專利名稱：用于對(duì)由控制電壓控制的非線性組件線性化的線性化電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括放大器和補(bǔ)償位于其反饋通路中的非線性度性的線性化電路。施加到放大器輸入的線性控制電壓在線性化電路中被變換使得由變換的控制電壓所控制的非線性元件的非線性度基本上被補(bǔ)償，而使非線性元件輸出電壓基本上線性地依賴線性控制電壓。
在無(wú)線電單元發(fā)射機(jī)中，使用了諸如RF衰減器和放大器的壓控組件。這些組件在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的衰減和放大應(yīng)當(dāng)是線性地依賴于調(diào)節(jié)電壓的。一個(gè)典型的實(shí)施方式是一種功率均衡電路回路，其中提供給發(fā)射機(jī)放大器的RF信號(hào)的輸入功率基本上是固定的，而從放大器輸出的信號(hào)功率必須在以亞微妙速度在寬廣的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。許多壓控組件的特性是非線性的，即如果沒(méi)有任何特別的線性化，則放大器的衰減G即作為控制電壓VC的函數(shù)的輸出電壓Vout對(duì)輸入電壓Vin的比值由

圖1的圖示所示。當(dāng)控制電壓從零增加時(shí)，該圖示首先表示出其中衰減G具有最小值的一個(gè)泄漏區(qū)域1。它幾乎與控制電壓Vc無(wú)關(guān)。當(dāng)控制電壓增加時(shí)，來(lái)到第一線性過(guò)渡區(qū)域2。在這區(qū)域，衰減是控制電壓的線性函數(shù)。下一個(gè)區(qū)域是指數(shù)或者dB線性區(qū)域3，其中衰減是控制電壓的指數(shù)函數(shù)。隨著控制電壓的進(jìn)一步的增加，來(lái)到第二線性過(guò)渡區(qū)域4。這里衰減也是控制電壓的線性函數(shù)。最后的區(qū)域是飽和區(qū)域，其中衰減具有與控制電壓幾乎無(wú)關(guān)的最大值。
在許多實(shí)施方式中，壓控組件需要的性質(zhì)是線性。如前所知，這可通過(guò)使用特別的線性電路達(dá)到。線性電路的目的是為了把所提供的線性控制電壓轉(zhuǎn)換為其特性與壓控組件的特性相反的非線性控制電壓，以此它們組合成形成壓控組件線性特性。
圖2示出本領(lǐng)域中所知的典型的反向線性電路的原理。一個(gè)非線性電路22置于高增益非線性運(yùn)算放大器21的反饋通路之中。該放大器的輸入是要被線性化的電壓VLIN，并從該輸出獲得提供給壓控衰減器/放大器23的非線性控制電壓Vc，在此它對(duì)非線性電壓G進(jìn)行補(bǔ)償。
為了使得非線性度G能夠被補(bǔ)償，它應(yīng)當(dāng)或者是控制電壓Vc一個(gè)單調(diào)下降或者是一個(gè)單調(diào)上升的函數(shù)，由此它可由公式(1)表示
G(Vc)=g00±g01(A·(Vc-V01))=g00±g01(V0)(1)其中g(shù)00是常量而g01是單調(diào)下降函數(shù)。V01是偏置項(xiàng)而A是分度因數(shù)，它們用來(lái)表示作為電壓V0的函數(shù)的非線性度?？煞Q為補(bǔ)償非線性度的非線性電路22產(chǎn)生一反饋電流I=I00±I01(V0)，其中I00為常量部分，I01為依賴于電壓V0的部分。電壓V0是從輸出電壓Vc通過(guò)A的分度和V01的偏置而獲得的。分度和偏置可使用電阻器網(wǎng)進(jìn)行。當(dāng)放大器為非反向放大器時(shí)使用正號(hào)，而當(dāng)它為反向放大器時(shí)使用負(fù)號(hào)。非線性度I01稱為補(bǔ)償非線性度，而函數(shù)g01可稱為要被補(bǔ)償?shù)姆蔷€性度。如果放大器21具有無(wú)限的增益，它將試圖使得在輸入極性的電壓相等，于是以下等式成立VLIN=(I00±I01(V0))R(2)當(dāng)以上與公式(1)比較時(shí)，我們看到如果I01(V0)是g01(V0)的線性函數(shù)則G是VLIN的線性函數(shù)。項(xiàng)I00與g00對(duì)線性化沒(méi)有影響，但是它們引起了固定的偏置，于是對(duì)I01的補(bǔ)償要求是I01(V0)=P+q-g01(V0)，其中p和q任意常量。
