低電壓低功率可變?cè)鲆娣糯笃鞯闹谱鞣椒?

本發(fā)明涉及集成電路領(lǐng)域，特別涉及低壓低功率可變?cè)鲆娣糯笃鳌?/p>

背景技術(shù)：

電子器件由集成電路構(gòu)成。集成電路處理信號(hào)并執(zhí)行無數(shù)的功能。模擬電路是處理模擬形式(即，連續(xù)的可變信號(hào))的信號(hào)的一組電路。一個(gè)常見的模擬電路是可變?cè)鲆娣糯笃??？勺冊(cè)鲆娣糯笃魇腔谠鲆嫦禂?shù)放大輸入信號(hào)的電路。增益系數(shù)可以根據(jù)控制電壓而改變或調(diào)整?？勺?cè)鲆娣糯笃鞔嬖谟谠S多音頻應(yīng)用和光通信應(yīng)用中。即使存在用于可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑S多公知的電路拓?fù)?，施加在可變?cè)鲆娣糯笃魃系牟粩嘧兓囊罄^續(xù)使得難以設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)可變?cè)鲆娣糯笃鳌?/p>

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在高速通信應(yīng)用(例如，光通信)中，可變?cè)鲆娣糯笃饔糜谳斎胄盘?hào)幅度歸一化或用于線性均衡。傳統(tǒng)上使用雙極吉爾伯特乘法器電路。當(dāng)朝向低功率應(yīng)用移動(dòng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)修改的電路拓?fù)湟詼p小可變?cè)鲆娣糯笃鞯淖钚‰娫措妷阂螅瑫r(shí)確保偏置電流電平保持基本上相同并實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)電路相同的電流開關(guān)容量。結(jié)果，可以大大降低電路的功耗。修改的電路拓?fù)浣Y(jié)合了放大器和增益晶體管，并且使用兩對(duì)浮動(dòng)電壓源的電壓差來實(shí)現(xiàn)增益編程。

附圖說明

為了提供對(duì)本公開及其特征和優(yōu)點(diǎn)的更完整理解，參考結(jié)合附圖進(jìn)行的以下描述，其中相同的附圖標(biāo)記表示相同的部分，其中：

圖1示出了傳統(tǒng)的雙極吉爾伯特乘法器電路；

圖2示出根據(jù)本公開的一些實(shí)施例的低電壓低功率可變?cè)鲆娣糯笃鳎?/p>

圖3示出根據(jù)本公開的一些實(shí)施例的低壓低功率可變?cè)鲆娣糯笃鞯囊粋?cè)；

圖4是示出根據(jù)本公開的一些實(shí)施例的低電壓低功率可變?cè)鲆娣糯蠓椒ǖ牧鞒虉D。

圖5展示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的浮動(dòng)電壓源的示范性實(shí)施方案；

圖6展示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的浮動(dòng)電壓源的另一示范性實(shí)施方案；

圖7展示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的浮動(dòng)電壓源的又一示范性實(shí)施方案；和

圖8示出根據(jù)本公開的一些實(shí)施例的用于浮動(dòng)電壓源的示例性可編程電流源。

具體實(shí)施方式

可變?cè)鲆娣糯笃鞯幕驹?/u>

可變?cè)鲆娣糯笃?vga)通常用于電子器件中?？梢曰谠鲆嫦禂?shù)對(duì)可變?cè)鲆娣糯笃鞯妮斎脒M(jìn)行放大，以產(chǎn)生放大輸出。增益系數(shù)可以通過控制電壓來改變或控制。一般來說，可變?cè)鲆娣糯笃骺梢蕴峁┚哂锌呻娮釉O(shè)置的電壓增益的信號(hào)調(diào)節(jié)。可變?cè)鲆娣糯笃饔糜诟鞣N遙感和通信設(shè)備。應(yīng)用范圍從超聲波、雷達(dá)、激光雷達(dá)、無線通信和語音分析已經(jīng)利用可變?cè)鲆鎭碓鰪?qiáng)動(dòng)態(tài)性能。vga可以調(diào)節(jié)具有寬動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)。例如，到無線接收的輸入信號(hào)可以從微伏到伏特。vga可以應(yīng)用于通信、有線電視、醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)應(yīng)用中找到。

在許多高速通信應(yīng)用(包括光通信)中，可變?cè)鲆娣糯笃饔糜谳斎胄盘?hào)幅度歸一化或用于線性均衡。許多vga是級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)的，其中一個(gè)vga的輸出連接到另一個(gè)vga的輸入。需要許多vga的應(yīng)用使得系統(tǒng)和塊級(jí)功耗成為將所提供的產(chǎn)品區(qū)分到市場(chǎng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)之一。

理解傳統(tǒng)雙極吉爾伯特乘法器電路的缺點(diǎn)

由于高頻輸入信號(hào)內(nèi)容，vga帶寬需求強(qiáng)制使用雙極器件用于這種應(yīng)用。傳統(tǒng)上，使用雙極吉爾伯特乘法器電路。圖1示出了傳統(tǒng)的雙極吉爾伯特乘法器電路。該電路具有兩個(gè)射極跟隨器qef0和qef1，兩個(gè)放大器晶體管qa0和qa1，以及四個(gè)增益晶體管qg01，qg00，qg10和qg11。電路的差分輸入是inm和inp，電路的差分輸出是outp和outm。圖中所示的拓?fù)渲荒軐?shí)現(xiàn)正的有符號(hào)乘法因子，但也可以通過將輸出晶體管qg00和qg10分別交叉連接到輸出節(jié)點(diǎn)outm和outp來實(shí)現(xiàn)正和負(fù)乘法因子。電路操作如下，射極跟隨器qef0和qef1分別將輸入信號(hào)inm和inp緩沖到節(jié)點(diǎn)nef0和nef1。然后，使用qa0，rd0，rd1和qa1將緩沖的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分電流。假設(shè)qa0和qa1的跨導(dǎo)遠(yuǎn)大于rd0和rd1的電導(dǎo)，差分電流是qa0和qa1的集電極電流差的一半，可以表示如下：

