УСТРОЙСТВО ЛИНЕАРИЗАЦИИ ДЛЯ УСИЛИТЕЛЯ С ПЕРЕМЕННЫМ УСИЛЕНИЕМ Российский патент 2006 года по МПК H03G3/20 H03G7/00 

Область техники

Настоящее изобретение относится к схемам связи. Более конкретно, настоящее изобретение относится к новым и усовершенствованным методам для регулировки усиления усилителей и переменным усилением.

Предшествующий уровень техники

Усилители с переменным усилением обычно используются в приемниках и передатчиках систем связи для обеспечения регулируемого усиления и, следовательно, сигнала изменяемой амплитуды в зависимости, например, от рабочих условий, системных требований и других факторов. В частности, некоторые передатчики должны обеспечивать определенный диапазон регулирования их выходной мощности. Одним из применений, которое требует такой регулировки усиления, является система связи множественного доступа с кодовым разделением каналов (МДКР).

В системе МДКР сигнал от каждого пользователя расширяется по спектру во всей ширине полосы системы (например, 1,2288 МГц). Таким образом, передаваемый сигнал от каждого передающего пользователя действует как помеха для других пользователей в системе. Для увеличения пропускной способности системы выходная мощность каждой передающей удаленной станции настраивается так, что поддерживается требуемый уровень рабочих характеристик (например, конкретная частота ошибок в битах) при минимизации взаимных помех другим пользователям.

На передаваемый сигнал от удаленной станции оказывают влияние различные явления в среде передачи, включая потери в канале распространения и замирание. Эти явления в комбинации с необходимостью управления мощностью передачи могут предъявлять повышенные требования к диапазону управления мощностью передачи. В действительности, для системы МДКР каждый передатчик удаленной станции в типовом случае проектируется для обеспечения возможности регулирования его выходной мощности в диапазоне более 85 дБ.

Регулирование мощности для удаленных станций системы МДКР в типовом случае обеспечивается одним или несколькими усилителями с переменным усилением в канале передачи сигнала. Регулирование мощности обычно выполняется с приращениями, которые в типовом случае определяются техническими требованиями. Например, для удаленных станций МДКР, которые соответствуют стандарту IS-95-A, выходная мощность регулируется с приращениями по 0,5 дБ.

Для простоты обеспечения совместимости с техническими требованиями на регулировку усиления и другими системными характеристиками предпочтительным является обеспечение возможности линейным образом регулировать усиление (в дБ) по меньшей мере одного усилителя с переменным усилением в канале передачи сигнала. Линейная зависимость усиления в дБ от управляющего напряжения соответствует экспоненциальной передаточной характеристике усиления. Для некоторых конструкций усилителей с переменным усилением экспоненциальное усиление реализуется дифференциальным усилительным каскадом, который обеспечивает выходной ток, который изменяется экспоненциально в ответ на дифференциальное входное управляющее напряжение. Передаточная функция для дифференциального усилителя является приближенно линейной в дБ, но имеет большие управляющие напряжения.

Усилители с переменным усилением, которые являются нелинейными в дБ, могут обусловить ухудшение рабочих характеристик. Например, «искаженная» (т.е. нелинейная) передаточная функция может вызвать трудности или проблемы в точной настройке выходной мощности передачи на конкретный уровень. В системах МДКР такая неточность может привести к ухудшению рабочих характеристик для конкретной удаленной станции (если выходная мощность установлена слишком низкой) или к понижению пропускной способности системы (если выходная мощность установлена слишком высокой). Искаженная передаточная функция может также оказывать влияние на другие схемы (например, на цепь автоматической регулировки усиления - АРУ), которые зависят от наклона характеристики усиления усилителя с переменным усилением. Например, нелинейная зависимость усиления от управляющего напряжения может привести к большой крутизне характеристик усиления, что обусловит более легкий перенос шумов в передаваемый сигнал. Большие значения крутизны характеристики усиления также нарушают стабильность цепи АРУ.

Различные преимущества могут быть получены с использованием усилителей с переменным усилением, которые линейны (в дБ). Например, линейные (в дБ) усилители с переменным усилением могут снизить требование радиочастотной калибровки. Напряжения с линейных (в дБ) усилителей с переменным усилением могут быть поданы в цепь АРУ для генерации логарифмического (по амплитуде) детектора, который полезен в ряде приложений.

Соответственно, весьма желательны методы, которые обеспечивают возможность линейной (в дБ) регулировки элемента переменного усиления.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение предусматривает способ линейной (в дБ) регулировки усилений элементов переменного усиления (усилителей с переменным усилением - УПУ) в приемнике или передатчике. Входной управляющий сигнал подается на схему преобразования, которая преобразует управляющий сигнал для реализации различных сигнальных характеристик. Например, входной управляющий сигнал может быть ограничен до конкретного диапазона значений, подвергнут температурной компенсации, масштабирован (или нормирован) относительно питающих напряжений, сдвинут с использованием определенного сдвига или обработан иными способами. Преобразованный сигнал затем подается на входной каскад линеаризатора, который генерирует набор экспоненциально связанных сигналов. Это может быть обеспечено с использованием, например, дифференциального усилителя, в котором преобразованный управляющий сигнал подается на входы дифференциального усилителя, и коллекторные токи с дифференциального усилителя содержат экспоненциально связанные сигналы. Дифференциальный усилитель может быть реализован, например, дифференциальной парой биполярных плоскостных транзисторов (БПТ). Выходной каскад в линеаризаторе получает экспоненциально связанные сигналы и в ответ генерирует сигнал управления усилением. Путем приближенного согласования выходного каскада с усилительным каскадом элемента переменного усиления и с использованием сигнала управления усилением, генерируемого выходным каскадом, передаточная функция усиления УПУ может аппроксимировать соответствующую функцию экспоненциально связанных сигналов.

