壓控放大器以及使用壓控放大器的方法
【專利摘要】提出了一種簡化的壓控放大器(VCA)以及使用壓控放大器的方法。與現(xiàn)有基于OTA的VCA相比，本發(fā)明的VCA使用更少的組件并且不那么復雜。此外，與現(xiàn)有VCA相比，本發(fā)明的VCA具有改善的總諧波失真(THD)和DC偏移特性。通過添加截斷檢測電路，VCA可以用于防止截斷。
【專利說明】壓控放大器以及使用壓控放大器的方法
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本專利申請要求于2013年3月14日提交的題為"VOLTAGE CONTROLLED AMPLIFIER AND METHOD OF USING THE SAME"的美國臨時專利申請61 / 785, 052的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi) 容通過引用的方式并入本文。

【技術(shù)領域】
[0003] 本發(fā)明涉及壓控放大器（VCA)以及使用該VCA的方法。

【背景技術(shù)】
[0004] 在音頻放大中通常出現(xiàn)的問題是截斷（clipping)。如圖1A和圖1B中所示，當放 大器由于高輸入信號電平而過載并且嘗試傳送超過其最大能力的輸出電壓時，發(fā)生截斷。 在圖1A中，信號101的波峰102和波谷103被準確地再現(xiàn)，因此未發(fā)生截斷。在圖1B中， 信號104的波峰105和波谷106超過放大器的最大輸出電壓107,因此波峰105和波谷106 的幅度被截斷至最大輸出電壓107。
[0005] 可以使用電路來限制截斷，其中，該電路（使用本領域中已知的方法）檢測放大器 的輸出信號中的截斷并且將放大器的輸入信號的幅度減小至最小化截斷所需的電平。在美 國專利No. 5, 430, 409和No. 5, 453, 409中公開了現(xiàn)有截斷檢測和減小電路的示例?？梢允?用壓控放大器（VCA)來完成對輸入信號幅度的減小，其中，VCA的增益受到從截斷檢測電路 接收的電壓信號的控制?，F(xiàn)有VCA的示例是來自片上系統(tǒng)的PA381和PA382雙低噪聲VCA 集成電路器件。
[0006] 備選地，可以使用運算跨導放大器（0ΤΑ)來實現(xiàn)VCA。0ΤΑ是差分輸入電壓產(chǎn)生輸 出電流的放大器，其中，輸出電流在電阻性負載兩端產(chǎn)生輸出電壓。增益（Vout / Vin)受 到可以根據(jù)在電阻器兩端施加的控制電壓得到的增益修改輸入電流的控制。因此，0ΤΑ可 以用作VCA。0ΤΑ的商用1C實現(xiàn)方式包括德州儀器的LM13700器件和LM13600器件，這兩 個器件均在單個封裝中包含兩個0ΤΑ電路。這些商用實現(xiàn)方式相對較大，這是因為它們包 含兩個0ΤΑ電路，不適用于需要單獨的0ΤΑ電路的應用。
[0007] 圖2是示出了在現(xiàn)有的商用1C電路中使用的0ΤΑ電路的拓撲的示例性分立實現(xiàn) 方式的示意圖。圖2的電路包括正電源電壓（V+)輸入端201、負電源電壓（V-)輸入端202、 信號輸入端203、信號輸出端204、接地線205、運算放大器（"op amp"）206、偏置電流輸入 端207、電阻器208、209、216、217、218和219、以及五個匹配晶體管對210、212、213、214和 215。
[0008] 圖2的0ΤΑ電路的增益是信號輸出204與信號輸入203之比，通常表示為V。/ Vin。 電路的操作是正常反相〇P amp電路的操作，其中，通過輸入電阻器208流向求和節(jié)點220 的電流等于流過反饋電阻器209的電流。為了減小增益，由0ΤΑ電路增加饋送給求和節(jié)點 220的電流，其實際上起到一較小值的反饋電阻器209的作用，從而限制了增益。
[0009] 在圖2的實現(xiàn)方式中，op amp206的非反相輸入端（+)實質(zhì)上保持接地。為了實現(xiàn) AC輸入信號的增益減小，饋送到反相（-)輸入端的增益修改電流必須是雙極的。為了產(chǎn)生 所需的雙極增益修改電流，在op amp206的非反相輸入端處需要使偏置電流輸入端207以 V-為參考并且需要多個匹配晶體管對，這導致圖2的電路的復雜性。
