專利名稱:由差動(dòng)放大器組成的高頻發(fā)生器和振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種高頻發(fā)生器件和一種帶有由ECL線接收器,即ECL差動(dòng)放大器或通常直接耦合的差動(dòng)放大器構(gòu)成倍頻電路的振蕩電路。
用晶體管作為有源元件來構(gòu)成振蕩電路已使用了很長時(shí)間。隨著集成電路的出現(xiàn),也已經(jīng)做成了那種用于振蕩器中作為常用器件的放大器。只有幾種類型的電子電路適合于在高頻使用,其中之一是由直接耦合放大器構(gòu)成。這類放大器之一是由ECL電路構(gòu)成(此處ECL是發(fā)射極耦合邏輯),這類電路的輸出信號(hào)取自輸出晶體管的發(fā)射極。對(duì)應(yīng)輸出端還必須連接一個(gè)額外的外部下拉電阻,該電阻接地以使發(fā)射極具有一個(gè)規(guī)定的電壓。該額外電阻不包含在集成電路內(nèi)。
此外,ECL電路具有大約類似于晶體管基極的高的輸入阻抗,和類似于晶體管發(fā)射極的低輸出阻抗,其典型值是6-9歐姆。一個(gè)ECL放大器典型的增益約為5。
在包含有ECL線接收器的振蕩電路中,作為一種放大器件,即具有一個(gè)非反相和一個(gè)反相輸出信號(hào)的差動(dòng)輸出的ECL差動(dòng)放大器已被提出來了。這類放大器件通常用來把來自其它振蕩器或放大器的正弦波信號(hào)變換成ECL電路所使用的電平,或把其它信號(hào)放大到ECL電平。
使用ECL線接收器的振蕩器電路例如圖示于莫托羅拉半導(dǎo)體制造公司的“MECL系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)”1988年第四版224-228頁中。要產(chǎn)生高頻,必須采用利用諧波的高頻晶體。在某些方面它們并不合適,因此通常采用基音晶體。它們因而具有較低的頻率,這需要一個(gè)低頻的倍頻器。
一個(gè)使用集成電路差動(dòng)放大器的倍頻電路已被公布于德國公開說明書DEA13930126中,這種電路有非反相和反相輸入端和輸出端。在兩個(gè)輸入端加有相同的直流偏置,要倍增的頻率被加到一個(gè)輸入端。另一個(gè)輸入端被連接到地以使信號(hào)頻率通過一退耦電容器。輸出端被直接互連,即相互短路,(也能表示為“連線-或”電路)。這樣,可以獲得正弦波型的輸出信號(hào)。但是,描述為激勵(lì)放大器的這種方法在其輸出端上只有一個(gè)頻率對(duì)應(yīng)于輸入信號(hào)倍頻的信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明,為帶有差動(dòng)放大器(例如一個(gè)ECL線接收器)的振蕩電路提供了一種電路,這種電路直接由一步產(chǎn)生方波型的對(duì)稱輸出并具有合適的電壓電平,即例如具有ECL電平的信號(hào)以用于更多圍繞相同類型差動(dòng)放大器所構(gòu)成的電路中。這可通過把偏置電壓對(duì)稱地連接到差動(dòng)放大器的輸入端而獲得。
用于產(chǎn)生高頻的另一種諧波合成器或通常的電路被用來產(chǎn)生輸入信號(hào)偶數(shù)倍的頻率,即不只是倍頻,它包含如在所引證德國文件中的差動(dòng)放大器,例如ECL線接收器,其正輸出端和負(fù)輸出端直接互連。該差動(dòng)放大器以這樣的方法由輸入電波激勵(lì),即輸入端帶有適合的直流偏置,在輸入信號(hào)的倍頻上所產(chǎn)生的波形有小的“下陷”或“尖峰”。由于這種波形是高度非正弦的,它將具有一個(gè)包含有輸入信號(hào)偶數(shù)倍頻率的頻譜,這樣,它的一次諧波的幅度是不可忽視的并能容易地將其濾去。
