JPH08237062A - pnダイオードを用いた電圧制御アッテネータ - Google Patents

pnダイオードを用いた電圧制御アッテネータ

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JPH08237062A
JPH08237062A JP7331273A JP33127395A JPH08237062A JP H08237062 A JPH08237062 A JP H08237062A JP 7331273 A JP7331273 A JP 7331273A JP 33127395 A JP33127395 A JP 33127395A JP H08237062 A JPH08237062 A JP H08237062A
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JP
Japan
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attenuator
analog
diode
attenuator according
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JP7331273A
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Roger A Fratti
アンソニー フラッチ ロジャー
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AT&T Corp
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    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H7/00Multiple-port networks comprising only passive electrical elements as network components
    • H03H7/24Frequency- independent attenuators
    • H03H7/25Frequency- independent attenuators comprising an element controlled by an electric or magnetic variable
    • H03H7/253Frequency- independent attenuators comprising an element controlled by an electric or magnetic variable the element being a diode
    • H03H7/255Frequency- independent attenuators comprising an element controlled by an electric or magnetic variable the element being a diode the element being a PIN diode

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  • Attenuators (AREA)
  • Control Of Amplification And Gain Control (AREA)
  • Networks Using Active Elements (AREA)
  • Non-Reversible Transmitting Devices (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 全体に集積化されたアナログ電圧制御アッテ
ネータを提供する。 【解決手段】 完全集積化されたRFアッテネータは、
シリコンに合わないPINダイオードを使用することな
く受信RF信号に基づく利得制御を実行する。このアッ
テネータは、電流源と共にT型パッドを含む。直流信号
はT型パッドの分路素子をバイアスする。好適には、直
流電流を制御する電圧制御信号は、アッテネータ出力か
ら検出されたRFの大きさに比例する負帰還信号として
発生する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は全体的に集積化され
