为了满足近年来对宽带因特网连接设备的不断增长的需求，已 经提供了各种电缆调制解调器，可经由CATV将其连接到因特网。 如同其它电子设备一样，一直期望减小电缆调制解调器设备的大小。 为了减小电缆调制解调器设备的大小，必然需要减小供电缆调制解 调器设备中使用的调谐器。虽然因为调谐器由分立部件组成而在减 小这种调谐器的大小的工作中存在限制，但是近年来，由于先进的 电路集成技术，已经可以大大减小调谐器的大小。
供电缆调制解调器应用中使用的大多数调谐器IC采用双变频超 外差接收配置。附图的图8是双变频超外差接收的调谐器的框图。 在图8中，调谐器具有：天线101；可变增益放大器102，用于放大 CATV信号；第一压控振荡器103，用于以取决于加到其上的控制电 压的频率在本地振荡；第一混频器104，用于将从可变增益放大器102 输出的CATV信号与来自第一压控振荡器103的输出信号相乘以便 频率变换，从而输出频率对应于相乘信号之间的差的第一中频信号； 带通滤波器105，用于仅让给定频带中的信号通过，以便提取期望信 道中的中频信号，从而选择一个台；第二压控振荡器106，用于以取 决于加到其上的控制电压的频率在本地振荡；第二混频器107，用于 将从带通滤波器105输出的第一中频信号与来自第二压控振荡器106 的输出信号相乘以便频率变换，从而输出频率对应于相乘信号之间 的差的第二中频信号；以及中频信号放大器108，用于放大从第二混 频器107输出的第二中频信号并且输出放大的第二中频信号作为调 谐器输出信号。
以下简要描述调谐器的工作和特性。
可变增益放大器102放大从天线101输入的频率为100MHz的 CATV信号，并将该信号发送到第一混频器104。为第一混频器104 提供CATV信号和从第一压控振荡器103输出的频率为1300MHz 的本地振荡信号，第一混频器104执行频率变换以输出频率为1200 MHz的第一中频信号。带通滤波器105让频率接近1200MHz的信 号通过，从而提取期望信道中的第一中频信号。为第二混频器107 提供频率为1200MHz的第一中频信号和例如从第二压控振荡器106 输出的频率为1156MHz的本地振荡信号，第二混频器107执行频率 变换，从而输出频率为44MHz的第二中频信号。中频信号放大器108 将提供给它的第二中频信号放大并输出放大的第二中频信号作为调 谐器输出信号。作为在CATV系统调谐器中实际采用的频率的示例 给出上述CATV信号、第一中频信号、第二中频信号等的频率。
执行上述频率变换的调谐器具有从-70到+30dBm的输入信号电 平。由于将最大130个波的信号输入调谐器，第一级的可变增益放 大器102需要具有10dB的增益、6dB的噪声指数、40dB的最大衰 减电平、最大增益处+15dBm的三次输入截取点(下文中称为“IIP3”)， 已衰减增益(-15dB)处+30dBm的IIP3。因此，当增益降低时，在可 变增益放大器102上强加更严格的失真要求。
具有加在其上的这种失真要求的可变增益放大器包括双极型晶 体管和双栅极场效应晶体管(下文中称为“双栅极FET”)。以下将描 述双栅极FET的操作。图9是包括双栅极FET的可变增益放大器的 电路图。在图9中，可变增益放大器具有：第一FET 111；第二FET 112，与第一FET 111级联；电压源113；地电平114；信号输入端115； 电阻116，连接到第一FET 111的栅极G1，用于将合适的偏压加到 输入信号上；电压源117，用于施加合适的偏压；可变电压源118， 连接到第二FET 112的栅极G2；负载电阻119，用于提取输出信号； 以及信号输出端120。可通过使用电阻将来自电压源113的电压分压 来提供电压源117。
