CN101373957B

CN101373957B - 数字增益控制方法及电路

Info

Publication number: CN101373957B
Application number: CN2007100940411A
Authority: CN
Inventors: 杜定坤; 魏述然
Original assignee: Ruidi Kechuang Microelectronic (Beijing) Co Ltd
Current assignee: Ruidi Kechuang Microelectronic (Beijing) Co Ltd; RDA Microelectronics Beijing Co Ltd
Priority date: 2007-08-24
Filing date: 2007-08-24
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2027-08-24
Also published as: CN101373957A

Abstract

本发明公开了一种数字增益控制方法，通过N位二进制数字增益控制码控制可变增益放大器中的可变电阻的阻值进行可变增益放大器的增益调节，用MOS晶体管阵列作为可变电阻，利用晶体管的源漏极间的导通电阻和栅极电压的关系来控制可变电阻值，由增益控制模块根据N位二进制数字增益控制码产生MOS晶体管阵列的各个晶体管的栅极电压，还公开了一种实现该数字增益控制方法的电路。采用本发明的数字增益控制方法及电路，能在满足大范围和高精度的增益控制要求的同时，使集成电路有较小的芯片面积。

Description

数字增益控制方法及电路

技术领域

本发明涉及一种无线收发集成电路技术，特别涉及一种数字增益控制方法及电路。

背景技术

在现代无线通信收发集成电路中，由于对发射功率的严格要求和对接收功率的不确定性，增益调节是一个必不可少的功能。增益调节可以通过模拟方法和数字方法实现，而数字方法由于可以利用收发机中集成的先进数字信号处理电路，具有实现简易，性能良好的特点，符合当今数字化无线收发器的趋势。数字控制增益调节是利用数字信号控制放大器的增益，在很多的应用场合中，往往需要较大的增益控制范围(如40dB~60dB)以及较高的调节精度(如0.1dB~0.5dB)。另外，由于增益控制算法往往是通过二分法插值实现，为保证插值不出现错误，所以放大器的增益必须随着数字控制码的增大(减小)而增大(减小)，也就是说增益的变化和数字控制码的变化必须满足单调性。

附图1所示是一个典型的数字控制增益放大器原理图，两只MOS晶体管的源极分别接在可调节电阻Rs两端并通过恒流Idc接地，漏极分别通过漏极电阻Rd接电源，栅极分别接差模输入信号Vip、Vin，漏极接差模输出Vop、Von，在晶体管跨导足够大的情况下，放大器的增益近似为2Rd/Rs，因此即可通过调节可调节电阻Rs达到调节增益的目的。现有的数字控制方案中电阻Rs往往由排成阵列形式的多个电阻R1、R2、…、Rn并联构成，其阻值分别为R、R/2、…R/2^n-1，通过数字控制码控制多个电阻R1、R2、…、Rn的接入以调节可调节电阻Rs的大小从而调节增益。以调节范围55dB和调节精度0.5dB为例，大约需要7位的数字控制码，为留有一定的设计裕度，控制码需要取到8位甚至9位。对于现有的CMOS工艺而言，如果电阻阵列以纯二进制码的方式实现，数字控制码为N位时，N位数字控制码元分别控制N个电阻R1、R2、…、RN的并联接入，将很难达到这样的精度，并且因并联接入的电阻阻值是跳跃式的，二进制码实现还无法保证增益控制的单调性，所以往往需要采用温度计码或者温度计码与二进制码混用的形式。温度译码的真值表如图6所示，单纯采用温度计码将会使得电阻增至2^N个(N为二进制数字控制码的位数)，由于电阻值(也就是增益)的变化需要达到较高的精度(仍以0.5dB为例，即约为6％)，单纯采用温度计码通常是采用逐次并联的方式达到改变电阻值的效果，如果增益最低时接入的电阻值R1为R，为了使得下一个电阻R2和R1并联得到的电阻值应为：(1-6％)R，即为0.94R，利用电阻并联公式可以得到R2＝(1-6％)R/6％＝15.6R，这样逐次迭代就可以得到总的电阻值，而单纯采用二进制码如果最大的电阻即为R，以后依次递减，利用等比级数公式得到总的电阻值也不会超过2R，可见单纯采用温度计码和单纯采用二进制码的电阻阵列相比，除了会增加电阻的个数以外，电阻的取值也会增加，这在精度高的情况下将会体现得更为明显，这会带来非常大的面积代价；采用温度计码和二进制码混用控制电阻阵列可以在一定程度上节省电阻阵列的面积，但是为了保证增益调节的单调性，只能在低位(一般不超过4位)采用二进制码的形式，而高位仍必须采用温度计码，对于精度要求很高的场合，这样的混用方式仍然需要较大的面积，无法完全解决温度计码带来的电阻元件大大增加的问题，另外前面所述的采用温度计码使得电阻值增加的问题也仍然存在。需要说明的是，附图1中的数字增益控制放大器只是一种原理性的实现，具体的实现还需要根据其他一些指标来确定，但是基本的思路一般都是通过改变电阻来改变增益，而电阻的改变则是通过使用数字控制码控制开关的电阻阵列来实现。