Возможный вариант осуществления изобретения обеспечивает схему линеаризатора для выработки управляющего сигнала для элемента переменного усиления. Линеаризатор включает в себя первую схему, связанную со второй схемой. Первая схема выполнена с возможностью приема входного сигнала и выработки экспоненциально связанных сигналов. Вторая схема выполнена с возможностью приема экспоненциально связанных сигналов и генерации управляющего сигнала в ответ на принятые экспоненциально связанные сигналы. Вторая схема приближенно согласована со схемой усиления в элементе переменного усиления. В конкретном варианте реализации первая схема, или вторая схема, или обе они могут быть реализованы дифференциальным усилителем. Для улучшения рабочих характеристик вторая схема может быть согласована (в максимально возможной степени) с каскадом управления усилением элемента переменного усиления. Входной сигнал также может быть преобразован для реализации различных сигнальных характеристик, таких как ограничение конкретным диапазоном, температурная компенсация, непрерывная регулировка, регулировка дискретными шагами, смещение по вертикали дискретными шагами и т.д.

Другой вариант осуществления изобретения обеспечивает схему управления усилением для выработки сигнала управления усилением для элемента переменного усиления. Схема управления усилением включает в себя схему преобразования, связанную со схемой линеаризатора. Схема преобразования выполнена с возможностью приема и преобразования входного управляющего сигнала для генерации преобразованного управляющего сигнала. Схема линеаризатора выполнена с возможностью приема и обработки преобразованного управляющего сигнала для генерации сигнала управления усилением. Сигнал управления усилением в конкретном диапазоне значений обеспечивает приближенно линейную (в дБ) передаточную функцию усиления в элементе переменного усиления. Схема преобразования может включать в себя нулевое количество или более из следующих схем: схему ограничения, схему температурной компенсации, схему суммирования и другие схемы. Схема ограничения выполнена с возможностью приема входного сигнала и выработки ограниченного сигнала, который ограничен диапазоном значений, определенным верхним пределом и нижним пределом. Схема температурной компенсации выполнена с возможностью приема входного сигнала и выработки температурно скомпенсированного сигнала, так что передаточная функция усиления в элементе переменного усиления приближенно инвариантна к изменениям температуры. Схема суммирования выполнена с возможностью приема входного сигнала и сигнала подстройки и объединения сигналов для формирования суммарного сигнала. Эти схемы могут быть упорядочены в различных последовательностях.

Еще в одном варианте осуществления изобретение предусматривает схему для обработки аналогового сигнала. Схема обработки включает в себя по меньшей мере один элемент переменного усиления, включенный последовательно с возможностью приема аналогового сигнала. Каждый элемент переменного усиления обеспечивает конкретное усиление для аналогового сигнала на основе соответствующего сигнала управления усилением. Схема обработки дополнительно включает в себя по меньшей мере одну схему управления усилением, связанную с элементом (элементами) переменного усиления. В типовом случае одна схема управления усилением предусмотрена для каждого элемента переменного усиления. Одна или более схем управления усилением могут быть предназначены для включения схемы линеаризатора. Схема линеаризатора выполнена с возможностью приема и обработки входного управляющего сигнала для выработки сигнала управления усилением. Сигнал управления усилением в конкретном диапазоне значений обеспечивает приближенно линейную (в дБ) передаточную функцию усиления в элементе переменного усиления, обеспечивающего прием этого сигнала управления усилением. Схема управления усилением может также быть выполнена так, чтобы включать схему преобразования, связанную со схемой линеаризатора. Схема преобразования может включать в себя нулевое количество или более следующих схем: схему ограничения, схему температурной компенсации, схему суммирования и другие схемы. Схема обработки может быть включена, например, в приемник или передатчик, которые могут быть использованы, например, в сотовых телефонах.

Краткое описание чертежей

Признаки, сущность и преимущества изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, на которых одинаковыми ссылочными позициями обозначены аналогичные элементы на всех чертежах, где показано следующее.

Фиг.1 - упрощенная блок-схема возможного варианта осуществления передатчика.

Фиг.2 - график конкретного (идеального) набора передаточных функций усиления для усилителя с переменным усилением.

Фиг.3А - схема упрощенного дифференциального усилителя, который может быть использован для обеспечения приближенно экспоненциального (или линейного в дБ) усиления.

Фиг.3В - график логарифма передаточной функции дифференциального усилителя по Фиг.3А.

Фиг.4 - блок-схема возможного варианта осуществления схемы управления усилением для генерации сигнала V_G управления усилением, который обеспечивает линейную регулировку (в дБ) усилителя с переменным усилением.

Фиг.5 - схема конкретного варианта осуществления двух преобразователей V-I (напряжение-ток), схемы ограничения и сумматора в схеме управления усилением.

Фиг.6А - схема упрощенной модели схемы ограничения.

Фиг.6В - график передаточной функции схемы ограничения.

Фиг.7 - схема конкретного варианта осуществления преобразователя I-V (ток-напряжение) в схеме управления усилением.

Фиг.8 - схема конкретного варианта осуществления линеаризатора.

Фиг.9 - блок-схема упрощенной модели линеаризатора и УПУ, управляемого линеаризатором.

Фиг.10 - схема, иллюстрирующая некоторые методы согласования выходного дифференциального усилителя линеаризатора с дифференциальным усилителем УПУ.

