CN102857183A - 一种超宽带高精度可变增益放大器 - Google Patents

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沈楚
方飞
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Abstract

发明属于集成电路技术领域，具体为一种超宽带高精度可变增益放大器。该结构包括一个无缘电阻衰减器、一个高精度增益控制单元和一个固定增益放大器。信号先通过无缘电阻衰减器进行第一级增益控制，然后经过高精度增益控制单元进行第二级增益控制，最后通过固定增益放大器将信号放大到所需的幅度。本发明中，由于采用了开环结构和两级增益控制，大大提高了可变增益放大器的带宽和增益控制精度。本发明可适用于硬盘读写通道和光盘读写通道中。

Description

一种超宽带高精度可变增益放大器
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种超宽带高精度可变增益放大器，该可变增益放大器可以同时提供大带宽和高精度增益控制。
背景技术
可变增益放大器(VGA)在许多通讯系统和信号处理系统中都是不可或缺的重要组成部分。它作为自动增益控制环路(AGC)的核心部分，可以通过调整输入信号的增益来改善整个系统的动态范围。宽带信号处理系统，例如磁盘读写通道的结构如附图1所示。该系统一般包括可变增益放大器（101）、滤波器（102）、模数转换器（103）、数字信号处理模块（104）和自动增益控制模块（105）。宽带高精度可变增益放大器作为的增益由自动增益控制模块控制，用于将合适的信号幅度送入后续的电路模块中。
传统的闭环可变增益放大器可以实现高增益精度，但是闭环结构会严重限制可变增益放大器的带宽，从而使其不适用于现代的高速磁盘读写通道。运用了指数近似函数的开环可变增益放大器可以提供比较大的带宽，但是指数近似函数本身造成的系统误差限制了这类可变增益放大器的增益精度。
本发明提出了一种新型可变增益放大器，该可变增益放大器采用了两级增益控制来保证小增益步长和低增益误差，开环结构则保证了高带宽。
发明内容
本发明的目的在于提出一种超宽带高精度可变增益放大器，以满足高速通信系统和信号处理系统对可变增益放大器带宽、增益步长和增益误差的要求。
本发明提出的超宽带高精度可变增益放大器，由三部分组成：(1)一个无缘电阻衰减器，该无缘衰减器根据输入信号强度选择合适的衰减强度，相当于将可变增益放大器的增益控制范围分割为几个连续的段落，从而实现对信号增益进行第一级控制；（2）一个高精度增益控制单元，该增益控制单元采用数字控制的可变跨导阵列和Charry-Hooper宽带放大器，通过控制该增益控制单元的跨导使可变增益放大器的增益在增益控制范围的某个段落内变化，从而实现第二级增益控制；（3）一个固定增益放大器，信号通过该放大器放大到合适的强度，从而得到所需的信号。 
这三个部分均为开环结构，即本发明的可变增益放大器为开环结构。信号依次通过无缘电阻衰减器和高精度增益控制单元进行两级增益控制，然后通过固定增益放大器将信号放大到所需的幅度。 
本发明所述的超宽带高精度可变增益放大器，其中所述的无缘电阻衰减器采用梯形电阻网络结构；组成该梯形电阻网络的电阻值一共有三种，其衰减步长由这三种电阻值的比值所决定，通过选通不同的开关来选择不同的衰减档位。由于没有有源器件的寄生参数影响，衰减器具有很高的带宽。所述的高精度增益控制单元包括一个Cherry-Hooper宽带放大器和数字控制的可变跨导阵列，高精度增益控制单元通过在Cherry-Hooper放大器的第一级并联一个数字控制的可变跨导阵列来实现精确的增益控制。该可变跨到阵列为二进制权重结构，每一位控制位对应控制的跨导值都为低一位控制位对应控制跨导值的两倍；增益控制位由查找表所决定，从而实现精确的增益控制。所述的固定增益放大器采用所述的固定增益放大器采用差分螺旋电感作为负载，并采用反相密勒补偿电容消除输入差分对的寄生电容，从而实现了大带宽。
因此本发明所述的超宽带高精度可变增益放大器具有大带宽的特性，能够处理高速的信号。 
本发明所述的无缘电阻衰减器，其具有固定的衰减步长，通过切换开关改变电阻分压来实现信号衰减。该衰减器的衰减步长由电阻之间的比值所决定，因此不随着工艺和温度的变化而变化，具有很高的增益控制精度。
本发明所述的高精度增益控制单元，其通过在Cherry-Hooper放大器的第一级并联一个可变跨导阵列来实现增益控制。可变跨导阵列的控制位通过查找表而不是指数近似函数来确定，从而实现指数线性增益控制和高增益控制精度。
附图说明
图1为简化的磁盘读写通道的结构示意图。
图2为本发明的可变增益放大器的结构图。
图3为图2中无缘电阻衰减器的电路图。
图4为图2中高精度增益控制单元的结构图。
图5为图2中高精度增益控制单元的电路图。
图6为图2固定增益放大器的电路图。
具体实施方式
本发明提出的超宽带高精度可变增益放大器，其结构如附图2所示。该可变增益放大器（200）包括一个无缘电阻衰减器（201）、一个高精度增益控制单元（202）和一个固定增益放大器（203）。信号首先经过所述无缘衰减器（201），