[0010] 圖2的具有五個匹配晶體管對以及op amp的分立0ΤΑ電路實現(xiàn)方式不是現(xiàn)有商 用OTA 1C器件的可行替換方式，這是因為與現(xiàn)有商用1C器件相比，該器件將更大且更貴。 因此，需要與現(xiàn)有商用的基于0ΤΑ的VCA及其分立實現(xiàn)方式相比不那么復雜且不那么昂貴 的VCA電路備選方式。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 提出了簡化的VCA電路。與現(xiàn)有的基于0ΤΑ的VCA相比，本發(fā)明的VCA使用更少的 組件并且不那么復雜。此外，與現(xiàn)有的VCA相比，本發(fā)明的VCA具有改善的總諧波失真（THD 和DC偏移特性。通過添加截斷檢測電路，該VCA可以用于防止截斷。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 通過參照附圖，本領域技術(shù)人員可以更好地理解本發(fā)明并且明白其特征。
[0013] 圖1A是不呈現(xiàn)截斷的正弦波的示意圖。
[0014] 圖1B是呈現(xiàn)波峰和波谷的截斷的正弦波的示意圖。
[0015] 圖2是示出了現(xiàn)有的0ΤΑ電路拓撲的示例的示意圖。
[0016] 圖3是示出了本發(fā)明的實施例的示意圖。
[0017] 圖4是示出了本發(fā)明的實施例的示意圖。
[0018] 圖5是示出了本發(fā)明的實施例的總諧波失真THD加噪聲相對頻率的曲線的圖形。
[0019] 圖6是示出了本發(fā)明的實施例的總諧波失真（THD)加噪聲相對幅度的曲線的圖 形。
[0020] 圖7是示出了本發(fā)明的實施例的衰減相對DC偏移數(shù)字的表格。
[0021] 圖8是示出了根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施例的用于控制對截斷的減小的方法的 流程圖。
[0022] 在不同的附圖中使用相同的附圖標記來指示類似或相同的項。

【具體實施方式】
[0023] 提出了新穎的壓控放大器（VCA)電路。在一個或多個實施例中，本發(fā)明包括新穎 的差分op amp配置,該差分op amp配置將晶體管的數(shù)量從在現(xiàn)有實現(xiàn)方式中使用的五個 匹配對減少至一對，這一對無需是匹配對。在一個或多個實施例中，與現(xiàn)有基于0ΤΑ的VCA 相比，本發(fā)明的VCA呈現(xiàn)改善的總諧波失真（THD和DC偏移特性。
[0024] 圖3示出了本發(fā)明的VCA電路的實施例。與在圖2的現(xiàn)有實現(xiàn)方式中被配置為反 相放大器不同，在圖3的VCA電路中，op amp306被配置為差分放大器。不是如在現(xiàn)有技術(shù) 中一樣需要雙極增益控制電流，圖3的VCA電路使用分別經(jīng)由連接線319和320饋送到op amp306的反相輸入端322和非反相輸入端324中的單極增益控制電流。經(jīng)由單個晶體管對 310和311根據(jù)輸入電流307得到增益控制電流，其中，該單個晶體管對310和311可以是 (但無需是）匹配對。
[0025] 在圖3的實施例中，輸入控制電流307連接到節(jié)點324,節(jié)點324還連接到晶體管 310和311的發(fā)射極。晶體管311的基極連接到節(jié)點330。電阻器315和316連接在節(jié)點 330與地305之間。晶體管310的基極連接到節(jié)點328。電阻器326連接在節(jié)點328與地 305之間。電阻器314連接在節(jié)點328與節(jié)點304之間，從節(jié)點340獲得輸出信號V。。晶體 管311的集電極連接到節(jié)點332,而晶體管310的集電極連接到節(jié)點334。節(jié)點332經(jīng)由連 接線319連接到節(jié)點338。節(jié)點334連接到節(jié)點336。電阻器312連接在節(jié)點334與節(jié)點 340之間，節(jié)點340連接到正電源電壓V+301。電阻器313連接在節(jié)點332與節(jié)點340之間。 電阻器317和318連接在節(jié)點336與地305之間。節(jié)點336連接到op amp306的非反相輸 入端324。節(jié)點342連接到op amp306的輸出端344。節(jié)點338連接到op amp306的反相 輸入端322。電阻器309連接在節(jié)點338與節(jié)點342之間。電阻器308連接在節(jié)點338與 節(jié)點346之間。輸入信號V in303連接在節(jié)點346與地305之間。
