CN103107790B - 可编程增益放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可编程增益放大器，包括：运算放大器，其包括两个输入端和至少一个输出端，至少一个输入端串接一电阻单元，运算放大器用于对增益放大器的输入信号进行放大并输出；至少一第一CMOS开关阵列，其由多个相互并联连接的CMOS开关构成，第一CMOS开关阵列跨接于运算放大器的一输入端与一输出端之间；数字控制模块，用于根据一数字控制信号来控制各CMOS开关的通断，以调节第一CMOS开关阵列的导通电阻值。其实现了对增益的精确调控，且有利于减小寄生电容。

Description

可编程增益放大器
技术领域
本发明涉及无线通信系统，更具体地说，涉及一种可编程增益放大器。
背景技术
在无线通信系统中，接收机收到的信号强度会随着接收机离发射机的距离改变或障碍物等因素而改变。为了使接收机在不同的输入信号强度下保持相对稳定的输出信号幅度，需要在接收链路中设置增益调节功能，当信号较强时将接收机增益降低，而信号较弱时则增大增益。可编程增益放大器需要具有较大的增益调节范围。在大部分情况下需要多级最大增益较低的可编程增益放大器级联，以获得较大的增益调节范围。
传统的可编程增益放大器需要改变其反馈电阻与输入电阻的电阻值之比来实现增益可变。但是改变其反馈电阻与输入电阻的阻值比，需要引入MOS开关。而MOS开关的导通电阻会造成可编程增益放大器的反馈电阻与输入电阻的阻值比不精确，从而导致可编程增益放大器的增益不精确。传统的可编程增益放大器，为了克服该缺陷，通常将MOS开关的面积做的较大来减小导通电阻，但又引起了寄生电容，会对可编程增益放大器反馈环路稳定性带来不利影响。
因此，业界期望获得一种可精确调控增益、而又有利于减少寄生电容的可编程增益放大器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可编程增益放大器。
为实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种可编程增益放大器，包括：运算放大器，其包括两个输入端和至少一个输出端，至少一个输入端串接一电阻单元，运算放大器用于对增益放大器的输入信号进行放大并输出；至少一第一CMOS开关阵列，其由多个相互并联连接的CMOS开关构成，第一CMOS开关阵列跨接于运算放大器的一输入端与一输出端之间；数字控制模块，用于根据一数字控制信号来控制各CMOS开关的通断，以调节第一CMOS开关阵列的导通电阻值；
其中，所述运算放大器的输入端为一对差分输入端、输出端为一对差分输出端，每一所述差分输入端分别串接一所述电阻单元，每一所述差分输出端与其对应的所述差分输入端之间分别跨接一所述第一CMOS开关阵列；所述电阻单元为第二CMOS开关阵列，所述第二CMOS开关阵列由一个或多个相互并联连接的CMOS开关构成，所述数字控制模块还根据所述数字控制信号调节所述CMOS开关的控制端的电压，以调节所述第二CMOS开关阵列的导通电阻值，所述增益为所述第一CMOS开关阵列的导通电阻值与所述第二CMOS开关阵列的导通电阻值之比。
优选地，电阻单元还可以为一恒定电阻，增益为第一CMOS开关阵列的导通电阻值与恒定电阻的阻值之比。
优选地，运算放大器为带零点补偿的两级运算放大器，两级运算放大器包括第一级差分放大器、第二级差分放大器和一共模反馈电路，第一级差分放大器的差分输出端分别连接第二级差分放大器的差分输入端，第一级差分放大器与第二级差分放大器共用共模反馈电路，以确定两级运算放大器输出直流电平。
本发明提供的可编程增益放大器，实现了对增益的精确调控、且有利于减少寄生电容，结构简单、便于推广应用。