Детальное описание конкретных вариантов осуществления

На Фиг.1 показана упрощенная блок-схема варианта осуществления передатчика 100. Цифровой процессор 110 генерирует данные, кодирует и модулирует данные и преобразует обработанные цифровым способом данные в аналоговый сигнал. Аналоговый сигнал подается на буфер 122 базовой полосы (полосы частот модулирующих сигналов), который буферизует сигнал и подает буферизованный сигнал на смеситель 124. Смеситель 124 также получает синусоидальный сигнал гетеродина на промежуточной частоте (СГ ПЧ) и преобразует с повышением частоты буферизованный сигнал базовой полосы с использованием СГ ПЧ для получения сигнала ПЧ. Сигнал ПЧ подается на усилитель 126 переменного усиления ПЧ (УПУ ПЧ), который усиливает сигнал с усилением, определяемым сигналом 128 управления усилением со схемы 130 управления усилением. Усиленный сигнал ПЧ подается на фильтр 132, который осуществляет фильтрацию сигнала ПЧ для удаления внеполосных шумов и нежелательных сигналов.

Отфильтрованный сигнал ПЧ подается на буфер 142 ПЧ, который буферизует сигнал и подает буферизованный сигнал ПЧ на смеситель 144. Смеситель 144 также получает синусоидальный сигнал гетеродина на радиочастоте (СГ РЧ) и преобразует с повышением частоты буферизованный сигнал ПЧ с использованием СГ РЧ для генерации сигнала РЧ. Сигнал РЧ подается на УПУ РЧ 146, который усиливает сигнал с усилением, определяемым сигналом 148 управления усилением со схемы 130 управления усилением. Усиленный сигнал РЧ подается на усилитель мощности (УМ) 150, который обеспечивает требуемое усиление по мощности сигнала. Выходной сигнал УМ 150 подается на антенну через элемент развязки и дуплексор (все три эти элемента не показаны на Фиг.1).

На Фиг.2 показан график конкретного (идеального) набора передаточных функций усиления 210а-210е для усилителя переменного усиления. В возможном варианте осуществления каждая передаточная функция усиления имеет фиксированные усиления на низких и на высоких управляющих напряжениях и линейное усиление в ДБ на промежуточных управляющих напряжениях. Как показано на Фиг.2, передаточная функция 210а усиления имеет усиление A_Vmin для управляющих напряжений ниже V_LOW, A_Vmax для управляющих напряжений выше V_HIGH и наклон характеристики усиления {(A_Vmax-A_Vmin)/(V_HIGH-V_LOW)} для управляющих напряжений между V_LOW и V_HIGH. В конкретном варианте осуществления V_LOW установлено на одну шестую напряжения полной шкалы, а V_HIGH установлено на пять шестых напряжения полной шкалы. В реальных вариантах осуществления передаточные функции 210а-210е усиления являются более скругленными в области V_HIGH и V_LOW.

Для обеспечения улучшенных шумовых характеристик и характеристик линейности иногда бывает желательным иметь возможность сместить передаточную функцию усиления по вертикали на дискретные величины усиления. Как показано на Фиг.2, передаточные функции усиления сходны по форме, но смещены вверх или вниз.

На Фиг.3А показана упрощенная схема дифференциального усилителя 310, который может быть использован для обеспечения приближенно экспоненциальной (или линейной в дБ) передаточной функции усиления. Дифференциальный усилитель содержит пару транзисторов 310а и 310b, связанных вместе в эмиттере и с источником 312 тока. Дифференциальные входные управляющие напряжения V_IP и V_IN поданы на базы транзисторов 310а и 310b соответственно. Выходной ток I_OUT с коллектора транзистора 310b изменяется с изменением управляющего напряжения, и передаточная функция дифференциального усилителя может быть выражена в следующем виде:

где V_I=V_IP-V_IN, V_T - термическое напряжение, которое может быть выражено следующим образом:

где k - постоянная Больцмана, Т - температура (в градусах Кельвина), q - заряд электрона. V_T представляет температурно зависимый член и может быть аппроксимирован как V_T26 мВ при 300К.

На Фиг.3В представлен график логарифма передаточной функции в уравнении (1). Для больших положительных управляющих напряжений (т.е. V_I≫V_T) знаменатель в уравнении (1) приближается к 1,0, и усиление дифференциального усилителя 310 определяется числителем и является приближенно линейным в дБ. Для больших отрицательных управляющих напряжений (т.е. V_I≪V_T) экспоненциальный член в знаменателе становится доминирующим, и усиление дифференциального усилителя 310 снижается до 1,0. Таким образом, передаточная функция усиления дифференциального усилителя приближенно линейна (в дБ) в ограниченном диапазоне управляющих напряжений.

На Фиг.4 показана блок-схема варианта осуществления схемы 400 управления усилением для генерации сигнала V_G управления усилением, который обеспечивает возможность линейной (в дБ) регулировки усилителя с переменным усилением (УПУ). Согласно Фиг.1, канал передачи сигнала может включать в себя множество УПУ. В типовом случае одна схема управления усилением предусматривается для формирования сигнала управления усилением для каждого УПУ. Таким образом, схема 130 управления усилением может включать в себя множество схем 400 управления усилением (т.е. по одной для каждого УПУ) или любое количество схем 400 управления усилением в комбинации с другими типами схем управления усилением. Альтернативно, сигнал управления усилением может совместно использоваться множеством УПУ.

