可变增益放大器

摘要

一种可变增益放大器包括：积分器，其具有输入端、输出端和连接在输入端与输出端之间的反馈回路；多个输入链，其并联在放大器输入端与积分器的输入端之间，每个输入链包括电阻器和第一开关；以及多个第二开关，每个第二开关连接在中间节点与积分器的反馈回路之间，其中，中间节点在各输入链中的电阻器与第一开关之间，其中，以相对于彼此的缩放因子对输入链中的电阻器的阻抗进行缩放，以及以相应的缩放因子对连接到每个中间节点的第一开关和第二开关的导通阻抗进行缩放。

权利要求

1.一种可变增益放大器，包括：

输入电压节点；

积分器，其具有输入端、输出端和反馈回路；以及

多个输入链，其并联在所述输入电压节点与所述积分器的所述输入端之间，每个输入链包括串联的电阻器和第一开关；其特征在于：每个输入链中的所述电阻器连接到所述输入电压节点；以及

所述积分器的反馈回路包括并联的多个第二开关，每个第二开关连接到各输入链的所述电阻器与第一开关之间的中间节点，并且每个第二开关耦合到所述积分器的所述输出端，其中，对所述输入链中的所述电阻器中的每一个电阻器的阻抗以相对于所述输入链中的其它电阻器中的每一个电阻器的缩放因子进行缩放，以及以相应的缩放因子对连接到每个中间节点的所述第一开关和第二开关的导通阻抗进行缩放。

2.如权利要求1所述的可变增益放大器，其中，所述第一开关和第二开关包括晶体管。

3.如权利要求2所述的可变增益放大器，其中，通过对所述晶体管的宽度和长度之一或两者进行缩放，来对所述晶体管的导通阻抗进行缩放。

4.如任一项前述权利要求所述的可变增益放大器，其中，输入链中的第一开关的导通阻抗不等于连接到所述输入链的相应的第二开关的导通阻抗。

5.如前述权利要求1-3中任一项所述的可变增益放大器，其中，施加到第一输入链中的电阻器和第一开关及第二开关的相对于另一输入链的缩放因子不等于施加到第二输入链中的电阻器和第一开关及第二开关的相对于所述另一输入链的缩放因子。

6.如前述权利要求1-3中任一项所述的可变增益放大器，其中，所述积分器包括运算放大器。

7.一种模数转换器，包括根据权利要求1至6中任一项所述的可变增益放大器。

说明书

可变增益放大器

[0001] 在电子电路中，一般的实践是，使用可变增益放大器对接收到的输入信号进行放大或衰减，以便例如确保另外的电路元件接收输入信号的最大值，以使接收到的信号的信噪比最大化。在音频和射频接收机中，典型的是，在其它元件对放大后的输入信号进行进一步处理之前，提供可变增益放大器，以接收可变振幅输入信号。

[0002] 在这样的电子电路中，通过使用多个开关选择一个或更多个输入电阻器以设置所需要的增益，来设置可变增益放大器的增益。将开关实现为晶体管。取决于对可变增益放大器的输入信号，用于实现开关的晶体管的阻抗能够根据输入信号而变化，而晶体管的阻抗的这种变化对放大器的整体增益产生影响。由于输入信号通常为非恒定振幅信号，晶体管的阻抗会随输入信号变化而变化，所以可变增益放大器的性能会变化。由于晶体管开关的非线性特性会变成占主要的，此外会导致输出信号的谐波失真，所以当需要非常高质量的性能时，特别不期望可变增益放大器在某些情形下的这种非线性特性。因此，将会有利的是，提供至少减少晶体管开关的非线性影响的可变增益放大器级。

[0003] 根据本发明的第一方面，提供了一种可变增益放大器，其包括：具有第一输入端、输出端和连接在第一输入端与输出端之间的反馈回路的积分器，并联在放大器输入端与积分器的第一输入端之间的多个输入链，每个输入链包括电阻器和第一开关，以及多个第二开关，每个第二开关连接在中间节点与积分器的反馈回路之间，其中，中间节点在各输入链的电阻器与第一开关之间，其中，以相对于彼此的缩放因子(scaling factor)对电阻器的阻抗进行缩放(scale)，以及以各缩放因子对连接到每个中间节点的第一开关和第二开关的导通阻抗进行缩放。