在現(xiàn)代壓控衰減器中的趨勢(shì)是使得指數(shù)范圍(即dB線性區(qū)域)盡可能地大并盡可能減小線性區(qū)域。在某些衰減器中，圖1的第二線性區(qū)域4是非常狹窄的，并在某些地方區(qū)域3中的增益上升得比指數(shù)還快。諸如由本發(fā)明的發(fā)明者以前所提供的已知的線性化電路不能夠在整體特性上線性化這種非線性組件，特別是在圖1所示的曲線的區(qū)域2,3和4中。
本發(fā)明的目的是為了提供沒(méi)有已知解決方案的缺陷的線性化電路。目的是為了提供一種非線性電路，在盡可能寬的區(qū)域中其特性與要被補(bǔ)償?shù)姆蔷€性度的特性相同。
以上目的是通過(guò)權(quán)利要求1所述的電路達(dá)到的。
本發(fā)明中，電路的非線性即補(bǔ)償非線性度的實(shí)現(xiàn)是基于根據(jù)圖3的已知的差分放大器的，該放大器以下稱為L(zhǎng)TP(Long Tailed Pair)。晶體管Q1和Q2是匹配對(duì)，晶體管Q1的集電極電流I1是所需的電流I01(I1=I01)，而晶體管Q2的集電極電流為I2=It-I01。這樣的一個(gè)LTP產(chǎn)生公式(3)的非線性度I01=1/2·It·(1+tanh(V0/2Vt))(3)其中It是尾電流，該電流是固定電流源的電流It并同時(shí)是集電極電流之和，而Vt是正比于絕對(duì)溫度的電壓，在室溫下大約為26mv。標(biāo)號(hào)31表示產(chǎn)生固定電流It的電流產(chǎn)生器。在其它圖中，電流產(chǎn)生器由相同的符號(hào)表示。然而一個(gè)LTP(未示出)的圖示的線性區(qū)域與指數(shù)區(qū)域比較是大的，該指數(shù)區(qū)域不足以補(bǔ)償大的非線性區(qū)域。本發(fā)明中，置于運(yùn)算放大器的反饋通路中的非線性電路是通過(guò)組合至少兩個(gè)LTP形成的，其中一個(gè)是其指數(shù)區(qū)域在控制電壓區(qū)域的低端的低增益LTP，而另一個(gè)是其指數(shù)區(qū)域在控制電壓區(qū)域的高端的高增益LTP。在非線性電路中，通過(guò)使用必要數(shù)量的LTP非線性組件的非線性度可被補(bǔ)償?shù)嚼硐氲某潭取?br> 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，使用了一個(gè)修改的LTP，其中一個(gè)額外的晶體管與基本連接的晶體管并聯(lián)地連接，該額外的晶體管的集電極連接到基本連接的一個(gè)晶體管的集電極而其發(fā)射極連接到基本連接的發(fā)射極。作用在額外晶體管的基極的電壓是運(yùn)算放大器的輸出電壓Vc，雖然它已經(jīng)被偏置并獨(dú)立地分度。以下稱這一連接為L(zhǎng)TP-正。LTP-正的非線性度幾乎與兩個(gè)LTP放大器組合的非線性度相同，但是它有一些缺點(diǎn)，這在以下將討論。
以下將參照附圖借助于本發(fā)明的較佳實(shí)施例更為詳細(xì)地討論本發(fā)明，其中圖1表示壓控衰減器典型的特性，圖2表示線性化電路的已知原理，圖3表示一個(gè)LTP，圖4表示兩個(gè)LTP的組合，圖5表示三個(gè)LTP的組合，圖6表示一個(gè)LTP-正，圖7表示包含根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)非線性電路的線性化電路，以及圖8表示包含一個(gè)修改的非線性電路線性化電路。