В конкретном примере, показанном на Фиг.4, схема 400 управления усилением включает в себя схему 410 преобразования, включенную последовательно с линеаризатором 422. Схема 410 преобразования принимает и преобразует входной управляющий сигнал V_CTRL для обеспечения преобразованного управляющего сигнала V_C. Преобразованный управляющий сигнал может иметь различные характеристики, в зависимости от конкретного построения схемы 410 преобразования. Например, преобразованный управляющий сигнал может быть: (1) ограничен до конкретного диапазона значений, (2) подстроен с повышением или с понижением на конкретную величину смещения, (3) температурно скомпенсирован, (4) масштабирован (т.е. нормирован) соответственно питающему напряжению и т.д. Линеаризатор 422 принимает преобразованный управляющий сигнал V_C и генерирует сигнал V_G управления усилением, который управляет УПУ.

В схеме 410 преобразования входной управляющий сигнал V_CTRL подается на преобразователь 412 напряжение-ток (V-I), который преобразует управляющий сигнал в управляющий ток I_CTRL. Аналогичным образом, входной сигнал подстройки V_TRIM подается на преобразователь 414 V-I, который преобразует сигнал подстройки в ток подстройки I_TRIM. Управляющий ток I_CTRL подается на схему 416 ограничения, которая ограничивает сигнал тока, как это необходимо, чтобы поддержать сигнал в пределах конкретного диапазона значений. Ограниченный сигнал тока и ток подстройки I_TRIM подаются на сумматор 418, который объединяет токи для генерации объединенного тока I_SUM, который подается на преобразователь 420 ток-напряжение (I-V). Преобразователь 420 генерирует преобразованный управляющий сигнал V_C на основе объединенного тока I_SUM и подает преобразованный управляющий сигнал на линеаризатор 422. Преобразователь 420 также выполняет температурную компенсацию для управляющего сигнала.

Линеризатор 422 в ответ на преобразованный управляющий сигнал V_C генерирует сигнал V_G управления усилением, который линейно (в дБ) управляет усилением УПУ (не показан на Фиг.4). Опорный генератор 430 принимает питающее напряжение V_DD, генерирует набор токов и напряжений смещения с использованием температурно скомпенсированного и скомпенсированного по питанию опорного источника (например, опорного источника запретной полосы) и обеспечивает токи и напряжения смещения для соответствующих схем.

На Фиг.4 показан конкретный вариант выполнения схемы 410 преобразования. Могут быть реализованы различные конструкции для обеспечения различных наборов сигнальных характеристик, что входит в объем изобретения. Кроме того, линеаризатор может работать и без схемы преобразования.

На Фиг.5 показана схема конкретного варианта выполнения преобразователей 412 и 414 V-I, схемы 416 ограничения и сумматора 418. Управляющий сигнал V_CTRL и сигнал V_TRIM подстройки подаются на одни из выводов резисторов 512 и 514 соответственно. Другие выводы резисторов 512 и 514 связаны соответственно с источниками 516 и 518 тока. Резисторы и источники тока функционируют для преобразования управляющих напряжений и напряжений подстройки в управляющие токи и токи подстройки.

Усилитель 522 получает среднее по шкале напряжение V_MID на неинвертирующем входе. Выход усилителя 522 связан с затворами N-канальных транзисторов 526 и 528. Исток N-канального транзистора 528 связан с инвертирующим входом усилителя 522 и образует цепь обратной связи. Истоки N-канальных транзисторов 526 и 528 связаны с источниками 516 и 518 тока соответственно. Стоки N-канальных транзисторов 526 и 528 связаны с опорными цепями схем 532 и 534 токового зеркала соответственно. Схема 532 токового зеркала образована Р-канальным транзистором 532а и 532b, а схема 534 токового зеркала образована Р-канальными транзисторами 534а и 534b.

В варианте, показанном на фиг.5, управляющий сигнал V_CTRL является несимметричным и сравнивается со средним по шкале напряжением V_MID с помощью усилителя 522. Среднее по шкале напряжение облегчает генерацию дифференциального сигнала (или дополняющих сигналов) из несимметричного сигнала. Среднее по шкале напряжение может генерироваться опорным генератором 430, упомянутым выше. Для дифференциального управляющего сигнала V_CTRL (т.е. содержащего V_CTRL+ и V_CTRL=) один из управляющих сигналов может быть приложен к неинвертирующему входу усилителя 522 или, альтернативно, может быть использован дифференциальный входной каскад.

Управляющий ток I_CTRL в опорном канале (т.е. через Р-канальный транзистор 534а) схемы 534 токового зеркала связан с управляющим сигналом V_CTRL. Этот управляющий ток I_CTRL затем ограничивается, как это необходимо, посредством последующей схемы ограничения.

В варианте по Фиг.5 схема ограничения содержит источники 536 и 542 тока и схемы 538 и 544 токового зеркала. Зеркальный канал (т.е. через Р-канальный транзистор 534b) схемы 534 токового зеркала связан последовательно с источником 536 тока и параллельно с опорным каналом схемы 538 токового зеркала. Зеркальный канал (т.е. через Р-канальный транзистор 538b) схемы 538 токового зеркала связан последовательно с источником 542 тока и параллельно с опорным каналом схемы 544 токового зеркала. Ток в зеркальном канале (т.е. через Р-канальный транзистор 544b) схемы 544 токового зеркала является ограниченным управляющим током.

На Фиг.6А показана схема упрощенной модели схемы ограничения. В этой модели источники 636, 642 и 650 тока соответствуют источникам 536, 542 и 550 тока на Фиг.5, и схемы 638 и 644 токового зеркала соответствуют схемам 538 и 544 токового зеркала. Входной ток х представлен источником 634 тока. Если входной ток х больше, чем ток х₁ источника 636 тока, Р-канальный транзистор 638 выключается, и ток через Р-канальный транзистор 638b приближается к нулю. Альтернативно, когда входной ток х меньше, чем ток х₁, ток через Р-канальный транзистор 636b равен y=f(x)=α(x₁-x), где α - масштабирующий коэффициент, который определяется отношением размеров Р-канальных транзисторов 638а и 638b.