总之，为了同时达到大范围和高精度的增益控制要求，采用电阻阵列的形式实现数字控制增益放大器会带来较大的电阻面积，使得芯片成本上升。

发明内容

本发明要解决的技术问题是在满足大范围和高精度的增益控制要求的同时，有较小的芯片面积。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种数字增益控制方法，采用的技术方案是，通过N位二进制数字增益控制码控制可变增益放大器中的可变电阻的阻值进行可变增益放大器的增益调节，其特征在于，用MOS晶体管阵列作为可变电阻，利用晶体管的源漏极间的导通电阻和栅极电压的关系来控制可变电阻值，由增益控制模块根据N位二进制数字增益控制码产生MOS晶体管阵列的各个晶体管的栅极电压。

由增益控制模块根据N位二进制数字增益控制码产生MOS晶体管阵列的各个晶体管的栅极电压的方法可以是，增益控制模块利用模数转换器将N位二进制数字增益控制码中的低m位用数模变换器转换为输出控制电压，高(N-m)位变换为温度计码；所述温度计码的2^(N-m)个码元分别控制2^(N-m)个多路选择器的电压输出，各多路选择器的第一个输入为所述模数转换器的输出控制电压，第二个输入为所述数模变换器的最大输出电压，第三个输入为所述数模变换器的最小输出电压，2^(N-m)个多路选择器的输出电压控制所述晶体管阵列的相应2^(N-m)行晶体管的栅极电压；如果该温度计码的码元为0，则该码元相对应的多路选择器的输出电压为数模变换器的最小输出电压，如果该码元为1，则进一步判断低m位是否已经发生了溢出，如果已经发生了溢出，则该码元相对应的多路选择器的输出电压为数模变换器的最大输出电压，如果还未发生溢出，则该码元相对应的多路选择器的输出电压为所述数模变换器的输出控制电压，m为正整数，N为大于m的正整数。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种数字增益控制电路，采用的技术方案是，一种数字增益控制电路，包括一可变增益放大器，所述可变增益放大器中接有可变电阻，调节所述可变电阻的阻值可调节可变增益放大器的增益，其还包括数模变换器、温度计译码器、多路选择器、选择控制电路、MOS晶体管阵列，数模变换器将N位二进制数字增益控制码的低m位转换为输出控制电压，温度计译码器将N位二进制数字增益控制码的高(N-m)位变换为温度计码，选择控制电路根据低m位溢出判断和2^(N-m)个温度计码码元值输出选择控制信号分别接2^(N-m)个多路选择器的选择控制端，多路选择器第一个输入端接数模变换器的输出控制电压，第二个输入端接数模变换器的最大输出电压，第三个输入端接数模变换器的最小输出电压，2^(N-m)个多路选择器的输出端分别接2^(N-m)行MOS晶体管的栅极，2^(N-m)行MOS晶体管的源极、漏极并接，源漏极间的导通电阻作为所述可变增益放大器中的可变电阻，m为正整数，N为大于m的正整数。

由于本发明采用了增益控制模块来控制晶体管阵列，利用数模变换器来产生可变的控制栅压，晶体管阵列的规模可以由采用纯温度计码控制的电阻阵列的2^N下降为2^(N-m)，也就是说一个晶体管承担了m位的增益变化范围，而在原有的电阻阵列方案中需要2^N个电阻来实现，而且一般而言晶体管的面积也比多晶硅电阻小很多，因此芯片面积可以大大降低。增益控制模块利用模数转换器将N位二进制数字增益控制码中的低m位用数模变换器转换为输出控制电压，高(N-m)位变换为温度计码，所述温度计码的2^(N-m)个码元以及低m位溢出判断机制分别控制2^(N-m)个多路选择器的电压输出，保证了增益控制随增益控制码变化的单调性。