δvin等于(vinp-vinm)，并且負(fù)反饋電阻器rd0和rd1等于0.5rd。qa0和qa1，icqa1和icqa0的集電極電流可分別表示為：

icqa1＝ib+iδicqq0＝ib-iδ

然后，qa0和qa1的集電極電流分別被晶體管對(duì)qg00，qg01和qg10，qg11分壓。qg11和qg01，icqg11和icqg01的集電極電流分別驅(qū)動(dòng)輸出節(jié)點(diǎn)，集電極電流可表示如下：

vt是熱電壓。因此，傳統(tǒng)吉爾伯特乘法器電路的增益因子或增益系數(shù)，即k，是：

可以通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整增益控制電壓v1來設(shè)置期望的增益因子。如圖1所示，v1是連接到qg00和qg10的基極端的電壓源。電壓源v0設(shè)置直流(dc)工作點(diǎn)以產(chǎn)生用于放大器晶體管qa0和qa1工作的適當(dāng)?shù)碾妷河嗔?。增益因子k在區(qū)間(0-1)內(nèi)有界。對(duì)于等于0的v1，增益k為0.5。通過使用電阻器ro0和ro1將qg01和qg11的集電極電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓來獲得輸出信號(hào)，即電壓outp和outm的差。假設(shè)輸出電阻等于ro，傳統(tǒng)gilbert乘法器電路的傳遞函數(shù)可以寫為：

退化電容器cd0和cd1在高頻處產(chǎn)生峰化以進(jìn)一步擴(kuò)展乘法器帶寬?，F(xiàn)有技術(shù)的吉爾伯特乘法器電路的最小電源電壓要求(即vccmin)可以表示如下：

雙極晶體管基極-發(fā)射極電壓表示為vbe，電流源的順應(yīng)電壓(產(chǎn)生偏置電流的電流源ib的順應(yīng)電壓)表示為vcib，峰-峰輸出信號(hào)電壓(差分輸出節(jié)點(diǎn)處的峰-峰電壓)表示為voutpp，并且峰-峰輸入信號(hào)(差分輸入節(jié)點(diǎn)處的峰-峰電壓)表示為vinpp。對(duì)于高速設(shè)計(jì)，選擇大于0伏特(v)的雙極晶體管的基極-集電極電壓差vbc以減小寄生集電極-基極電容是一種常見的設(shè)計(jì)實(shí)踐。在計(jì)算最小電源電壓要求時(shí)，假定對(duì)于等于0v的vbc滿足帶寬要求。因此vbc被視為等于vbe。如果所需的vbc較大，額外的電壓應(yīng)加到vccmin。假設(shè)輸入和輸出峰-峰信號(hào)擺幅為300毫伏(mv)，vbe和vcib分別等于800mv和400mv，最小可實(shí)現(xiàn)電源電壓電平為2.3v。實(shí)際上，vccmin通常大于2.3v。較高的電源電壓電平通常意味著較大的功耗(所有其他因素保持不變)。

修改的電路拓?fù)洌旱碗妷旱凸β士勺冊(cè)鲆娣糯笃?/u>

為了降低最小電源電壓要求，重新設(shè)計(jì)乘法器以利用不同的拓?fù)洌沟每梢蕴峁┛勺冊(cè)鲆娣糯蠊δ埽恍枰询B諸如圖1所示的qg01和qa0的晶體管。結(jié)果，凈空要求降低。修改的電路拓?fù)洳皇瞧椒驳摹?/p>

圖2示出根據(jù)本公開的一些實(shí)施例的低電壓低功率可變?cè)鲆娣糯笃鳌Ｐ薷牡碾娐吠負(fù)浣Y(jié)合了圖1中所示的放大器晶體管(qa0和qa1)和增益晶體管(qg00，qg01，qg10和qg11)，并使用兩對(duì)浮動(dòng)電壓源[vg01，vg00]和[vg10，vg11]。雙極晶體管的工作點(diǎn)和無源部件值與圖1中所示的拓?fù)湎嗤?。因此，兩個(gè)放大器的交流(ac)響應(yīng)是相同的。浮動(dòng)電壓源的信號(hào)帶寬可以匹配(或大于)期望的信號(hào)帶寬。修改電路的最小電源要求被大大放寬。

放大器包括接收差分輸入電壓的差分輸入節(jié)點(diǎn)inm和inp以及用于輸出差分輸出電壓的差分輸出節(jié)點(diǎn)outp和outm，其中差分輸出電壓是由放大器的可變?cè)鲆嬖O(shè)置放大的差分輸入電壓。放大器具有第一差分電壓節(jié)點(diǎn)nef0和nef1，其基于第一固定電壓變化分別緩沖或跟隨差分輸入節(jié)點(diǎn)inm和inp處的差分輸入電壓。在該示例中，nef0和nef1分別是發(fā)射極跟隨器的發(fā)射極節(jié)點(diǎn)qef0和qef1。inm驅(qū)動(dòng)晶體管qef0的基極，并且發(fā)射極節(jié)點(diǎn)nef0跟隨inm，具有一個(gè)基極-發(fā)射極電壓vbe的電壓降(即，第一固定電壓變化)。inp驅(qū)動(dòng)晶體管qef1的基極，發(fā)射極節(jié)點(diǎn)nef1跟隨inp，具有一個(gè)基極-發(fā)射極電壓vbe的電壓降(即，第一固定電壓變化)。

放大器通過控制被一對(duì)電流分支劃分的電流來改變其增益。換言之，可以控制該對(duì)電流分支以允許一定百分比的電流流過一個(gè)分支(即，輸出分支)相對(duì)于另一個(gè)分支(即，不是輸出分支)。被分頻的電流具有基于inm和inp處的輸入電壓的分量。放大器的可變?cè)鲆嬖O(shè)置將至少基于這樣的百分比。放大器包括驅(qū)動(dòng)差分輸出節(jié)點(diǎn)的第一電流分支，例如驅(qū)動(dòng)outp的qg01和驅(qū)動(dòng)outm的qg11。此外，放大器包括分別與各自的第一電流分支(例如，qg01，qg11)配對(duì)的第二電流分支(例如，qg00和qg10)，以根據(jù)系數(shù)k將偏置電流ib和表示差分輸入電壓的差分電流iδ。放大器的總體可變?cè)鲆嬖O(shè)置取決于系數(shù)k。