Аналогичным образом, если ток у больше, чем ток у₁ источника 642 тока, Р-канальный транзистор 644а выключается, и ток через Р-канальный транзистор 644b приближается к нулю. Альтернативно, когда входной ток у меньше, чем ток у₁, ток через Р-канальный транзистор 642b равен z=g(x)=β(y₁-y), где β - другой масштабирующий коэффициент, который определяется отношением размеров Р-канальных транзисторов 644а и 644b. Передаточные функции могут быть сведены к следующему:

Уравнения (3) и (4) могут быть объединены и выражены следующим образом:

На Фиг.6В показан график передаточной функции, определенной уравнением (6). Как видно из уравнения (5), передаточная функция gξf определяется следующим образом: (1) равна нулю, если входной сигнал х меньше, чем (х₁-y₁/α), (2) равна βу₁, если входной сигнал х больше, чем х₁, и (3) имеет наклон αβ, если входной сигнал х находится в диапазоне между (х₁-y₁/α) и х₁. Передаточная функция для выходного тока z представляет собой просто передаточную функцию gξf, смещенную по вертикали на величину смещения, обеспеченную источником 650 тока, и выражается в следующем виде:

Исходя из четырех степеней свободы, верхний предел I_MAX тока, нижний предел I_MIN тока, низкий входной пороговый ток I_LOW и высокий входной пороговый ток I_HIGH можно установить на любой конкретный набор значений путем регулировки пяти переменных x₁, y₁, α, β и сдвига. Переменные x₁, y₁ соответствуют токам источников 636 и 642 тока соответственно, которые могут быть установлены надлежащим проектированием схемы. Переменные α и β могут быть установлены путем управления соотношением размерами транзисторов в схемах 638, 644 токового зеркала. Сдвиг добавляется к току с Р-канального транзистора 644b для сдвига передаточной функции по вертикали. Сдвиг может быть фиксированным или программируемым для обеспечения семейства кривых, показанных на Фиг.2.

В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения, кусочно-линейная передаточная функция может быть сформирована посредством сочлененных схем, подобных описанной выше. Пять переменных каждой из схем могут регулироваться для обеспечения линейной функции для части всей передаточной функции.

Как показано на Фиг.5, ограниченный управляющий ток (т.е. с Р-канального транзистора 544b), ток I_TRIM подстройки (т.е. с Р-канального транзистора 532b), и ток I_OFFSET (т.е. с источника 550 тока) суммируются вместе в узле 546 суммирования. Объединенный ток I_SUM подается в опорный канал схемы 548 токового зеркала, содержащей N-канальные транзисторы 548а, 548b и 548с. Зеркальный канал через N-канальный транзистор 548b связан с опорным каналом схемы 552 токового зеркала, состоящей из Р-канальных транзисторов 552а и 552b. Зеркальный канал через N-канальный транзистор 548с связан с источником 554 тока. Выходные сигналы тока I_A и I_B подаются по зеркальным каналам через транзисторы 552b и 548с соответственно.

Ток через Р-канальный транзистор 552b приближенно равен по величине току через N-канальный транзистор 548с, но отличается по полярности (т.е. N-канальный транзистор 548с обеспечивает ток стока, в Р-канальный транзистор 552b обеспечивает ток истока). Однако выходной сигнал тока I_B равен разности между током I_FS в источнике 554 тока и током через N-канальный транзистор 548с (например, I_B=I_FS-I_548c). Таким образом, если I_FS установлен на полную шкалу, ток I_A через N-канальный транзистор 548а и ток I_B через Р-канальный транзистор 552b равны по величине, но противофазны. I_A и I_B являются дополняющими по отношению к смещению, чтобы гарантировать, что ток остается больше нуля (т.е. I_A>0 и I_B>0).

На Фиг.7 показана схема конкретного варианта осуществления преобразователя 420 I-V. В преобразователе 420 сигналы тока I_A и I_B с выходного каскада схемы суммирования подаются на коллекторы дифференциального усилителя 712, состоящего из транзисторов 712а и 712b. Эмиттеры транзисторов 712а и 712b связаны друг с другом и последовательно с резистором 714. Коллекторы транзисторов 712а и 712b связаны с базами транзисторов 716а и 716b соответственно. Коллекторы транзисторов 716а и 716b связаны с источником питания V_DD, и эмиттеры транзисторов 716а и 716b связаны с базами транзисторов 712а и 712b соответственно и дополнительно с источниками 718а и 718b тока соответственно.

Выходы с эмиттеров транзисторов 716а и 716b связаны с базами транзисторов 722а и 722b соответственно. Коллекторы транзисторов 722а и 722b связаны с одним выводом резисторов 724а и 724b соответственно и содержат преобразованные управляющие сигналы V_CP и V_CN соответственно. Другие выводы резисторов 724а и 724b связаны с питающим напряжением V_DD. Эмиттеры транзисторов 722а и 722b связаны с источником 728 тока, предназначенным для обеспечения тока I_PTAT, пропорционального отношению V_T и R1 (т.е. I_PTAT∝ V_T/R1).

