CN102684622B

CN102684622B - 一种可变增益放大器

Info

Publication number: CN102684622B
Application number: CN201210163492.7A
Authority: CN
Inventors: 吴霜毅; 王成碧; 宁宁; 赵思源; 陈荣冠; 胡勇; 李天柱; 眭志凌
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2012-05-24
Filing date: 2012-05-24
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2032-05-24
Also published as: CN102684622A

Abstract

一种可变增益放大器，属于模拟信号处理和通信技术领域。该可变增益放大器由折叠式共源共栅结构，增益调节单元，电流镜，负载电阻，电流源以及控制电压转换电路组成。电路中由采用MOS晶体管，电流镜以及少量的电阻R元器件构成。控制电压转换电路在同一个输入控制电压(VCTR)的作用下能产生不同旳增益调节单元中的控制电压(Vctr)，以实现连续型的dB线性可变增益，电路结构适合CMOS工艺，集成度高，因采用MOS晶体管多组并联，连续型的dB线性度好。

Description

一种可变增益放大器

技术领域

本发明涉及一种可变增益放大器，属于模拟信号处理和通信技术领域。

背景技术

在数模混合集成电路系统中，处理模拟信号时需要对输入信号进行放大和衰减，可变增益放大器是实现这一功能的重要模块。可变增益放大器的增益可以随控制信号变化，广泛应用在磁盘读取驱动电路、磁盘数据存储系统、电视调谐器、电磁计量器、高频滤波器、医疗电子设备等方面，在无线通信和收发系统中，也起着重要的作用。

CMOS电路具有功耗小、成本低、易与数字电路集成的特点。随着CMOS工艺的不断发展，以及市场对低成本、高性能、高集成的单芯片系统的需求，使得可变增益放大器的设计和开发也需要采用CMOS工艺。可见，实现高性能的CMOS可变增益放大器具有重要的现实意义。

中国专利CN1758533A中，描述了一种CMOS工艺可变增益放大器的方法和电路。其核心增益调节单元是采用MOS管和电阻，MOS管作为开关管，控制偏置电压控制MOS管被导通或断开，从而增益调节单元接入的电阻个数不同，实现增益可变。因为电阻个数是整数，所以其实现增益的变化是阶跃式的，而不是连续型的，并且可变增益达到一定精度所需要的电阻个数比较庞大，降低了CMOS的集成度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可变增益放大器，以实现连续型的dB线性可变增益并提高了其可集成度。

本发明提出的一种可变增益放大器，由折叠式共源共栅结构，增益调节单元，电流镜，负载电阻，电流源以及控制电压转换电路组成。其中：

折叠式共源共栅结构:由第一NMOS晶体管(M1)，第二NMOS晶体管(M2)，第三NMOS晶体管(M3)和第四NMOS晶体管(M4)组成，其中M1和M2构成折叠式共源共栅的共源输入对管，M3和M4构成折叠式共源共栅结构的共栅对管，将输入差分电压信号转换成差分电流信号。

增益调节单元：由第五NMOS晶体管(M5)，第六NMOS晶体管(M6)和第七NMOS晶体管(M7)组成，作为电流开关。

电流镜：由第八NMOS晶体管(M8)，第九NMOS晶体管(M9)，第十NMOS晶体管(M10)，第十一NMOS晶体管(M11)，第十二NMOS晶体管(M12)和第十三NMOS晶体管(M13)组成，实现电流镜像。