附图说明
图1示出本发明一实施例的可编程增益放大器的模块结构示意图；
图2示出本发明另一实施例的可编程增益放大器的模块结构示意图；
图3示出本发明一实施例的运算放大器的简要电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明一实施例的可编程增益放大器包括：运算放大器OPAM，2个第一CMOS开关阵列Rcf1、Rcf2，数字控制模块。
其中，运算放大器为差分输入、差分输出，即具有一对差分输入端和一对差分输出端，其2个输入端分别串接一电阻单元Rco1、Rco2，并作为可编程增益放大器的输入端，电阻单元的阻值恒定，运算放大器OPAM用于对增益放大器的输入信号进行放大并最终输出；2个第一CMOS开关阵列Rcf1、Rcf2均由多个相互并联连接的CMOS开关构成、结构相同，分别跨接于运算放大器的一差分输入端和对应的差分输出端之间；数字控制模块接收一外部的数字控制信号，来调节第一CMOS开关阵列Rcf1、Rcf2的导通电阻值。
该实施例中，增益放大器的增益为第一CMOS开关阵列Rcf1的导通电阻值与电阻单元Rco1的阻值之比。
具体地，运算放大器为带零点补偿的两级运算放大器。该两级运算放大器包括第一级差分放大器、第二级差分放大器和一共模反馈电路，第一级差分放大器的差分输出端分别连接第二级差分放大器的差分输入端，第一级差分放大器与第二级差分放大器共用共模反馈电路，以确定该两级运算放大器输出直流电平。
根据该实施例的一具体实施方式，如图3所示，第一级差分放大器包括第一、第二、第三PMOS管P1、P2、P3和第一、第二NMOS管N1、N2，第一PMOS管P1源极接第一电压源VDD、栅极接一偏置电压源Vbias，从而第一PMOS管P1实质上成为了第一级差分放大器的电流源，其为运算放大器提供相对恒定的电流，电流值主要取决于栅极的偏置电压Vbias以及PMOS制造工艺。第二、第三PMOS管P2、P3为一输入对管，其作用是放大电流信号，其源极分别接该电流源，也即连接第一PMOS管P1的漏极，第一、第二NMOS管N1、N2源极分别接地，其栅极的偏置电压分别由共模反馈电路提供；第二、第三PMOS管P2、P3的栅极分别作为第一级差分放大器的差分输入端Vin_p、Vin_n，第二、第三PMOS管P2、P3的漏极分别与第一、第二NMOS管N1、N2的漏极相连，作为第一级差分放大器的差分输出端。
进一步地，第二级差分放大器包括第三、第四NMOS管N3、N4和第四、第五PMOS管P4、P5，具体为共源结构。第四、第五PMOS管P4、P5源极分别接第一电压源VDD、栅极分别接偏置电压源Vbias。第三、第四NMOS管N3、N4作为输入对管，源极分别接地、栅极分别作为第二级差分放大器的差分输入端，第三、第四NMOS管N3、N4的漏极分别与第四、第五PMOS管P4、P5的漏极相连，作为第二级差分放大器的差分输出端Vout_p、Vout_n。
进一步地，在第一级差分放大器的第一差分输出端(与差分输入端Vin_p对应的差分输出端)与对应的第二级差分放大器的差分输出端Vout_p之间，跨接有一密勒电容Cc1与调零电阻Rz1的串联结构，其作用是提供所需的单位增益带宽积，并保证在所需频带内运算放大器具有良好的稳定性。类似地，在第一级差分放大器的第二差分输出端(与差分输入端Vin_n对应的差分输出端)与对应的第二级差分放大器的差分输出端Vout_n之间，跨接有一密勒电容Cc2与调零电阻Rz2的串联结构。密勒电容Cc1、Cc2电容相同，调零电阻Rz1、Rz1电阻也相同。
