CN111865233B - 带自适应相位补偿的超高增益宽带电路 - Google Patents

Abstract

一种带自适应相位补偿的超高增益宽带电路，应用于高频谐振器件，包括：多级信号放大模块，用于对输入信号进行逐级放大，自适应相位补偿模块，与多级信号放大模块并联，用于补偿输入信号在放大过程中的相移。本公开提供的电路为超高增益宽带电路，总相移为0度，采用了多电源、多地和级间隔直电容的结构，稳定性高，功耗低。

Description

带自适应相位补偿的超高增益宽带电路

技术领域

本公开涉及高频驱动电路技术领域，尤其涉及一种带自适应相位补偿的超高增益宽带电路。

背景技术

在5G、WiFi6和THz等新型高速无线通信系统中，收发机的射频、微波前端急需U波段乃至上GHz的参考频率源。传统的石英晶振的谐振频率普遍在200MHz以下，而具有高频高Q值特性的辐射轮廓式MEMS圆盘谐振器则有望满足此需求。由于该谐振器采用电容换能机制，其模态电阻非常大，一般为上百KΩ乃至MΩ，导致了非常高的插入损耗。为了补偿该插入损耗，需使用外围电路为该谐振器提供很高的跨阻增益，同时，外围电路在谐振频率处的总相移需要保持在0度附近，以满足MEMS振荡器的正反馈条件。一般地，将驱动电路的带宽设置在谐振频率的10倍或10倍以上可实现该电路的总相移为0度。这个方法对于谐振频率很低的MEMS圆盘谐振器，还比较容易实现。但对于谐振频率比较高的MEMS圆盘谐振器来说就很难实现，因为这要求外围电路既实现超高增益，又能具有较高的带宽，违背了基本的电路规律，而且即使实现了，外围电路也容易发生寄生振荡。因此，寻找能稳定工作的同时具有超高增益的宽带电路，就成为了一项极富有挑战性的工作。

发明内容

本公开提供了一种带自适应相位补偿的超高增益宽带电路，用以解决上述技术问题。

本公开的一个方面提供了一种带自适应相位补偿的超高增益宽带电路，应用于高频谐振器件，包括：多级信号放大模块，用于对输入信号进行逐级放大；自适应相位补偿模块，与所述多级信号放大模块并联，用于补偿所述输入信号在放大过程中的相移。

可选地，所述多级信号放大模块包括：第一放大器，用于将所述输入信号转换为电压信号；至少一个第二放大器，用于将所述电压信号进行放大；包括所述第一放大器、所述至少一个第二放大器在内的所有放大器之间均设有隔直电容。

可选地，所述自适应相位补偿模块包括：第三放大器，用于将所述输入信号转换为电压信号；至少一个第四放大器，用于将所述电压信号进行放大；可调谐移相器，用于补偿所述输入信号的相移；锁相环，用于将可调谐移相器的输出信号的相位锁定到所述输入信号的相位上，以及，调节所述可调谐移相器的可变电阻值；所述第三放大器、至少一个第四放大器、锁相环和可调谐移相器依次连接，且所述可调谐移相器与所述锁相环形成闭环；包括所述第三放大器、所述至少一个第四放大器在内的所有放大器之间均设有隔直电容。

可选地，所述第一放大器的带宽为所述高频谐振器件的谐振频率的1倍，所述至少一个第四放大器的总带宽为所述高频谐振器件的谐振频率的N倍。

可选地，所述第三放大器的带宽和所述至少一个第四放大器的总带宽均为所述高频谐振器件的谐振频率的N倍。

可选地，所述可调谐移相器包括：同相宽带放大器、第一反馈电阻、第二反馈电阻、数字电容阵列、数字电阻阵列、场效应管；所述同相宽带放大器的带宽为所述高频谐振器件的谐振频率的N倍；所述第一反馈电阻和第二反馈电阻的一端与所述同相宽带放大器的负输入端连接，所述第一反馈电阻另一端与所述同相宽带放大器的输出端连接，所述第二反馈电阻的另一端接地；所述数字电容阵列、数字电阻阵列均与所述同相宽带放大器的正输入端连接，分别受的第一数字信号、第二数字控制，所述场效应管的漏极与所述数字电阻阵列连接，源极接地，栅极受外接模拟信号控制。

可选地，所述第一放大器、所述第三放大器均使用第一电源供电，所述至少一个第二放大器、所述至少一个第四放大器、所述可调谐移相器、所述锁相环均使用第二电源供电，其中，所述第二电源与所述第一电源之间设有低压差稳压器。