濾波作用可由供給另一個(gè)相同類型的差動(dòng)放大器的LC電路來提供。如果當(dāng)初產(chǎn)生的是諸如方波或如上所述的具有下陷或尖峰波形的非正弦波,則信號(hào)源也可以包含一個(gè)LC電路,以產(chǎn)生所需要的正弦波輸出信號(hào)。
信號(hào)源也可以包含一個(gè)如上所述的含有相同類型差動(dòng)放大器的振蕩器。該振蕩器的輸出信號(hào)取自包含在振蕩器中的差動(dòng)放大器的一個(gè)輸入端。
本發(fā)明將以舉例方式參照
諸實(shí)施例,附圖中圖1顯示了一個(gè)ECL線接收器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的例子;
圖2顯示了一個(gè)ECL線接收器的電壓-電壓特性;
圖3顯示了一個(gè)用晶體基頻的一種先前的振蕩器;
圖4顯示了一種根據(jù)本發(fā)明的用晶體基頻的振蕩器;
圖5概略地顯示了一個(gè)產(chǎn)生輸入正弦電壓頻率偶數(shù)倍的諧波合成器;
圖6顯示了從圖5的電路得到的波形;
圖7顯示了一個(gè)產(chǎn)生非正弦輸入信號(hào)偶數(shù)倍頻的諧波合成器;
圖8顯示了對(duì)輸入為脈沖電壓進(jìn)行濾波和整形,和圖9顯示了包含振蕩器,諧波合成器,濾波器和脈沖成形器的有3個(gè)ECL線接收電路的具體應(yīng)用例子。
圖1中示出了一個(gè)ECL線接收器的例子,基本上和上面提到的莫托羅拉手冊(cè)上的說明一樣。其包含一個(gè)能在圖中左邊看到的常規(guī)差動(dòng)放大器。它由兩個(gè)晶體管Q1和Q2構(gòu)成,在其基極上施加輸入電壓。一個(gè)輸入端被稱為非反相輸入端D+,另一個(gè)為反相輸入端D-。基極上接有相同大的基極電阻RP,發(fā)射極互相連接并接到發(fā)射極電阻RE或在某些情況下接到一個(gè)恒流源。這些晶體管的集電極分別提供有集電極電阻RC1和RC2。從集電極有線連到射極跟隨電路,并具體地連到輸出晶體管Q3和Q4的基極,發(fā)射極跟隨器電路內(nèi)部沒有任何發(fā)射極電阻-下拉電阻-并在發(fā)射極上獲得輸出電壓。一個(gè)輸出端被稱為正或非反相輸出端,而另一個(gè)稱為負(fù)或反相輸出端。在實(shí)際使用時(shí),這些射極跟隨器晶體管Q3和Q4的發(fā)射極自然地必須接上合適的外接下拉電阻。
在簡單的差動(dòng)放大器中,晶體管Q1和Q2的集電極由電壓Vce2驅(qū)動(dòng),在射極跟隨器部分,晶體管Q3和Q4的集電極由電壓Vcc1驅(qū)動(dòng)。在差動(dòng)放大器部分,晶體管Q1和Q2的發(fā)射極通過電阻RE連接到電壓VEE。ECL電路的標(biāo)準(zhǔn)接法,采用VCC1=VCC2=0(接線端被接到地)及VEE=-5V。該電路的輸入端必須有適當(dāng)?shù)闹绷麟娖?,它是通過與電路所加的偏壓VBB有關(guān)的特定的穩(wěn)壓部分獲得的,在標(biāo)準(zhǔn)情況下為-1.29V。這個(gè)偏置電壓通過具有適當(dāng)大小的電阻連接到輸入端,從而使電路得到一個(gè)適當(dāng)?shù)墓ぷ鼽c(diǎn)。高頻信號(hào)可以通過足夠大容量的去耦電容器連接至輸入端。
ECL電路也可以用與標(biāo)準(zhǔn)情況不同的方法連接,例如將所有的驅(qū)動(dòng)電壓增加5V。這樣所有的發(fā)射極將被連接到地。這種連接可稱為偽-ECL。
圖2顯示了圖1中所示類型的一個(gè)ECL線接收器各種溫度下的電壓特性。在這里可以看成輸入端在大約-1.4和-1.2V之間有一個(gè)有效區(qū),以偏壓-1.3V為中心,該中心的額定值為-1.29V。輸出電壓以相同的方法被置于中間,但具有一個(gè)較大的邏輯擺動(dòng),并將在約-1.75和-0.9V之間移動(dòng),該值對(duì)應(yīng)的增益大于4。