たアナログ電圧制御アッテネータに関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】無線周
波(RF)信号アッテネータは典型的にCATVやビデ
オ用途に用いられている。したがって、RFアッテネー
タは、広帯域幅、例えば1メガヘルツ以下からギガヘル
ツ範囲までにわたって動作し、1dBの分数までの精度
を示さなければならない。RFアッテネータは、RF信
号減衰を制御する自動利得制御をの使用を含んでも含ま
なくても良い。自動利得制御がある場合は、アッテネー
タからのRF信号出力は、例えば過大信号による飽和を
防ぐために、信号の入力振幅にかかわらず特定の振幅に
一定に維持される。RFアッテネータは、典型的に、1
つまたは数個のT型アッテネータまたはパイ型アッテネ
ータ部を使用し、アッテネータ部を選択または側路する
電子スイッチング素子を含む。PINダイオードはスイ
ッチングを提供するためにしばしば用いられる。PIN
ダイオードはオフ状態で低容量を示し、したがって高速
スイッチングに理想的である。例えば、1992年11
月16日発行の米国特許第4,359,699 号を参照された
い。
【0003】T型パッドまたはπ型アッテネータ部は、
典型的に、受信RF信号の過大部分を接地に分路するた
めの可変抵抗を含む。PINダイオードは、高速スイッ
チング素子として用いられるが、このような可変抵抗を
提供するためにも使用される。PINダイオードの抵抗
はその中を流れるバイアス電流量に比例して変化する。
PINダイオードをベースとしたアッテネータの例は次
の特許に開示されている。すなわち、1993年12月
14日発行の米国特許第5,270,824 号、1993年4月
20日発行の米国特許第5,204,643 号、1992年6月
30日発行の米国特許第5,126,703 号、1987年3月
31日発行の米国特許第4,654,610 号、1992年8月
18日発行の米国特許第5,140,200 号である。
【0004】しかしながら、PINダイオードベースの
アッテネータは、広範囲に使用されているが問題が無い
わけではない。例えば、PINダイオード特性の中心周
波数はPINダイオードの抵抗の変化に従って変化す
る。さらに、PINダイオードは、調整電圧特性の関数
として非直線的な減衰を示し、非直線性の調整のために
複雑な回路を必要とする。さらに、PINダイオード
は、ルーティング及びスペース割当ての複雑さのみなら
ず、基板抵抗率がイオン注入シリコンプロセスで形成さ
れる場合の固有層として有効になるほど十分に高くない
ため、既存のシリコン技術、特に集積アナログ電圧制御
アッテネータに容易に組み込めない。さらに、たとえ基
板抵抗率が十分に高くても、注入物からの拡散と、後続
のシリコン製作プロセス中の焼きなましが、十分に制御
された固有領域の形成を許さない。
【0005】
【課題を解決するための手段】CATVやビデオ用途の
ためのRF信号減衰を提供する従来方法は、多量の受信
RF信号を分路するためのPINダイオードの抵抗の可
変を含む。しかしながら、PINダイオードは既存のシ
リコン技術に集積することができない。完全に集積化さ
れたRF電圧制御アッテネータは、シリコンに合わない
PINダイオードを必要とすることなく動作する本発明
によって提供される。このRFアッテネータは、広帯域
幅にわたって直線的に印加された調整電圧にしたがって
直線的な減衰特性を示す。その通り実行するために、p
n接合ダイオードが集積回路の一部として備えられ、回
路のRF出力の振幅を制御する。
【0006】好適な実施例では、アッテネータ出力信号
の振幅は、RFアッテネータ内で行われる自動利得制御
の使用により規定レベルに一定かつ精密に維持される。
アナログすなわちRF自動利得制御は、T型パッドアッ
テネータ分路素子の可変抵抗を調整して信号利得を維持
する。信号減衰は、バイアスとしてそれに供給されるD
C信号IDCの大きさにしたがう分路素子の可変抵抗にし
たがって変化する。RF分路素子は好適にはpn接合ダ
イオードであり、したがって、既存のシリコン技術でア
ッテネータ内に集積することができる。IDCは電圧制御
信号VDCの振幅に正比例して発生し、この制御信号はR
F出力から帰還される。VDCはRF出力信号の振幅に正
比例する。シリコンに合わないPINダイオードのよう
な従来の分路素子を具備する必要性は、集積されたpn
