CN102075154A

CN102075154A - 一种低功耗可编程增益放大器装置

Info

Publication number: CN102075154A
Application number: CN2011100099653A
Authority: CN
Inventors: 李国锋; 吴南健
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2011-01-18
Filing date: 2011-01-18
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2031-01-18
Also published as: CN102075154B

Abstract

一种低功耗可编程增益放大器，包括：一第一加减器和一第二加减器，该第一加减器和第二加减器用于对输入信号和反馈信号做加减运算，加减之后可以消除直流分量，消除直流失调电压；一可变增益放大器的两输入端分别与第一加减器和第二加减器的输出端连接；一高通滤波器的输入端与可变增益放大器的输出端连接；一低通滤波器的两输出端分别与第一加减器和第二加减器的输入端连接，该低通滤波器的输入端与可变增益放大器的输出端连接，该低通滤波器用于产生一个低通的截止频率，在反馈电路中形成高通特性，可消除直流失调电压；一数字控制器的输出端分别于可变增益放大器、高通滤波器和低通滤波器的输入端连接，用于向可变增益放大器、高通滤波器和低通滤波器提供数字控制信号。

Description

一种低功耗可编程增益放大器装置

技术领域

本发明涉及增益放大器装置技术领域，特别是低功耗可编程增益放大器集成电路领域。

背景技术

传统无线电接收机对硬件依赖性强，存在硬件平台功能扩充和完善的周期长、花费高，对各种通信体制之间的互通性和信号适应能力差等缺陷。软件无线电SDR(Software-Defined Radio)的出现为克服传统硬件无线电接收机的这些缺陷，为解决存在问题提供了可行方案，为多功能无线电通信系统的设计和实现开创了新的思路和方法，具有广阔的发展前景。SDR可以包括多种标准和模式，如GSM、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000、WLAN等，这些标准对带宽、增益、噪声、线性度和功耗等都有不同的要求。整个接收机为了便于系统的集成性，接收机所采用的下变频方式为零中频模式。直流失调电压是零中频接收模式中本身存在的一个严重问题。另外，由于上述标准模式大都用于手持式设备，对功耗的要求相当苛刻。因而，在满足其他性能要求的同时，如何降低功耗，延长系统的工作时间，已经成为一个关键的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种低功耗的可编程增益放大器装置，同时可以消除直流失调电压，使其能够适用于软件无线电系统。

本发明提供一种低功耗可编程增益放大器，包括：

一第一加减器和一第二加减器，该第一加减器和第二加减器用于对输入信号和反馈信号做加减运算，加减之后可以消除直流分量，消除直流失调电压；

一可变增益放大器，该可变增益放大器的两输入端分别与第一加减器和第二加减器的输出端连接，该可变增益放大器用于放大信号，选取低通截止的带宽；

一高通滤波器，该高通滤波器的输入端与可变增益放大器的输出端连接，该高通滤波器用于选取高通的截止频率，可消除直流失调电压；

一低通滤波器，该低通滤波器的两输出端分别与第一加减器和第二加减器的输入端连接，该低通滤波器的输入端与可变增益放大器的输出端连接，该低通滤波器用于产生一个低通的截止频率，在反馈电路中形成高通特性，可消除直流失调电压；

一数字控制器，该数字控制器的输出端分别于可变增益放大器、高通滤波器和低通滤波器的输入端连接，用于向可变增益放大器、高通滤波器和低通滤波器提供数字控制信号。

其中所述的可变增益放大器包括：

一跨导放大器，其输出端分别连接有一第一电阻和一第二电阻；

一可配置运放阵列，其两输入端分别通过第一电阻和第二电阻与跨导放大器的输出端连接；该可配置运放阵列的一输入端与输出端之间串连有一电阻网络；其另一输入端与输出端之间串连有一电阻网络；其一侧的两内部节点之间串连有一电阻网络；其另一侧的两内部节点之间串连有一电阻网络。

其中所述的可配置运放阵列，为一个或多个开关运放，以节省功耗。

其中所述的跨导放大器，在它的输出节点加入电容，其是和第一电阻、电阻网络、电容网络、可配置运放阵列、电容网络、电阻网络及第二电阻形成的输入阻抗，这个阻抗在较高的频率形成一个电感，共同形成一个LC谐振，以提高整个可变增益放大器的增益带宽。