附图说明

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是典型数控增益放大器的原理图；

图2是本发明的数字控制增益的原理图；

图3是本发明的增益控制模块的示意图；

图4是本发明的多路选择器的控制流程示意图；

图5是本发明的数字控制增益控制曲线示意图；

图6是二进制～温度计码变化真值表示意图；

图7是低m位溢出判断实施例示意图。

具体实施方式

本发明的一具体实施方式如图2所示，将可变增益放大器中的可变电阻Rs用MOS(金属氧化物半导体)晶体管阵列实现，各晶体管的源极、漏极相并联，利用晶体管的导通电阻和栅极电压的关系来控制电阻值。晶体管阵列的各个栅极电压将由增益控制模块产生；图3所示的增益控制模块是利用模数转换器将N位二进制增益数字控制码中的低m位，用电阻型的数模变换器转换为输出控制电压；而高(N-m)位进行温度计译码，成为有2^(N-m)个码元的温度计码，m的值根据调节范围和调节精度的需要确定，如二进制增益数字控制码的位数为9，其中的低6位用电阻型的数模变换器转换为输出控制电压，而高3位进行温度计译码，成为有8个码元的温度计码。2^(N-m)个码元用来分别控制2^(N-m)个三输入的多路选择器，多路选择器的三个输入分别为模数转换器此时的输出控制电压vm，数模变换器的最大输出电压vh和数模变换器的最小输出电压vl，2^(N-m)个多路选择器的输出Vg1、Vg2、…Vg2^(N-m)分别接到2^(N-m)行晶体管组成晶体管阵列的各个晶体管的栅极，如此保证了增益控制随增益控制码变化的单调性。多路选择器通过逻辑电路来控制，其控制的流程如图4所示，多路选择器首先对二进制增益数字控制码的高(N-m)位变换为的温度计码进行判断，如果该温度计码的码元为0，则该码元相对应的多路选择器的输出电压为数模变换器的最小输出电压vl，如果该码元为1，则进一步判断低m位是否已经发生了溢出，如果已经发生了溢出，该码元对应的多路选择器的输出电压为数模变换器的最大输出电压vh，如果还未发生溢出，多路选择器的输出电压为数模变换器当前的输出电压vm。低m位的溢出判断如图7所示，由于需要进行判断的多路选择器有2^N-m个，因此需要分别进行判断。对于2^N-m个多路选择器中的第s个而言，首先判断此时低m位是否为全0，这可以将低m位进行或逻辑得到，如果低m位相加(即进行或逻辑)的结果为0，则说明低m位为全0，将低m位溢出的判断信号flag置为0，如果低m位相加(即进行或逻辑)的结果为1，则说明低m位不全为0，将低m位溢出的判断信号flag置为1。然而低m位为全0并不能说明当前的低m位溢出，因为在高(N-m)位变化时，低m位全为0的情况会出现2^N-m次，分别对应了2^N-m个多路选择器的判断，第s个多路选择器需要判断的是第s次的溢出是否发生，因为m全0的情况也有可能是比s小的某个多路选择器对应的低m位溢出，此时第s个多路选择器就不需要进行溢出判断，因此低m位的溢出除了判断是否为全0外，还需要判断溢出时对应的多路选择器是哪一个。这可以通过溢出单元判断，溢出单元的具体实现方式可以有多种，其中一种实施例如图7中所示，该单元是由(2^N-m-1)个与门和(2^N-m-1)个或门组成，这是一种利用了迭代思想的逻辑组成，首先将低m位溢出的判断信号flag和温度计码t2作或逻辑，这样就得到了第1个多路选择器的溢出信号o1，然后判断信号flag和温度计码t2再作与逻辑，得到判断信号flag 1；将flag 1和温度计码t3作或逻辑，这样就得到了第2个多路选择器的溢出信号o2，然后判断信号flag 1和温度计码t3再作与逻辑，得到判断信号flag 2；按照这样的顺利依次进行处理，直至得到溢出信号o(2^N-m-1)，最后一个溢出信号o2^N-m可以直接通过判断信号flag(2^N-m-2)和温度计码t2^N-m进行与逻辑得到，至此就得到了2^N-m个溢出判断信号，可以结合2^N-m个温度计码元去分别控制2^N-m个多路选择器。在此还需要强调的是，以上只是低m位的溢出判断方式的一种，其他的各种方式可以通过前面叙述的原则得到。以上过程即是在二进制数字控制码最小即全0时，2^(N-m)行的晶体管栅压都接vl，随着二进制数字控制码增加到2^m，第一行的栅压将逐渐增大至vh(此过程中行数大于1的晶体管栅压都接vl)，接下来各行的晶体管将重复这一栅压逐渐增大的过程(此过程中行数大于此行的晶体管栅压都接vl，而小于此行的晶体管栅压都接vh)，最终在数字控制码最大即全1时，将各个晶体管的栅压都接到vh。这一过程即可通过改变增益数字控制码来改变电阻值的大小，从而达到控制增益的目的，而且这样的变化过程可以保证增益随着数字控制码的变化严格单调，采用本发明的数字控制增益控制曲线如图5所示，可见增益随着数字控制码的变化严格单调。