可选地，所述第一放大器、所述第三放大器均通过第一地线接地，所述至少一个第二放大器、所述至少一个第四放大器、所述可调谐移相器、所述锁相环均通过第二地线接地。

可选地，所述电路还包括：测试缓冲器，输入端与所述电路的输出端连接，输出端与用于测试所述电路的外部测试仪器连接，用于使所述电路的阻抗匹配所述外部测试仪器。

可选地，所述测试缓冲器使用第三电源供电，所述第三电源的电压高于所述第一电源电压；所述测试缓冲器通过第三地线接地。

本公开提供的一种带自适应相位补偿的超高增益宽带电路至少具有以下有益效果：

(1)采用牺牲带宽换取增益的方法实现了超高增益的驱动电路；

(2)采用自适应相位补偿模块补偿了跨阻放大器的相移及其温漂，使电路的总相移为0度；

(3)采用多电源多地架构和级间隔直电容提高了驱动电路的稳定性；

(4)测试缓冲器采用高电源电压有助于降低测试结果的失真度。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1示意性示出了一种已公开的MEMS圆盘谐振器的超高增益的宽带电路的示意图；

图2示意性示出了本公开实施例提供的一种带自适应相位补偿的超高增益宽带电路的示意图；

图3示意性示出了本公开实施例提供的一种自适应相位补偿模块中的可调谐移相器的示意图；

210-多级信号放大模块，220-自适应相位补偿模块，211-第一放大器，212-至少一第二放大器，221-第三放大器，222-至少一个第四放大器，223-锁相环，224-可调谐移相器，2241-数字电容阵列，2242-数字电阻阵列，2243-场效应管，2244-同相宽带放大器，2245-第一反馈电阻，2246-第二反馈电阻，230测试缓冲器，240-隔直电容。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

图1示意性示出了一种已公开的MEMS圆盘谐振器的超高增益的驱动电路的示意图。

如图1所示，该驱动电路(半导体技术，2016年5月，第41卷，第5期，页码：335-340)由跨阻放大器、Cherry-Hooper放大器和测试缓冲器组成，其中，跨阻放大器用于将输入的电流信号I_in转换为电压信号，Cherry-Hooper放大器用于将该电压信号进行放大，测试缓冲器用于当测试该驱动电路时，使所述驱动电路与外部测试仪器连接匹配。

如图1所示的驱动电路，各个模块均设计为宽带，即将带宽设计在器件的谐振频率的10倍处，使输入信号经过该驱动电路放大后不产生相移，从而满足正反馈的相位条件。各个模块均采用1.8V电源供电，其中，跨阻放大器与Cherry-Hooper放大器之间采用隔直电容240连接，使得跨阻放大器和Cherry-Hooper放大器的直流点互不影响，同时，切断了电路直流点偏移的累积，保证了整个驱动电路正常工作。此外，该驱动电路还采用了宽带电流预放大技术、改进T型RC反馈技术以及基于电流复用的反相放大技术，以此来实现在超高增益的同时，尽可能的增大电路带宽。

当MEMS圆盘谐振器的模态电阻为400KΩ、谐振频率为150MHz、输出电流为1μA时，理论上，该谐振器需要驱动电路的总跨阻增益为120dBΩ，如果将电路带宽设置在谐振频率的10倍处，则驱动电路的带宽应为1.5GHz。然而，技术人员对该驱动电路进行流片测试后发现，该电路容易发生寄生振荡，而且增益和带宽都没有达到预期，实现的跨阻增益仅为73dBΩ，电路整体带宽为163MHz。

基于上述方案的技术问题，本公开提出了一种带自适应相位补偿的超高增益宽带电路，该电路具有高增益带宽，且电路稳定。

图2示意性示出了本公开实施例提供的一种带自适应相位补偿的超高增益宽带电路的示意图。

如图2所示，本公开提供了一种带自适应相位补偿的超高增益宽带电路，应用于高频谐振器件，包括：多级信号放大模块210，自适应相位补偿模块220。

多级信号放大模块210，用于对输入信号进行逐级放大。

自适应相位补偿模块220，与多级信号放大模块210并联，用于补偿输入信号在放大过程中的相移。

可选地，高频谐振器件可以为MEMS谐振器，也可以为其他高频传感器件。

在本公开实施例中，输入信号经过多级信号放大模块210放大的同时，同时被自适应相位补偿模块220进行相移补偿，然后输出至高频谐振器件的输入端，实现对MEMS谐振器或者高频传感器件的驱动。