接合ダイオードの使用によって除去される。
【0007】
【発明の実施の形態】自動利得制御回路は、従来、種々
の受信信号のレベルの変化を補正するために受信機のフ
ロントエンドに用いられる。受信機内で、自動利得制御
回路は受信IF信号の振幅を検出する。そこでは、IF
信号の振幅に比例してDC電圧が発生する。このDC電
圧信号はフロントエンドの入力段に帰還され、受信IF
信号(を調整または減衰するため)にある利得を与え
る。より詳細には、このDC電圧信号は、例えばPIN
ダイオードをバイアスする電流を発生させるために用い
られる。PINダイオードはフロントエンド段から接地
へ接続され、信号が過大になった場合に受信RF信号の
ある程度の部分を流す。
【0008】本発明のRFアッテネータの概略ブロック
図は図1に示される。ここに示された発明は、制御され
る電流源20に電気的に接続されたRFT型パッド部1
0を含む。RFT型パッド部10は、アナログすなわち
RF信号が入力されるポートRFInと、受信信号の利得
調整された変形を出力するポートRFOUT を含む。アナ
ログすなわちRF信号はRFT型パッドに入力され、も
し必要なら、ポートRFOUT が接続される受信機回路の
飽和を防ぐためにRFT型パッド内で減衰される。その
通り実行するために、過大な受信RF信号電力の一部は
制御電流信号IDCにしたがって分路される。
【0009】T型パッド内のパッドすなわち分路素子は
pn接合ダイオードD1 を含み、そのためアッテネータ
は完全に集積化することができる。電流制御信号I
DCは、制御される電流源内でその入力ポートPC に供給
される電圧制御信号VDCに比例して発生する。IDCはT
型パッド部で与えられる減衰度を制御する。IDCすなわ
ち減衰量は、自動利得制御(好適な実施例に関してより
詳細に説明され、RF出力信号の大きさに従って減衰レ
ベルを調整する)の使用により本発明内に提供すること
ができる。
【0010】図2は、図1に示されたアッテネータの詳
細変形図である。図2において、図1の制御される電流
源20は電圧制御される電流源20′で置き換えられて
いる。電圧制御される電流源20′は、電圧制御ポート
C 、電源VCC、及びRFT型パッド部10のDC入力
ポートDCINに電気的に接続されている。
【0011】RFT型パッド部10は、第1のDC遮断
コンデンサCIN及び第1の抵抗RINを介してRF分路素
子すなわち接合ダイオードD1 のアノード端子に接続さ
れたRF入力ポートRFINを含む。また、接合ダイオー
ドD1 のアノード端子は、第2の抵抗ROUT 、第2のD
C遮断コンデンサCOUT 及びRF出力ポートRFOUT
も電気的に接続されている。ダイオードD1 のカソード
端子は接地に接続されている。
【0012】分路素子すなわち接合ダイオードD1 を流
れる電流IDCは接合抵抗で限定される。IDCは、接合ダ
イオードD1 のアノード端子へのDCINを介してT型パ
ッド10に流れ込む。IDCは、電圧制御ポートPC に供
給される電圧制御信号VDCの大きさを調整することによ
り制御される。DC遮断コンデンサはIDCがRF入力及
び出力の方へ流れるのを防止し、そのため、実質的にI
DCの全部がpn接合ダイオードD1 へ向けられる。接合
ダイオードの抵抗値はそれにより調整される。
【0013】上述のように、VDCは、好適には、RF出
力ポートから検出されるRF信号の振幅に比例して発生
し、本質的に自動利得制御のための帰還ループを形成す
る。しかしながら、本発明は、RF出力信号の振幅を調
整する自動利得制御を要するアッテネータに限らない。
DCの変化はIDCを変化させ、それだけがRF出力信号
の振幅を制御するために必要とされる。VDCは、当業者
に知られている手段で発生し、電圧制御ポートPC に供
給することができる。
【0014】図3Aは、全シリコン集積デザインとして
容易に実行される、図2のRFアッテネータ回路の詳細
な概略回路図である。電圧制御される電流源20′は次
の通り減衰制御信号IDCを発生する。電圧制御信号VDc
は電圧制御ポートPC に供給される。抵抗R1 を横切る
Dcは、NPNトランジスタQ1 のベースに流れるバイ
アス電流を発生する。ベース電流に応じてQ1 のコレク
タに発生する電流は本質的にIDCを限定する。トランジ
スタQ1 のエミッタは抵抗R2 を介してAC接地に接続
され、ICQ1 を流す。コレクタ電流ICQ1 はダイオード
接続されたNPNトランジスタQ2 のエミッタから流れ