负载电阻为第一电阻(R1)，将差分输出电流转换成差分输出电压。

电流源；由第一电流源(I1)，第二电流源(I2)，第三电流源(I3)和电流源(I4)组成，给折叠式共源共栅结构和电流镜提供静态工作电流。

控制电压转换电路转换出的增益调节单元中的控制电压至少为一条，在实施例中再介绍。

本发明的工作原理是：折叠式共源共栅结构将输入电压信号(Vinp、Vinn)转换成电流信

号，转换成的电流信号通过电流镜镜像给负载电阻(R1)，产生差分输出电压(Voutn、Voutp)，

实现一定增益，由控制电压转换电路控制的增益调节单元来实现增益可变。

本发明的可变增益放大器具有如下优点：

1)控制电压对增益调节单元中的MOS晶体管源漏电阻实现连续变化，多个MOS晶体管的并联结构直接实现连续型dB线性增益，电路结构简单；

2)增益随着控制电压增大而减小，控制电压为低时，实现最大增益；

3)电路结构适合CMOS工艺，集成度高，因采用MOS晶体管多组并联，线性度好。

附图说明

图1为可变增益放大器电路图，其中数字1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17代表各节点，图中的相同符号标记视为同一连接，如M8晶体管的栅端标记VA和M10晶体管的栅端标记也为VA，则视为M8晶体管和M10晶体管栅端实线连接。

图2为控制电压转换电路图，是图1中控制电压转换电路框图的具体电路。

图3为增益曲线转换图。

图4为级联多级图1所示的可变增益放大器原理图。

具体实施方案

本发明提出的一种可变增益放大器，结合附图及实施例详细说明如下：

本发明的可变增益放大器，由折叠式共源共栅结构，增益调节单元，电流镜，负载电阻，电流源以及控制电压转化电路组成,如附图1所示。其具体电路结构如下：

第一NMOS晶体管(M1)和第二NMOS晶体管(M2)的源分别耦接于地电压，(M1)的漏耦接于与第1节点，(M2)的漏耦接于与第2节点，栅端分别做信号正负输入端(Vinp，，Vinn)，构成折叠式共源共栅结构的共源输入对管；

第三NMOS晶体管(M3)和第四NMOS晶体管(M4)，源漏分别耦接于第三节点与第一节点之间，第四节点与第二节点之间，栅端同耦接于第一偏置电压(Vbias1)，构成折叠式共源共栅结构的共栅对管；

第八NMOS晶体管(M8)和第九NMOS晶体管(M9)，栅漏短接后分别耦接于第3节点，第4节点，源端同耦接于地电压；

第十NMOS晶体管(M10)和第十一NMOS晶体管(M11)，源分别耦接于地电压，漏端分别耦接于与第五节点，第六节点，栅端(VA、VB)分别耦接于第八NMOS晶体管(M8)的栅端(VA)，第九NMOS晶体管(M9)的栅端(VB)，分别镜像第八NMOS晶体管(M8)的和第九NMOS晶体管(M9)的漏源电流；

第十二NMOS晶体管(M12)和第十三NMOS晶体管(M13)，源漏分别耦接于第五节点第7节点之间，第6节点第8节点之间，栅端同耦接于第二偏置电压(Vbias2)；

第一电阻(R1)，耦接于第7节点与第8节点之间，做负载电阻；

上述第8节点和第7节点分别作为正负输出端(Voutp，Voutn)；

第一、第二、第三、第四电流源(I1、I2、I3、I4)，分别耦接于电源电压(VDD)与第一节点之间，电源电源(VDD)与第二节点之间，电源电压(VDD)与第7节点之间和电源电压(VDD)与第8节点之间，以提供各支路静态工作电流；

第五、第六、第七NMOS晶体管(M5，M6，M7)，它们的源漏分别耦接于第3节点与第4节点之间，栅端分别源耦接于由控制电压转换电路产生的第一控制电压(Vctr1)、第二控制电压(Vctr2)和第三控制电压(Vctr3)，构成增益调节单元；

在控制电压转换电路中，至少产生一条增益调节单元中的控制电压(Vctr)。以输入控制电压(VCTR)产生三条不同旳增益调节单元中的控制电压为例如图2；

第十四、第十五、第十六PMOS晶体管(M14、M15、M16)，源漏分别耦接于第9节点与电源电压(VDD)之间，第10节点与电源电压(VDD)之间，第11节点与电源电压(VDD)之间，栅端同耦接于第三偏置电压(Vbias3)；

