CN103368506B - 宽带可变增益放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带可变增益放大器，包括跨导放大电路、可变电流增益电路和跨阻放大电路；且可变电流增益电路的第一输入端与跨导放大电路的第一输出端相连，第二输入端与跨导放大电路的第二输出端相连，第一输出端与跨阻放大电路的第一输入端相连，第二输出端与跨阻放大电路的第二输入端相连；可变电流增益电路的第一增益控制电压输入端与第一增益控制电压相连，第二增益控制电压输入端与第二增益控制电压相连。其中，可变电流增益电路可以保证宽带可变增益放大电路的带宽在大的增益变化范围内保持基本恒定。本发明中的宽带可变增益放大器，可以拓展接收机处理信号的带宽，从而使得接收机可以接收高速传输的数据。
Description
技术领域
本发明涉及信号放大技术领域，特别涉及一种宽带可变增益放大器。
背景技术
随着在微波、毫米波和光通信等领域的数据的传输速率越来越高，相对应的这就要求接收机可以接收这些高速传输的数据。由于接收机可接收高速传输的数据的条件是其可处理数据的带宽较宽。同时由于，可变增益放大器作为接收机中的关键功能部件，其可处理信号的带宽直接决定了接收机可以处理信号的带宽。因此，如何拓展可变增益放大器可处理数据的带宽正在成为研究热点。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种宽带可变增益放大器，以拓展其自身所处理数据的带宽，进而拓展接收机所处理信号的带宽，最终使得接收机可以接收高速传输的数据。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种宽带可变增益放大器，包括跨导放大电路、可变电流增益电路和跨阻放大电路；
所述可变电流增益电路的第一输入端与所述跨导放大电路的第一输出端相连，第二输入端与所述跨导放大电路的第二输出端相连，第一输出端与所述跨阻放大电路的第一输入端相连，第二输出端与所述跨阻放大电路的第二输入端相连；
所述可变电流增益电路的第一增益控制电压输入端与第一增益控制电压相连，第二增益控制电压输入端与第二增益控制电压相连；
其中，所述可变电流增益电路包括第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管和第八晶体管；
所述第三晶体管的第二端、第五晶体管的第二端和第七晶体管的第二端相连的公共端作为所述可变电流增益电路的第一输入端；
所述第四晶体管的第二端、第六晶体管的第二端和第八晶体管的第二端相连的公共端作为所述可变电流增益电路的第二输入端；
所述第三晶体管的第一端和所述第四晶体管的第一端相连的公共端作为所述可变电流增益电路的第一增益控制电压输入端；
所述第五晶体管的第一端、第六晶体管的第一端、第七晶体管的第一端和第八晶体管的第一端相连的公共端作为所述可变电流增益电路的第二增益控制电压输入端；
所述第三晶体管的第三端、第五晶体管的第三端和第八晶体管的第三端相连的公共端作为所述可变电流增益电路的第一输出端；
所述第四晶体管的第三端、第六晶体管的第三端和第七晶体管的第三端相连的公共端作为所述可变电流增益电路的第二输出端。
优选的，所述跨导放大电路包括第一晶体管、第二晶体管和第一恒定电流源；
所述第一晶体管的第一端作为所述跨导放大电路的第一差分信号输入端，所述第一晶体管的第三端作为所述跨导放大电路的第一输出端；
所述第二晶体管的第一端作为所述跨导放大电路的第二差分信号输入端，所述第二晶体管的第三端作为所述跨导放大电路的第二输出端；
所述第一晶体管的第二端和所述第二晶体管的第二端相连的公共端与所述第一恒定电流源的一端相连，所述第一恒定电流源的另一端接地。
优选的，所述跨阻放大电路包括第九晶体管、第十晶体管、第十一晶体管、第十二晶体管、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、电源电压和第二恒定电流源；
所述第一电阻R1的一端与所述第九晶体管的第一端相连的公共端作为所述跨阻放大电路的第一输入端；
所述第二电阻R2的一端与所述第十晶体管的第一端相连的公共端作为所述跨阻放大电路的第二输入端；
所述第三电阻R3的一端与所述第九晶体管的第三端相连的公共端作为所述跨阻放大电路的第一差分信号输出端；
所述第四电阻R4的一端与所述第十晶体管的第三端相连的公共端作为所述跨阻放大电路的第二差分信号输出端；
所述第九晶体管的第二端与所述第十晶体管的第二端相连的公共端与所述第二恒定电流源的一端相连，所述第二恒定电流源的另一端接地；