圖3示出了一個(gè)類似于上述手冊(cè)中提到的振蕩電路的壓控晶體振蕩器。在該振蕩電路中,安裝了一個(gè)ECL線接收器ECL1。在其正輸出端和非反相輸入端之間的反饋線中,一個(gè)晶體與可變電容器和變?nèi)荻O管串連連接。該變?nèi)荻O管的容量通過所加的直流電壓變化而變。該電路還含有一個(gè)去耦電容器,該電容對(duì)所考慮的頻率其實(shí)際阻抗等于零。電路中產(chǎn)生振蕩所連接的其它部分包括一個(gè)連接在所用的ECL線接收器正和負(fù)輸入端之間的電阻通過一個(gè)去耦電容接地的負(fù)輸入端。該電路用適當(dāng)大小的所述元件就能以下述方式獲得振蕩,即,在所用的ECL線接收器輸出端上輸出方波。為了放大和整形,可以把該信號(hào)進(jìn)一步送入ECL線接收器ECL2和ECL3。
在變?nèi)荻O管D1上加有控制電壓VR的一部分,用變?nèi)荻O管一端的連線通過一個(gè)大電阻接地。變?nèi)荻O管的另一端通過另一個(gè)大電阻連接到控制電壓VR。由于所提到的去耦電容在反饋線上,還由于電路中的其它電容和晶體,對(duì)直流來講該電路是斷開的,故所加的控制電壓將部分地加在變?nèi)荻O管上。其電容量可按所述控制電壓VR的變化而變。
關(guān)于ECL線接收器ECL1的直流偏置,其非反相輸入端通過所述的電阻連到偏置電壓VBB。于是反相輸入端將直接連接到該電壓。ECL線接收器ECL1的輸出端還通過發(fā)射極電阻或下拉電阻RP被連接到恒壓VEE,例如在標(biāo)準(zhǔn)接法中,VEE等于-5V。
在圖3的右面,包括ECL2和ECL3兩個(gè)ECL線接收器的電路,用于放大和整形,從圍繞ECL線接收器ECL1構(gòu)成的振蕩電路所得到的信號(hào),用這樣的方式獲得方波,即,使其具有適合于ECL的電平。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的振蕩電路,其中輸入端的偏置是對(duì)稱設(shè)置的。該簡單的振蕩電路包含有一個(gè)在反饋線上的晶體Xt,一個(gè)電容器CS和一個(gè)電阻R3。這個(gè)反饋環(huán)象上面一樣被連接在ECL線接收器的非反相輸入端和正輸出端之間。ECL線接收器的正輸入端還通過電阻R1和去耦電容C3被連接到地或恒定的發(fā)射極激勵(lì)電壓VEE,這樣電容C3將短路振蕩頻率。至于直流供電,則是用這樣的方式設(shè)置的,即ECL線接收器的兩個(gè)輸入端通過電阻R1和R2被連接到偏置電壓VBB,電阻R1和R2大小相同。這樣,ECL線接收器得到對(duì)稱偏置,其所獲得的方波脈沖比為50%。另外,產(chǎn)生該信號(hào)的輸出端通過下拉電阻R4被連接到地或連接到恒定發(fā)射極電壓VEE。
ECL線接收器的負(fù)輸入端能通過電容C2去耦到地或恒定發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電壓VEE,但它使電路具有太大的穩(wěn)定性,因而不能起振,這是由于電容C2使電路太缺乏干擾。在反饋線上的電阻R3,其值通常在10-500歐姆數(shù)量級(jí),并能防止電路振蕩于不正確的頻率上。這可以用這樣的事實(shí)來解釋,即該電阻與反饋線上的電容一起起到一個(gè)低通濾波器的作用。
通過圖4電路的解決法可直接獲得具有ECL電平的方波,而不需要任何如圖3中先前電路那樣,需要更多ECL線接收器來進(jìn)一步進(jìn)行脈沖整形或放大。而在ECL線接收器的輸入端獲得可用于輸入其它電路的正弦信號(hào),如將在下面作更詳細(xì)說明那樣。
ECL電路通常用于高頻,圖3和圖4中所示的這類基頻晶體振蕩器,一般被用于10-25MHz的頻率范圍。但是,在許多應(yīng)用場(chǎng)合,需要更高的頻率,并可能要用到某些類型的倍頻器件。由振蕩器ECL線接收器輸出端上提供的方波,包含振蕩波基頻的奇數(shù)倍頻或奇次諧波,這些諧波可用一般方法濾出和放大,以提供具有更高頻率的方波。