Преобразователь 420 генерирует дифференциальное управляющее напряжение V_C в ответ на входные токи I_A и I_B. Схема, содержащая транзисторы 712а, 712b, 716а, 716b, 722а и 722b, генерирует дифференциальное выходное напряжение на основе дифференциального входного тока, а также обеспечивает температурную компенсацию. Схема, содержащая транзисторы 812а и 812b, генерирует дифференциальные выходные токи, которые являются экспоненциальной функцией (линейной в дБ) дифференциального линейного напряжения. Передаточная функция для преобразователя I-V может быть выражена в следующем виде:

где αV_T связано с током от источника 728 тока.

Из уравнения (7) можно заметить, что дифференциальное управляющее напряжение V_C является температурно скомпенсированным. В частности, управляющее напряжение является «предыскаженным», так что оно зависит (т.е. масштабировано посредством) от V_T инверсным способом, как последующая схема линеаризатора, которая описана ниже. Масштабирование посредством V_T обеспечивает механизм управления усилением, т.е. до некоторой степени является температурно инвариантным.

На Фиг.8 показана схема конкретного варианта осуществления линеаризатора 422. Линеаризатор 422 содержит входной дифференциальный усилитель 812, связанный с выходным дифференциальным усилителем 830. Дифференциальный усилитель 812 содержит пару транзисторов 812а и 812b, связанных эмиттерами, а дифференциальный усилитель 830 содержит пару транзисторов 830а и 830b, связанных эмиттерами.

В линеаризаторе 422 преобразованные управляющие сигналы V_CP и V_CN преобразователя 420 подаются на входы дифференциального усилителя 812. Эмиттеры транзисторов 812а и 812b связаны вместе и с источником 814 тока. Коллектор транзистора 812а связан с опорным каналом схемы 820 токового зеркала, состоящей из Р-канальных транзисторов 820а и 820b. Аналогичным образом, коллектор транзистора 812b связан с опорным каналом схемы 822 токового зеркала, состоящей из Р-канальных транзисторов 822а и 822b.

Зеркальный канал (т.е. через Р-канальный транзистор 822b) схемы 822 токового зеркала связан с опорным каналом схемы 824 токового зеркала, состоящего из N-канальных транзисторов 824а и 824b. Зеркальный канал (т.е. через Р-канальный транзистор 820b) схемы 820 токового зеркала связан с коллектором транзистора 830а. Зеркальный канал (т.е. через N-канальный транзистор 824b) схемы 824 токового зеркала связан с эмиттерами дифференциального усилителя 830. Коллектор транзистора 830а также связан с базой транзистора 830а. Базы транзисторов 830а и 830b обеспечивают сигналы V_GP и V_GN управления усилением соответственно.

Входной каскад линеаризатора 422 принимает дифференциальный управляющий сигнал V_C и генерирует набор сигналов тока I₁ и I₂, которые связаны экспоненциально. Передаточная функция для отношения токов может быть выражена следующим образом:

В уравнении (8) можно видеть, что отношение токов (например, I₂/I₁) является экспоненциальной функцией (т.е. линейной в дБ) по отношению к дифференциальному управляющему напряжению (например, V_C=V_CP-V_CN). Также можно видеть, что отношение токов является функцией V_T. Однако, как показано выше в уравнении (7), дифференциальное управляющее напряжение V_C генерируется с температурной компенсацией, так что V_C включает масштабирующий коэффициент для V_T. Когда в уравнении (8) применяется V_C, то член V_T в уравнениях (7) и (8) компенсируется, и отношение токов (I₂/I₁) в значительной степени является температурно инвариантным (т.е. не зависит от V_T). Отношение токов (I₂/I₁) является функцией управляющего сигнала V_C, который является преобразованным сигналом, основанным на входном управляющем сигнале V_CTRL.

Как показано на фиг.8, ток (I₂) из одного канала входного дифференциального усилителя 812 подается в качестве тока для одного канала выходного дифференциального усилителя 830. Ток (I₁) из другого канала входного дифференциального усилителя 812 подается в качестве эмиттерного тока для выходного дифференциального усилителя 830. Дифференциальный усилитель 830 генерирует дифференциальное напряжение V_G управления усилением (V_G=V_GP-V_GN) на основе экспоненциально связанных сигналов тока I₂ и I₁.

На Фиг.9 показана схема упрощенной модели линеаризатора и УПУ, который должен управляться линеаризатором. Входной дифференциальный усилитель 812 линеаризатора генерирует токи I₁ и I₂, которые экспоненциально связаны, как показано в уравнении (8). Выходной дифференциальный усилитель принимает экспоненциально связанные токи I₁ и I₂ и генерирует дифференциальное напряжение V_C управления усилением, которое основано на экспоненциально связанных токах I₁ и I₂ и соответствует им. Дифференциальное напряжение V_C управления усилением подается на УПУ.

УПУ содержит дифференциальный усилитель 930, состоящий из транзисторов 930а и 930b, которые получают дифференциальные напряжения V_GP и V_GN управления усилением соответственно. Дифференциальный усилитель 930 генерирует выходной ток I_OUT, который линейно связан с входным током I_IN, но усиление экспоненциально связано с управляющим напряжением. Для обеспечения улучшенных рабочих характеристик дифференциальный усилитель 930 согласован (в максимально возможной степени) с дифференциальным усилителем 830, а источник 924 тока согласован с источником 824 тока. Согласование дифференциальных усилителей и источников тока может быть непрактичным, так как, например, может быть желательным минимизировать потребление тока копии дифференциального усилителя в схеме управления, в то время как потребление тока управляемого УПУ может быть установлено исходя из других требований. В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения для улучшения операционного согласования схем в условиях их работы при различных плотностях тока используются резисторы.