為了控制系數(shù)k，放大器包括具有相同的第一預(yù)定電壓變化/位移的第一浮動(dòng)電壓源vg01，vg11和具有相同的第二預(yù)定電壓變化/位移的第二電壓源vg00，vg10。浮動(dòng)電壓源通過在第一預(yù)定電壓改變/移位和第二電壓改變/移位之間施加電壓差vg來控制上述電流分配。兩個(gè)相同的第一浮置電壓源和第二電壓源對(duì)被實(shí)現(xiàn)用于電路的兩側(cè)。為了正確操作，由浮動(dòng)電壓源vg01和vg11實(shí)現(xiàn)的電壓移位/改變是相同的，并且由浮動(dòng)電壓源vg00和vg10實(shí)現(xiàn)的電壓移位/改變是相同的。vg01＝vg11，vg00＝vg10。電壓差vg為vg01-vg00＝vg11-vg10。

第一浮動(dòng)電壓源vg01，vg11中的每一個(gè)耦接在第一差分電壓節(jié)點(diǎn)(nef0或nef1)中的相應(yīng)一個(gè)與第一電流分支(分別為晶體管qg01或qg11的基極)中的相應(yīng)一個(gè)之間，以提供第一預(yù)定電壓變化。例如，vg01連接在nef0和qg01的基極之間。vg11連接在nef1和qg11的基極之間。第二浮動(dòng)電壓源vg00，vg10中的每一個(gè)分別耦接在第一差分電壓節(jié)點(diǎn)(nef0或nef1)中的相應(yīng)一個(gè)與第二電流分支(qg00或qg10)中的相應(yīng)一個(gè)之間，以在相同方向上提供第二預(yù)定變化作為第一預(yù)定電壓變化。例如，vg00連接在nef0和qg00的基極之間。vg10連接在nef1和qg10的基極之間。值得注意的是，浮動(dòng)電壓在從放大器的輸入到輸出的信號(hào)路徑中。第一電流分支中的每一個(gè)包括雙極晶體管qg01或qg11，其基極(或基極端)由相應(yīng)的第一浮動(dòng)電壓源vg01或vg11驅(qū)動(dòng)。每個(gè)第二電流分支包括雙極晶體管qg00，qg10，其基極(或基極端)由相應(yīng)的第二浮動(dòng)電壓源vg00或vg10驅(qū)動(dòng)。

電路拓?fù)涞囊粋€(gè)方面是從輸入到輸出經(jīng)歷的電壓偏移的方向。電路拓?fù)涞牧硪环矫媸怯筛?dòng)電壓源提供的電壓偏移的幅度。具體地設(shè)置電壓偏移的方向和幅度以確保低余量操作(以放寬vccmin)。第一預(yù)定電壓變化(vg10，vg11)和第二預(yù)定電壓變化(vg00和vg10)對(duì)應(yīng)于大小上但在相反方向上的第一固定電壓變化(qef0的vbe，qef1的vbe)。因此，vg01，vg11，vg00和vg10可以通過將電壓向上偏移一些接近一個(gè)vbe來抵消射極跟隨器的一個(gè)vbe電壓降。因此，第一預(yù)定電壓變化vg01和vg11以及第二預(yù)定電壓變化vg00和vg10被設(shè)置為在相反方向上基本上偏移一個(gè)基極-發(fā)射極電壓vbe。由圖2的拓?fù)渲械母?dòng)電壓源提供的電壓移位的相反方向與圖1的拓?fù)渲锌吹降膬蓚€(gè)vbe電壓降相反(即，由于在相同方向上的qef0和qa0的電壓降，以及由于qef1和qa1在相同方向上的電壓降)。結(jié)果，電路可以以降低的電源電壓要求操作并且大大降低功耗。一般來說，第一預(yù)定電壓變化vg01和vg11以及第二預(yù)定電壓變化vg00和vg10被設(shè)置為在相反方向上小于一個(gè)基極-發(fā)射極電壓vbe，以改善失真或帶寬。雖然不是優(yōu)選的，但是第一預(yù)定電壓變化vg01和vg11和第二預(yù)定電壓變化v。

電路拓?fù)涞牧硪环矫媸峭ㄟ^在放大器的信號(hào)路徑中的浮動(dòng)電壓來設(shè)置放大器的可變?cè)鲆?。第一預(yù)定電壓變化和第二預(yù)定電壓變化vg＝vg01-vg00＝vg11-vg10之間的差vg設(shè)置系數(shù)以提供放大器的可變?cè)鲆?。晶體管qg00，qg01，qg10和qg11的基極處的電壓差控制電流分支對(duì)之間的電流分配，其中電流具有表示輸入電壓vinm的分量(在此稱為差電流)和vinp在節(jié)點(diǎn)inm和inp。

浮動(dòng)電壓源的約束和功能是唯一的。第一和第二預(yù)定電壓變化/移位被適當(dāng)?shù)剡x擇以不僅減小最小電源電壓，而且還實(shí)現(xiàn)放大器的可變?cè)鲆嫦禂?shù)。不提供這些浮動(dòng)電壓源以減少放大器的噪聲或失真(例如，用于微調(diào)目的)。在一個(gè)示例中，第一和第二預(yù)定電壓變化/偏移在幾百毫伏(mv)的數(shù)量級(jí)，例如1vbe或700-900mv。電壓差vg可以在一百毫伏(mv)的數(shù)量級(jí)上。例如，電壓差vg(即，編程電壓)可以在-150mv至150mv之間。

雖然所示的拓?fù)鋬H實(shí)現(xiàn)正的有符號(hào)乘法因子，但本發(fā)明也預(yù)見通過將輸出晶體管qg00和qg10分別交叉連接到輸出節(jié)點(diǎn)outm和outp來實(shí)現(xiàn)正和負(fù)乘法因子。

低電壓低功率可變?cè)鲆娣糯笙到y(tǒng)