圖5中示出了通過一個(gè)器件倍增頻率來提供倍頻,并在正弦波加到一個(gè)ECL線接收器時(shí),通常產(chǎn)生基頻的偶數(shù)倍頻率。這里,ECL線接收器的兩個(gè)輸出端被連接成“連線-或-連接”,其公共端以通常方式通過一個(gè)發(fā)射極電阻R5連到恒壓(例如地)或一個(gè)恒定的發(fā)射極電壓VEE。如果來自正弦波信號(hào)源的輸入信號(hào)有足夠幅度,則在輸出端上獲得的電壓包含了一個(gè)相當(dāng)恒定的電壓,該電壓在輸入信號(hào)變化極性而出現(xiàn)負(fù)的“下陷”時(shí)中斷,即,該下陷出現(xiàn)在對(duì)應(yīng)于輸入信號(hào)倍頻的頻率上。
圖6中示出了放大了的該輸出信號(hào)。虛線是對(duì)應(yīng)于差動(dòng)放大器沒有任何飽和時(shí)一個(gè)恒定放大量的假設(shè)的曲線,該恒定放大量是從圖2中曲線傾斜的直線部分中點(diǎn)獲得的。圖6中的這兩條虛線正弦曲線彼此相交于代表差動(dòng)放大器正和負(fù)輸出端輸出信號(hào)的1.3V左右。實(shí)線代表從輸出接線端上實(shí)際輸出的信號(hào)。它具有的平直部分的電壓電平對(duì)應(yīng)ECL線接收器的飽和電平。該平直部分對(duì)應(yīng)圖2中曲線的上面水平部分,當(dāng)從圖2中獲得該電壓時(shí)大約為-0.9V。在兩個(gè)平直部分之間有下陷,該下陷跟隨假設(shè)的輸出曲線,并因此對(duì)應(yīng)圖2中傾斜曲線部分的上部,即,該部分位于該圖中央這些曲線部分交點(diǎn)的上面。
為了產(chǎn)生圖6所示的波形,對(duì)照?qǐng)D2,ECL線接收器的正弦輸入信號(hào)通常至少要有約0.3V,最好至少為0.5V的峰對(duì)峰電壓。
由于輸出電壓的波形嚴(yán)重地偏離了純正弦形,其頻率成份將包含有所述“下陷”頻率的倍頻,因此它將含有對(duì)應(yīng)于輸入正弦信號(hào)頻率的偶數(shù)倍頻率。
為了在圖5電路的輸入端獲得一個(gè)合適的正弦信號(hào),可以將其同圖5電路的輸入端并聯(lián)連接或在其輸入端配置一個(gè)簡單的濾波電路,該后一種情況示于圖7。這里輸入了一個(gè)高頻信號(hào),該信號(hào)不必是正弦波,通過電容C1加到一個(gè)ECL線接收器的正或非反相輸入端。在所述ECL線接收器反相和非反相輸入端之間置有并聯(lián)連接的可變電感LF和電容CF。反相輸入端另外通過去耦電容C6退耦至地或至恒定發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電壓VEE。所述ECL線接收器的反相輸入端上的直流電壓控制電平是由偏置電壓VBB提供,也可增加一個(gè)電阻(沒畫出),非反相輸入端從偏置電壓VBB通過電感LF,該電感通常阻值很低。當(dāng)這個(gè)LC電路采用合適的元件和元件數(shù)值時(shí),一個(gè)頻率等于輸入脈沖信號(hào)基頻頻率或基頻的奇數(shù)倍頻率的純正弦電壓被送到ECL線接收器上時(shí),則該線接收器和圖5一樣,將提供一個(gè)倍頻了的具有“下陷形狀”的信號(hào)。
要將一個(gè)諧波分量濾波放大和轉(zhuǎn)換到ECL電平,可采用圖8的電路,除了ECL線接收器的輸出端不相互連接而是其兩個(gè)或僅僅一個(gè),以如上所述方式通過發(fā)射極電阻連到地或連到恒定發(fā)射極電壓V以外,該電路大體上與圖7的電路相同。這些方波可提供有部分地由輸入電壓的基頻,部分地由置于ECL線接收器輸入端的LC濾波元件所確定的頻率。