在上述构造的双栅极FET中，将输入信号加到第一FET 111的 栅极G1，从第二FET 112的漏极产生输出信号。通过改变加到第二 FET 112的栅极T2的电压来控制可变增益放大器的增益。例如，当 加到第二FET 112的栅极G2的电压降低时，第二FET 112的源极电 压降低，降低了第一FET 111的漏极-源极电压Vds。当漏极-源极电 压Vds变得更低时，第一FET 111的跨导gm变得更小，导致增益降 低。相反，当加到第二FET 112的栅极G2的电压增加时，增益增加。 即使用NPN晶体管代替增益控制FET 112，可变增益放大器也以与 上述相同的方式工作。在日本公开特许公报No.2002-176371(段落 0010，图1)中公开了包括双栅极FET的可变增益放大器。
以下将描述关于包括图9中所示的双栅极FET的可变增益放大 器的增益、噪声等的特性。附图的图10是平面图，示出在集成电路(IC) 上形成的FET的一般布置。在图10中，Lg表示栅极长度，Wg表示 栅极宽度。附图的图11是曲线图，示出栅极宽度、增益和噪声指数 之间的关系。在图11中，PG表示增益，NF表示噪声指数。附图的 图12是曲线图，示出增益衰减和IIP3之间的关系。在图12中，增 益衰减和IIP3之间的关系表现为不同的图案，取决于用作参数的栅 极宽度。从图11和图12可以看出，当栅极宽度Wg增大时，增益PG 增大，噪声指数NF减小，增加了噪声特性。然而，当IIP3降低时 引起失真特性。为了满足当增益为最大值时对PG和NF特性的要求， 有必要使用Wg＝20(μm)的FET，然而，这种FET无法满足当增益 衰减时对IIP3特性的要求。为了满足当增益衰减时对IIP3特性的要 求，有必要使用Wg＝5(μm)的FET，该FET降低PG和NF特性。 这意味着，在提高PG和NF特性的尝试和提高IIP3特性的尝试之间， 存在折衷，并且难以获得同时满足对PG和NF特性的要求以及对IIP3 特性的要求的可变增益放大器。
已经实现了本发明以解决以上问题。本发明的一个目的是提供 一种可变增益放大器，它能够在增益衰减时改善失真特性IIP3，而 不会降低在增益为最大值时关于增益PG和噪声指数NF的特性。
发明公开
根据本发明的一种可变增益放大器包括多个双栅极FET和多个 电压控制装置，所述双栅极FET具有：第一FET，其各个栅极用于 接收输入信号；第二FET，其各个源极分别连接到第一FET的漏极， 第一FET的各个源极彼此相连，第二FET的各个漏极彼此相连，所 述多个电压控制装置连接到第二FET的各个栅极，用于将栅极电压 分别施加到其上。
根据本发明的一种可变增益放大器包括多个可变增益放大元件 和多个电压控制装置，所述可变增益放大元件具有：FET，其各个栅 极用于接收输入信号；双极型晶体管，其各个发射极分别连接到FET 的漏极，FET的各个源极彼此相连，双极型晶体管的各个集电极彼 此相连，所述多个电压控制装置连接到双极型晶体管的各个基极， 用于将基极电压分别施加到其上。
在根据本发明的可变增益放大器中，用于接收输入信号的FET 具有基本相同的电特性。
在根据本发明的可变增益放大器中，用于接收输入信号的FET 中的至少一个FET的电特性与用于接收输入信号的FET中的其它一 个或多个FET的电特性不同。
根据本发明的可变增益放大器具有使信号输入部分和信号输出 部分互连的电压反馈通路。
根据本发明的可变增益放大器包括多个第一双栅极FET、多个 第二双栅极FET和多个电压控制装置，所述第一双栅极FET具有各 个栅极用于接收输入信号的第一FET以及各个源极分别连接到第一 FET的漏极的第二FET，第一FET的各个源极彼此相连，第二FET 的各个漏极彼此相连，所述第二双栅极FET具有各个栅极用于接收 反相输入信号的第三FET以及各个源极分别连接到第三FET的漏极 的第四FET，第三FET的各个源极彼此相连，第四FET的各个漏极 彼此相连，所述多个电压控制装置连接到第二FET的各个栅极和第 四FET的各个栅极，用于将栅极电压分别施加到其上。第一双栅极 FET的数量、第二双栅极FET的数量和电压控制装置的数量彼此相 等。

