CN103391061A

CN103391061A - 用于可变增益放大器的具有宽可调谐范围的负载电路

Info

Publication number: CN103391061A
Application number: CN2013102955775A
Authority: CN
Inventors: 赵毅强; 盛云; 夏璠; 赵公元; 胡凯
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2013-07-15
Filing date: 2013-07-15
Publication date: 2013-11-13

Abstract

本发明公开了一种用于可变增益放大器的具有宽可调谐范围的负载电路，包括可变增益放大器的负载对管，所述负载对管是由两个二极管连接的MOS管M6和MOS管M7构成；还包括两个源漏分别短接的并联的MOS管M8和MOS管M9，所述MOS管M8和MOS管M9并接在负载对管的源极，所述MOS管M8的栅极接入有固定电平VR1，所述MOS管M9的栅极接入有固定电平VR2。还可以在上述结构基础上，将源极退化结构中的两个MOS管的栅极分别与负载对管的两个栅极相连。采用具有宽可调谐范围的负载电路来实现VGA的设计，能够有效地实现宽的增益动态范围，且这种结构功耗低，设计简单，仅以牺牲极少的芯片面积为代价。

Description

用于可变增益放大器的具有宽可调谐范围的负载电路

技术领域

本发明涉及一种可变增益放大器的负载电路，更具体地，涉及包括采用二极管连接的MOS对管实现负载网络以及在负载网络中引入源极退化结构，有效地提高了可变增益放大器的增益动态范围，且该结构引入的额外静态功耗极低。

背景技术

在现代通信系统中，由于移动台用户的随机移动，它离基站的距离是不确定的，因此接收到基站的信号的强弱变化很大，形成所谓的“远近效应”。在电波传播过程中由于大建筑物的阻挡，形成“阴影”效应，也使得接收机天线接收到的有用信号强度随机变化。为了保证解调器和A/D变换器的最佳工作，即保证它们的输入端电平的恒定，则需要对有用信号进行放大和衰减，可变增益放大器（Variable Gain Amplifier,VGA，以下统称为VGA）是实现这一功能的重要模块。VGA的增益可以随控制信号变化，在无线通信和收发系统中，起着至关重要重要的作用。此外，VGA还被广泛应用于磁盘读取驱动电路、磁盘数据存储系统、电视调谐器、电磁计量器、高频滤波器、医疗电子设备等领域。

目前，在第三代移动通信系统中，VGA要求具有较宽的增益控制变化范围，使得接收机在接收很强或极弱信号时，不会产生饱和而过载或使信号淹没在噪声中而接收不到信号的现象，从而保证系统的正常工作。现今，基于有源MOS负载可变的VGA结构是较为常见的结构之一。该结构是通过控制尾电流变化来实现等效负载阻抗的变化，能实现不同的增益，但在器件尺寸确定后增益动态范围比较有限。

经过专利检索，提高VGA的增动态范围有很多实现方法，但对于这种针对提高二极管连接的MOS负载电路的可调谐范围的实现方法，鲜有发表的专利和文献。传统的采用多个单级VGA级联来提高整体VGA增益动态范围的方法，不仅引入较大的额外功耗，而且多个单级VGA的采用还会消耗大量的芯片面积，不符合低功耗、低成本的系统发展趋势。因此，提出一种用于可变增益放大器的具有宽可调谐范围的负载电路。该结构的负载电路能够在其相同的尾电流变化范围内，有效地提高VGA的增益动态范围，且相较于传统的改善VGA增益动态范围的方法，该结构引入的额外功耗很低。

参考文献

[1]Paul R.Gray，Paul J.Hurst等著，张晓林等译.模拟集成电路的分析与设计.北京：高等教育出版社，2008.6。

[2]A.I.A.Cunha,M.C.Schneider,C.G.Muntoro,"An MOS Transistor Model forAnalog Circuit Design,"IEEE J.of Solid-State Circuits,Vol.33,No.10,pp.1510-1519,October1998。

[3]C.T.Fu,H.Luong,"CMOS Linear-in-dB High-Linearity Variable Gain Amplifierfor UWB Receivers,"IEEE Asian Solid-State Circuits Conf.,pp.103-106,November2007。

[4]《低功耗、高线性CMOS可编程放大器》王自强，池保勇，王志华；清华大学学报，2006，46：519-522。

发明内容

针对上述现有技术，为了确保在接收信号很强或极弱的条件下，系统仍能保持正常工作，同时为了保证芯片长期稳定工作及低成本使用，该电路结构在实现VGA宽的增益动态范围时必须尽可能避免引入额外的功耗。传统的提高基于负载可变的VGA的增益动态范围的方法存在较大的静态功耗，因此，本发明提供一种用于可变增益放大器的具有宽可调谐范围的负载电路。当采用基于带源极退化结构的负载可变的方法实现可变增益放大器VGA时，能够有效地提高VGA的增益动态范围，而且该源极退化结构引入的额外功耗极低。

为了解决上述技术问题，本发明用于可变增益放大器的具有宽可调谐范围的负载电路予以实现的一个技术方案是：包括可变增益放大器的负载对管，所述负载对管是由两个二极管连接形成的MOS管M6和MOS管M7构成；还包括两个源漏对应短接的、并联的MOS管M8和MOS管M9，所述MOS管M8和MOS管M9并接在负载对管的源极，所述MOS管M8的栅极接入有固定电平VR1，所述MOS管M9的栅极接入有固定电平VR2。

本发明用于可变增益放大器的具有宽可调谐范围的负载电路予以实现的另一个技术方案是：包括可变增益放大器的负载对管，所述负载对管是由两个二极管连接形成的NMOS管M6’和NMOS管M7’构成；所述负载对管的源极间并入两个源漏对应短接的、并联的NMOS管M8’和NMOS管M9’，所述NMOS管M8’和NMOS管M9’的栅极分别与负载对管的栅极相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

