低电压低功率可变增益放大器制造技术

本公开涉及低压低功率可变增益放大器。在高速通信应用(例如光通信)中，可变增益放大器用于输入信号幅度归一化或用于线性均衡。传统上使用双极吉尔伯特乘法器电路。当朝向低功率应用移动时，实现修改的电路拓扑以减小可变增益放大器的最小电源电压要求，同时确保偏置电流电平保持基本上相同并实现与传统电路相同的电流开关容量。结果，可以大大降低电路的功耗。修改的电路拓扑结合了放大器和增益晶体管，并且使用两对浮动电压源的电压差来实现增益编程。

【技术实现步骤摘要】
低电压低功率可变增益放大器
本专利技术涉及集成电路领域，特别涉及低压低功率可变增益放大器。
技术介绍
电子器件由集成电路构成。集成电路处理信号并执行无数的功能。模拟电路是处理模拟形式(即，连续的可变信号)的信号的一组电路。一个常见的模拟电路是可变增益放大器。可变增益放大器是基于增益系数放大输入信号的电路。增益系数可以根据控制电压而改变或调整。可变增益放大器存在于许多音频应用和光通信应用中。即使存在用于可变增益放大器的许多公知的电路拓扑，施加在可变增益放大器上的不断变化的要求继续使得难以设计和实现可变增益放大器。
技术实现思路
在高速通信应用(例如，光通信)中，可变增益放大器用于输入信号幅度归一化或用于线性均衡。传统上使用双极吉尔伯特乘法器电路。当朝向低功率应用移动时，实现修改的电路拓扑以减小可变增益放大器的最小电源电压要求，同时确保偏置电流电平保持基本上相同并实现与传统电路相同的电流开关容量。结果，可以大大降低电路的功耗。修改的电路拓扑结合了放大器和增益晶体管，并且使用两对浮动电压源的电压差来实现增益编程。附图说明为了提供对本公开及其特征和优点的更完整理解，参考结合附图进行的以下描述，其中相同的附图标记表示相同的部分，其中：图1示出了传统的双极吉尔伯特乘法器电路；图2示出根据本公开的一些实施例的低电压低功率可变增益放大器；图3示出根据本公开的一些实施例的低压低功率可变增益放大器的一侧；图4是示出根据本公开的一些实施例的低电压低功率可变增益放大方法的流程图。图5展示根据本专利技术的一些实施例的浮动电压源的示范性实施方案；图6展示根据本专利技术的一些实施例的浮动电压源的另一示范性实施方案；图7展示根据本专利技术的一些实施例的浮动电压源的又一示范性实施方案；和图8示出根据本公开的一些实施例的用于浮动电压源的示例性可编程电流源。具体实施方式可变增益放大器的基本原理可变增益放大器(VGA)通常用于电子器件中。可以基于增益系数对可变增益放大器的输入进行放大，以产生放大输出。增益系数可以通过控制电压来改变或控制。一般来说，可变增益放大器可以提供具有可电子设置的电压增益的信号调节。可变增益放大器用于各种遥感和通信设备。应用范围从超声波、雷达、激光雷达、无线通信和语音分析已经利用可变增益来增强动态性能。VGA可以调节具有宽动态范围的信号。例如，到无线接收的输入信号可以从微伏到伏特。VGA可以应用于通信、有线电视、医疗设备和工业应用中找到。在许多高速通信应用(包括光通信)中，可变增益放大器用于输入信号幅度归一化或用于线性均衡。许多VGA是级联实现的，其中一个VGA的输出连接到另一个VGA的输入。需要许多VGA的应用使得系统和块级功耗成为将所提供的产品区分到市场的关键设计参数之一。理解传统双极吉尔伯特乘法器电路的缺点由于高频输入信号内容，VGA带宽需求强制使用双极器件用于这种应用。传统上，使用双极吉尔伯特乘法器电路。图1示出了传统的双极吉尔伯特乘法器电路。该电路具有两个射极跟随器QEF0和QEF1，两个放大器晶体管QA0和QA1，以及四个增益晶体管QG01，QG00，QG10和QG11。电路的差分输入是INM和INP，电路的差分输出是OUTP和OUTM。图中所示的拓扑只能实现正的有符号乘法因子，但也可以通过将输出晶体管QG00和QG10分别交叉连接到输出节点OUTM和OUTP来实现正和负乘法因子。