最后,在圖9中示出了一個(gè)壓控振蕩器實(shí)施例,該振蕩器設(shè)有基頻的偶數(shù)倍頻的諧波合成器。在這個(gè)電路中得到81.92MHz的輸出頻率,即所使用晶體基頻20.47MHz的4倍頻,所用晶體型號(hào)為NDK-51型。ECL電路被封裝在一個(gè)封殼中,型號(hào)為精確地包含三個(gè)ECL線接收器的莫托羅拉MC10H116。該ECL線接收器電路被連接成發(fā)射極接地的“偽-ECL”。偏置電壓VBB=-1.29V,該電壓也取自相同的封殼,所取的電壓與+5V集電極電壓有關(guān)。各管腳編號(hào)的連接示于諸圖中。所示的阻值(象圖3中)沒有所用單位,但通常在歐姆級(jí)。濾波器部分標(biāo)號(hào)4N的電感,包含在圖板(Pattern board)上直接形成導(dǎo)電圖案的4匝導(dǎo)線,并能計(jì)算出電感量約為75nH。
另外可以看到,型號(hào)為BB909A的變?nèi)荻O管D1的控制電壓是反相連接的,或與圖3中的接法比較極性相反。這可省去圖3中為短路信號(hào)頻率所需要的相對(duì)大的電容C′,該電容與控制輸入線上的電阻(圖3中的R2)能起一個(gè)低通濾波器的作用,從而不允許對(duì)振蕩器的頻率作太快的控制。
取自圖中最左邊的基頻振蕩器中ECL線接收器輸入端的正弦信號(hào),被加到圖中央諧波合成器中的ECL線接收器,以產(chǎn)生基頻的偶數(shù)倍頻。
另外,本電路是由組成圖4,7和8的電路構(gòu)成的??梢钥吹皆趫D中最右邊的最終濾波和電平控制步驟中,ECL線接收器的輸出端設(shè)有串連電阻作為輸出信號(hào)的串連終端輸出。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生高頻電信號(hào)的器件包括一個(gè)信號(hào)源,提供具有第一頻率的正弦形周期電信號(hào);一個(gè)第一差動(dòng)放大器,具有非反相和反相輸入端以及正和負(fù)的輸出端,當(dāng)作為一般的差動(dòng)放大器連接時(shí),負(fù)輸出端上的信號(hào)通常負(fù)于正輸出端上的信號(hào);一個(gè)電氣連接器,把所述信號(hào)源接到該第一差動(dòng)放大器的輸入端,于是所述正弦電壓就被加到第一差動(dòng)放大器;一個(gè)把第一差動(dòng)放大器的正和負(fù)輸出端相互連接的電氣連接器,所述輸出端通過一個(gè)負(fù)載電阻被接地或接第一恒定電壓;其特征在于所述正弦電信號(hào)源被安排成提供具有一定電壓電平的所述正弦信號(hào),使從所述第一差動(dòng)放大器輸出的信號(hào),在其輸出端不相互連接時(shí),所輸入的正弦信號(hào)的基本周期部分將被飽和,而輸出端相互連接時(shí)得到一個(gè)具有所述第一頻率偶數(shù)倍頻的頻率成份的脈沖電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的器件,其特征在于所述第一差動(dòng)放大器的相互連接的輸出端通過一個(gè)濾波電路被連接到一第二差動(dòng)放大器的一個(gè)輸入端,從而在其通過電阻接地的輸出端上獲得方波。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的器件,其特征在于濾波電路是由一個(gè)電感和一個(gè)電容組成的LC型濾波器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2-3的器件,其特征在于濾波電路包括一個(gè)串連連接的電容器,其一端連接到第一差動(dòng)放大器的輸出端,而輸出端相互連接,電容器的另一端連接到該第二差動(dòng)放大器的所述輸入端,和一個(gè)電容器和一個(gè)電感,并聯(lián)地跨接在該第二差動(dòng)放大器的兩個(gè)輸入端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