る。この電流はダイオード接続されたNPNトランジス
タQ3 のエミッタからQ2 のコレクタに流れる。両トラ
ンジスタQ2 及びQ3 はダイオード接続されている。B
JTトランジスタすなわちトランジスタQ2 及びQ3
のNPNのベース及びコレクタの短絡は、トランジスタ
のiE −vBEと同じi−v特性を示す2端子素子にな
る。このように接続されたBJTトランジスタは能動モ
ード(vCB=0は能動モード動作を与える)のままにな
るので、コレクタ及びベースに流れる電流はトランジス
タβにしたがって分割される。
【0015】トランジスタQ3 のコレクタ及びベース
は、PNPトランジスタQ5 のベースばかりでなくPN
PトランジスタQ4 のコレクタ及びベースの両方に接続
されている。トランジスタQ4 及びQ5 はカレントミラ
ーを形成する。したがって、(制御電圧信号VDCに比例
する)トランジスタQ4 を流れる電流はトランジスタQ
5 に反映され、IDCを限定する。トランジスタQ4 及び
5 は整合されたトランジスタであり、Q4 はダイオー
ド接続されている。トランジスタQ5 が能動のままにな
っている限り、Q5 のコレクタを流れる電流は、VCC
関係なく常にQ4を流れる電流に等しくなる。また、ト
ランジスタQ4 及びQ5 のエミッタは、RFチョークL
1 を介してVCCに、また側路コンデンサC3 を介して接
地に電気的に接続されている。
【0016】バイアス電流IDCは、トランジスタQ5
コレクタから、ダイオード接続されたトランジスタQ6
−Q13の配列で形成される能動負荷AL1 に流れる。ト
ランジスタQ13すなわち配列中の最後のトランジスタの
エミッタはダイオードD1 に接続されている。ダイオー
ドD1 はダイオード接続されたトランジスタQ14のベー
ス−エミッタ接合になる。それに応じて、IDCはVDC
従ってダイオードD1をバイアスする。
【0017】能動負荷AL1 のより詳細な図面は図3B
に表わされる。バイアス電流は、NPNトランジスタQ
6 の(ダイオード接続された)コレクタ及びベースを介
して能動負荷に流れる。トランジスタQ6 のエミッタは
ダイオード接続されたNPNトランジスタQ7 に接続さ
れている。トランジスタQ7 のエミッタはダイオード接
続されたトランジスタQ8 に電気的に接続され、トラン
ジスタQ8 はそのエミッタからダイオード接続されたト
ランジスタQ9 に接続され、以下トランジスタQ13まで
すなわちQ9 −Q13まで同様である。IDCはQ13のエミ
ッタからダイオードD1 に流れる。
【0018】ダイオードD1 へのIDCの影響したがって
T型パッド10について次に説明する。RFINから入力
されたRF信号は、コンデンサCIN及びRINを介してダ
イオードD1 のアノードに通る。回路のその場所で、R
FはDCバイアスに乗せられ、RF出力経路と接地への
ダイオードD1 の間で分離する。D1 を流れるIDCはダ
イオード抵抗を変え、したがって接地に導かれる受信R
F信号の量を変える。RF信号の残りはROUT 及びC
OUT を介して(すなわちRFOUT を介して)AC負荷に
通る。制御ポートPC に供給される電圧制御信号V
DCは、好適にはRFOU T に表われるRF出力信号の振幅
に比例して発生する。
【0019】ダイオード接続されたトランジスタQ14
pn接合で与えられる可変減衰度は、不整合損失項を無
視すると、 k=Z0 /RPN+((Z02 /(RPN2 +1)1/2 となる。ここでZ0 =50オームであり、RPNは分路素
子、ダイオードD1 の抵抗値である。抵抗R1 を介する
トランジスタQ1 のBE接合の両端の制御電圧VDCに対
して、(VDCが接合点以上にある時)Q1 のコレクタを
流れる電流ICQ1(有効D1 制御電流IDC)は、 (VDC−0.7)/R2 となり、調整範囲の直線部分の制御電流となる。トラン
ジスタQ14のBE接合(ダイオードD1 )は、印加電圧
が約0.7ボルト以上の時、 VT /IDC となる。ここで、VT =(26×10-3)ボルトであ
る。したがって、分路素子D1 の減衰度は、 Z0DC/VT +[Z0 2 (IDC2 /VT 2+1]1/2 となる。従来のPIN接合の等価抵抗は、 VT /(IDC.87 である。従来のPINダイオードの減衰度は、 Z0 (IDC.87 /VT +[Z0 2(IDC1.74/VT 2
1]1/2 となる。pn接合ダイオードの式とPINダイオードの
