CN103107789B - 一种共模反馈电阻共用的可变增益放大器 - Google Patents

Abstract

一种共模反馈电阻共用的可变增益放大器属于可变增益放大器领域，以实现反馈电阻网络与共模反馈电阻网络的共用，从而减小芯片面积，减小环路带宽随增益变化。本发明分为两级，第一级包含全差分运放，同时利用共模反馈的电阻网络提供增益。第二级包括两个同样的单端输出的运放，它们与电阻网络共同组成伪差分放大器。为了减小直流失调电压，电容C₁与C₂连接于第一级的输出与第二级的输入之间，其作用是过滤第一级的直流失调电压，同时通过第一级输出的交流信号，电阻R₃₈和R₃₉用来确定第二级输入端的共模电压，其中R₃₈和R₃₉的一端均连接到V_ref，R₃₈的另一端连接到运放的同相输入端，R₃₉的另一端连接到运放的同相输入端，通过开关改变电阻网络以获得不同增益。

Description

一种共模反馈电阻共用的可变增益放大器

技术领域

本发明涉及模拟接收机的前端设计，尤其涉及一种与共模反馈共用电阻网络的可变增益放大器。

背景技术

可变增益放大器的作用是最大化系统的动态范围，一般通过一个反馈环路实现增益的自动调节。可变增益放大器是很多系统非常重要的组成部分，主要是在输入信号幅度变化较大情况下，通过自动调节增益，使输出信号幅度保持恒定或在特定的范围内变化。

一般的可变增益放大器分为开环和闭环两种结构。第一种是开环结构，即通过改变放大器的跨导或输出阻抗来实现增益调节，开环结构适用于高宽带的应用，但是存在着对工艺敏感度高、线性度低、动态范围小等缺点；第二种是闭环结构，通常由电阻反馈网络来实现，虽然闭环结构有着增益误差小、线性度好等优点，但是也存在着带宽和稳定性会随着增益的变化而改变、需要额外共模反馈环路等缺点。

如图1为传统的闭环可变增益放大器的实现方法，由于运放输入端虚短，很容易得到：

$V_{\mathrm{out}}=\frac{R_{32}}{R_{31}}{V}_{\mathrm{in}}$

通过开关调节电阻R₃₂或者R₃₁的值，即可实现增益的调节。因为

$\mathrm{BW}=\frac{R_{31}}{R_{31}+R_{32}}\mathrm{GBW}$

其中BW为整个环路的带宽，GBW为运放23的单位增益带宽。当改变增益的时候，即调节R₃₂与R₃₁的比值时，整个差模反馈环路的带宽也将发生变化，如增益从6dB减小到0dB时，相应的带宽会增加为原来的3/2，如果此时补偿电路不发生变化，就有可能会引入反馈环路的稳定性问题。

同时，为了确定输出共模电压，图1中全差分运放23也需要共模反馈电路。一般的共模反馈电路如图1所示，电阻R₃₃与R₃₄串联，R₃₃的一端连接到运放23的反相输出端，R₃₄的一端连接到运放23的同相输出端，R₃₃与R₃₄均连接到运放24的同相输入端，用来检测共模电压，当R₃₃=R₃₄时,由于运放24两端虚短，即有V_ref＝V_cm从而确定输出共模电压。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可变增益放大器，以实现在不同的增益下，环路带宽保持恒定。为解决上述问题，采用了如下技术方案：

一种可变增益放大器，其共分为两级，如图2所示，其中第一级包括差分运放21，第二级包括两个同样的单端输出的运放25与26，它们与电阻网络5共同组成伪差分放大器。为了减小直流失调电压，电容C₁与C₂连接于第一级的输出与第二级的输入之间，其作用是过滤第一级的直流失调电压，同时通过第一级输出的交流信号，电阻R₃₈和R₃₉用来确定第二级输入端的共模电压，其中R₃₈和R₃₉的一端均连接到V_ref，R₃₈的另一端连接到运放25的同相输入端，R₃₉的另一端连接到运放26的同相输入端。