在系統(tǒng)級(jí)，低電壓低功率可變?cè)鲆娣糯笃靼ǖ谝惠斎刖彌_器202，第二輸入緩沖器204，輸出級(jí)206，兩組浮動(dòng)電壓源(標(biāo)記為vg01，vg00，vg10，vg11)作為第一增益設(shè)置級(jí)和第二增益設(shè)置級(jí)。包括晶體管qef0的第一輸入緩沖器跟隨差分輸入(inm)中的第一個(gè)。包括晶體管qef1的第二輸入緩沖器204跟隨差分輸入(inp)中的第二個(gè)。包括晶體管qg01，qg00，qg10和qg11以及節(jié)點(diǎn)na0和na1的輸出級(jí)復(fù)制了節(jié)點(diǎn)na0和na1處的差分輸入的電壓差，并將復(fù)制的電壓差轉(zhuǎn)換為差分電流iδ，增益設(shè)置。第一增益設(shè)置級(jí)控制輸出級(jí)，該級(jí)包括第一浮動(dòng)電壓源vg01和第二浮動(dòng)電壓源vg00，用于將第一輸入緩沖器(節(jié)點(diǎn)nef0)的輸出移位第一預(yù)定電壓變化(vg01)，第二預(yù)定電壓變化(vg00)。以相同的方式，第二增益設(shè)置級(jí)控制輸出級(jí)，該級(jí)包括第三浮置電壓源vg11和第四浮置電壓源vg10，用于將第二輸入緩沖器(節(jié)點(diǎn)nef1)的輸出移位第一預(yù)定電壓(vg11)和第二預(yù)定電壓變化(vg10)。第一預(yù)定電壓變化和第二預(yù)定電壓變化之間的差vg設(shè)置施加到偏置電流ib和差電流iδ的增益設(shè)置k，以提供放大器的可變?cè)鲆妗?/p>

圖3示出根據(jù)本公開的一些實(shí)施例的低電壓低功率可變?cè)鲆娣糯笃鞯囊粋?cè)。具體地，該圖示出了圖2中所示的電路的左側(cè)。一般來說，相同的電路在右側(cè)被復(fù)制，因此為了簡(jiǎn)單起見未示出。圖3所示的半電路包括具有晶體管qef(射極跟隨器)，作為增益設(shè)置級(jí)302的一對(duì)浮動(dòng)電壓源vg1，vg0和具有輸出級(jí)304的輸出級(jí)(或輸出級(jí)的一半)304的輸入緩沖器202。晶體管qg1，qg0和節(jié)點(diǎn)na)。根據(jù)本文描述的實(shí)施例設(shè)置浮動(dòng)電壓源的電壓偏移/改變以提供放大器的可變?cè)鲆?。具有浮?dòng)電壓源vg1，vg0的增益設(shè)置級(jí)302的各種示例性實(shí)現(xiàn)在圖5-7(相對(duì)于圖3所示的半電路)中詳細(xì)示出。

注意，示例性實(shí)現(xiàn)具有用于在低頻處傳送輸入信號(hào)并設(shè)置增益因子的低頻dc路徑。這些實(shí)施方式還具有通過耦合電容器的高頻路徑，以在高頻下傳送輸入信號(hào)。這些變化在dc信號(hào)路徑實(shí)現(xiàn)方面不同。一般來說，實(shí)施方案包括可編程電流源(本文中稱為i1和i0)以產(chǎn)生浮動(dòng)電壓源。注意，可編程電流源遠(yuǎn)小于本文拓?fù)渲锌吹降钠秒娏鱥b。當(dāng)不針對(duì)速度以及對(duì)可編程電壓源的其它部分(例如，電阻器值)的適當(dāng)設(shè)置選擇可編程電流源時(shí)，可編程電流源可以在幾十到幾百微安(ua)的數(shù)量級(jí)上，此時(shí)偏置電流ib為幾毫安(ma)的數(shù)量級(jí)。例如，偏置電流ib可以是1-5ma，并且可編程電流源i1和i0可以是10-300ua。

在沒有傳統(tǒng)吉爾伯特乘法器電路的放大器晶體管的情況下產(chǎn)生差電流

為了正確操作，電壓vg01被設(shè)置為與vg11相同，并且電壓vg00被設(shè)置為與vg10相同。返回參考圖2，射極跟隨器qef0和qef1分別將輸入信號(hào)inm和inp緩沖到節(jié)點(diǎn)nef0和nef1。緩沖的輸入信號(hào)然后被電壓移位以驅(qū)動(dòng)晶體管qg00，qg01，qg10和qg11的基極端。雙極晶體管對(duì)qg00-qg01和qg10-qg11形成最大電路，以在節(jié)點(diǎn)na0和na1上產(chǎn)生電壓。由于電路左側(cè)的vg01和vg00的電壓變化/偏移必須與電路右側(cè)的vg11和vg10的電壓變化/偏移相同，所以電壓從inm和inp節(jié)點(diǎn)到na1和na0節(jié)點(diǎn)也必須分別相同。因此，電路的兩側(cè)將相應(yīng)的輸入電壓vinm或vinp復(fù)制到相應(yīng)的na0或na1節(jié)點(diǎn)，以將輸入電壓差轉(zhuǎn)換為差電流iδ。差電流iδ因此表示節(jié)點(diǎn)inm和inp處的輸入電壓vinm和vinp。

假設(shè)晶體管qg00-qg01和qg10-qg11的跨導(dǎo)的總和比rd0和rd1的電導(dǎo)大得多(因?yàn)閳D2的偏置電流ib與圖1的拓?fù)湎嗤?，所以等效跨?dǎo)是對(duì)于兩個(gè)拓?fù)涫窍嗤?，差電流iδ可以表示如下：

δvin等于(vinp-vinm)，并且負(fù)反饋電阻器rd0和rd1等于0.5rd。

再次參考圖2，電路包括在第一電流分支qg01中的晶體管的發(fā)射極處的第一節(jié)點(diǎn)na0以及在晶體管的發(fā)射極處的第二電流分支qg00中的第一電流分支qg00和第二節(jié)點(diǎn)na1在第一電流分支qg11的第二電流分支和第二電流分支qg10的第二電流分支。通過第一浮動(dòng)電壓源vg01，vg00，vg10，vg11以及第一和第二電流分支qg01，qg00，qg10，在第一節(jié)點(diǎn)na0和第二節(jié)點(diǎn)na1處復(fù)制差分輸入電壓vinp-vinm的電壓差，和qg11。值得注意的是，沒有使用放大晶體管(圖1的qa0和qa1)來復(fù)制輸入電壓。該電路還包括在第一節(jié)點(diǎn)na0和第二節(jié)點(diǎn)na1之間的電阻rd0和rd1。差電流iδ是在第一節(jié)點(diǎn)na0和第二節(jié)點(diǎn)na1處被電阻rd＝rd0+rd1分壓的電壓差。