所述第十一晶体管的第二端与所述第一电阻R1的另一端相连，所述第十一晶体管的第一端分别与所述第三电阻R3的另一端和所述第五电阻R5的一端相连；
所述第十一晶体管的第三端、第五电阻R5的另一端、第六电阻R6的一端和第十二晶体管的第三端相连的公共端与所述电源电压相连；
所述第十二晶体管的第一端分别与所述第四电阻R4的另一端和所述第六电阻R6的另一端相连，所述第十二晶体管的第二端与所述第二电阻R2的另一端相连。
优选的，当所述第一晶体管至第十二晶体管均为NPN三极管时，所述第一晶体管至第十二晶体管的第一端均为所述NPN三极管的基极，第二端均为所述NPN三极管的发射极，第三端均为所述NPN三极管的集电极。
优选的，所述第一晶体管至第十二晶体管均为锗硅异质结双极晶体管SiGeHBT，且沟道长度均为0.2μm。
优选的，所述第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管的发射结区面积均为0.8μm2；
所述第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管、第八晶体管、第九晶体管和第十晶体管的发射区面积均为0.4μm2；
所述第十一晶体管和第十二晶体管的发射区面积均为1μm2。
优选的，所述第一电阻R1和第二电阻R2的阻值均为435Ω,第三电阻R3和第四电阻R4的阻值均为1450Ω，第五电阻R5和第六电阻R6的阻值均为290Ω。
优选的，所述第一恒定电流源和第二恒定电流源所提供的电流值均为2mA，所述电源电压所提供的电压值为3.3V。
优选的，当所述第一晶体管至第十二晶体管均为场效应管；
所述第一晶体管至所述第十二晶体管的第一端均为所述场效应管的栅极，第二端均为所述场效应管的源极，第三端均为所述场效应管的漏极。
由上述的技术方案可以看出，在本发明实施例中，可变电流增益电路包括第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管和第八晶体管；其中，第三晶体管的第二端、第五晶体管的第二端和第七晶体管的第二端相连的公共端作为可变电流增益电路的第一输入端与跨导放大电路的第一输出端相连；第四晶体管的第二端、第六晶体管的第二端和第八晶体管的第二端相连的公共端作为可变电流增益电路的第二输入端与跨导放大电路的第二输出端相连；第三晶体管的第三端、第五晶体管的第三端和第八晶体管的第三端相连的公共端作为可变电流增益电路的第一输出端与跨阻放大电路的第一输入端相连；第四晶体管的第三端、第六晶体管的第三端和第七晶体管的第三端相连的公共端作为可变电流增益电路的第二输出端与跨阻放大电路的第二输入端相连。由上可见，可变电流增益电路具有低输入阻抗和高输出阻抗，而跨导放大电路具有高输出阻抗，跨阻放大电路具有低输入阻抗；因此，可见跨导放大电路、可变电流增益电路与跨阻放大电路之间均为阻抗失配的，利用各级间的阻抗失配可减小电路内部寄生电容电感的影响，从而提高整体电路的主极点频率，由此可在保证宽带可变增益放大器的增益（对信号的放大倍数）的前提下拓展其自身可处理信号的带宽，进而拓展接收机处理信号的带宽，最终使得接收机可以接收高速传输的数据。同时，可变电流增益电路能够提供大的交流可变电流增益范围，且第一输出端和第二输出端具有恒定直流电流，不会影响跨阻放大电路的带宽，从而保证了宽带可变增益放大器在大的增益范围内保持带宽基本恒定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的宽带可变增益放大电路的模块图；
图2为本发明实施例所提供的宽带可变增益放大器的电路图；
图3为本发明实施例所提供的宽带可变增益放大电路的另一电路图；
图4为本发明实施例所提供的宽带可变增益放大电路的又一电路图；
图5为本发明实施例所提供的宽带可变增益放大电路的仿真图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了宽带可变增益放大器的一种结构，如图1所示，该放大器至少包括：跨导放大电路11、可变电流增益电路12和跨阻放大电路13；
具体的，可变电流增益电路12的第一输入端与跨导放大电路11的第一输出端相连，第二输入端与跨导放大电路11的第二输出端相连，第一输出端与跨阻放大电路13的第一输入端相连，第二输出端与跨阻放大电路13的第二输入端相连；
可变电流增益电路12的第一增益控制电压输入端与第一增益控制电压14相连，第二增益控制电压输入端与第二增益控制电压15相连；
具体的，可变电流增益电路12所提供的交流电流增益可随第一增益控制电压14和第二增益控制电压15所提供的增益电压单调变化（在实际使用时，可将第一增益控制电压14和第二增益控制电压15中的任一个增益控制电压固定，然后对另一控制控制电压进行调节，即可改变可变电流增益电路12所提供的增益）。