电路操作如下，射极跟随器QEF0和QEF1分别将输入信号INM和INP缓冲到节点NEF0和NEF1。然后，使用QA0，RD0，RD1和QA1将缓冲的输入信号转换为差分电流。假设QA0和QA1的跨导远大于RD0和RD1的电导，差分电流是QA0和QA1的集电极电流差的一半，可以表示如下：ΔVIN等于(VINP-VINM)，并且负反馈电阻器RD0和RD1等于0.5RD。QA0和QA1，ICQA1和ICQA0的集电极电流可分别表示为：ICQA1＝IB+IΔICQQ0＝IB-IΔ然后，QA0和QA1的集电极电流分别被晶体管对QG00，QG01和QG10，QG11分压。QG11和QG01，ICQG11和ICQG01的集电极电流分别驱动输出节点，集电极电流可表示如下：VT是热电压。因此，传统吉尔伯特乘法器电路的增益因子或增益系数，即K，是：可以通过适当地调整增益控制电压V1来设置期望的增益因子。如图1所示，V1是连接到QG00和QG10的基极端的电压源。电压源V0设置直流(DC)工作点以产生用于放大器晶体管QA0和QA1工作的适当的电压余量。增益因子K在区间(0-1)内有界。对于等于0的V1，增益K为0.5。通过使用电阻器RO0和RO1将QG01和QG11的集电极电流转换为输出电压来获得输出信号，即电压OUTP和OUTM的差。假设输出电阻等于RO，传统Gilbert乘法器电路的传递函数可以写为：退化电容器CD0和CD1在高频处产生峰化以进一步扩展乘法器带宽。现有技术的吉尔伯特乘法器电路的最小电源电压要求(即VCCmin)可以表示如下：双极晶体管基极-发射极电压表示为VBE，电流源的顺应电压(产生偏置电流的电流源IB的顺应电压)表示为VCIB，峰-峰输出信号电压(差分输出节点处的峰-峰电压)表示为VOUTpp，并且峰-峰输入信号(差分输入节点处的峰-峰电压)表示为VINpp。对于高速设计，选择大于0伏特(V)的双极晶体管的基极-集电极电压差VBC以减小寄生集电极-基极电容是一种常见的设计实践。在计算最小电源电压要求时，假定对于等于0V的VBC满足带宽要求。因此VBC被视为等于VBE。如果所需的VBC较大，额外的电压应加到VCCmin。假设输入和输出峰-峰信号摆幅为300毫伏(mV)，VBE和VCIB分别等于800mV和400mV，最小可实现电源电压电平为2.3V。实际上，VCCmin通常大于2.3V。较高的电源电压电平通常意味着较大的功耗(所有其他因素保持不变)。修改的电路拓扑：低电压低功率可变增益放大器为了降低最小电源电压要求，重新设计乘法器以利用不同的拓扑，使得可以提供可变增益放大功能，而不需要堆叠诸如图1所示的QG01和QA0的晶体管。结果，净空要求降低。修改的电路拓扑不是平凡的。图2示出根据本公开的一些实施例的低电压低功率可变增益放大器。修改的电路拓扑结合了图1中所示的放大器晶体管(QA0和QA1)和增益晶体管(QG00，QG01，QG10和QG11)，并使用两对浮动电压源[VG01，VG00]和[VG10，VG11]。双极晶体管的工作点和无源部件值与图1中所示的拓扑相同。因此，两个放大器的交流(AC)响应是相同的。浮动电压源的信号带宽可以匹配(或大于)期望的信号带宽。修改电路的最小电源要求被大大放宽。放大器包括接收差分输入电压的差分输入节点INM和INP以及用于输出差分输出电压的差分输出节点OUTP和OUTM，其中差分输出电压是由放大器的可变增益设置放大的差分输入电压。放大器具有第一差分电压节点NEF0和NEF1，其基于第一固定电压变化分别缓冲或跟随差分输入节点INM和INP处的差分输入电压。在该示例中，NEF0和NEF1分别是发射极跟随器的发射极节点QEF0和QEF1。