可选地，输入信号可以为电流信号或电压信号。

在本公开其中一个实施例中，多级信号放大模块210包括：第一放大器211，至少一个第二放大器212。

第一放大器211，用于将输入信号转换为电压信号。

至少一个第二放大器212，用于将电压信号进行放大。

包括第一放大器211、至少一个第二放大器212在内的所有放大器之间均设有隔直电容240。

在各放大器之间设置隔直电容240，可以阻止各放大器之间的直流电压，仅通过交流电压对输入信号进行逐级传输，使输入信号不受直流电压的影响，同时，使隔直电容240前后连接的两个放大器之间的直流偏置隔离，互不干扰，也省去了直流失调校准电路，提高了电路的稳定，降低了功耗。通过在各放大器之间设置隔直电容240，可有效解决电路中出现直流漂移的问题。

可以理解的，输入信号可以为电流信号、电压信号、电容变化量等，相应的，第一放大器211可以为跨阻放大器、电压放大器、电荷放大器、电容放大器等，用于将输入信号转换为与第二放大器212的输入类型匹配的信号。

可选地，至少一个第二放大器212可以为Cherry-Hooper放大器，也可以为其他类型的电压放大器。

在本公开其中一个实施例中，自适应相位补偿模块220包括：第三放大器221、至少一个第四放大器222、锁相环223和可调谐移相器224。

第三放大器221，用于将输入信号转换为电压信号。

至少一个第四放大器222，用于将所述电压信号进行放大。

可调谐移相器224，用于补偿所述输入信号的相移。

锁相环223，用于将可调谐移相器224的输出信号的相位锁定到所述输入信号的相位上，以及，调节所述可调谐移相器224的可变电阻值。

第三放大器221、至少一个第四放大器222、锁相环223和可调谐移相器依次连接，且可调谐移相器与锁相环223形成闭环。

如图2所示，输入信号经第三放大器221转换为电压信号输入该自适应相位补偿模块220，经至少一个第四放大器222放大后，经锁相环223和可调谐移相器224调谐相移量，用于补偿输入信号经多级信号放大模块210放大后，由第一放大器211引起的相移。

包括第三放大器221、至少一个第四放大器222在内的所有放大器之间均设有隔直电容240。

可以理解的，第三放大器221的类型与第一放大器211的类型相同，第四放大器222的类型与第二放大器212的类型相同，用于使输入信号在多级信号放大模块210和自适应相位补偿模块220之间的转换类型相同，便于比较，以便于补偿输入信号在多级信号放大模块210中的相移。

在自适应相位补偿模块220中的各放大器之间设置隔直电容240的效果与多级信号放大模块210中各放大器之间设置隔直电容240的效果相同，在此不做赘述。

需要说明的是，多级信号放大模块210第一放大器211的带宽为高频谐振器件的谐振频率的1倍，至少一个第二放大器212的总带宽为高频谐振器件的谐振频率的N倍。

同时，第三放大器221的带宽和至少一个第四放大器222的总带宽均为高频谐振器件的谐振频率的N倍。

一般的将驱动电路的带宽设置在谐振频率的10倍或10倍以上可实现该电路的总相移为0度。以下参阅图2，对自适应相位补偿模块220给多级信号放大模块210的相移补偿进行如下说明，其中，N＝10、第一放大器211为跨阻放大器、第二放大器212为Cherry-Hooper放大器、第三放大器221为宽带跨阻放大器、第四放大器222为Cherry-Hooper放大器。

参阅图2，为了实现超高增益，在多级信号放大模块210中，跨阻放大器的带宽设置在1倍谐振频率处，而非10倍谐振频率，以此换取10倍的跨阻增益提升；Cherry-Hooper放大器采用宽带设计，其带宽设计在10倍谐振频率处，以不引入额外相移。为了实现驱动电路整体的总相移为0的目标，自适应相位补偿模块220中，宽带跨阻放大器的带宽设计在10倍频率处，但不必要求高增益，以此保证其不引入额外相移；Cherry-Hooper放大器采用宽带设计，其带宽设计在10倍谐振频率处，以不引入额外相移；在多级信号放大模块210的Cherry-Hooper放大器后面加入可调谐移相器224，以补偿多级信号放大模块210的跨阻放大器引入的约45度滞后相移量。为了实现精确补偿和实时补偿，可调谐移相器224的输出通过一个锁相环223，将其相位锁定在自适应相位补偿模块220的宽带跨阻放大器的输入信号的相位上；锁相环223的参考信号来自于自适应相位补偿模块220的宽带跨阻放大器和Cherry-Hooper放大器的级联输出。