进一步地，共模反馈电路由第六、第七、第八PMOS管P6、P7、P8和第五、第六NMOS管N5、N6以及一对阻值相等的电阻Rc1、Rc2构成，第六PMOS管P6源极接第一电压源VDD、栅极接偏置电压源Vbias，形成了共模反馈电路的电流源。第七PMOS管P7的栅极通过电阻Rc1、Rc2分别与第二级差分放大器的差分输出端Vout_p、Vout_n连接，Rc1、Rc2阻值相同，在Rc1与Rc2的连接端获得两级运算放大器输出的共模电压，从而使第七PMOS管P7的栅极获得偏置电压。第八PMOS管P8的栅极连接一参考电压源Vref，第七、第八PMOS管P7、P8源极分别接该电流源，也即连接第六PMOS管P6的漏极，第七、第八PMOS管P7、P8漏极还分别接第五、第六NMOS管N5、N6的漏极，第五、第六NMOS管N5、N6为二极管接法的负载，其源极分别接地、栅极分别与各自的漏极相接，第五NMOS管N5的栅极还与第一、第二NMOS管N1、N2的栅极分别相连，为它们提供栅极偏置电压，达到稳定输出共模电压的目的。
上述实施例提供的可编程增益放大器，可应用于无线通信系统的接收端，实现了对增益的精确调控、且不以改善MOS开关的面积为技术手段，故有利于减少寄生电容。
如图2所示，本发明另一实施例的可编程增益放大器同样包括：运算放大器OPAM，2个第一CMOS开关阵列Rcf1、Rcf2，数字控制模块。
其中，运算放大器为差分输入、差分输出，其2个输入端分别串接一电阻单元Rcs1、Rcs2，并作为可编程增益放大器的输入端，运算放大器OPAM用于对增益放大器的输入信号进行放大并最终输出；2个第一CMOS开关阵列Rcf1、Rcf2均由多个相互并联连接的CMOS开关构成、结构相同，分别跨接于运算放大器的一差分输入端和对应的差分输出端之间；数字控制模块接收一外部数字控制信号，来调节第一CMOS开关阵列Rcf1、Rcf2的导通电阻值。
与前一实施例中不同的是，电阻单元Rcs1、Rcs2的阻值可变。具体地，电阻单元Rcs1、Rcs2由第二CMOS开关阵列构成；而第二CMOS开关阵列由一个或多个相互并联连接的CMOS开关构成，数字控制模块还根据前述的外部数字控制信号来调节该一个或多个CMOS开关的控制端的电压，从而可以调节第二CMOS开关阵列的导通电阻值。
具体地，根据需要选择一组或多组CMOS开关导通与关断，即可以调节处于导通状态的CMOS开关与处于断开状态的CMOS开关的数量之比，进一步可以调节第一、第二CMOS开关阵列的导通电阻值。
该实施例中，增益为第一CMOS开关阵列Rcf1的导通电阻值与电阻单元Rcs1(第二CMOS开关阵列)的导通电阻值之比。
具体地，运算放大器为带零点补偿的两级运算放大器。该两级运算放大器包括第一级差分放大器、第二级差分放大器和一共模反馈电路，第一级差分放大器的差分输出端分别连接第二级差分放大器的差分输入端，第一级差分放大器与第二级差分放大器共用共模反馈电路，以确定该两级运算放大器输出直流电平。
进一步地，运算放大器的电路结构可以和前一实施例中相同。
进一步地，该实施例提供的可编程增益放大器应用于无线通信系统的接收端，使接收机在不同的输入信号强度下保持相对稳定的输出信号幅度。
相比于前一实施例，该实施例可同时调节第一、第二CMOS开关阵列的导通电阻值，从而使增益调节范围更大、增益更加精确。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种可编程增益放大器，包括：
运算放大器，其包括两个输入端和至少一个输出端，至少一个所述输入端串接一电阻单元，所述运算放大器用于对所述增益放大器的输入信号进行放大并输出；
至少一第一CMOS开关阵列，其由多个相互并联连接的CMOS开关构成，所述第一CMOS开关阵列跨接于所述运算放大器的一所述输入端与一所述输出端之间；