圖4中，形成圖2中所示的反饋通路補(bǔ)償非線性度元件的LTP是并聯(lián)的，使得兩個(gè)LTP的輸入為控制電壓Vc。在每一對(duì)，控制電壓Vc受到單獨(dú)的分度(Aa,Ab)和電平位移(-V0a,-V0b)。在其基極的控制電壓Vc已經(jīng)有作用的對(duì)中的左手側(cè)晶體管的輸入電流I01a,I01b的和為I1，而右手側(cè)晶體管的輸入電流之和為I2。一對(duì)放大器按以下方式(圖2)連接到一個(gè)線性化電路的反饋通路，使得反饋電流為I2。也可使用電流I1作為反饋電流，但是運(yùn)算放大器的輸入極符號(hào)將要變?yōu)榘磮D2中所示的連接。然而這產(chǎn)生了具有下述缺點(diǎn)的非反向線性化電路。
在圖4所示的連接的圖(未示出)中，指數(shù)區(qū)域，即電流I1關(guān)于電壓Vc的導(dǎo)數(shù)被電流I1除為常量即lIl--dIldVc]]>為常量的區(qū)域明顯大于具有圖3的單個(gè)LTP的連接。
任何所需數(shù)目的LTP可并聯(lián)地連接。每一個(gè)LTP補(bǔ)償其非線性度的自身部分，由此使用充分大數(shù)目的LTP使得能夠形成理想精度的被補(bǔ)償?shù)姆蔷€性度。根據(jù)圖5使用三個(gè)LTP使得能夠產(chǎn)生大數(shù)目的不同的非線性度。圖5的非線性電路對(duì)于大多數(shù)實(shí)施例是足夠的。
使用幾個(gè)LTP放大器很多方面有好處例如每一對(duì)的調(diào)節(jié)參數(shù)An和VOn具有獨(dú)立的效果，即它們不影響其它對(duì)的操作，不清所獲得的線性度對(duì)任何單獨(dú)的調(diào)節(jié)參數(shù)不很敏感。此外，該電路可易于集成為模擬IC。
一個(gè)LTP放大器可按照?qǐng)D6所示的方式修改。圖中，額外的晶體管Q3與基本的LTP的晶體管Q1并聯(lián)。前者晶體管的集電極連接到后者LTP晶體管Q1的集電極，而其發(fā)射極連接到基本連接晶體管的發(fā)射極。作用到額外晶體管Q3的基極的電壓是與作用在LTP晶體管集極電壓Vc一樣，所不同的是它獨(dú)立地由項(xiàng)-Va偏置和由分度因子Aa分度。以下，這一連接稱為L(zhǎng)TP-正。
LTP-正的非線性度性質(zhì)也是與幾乎與兩個(gè)LTP放大器組合的性質(zhì)相同。然而由于調(diào)節(jié)參數(shù)彼此相互影響，它更難以設(shè)計(jì)。而且，該連接對(duì)組件的允差和溫度比兩個(gè)LTP的電路更為敏感。
實(shí)際上，線性化電路具有在反饋通路的電流I01的曲線中平坦的區(qū)域。這成為問(wèn)題，因?yàn)樗馕吨\(yùn)算放大器在這個(gè)區(qū)域中沒(méi)有反饋。如果I01在Vc增加很高時(shí)同時(shí)降低，則情況更糟。然而這只是在當(dāng)VC上升很高以至晶體管之一的基極-集電極結(jié)變?yōu)閷?dǎo)通時(shí)在非反向線性化電路中出現(xiàn)。這可能引起失去線性化電路操作能力的結(jié)果。因此，不建議在非線性化電路中使用長(zhǎng)尾對(duì)。在反向線性化電路中，即使平坦的區(qū)域也比較易于處理。而且在實(shí)際的壓控衰減器中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在其有用的操作區(qū)域中，它們從來(lái)不變?yōu)橥耆教?。這樣如圖7和8所示，在運(yùn)算放大器的輸出和反向輸入之間可放置一個(gè)大電阻器。如圖1所示，這模仿了壓控放大器的典型特性中的第一線性區(qū)域2。
圖7和8表示本發(fā)明在線性化電路中的非線性電路。圖7表示帶有幾個(gè)LTP的反向線性化電路，而圖8表示帶有一個(gè)LTP-正的線性化電路。電壓VB是該非線性電路的操作電壓。這些圖表示反向放大器，但是一個(gè)帶有非反向放大器的電路是通過(guò)交換放大器的正和負(fù)輸入并在反饋中使用圖中接地的那些晶體管的集電極而獲得的。然而線性反饋必須連通到放大器的負(fù)輸入，即大電阻器將必須置于運(yùn)算放大器的輸出與反向輸入之間。然而非反向結(jié)構(gòu)由于上述的原因而不推薦使用。還可以使用以PNP晶體管實(shí)現(xiàn)的電路。在所有的這些電路中，電流源It可由一個(gè)電阻器和一個(gè)適當(dāng)?shù)碾妷涸创妗?br> 圖7還示出改變線性化電路的頻率響應(yīng)的途徑。為了頻率響應(yīng)盡可能地直接并防止電路在任何恰當(dāng)?shù)目刂齐妷合抡袷帲枰c操作點(diǎn)有關(guān)的頻率補(bǔ)償。這可通過(guò)向非線性元件連接電容器而實(shí)現(xiàn)。這些電容器在圖中一般由C′表示。