式の比較から推論できるように、PINダイオード抵抗
値は非直線的に増加するばかりでなく、D1 の抵抗値よ
り少なく増加する。
【0020】本発明のRFアッテネータの好適な実施例
の機能ブロック図は図4に示される。このRFアッテネ
ータは、RF出力ポートRFOUT から帰還制御回路部2
5を介して電圧制御ポートPC に接続された帰還ループ
を含む。帰還制御部25は、RFOUT から検出されたR
F出力信号の大きさに比例するVDCを発生する。したが
って、VDCに従って電圧制御される電流源20′より供
給される制御電流IDCは、RF出力の高さに正比例す
る。RFOUT の信号が大き過ぎると、受信RF信号の利
得は減少し、RFOUT の信号が小さ過ぎると、受信RF
信号の利得は増加する。
【0021】図5は、pn接合ダイオードD1 で形成さ
れた本発明のアッテネータと、従来のPINダイオード
ベースのアッテネータに関する減衰度dB対制御電圧V
DCの比較グラフである。図面で明瞭にわかるように、V
T 当たりのpn接合ダイオード減衰度のグラフはPIN
ダイオードに関するものより直線的になっている。この
グラフは、完全集積化されたシリコンアッテネータを8
00MHzで検査して得られている。
【0022】図6は、多数の制御電圧VDCに関して10
MHzから1500MHzまでの本発明のRFアッテネ
ータについての掃引周波数挿入損失と帰還損失のグラフ
である。RFINからの受信信号に与えられる利得は、全
帯域幅にわたって実質的に直線的になる。図5及び図6
により、PINダイオードの代わりにpn接合ダイオー
ドを使用すると、より効果的で直線的な減衰度を与える
アッテネータが提供される。
【0023】上記の実施例は、特定のトランジスタと、
それに伴う回路に対応する制限で説明されたが、例示の
目的でのみ含まれ、本発明の範囲を制限することを意味
しない。本発明は請求の範囲で定義される通りにのみ制
限されるべきである。より詳細には、ここに提供された
RFアッテネータは、分路素子バイアスを与える電圧/
電流変換器を含むものとして説明されたが、本発明はそ
れによる構造に限らない。T型パッド内の分路素子に電
流バイアスを与えてRFアッテネータを制御するため
の、当業者に知られているいかなる手段も、本発明の範
囲及び精神から逸脱することなく使用することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のRF信号アッテネータの概略ブロック
図である。
【図2】図1に示されたアッテネータの概略回路図であ
る。
【図3A】図2に示されたアッテネータの詳細な概略図
である。
【図3B】図3Aの概略図の一部の拡大図である。
【図4】本発明のRFアッテネータの好適な実施例の概
略ブロック図である。
【図5】本発明の好適な実施例の減衰度対制御電圧のグ
ラフである。
【図6】本発明の好適な実施例の減衰度対周波数のグラ
フである。

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 RF信号の振幅を調整するための完全集
    積化されたRFアッテネータであって、 a)RF入力ポートと、 b)RF出力ポートと、 c)DC信号に比例して前記RF信号の利得を調整する
    利得調整手段であって、分路素子を含む利得調整手段
    と、 d)前記調整手段に前記DC信号を供給する手段とから
    なることを特徴とするアッテネータ。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のアッテネータにおいて、
    T型アッテネータ及びπ型アッテネータのうちの1つと
    同様に形成されているアッテネータ。
  3. 【請求項3】 請求項1記載のアッテネータにおいて、
    pn接合ダイオードを含むアッテネータ。
  4. 【請求項4】 請求項1記載のアッテネータにおいて、
    前記手段は前記分路素子からRF分離されているアッテ
    ネータ。
  5. 【請求項5】 請求項3記載のアッテネータにおいて、
    前記分路素子の抵抗値(Rpn)は前記pn接合ダイオー
    ドの両端電圧(VT )割る前記直流信号の大きさに等し
    く、VT は0.026ボルトに等しいアッテネータ。
  6. 【請求項6】 請求項5記載のアッテネータにおいて、