如图3所示，在本公开其中一个实施例中，可调谐移相器224包括：数字电容阵列2241、数字电阻阵列2242、场效应管2243、同相宽带放大器2244、第一反馈电阻2245、第二反馈电阻2246。其中，同相宽带放大器2244的带宽为高频谐振器件的谐振频率的N倍；第一反馈电阻2245和第二反馈电阻2246的一端与同相宽带放大器2244的负输入端连接，第一反馈电阻2245另一端与同相宽带放大器2244的输出端连接，第二反馈电阻2246的另一端接地；数字电容阵列2241、数字电阻阵列2242均与同相宽带放大器2244的正输入端连接，分别受的第一数字信号、第二数字控制，场效应管的漏极与数字电阻阵列2242连接，源极接地，栅极受外接模拟信号控制。

参阅图3，同相宽带放大器2244的增益由第一反馈电阻2245和第二反馈电阻2243设定，其带宽相应设置在10倍谐振频率处，以不引入额外相移；通过外接数字电路控制的数字电容阵列2241和数字电阻阵列2242实现对输入信号的45度的超前相移量补偿，由工作于深度线性区的场效应管2243来完成对该相移量的实时、精细调整。其中，场效应管2243实现对该相移量的实时、精细调整使通过调控场效应管2243的栅极电压Vctrl实现的，当栅极电压Vctrl变化时，场效应管2243的等效漏源电阻值就会发生变化，再结合与可调谐移相器224构成的一个闭环的负反馈电路的锁相环223，即可实现精确地实时相移补偿。

在本公开实施例中，第一放大器211、第三放大器221均使用第一电源供电，至少一个第二放大器212、至少一个第四放大器222、可调谐移相器224、锁相环223均使用第二电源供电，其中，第二电源与第一电源之间设有低压差稳压器。

如图2所示，第一电源、第二电源分别为1.8V、1.2V，第一放大器211单独接地，第二放大器212与可调谐移相器224共同接地，可以理解的，出于使图示简洁的目的，图2中未将第三放大器221与第一电源连接、第四放大器与第二电源连接的关系表示出来。需要说明的是，根据高频谐振器件的不同，第一电源、第二电源的电压根据实际情况相应可以调整。

第一放大器211、第三放大器221均通过第一地线接地，第一放大器211、至少一个第四放大器222可调谐移相器224、锁相环223均通过第二地线接地。

如图2所示，出于使图示简洁的目的，图中也未将第三放大器221通过第一地线接地、第四放大器222通过第二地线接地、锁相环223均通过第二地线接地表示出来。

对于超高增益的宽带电路来说，任何耦合到电路输入端的信号都能引发寄生振荡。在本公开实施例中，第一电源与第一地线、第二电源与第二地线是对应的关系，各放大器构成的多电源、多地架构切断了经过电源和地的耦合通路，增强了电路的稳定，多电源结构还有助于灵活分配各模块的功耗，实现最低功耗。

在本公开实施例中，电路还包括：测试缓冲器230，输入端与电路的输出端连接，输出端与用于测试电路的外部测试仪器连接，用于使电路的阻抗匹配外部测试仪器。测试缓冲器230使用第三电源供电，第三电源的电压高于第一电源电压；测试缓冲器230通过第三地线接地。测试缓冲器230采用高电源电压，使其有能力输出更大电流，驱动更大的负载；同时也降低了输出信号的失真，增大了信号的摆幅，从而保证了测试结果的真实性和可信度。

参阅图2，测试缓冲器230使用3.3V的电源供电，且独立接地。其中，由于测试缓冲器230的电源独立且电压较高，可通过合理设置测试缓冲器的内部负载电阻和偏置电流，可以将电路调控在最佳状态。

在上述实施例中，本公开实施例提供的一种带自适应相位补偿的超高增益宽带电路的输出信号均为电压信号进行说明，可以理解的是，本公开实施例提供的一种带自适应相位补偿的超高增益宽带电路的输入信号还可以为电流信号等其他类型的输入，相应的在电路中增加转换电路即可实现。