在圖7和8中，電壓-Von通常是電源電壓，這取決于需要的是正還是負(fù)偏置這一事實(shí)。在圖的每一LTP中，可以提供給左手晶體管基極的偏置代替提供給右手基極的偏置，后者的偏置具有相反的符號(hào)。然而實(shí)際上，最好連接左手晶體管基極到接地。
應(yīng)當(dāng)理解，以上的說(shuō)明和相關(guān)的附圖僅僅是為了解釋本發(fā)明。顯然對(duì)于業(yè)內(nèi)專業(yè)人士而言，在不背離所附權(quán)利要求中提出的本發(fā)明的范圍和精神之下本發(fā)明可在很多方面進(jìn)行變化和修改。
權(quán)利要求
1．用于線性化對(duì)由控制電壓控制的非線性組件的一種線性化電路，該線性化電路變換線性控制電壓(VLIN)為非線性控制電壓(Vc)，并且該線性化電路包括一個(gè)反饋放大器(21)，向其輸入施加線性控制電壓(VIN)，并從其輸出獲得非線性控制電壓(Vc)，置于反饋通路中的非線性電路(22)，該電路的非線性度與壓控非線性組件的非線性度基本相同，其特征在于，非線性電路(22)至少包含一個(gè)由匹配的晶體管對(duì)(Q1,Q2)形成的差分放大器，該放大器的連接使得的該對(duì)中第一晶體管(Q1)的基極在操作功能上連接到反饋放大器的輸出，以此第一晶體管集電極電流(I1)依靠于反饋放大器的輸出電壓，第二晶體管(Q2)的基極在功能上接地，晶體管的發(fā)射極連接在一起，而公共的發(fā)射極電流基本上是常量，以此第一晶體管集電極電流的變化引起第二晶體管集電極電流(I2)相反的變化，第二晶體管(例如Q1)的集電極連接到反饋放大器的輸入，并且第二晶體管(例如Q2)的集電極連接到地。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的線性化電路，其特征在于，一個(gè)額外的晶體管(Q3)并聯(lián)地連接到差分放大器使得其集電極和發(fā)射極分別連接到第一晶體管(Q1)的集電極和發(fā)射極，并且該額外晶體管的基極還在功能上連接到反饋放大器的輸出。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2的線性化電路，其特征在于，幾個(gè)差分放大器并聯(lián)使得提供給每一對(duì)的第一晶體管基極的反饋放大器的輸出電壓(Vc)受到分別的分度(A)和分別的電平移動(dòng)(Vn)
4．根據(jù)權(quán)利要求1或2的線性化電路，其特征在于，連接在一起的差分放大器的晶體管發(fā)射極連接到一個(gè)穩(wěn)定電流源(It)。
5．根據(jù)權(quán)利要求3的線性化電路，其特征在于，非線性電路的非線性度圖通過(guò)對(duì)應(yīng)于要被線性化的非線性組件非線性度圖而分別地分度和電平移動(dòng)被修改，以此每一差分放大器補(bǔ)償其非線性組件的非線性度自身部分。
全文摘要
壓控非線性放大器/衰減器的非線性度通過(guò)在線性化電路運(yùn)算放大器(21)的反饋通路中設(shè)置非線性電路而被補(bǔ)償,該電路包括一個(gè)或多個(gè)并聯(lián)的差分放大器。例如,一個(gè)放大器(LTP1)可能是其指數(shù)范圍在控制電壓范圍(V
文檔編號(hào)H03G3/30GK1219302SQ96190475
公開(kāi)日1999年6月9日 申請(qǐng)日期1996年3月12日 優(yōu)先權(quán)日1995年4月5日
發(fā)明者安杰·德克 申請(qǐng)人:諾基亞電信公司