[0026] 在圖3的電路中，單級控制電流307被饋送到op amp306的反相輸入端322和非 反相輸入端324中，從而控制由op amp306向輸入信號Vin303施加的增益。因此，圖3的電 路作為VCA操作。與圖2的OTA VCA相比，圖3的電路不那么復雜并且不那么昂貴，并且與 圖2的VCA需要五個匹配對相比，圖3的電路僅需要單個（不必是匹配的）晶體管對。
[0027] 圖4示出了本發(fā)明的VCA的實施例，該實施例是圖3的實施例的進一步簡化。在 圖4的實施例中，電阻器315和316被等效的單個電阻器415替換，并且電阻器317和318 被等效的單個電阻器416替換。除此之外，圖3的電路和圖4的電路相同。
[0028] 圖5是示出了本發(fā)明的實施例的總諧波失真加噪聲（THD+N)相對頻率的曲線的圖 形。圖5的圖形的橫軸度量頻率，并且范圍跨越20Hz至20kHz并使用對數(shù)標度。圖5的圖 形的縱軸度量THD+N，并且范圍跨越0. 1至1. 0并使用對數(shù)標度。在圖5中，THD+N被表達 為所有諧波分量的功率加上噪聲功率的總和與基本頻率的功率之比。曲線501表示諸如圖 2中所示的VCA等的現(xiàn)有VCA的THD+N測量值。曲線502表示本發(fā)明的一個或多個實施例 的THD+N測量值。圖形顯示與現(xiàn)有VCA的THD+N相比，本發(fā)明的一個或多個實施例在整個 頻率范圍內(nèi)具有更低的THD+N。此外，圖形顯示與現(xiàn)有VCA的THD+N相比，一個或多個實施 例的THD+N在整個頻率范圍內(nèi)更平坦并且更均勻。
[0029] 圖6是示出了本發(fā)明的實施例的總諧波失真加噪聲（THD+N)相對幅度的曲線的圖 形。圖6的圖形的橫軸度量幅度，并且范圍跨越OdB至+10dB并使用線性標度。圖6的圖 形的縱軸度量THD+N，并且范圍跨越0. 1至2. 0并使用對數(shù)標度。在圖6中，THD+N被表達 為所有諧波分量的功率加上噪聲功率的總和與基本頻率的功率之比。曲線601表示諸如圖 2中所示的VCA等的現(xiàn)有VCA的THD+N測量值。曲線602表示本發(fā)明的一個或多個實施例 的THD+N測量值。圖形顯示與現(xiàn)有VCA的THD+N相比，本發(fā)明的一個或多個實施例在整個 幅度范圍內(nèi)具有更低的THD+N。此外，圖形顯示與現(xiàn)有VCA的THD+N相比，一個或多個實施 例的THD+N在整個幅度范圍內(nèi)更平坦并且更均勻。
[0030] 圖7是示出了本發(fā)明的實施例的衰減相對DC偏移數(shù)字的表格。該表格顯示與現(xiàn) 有VCA的DC偏移相比，本發(fā)明的一個或多個實施例在整個衰減范圍內(nèi)具有總體更低、更平 坦、且更均勻的DC偏移。此外，該表格顯示與現(xiàn)有VCA的隨著衰減的增加而近似線性增加 的DC偏移不同，一個或多個實施例的DC偏移集中在0附近。
[0031] 圖8是示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例用于減小截斷的方法的流程圖。該方法在步驟 800開始，在步驟800,接收輸入信號。在步驟805,向被配置為差分放大器的op amp的反相 輸入端提供輸入信號。在步驟810,向音頻放大器的輸入端提供來自op amp的輸出信號。 在步驟815,向截斷檢測器提供來自音頻放大器的輸出。在步驟820,從截斷檢測器接收單 極增益控制電流。在步驟825,將根據(jù)增益控制電流得到的第一電流提供給op amp的反相 輸入端。在步驟830,將根據(jù)增益控制電流得到的第二電流提供給op amp的非反相輸入端。
[0032] 因此，提出了新穎的壓控放大器（VCA)和使用VCA來減小截斷的方法。雖然已經(jīng) 參照某些具體實施例描述了本發(fā)明，但是本領域技術(shù)人員將清楚的是，本發(fā)明的發(fā)明特征 也可以應用于落入本發(fā)明的范圍內(nèi)的其他實施例。
【權(quán)利要求】