本发明所公开的宽带可变增益放大器的工作原理为：跨导放大电路11可将所输入的第一差分信号和第二差分信号转化为差分电流信号，跨导增益为Gm；可变电流增益电路12可根据第一增益控制电压14和/或第二增益控制电压15对差分电流信号进行相应的衰减并输出差分电流信号，电流增益为GI；跨阻放大电路13可将上述差分电流信号转化成差分电压信号进行输出（通过第一差分信号输出端和第二差分信号输出端进行输出）。因此，本发明中的宽带可变增益放大器的增益带宽Av可表示为：Av=Gm×GI×ZT。
其中，如图2所示，可变电流增益电路12，可包括第三晶体管23、第四晶体管24、第五晶体管25、第六晶体管26、第七晶体管27和第八晶体管28；
具体的，第三晶体管23的第二端、第五晶体管25的第二端和第七晶体管27的第二端相连所构成的公共端可作为可变电流增益电路12的第一输入端；
第四晶体管24的第二端、第六晶体管26的第二端和第八晶体管28的第二端相连所构成的公共端可作为可变电流增益电路12的第二输入端；
第三晶体管23的第一端和第四晶体管24的第一端相连所构成的公共端作为可变电流增益电路12的第一增益控制电压输入端；
第五晶体管25的第一端、第六晶体管26的第一端、第七晶体管27的第一端和第八晶体管28的第一端相连所构成的公共端作为可变电流增益电路12的第二增益控制电压输入端；
第三晶体管23的第三端、第五晶体管25的第三端和第八晶体管28的第三端相连所构成的公共端作为可变电流增益电路12的第一输出端；
第四晶体管24的第三端、第六晶体管26的第三端和第七晶体管27的第三端相连所构成的公共端作为可变电流增益电路12的第二输出端。
由上可见，在本发明实施例中，可变电流增益电路12包括第三晶体管23、第四晶体管24、第五晶体管25、第六晶体管26、第七晶体管27和第八晶体管28；其中，第三晶体管23的第二端、第五晶体管25的第二端和第七晶体管27的第二端相连的公共端作为可变电流增益电路12的第一输入端与跨导放大电路11的第一输出端相连；第四晶体管24的第二端、第六晶体管26的第二端和第八晶体管28的第二端相连的公共端作为可变电流增益电路12的第二输入端与跨导放大电路11的第二输出端相连；第三晶体管23的第三端、第五晶体管25的第三端和第八晶体管28的第三端相连的公共端作为可变电流增益电路12的第一输出端与跨阻放大电路13的第一输入端相连；第四晶体管24的第三端、第六晶体管26的第三端和第七晶体管27的第三端相连的公共端作为可变电流增益电路12的第二输出端与跨阻放大电路13的第二输入端相连。由上可见，可变电流增益电路12具有低输入阻抗和高输出阻抗，而跨导放大电路11具有高输出阻抗，跨阻放大电路13具有低输入阻抗，因此，可见跨导放大电路11、可变电流增益电路12与跨阻放大电路13之间均为阻抗失配的，利用各级间的阻抗失配可减小电路内部寄生电容电感的影响，从而提高整体电路的主极点频率，由此可在保证宽带可变增益放大器的增益（对信号的放大倍数）的前提下拓展其自身可处理信号的带宽，进而拓展接收机处理信号的带宽，最终使得接收机可以接收高速传输的数据。同时，可变电流增益电路12能够提供大的交流可变电流增益范围，且第一输出端和第二输出端具有恒定直流电流，不会影响跨阻放大电路13的带宽，从而保证了宽带可变增益放大器在大的增益范围内保持带宽基本恒定、
在本发明其它实施例中，仍如图2所示，上述所有实施例中的“跨导放大电路11”可包括第一晶体管21、第二晶体管22和第一恒定电流源213；
具体的，第一晶体管21的第一端作为跨导放大电路11的第一差分信号输入端，第一晶体管21的第三端作为跨导放大电路11的第一输出端；
第二晶体管22的第一端作为跨导放大电路11的第二差分信号输入端，第二晶体管22的第三端作为跨导放大电路11的第二输出端；
第一晶体管21的第二端和第二晶体管22的第二端相连所构成的公共端与第一恒定电流源213的一端相连，第一恒定电流源213的另一端接地。
由上可见，跨导放大电路11具有高输出阻抗。
在本发明其它实施例中，上述所有实施列中的跨阻放大电路13包括第九晶体管29、第十晶体管210、第十一晶体管211、第十二晶体管212、第一电阻R1（214）、第二电阻R2(215)、第三电阻R3（216）、第四电阻R4（217）、第五电阻R5（218）、第六电阻R6（219）、电源电压220和第二恒定电流源221；
其中，第一电阻R1（214）的一端与第九晶体管29的第一端相连所构成的公共端作为跨阻放大电路13的第一输入端；