第十七、第十八、第十九PMOS晶体管(M17、M18、M19)，源漏分别耦接于第9节点与第12节点之间，第10节点与第14节点之间，第11节点与第16节点之间，栅端同耦接于输入控制电压(VCTR)；

第二十、第二十一、第二十二PMOS晶体管(M20、M21、M22)，源漏分别耦接于第9节点与第13节点之间，第10节点与第15节点之间，第11节点与第17节点之间，栅端分别耦接于第四偏置电压(Vref1)，第五偏置电压(Vref2)，第六偏置电压(Vref3)；

第二十三、第二十四、第二十五NMOS晶体管(M23、M24、M25)，栅漏短接并分别耦接于上述第12节点，第14节点，第16节点，源端同耦接于地电压(GND)；

第二、第三、第四电阻(R2、R3、R4)分别耦接于上述第13节点与地电压(GND)之间，第15节点与地电压(GND)之间，第17节点与地电压(GND)之间。

上述第13节点、第15节点和第17节点分别产生增益调节单元中上述第五NMOS管(M5)，第六NMOS管(M6)和第七NMOS管(M7)的栅端控制电压(Vctr1，Vctr2，Vctr3)。

图1是可变增益放大器电路图，其中控制电压转换电路框图具体电路如图2。差分输入电压信号经过由M1，M2，M3和M4构成的折叠式共源共栅结构和由M8，M9，M10，M11，M12和M13构成的电流镜，在负载电阻(R1)两端上产生差分输出电压(Voutp、Voutn)，并提供固定的增益。图1，增益调节单元中M5，M6和M7作为电流开关管，由不同的控制电压Vctr1，Vctr2和Vctr3所控制，不同的控制电压分别决定着所述的不同电流开关管的开启程度。而不同电流开关管的开启程度决定着流过M5，M6和M7的源漏交流电流，改变流过M8和M9管的源漏交流电流，再通过电流镜作用，最终改变流过负载电阻R1的交流电流，从而获得不同的增益曲线。在合适的M5，M6和M7的尺寸下，通过调节其控制电压Vctr1，Vctr2和Vctr3曲线，差分输出电压信号相对于差分输入信号可以实现为连续性dB线性可变增益。在控制电压转换电路中，设置不同的偏置电压Vref1、Vref2和Vref3，则输入控制电压(VCTR)将转换成上述三条不同控制电压Vctr1，Vctr2和Vctr3。

图3为整个可变增益放大器的增益曲线转换图。图3-1是图1控制电压转换电路实际产生的控制电压转换图，一条控制电压VCTR转换成三条控制电压Vctr1、Vctr2、Vctr3。图3-2是上述三条不同控制电压Vct1、Vct2、Vct3分别控制电流开关管M5，M6和M7时，所流过M5，M6和M7的漏源交流电流I_ds1、I_ds2、I_ds3。

流过M8的漏源交流电流I_M5为：

I_M5＝I_M1-I_ds1-I_ds2-I_ds3

其中I_M1为图1中M1的源漏交流电流。

分析可得，随着控制电压的增大，流过开关管的电流I_ds1、I_ds2、I_ds3会增大，从而是得流过图1中M8的漏源交流电流I_M5减少。因此图1中的M8的镜像管M10的漏源交流电流也减少，即减小了流过负载电阻R1的交流电流，实现增益可变目的。

图3-3是控制电压VCTR的变换引起M8电流值I_M5的变化曲线图。可以发现，随着控制电压的增大，可变增益放大器的增益是减少，可变增益放大器的最大增益由输入对管与负载电阻R1来决定。