本发明中，所述的无缘电阻衰减器（201），为一个梯形结构的电阻网络衰减器。其电路如附图3所示。根据图3，电阻网络衰减器由三种不同阻值的电阻构成一个梯形网络，在梯形的每一对节点上连接着一对开关，开关的另一端连接着输出端。在工作的时候，衰减器的开关（301-314）只有一对（例如（301）和（302））处于导通状态，其余开关均关闭。信号在梯形结构的一端输入，通过开关控制在梯形结构的某一个节点输出，不同的输出节点对应不同的衰减幅度。该无缘衰减器通过电阻分压来实现衰减，其衰减幅度由电阻值的比值决定。电阻值的比值由下面的公式决定：
Figure 2012103527417100002DEST_PATH_IMAGE002
                                                             (1)
Figure 2012103527417100002DEST_PATH_IMAGE004
                                                   (2)
其中0.63对应4dB的衰减步长，即衰减器将可变增益放大器的增益控制范围分割为4dB每段的连续几个段落。衰减器的输出由下面的公式决定：
Figure 2012103527417100002DEST_PATH_IMAGE006
                                          (3)
其中a0-a6为如图3所示的衰减器控制信号（0或者1）。由于在工作状态下衰减器的开关只有一对处于导通状态，因此在工作状态下a0-a6只有一位为1，其他位皆为0。 
本发明中，所述的高精度增益控制单元（202）是基于Cherry-Hooper结构的宽带放大器实现的。其结构图如附图4所示。其中gm1和gm2分别为前后两级的跨导，C1和C2分别为对应节点上的总寄生电容，R1和R2为前后两级的负载电阻，Rf为反馈电阻。其传递函数如下所示：
Figure 2012103527417100002DEST_PATH_IMAGE008
                                                            (3)
其中，Avo为直流增益，ζ为阻尼系数，ωn为自然频率
直流增益为：
                                                       (4)
阻尼系数为：
Figure 2012103527417100002DEST_PATH_IMAGE012
                                        (5)
自然频率为
Figure 2012103527417100002DEST_PATH_IMAGE014
                                                             (7)
该高精度增益控制单元（202）通过在Cherry-Hooper放大器的第一级并联一个数字控制的可变跨导阵列（501）来实现精确的增益控制。其电路图如附图5所示。根据该图，可变跨到阵列（501）的每一个单元由一个可关断的电流源和一对输入差分对所组成。该可变跨到阵列为二进制权重结构，每一位控制位对应控制的跨导值都为低一位控制位对应控制跨导值的两倍。因此有限的控制位和阵列面积就能实现较大的跨导变化范围，从而使高精度增益控制单元（202）的增益控制范围覆盖无缘电阻衰减器（201）的步长，也就是衰减器所分割的增益控制范围段落。
根据附图5，(2)式中的gm1由下面的公式决定：
                                      (8)
其中b0-b6为可变跨导阵列（501）的控制信号（0或者1）。k为高精度增益控制单元（202）第一级中固定跨导部分输入差分对和电流源尺寸与可变跨导阵列单元尺寸之比。
可变跨导阵列（501）的控制位由查找表决定。该查找表使可变跨导阵列（501）的跨导在指数上线性变化，从而保证了高精度增益控制单元（202）的增益在指数上线性变化。在传统的利用指数近似函数达到增益指数线性变化的可变增益放大器中，函数本身的系统误差决定了可变增益放大器的最小增益误差，而该误差不小于0.5dB。通过查找表控制增益可以尽可能地逼近理想的指数线性曲线，避免了指数近似函数所带来的系统误差，从而使增益误差降低到0.05dB。
本发明中，所述的固定增益放大器（203）为一个单级全差分放大器。其电路图如附图6所示。该放大器包括：反相密勒补偿电容（601，602），共模反馈电路（603）。其中反相密勒补偿电容（601，,602）连接在差分输入的一端以及差分输入另一端对应的输出端之间。共模反馈电路（603）的输入为固定增益放大器的输出，其输出连接在固定增益放大器的电流源晶体管栅极。该固定增益放大器（203）的负载由电阻和差分螺旋电感组成。电感用于增大放大器的带宽。反相密勒补偿电容（601，602）用于补偿输入差分对的寄生电容，从而改善放大器的频率响应。共模反馈电路（603）用于稳定放大器的输出共模电压。