在一些實(shí)施例中，電路包括通過第一差分電壓節(jié)點(diǎn)nef0，nef1，第一和第二浮動(dòng)電壓源vg01，vg00，vg10復(fù)制差分輸入電壓的電壓差δvin的第二差分電壓節(jié)點(diǎn)na0和na1，vg11，以及第一和第二電流分支qg01，qg00，qg10和qg11c差分電流iδ由第二差分電壓節(jié)點(diǎn)na0和na1之間的電阻rd＝rd0+rd1上的復(fù)制電壓差產(chǎn)生。

在一些實(shí)施例中，差電流iδ由跨越電阻rd＝rd0+rd1的復(fù)制電壓差產(chǎn)生。重復(fù)的電壓差基于(1)偏移包括第一預(yù)定電壓變化和第二預(yù)定電壓變化(例如，vg01和vg00)的固定量的差分輸入電壓inm中的第一個(gè)，以及(2)第二偏移相同固定量(例如，vg11和vg00)的差分輸入電壓(inp)中的一個(gè)。值得注意的是，即使通過浮動(dòng)電壓源(vg01，vg00，vg11，vg00)也可以復(fù)制輸入電壓差，因?yàn)樵搶?duì)浮動(dòng)電壓源在電路的兩側(cè)提供相同的電壓變化/移位。

有利地，圖2中所示的電路可以產(chǎn)生與第一預(yù)定電壓變化(vg01或vg11)和第二預(yù)定電壓變化(vg00或vg10)之間的差vg無關(guān)的差電流iδ。

在一些實(shí)施例中，第一預(yù)定電壓變化和第二預(yù)定電壓變化之間的差為大約一百毫伏。短語不同，vg可以是大約+100mv或-100mv，例如在-150mv至+150mv的范圍內(nèi)。一般來說，第一預(yù)定電壓變化和第二預(yù)定電壓變化在1vbe(例如，700-900mv)的量級(jí)。

再參考圖2，晶體管qg00-qg01和晶體管qg10-qg11(具有偏置電流ib和差分電流iδ分量)的發(fā)射極電流的總和可以表示如下：

ieqg10+ieqg11＝ib+iδieqg00+ieqg01＝ib-iδ

qg01和qg11的集電極電流驅(qū)動(dòng)到輸出節(jié)點(diǎn)。假設(shè)vg00-vg01＝vg10-vg11＝vg，集電極電流可表示如下：

vt是熱電壓。因此，增益因子或系數(shù)，即k，可以表示為：

可以通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整增益控制電壓vg來設(shè)置期望的增益因子。增益因子k在區(qū)間(0-1)內(nèi)有界。對(duì)于vg等于0，增益k為0.5。作為電壓outp和outm的差的輸出信號(hào)通過使用電阻器ro0和ro1將qg01和qg11的集電極電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓來獲得。假設(shè)輸出電阻等于ro，傳遞函數(shù)可寫為：

退化電容器cd0和cd1在高頻處產(chǎn)生峰值，以進(jìn)一步擴(kuò)展乘法器帶寬。

增益因子或增益系數(shù)k控制代表流過第一電流分支的差分輸入電壓(例如，ib+iδ或ib-iδ)的偏置電流ib和差分電流iδ的量(例如，qg01，qg11朝向輸出節(jié)點(diǎn)outp，outm)以及偏流ib的余量和表示流過第二開關(guān)元件的差分輸入電壓(例如ib+iδ或ib-iδ)的差電流iδ第二電流分支(例如，qg00，qg11)，以實(shí)現(xiàn)放大器的可變?cè)鲆?。?dāng)利用適當(dāng)?shù)膙g適當(dāng)?shù)卦O(shè)置浮動(dòng)電壓時(shí)，可以改變?cè)鲆嫦禂?shù)k。

降低的最小電源電壓

圖2中所示的可變?cè)鲆娣糯笃鞯淖钚‰娫措妷?即vccmin)要求可以表示如下：

雙極晶體管基極-發(fā)射極電壓表示為vbe，電流源ib的順從電壓表示為vcib，峰-峰輸出信號(hào)(差分輸出節(jié)點(diǎn)處的峰-峰電壓)為表示為voutpp，并且峰-峰輸入信號(hào)(差分輸入節(jié)點(diǎn)處的峰-峰電壓)表示為vinpp。換句話說，放大器具有最小電源電壓要求vccmin，其包括一個(gè)基極-發(fā)射極電壓vbe，產(chǎn)生偏置電流vcib的電流源的順從電壓，在差分輸入節(jié)點(diǎn)1/2vinpp處的峰-峰電壓的一半，以及差分輸出節(jié)點(diǎn)1/2voutpp的峰-峰電壓的一半。

注意，出于比較圖1和圖2的拓?fù)?在一些情況下，所需的額外電壓凈空大約為75mv)的目的，忽略了用于增益編程的額外電壓凈空要求。在計(jì)算圖2所示的可變?cè)鲆娣糯笃鞯淖钚‰娫措妷?，即vccmin的要求時(shí)，假定對(duì)于等于0v的vbc滿足帶寬要求。因此vbc被視為等于vbe。如果所需的vbc較大，額外的電壓可以添加到vccmin。對(duì)于輸入和輸出峰-峰信號(hào)擺幅為300mv的示例，vbe和vcib分別等于800mv和400mv，最小可實(shí)現(xiàn)電源電壓電平為1.5v，同時(shí)保持電流電平類似于傳統(tǒng)吉爾伯特乘法器電路。在該示例中，第一電流分支和第二電流分支包括雙極晶體管器件qg01，qg00，qg10和qg11，并且放大器可以用低至1.5伏的電源電壓正常操作。此外，相對(duì)于具有2.3v的vccmin的傳統(tǒng)吉爾伯特乘法器電路，圖2中的電路的功率節(jié)省為35％。