如图3所示，为本发明第一级的电路图。电阻R₉₀和电阻R₉₁的一端连接于信号差分输入端，R₉₀另一端连接于运放21的同相输入端，R₉₁另一端连接于运放21的反相输入端，电阻R₉₂一端连接于运放21的同相输入端，另一端连接于运放21的反相输出端，电阻R₉₃一端连接于运放21的反相输入端，另一端连接于运放21的同相输出端，其中电阻R₉₀=R₉₁，R₉₂=R₉₃。电阻R₁-R_2i串联，其中i≥1的整数，R₁=R_2i,R₂=R_2i-1,R₃=R_2i-2…R_i=R_i+1，以R_i与R_i+1相连的点N1中心对称，以此类推。R₁一端与S₁和R₂连接，另一端连接于运放的反相输出端，同时连接到开关S₀；R₂一端与S₁和R₁连接，另一端与S₂和R₃连接，以此类推。R_i和R_i+1连接与点N1，同时N1连接到运放20的同相输入端，运放20的反相输入端连接于V_ref，其输出端反馈回运放21，形成共模反馈回路，以确定输出的共模电压。R_i+1一端与N1连接，另一端与S_i+1和R_i+2连接，以此类推。R_2i的一端与R_2i-1和S_2i-2连接，另一端连接于运放的同相输出端，同时连接到开关S_2i-1。开关S₀-S_i-1的另一端连接于V_out-，开关S_i-S_2i-1的另一端连接于V_out+。由同一信号控制因为N1即为交流地，所以当切换开关时，可以得到输入与输出之间的关系如下表1所示，其中开关S₀和S_2i-1由同一信号控制，开关S₁和S_2i-2由同一信号控制，开关S₂和S_2i-3由同一信号控制，以此类推。

表格1

因为在进行增益切换的过程中，反馈电阻保持恒定，即可保证在不同的增一下，第一级放大器的环路带宽保持恒定。

图4为本发明第二级放大电路的电路图，其主要作用是提供大于0dB的增益，同时，为了防止放大第一级的直流失调电压，将电容C₁与C₂分别连接到第一级的输出端与第二级的输入端之间，电容C₁与C₂完全相等。电阻R₃₈与R₃₉确定第二级的输入共模电压，电阻R₃₈与R₃₉完全相等。图4中电容C₁与C₂下极板分别连接与第一级的输出电压，上极板分别连接于电阻R₃₈与R₃₉，同时连接到运放25与26的同相输入端，电阻R₃₈与R₃₉的另一端连接到V_REF以确定输入共模电压。电阻R₆₁到R₆₆串联，且连接于运放25与26的输出端之间，其中电阻R₆₁与R₆₆，R₆₂与R₆₅,R₆₃与R₆₄的阻值分别相等。由于输入为差分信号，很容易得到电阻R₆₃与R₆₄连接点70即为交流地。开关S₈₁、S₈₂、S₈₃的一端均连接到运放25的反相输入端，开关S₈₁的另一端连接到运放25的输出端，开关S₈₂的另一端连接到电阻R₆₁与R₆₂之间，开关S₈₃的另一端连接到电阻R₆₂与R₆₃之间。开关S₈₄、S₈₅、R₈₆的一端均连接到运放26的反相输入端，开关S₈₆的另一端连接到电阻运放26的输出端，开关S₈₅的另一端连接到电阻R₆₄与R₆₅之间，开关S₈₃的另一端连接到电阻R₆₅与R₆₆之间。同样，开关S₈₁与S₈₆、S₈₂与S₈₅,、S₈₃与S₈₄分别由相同的逻辑控制。当开关S₈₁与S₈₆闭合且其他开关断开时，运放的增益为0dB，开关S₈₂与S₈₅闭合且其他开关断开时，增益为开关S₈₃与S₈₄闭合且其他开关断开时，增益为通过调节电阻的阻值，即可得到不同的增益。

假设第一级的增益为A₁，第二级的为A₂，则得到总的增益为A＝A₁×A₂。

有益效果

本发明涉及的可变增益放大器可以将电阻网络与共模反馈电路共用，从而减小芯片面积与功耗，增加电路的稳定性，通过交流耦合以及伪差分结构，减小直流失调电压。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为传统的闭环可变增益放大器；

图2为本发明的结构框图；

图3为本发明可变增益放大器第一级的电路图；

图4为本发明上可变增益放大器第二级的电路图；

图5为本发明中确定第二级输入共模的电阻的一个实施例的电路图；

图6为本发明中第一级可变增益放大器的一个实施例；

图7为本发明中第一级可变增益放大器的差分运放的一个实施例；

图8为本发明中第二级运放的一个实施例；

图9为在不同增益下第一级带宽的仿真结果；

具体实施方式

本发明实施例提出了一种与共模反馈共用电阻网络的可变增益放大器。此可变增益放大器分为两级，可实现-11dB到12dB的增益可变。第一级可提供0dB到-11dB的增益可调。第二级提供0dB，6dB，12dB三种增益档。