其中所述的高通滤波器和低通滤波器，其高通和低通截止频率通过编程改变，选取一个与通信标准相适应的截止频率，可以消除可变增益放大器中产生的直流失调；同时，在不同频率之间的切换，以加快整个接收链路的建立时间，快速切换。

其中所述的高通滤波器和低通滤波器为无源滤波器。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、利用本发明，数字控制器15可以根据系统的要求，对高通滤波器13、低通滤波器14和可变增益放大器12进行控制，选取系统所需要的带宽、增益以及高通截止频率的要求。

2、利用本发明，可采用广泛的CMOS工艺制作，电路均可芯片内实现，系统结构简单。系统中提供了两种模式的高通滤波，分别为高通滤波器13和用于反馈回路的低通滤波器14。这两种滤波器均采用无源器件构成，而且采用了可编程设计，使得截止带宽可变。高通滤波的特性有三：可以消除直流失调电压；可以根据不同的通信模式的带宽要求，提供不同的高通截止带宽，使得在零中频模式下被滤去的信号占信号带宽的比例较小；还有，可编程滤波器提供多个频点，可以在不同频率之间的快速切换，加快整个接收链路的建立时间。

3、利用本发明，选取电阻网络123不同的电阻值，去和电阻122相比较，可以得到不同的增益值。

4、利用本发明，可配置运放阵列125，可用根据带宽的要求选取一个或多个开关运放，可以节省功耗。

5、利用本发明，在可变增益放大器12中，所述的跨导放大器121，在它的输出节点加入电容Cp，可以和电阻122、电阻网络123、电容网络124、配置运放阵列125、电容网络126、电阻网络127和电阻128形成的输入阻抗，共同形成一个LC谐振，可以提高整个可变增益放大器的增益带宽，节省功耗。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图和实施例对本发明进行更详细的说明，其中：

图1为本发明提供的可编程增益放大器的方框图；

图2为本发明提供的高通滤波器13的电路图；

图3为本发明提供的低通滤波器14的电路图；

图4为本发明提供的可变增益放大器12的电路图；

图5为本发明提供的跨导放大器121的电路图；

图6为本发明提供的电阻网络123和电容网络124的电路图；

图7为本发明提供的可配置运放阵列125的原理电路图；

图8为本发明提供的开关运放的电路图(基于图7)；

图9为提高增益带宽的原理解析图。

具体实施方式

如图1所示，图1为本发明提供的可编程增益放大器装置的方框图，该装置包括：第一加减器10和第二加减器11，可变增益放大器12，高通滤波器13，低通滤波器14，数字控制器15。

第一加减器10和第二加减器11对输入信号和低通滤波器14输出的反馈信号做加减运算，由于低通滤波器14输出的是低频分量，这个分量与输入的低频分量做加减之后，就可以消除直流失调电压。可变增益放大器12的输出信号进入高通滤波器15，高通滤波器直接可以把低频的分量滤去，所以也可以消除直流失调电压，使得后级处理电路不会因为直流失调电压过大而产生饱和失真的现象。这两种用于消除直流失调电压的模式，可以独立的选取。可以选择同时工作，也可以仅选择其中一种工作模式。

基于图1所述的可编程增益放大器装置的方框图，图2给出了本发明提供的高通滤波器13的电路图。该高通滤波器由电阻网络组成，它们分别由数字输入信号R[0]，R[1]…R[N]控制，当选取不同的电阻时，会产生不同的高通截止频率。这里需要指出，当选取R[0]时，这个滤波器变成了一个全通的滤波器。还有，为了满足接收链路快速建立的要求，需要把高通截止频率设为较高值；但是，较高的截止频率会使有用信号的成分减少。所以在这个系统中，我们选用开关切换的方法，在不同的截止频率之间切换。这样，既可以使接收链路快速稳定，又可以保留更多的有用信号。

基于图1所述的可编程增益放大器装置的方框图，图3给出了本发明提供的低通滤波器14的电路图。该低通滤波器由电容网络组成，它们分别由数字输入信号C[0]，C[1]…C[M]控制，当选取不同的电阻时，会产生不同的低通截止频率。这里需要指出，当选取C[0]时，这个滤波器所在的反馈环路断开。为了满足接收链路快速建立的要求，需要把低通截止频率设为较高值；但是，较高的截止频率会使有用信号的成分减少。所以在这个系统中，我们选用开关切换的方法，在不同的截止频率之间切换。这样，既可以使接收链路快速稳定，又可以保留更多的有用信号。