图1是电路图，示出根据本发明的第一实施例的可变增益放大 器的布置；
图2是说明控制栅极控制电压的过程的图表；
图3是示出绝对增益和IIP3之间关系的图表；
图4是说明控制栅极控制电压的另一个过程的图表；
图5是电路图，示出根据本发明的第一实施例的修改的可变增 益放大器的布置；
图6是电路图，示出根据本发明的第二实施例的可变增益放大 器的布置；
图7是电路图，示出根据本发明的第三实施例的可变增益放大 器的布置；
图8是双变频超外差接收的调谐器的框图；
图9是电路图，示出采用双栅极FET的可变增益放大器的布置；
图10是平面图，示出在集成电路上形成的FET的一般布置；
图11是示出栅极宽度、增益和噪声指数之间关系的图表；
图12是示出增益衰减和IIP3之间关系的图表。
实施本发明的最佳方式
下面参照附图来描述本发明的实施例。为了阐明描述的实施例 的元件和要求保护的发明的元件之间的对应关系，在对本发明实施 例的以下描述中，将与描述的实施例的元件对应的要求保护的发明 的元件置于描述的实施例的元件后的圆括号中。
第一实施例
图1是电路图，示出根据本发明的第一实施例的可变增益放大 器的布置。在图1中，可变增益放大器具有：电压源1；地电平2； 信号输入端(信号输入部分)3；电阻4，其连接到信号输入端3，用于 将合适的偏压加到输入信号上；电压源5，用于施加合适的偏压； FET(第一FET)6，其栅极连接到信号输入端3，源极连接到地电平2； FET(第二FET)7，其源极连接到FET 6的漏极；FET(第一FET)8， 其栅极连接到信号输入端3，源极连接到地电平2；FET(第二FET)9， 其源极连接到FET 8的漏极；负载电阻10，其一端同时连接到FET 7 的漏极和FET 9的漏极，另一端连接到电压源1，用于提取输出信号； 可变电压源11；控制电压发生电路12，它连接到FET 7的栅极、FET 9的栅极和可变电压源11，用于独立控制加到FET 7的栅极的电压 和加到FET 9的栅极的电压；信号输出端(信号输出部分)13，它连接 到FET 7的漏极和FET 9的漏极。可变电压源11和控制电压发生电 路12共同组成第一电压控制装置，用于控制加到FET 7的栅极的电 压。可变电压源11和控制电压发生电路12也共同组成第二电压控 制装置，用于独立于第一电压控制装置来控制加到FET 9的栅极的 电压。在本实施例中，FET 6的栅极宽度和FET 8的栅极宽度等于10(μ m)。
以下描述可变增益放大器的工作。
假设用Vagc表示可变电压源11的电压，用Vcon1表示加到FET 7的栅极的栅极控制电压，用Vcon2表示加到FET 9的栅极的栅极控 制电压。首先，将在下文中描述控制图1所示可变增益放大器的栅 极的过程，其中栅极控制电压Vcon1和栅极控制电压Vcon2彼此相 等。如果具有相同电特性的FET彼此并联连接，那么它们具有与栅 极宽度是其两倍的FET相同的电特性。因此，当由相同电压控制FET 时，提供图12所示曲线Wg＝20(μm)所指示的IIP3特性。总体上， PG特性和NF特性也与Wg＝20(μm)时给出的那些特性基本相同。 因此，PG＝10dB，NF＝6dB，IIP3＝19dBm(当增益为最大值时)， 并且IIP3＝25dBm(当增益衰减15dB时)。