本实施例的第一级可变增益放大器的电路图如图6所示。电阻R₉₀和电阻R₉₁的一端连接于信号差分输入端，R₉₀另一端连接于运放21的同相输入端，R₉₁另一端连接于运放21的反相输入端，电阻R₉₂一端连接于运放21的同相输入端，另一端连接于运放21的反相输出端，电阻R₉₃一端连接于运放21的反相输入端，另一端连接于运放21的同相输出端，其中电阻R₉₀=R₉₁=R₉₂=R₉₃。电阻R₁-R₂₄串联，其中i≥1的整数，R₁=R₂₄,R₂=R₂₃,R₃=R₂₁…R₁₂=R₁₃，以点R₁₂与R₁₃相连的点N1中心对称，以此类推。R₁一端与S₁和R₂连接，另一端连接于运放的反相输出端，同时连接到开关S₀；R₂一端与S₁和R₁连接，另一端与S₂和R₃连接，以此类推。R₁₂和R₁₃连接与点N1，同时N1连接到运放20的同相输入端，运放20的反相输入端连接于V_ref，其输出端反馈回运放21，形成共模反馈回路，以确定输出的共模电压。这里V_ref＝0.9V。R₁₃一端与N1连接，另一端与S₁₃和R₁₄连接，以此类推。R₂₄的一端与R₂₃和S₂₂连接，另一端连接于运放的同相输出端，同时连接到开关S₂₄。开关S₀-S₁₁的另一端连接于V_out-，开关S₁₂-S₂₃的另一端连接于V_out+。因为N1即为交流地，所以当切换开关时，可以得到输入与输出之间的关系如下表2所示。

表格2

本实施例的第二级可变增益放大器的电路如图4所示。其主要作用是提供大于0dB的增益，在本实施例中第二级提供0dB，6dB，12dB三种增益。同时，为了防止放大第一级的直流失调电压，将电容C₁与C₂分别连接到第一级的输出端与第二级的输入端之间，电容C₁与C₂完全相等，即C₁=C₂。电阻R₃₈与R₃₉确定第二级的输入共模电压，电阻R₃₈与R₃₉完全相等。为了不影响电路的正常工作，电阻R₃₈与R₃₉必须取足够大的阻值，以保证不会衰减高频输入信号。图5为本实施例采用的电阻R₃₈与R₃₉的实施方案。图4中电容C1与C₂下极板分别连接与第一级的输出电压，上极板分别连接于电阻R₃₈与R₃₉，同时连接到运放25与26的同相输入端，电阻R₃₈与R₃₉的另一端连接到V_REF以确定输入共模电压。电阻R₆₁到R₆₆串联，且连接于运放25与26的输出端之间，其中电阻R₆₁与R₆₆，R₆₂与R₆₅，R₆₃与R₆₄的阻值分别相等。由于输入为差分信号，很容易得到电阻R₆₃与R₆₄连接点70即为交流地。开关S₈₁、S₈₂、S₈₃的一端均连接到运放25的反相输入端，开关S₈₁的另一端连接到运放25的输出端，开关S₈₂的另一端连接到电阻R₆₁与R₆₂之间，开关S₈₃的另一端连接到电阻R₆₂与R₆₃之间。开关S₈₄、S₈₅、R₈₆的一端均连接到运放26的反相输入端，开关S₈₆的另一端连接到电阻运放26的输出端，开关S₈₅的另一端连接到电阻R₆₄与R₆₅之间，开关S₈₃的另一端连接到电阻R₆₅与R₆₆之间。同样，开关S₈₁与S₈₆、S₈₂与S₈₅、S₈₃与S₈₄分别由相同的逻辑控制。当开关S₈₁与S₈₆闭合且其他开关断开时，运放的增益为0dB，开关S₈₂与S₈₅闭合且其他开关断开时，增益为=6dB，开关S₈₃与S₈₄闭合且其他开关断开时，增益为=12dB。通过调节电阻的阻值，即可得到不同的增益。

如图5所示为本发明中第二级输入共模的电阻R₃₈的一种实现方法。MP10的漏极与MP11的源极相连，MP10的源极与MP11的漏极相连，MP10与MP11的栅极分别与其源极相连。这样在一般情况下，PMOS关断，从而可以产生非常大的的等效电阻。