综上所述，本公开提供了一种带自适应相位补偿的超高增益宽带电路具有以下四方面的有益效果：其一，采用了牺牲带宽换取增益的方法实现了超高增益的驱动电路，在多级信号放大模块210中，将跨阻放大器的带宽下降10倍，则相应地可将其增益提升10倍，这有助于减轻后续电路的增益压力，实现高增益的驱动电路；其二，采用自适应相位补偿模块220对多级信号放大模块210进行补偿，使该电路的总相移为0度，该模块的使用有助于补偿跨阻放大器的相移及其温漂，以及可调谐移相器224的电阻、电容阵列的非理想效应，实现精确的相位补偿和实时的相位补偿，同时也增强了MEMS振荡器的稳定性；其三，通过采用多电源多地架构和级间隔直电容240提高了驱动电路的稳定性，降低了功耗；其四，测试缓冲器230采用高电源电压使其有能力输出更大电流，驱动更大的负载，同时也降低了输出信号的失真，增大了信号的摆幅，从而保证了测试结果的真实性和可信度。

需要说明的是，说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

本公开可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。本公开的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本公开实施例的相关设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本公开还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本公开的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (10)

1.一种带自适应相位补偿的超高增益宽带电路，应用于高频谐振器件，其特征在于，包括：

多级信号放大模块，用于对输入信号进行逐级放大；

自适应相位补偿模块，与所述多级信号放大模块并联，用于补偿所述输入信号在放大过程中的相移；

所述自适应相位补偿模块包括：

可调谐移相器，用于补偿所述输入信号的相移；

锁相环，用于将可调谐移相器的输出信号的相位锁定到所述输入信号的相位上。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述多级信号放大模块包括：

第一放大器，用于将所述输入信号转换为电压信号；

至少一个第二放大器，用于将所述电压信号进行放大；

包括所述第一放大器、所述至少一个第二放大器在内的所有放大器之间均设有隔直电容；

所述第一放大器由第一电源供电，所述至少一个第二放大器由第二电源供电。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征还在于，所述自适应相位补偿模块包括：

第三放大器，用于将所述输入信号转换为电压信号；

至少一个第四放大器，用于将所述电压信号进行放大；

所述第三放大器、至少一个第四放大器、锁相环和可调谐移相器依次连接，且所述可调谐移相器与所述锁相环形成闭环；

包括所述第三放大器、所述至少一个第四放大器在内的所有放大器之间均设有隔直电容；

所述第三放大器由第一电源供电，所述至少一个第四放大器、所述可调谐移相器、所述锁相环由第二电源供电。

4.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述第一放大器的带宽为所述高频谐振器件的谐振频率的1倍，所述至少一个第二放大器的总带宽为所述高频谐振器件的谐振频率的N倍。

5.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述第三放大器的带宽和所述至少一个第四放大器的总带宽均为所述高频谐振器件的谐振频率的N倍。

6.根据权利要求3所述的电路，其特征还在于，所述可调谐移相器包括：

同相宽带放大器、第一反馈电阻、第二反馈电阻、数字电容阵列、数字电阻阵列、场效应管；

所述同相宽带放大器的带宽为所述高频谐振器件的谐振频率的N倍；

所述第一反馈电阻和第二反馈电阻的一端与所述同相宽带放大器的负输入端连接，所述第一反馈电阻另一端与所述同相宽带放大器的输出端连接，所述第二反馈电阻的另一端接地；

所述数字电容阵列、数字电阻阵列均与所述同相宽带放大器的正输入端连接，分别受的第一数字信号、第二数字控制，所述场效应管的漏极与所述数字电阻阵列连接，源极接地，栅极受外接模拟信号控制。

7.根据权利要求2或3所述的电路，其特征在于，所述第二电源与所述第一电源之间设有低压差稳压器。

8.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，第一放大器、第三放大器均通过第一地线接地，至少一个第二放大器、至少一个第四放大器、所述可调谐移相器、所述锁相环均通过第二地线接地。

9.根据权利要求7所述的电路，其特征还在于，所述电路还包括：

测试缓冲器，输入端与所述电路的输出端连接，输出端与用于测试所述电路的外部测试仪器连接，用于使所述电路的阻抗匹配所述外部测试仪器。

10.根据权利要求9所述的电路，其特征还在于，所述测试缓冲器使用第三电源供电，所述第三电源的电压高于所述第一电源的电压；所述测试缓冲器通过第三地线接地。

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