Поскольку оба дифференциальных усилителя 830 и 930 управляются одним и тем же дифференциальным сигналом V_C управления усилением и, кроме того, из-за согласования, отношение I_OUT к I_IN примерно равно отношению I₂ к I₁. Передаточная функция для УПУ может быть выражена следующим образом:

Как показано уравнением (9), при применении линеаризатора, соответствующего изобретению, линейная (в дБ) передаточная функция усиления может быть получена для дифференциального усилителя в УПУ. Можно заметить, что дифференциальный усилитель 930 на Фиг.9 подобен по конфигурации дифференциальному усилителю 310 на Фиг.3А. Линейная (в дБ) передаточная функция усиления получается для дифференциального усилителя 930 путем «предыскажения» напряжения V_G управления усилением с использованием линеаризатора. В противоположность этому, как показано уравнением (1), приближенно линейная (вновь в дБ) передаточная функция усиления получается в ограниченном диапазоне значений, когда напряжение управления усилением не имеет «предыскажений».

На Фиг.10 показана схема, иллюстрирующая некоторые методы для согласования выходного дифференциального усилителя линеаризатора с дифференциальным усилителем УПУ. Дифференциальный усилитель линеаризатора в типовом случае работает с низким током для экономии мощности. В противоположность этому, дифференциальный усилитель УПУ в типовом случае работает с высоким током для обеспечения требуемого размаха сигнала, линейности и шумовых характеристик.

Для достижения улучшенных рабочих характеристик дифференциальные усилители являются физически согласованными, например, за счет проектирования транзисторов с малыми размерами и помещения транзисторов в одинаковом окружении и с одинаковыми ориентациями. Однако некоторое рассогласование возникает вследствие других факторов. Например, управляемые устройства УПУ в типовом случае работают с высоким током и поэтому их динамическое сопротивление мало. (Динамическое сопротивление транзистора вычисляется как r_eV_T/I_C, где I_C - ток смещения транзистора.) Однако паразитное сопротивление, свойственное конструкции устройств, не изменяется с изменением рабочего тока. Копии устройств в схеме управления работают при более низких токах, и их паразитное сопротивление в типовом случае значительно ниже по сравнению с динамическим сопротивлением. Дополнительное сопротивление может, таким образом, быть добавлено к базам и эмиттерам копий устройств для аппроксимации действия относительно высокого паразитного сопротивления в управляемых устройствах. Для согласования с сопротивлением эмиттера внешний резистор R_ext может быть помещен между эмиттером транзистора и источником тока таким образом, чтобы выполнялось соотношение

где r_pe - паразитное сопротивление эмиттера. Аналогичным образом, для согласования сопротивления базы внешний резистор R_b должен быть включен в базу транзистора, чтобы выполнялось следующее соотношение:

В одном из вариантов осуществления буфер 840, имеющий примерно единичное усиление, подключен между коллектором и базой транзистора 830а. Буфер 840 обеспечивает смещение для баз транзисторов 830а и 930а.

Для ясности изобретение было описано с дифференциальными усилителями, реализованными с использованием биполярных плоскостных транзисторов. Однако изобретение может быть реализовано с другими схемами, включая полевые транзисторы, полевые транзисторы на МОП-структурах, полевые транзисторы с затвором Шотки, биполярные транзисторы, Р-транзистры с высокой подвижностью электронов и другие. Термин «транзистор», как он использован в настоящем описании, в общем случае относится к любой активной схеме и не ограничивается биполярными плоскостными транзисторами.

Линеаризатор, соответствующий изобретению, может использоваться в комбинации и различными элементами переменного усиления, включая усилители с переменным усилением, аттенюаторы (т.е. диоды), умножители и другие схемы. В общем случае выходной каскад линеаризатора может быть спроектирован для приближенного согласования с каскадом усиления элемента переменного усиления, а входной каскад линеаризатора может быть спроектирован для генерации экспоненциально связанных сигналов, которые обеспечивают желательную линейную (в дБ) передаточную функцию усиления.

Линеаризатор может быть использован в приемнике или в передатчике. В действительности, линеаризатор, соответствующий изобретению, может быть использован в любой схеме, спроектированной для обработки аналогового сигнала и включающей в себя по меньшей мере один элемент переменного усиления. В частности, линеаризатор может предпочтительным образом использоваться в передатчике, предназначенном для работы в соответствии с одним или более вариантами технических условий IS-95.

Различные модификации могут быть осуществлены в отношении передатчика, показанного на Фиг.1. Например, меньшее или дополнительное количество фильтров, буферов или усилительных каскадов может быть предусмотрено в канале передачи сигнала. Более того, элементы в канале передачи сигнала могут быть упорядочены в различных конфигурациях. Кроме того, переменное усиление в канале передачи сигнала может быть обеспечено УПУ (как показано на Фиг.1), переменными аттенюаторами, умножителями, другими элементами переменного усиления или комбинацией указанных элементов. В конкретной реализации канал сигнала передачи от буфера 122 базовой полосы до УМ 150 (возможно, исключая фильтр 132) реализуется в пределах одной или более интегральных схем, хотя могут также использоваться и дискретные элементы.

В конкретном варианте осуществления передатчика квадратурная модуляция выполняется над синфазным (I) сигналом базовой полосы и квадратурным (Q) сигналом базовой полосы с цифрового процессора. В этой конструкции пара буферов базовой полосы и смесителей используется для буферизации и преобразования с повышением частоты I и Q - сигналов базовой полосы с использованием синфазного и квадратурного ГС ПЧ соответственно. Модулированные I и Q - сигналы затем объединяются для генерации сигнала ПЧ. В другом конкретном варианте выполнения передатчика квадратурная модуляция выполняется в цифровом виде в цифровом процессоре, и модулированный сигнал затем преобразуется с повышением частоты на ПЧ или РЧ с использованием одного или более каскадов преобразования с повышением частоты.