4的器件,其特征在于所述正弦信號(hào)源包括一個(gè)產(chǎn)生周期性信號(hào)的源和一個(gè)濾出所需正弦形信號(hào)的濾波電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5的器件,其特征在于所述正弦信號(hào)源包括一個(gè)振蕩器,振蕩器本身包括第三差動(dòng)放大器,一個(gè)壓電晶體,一個(gè)正反饋回路,包括一條把所述第三差動(dòng)放大器的一個(gè)輸入端連到其一個(gè)輸出端的線路,該線路本身又包括串連連接的所述晶體和一個(gè)可調(diào)電容器。一條線路,包括第一電阻并通過一去耦電容把所述輸入端接到地或接到第一恒定電壓;一條線路,把第三差動(dòng)放大器的另一輸入端通過所述去耦電容也接地或接到第一恒定電壓,一條線路,把第三差動(dòng)放大器的所述輸出端通過一下拉電阻接地或接到第二恒定電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的器件,其特征在于把包括在所述振蕩器中的第三差動(dòng)放大器的輸入端連接到輸出端相互連接的第一差動(dòng)放大器輸入端的線路。
8.根據(jù)權(quán)利要求6-7的器件,其特征在于把第三差動(dòng)放大器的另一輸入端連接到所述去耦電容器的所述線路包括一個(gè)第二電阻,和所述第二電阻的電阻值基本上等于第一電阻的電阻值。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的器件,其特征在于第一和第二電阻到所述去耦電容的連接點(diǎn),通過第三電阻被連到恒定偏壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求6-9的器件,其特征在于所述反饋線路包括一個(gè)電阻,該電阻與線路中的所述電容器構(gòu)成一個(gè)確定振蕩器振蕩狀態(tài)的低通濾波器。
11.一個(gè)振蕩器,包括一個(gè)具有非反相和反相輸入端以及正和負(fù)的輸出端的差動(dòng)放大器,負(fù)輸出端上的信號(hào)通常負(fù)于正輸出端上的信號(hào);一個(gè)壓電晶體一個(gè)正反饋線路,包括把所述差動(dòng)放大器的一個(gè)輸入端連接到其一個(gè)輸出端的線路,該線路本身包括串聯(lián)連接的所述晶體和一可調(diào)電容器,一條線路,包括第一電阻并通過去耦電容把所述輸入端接地或接第一恒定電壓,所述輸出端通過下拉電阻接地或接第二恒定電壓,和因而當(dāng)適當(dāng)選擇反饋線路中元件的數(shù)值,并把該線路從所述輸入端連接到地或恒定電壓,在所述輸出端上獲得的方波具有由這些設(shè)置在所述兩條線路中的元件數(shù)值確定的頻率,其特征在于差動(dòng)放大器的另一輸入端通過包括第二電阻的線路還連接到所述去耦電容,第二電阻的阻值基本等于第一電阻的阻值。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的振蕩器,其特征在于第一和第二電阻到所述去耦電容器的連接點(diǎn)通過第三電阻被連接到恒定偏置電壓。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12的振蕩器,其特征在于所述反饋線路包括一個(gè)電阻,該電阻與線路中的所述電容一起構(gòu)成了一個(gè)確定電路中振蕩狀態(tài)的低通濾波器。
全文摘要
一種含有差動(dòng)放大器(ECL線接收器ECL
文檔編號(hào)H03K3/02GK1087764SQ92114298
公開日1994年6月8日 申請(qǐng)日期1992年12月3日 優(yōu)先權(quán)日1992年12月3日
發(fā)明者M·A·R·布拉 申請(qǐng)人:艾利森電話股份有限公司