低電壓低功率可變?cè)鲆娣糯蠓椒?/u>

圖4是示出根據(jù)本公開的一些實(shí)施例的低電壓低功率可變?cè)鲆娣糯蠓椒ǖ牧鞒虉D。箭頭意在說明，并且方法的各個(gè)部分的順序和可能的并行/順序性質(zhì)可以變化。

在部分402中，在以第一預(yù)定電壓偏移(vg01)移位差分輸入對(duì)(inm)中的第一個(gè)之后，在第一電壓(nef0的電壓)下驅(qū)動(dòng)第一晶體管(qg01)的基極。第一晶體管(qg01)耦合到差分輸出對(duì)(outp)中的第一個(gè)。在部分404中，以第二預(yù)定電壓偏移(vg00)移位的第一電壓(nef0的電壓)驅(qū)動(dòng)第二晶體管(qg00)的基極。在部分406中，由移位了第一預(yù)定電壓偏移(vg01＝vg11)的差分輸入對(duì)(inp)中的第二個(gè)之后，以第二電壓(nef1處的電壓)驅(qū)動(dòng)第二晶體管(qg11)的基極，其中第三晶體管(qg11)耦合到差分輸出對(duì)(outm)中的第二個(gè)。在部分408中，第四晶體管(qg10)的基極由偏移第二預(yù)定電壓偏移(vg00＝vg10)的第二電壓(nef1的電壓)驅(qū)動(dòng)。在部分410中，基于差分輸入對(duì)的電壓差(δvin＝vinp-vinm)產(chǎn)生差電流(iδ)。在部分412中，在第一晶體管(qg01)和第二晶體管(qg00)之間以及第三晶體管(qg11)和第四晶體管之間，基于第一預(yù)定電壓偏移(vg01＝vg11)和第二預(yù)定電壓偏移(vg00＝vg10)之間的差(vg＝vg01-vg00＝vg11-vg10)，劃分偏置電流和差電流(ib+iδ或ib-iδ)。

在一些實(shí)施例中，產(chǎn)生差電流iδ包括獨(dú)立于第一預(yù)定電壓偏移(vg01＝vg11)和第二預(yù)定電壓偏移(vg01＝vg11)之間的差值(vg＝vg01-vg00＝vg11-vg10)電壓漂移(vg00＝vg10)。

在一些實(shí)施例中，該方法還包括使用相同的一組電壓偏移復(fù)制差分輸入對(duì)的電壓差(δvin＝vinp-vinm)，(1)來自差分中的第一個(gè)的第一路徑輸入對(duì)到第一晶體管和第二晶體管的發(fā)射極，以及(2)從差分輸入對(duì)中的第二個(gè)到第三晶體管和第四晶體管的發(fā)射極的第二路徑。換句話說，包括該對(duì)浮置電壓源的相同組的電壓偏移在電路的兩側(cè)上相同地實(shí)現(xiàn)。例如，相同的一組電壓偏移包括第一預(yù)定電壓偏移(vg01＝vg11)和第二預(yù)定電壓偏移(vg00＝vg10)。

在一些實(shí)施例中，第一預(yù)定電壓偏移(vg01＝vg11)和第二預(yù)定電壓偏移(vg00＝vg10)之間的差(vg＝vg01-vg00＝vg11-vg10)對(duì)應(yīng)于增益系數(shù)(k)的可變?cè)鲆娣糯笃鳌?/p>

有利地，提供預(yù)定電壓偏移的浮動(dòng)電壓源用于實(shí)現(xiàn)放大器的可變?cè)鲆?。此外，由于電路的兩?cè)經(jīng)過相同的電壓偏移(即使浮動(dòng)電壓源在信號(hào)路徑中)，也可以獨(dú)立于差值vg生成差值電流iδ。換句話說，基于δvin＝vinp-vinm產(chǎn)生差電流。增益控制與圖1的輸入和增益晶體管qa0和qa1組合不再需要。

在一些實(shí)施例中，第一預(yù)定電壓偏移(vg01＝vg11)和第二預(yù)定電壓偏移(vg00＝vg10)處于從差分對(duì)中的第一個(gè)到第一電壓的電壓偏移的相反方向例如基本上偏移1vbe，或優(yōu)選偏移小于1vbe)。因此，實(shí)現(xiàn)這些電壓偏移的浮動(dòng)電壓源可以抵消1vbe的電壓降，以放寬最小電源電壓要求。

在一些實(shí)施例中，該方法還包括使用輸出電阻器ro0和ro1將第一晶體管(qg01)和第三晶體管(qg11)的集電極電流轉(zhuǎn)換為差分輸出對(duì)(outp和outm)處的電壓。集電極電流包括差分電流iδ分量，并且可以施加增益系數(shù)k以控制集電極電流，從而控制差分輸出對(duì)(outp和outm)處的電壓。

浮動(dòng)電壓源：示例1

圖5展示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的浮動(dòng)電壓源的示范性實(shí)施方案。為了固定從輸入節(jié)點(diǎn)in到nef的電壓降，可以固定qef的偏置電流ibef或等效地固定編程電流源i1和i0的和。編程電流源i1和i0可以定義為：

i0≡ibp+0.5iδi1≡ibp-0.5iδ

ibp是常數(shù)部分，iδ是編程電流的變化部分(不與差電流混淆)。編程電流源i1和i0的總和為itot：

itot＝i1+i0＝2ibp

ibef＝iqef+itot

ibef，qef的偏置電流是通過晶體管qef和itot的電流的總和。增益編程電壓，即vg可以表示為：

vg＝vg0-vg1＝bfvs(i0-i1)＝rfvsiδ

可以與電容器cfvs的值一起確定電阻器rfvs的值以實(shí)現(xiàn)期望的ac性能(零頻率)?？梢赃x擇與qg0，qg1晶體管的rπ輸入電阻相比足夠小的rfvs值，使得由于由rfvs和rπ形成的電阻分壓器導(dǎo)致的dc增益衰減在可接受的范圍內(nèi)。一旦確定了rfvs的值，就可以確定ibp以設(shè)置qg1和qg0的期望dc工作電壓電平?？梢酝ㄟ^適當(dāng)?shù)剡x擇iδ(編程電流的變化部分)來獨(dú)立地設(shè)置編程電壓vg。注意，期望增益因子和編程電流iδ的變化部分之間的關(guān)系不是線性的。