Передатчик 100 может быть использован во многих системах связи, таких как сотовые системы связи. Примерами сотовых систем связи могут служить системы связи МДКР, системы связи множественного доступа с временным разделением каналов (МДВР) и аналоговые системы связи с частотной модуляцией (ЧМ). Системы МДКР в типовом случае проектируются в соответствии со стандартом "TIA/EIA/IS-95-A", озаглавленном «Стандарт совместимости мобильной станции и базовой станции для двухрежимной широкополосной сотовой системы расширенного спектра», упоминаемом в данном описании как стандарт IS-95-А.

Стандарт IS-95-A требует, чтобы выходная мощность удаленной станции регулировалась в диапазоне 85 дБ с определенными приращениями (например, 0,5 дБ). Типовые удаленные станции проектируются для передачи мощности от -50 дБ мВт до +23 дБ мВт. (IS-95-A определяет минимальный и максимальный уровни выходной мощности удаленных станций). В некоторых вариантах осуществления передатчика выходной УМ проектируется с фиксированным усилением, но с переменным усилением мощности. Переменное усиление мощности может быть обеспечено в конструкциях УМ с множеством (например, параллельных) переменных предусилителей, которые могут селективно выключаться, если не требуются.

Как показано на Фиг.1, схема 160а управления смещением получает сигнал 128 управления усилением и может регулировать токи смещения буфера 142 ПЧ, смесителя 144, УПУ 146 РЧ на основе принятого сигнала управления усилением. Аналогичным образом, схема 160b управления смещением получает сигналы 128 и 148 управления усилением и может регулировать ток смещения УМ 150 на основе принятого сигнала управления усилением.

Как показано на Фиг.1, схема 130 управления усилением и схемы 160а и 160b управления смещением реализованы как отдельные схемы. Однако эти схемы могут быть реализованы в составе одной схемы или интегрированы с другими схемами, такими как цифровой процессор 110. Схемы управления могут также быть интегрированы в составе интегральной схемы, которая реализует схемы в канале аналогового сигнала.

Приведенное выше описание предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения предусмотрено для того, чтобы дать возможность специалистам в данной области техники реализовать и использовать настоящее изобретение. Различные модификации этих вариантов осуществления могут быть очевидны для специалистов в данной области техники, и общие принципы, определенные здесь, могут быть применены к другим вариантам осуществления без использования изобретательской деятельности. Таким образом, настоящее изобретение не ограничено приведенными вариантами осуществления, а имеет самый широкий объем, соответствующий раскрытым принципам и новым признакам.

Изобретение относится к схемам связи для регулировки усиления усилителей с переменным усилением (УПУ). Технический результат заключается в повышении линейности в дБ передаточной функции усиления. Преобразованный управляющий сигнал подается на первую схему (входной каскад фиг.8) линеаризатора, который генерирует набор экспоненциально связанных сигналов, например, с помощью дифференциального усилителя (ДУ), коллекторные токи транзисторов которого содержат экспоненциально связанные сигналы. Вторая схема (выходной каскад) в линеаризаторе выполнена на ДУ и получает на один из входов и в его общую точку экспоненциально связанные сигналы первой схемы и в ответ генерирует сигнал управления усилением. Путем приближенного согласования второй схемы с усилительным каскадом УПУ и с использованием сигнала управления усилением, генерируемого второй схемой, передаточная функция усиления УПУ аппроксимирует соответствующую характеристику экспоненциально связанных сигналов. 8 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Схема линеаризации для обеспечения управляющего сигнала для элемента переменного усиления, содержащая первую схему, выполненную с возможностью приема входного сигнала и генерации экспоненциально связанных сигналов, и вторую схему, содержащую дифференциальный усилитель, связанную с первой схемой, причем вторая схема выполнена с возможностью приема экспоненциально связанных сигналов и генерации управляющего сигнала в ответ на принятые экспоненциально связанные сигналы, причем вторая схема приближенно согласована со схемой управления усилением в элементе переменного усиления, при этом дифференциальный усилитель содержит пару транзисторов, связанных вместе в общей точке, при этом один из экспоненциально связанных сигналов подается на один из транзисторов, а другой из экспоненциально связанных сигналов подается в общую точку.2. Схема линеаризатора по п.1, в которой база и коллектор транзистора, на который подается один из экспоненциально связанных сигналов, соединены друг с другом.3. Схема линеаризатора по п.2, в которой вторая схема дополнительно содержит буфер, подключенный между базой и коллектором транзистора, на который подается один из экспоненциально связанных сигналов.4. Схема линеаризатора по п.1, в которой вторая схема дополнительно содержит набор резисторов, связанных с дифференциальным усилителем, для согласования резистивной характеристики дифференциального усилителя с соответствующей характеристикой схемы управления усилением в элементе переменного усиления.5. Схема линеаризатора по п.1, в которой вторая схема дополнительно содержит набор резисторов, связанных с базами пары транзисторов.6. Схема линеаризатора по п.1, в которой вторая схема дополнительно содержит набор резисторов, связанных с эмиттерами пары транзисторов.7. Схема линеаризатора по п.1, в которой входной сигнал температурно скомпенсирован, так что отношение экспоненциально связанных сигналов приближенно инвариантно к изменениям температуры.8. Схема линеаризатора по п.1, в которой входной сигнал является непрерывно регулируемым.9. Схема линеаризатора по п.8, в которой входной сигнал регулируется дискретными шагами.