[0004] 优选地，第一开关和第二开关包括晶体管。可通过对晶体管的宽度和长度之一或两者进行缩放，即缩放晶体管的硅面积来对晶体管的导通阻抗进行缩放。

[0005] 输出链中的第一开关的导通阻抗可不等于连接到输入链的相应的第二开关的导通阻抗。换言之，任意一对开关的绝对值不需要相等。

[0006] 施加到第一输入链中的电阻器和第一开关及第二开关的相对于另一输入链的缩放因子可不等于施加到第二输入链中的电阻器和第一开关及第二开关的相对于该另一输入链的缩放因子。换言之，缩放因子可根据需要针对任意一对输入链而变化。

[0007] 在优选实施例中，积分器包括运算放大器。

[0008] 根据本发明的另一方面，提供了一种包括根据本发明的第一方面的可变增益放大器的模数转换器。

[0009] 以下将通过仅仅是非限制性的示例以及参考下述附图，来描述本发明的实施例，其中：

[0010] 图1示出继之以模数转换器(ADC)的可变增益放大器的简化示意图；

[0011] 图2示出图1中所示的电路的修改，其中，已将放大器合并到ADC之中；

[0012] 图3示出根据本发明实施例的与积分器相结合的可变增益放大器；以及[0013] 图4示出具有被配置为差分放大器的可变增益放大器的本发明的另一实施例。

[0014] 图1示出根据与无线电接收机的部分相结合的已知现有技术的可变增益放大器的简化示意图。可变增益放大器2包括运算放大器4，该运算放大器4具有连接在运算放大器4的反相输入端与音频输入端Vin之间的第一可变电阻器6，以及连接在运算放大器4的输出端与反相输入端之间的第二可变电阻器8。可变增益放大器2的输出端连接到德尔塔-西格玛模数转换器内核10的输入端。除了只要ADC 10包括被实现为另一运算放大器的至少一个积分器12就足够了之外，模数转换器10的详细构造与本发明的实施例无关。

[0015] 现有技术中用于如图1中所示的低功率系统的可接受的良好实践是将可变增益级移入到模数转换器部分中。图2中示意性地示出了由此得到的电路，其中，已经用单一的运算放大积分器16替换了图1中所示的可变增益级的运算放大器4和积分器12。由于增益级现在位于模数转换器的反馈系统之内，因此与图1中所示的电路相比，放宽了对增益级的性能要求，以及减少了功耗。此外，图2中所描绘的是图1中所示的连接在输入电压Vin与运算放大器4、16的反相输入端之间的可变电阻器6的通常实现。在这种通常实现中，提供了多个并行的“输入链”，这些“输入链”连接在输入电压Vin与运算放大积分器16的反相输入端之间。每个输入链包括电阻器和开关，开关通常被实现为晶体管。输入链中的电阻器的值彼此不同，因此通过借助于关闭相应的一个开关或多个开关而将输入链中的一个或更多个连接到运算放大积分器的反相输入端，能够使输入电压节点与运算放大积分器的反相输入端之间的输入阻抗发生变化。通常，但不是必需的，电阻器的值以整数缩放因子来变化。例如，在图2所示的特定布置中，在输入链中的第一输入链中，电阻器18具有阻抗R，下一输入链中的第二电阻器20具有nR的阻抗，其中n为第一缩放因子并且最通常为整数值，同时在第三输入链中的第三电阻器22具有mR的阻抗，其中m为可等于或可不等于n的第二缩放因子。

[0016] 如之前所描述的，开关24的导通阻抗中的任何变化，例如由晶体管开关24中的任何非线性所引起的变化，会对增益级的性能产生影响。由于将增益级合并到图2中所示的电路中的积分器中，晶体管开关24内的任何非线性对积分器的性能产生影响，对ADC的性能也产生影响。