图3-4是合理调节控制电压转换电路和设置合适的电流开关管尺寸所得到可变增益放大器的dB线性拼接增益图。

可以增加类似M5，M6和M7开关电流管的数目，，来增加dB线性度，不过这需要增加相同数目控制电流开关管的控制电压曲线。

图1所实现的可变增益范围有限，因此为了获得高增益，在同一控制电压转换的作用下，可以级联多级图1所示的可变增益放大器，中间用高通滤波器进行滤波，其实现方案一见图4所示。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本方向的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本方面技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利保护范围当中。

Claims

1.一种可变增益放大器，由折叠式共源共栅结构、增益调节单元、电流镜、负载电阻、电流源以及控制电压转换电路组成，以实现连续型的dB线型可变增益并提高了其可集成度，其特征在于：当控制电压转换电路转换出的增益调节单元中的控制电压为三条时：

所述的折叠式共源共栅结构管由第一NMOS晶体管(M1)，第二NMOS晶体管(M2)，第三NMOS晶体管(M3)和第四NMOS晶体管(M4)组成，其中第一NMOS晶体管(M1)和第二NMOS晶体管(M2)构成折叠式共源共栅的共源输入对管，第三NMOS晶体管(M3)和第四NMOS晶体管(M4)构成折叠式共源共栅结构的共栅对管，将输入差分电压信号转换成差分电流信号，其中：共源共栅的共源输入对管电路连接如下：第一NMOS晶体管(M1)的源和第二NMOS晶体管(M2)的源都接于地电压，第一NMOS晶体管(M1)的漏接于第1节点，第二NMOS晶体管(M2)的漏接于第2节点，第一NMOS晶体管(M1)栅端为信号Vinp输入端，第二NMOS晶体管(M2)栅端为信号Vinn输入端；共源共栅结构的共栅对管电路连接如下：第三NMOS晶体管(M3)的源接于第3节点，漏接于第1节点，第四NMOS晶体管(M4)的源接于第4节点，漏接于第2节点，第三NMOS晶体管(M3)和第四NMOS晶体管(M4)的栅端都接于第一偏置电压(Vbias1)；

所述的增益调节单元，由第五NMOS晶体管(M5)、第六NMOS晶体管(M6)和第七NMOS晶体管(M7)组成，作为电流开关，其电路连接如下：第五NMOS晶体管(M5)源、第六NMOS晶体管(M6)源、第七NMOS晶体管(M7)源都接于第3节点，第五NMOS晶体管(M5)漏、第六NMOS晶体管(M6)漏、第七NMOS晶体管(M7)漏都接于第4节点，第五NMOS晶体管(M5)栅端接于由控制电压转换电路产生的第一控制电压(Vctr1)，第六NMOS晶体管(M6)栅端接于由控制电压转换电路产生的第二控制电压(Vctr2)，第七NMOS晶体管(M7)栅端接于由控制电压转换电路产生的第三控制电压(Vctr3)；

所述的电流镜，由第八NMOS晶体管(M8)、第九NMOS晶体管(M9)、第十NMOS晶体管(M10)、第十一NMOS晶体管(M11)、第十二NMOS晶体管(M12)、第十三NMOS晶体管(M13)构成，实现电流镜像,其电路连接如下；第八NMOS晶体管(M8)栅漏短接接于第3节点，第九NMOS晶体管(M9)栅漏短接接于第4节点，第八NMOS晶体管(M8)的源和第九NMOS晶体管(M9)的源都接于地电压；第十NMOS晶体管(M10)源和第十一NMOS晶体管(M11)源都接于地电压，第十NMOS晶体管(M10)漏接于第5节点，第十一NMOS晶体管(M11)漏接于第6节点，第十NMOS晶体管(M10)栅端接于第八NMOS晶体管(M8)的栅端(VA)，并镜像第八NMOS晶体管(M8)的漏源电流，第十一NMOS晶体管(M11)栅端接于第九NMOS晶体管(M9)的栅端(VB)，并镜像第九NMOS晶体管(M9)的漏源电流，第十二NMOS晶体管(M12)源接于第5节点，漏接于第7节点，第十三NMOS晶体管(M13)源接于第6节点，漏接于第8节点，第十二NMOS晶体管(M12)的栅端和第十三NMOS晶体管(M13)的栅端都接于第二偏置电压(Vbias2)；

