号通路1发送到所述VCCS阵列510，或者经信号通路3发送到TLA阵列520。还有一条信号通路2，它是所述VCCS阵列510的输出矢量。

如果输入矢量是一个电压矢量，则经信号通路1将其发送到VCCS阵列510。VCCS阵列的输出信号则由控制单元530经信号通路2和信号通路3发送到TIA阵列的输入端。

如果输入矢量是电流矢量，则它由控制单元530经信号通路3发送到TIA阵列，把VCCS阵列510与输入矢量断开。如果输入矢量包括电压和电流分量的混合，则把电压分量经通路1、2和3发送到TLA阵列520，把电流分量经通路3发送。

大小控制通路是一个控制所述VCCS阵列和所述TIA阵列的各单元的大小及数量的控制信号矢量。例如，如果N1＝N2＝1，并且仅选择了一个VCCS和一个TLA，则获得一个宽带电压控制电压源。如果N1＝2且N2＝1，这种设置则可以定义用于宽带信号的开关矩阵。在这种情况下，大小控制信号控制哪个输入VCCS接收信号以及哪个TIA提供输出信号。在这种情况下，这种电路的作用类似于用于高频信号的纵横开关。

应当指出，如果输入矢量不是一个电流矢量或电压矢量，则可以根据输入矢量分量的属性，经VCCS阵列或者经TLA阵列选择通路。例如，当输入矢量是一个电荷矢量时，情况就是这样。

此外，信号通路可以是硬接线的或者是可用计算机程序来编程的。

输出矢量是一种矢量，它包含由大小控制信号选择的应用最佳实施例的全差分可变增益放大器的输出。

应当指出，本发明的保护范围不限于本文所述的实施例。本发明的保护范围亦不受权利要求书中的参考标号所限制。动词“包括”的使用不排除权利要求书定义以外的任何要素的存在。在某个要素前面的不定冠词“一个”不排除多个这类要素的存在。构成本发明部分的装置可以专用硬件的形式或者以编程通用处理器的形式来实现。本发明在于任何新特征或特征的组合。