第二电阻R2（215）的一端与第十晶体管210的第一端相连所构成的公共端作为跨阻放大电路13的第二输入端；
第三电阻R3（216）的一端与第九晶体管29的第三端相连所构成的公共端作为跨阻放大电路13的第一差分信号输出端；
第四电阻R4（217）的一端与第十晶体管210的第三端相连所构成的公共端作为跨阻放大电路13的第二差分号信号输出端；
第九晶体管29的第二端与第十晶体管210的第二端相连所构成的公共端与第二恒定电流源221的一端相连，第二恒定电流源221的另一端接地；
第十一晶体管211的第二端与第一电阻R1(214)的另一端相连，第十一晶体管211的第一端分别与第三电阻R3(216)的另一端和第五电阻R5（218）的一端相连；
第十一晶体管211的第三端、第五电阻R5（218）的另一端、第六电阻R6(219)的一端和第十二晶体管212的第三端相连所构成的公共端与电源电压VDD（220）相连；
第十二晶体管212的第一端分别与第四电阻R4（217）的另一端和第六电阻R6(219)的另一端相连，第十二晶体管（212）的第二端与第二电阻R2(215)的另一端相连。
由上可见，跨阻放大电路13具有低输入阻抗和低输出阻抗，且其交流跨阻增益恒定，并不随可变电流增益电路12的增益变化而变化。同时，由于可变电流增益电路12所输出的直流电流不随增益控制电压变化而变化，跨阻放大电路13的负反馈网络中的射级跟随结构晶体管和可变电流增益电路12复用直流电流，故其直流电流也恒定。因此，在可变电流增益电路12改变电流增益时不会影响跨阻放大电路13的带宽，进而保证了宽带可变增益放大器处理数据的带宽。
在本发明其它实施例中，如图3所示，当上述第一晶体管21至第十二晶体管212均为NPN三极管时，第一晶体管21至第十二晶体管212的第一端均为NPN三极管的基极，第二端均为NPN三极管的发射极，第三端均为NPN三极管的集电极。
且第一晶体管21至第十二晶体管212均为锗硅异质结双极晶体管SiGeHBT，且沟道长度均为0.2μm；第一晶体管21、第二晶体管22、第三晶体管23和第四晶体管24的发射结区面积均为0.8μm2；第五晶体管25、第六晶体管26、第七晶27、第八晶体管28、第九晶体管29和第十晶体管210的发射区面积均为0.4μm2；第十一晶体管211和第十二晶体管212的发射区面积均为1μm2。
同时，第一电阻R1（214）和第二电阻R2(215)的阻值可均为435Ω,第三电阻R3（216）和第四电阻R4（217）的阻值可均为1450Ω，第五电阻R5（218）和第六电阻R6（219）的阻值可均为290Ω；第一恒定电流源213和第二恒定电流源221所提供的电流值可均为2mA，电源电压220所提供的电压值可为3.3V。
在本发明其它实施例中，如图4所示，上述所有实施例中的第一晶体管21至第十二晶体管212可均为场效应管；
且第一晶体管21至第十二晶体管212的第一端可均为场效应管的栅极，第二端可均为场效应管的源极，第三端可均为场效应管的漏极。
采用仿真工具CadenceSpectre，当第一增益控制电压固定为2V，第二增益控制电压在1.8V到2.2V进行变化时，对本发明所提供宽带可变增益放大器进行仿真。其仿真结果如图5所示，其中AV代表本发明所提供的宽带可变增益放大器所提供的增益，BW代表本发明所提供的宽带可变增益放大器所处理信号的带宽。
由图5可得，在本发明所提供的宽带可变增益放大器在增益从-20dB到30dB变化时，所能处理信号的带宽均在于4GHZ以上。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (5)
1.一种宽带可变增益放大器，其特征在于，包括跨导放大电路、可变电流增益电路和跨阻放大电路；
所述可变电流增益电路的第一输入端与所述跨导放大电路的第一输出端相连，第二输入端与所述跨导放大电路的第二输出端相连，第一输出端与所述跨阻放大电路的第一输入端相连，第二输出端与所述跨阻放大电路的第二输入端相连；
所述可变电流增益电路的第一增益控制电压输入端与第一增益控制电压相连，第二增益控制电压输入端与第二增益控制电压相连；
其中，所述可变电流增益电路包括第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管和第八晶体管；
所述第三晶体管的第二端、第五晶体管的第二端和第七晶体管的第二端相连的公共端作为所述可变电流增益电路的第一输入端；
所述第四晶体管的第二端、第六晶体管的第二端和第八晶体管的第二端相连的公共端作为所述可变电流增益电路的第二输入端；
所述第三晶体管的第一端和所述第四晶体管的第一端相连的公共端作为所述可变电流增益电路的第一增益控制电压输入端；