为保证现代通信系统能在有用信号的宽的变化范围内正常工作，VGA的增益动态范围必须足够宽。传统的实现宽增益动态范围的基于负载可变的VGA结构存在功耗大、效率低等缺点，同时由于额外电路的增加导致芯片面积大，成本增加。因此，采用具有宽可调谐范围的负载电路来实现VGA的设计，能够有效地实现宽的增益动态范围，且这种结构功耗低，设计简单，仅以牺牲极少的芯片面积为代价。

附图说明

图1是基于负载可变的可变增益放大器VGA的基本结构；

图2是本发明用于可变增益放大器的具有宽可调谐范围的负载电路的一种结构；

图3是控制电压变化时对应的等效负载电路，其中：（a）小控制电压对应的等效负载，（b）大控制电压对应的等效负载；

图4是本发明用于可变增益放大器的具有宽可调谐范围的负载电路的另一种结构。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

图1示出了基于负载可变的VGA的基本结构，包括7个MOS管分别为M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7，理想电流源I1和I2，全差分运算放大器的输入正端Vin+和输入负端Vin-，全差分运算放大器的输出正端Vout+和输出负端Vout-，全差分运算放大器尾电流的控制端Vbias1及负载网络尾电流的控制端Vbias2。图1中虚线框内所示为用于可变增益放大器VGA的可变负载电路的基本结构，即通过采用两个二极管连接的MOS管作为VGA的负载对管。

图2示出了本发明用于可变增益放大器的具有宽可调谐范围的负载电路，包括可变增益放大器的负载对管，所述负载对管是由两个二极管连接的MOS管M6和MOS管M7构成；如图2中虚线框所示，利用两个源漏分别短接的并联的MOS管M8和MOS管M9，所述MOS管M8和MOS管M9并接在VGA的负载对管的源极，所述MOS管M8的栅极接入有固定电平VR1，所述MOS管M9的栅极接入有固定电平VR2，从而形成源极退化结构，使得负载网络的等效阻抗发生改变，而且由于源极退化结构中的MOS管M8及MOS管M9的源极和漏极的电势相同，该结构引入的静态功耗极低。

图2所示用于可变增益放大器的具有宽可调谐范围的负载电路的工作原理是，二极管连接的负载对管的等效阻抗主要表现为单个MOS管的跨导的倒数，而当在负载对管的源极并入有源的源极退化结构时，负载网络的等效阻抗转化为主要由负载管的跨导及源极退化结构中的有源MOS等效电阻共同表示，负载管的跨导的倒数与有源MOS等效电阻间的比例关系发生变化时，负载网络对应的等效阻抗具有明显的变化。图3为负载网络的控制电压变化时对应的等效负载电路，其中，当负载网络的控制电压（即Vbias2）很小时，即负载对管的工作电流很小时，此时负载网络的等效阻抗近似为负载对管的跨导的倒数（即1/gm6、1/gm7）与有源MOS等效对地电阻（即Req8、Req9）之和，其等效电路结构如图3（a）所示；当负载网络的控制电压很大时，即负载对管的工作电流很大时，此时负载网络的等效阻抗近似为有源MOS等效对地电阻的值（即Req8、Req9），其等效电路结构如图3（b）所示。与图1结构中负载网络的等效阻抗可调谐范围相比，带源极退化结构的负载网络可使负载等效阻抗的可调谐范围显著增大。

考虑到图2中所提出的负载网络中，源极退化结构的两个MOS管的栅极控制电压需要引入额外的连接端口，因此，为降低可变增益放大器的连接端口数量，同时保证可变增益放大器的电路匹配性，提出如图4所示的优化方案，在图2所示方案的基础上，将源极退化结构中的两个MOS管的栅极分别与负载对管的两个栅极相连。

通过采用如图4所示的电路结构进行芯片设计，在相同的控制电压变化范围内，基于带有源极退化网络的负载可变的VGA电路的增益动态范围有显著的增加,且该结构中的源极退化网路几乎不产生额外的电路功耗。

本发明用于可变增益放大器的具有宽可调谐范围的负载电路的另一种结构，图4示出了基于带源极退化结构的负载可变的VGA的整体简化图，包括可变增益放大器的负载对管，所述负载对管是由两个二极管连接的NMOS管M6’和NMOS管M7’构成；所述负载对管的源极间并入两个源漏对应短接的并联的NMOS管M8’和NMOS管M9’，并同时将两个并联的NMOS管的栅极分别与负载对管的栅极相连。当负载网络的控制电压发生改变时，引起负载网络的中电流发生变化，实现负载对管的跨导值可变以及源极退化结构的有源MOS等效电阻可变，从而共同实现VGA的负载等效阻抗的可调谐范围增大，最终实现VGA的增益动态范围增大。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种用于可变增益放大器的具有宽可调谐范围的负载电路，其特征在于，包括可变增益放大器的负载对管，所述负载对管是由两个二极管连接形成的MOS管M6和MOS管M7构成；还包括两个源漏对应短接的、并联的MOS管M8和MOS管M9，所述MOS管M8和MOS管M9并接在负载对管的源极，所述MOS管M8的栅极接入有固定电平VR1，所述MOS管M9的栅极接入有固定电平VR2。

2.一种用于可变增益放大器的具有宽可调谐范围的负载电路，其特征在于，包括可变增益放大器的负载对管，所述负载对管是由两个二极管连接形成的NMOS管M6’和NMOS管M7’构成；所述负载对管的源极间并入两个源漏对应短接的、并联的NMOS管M8’和NMOS管M9’，所述NMOS管M8’和NMOS管M9’的栅极分别与负载对管的栅极相连。