基于图1所述的可编程增益放大器装置的方框图，图4给出了本发明提供的可变增益放大器12的电路图。跨导放大器121，其输出端分别连接有一第一电阻122和一第二电阻128；可配置运放阵列125，其两输入端分别通过第一电阻122和第二电阻128与跨导放大器121的输出端连接；该可配置运放阵列125的一输入端与输出端之间串连有一电阻网络123；其另一输入端与输出端之间串连有一电阻网络127；其一侧的两内部节点之间串连有一电阻网络124；其另一侧的两内部节点之间串连有一电阻网络126。跨导放大器121，如图5所示，由输入对管M1和M2，尾电流管M5，负载对管M3和M4，反馈电阻R1和R2，以及输出端连接的Cp组成。跨导放大器121一方面提供增益，另一方面为后面描述的谐振提供电容。可配置运放阵列125，如图7所示，由开关运放组成，输入信号连接到所有开关运放的输入端，输出信号连接到所有开关运放的输出端，选取多少个开关运放由控制信号bit<0:n>决定。开关运放电路原理图如图8所示，主电路由M1-M9管，电阻Rc组成，它使用米勒电容补偿的两级运放结构，它的单位增益带宽是M1的跨导值和在Cc1B与Cc1A之间的米勒补偿电容的比值。电阻Rc和电路形成一个零点，这个零点可以和主电路的第二极点形成零极点对，使带宽变宽。辅电路由M10-M16组成，主要为主电路提供稳定的共模反馈。采用图8电路原理图结构的好处是，使用n个开关运放后，它的单位增益带宽直接和n成正比，这样就可以根据具体通信标准的要求，选取一个合适的带宽，反映到电路中就是打开若干个开关运放，这样一方面可以滤除杂波信号，同时还可以降低功耗。电阻网络123，如图6所示，选取不同的电阻值，和第一电阻122做除法运算，就可以得到不同的增益值。

基于图4的可变增益放大器12的电路图，图9给出了提高增益带宽的原理解析图。在图4中，从节点Out1a看第一电阻122、电阻网络123、电容网络124、可配置运放阵列125、电容网络126、电阻网络127、第二电阻128共同形成的输入阻抗，这个阻抗在较高的频率形成一个电感，这个电感可以和跨导放大器121的输出电容形成一个电感电容的谐振。这个谐振可以使跨导放大器121的增益带宽曲线在频点w0附件形成一个凸包。利用这个凸包和第一电阻122、电阻网络123、电容网络124、可配置运放阵列125、电容网络126、电阻网络127、第二电阻128共同形成的增益带宽曲线结合之后，可以有效的延展整个可变增益放大器的增益带宽。由于功耗和带宽是一对折中的关系，有效的增益带宽提高了，就可以反过来节省功耗。

以上所述的系统框图和实施电路图，对本发明的目的，技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种低功耗可编程增益放大器，包括：

2.根据权利要求1所述的低功耗可编程增益放大器，其中所述的可变增益放大器包括：

3.根据权利要求2所述的低功耗可编程增益放大器，其中所述的可配置运放阵列，为一个或多个开关运放，以节省功耗。

4.根据权利要求2所述的低功耗可编程增益放大器，其中所述的跨导放大器，在它的输出节点加入电容，其是和第一电阻、电阻网络、电容网络、可配置运放阵列、电容网络、电阻网络及第二电阻形成的输入阻抗，这个阻抗在较高的频率形成一个电感，共同形成一个LC谐振，以提高整个可变增益放大器的增益带宽。

5.根据权利要求1所述的低功耗可编程增益放大器，其中所述的高通滤波器和低通滤波器，其高通和低通截止频率通过编程改变，选取一个与通信标准相适应的截止频率，可以消除可变增益放大器中产生的直流失调；同时，在不同频率之间的切换，以加快整个接收链路的建立时间，快速切换。

6.根据权利要求1所述的低功耗可编程增益放大器，其中所述的高通滤波器和低通滤波器为无源滤波器。