以下描述控制可变增益放大器的栅极的过程，其中独立(分开)控 制栅极控制电压Vcon1和栅极控制电压Vcon2。图2是说明控制栅 极控制电压的过程的图表，图3是示出绝对增益和IIP3之间关系的 图表。给出图3作为图12中所示曲线图的修改，该修改是通过将IIP3 特性的水平轴所表示的变量从增益衰减变为绝对增益来进行的。当 如图2所示控制栅极控制电压Vcon1和栅极控制电压Vcon2时，由 于当增益为最大值时将最大栅极电压加到FET 7和FET 9的栅极， 总体上，获得与当Wg＝20(μm)时给出的特性基本相同的特性。因 此，PG＝10dB，NF＝6dB，IIP3＝19dBm。当增益衰减15dB、Vcon2 ＝0(即加到FET 9的栅极的栅极电压为0)时，由FET 8和FET 9构 成的双栅极FET截止。关于IIP3特性，在图3中的曲线Wg＝10(μ m)上获得与-5dB的绝对增益对应的31dBm的IIIP3值。即，当增益 为最大值时获得的PG特性和NF特性为当Wg＝20(μm)时给出的特 性，当增益衰减时获得的IIP3特性为当Wg＝10(μm)时给出的特性。
根据如上所述的第一实施例，可变增益放大器具有：包括用于 接收输入信号的FET 6和与FET 6级联的FET 7的双栅极FET；包 括用于接收输入信号的FET 8和与FET 8级联的FET 9的双栅极 FET；第一电压控制装置，用于控制加到FET 7的栅极的栅极控制电 压Vcon1；以及第二电压控制装置，用于独立于第一电压控制装置来 控制加到FET 9的栅极的栅极控制电压Vcon2，FET 6和FET 8的各 个源极彼此相连，FET 7和FET 9的各个漏极彼此相连，用于提取输 出信号。因此，当由第一电压控制装置和第二电压控制装置适当控 制栅极控制电压Vcon1和栅极控制电压Vcon2时，满足增益为最大 值时对PG特性和NF特性的要求，并且满足增益衰减时对IIP3特性 的要求。
在第一实施例中，彼此并联连接的双栅极FET的数量是2。然 而，可将三个或三个以上双栅极FET彼此并联连接以总体上提供可 变增益放大器。根据这样的修改，在每个双栅极FET中，分开地控 制连接到用作第二FET的FET的各个栅极的电压控制装置，如同上 述FET 7和FET 9一样，以适合的组合施加栅极控制电压，用于改 善可变增益放大器的特性。
在第一实施例中，如图2所示，在分开的电压变化范围内控制 栅极控制电压Vcon1和栅极控制电压Vcon2。特别地，在栅极控制 电压Vcon1达到最大值以后，栅极控制电压Vcon2增大，或者在栅 极控制电压Vcon2变为零以后，栅极控制电压Vcon1降低。然而， 用于根据本发明的可变增益放大器的栅极控制过程并不局限于以上 过程。相反，可以在重叠的电压变化范围内控制栅极控制电压Vcon1 和栅极控制电压Vcon2。图4说明控制栅极控制电压的另一个过程。 在图4中，如同第一实施例一样，在栅极控制电压Vcon1的变化和 栅极控制电压Vcon2的变化之间提供一定的延时，用于改善增益衰 减时的失真特性IIP3，而不损害当增益为最大值时关于增益PG和噪 声指数NF的特性。上述重叠的电压变化范围使可变电压源11的电 压Vagc和增益衰减在某种程度上彼此线性相关，用于使控制增益容 易，并降低当增益衰减大约2dB时的IIP3退化。
在第一实施例中，由于相同的栅极长度和相同的栅极宽度，FET 6 和FET 8具有相同的电特性，然而，FET 6和FET 8可具有不同的电 特性。例如，可以改变栅极长度Lg和栅极宽度Wg以便用不同的配 置构成FET 6和FET 8，用于进一步改善增益衰减时的IIP3。此外， 虽然在第一实施例中用于控制栅极控制电压Vcon1的第一电压控制 装置和用于控制栅极控制电压Vcon2的第二电压控制装置可独立地 工作，但是在实现上述操作和优点的限度内，可使这些电压控制装 置在某种程度上彼此相关。彼此相关的电压控制装置可以减少用于 简化总体布置的控制参数。
以下描述第一实施例的修改。