[0017] 图3示意性地描绘了解决以上描述的已知现有技术中的问题的本发明的实施例。图3中与相关联的输入链和反馈回路一起，仅示出了组合后的运算放大积分器116，但是会很容易想到的是，例如能够仅仅用图3中示出的增益级来替换图2中所示出的相应电路元件。在图3中，每个输入链也包括电阻器118和相应的开关124，同时每个输入链选择性地并联在输入端Vin与运算放大积分器116的反相输入端之间。与图2中所示的电路的输入链一样，在本发明的实施例中，每个输入链中的电阻器118的值相对于彼此而被缩放。例如，图3中所示的第一输入链中的电阻器118的值为R，第二输入链中的电阻器的值为nR，第三输入链中的电阻器的值为mR，其中n和m优选地为彼此可相等或可不相等的整数。但是，在本发明的实施例中，也以与阻抗相同的缩放因子，在链之间对各输入链中的每个开关124的导通阻抗进行缩放。例如，第二输入链中的开关124的导通阻抗是第一输入链中的开关的导通阻抗的n倍(n为第一输入链和第二输入链之间的阻抗的缩放因子)，同时第三输入链中的开关124是第一输入链中的开关的m倍(m为第一输入链与第三输入链之间的阻抗的缩放因子)。例如，可通过改变用于实现开关124的晶体管的硅面积，来控制开关124的导通阻抗。除了每个输入链中的第一开关124的集合之外，在本发明的实施例中，还提供了第二开关126的集合。每个第二开关s’连接在电阻器118、第一开关124与运算放大积分器116的反馈回路之间的各输入链的中间节点处，使得第二开关126中的每个单个第二开关连接到相应输入链中的中间节点，同时第二开关的另一端连接到反馈回路中的公共点。
与第一开关124类似，可将第二开关实现为晶体管，其导通阻抗相对于彼此缩放，同时缩放因子与各输入链的缩放因子相同。例如，连接到第二输入链的第二开关126所具有的阻抗为连接到第一输入链的第二开关的阻抗的n倍等。应该注意的是，第一开关和第二开关的导通阻抗的绝对值可以不同，对于任意给定输入链，相同的仅是缩放因子。例如，对于具有阻抗nR的第二输入链，第一开关ns的导通阻抗值和第二开关ns’的导通阻抗值可相等或可不相等，但是，导通阻抗会是来自具有电阻值R的第一输入链的相应开关的导通阻抗的n倍。总是一起选择与输入链相关联的第一开关和第二开关，以便例如若选择第一输入链，则第一开关和第二开关均在导通位置。

[0018] 在操作中，会选择第一开关和第二开关对中的一个或更多个，以便针对期望的增益选择期望的输入阻抗。由于不可能使电流吸收到运算放大器(理想化的)的输入端中，没有电流从所选择的第一开关124中流过，所以所选择的输入链的中间节点处的电压将等于运算放大积分器116的反相输入端处的电压。所以，使与输入阻抗成反比的电流通过反馈回路。由于没有电流从所选择的第一开关中通过，由开关中的非线性所导致的开关的导通阻抗的任何变化对增益级的增益没有影响。另外，由于第二开关126在反馈回路中，而不是与现有技术一样由积分器对非线性进行积分，因此由第二开关126的特性中的非线性所导致的第二开关126的导通阻抗的任何变化，将仅仅导致对运算放大积分器的输出的某些附加的非线性。

[0019] 图4中示意性地描绘了本发明的另一实施例，其中，可变增益放大器被配置为全差分放大器，以提供作为两个输入值之间的差的函数的输出。在这种配置中，积分器216的每个输入端连接到可变阻抗输入端，每个可变阻抗输入端包括多个并行输入链200。对于图3中所示的配置，以类似的方式布置每个输入链，即电阻器218、218’串联到第一开关224、
224’，第一开关224、224’接着又连接到积分器的一个相应输入端。各第二开关226、226’连接到每个输入链上的中间节点处，各第二开关226、226’的另一端连接到各反馈回路。在图4所示的差分配置中，积分器具有+ve输出和-ve输出，同时反馈回路连接到一个相应的输出端。在所示的配置中，每个反馈回路包括反馈电容器230、230’，反馈电容器230、230’具有连接到相应的积分器输出的第一端子，以及连接到各输入链中的第二开关226、226’中的每一个的第二端子。对于连接到积分器的各输入端的输入链的每个集合，如以上关于图
3所描述的，电阻器R的值和第一开关及第二开关的导通阻抗相对于彼此被缩放。