INM驱动晶体管QEF0的基极，并且发射极节点NEF0跟随INM，具有一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低压低功率可变增益放大器，所述放大器包括：基于第一固定电压变化，跟随差分输入节点处的差分输入电压的第一差分电压节点；第一电流分支，驱动差分输出节点；第二电流分支，其与各自的第一电流分支成对以根据系数、表示差分输入电压的偏置电流和差分电流分割；第一浮动电压源，所述第一浮动电压源中的每一个耦合在所述第一差分电压节点中的相应一个与第一电流分支中的相应一个之间以提供第一预定电压变化；第二浮动电压源，所述第二浮动电压源中的每一个耦合在所述第一差分电压节点中的相应一个与第二电流分支中的相应一个之间，以在与所述第一预定电压变化相同的方向上提供第二预定变化；其中所述第一预定电压变化和所述第二预定电压变化在大小上对应于所述第一固定电压变化但在相反方向上，以及所述第一预定电压变化和所述第二预定电压变化之间的差设置所述系数，以提供所述放大器的可变增益。

【技术特征摘要】
2016.01.06 US 14/989,2031.一种低压低功率可变增益放大器，所述放大器包括：基于第一固定电压变化，跟随差分输入节点处的差分输入电压的第一差分电压节点；第一电流分支，驱动差分输出节点；第二电流分支，其与各自的第一电流分支成对以根据系数、表示差分输入电压的偏置电流和差分电流分割；第一浮动电压源，所述第一浮动电压源中的每一个耦合在所述第一差分电压节点中的相应一个与第一电流分支中的相应一个之间以提供第一预定电压变化；第二浮动电压源，所述第二浮动电压源中的每一个耦合在所述第一差分电压节点中的相应一个与第二电流分支中的相应一个之间，以在与所述第一预定电压变化相同的方向上提供第二预定变化；其中所述第一预定电压变化和所述第二预定电压变化在大小上对应于所述第一固定电压变化但在相反方向上，以及所述第一预定电压变化和所述第二预定电压变化之间的差设置所述系数，以提供所述放大器的可变增益。2.根据权利要求1所述的放大器，其中：所述第一电流分支和所述第二电流分支包括双极晶体管设备；和放大器在电源电压低至1.5伏时正常工作。3.根据权利要求1所述的放大器，其中，所述放大器具有最小电源电压要求，包括一个基极-发射极电压，产生偏置电流的电流源的顺从电压，差分输入节点处的峰峰电压的一半，以及差分输出节点的峰峰电压的一半。4.根据权利要求1所述的放大器，其中：所述第一差分电压节点是在相应的差分输入电压之后的发射极跟随器的发射极节点；和第一固定电压变化是一个基极-发射极电压。5.根据权利要求4所述的放大器，其中：第一预定电压变化和第二预定电压变化被设置为在相反方向上基本上偏移一个基极-发射极电压。6.根据权利要求1所述的放大器，其中：系数控制表示流过第一电流分支的差分输入电压的偏置电流和差电流的量以及表示流过第二电流分支的差分输入电压的偏置电流和差电流的剩余量，以实现放大器的可变增益。7.根据权利要求1所述的放大器，其中：所述第一电流分支中的每一个包括双极晶体管，其基极由相应的第一浮动电压源驱动；和所述第二电流分支中的每一个包括双极晶体管，其基极由相应的第二浮动电压源驱动。8.根据权利要求1所述的放大器，还包括：在所述第一电流分支中的第一电流分支中的晶体管的发射极处的第一节点和所述第二电流分支中的第一电流分支；在所述第一电流分支中的第二电流分支中的晶体管的发射极处的第二节点和所述第二电流分支中的第二电流分支；和所述第一节点和所述第二节点之间的电阻；其中，通过所述第一和第二浮置电压源以及所述第一和第二电流分支在所述第一节点和所述第二节点处复制所述差分输入电压的电压差，并且所述差分电流是在由电阻分割的所述第一和第二节点处复制的电压差。9.根据权利要求1所述的放大器，还包括：第二差分电压节点，通过第一差分电压节点，第一和第二浮动电压源以及第一和第二电流支路复制差分输入电压的电压差；其中，所述差电流由所述第二差分电压节点之间的电阻上的所述复制电压差产生。10.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·阿克司因，
申请(专利权)人：亚德诺半导体集团，
类型：发明
国别省市：百慕大群岛,BM