所述的负载电阻，包括第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)和第四电阻(R4)，在第一电阻(R1)的两端上产生差分输出电压(Voutn、Voutp)，第一电阻(R1)接于第7节点与第8节点之间；

所述的电流源，由第一电流源(I1)、第二电流源(I2)、第三电流源(I3)和电流源(I4)组成，给折叠式共源共栅结构和电流镜提供静态工作电流，第一电流源(I1)接于电源电压(VDD)与第1节点之间，第二电流源(I2)接于电源电压(VDD)与第2节点之间，第三电流源(I3)接于电源电压(VDD)与第7节点之间，第四电流源(I4)接于电源电压(VDD)与第8节点之间，以提供各支路静态工作电流；

所述的控制电压转换电路(VCTR)产生三条不同的增益调节单元中的控制电压，其结构分别如下：

第十四PMOS晶体管(M14)漏接于第9节点，源接于电源电压(VDD)，第十五PMOS晶体管(M15)漏接于第10节点，源接于电源电压(VDD)，第十六PMOS晶体管(M16)漏接于第11节点，源接于电源电压(VDD)，第十四PMOS晶体管(M14)栅端、第十五PMOS晶体管(M15)栅端、第十六PMOS晶体管(M16)的栅端都接于第三偏置电压(Vbias3)；

第十七PMOS晶体管(M17)源接于第9节点，漏接于第12节点，第十八PMOS晶体管(M18)源接于第10节点，漏接于第14节点，第十九PMOS晶体管(M19)源接于第11节点，漏接于第16节点，第十七PMOS晶体管(M17)栅端、第十八PMOS晶体管(M18)栅端、第十九PMOS晶体管(M19)栅端都接于输入控制电压(VCTR)；

第二十PMOS晶体管(M20)源接于接于第9节点，漏接于第13节点，栅端接于第四偏置电压(Vref1)，第二十一PMOS晶体管(M21)源接于第10节点，漏接于第15节点，栅端接于第五偏置电压(Vref2)，第二十二PMOS晶体管((M22)源接于第11节点，漏接于第17节点，栅端耦接于第六偏置电压(Vref3)，

第二十三NMOS晶体管(M23)栅漏短接接于第12节点，第二十四NMOS晶体管(M24)栅漏短接接于第14节点，第二十五NMOS晶体管(M25)栅漏短接接于第16节点，第二十三NMOS晶体管(M23)源端、第二十四NMOS晶体管(M24)源端、第二十五NMOS晶体管(M25)源端都接于地电压(GND)；

第二电阻(R2)接于第13节点与地电压(GND)之间，第三电阻(R3)接于第15节点与地电压(GND)之间，第四电阻(R4)接于第17节点与地电压(GND)之间；

上述第13节点产生增益调节单元中第五NMOS管(M5)的栅端控制电压Vctr1，第15节点产生增益调节单元中第六NMOS管(M6)的栅端控制电压Vctr2，第17节点产生增益调节单元中第七NMOS管(M7)的栅端控制电压Vctr3，即控制电压(VCTR)产生三条不同的增益调节单元中的控制电压Vctr1，Vctr2，Vctr3，分别决定三个电流开关管的开启程度，实现为连续型的dB线性可变增益；

本可变增益放大器电路之间的关系是：输入信号(vinp、vinn)经过折叠式共源共栅结构转变成电流信号，由控制电压(VCTR)控制的增益调节单元调节上述电流信号，实现电流信号的改变，再由电流镜镜像输出给第一负载电阻(R1)，转换成输出电压信号(Voutn、Voutp)，实现可变增益放大。