图5是电路图，示出根据本发明的第一实施例的修改的可变增 益放大器的布置。图5中与图1中相同的那些标号表示相同或对应 的部分，以下不再描述。可变增益放大器具有：NPN晶体管(双极型 晶体管)21，其发射极连接到FET 6的漏极；NPN晶体管(双极型晶体 管)22，其发射极连接到FET 8的漏极；可变电压源(电压控制装置)23， 连接到NPN晶体管21的基极，用于控制加到其基极的电压Vcon1； 以及可变电压源(电压控制装置)24，连接到NPN晶体管22的基极， 用于控制加到其基极的电压Vcon2。如同图1所示的可变增益放大器 一样，NPN晶体管21和NPN晶体管22各自的集电极彼此相连。级 联的FET 6和NPN晶体管21以及级联的FET 8和NPN晶体管22 构成要求保护的各个可变增益放大元件。可变增益放大元件对应于 图1所示的可变增益放大器中的双栅极FET。图5所示的可变增益 放大器的工作和图1所示的可变增益放大器的工作相同，以下不再 描述。由于双极型晶体管和用于接收输入信号的FET级联，从FET 的漏极所看到的FET的阻抗降低，因此由AC信号引起的FET的漏 极-源极电压Vds的变化减小，改善了输出信号的失真特性。
第二实施例
图6是电路图，示出根据本发明的第二实施例的可变增益放大 器的布置。图6中与图1中相同的标号表示相同或对应的部分，以 下不再描述。可变增益放大器具有：可变电压源(电压控制装置)31， 连接到FET 7的栅极用于控制加到其栅极的电压Vcon1；可变电压源 (电压控制装置)32，连接到FET 9的栅极用于控制加到其栅极的电压 Vcon2；电阻33，插在信号输出端13与信号输入端3之间；以及电 阻34，插在信号输入端3和地电平2之间。这样通过电阻33将电压 反馈通路连接在信号输出端13和信号输入端3之间，用于施加电压 反馈栅极偏置，从而抑制由FET的制造公差所引起的漏极电流的变 化，以便稳定电路工作。
第三实施例
图7是电路图，示出根据本发明的第三实施例的可变增益放大 器的布置。在图7中，可变增益放大器具有：电压源41；地电平42； 第一信号输入端43；第二信号输入端44，用于输入反相信号，该信 号是输入到第一信号输入端43的信号的反相形式；电阻45，连接到 第一信号输入端43，用于将合适的偏压加到输入信号上；电阻46， 连接到第二信号输入端44，用于将合适的偏压加到反相输入信号上； 电压源47，连接到电阻45和电阻46，用于施加合适的偏压；FET(第 一FET)48，其栅极连接到第一信号输入端43，源极连接到地电平42； FET(第二FET)49，其源极连接到FET 48的漏极；FET(第一FET)50， 其栅极连接到第一信号输入端43，源极连接到地电平42；FET(第二 FET)51，其源极连接到FET 50的漏极；负载电阻52，其一端同时连 接到FET 49的漏极和FET 51的漏极，另一端连接到电压源41，用 于提取输出信号；信号输出端53，其连接到FET 49的漏极和FET 51 的漏极；FET(第三FET)54，其栅极连接到第二信号输入端44，源极 连接到地电平42；FET(第四FET)55，其源极连接到FET 54的漏极； FET(第三FET)56，其栅极连接到第二信号输入端44，源极连接到地 电平42；FET(第四FET)57，其源极连接到FET 56的漏极；负载电 阻58，其一端同时连接到FET 55的漏极和FET 57的漏极，另一端 连接到电压源41，用于提取反相输出信号；信号输出端59，其连接 到FET 55的漏极和FET 57的漏极；第一可变电压源(电压控制装 置)60，其连接到FET 49的栅极和FET 55的栅极，用于控制加到其 栅极的电压Vcon1；以及第二可变电压源(电压控制装置)61，其连接 到FET 51的栅极和FET 57的栅极，用于控制加到其栅极的电压 Vcon2。