Claims (4)

1. 一种超宽带高精度可变增益放大器，其特征在于：该放大器为开环结构，由一个无缘电阻衰减器（201）、一个高精度增益控制单元（202）和一个固定增益放大器（203）组成；信号依次通过无缘电阻衰减器（201）和高精度增益控制单元（202）进行两级增益控制，然后通过固定增益放大器（203）将信号放大到所需的幅度。
2. 根据权利要求1所述的超宽带高精度可变增益放大器，其特征在于：所述的无缘电阻衰减器（201）采用梯形电阻网络结构；组成该梯形电阻网络的电阻值一共有三种，其衰减步长由这三种电阻值的比值所决定，通过选通不同的开关来选择不同的衰减档位。
3. 根据权利要求1所述的超宽带高精度可变增益放大器的结构，其特征在于：所述的高精度增益控制单元包括一个Cherry-Hooper宽带放大器和数字控制的可变跨导阵列，高精度增益控制单元通过在Cherry-Hooper放大器的第一级并联一个数字控制的可变跨导阵列来实现精确的增益控制；所述可变跨到阵列为二进制权重结构，每一位控制位对应控制的跨导值都为低一位控制位对应控制跨导值的两倍。
4. 根据权利要求1所述的超宽带高精度可变增益放大器的结构，其特征在于：所述的固定增益放大器采用差分螺旋电感作为负载，并采用反相密勒补偿电容消除输入差分对的寄生电容，从而实现了大带宽。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104682905A (zh) * 2014-12-26 2015-06-03 北京航天测控技术有限公司 一种超宽带可变增益放大装置
CN105024655B (zh) * 2015-08-17 2018-01-09 京信通信技术(广州)有限公司 低噪放链路的噪声优化控制方法及电路
CN109787574A (zh) * 2018-12-29 2019-05-21 南京汇君半导体科技有限公司 一种毫米波可变增益放大器结构
CN114640364A (zh) * 2022-02-25 2022-06-17 复旦大学 一种全集成超声回波信号接收系统

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070194848A1 (en) * 2004-04-03 2007-08-23 Bardsley Thomas J Variable Gain Amplifier
CN101820258A (zh) * 2010-04-29 2010-09-01 复旦大学 高精度可变增益放大器
CN101924527A (zh) * 2010-09-19 2010-12-22 复旦大学 一种具有精确增益步长的宽带可编程增益放大器

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070194848A1 (en) * 2004-04-03 2007-08-23 Bardsley Thomas J Variable Gain Amplifier
CN101820258A (zh) * 2010-04-29 2010-09-01 复旦大学 高精度可变增益放大器
CN101924527A (zh) * 2010-09-19 2010-12-22 复旦大学 一种具有精确增益步长的宽带可编程增益放大器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
方飞: "《硕士学位论文》", 31 December 2011, article "高精度CMOS可编程增益放大器的研究与设计" *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104682905A (zh) * 2014-12-26 2015-06-03 北京航天测控技术有限公司 一种超宽带可变增益放大装置
CN104682905B (zh) * 2014-12-26 2017-08-11 北京航天测控技术有限公司 一种超宽带可变增益放大装置
CN105024655B (zh) * 2015-08-17 2018-01-09 京信通信技术(广州)有限公司 低噪放链路的噪声优化控制方法及电路
CN109787574A (zh) * 2018-12-29 2019-05-21 南京汇君半导体科技有限公司 一种毫米波可变增益放大器结构
CN114640364A (zh) * 2022-02-25 2022-06-17 复旦大学 一种全集成超声回波信号接收系统

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