所述第五晶体管的第一端、第六晶体管的第一端、第七晶体管的第一端和第八晶体管的第一端相连的公共端作为所述可变电流增益电路的第二增益控制电压输入端；
所述第三晶体管的第三端、第五晶体管的第三端和第八晶体管的第三端相连的公共端作为所述可变电流增益电路的第一输出端；
所述第四晶体管的第三端、第六晶体管的第三端和第七晶体管的第三端相连的公共端作为所述可变电流增益电路的第二输出端；
其中，所述跨导放大电路包括第一晶体管、第二晶体管和第一恒定电流源；
所述第一晶体管的第一端作为所述跨导放大电路的第一差分信号输入端，所述第一晶体管的第三端作为所述跨导放大电路的第一输出端；
所述第二晶体管的第一端作为所述跨导放大电路的第二差分信号输入端，所述第二晶体管的第三端作为所述跨导放大电路的第二输出端；
所述第一晶体管的第二端和所述第二晶体管的第二端相连的公共端与所述第一恒定电流源的一端相连，所述第一恒定电流源的另一端接地；
其中，所述跨阻放大电路包括第九晶体管、第十晶体管、第十一晶体管、第十二晶体管、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、电源电压和第二恒定电流源；
所述第一电阻R1的一端与所述第九晶体管的第一端相连的公共端作为所述跨阻放大电路的第一输入端；
所述第二电阻R2的一端与所述第十晶体管的第一端相连的公共端作为所述跨阻放大电路的第二输入端；
所述第三电阻R3的一端与所述第九晶体管的第三端相连的公共端作为所述跨阻放大电路的第一差分信号输出端；
所述第四电阻R4的一端与所述第十晶体管的第三端相连的公共端作为所述跨阻放大电路的第二差分信号输出端；
所述第九晶体管的第二端与所述第十晶体管的第二端相连的公共端与所述第二恒定电流源的一端相连，所述第二恒定电流源的另一端接地；
所述第十一晶体管的第二端与所述第一电阻R1的另一端相连，所述第十一晶体管的第一端分别与所述第三电阻R3的另一端和所述第五电阻R5的一端相连；
所述第十一晶体管的第三端、第五电阻R5的另一端、第六电阻R6的一端和第十二晶体管的第三端相连的公共端与所述电源电压相连；
所述第十二晶体管的第一端分别与所述第四电阻R4的另一端和所述第六电阻R6的另一端相连，所述第十二晶体管的第二端与所述第二电阻R2的另一端相连；
其中，当所述第一晶体管至第十二晶体管均为NPN三极管时，所述第一晶体管至第十二晶体管的第一端均为所述NPN三极管的基极，第二端均为所述NPN三极管的发射极，第三端均为所述NPN三极管的集电极；
当所述第一晶体管至第十二晶体管均为场效应管；
所述第一晶体管至所述第十二晶体管的第一端均为所述场效应管的栅极，第二端均为所述场效应管的源极，第三端均为所述场效应管的漏极。
2.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述第一晶体管至第十二晶体管均为锗硅异质结双极晶体管SiGeHBT，且沟道长度均为0.2μm。
3.根据权利要求2所述的放大器，其特征在于，所述第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管的发射结区面积均为0.8μm2；
所述第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管、第八晶体管、第九晶体管和第十晶体管的发射区面积均为0.4μm2；
所述第十一晶体管和第十二晶体管的发射区面积均为1μm2。
4.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述第一电阻R1和第二电阻R2的阻值均为435Ω,第三电阻R3和第四电阻R4的阻值均为1450Ω，第五电阻R5和第六电阻R6的阻值均为290Ω。
5.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述第一恒定电流源和第二恒定电流源所提供的电流值均为2mA，所述电源电压所提供的电压值为3.3V。
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Patent Citations (3)
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| 一种可变增益放大器的设计;蒋先伟;《中国仪器仪表学会第九届青年学术会议论文集》;20071001;全文 * |
| 宽带CMOS可变增益放大器的设计;郭峰;《半导体学报》;20071231;第28卷(第12期);全文 * |
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