    前記減衰度は、 Z0 /Rpn+((Z02 (1/Rpn2 +1)1/2 に等しく、Z0 はシステムインピーダンスであり、Rpn
    は前記接合ダイオードのBE接合の抵抗値であるアッテ
    ネータ。
  7. 【請求項7】 請求項1記載のアッテネータにおいて、
    前記供給手段は電圧/電流変換器であるアッテネータ。
  8. 【請求項8】 請求項1記載のアッテネータにおいて、
    前記手段は、前記RF出力ポートから検出されたRF信
    号の大きさに比例する帰還制御として前記DC信号を供
    給するアッテネータ。
  9. 【請求項9】 電圧制御信号に基づいてRF信号の振幅
    を制御するアナログRF信号アッテネータであって、モ
    ノリシック集積回路内に集積可能であり、RF入力ポー
    トと、RF出力ポートと、RF分路素子を含み、信号利
    得量は、前記電圧制御信号の直線変化と共に前記RF信
    号に対して実質的に直線的に与えられることを特徴とす
    るアナログRF信号アッテネータ。
  10. 【請求項10】 請求項9記載のアナログRF信号アッ
    テネータにおいて、前記電圧制御信号は、前記RF出力
    ポートから検出された信号振幅に比例して信号発生手段
    で発生するアナログRF信号アッテネータ。
  11. 【請求項11】 請求項9記載のアナログRF信号アッ
    テネータにおいて、前記分路素子はpn接合ダイオード
    であるアナログRF信号アッテネータ。
  12. 【請求項12】 請求項9記載のアナログRF信号アッ
    テネータにおいて、前記電圧制御信号は電圧/電流変換
    器に供給されるアナログRF信号アッテネータ。
  13. 【請求項13】 請求項12記載のアナログRF信号ア
    ッテネータにおいて、前記変換器はカレントミラー及び
    能動負荷を含み、前記能動負荷は複数のダイオード接続
    されたトランジスタからなるアナログRF信号アッテネ
    ータ。
  14. 【請求項14】 請求項9記載のアナログRF信号アッ
    テネータにおいて、T構造及びπ構造のうちの1つと同
    様に形成されているアナログRF信号アッテネータ。
  15. 【請求項15】 請求項9記載のアナログRF信号アッ
    テネータにおいて、前記アッテネータの帯域幅は40乃
    至820MHzに及び、それにより実行される減衰度は
    0乃至12dBに及ぶアナログRF信号アッテネータ。
  16. 【請求項16】 請求項11記載のアナログRF信号ア
    ッテネータにおいて、前記減衰定数は、 Z0 /Rpn+((Z0 /Rpn2 +1)1/2 にほぼ等しく、Z0 はシステムインピーダンスであり、
    pnはpnダイオードの接合抵抗値であるアナログRF
    信号アッテネータ。
  17. 【請求項17】 請求項16記載のアナログRF信号ア
    ッテネータにおいて、RpnはVT /IC に等しく、VT
    は26×10-3ボルトであり、IDCはDC信号であるア
    ナログRF信号アッテネータ。
  18. 【請求項18】 請求項16記載のアナログRF信号ア
    ッテネータにおいて、前記アッテネータの動作の帯域幅
    は10乃至1500MHzに及ぶアナログRF信号アッ
    テネータ。
  19. 【請求項19】 請求項9記載のアナログRF信号アッ
    テネータにおいて、前記RF入力ポート及びRF出力ポ
    ートはDC遮断コンデンサを含むアナログRF信号アッ
    テネータ。
  20. 【請求項20】 請求項9記載のアナログRF信号アッ
    テネータにおいて、前記RF入力ポート及びRF出力ポ
    ートは可変抵抗を含むアナログRF信号アッテネータ。
JP7331273A 1994-12-21 1995-12-20 pnダイオードを用いた電圧制御アッテネータ Withdrawn JPH08237062A (ja)

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US08/360892 1994-12-21
US08/360,892 US5565823A (en) 1994-12-21 1994-12-21 Voltage controlled attenuator using PN diodes

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