本实施例用到4个运放。运放21为使用共源-共栅结构的两级米勒补偿运放，运放20为常用的5管运放作为共模反馈电路，具体电路图如图7所示。运放25和运放26结构一致，具体电路图如图8所示。该电路在中芯国际集成电路制造有限公司180nm工艺下进行设计，电源电压为1.8V。图9为在不同的增益下，可变增益放大器的AC仿真结果，由图可见，在不同增益下，电路的带宽基本保持不变。

以上所述，仅为本发明的一种实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，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)

1.一种共模反馈电阻共用的可变增益放大器，其特征在于：共分为两级，其中第一级包括差分运放21，第二级包括两个同样的单端输出的运放25与运放26，它们与电阻网络5共同组成伪差分放大器；电容C₁与电容C₂连接于第一级的输出与第二级的输入之间，其作用是过滤第一级的直流失调电压，同时通过第一级输出的交流信号，电阻R₃₈和R₃₉用来确定第二级输入端的共模电压，其中电阻R₃₈和电阻R₃₉的一端均连接到V_ref，电阻R₃₈的另一端连接到运放25的同相输入端，电阻R₃₉的另一端连接到运放26的同相输入端；

第一级的电路如下：电阻R₉₀和电阻R₉₁的一端连接于信号差分输入端，电阻R₉₀另一端连接于运放21的同相输入端，电阻R₉₁另一端连接于运放21的反相输入端，电阻R₉₂一端连接于运放21的同相输入端，另一端连接于运放21的反相输出端，电阻R₉₃一端连接于运放21的反相输入端，另一端连接于运放21的同相输出端，其中电阻R₉₀＝R₉₁，电阻R₉₂＝R₉₃；电阻R₁-电阻R_2i这2i个电阻串联，其中i≥1，i为整数，R₁＝R_2i,R₂＝R_2i-1,R₃＝R_2i-2…R_i＝R_i+1，以电阻R_i与电阻R_i+1相连的点N1中心对称，以此类推；电阻R₁一端与开关S₁和电阻R₂连接，另一端连接于运放21的反相输出端，同时连接到开关S₀；电阻R₂一端与开关S₁和电阻R₁连接，另一端与开关S₂和电阻R₃连接，以此类推；电阻R_i和电阻R_i+1连接于点N1，同时N1连接到运放20的同相输入端，运放20的反相输入端连接于V_ref，其输出端反馈回运放21，形成共模反馈回路，以确定输出的共模电压；电阻R_i+1一端与N1连接，另一端与开关S_i+1和电阻R_i+2连接，以此类推，电阻R_2i的一端与电阻R_2i-1和开关S_2i-2连接，另一端连接于运放的同相输出端，同时连接到开关S_2i-1；开关S₀-开关S_i-1这2i个开关的另一端连接于V_out ^-，开关S_i-开关S_2i-1这2i个开关的另一端连接于V_out ⁺；

第二级放大电路如下：电阻R₃₈与电阻R₃₉确定第二级的输入共模电压，电阻R₃₈与电阻R₃₉完全相等；电容C₁与电容C₂下极板分别连接于第一级的输出电压，电容C₁上极板连接于电阻R₃₈，电容C₂上极板连接于电阻R₃₉，电容C₁上极板连接到运放25的同相输入端，电容C₂上极板连接到运放26的同相输入端，电阻R₃₈与电阻R₃₉的另一端连接到V_REF以确定输入共模电压；电阻R₆₁—电阻R₆₆这六个电阻串联，且连接于运放25与运放26的输出端之间，其中电阻R₆₁与电阻R₆₆阻值相等，电阻R₆₂与电阻R₆₅阻值相等，电阻R₆₃与电阻R₆₄的阻值相等；电阻R₆₃与电阻R₆₄连接点70即为交流地；开关S₈₁、开关S₈₂、开关S₈₃的一端均连接到运放25的反相输入端，开关S₈₁的另一端连接到运放25的输出端，开关S₈₂的另一端连接到电阻R₆₁与电阻R₆₂之间，开关S₈₃的另一端连接到电阻R₆₂与电阻R₆₃之间；开关S₈₄、开关S₈₅、开关R₈₆的一端均连接到运放26的反相输入端，开关S₈₆的另一端连接到电阻运放26的输出端，开关S₈₅的另一端连接到电阻R₆₄与电阻R₆₅之间，开关S₈₃的另一端连接到电阻R₆₅与电阻R₆₆之间；同样，开关S₈₁与开关S₈₆由相同的逻辑控制、开关S₈₂与开关S₈₅由相同的逻辑控制、开关S₈₃与开关S₈₄由相同的逻辑控制。