浮動(dòng)電壓源：示例2

圖6展示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的浮動(dòng)電壓源的另一示范性實(shí)施方案。對(duì)于提供快速pnp雙極晶體管的技術(shù)，可以如圖6所示實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)電壓源。值得注意的是，包括pnp晶體管qef2作為浮動(dòng)電壓源的一部分。該實(shí)現(xiàn)的信號(hào)路徑帶寬大于圖5中所示的拓?fù)洹＞幊屉娏髟磇1和i0可以被定義為：

i0≡0.5iδi1≡-0.5iδ

因此，

iqef2＝ibef2+i0+i1＝ibef2

可以與電容器cfvs的值一起確定電阻器rfvs的值以實(shí)現(xiàn)期望的ac性能(零頻率)。該實(shí)現(xiàn)允許選擇較大的rfvs值以將信號(hào)路徑上的零頻率拉到較低頻率。與qg0，qg1晶體管的rπ輸入電阻相比，可以選擇足夠小的rfvs值，使得由于由rfvs和rπ形成的電阻分壓而導(dǎo)致的dc增益衰減在可接受的范圍內(nèi)?？梢赃x擇偏置電流ibef和ibef2以設(shè)置qg1和qg0的期望dc工作電壓電平。增益編程電壓，即vg可以表示為：

vg＝vg0-vg1＝rfvs(i0-i1)＝rfvsiδ

對(duì)于該示例，期望的增益因子和編程電流iδ的變化部分之間的關(guān)系也不是線性的。

浮動(dòng)電壓源：實(shí)施例3

圖7展示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的浮動(dòng)電壓源的又一示范性實(shí)施方案。為了線性化增益控制，可以實(shí)現(xiàn)如圖7所示的浮動(dòng)電壓源。盡管所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與常規(guī)pn結(jié)二極管(如果可用的話)適當(dāng)?shù)夭僮?，但是可以利用肖特基二極管來利用其低正向電壓降，用于設(shè)置晶體管qg0，qg1的工作偏置電壓的額外靈活性。為了固定從輸入節(jié)點(diǎn)in到nef的電壓降，可以固定qef的偏置電流ibef或等效地將編程電流源i1和i0的和：

itot＝i1+i0

ibef＝iqef+itot

增益電壓，即vg，即電壓差vg0和vg1可以表示如下：

將上述代入到先前概述的k的等式中：

基于上述關(guān)于增益因子k的等式，可以利用偏置電流i1線性地控制增益。由于i1和i0的和等于itot，并且它們必須是正符號(hào)的，以便保持二極管正向偏置，增益k在區(qū)間(0-1)內(nèi)有界?？梢允褂胷fv和itot來適當(dāng)?shù)卦O(shè)置晶體管qg0，qg1的dc工作電壓電平。電阻器riso用于將二極管的陽極端子上的寄生電容與高頻信號(hào)路徑隔離。這些電阻應(yīng)選擇足夠低，以便由于qg0，qg1的基極電流，由riso兩端的電壓降產(chǎn)生的增益設(shè)置誤差在可接受的水平內(nèi)?？梢詫⒏綦x電阻包括在圖5-6中所示的拓?fù)渲小Ｅcqg0，qg1晶體管的rπ輸入電阻相比，rfvs和riso的和可以選擇得足夠小，使得由于電阻分壓器引起的dc增益衰減在可接受的范圍內(nèi)。注意，正向偏置二極管電容的值是其偏置電流的函數(shù)。因此，二極管電容隨著增益設(shè)置而改變。改變二極管電容對(duì)信號(hào)路徑的群延遲的不利影響可以通過適當(dāng)?shù)剡x擇rfvs電阻值來減弱。

可編程電流源

圖8示出根據(jù)本公開的一些實(shí)施例的用于浮動(dòng)電壓源的示例性可編程電流源i1和i0。參考電流ibref與參考電阻器rref一起產(chǎn)生電壓vref。使用由放大器a1，晶體管q11，晶體管q01，并聯(lián)r0-rn和放大器a0，晶體管q10，晶體管q00，可并聯(lián)電阻器組形成的反饋回路在節(jié)點(diǎn)na1和na0上再生該電壓-rn。na0和na1上的參考電壓通過由prgi0[n∶0]和prgi1[n∶0]確定的電源端子的等效電阻轉(zhuǎn)換為電流。所產(chǎn)生的電流然后被q11-q01和q10-q00晶體管對(duì)除以2，以饋送正和負(fù)信號(hào)路徑的i1和i0電流。

正和負(fù)半電流發(fā)生器共享相同的放大器，使得在集電極處的信號(hào)擺動(dòng)可以被再循環(huán)以便于放大器設(shè)計(jì)。所使用的放大器(a0和a1)可以是具有nmos輸入對(duì)的折疊級(jí)聯(lián)高增益放大器。單位增益帶寬頻率可以選擇為低，以便減少引入的噪聲。這又有益于放大器的功率消耗要求。

輸出電流可以表示為f

索引x是0或1，分別表示連接到晶體管qg0或qg1的基極的電流源。req0和req1是由編程信號(hào)prgi0[n：0]和prgi1[n：0]確定的等效電阻。

變化和實(shí)現(xiàn)

一般來說，本文所公開的低壓低功率可變?cè)鲆娣糯笃骺梢蕴峁┚哂锌呻娮釉O(shè)置的電壓增益的信號(hào)調(diào)節(jié)?？勺?cè)鲆娣糯笃饔糜诟鞣N遙感和通信設(shè)備。從蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施，手機(jī)，超聲波，雷達(dá)，激光雷達(dá)，光通信，無線通信和語音分析等應(yīng)用中利用可變?cè)鲆鎭碓鰪?qiáng)動(dòng)態(tài)性能。vga可以調(diào)節(jié)具有寬動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)。例如，到無線接收的輸入信號(hào)可以從微伏到伏特。vga可以在通信，有線電視，醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)應(yīng)用中找到。