如FET 48的第一FET和如与FET 48级联的FET 49的第二FET 共同构成第一双栅极FET，用作可变栅极放大元件，用于放大输入 信号。如FET 54的第三FET和如与FET 54级联的FET 55的第四FET 共同构成第二双栅极FET，用作可变栅极放大元件，用于放大反相 输入信号。从图7所示的电路图可看出，第一双栅极FET的数量和 第二双栅极FET的数量彼此相同，以便提供输入信号和输出信号之 间的平衡。提供如可变电压源60、61的电压控制装置，其数量等于 第一双栅极FET和第二双栅极FET的数量，并将相同的栅极电压加 到第二FET和第四FET，例如与FET 49和FET 55一样，第二FET 和第四FET彼此相关联。为了提供输入信号和输出信号之间的平衡， FET 48、FET 50、FET 54和FET 56(这些FET的栅极被提供有输入 信号)具有基本相同的电特性，并且FET 49、FET 51、FET 55和FET 57(这些FET的栅极被提供有控制电压)也具有基本相同的电特性。
采用以上布置，由FET 48、49、50、51和可变电压源60、61 构成的用于放大输入信号的可变增益放大器，以及由FET 54、55、56、 57和可变电压源60、61构成的用于放大反相输入信号的可变增益放 大器可在增益控制范围内提供相同的栅极。因此，可将平衡信号输 入到可变增益放大器以及从可变增益放大器输出平衡信号，用于改 善二阶失真并消除共模噪声。
根据上述第一到第三实施例的可变增益放大器并不限制本发 明，而仅仅是说明性的。本发明的技术范围由权利要求的范围确定， 可以在权利要求所定义的技术范围内作出不同的设计改变。例如， 虽然在以上实施例中采用NMOS晶体管作为FET，但是由于与上述 相同的优点，也可采用PMOS晶体管作为FET。
根据本发明，如上所述，由于多个双栅极FET彼此并联连接， 其中每个双栅极FET具有栅极用于接收输入信号的第一FET和与第 一FET级联的第二FET，并且可从对应的电压控制装置将电压分开 地加到第二FET，通过适当控制各个电压控制装置所施加的栅极控 制电压，可以改善增益衰减时的失真特性IIP3，而不损害当增益为 最大值时的增益和噪声指数。
根据本发明，由于多个可变增益放大元件彼此并联连接，其中 每个可变增益放大元件包括栅极用于接收输入信号的FET和与FET 级联的双极型晶体管，并且可从对应的电压控制装置将电压分开地 加到双极型晶体管，通过适当控制各个电压控制装置所施加的基极 控制电压，可改善增益衰减时的失真特性IIP3，而不损害当增益为 最大值时的增益和噪声指数。由于双极型晶体管与用于接收输入信 号的FET级联，从FET的漏极看见的FET的阻抗降低，因此由AC 信号引起的FET的漏极-源极电压Vds的变化减小，使得输出信号的 失真特性得以改善。
根据本发明，由于用于接收输入信号的各FET具有基本相同的 电特性，双栅极FET的关于PG、NF和IIP3的特性随电压控制装置 输出的电压的改变而一致地改变。由于可以容易地识别根据从电压 控制装置输出的控制电压的各种组合的电路特性，可容易地执行可 变增益控制。
根据本发明，由于用于接收输入信号的FET中的至少一个具有 与用于接收输入信号的FET中的其它一个或多个的电特性不同的电 特性，因此，可进一步改善增益衰减时的失真特性IIP3。
根据本发明，由于可变增益放大器具有使信号输入部分和信号 输出部分互连的电压反馈通路，所以为稳定的电路工作抑制了由FET 的制造公差引起的漏极电流的变化。
根据本发明，由于多个第一双栅极FET(每个包括栅极用于接收 输入信号的第一FET和与第一FET级联的第二FET)彼此并联连接， 多个第二双栅极FET(每个包括栅极用于接收反相输入信号的第三 FET和与第三FET级联的第四FET)彼此并联，并且可从对应的电压 控制装置将各电压分开地加到第二FET的栅极和第四FET的栅极， 第二FET和第四FET彼此相关联，所以由第一双栅极FET构成的用 于放大输入信号的可变增益放大器和由第二双栅极FET构成的用于 放大反相输入信号的可变增益放大器在增益控制范围内具有相同的 增益。因此，可将平衡信号输入可变增益放大器以及从可变增益放 大器输出平衡信号，以便改善二阶失真并消除共模噪声。