由于本发明采用了增益控制模块来控制晶体管阵列，利用数模变换器来产生可变的控制栅压，晶体管阵列的规模可以由采用纯温度计码控制的电阻阵列的2^N下降为2^(N-m)，也就是说一个晶体管承担了m位的增益变化范围，而在原有的电阻阵列方案中需要2^N个电阻来实现，而且一般而言晶体管的面积也比多晶硅电阻小很多，因此芯片面积可以大大降低。需要指出的是，增益控制模块不可避免的会带来一部分额外的面积，但这部分面积一般而言是远远小于采用此方案减小的电阻阵列面积的。

总之，采用本发明的方法可以大大降低实现大范围高精度的增益控制带来的面积代价，并且仍可保证增益随着数字控制码的变化严格单调，以较小的芯片面积代价实现大范围和高精度的增益控制并保证了增益变化随数字控制码变化的单调性，为无线收发器集成电路的生产节约了成本，对于整个无线收发器芯片成本的下降大有裨益。

Claims

1.一种数字增益控制方法，通过N位二进制数字增益控制码控制可变增益放大器中的可变电阻的阻值进行可变增益放大器的增益调节，其特征在于，用MOS晶体管阵列作为可变电阻，利用晶体管的源漏极间的导通电阻和栅极电压的关系来控制可变电阻值，由增益控制模块根据N位二进制数字增益控制码产生MOS晶体管阵列的各个晶体管的栅极电压；增益控制模块利用模数转换器将N位二进制数字增益控制码中的低m位用数模变换器转换为输出控制电压，高(N-m)位变换为温度计码；所述温度计码的2^(N-m)个码元分别控制2^(N-m)个多路选择器的电压输出，各多路选择器的第一个输入为所述模数转换器的输出控制电压，第二个输入为所述数模变换器的最大输出电压，第三个输入为所述数模变换器的最小输出电压，2^(N-m)个多路选择器的输出电压控制所述晶体管阵列的相应2^(N-m)行晶体管的栅极电压；如果该温度计码的码元为0，则该码元相对应的多路选择器的输出电压为数模变换器的最小输出电压，如果该码元为1，则进一步判断低m位是否已经发生了溢出，如果已经发生了溢出，则该码元相对应的多路选择器的输出电压为数模变换器的最大输出电压，如果还未发生溢出，则该码元相对应的多路选择器的输出电压为所述数模变换器的输出控制电压，m为正整数，N为大于m的正整数。

2.根据权利要求1所述的数字增益控制方法，其特征在于，所述数模变换器为电阻型的数模变换器。

3.根据权利要求1所述的数字增益控制方法，其特征在于，数字增益控制码为9位二进制码，低6位用数模变换器转换为输出控制电压，高3位变换为8位温度计码码元。

4.一种数字增益控制电路，包括一可变增益放大器，所述可变增益放大器中接有可变电阻，调节所述可变电阻的阻值可调节可变增益放大器的增益，其特征在于，还包括数模变换器、温度计译码器、多路选择器、选择控制电路、MOS晶体管阵列，数模变换器将N位二进制数字增益控制码的低m位转换为输出控制电压，温度计译码器将N位二进制数字增益控制码的高(N-m)位变换为温度计码，选择控制电路根据低m位溢出判断和2^(N-m)个温度计码码元值输出选择控制信号分别接2^(N-m)个多路选择器的选择控制端，多路选择器第一个输入端接数模变换器的输出控制电压，第二个输入端接数模变换器的最大输出电压，第三个输入端接数模变换器的最小输出电压，2^(N-m)个多路选择器的输出端分别接2^(N-m)行MOS晶体管的栅极，2^(N-m)行MOS晶体管的源极、漏极并接，源漏极间的导通电阻作为所述可变增益放大器中的可变电阻，m为正整数，N为大于m的正整数。