数字控制模块，用于根据一数字控制信号来控制各所述CMOS开关的通断，以调节所述第一CMOS开关阵列的导通电阻值；
其中，所述运算放大器的输入端为一对差分输入端、输出端为一对差分输出端，每一所述差分输入端分别串接一所述电阻单元，每一所述差分输出端与其对应的所述差分输入端之间分别跨接一所述第一CMOS开关阵列；所述电阻单元为第二CMOS开关阵列，所述第二CMOS开关阵列由一个或多个相互并联连接的CMOS开关构成，所述数字控制模块还根据所述数字控制信号调节所述CMOS开关的控制端的电压，以调节所述第二CMOS开关阵列的导通电阻值，所述增益为所述第一CMOS开关阵列的导通电阻值与所述第二CMOS开关阵列的导通电阻值之比。
2.如权利要求1所述的可编程增益放大器，其特征在于，所述电阻单元还可以为一恒定电阻，所述增益为所述第一CMOS开关阵列的导通电阻值与所述恒定电阻的阻值之比。
3.如权利要求1或2所述的可编程增益放大器，其特征在于，所述运算放大器为带零点补偿的两级运算放大器，所述两级运算放大器包括第一级差分放大器、第二级差分放大器和一共模反馈电路，所述第一级差分放大器的差分输出端分别连接所述第二级差分放大器的差分输入端，所述第一级差分放大器与所述第二级差分放大器共用所述共模反馈电路，以确定所述两级运算放大器输出直流电平。
4.如权利要求3所述可编程增益放大器，其特征在于，所述第一级差分放大器包括第一、第二、第三PMOS管和第一、第二NMOS管，所述第一PMOS管源极接第一电压源、栅极接一偏置电压源，以形成所述第一级差分放大器的电流源，所述第二、第三PMOS管为一输入对管，其源极分别接该电流源，所述第一、第二NMOS管源极分别接地，其栅极的偏置电压分别由所述共模反馈电路提供，所述第二、第三PMOS管的栅极分别形成所述第一级差分放大器的差分输入端，所述第二、第三PMOS管的漏极分别与第一、第二NMOS管的漏极相连，以形成所述第一级差分放大器的差分输出端。
5.如权利要求4所述可编程增益放大器，其特征在于，所述第二级差分放大器包括第三、第四NMOS管和第四、第五PMOS管，所述第四、第五PMOS管源极分别接所述第一电压源、栅极分别接所述偏置电压源，所述第三、第四NMOS管的源极分别接地、栅极分别形成所述第二级差分放大器的差分输入端，所述第三、第四NMOS管的漏极分别与第四、第五PMOS管的漏极相连，以形成所述第二级差分放大器的差分输出端。
6.如权利要求5所述可编程增益放大器，其特征在于，在所述第一级差分放大器的每一差分输出端与对应的所述第二级差分放大器的差分输出端之间，分别跨接有一密勒电容与调零电阻的串联结构。
7.如权利要求5所述可编程增益放大器，其特征在于，所述共模反馈电路由第六、第七、第八PMOS管和第五、第六NMOS管以及一对阻值相等的电阻构成，所述第六PMOS管源极接所述第一电压源、栅极接所述偏置电压源，以形成所述共模反馈电路的电流源，所述第七PMOS管的栅极通过一所述电阻分别与所述第二级差分放大器的一差分输出端连接，所述第八PMOS管的栅极连接一参考电压源，所述第七、第八PMOS管源极分别接该电流源、漏极分别接所述第五、第六NMOS管的漏极，所述第五、第六NMOS管源极分别接地、栅极分别与各自的漏极相接，所述第五NMOS管的栅极还与所述第一、第二NMOS管的栅极分别相连。
8.如权利要求1至2中任一项、或4至7中任一项所述可编程增益放大器，其特征在于，所述可编程增益放大器用于无线通信系统的接收端。
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