在上述實(shí)施例的討論中，電容器，電阻器，放大器，二極管，晶體管和/或其它組件可以容易地被替換，替換或以其它方式修改以適應(yīng)特定的電路需要。此外，應(yīng)當(dāng)注意，互補(bǔ)電子器件(例如，pnp雙極晶體管與npn雙極晶體管)的使用為實(shí)現(xiàn)本公開的教導(dǎo)提供了同樣可行的選擇。各種實(shí)現(xiàn)方式等效于使用互補(bǔ)晶體管器件的所公開的實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楦鞣N實(shí)現(xiàn)方式將以基本相同的方式執(zhí)行基本上相同的功能，以產(chǎn)生基本上相同的結(jié)果。對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，互補(bǔ)或等效的配置將被認(rèn)為可以與本文描述的實(shí)施例互換。

在一個(gè)示例實(shí)施例中，圖中的任何數(shù)量的電路可以在相關(guān)聯(lián)的電子設(shè)備的板上實(shí)現(xiàn)。板可以是能夠保持電子設(shè)備的內(nèi)部電子系統(tǒng)的各種部件，并且還提供用于其他外圍設(shè)備的連接器的通用電路板。更具體地，板可以提供電連接，系統(tǒng)的其他部件可以通過該電連接電通信?；谔囟ㄅ渲眯枨?，處理需求，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)等，任何合適的處理器(包括數(shù)字信號(hào)處理器，微處理器，支持芯片組等)，計(jì)算機(jī)可讀非暫時(shí)性存儲(chǔ)器元件等可以適當(dāng)?shù)伛詈系桨?。諸如外部存儲(chǔ)器，附加傳感器，用于音頻/視頻顯示的控制器以及外圍設(shè)備的其它組件可以作為插入卡，經(jīng)由電纜附接到板或者集成到板本身中。

在另一示例實(shí)施例中，附圖的電路可以被實(shí)現(xiàn)為獨(dú)立模塊(例如，具有被配置為執(zhí)行特定應(yīng)用或功能的相關(guān)組件和電路的設(shè)備)或?qū)崿F(xiàn)為應(yīng)用中的插件模塊電子設(shè)備的特定硬件。注意，本公開的特定實(shí)施例可以部分地或整體地容易地包括在片上系統(tǒng)(soc)封裝中。soc表示將計(jì)算機(jī)或其他電子系統(tǒng)的組件集成到單個(gè)芯片中的ic。它可以包含數(shù)字，模擬，混合信號(hào)和通常的射頻功能：所有這些可以提供在單個(gè)芯片襯底上。其他實(shí)施例可以包括多芯片模塊(mcm)，其具有位于單個(gè)電子封裝內(nèi)的多個(gè)分離的ic，并且被配置為通過電子封裝彼此緊密地相互作用。

還必須注意，這里概述的所有規(guī)格，尺寸和關(guān)系(例如，晶體管，電阻器，電容器，二極管等的數(shù)量)僅僅是為了示例和教導(dǎo)的目的而提供的。在不脫離本公開的精神或所附權(quán)利要求的范圍的情況下，可以相當(dāng)大地改變這樣的信息。該規(guī)范僅適用于一個(gè)非限制性示例，因此，它們應(yīng)當(dāng)被這樣解釋。在前面的描述中，已經(jīng)參考特定的處理器和/或組件布置描述了示例實(shí)施例。在不脫離所附權(quán)利要求的范圍的情況下，可對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行各種修改和改變。因此，描述和附圖被認(rèn)為是說明性的而不是限制性的。

注意，利用本文提供的大量示例，可以根據(jù)兩個(gè)，三個(gè)，四個(gè)或更多個(gè)電子部件來描述交互。然而，這僅僅是為了清楚和示例的目的。應(yīng)當(dāng)理解，系統(tǒng)可以以任何合適的方式合并。沿著類似的設(shè)計(jì)替代方案，附圖的任何所示的部件，模塊和元件可以以各種可能的配置組合，所有這些都明顯在本說明書的廣泛范圍內(nèi)。在某些情況下，可以通過僅參考有限數(shù)量的電氣元件來更容易地描述給定的一組流的一個(gè)或多個(gè)功能。應(yīng)當(dāng)理解，圖中的電路及其教導(dǎo)是容易擴(kuò)展的，并且可以容納大量部件，以及更復(fù)雜/復(fù)雜的布置和配置。因此，所提供的示例不應(yīng)限制可能應(yīng)用于無數(shù)其它架構(gòu)的電路的范圍或抑制電路的廣泛教導(dǎo)。

注意，在本說明書中，包括在“一個(gè)實(shí)施例”、“示例性實(shí)施例”、“實(shí)施例”、“另一實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“各種實(shí)施例”、“其它實(shí)施例”、“替代實(shí)施例”等中的各種特征(例如，元件、結(jié)構(gòu)、模塊、組件、步驟、操作、特性等)旨在表示任何這樣的特征包括在本公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，或者可以不必在相同的實(shí)施例中組合。

還重要的是注意，與可變?cè)鲆娣糯笃飨嚓P(guān)的功能僅示出可由諸如圖4所示的系統(tǒng)執(zhí)行或在其內(nèi)執(zhí)行的一些可能的功能。這些操作中的一些可以在適當(dāng)?shù)牡胤奖粍h除或移除，或者這些操作可以被顯著地修改或改變而不背離本公開的范圍。此外，這些操作的定時(shí)可以顯著改變。前面的操作流程已經(jīng)被提供用于示例和討論的目的。

本文描述的實(shí)施例提供了基本的靈活性，因?yàn)樵诓幻撾x本公開的教導(dǎo)的情況下可以提供任何合適的布置、時(shí)間順序、配置和定時(shí)機(jī)制。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以確定許多其它改變、替代、變化、改變和修改，并且本公開旨在涵蓋落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有這樣的改變、替換、變化、更改和修改、聲明。注意，本文所描述的所有可選特征還可以相對(duì)于本文所述的方法或過程來實(shí)現(xiàn)，并且實(shí)施例中的細(xì)節(jié)可以在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中的任何地方使用。