1. 一種壓控放大器，包括： 運算放大器； 第一輸入端，用于接收輸入信號，所述第一輸入端連接到所述運算放大器的反相輸入 端； 第二輸入端，用于接收輸入控制電流； 電路，用于將根據(jù)所述輸入控制電流得到的第一電流傳送到所述運算放大器的所述反 相輸入端并且將根據(jù)所述輸入控制電流得到的第二電流傳送到所述運算放大器的所述非 反相輸入端，以減小所述運算放大器的增益。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓控放大器，其中，所述運算放大器被配置為差分放大器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓控放大器，其中，用于傳送根據(jù)所述輸入控制電流得到的 所述第一電流和所述第二電流的所述電路包含少于五個晶體管對。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓控放大器，其中，用于傳送根據(jù)所述輸入控制電流得到的 所述第一電流和所述第二電流的所述電路包括不匹配的晶體管對。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓控放大器，其中，用于傳送根據(jù)所述輸入控制電流得到的 所述第一電流和所述第二電流的所述電路僅包含單個晶體管對。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓控放大器，其中，所述單個晶體管對是匹配的晶體管對。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓控放大器，其中，所述單個晶體管對是不匹配的晶體管對。
8. -種用于減小音頻放大器中的截斷的方法，包括： 在壓控放大器處接收輸入信號； 向運算放大器的反相輸入端提供所述輸入信號； 向所述音頻放大器提供來自所述運算放大器的第一輸出信號； 向截斷檢測器提供來自所述音頻放大器的第二輸出信號； 在所述壓控放大器處從所述截斷檢測器接收單極電流信號； 向所述運算放大器的所述反相輸入端提供根據(jù)所述電流信號得到的第一電流； 向所述運算放大器的非反相輸入端提供根據(jù)所述電流信號得到的第二電流。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括以下步驟：將所述運算放大器配置為差分運算 放大器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述向所述運算放大器的所述反相輸入端提 供根據(jù)所述電流信號得到的所述第一電流的步驟包括：使用單個晶體管對得到所述第一電 流。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述向所述運算放大器的所述非反相輸入端提 供根據(jù)所述電流信號得到的所述第二電流的步驟包括：使用單個晶體管對得到所述第一電 流。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述向所述運算放大器的所述非反相輸入端 提供根據(jù)所述電流信號得到的所述第二電流的步驟包括：使用所述單個晶體管對得到所述 第一電流。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述向所述運算放大器的所述反相輸入端提 供根據(jù)所述電流信號得到的所述第一電流的步驟包括：使用單個不匹配的晶體管對得到所 述第一電流。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述向所述運算放大器的所述非反相輸入端 提供根據(jù)所述電流信號得到的所述第二電流的步驟包括：使用單個不匹配的晶體管對得到 所述第一電流。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述向所述運算放大器的所述非反相輸入端 提供根據(jù)所述電流信號得到的所述第二電流的步驟包括：使用所述單個不匹配的晶體管對 得到所述第一電流。
【文檔編號】H03F1/32GK104113294SQ201410096153
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月14日
【發(fā)明者】艾里克·門登霍爾, 賈里德·亨廷頓 申請人:Rgb系統(tǒng)公司