CN103905003A - 一种内嵌直流失调消除的低电源电压可编程增益放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内嵌直流失调消除的低电源电压可编程增益放大器，包括主放大器，还设有构成主放大器负反馈的直流失调消除电路，所述主放大器为两级运放，其中第一级放大器输出端和电源电压之间连接共栅级放大器。与传统可编程增益放大器相比，本发明具有以下有益效果：该可编程增益放大器以简单的结构实现了直流失调功能，并能够在低电源电压下正常工作，大幅降低功耗。

Description

一种内嵌直流失调消除的低电源电压可编程增益放大器

技术领域

本发明涉及一种内嵌直流失调消除的低电源电压可编程增益放大器，属于可编程增益放大器领域。

背景技术

无线通信系统中，由于周围环境变化，或者接受的频道切换，接收机接收到的信号强度会发生明显变化，如果接收链路增益固定，当输入信号强度较大时会很容易发生非线性失真，使放大器处于饱和状态或发生大信号阻塞，如果输入信号前度较小，有用信号将会很容易被噪声淹没，导致后续电路无法解调，也就是：如果接收链路增益不随输入信号强度大小作任何调整，大动态范围的电路必须同时具备优秀的噪声和线性度性能，往往难以实现。因此，需要在接收链路中加入自动增益控制电路，合理的控制增益，在输入信号较小，接收机增益较大时牺牲部分线性度性能提高噪声性能；也可以在输入信号较大，接收机增益较小时牺牲部分噪声性能提高线性度性能。而可编程增益放大器是自动增益控制电路的最重要组成部分，可编程增益放大器性能的好坏往往决定了接收机的性能。

现代无线设备的快速发展，延长系统续航能力已经成为迫切需要解决的问题，对于无线传感器网络而言，面临同样需要解决的问题。在电池设计遇到瓶颈的情况下，研究低功耗电路就成为解决设备续航能力的一种有效方法。通常情况下，静态功耗是CMOS电路的功耗主要组成部分，电路的动态功耗正比于电源电压的平方，静态功耗正比于电源电压，因此降低电路的电源电压就成为低功耗设计的有种非常直接的方法。另外，CMOS工艺特征尺寸按照摩尔定律平均每18个月就缩小一倍，从几年前0.18um到现在28nm芯片已经面世，芯片的电源电压也从最初的3.3V下降到1V以下。然而，对于模拟电路设计者来说，由于MOS管阈值电压不会随晶体管尺寸按比例减小，不断降低的电源电压会导致模拟信号的幅值减小使得模拟电路的线性度和信噪比变差，带来电路性能的下降。为弥补这些缺陷，就必须采用加大电流和带宽的方法，这无疑会使低电源电压下电路的功耗大大增加，并且随着电源电压的不断降低仅仅靠加大电流已经不能弥补电路缺陷。近些年国际社会上不断涌现出各种低电压电路的实现方法如双阱工艺、体驱动技术、浮栅晶体管等，但大多基于先进工艺，价格昂贵，限制了其在电路设计中的应用。因此，从改进电路设计的角度提高低电压下电路的性能，成为目前非常值得关注的发展动向。

发明内容

发明目的：本发明提出一种内嵌直流失调消除的低电源电压可编程增益放大器，在低电源电压的条件下工作，并消除失调电压。

技术方案：本发明采用的技术方案为一种内嵌直流失调消除的低电源电压可编程增益放大器，包括主放大器，还设有构成主放大器负反馈的直流失调消除电路，所述主放大器为两级运放，其中第一级放大器输出端和电源电压之间连接共栅级放大器。

优选地，所述共栅级放大器包括源极连接第一级放大器输出端的第十NMOS管和第十五NMOS管，两者的栅极均接固定电压偏置。所述第十NMOS管和第十五NMOS管的漏极均通过PMOS管负载连接到电源。

优选地，所述共栅级放大器工作在亚阈值区。

优选地，所述直流失调消除电路包括依次串联的差动放大器和反相器，以及相应的电流镜偏置电路。所述差动放大器的电流源为工作在线性区的PMOS管。

一种内嵌直流失调消除的低电源电压可编程增益放大器，其特征在于：该可编程增益放大器主要构成包括低电源电压第一级放大电路、第二级放大电路、低电源电压内嵌直流失调电路。低电源电压第一级放大电路包括输入差分对第二aP型金属氧化物晶体管（P2a）、第三aP型金属氧化物晶体管（P3a）；构成有源负载的第十一N型金属氧化物晶体管、第十二N型金属氧化物晶体管、第十三N型金属氧化物晶体管、第十四N型金属氧化物晶体管、构成低电源电压电流镜和偏置的第一aP型金属氧化物晶体管（P1a）、第一bP型金属氧化物晶体管（P1b）、第二bP型金属氧化物晶体管（P2b）、第三bP型金属氧化物晶体管（P3b）、第十七N型金属氧化物晶体管、第十八N型金属氧化物晶体管、第八P型金属氧化物晶体管、第二电流源。第二级放大电路包括第六P型金属氧化物晶体管、第七P型金属氧化物晶体管、第九N型金属氧化物晶体管、第十六N型金属氧化物晶体管；构成稳定性补偿的第一电阻、第二电阻、第二电容、第三电容。低电源电压内嵌直流失调电路包括构造主放大器低阻抗节点的第十N型金属氧化物晶体管、第十五N型金属氧化物晶体管、第四P型金属氧化物晶体管、第五P型金属氧化物晶体管；构成单级低电压放大器的第九Pa型金属氧化物晶体管（P9a）、第九bP型金属氧化物晶体管（P9b）、第十aP型金属氧化物晶体管（P10a）、第十bP型金属氧化物晶体管（P10b）、第十一aP型金属氧化物晶体管（P11a）、第十一bP型金属氧化物晶体管（P11b）；单级低电压放大器有源负载第一N型金属氧化物晶体管、第二N型金属氧化物晶体管、第三N型金属氧化物晶体管、第四N型金属氧化物晶体管；低通滤波第一电容；可调电流源第十二P型金属氧化物晶体管、第十三P型金属氧化物晶体管、第五N型金属氧化物晶体管、第六N型金属氧化物晶体管；偏执电路第七N型金属氧化物晶体管、第八N型金属氧化物晶体管、第十四P型金属氧化物晶体管、第一电流源。第二P型金属氧化物晶体管、第二P型金属氧化物晶体管。

其中，第十N型金属氧化物晶体管（N10）的源极、第二aP型金属氧化物晶体管（P2a）的漏极、第十二P型金属氧化物晶体管（P12）的漏极和第五N型金属氧化物晶体管（N5）的漏极连接；第十五N型金属氧化物晶体管（N15）的源极、第三aP型金属氧化物晶体管（P3a）的漏极、第十三P型金属氧化物晶体管（P13）的漏极和第六N型金属氧化物晶体管（N6）的漏极连接；第十aP型金属氧化物晶体管（P10a）的栅极和第十bP型金属氧化物晶体管（P10a）的栅极和主放大器同相输出（Vop）连接；第十一（a）P型金属氧化物晶体管（P11a）的栅极和第十一bP型金属氧化物晶体管（P11a）的栅极和主放大器反相输出（Von）连接；第十aP型金属氧化物晶体管（P10a）的漏极和第十一aP型金属氧化物晶体管（P11a）的漏极通过第一电容（C1）连接；并分别接到第十二P型金属氧化物晶体管（P12）、第五N型金属氧化物晶体管（N5）的栅极和第十三P型金属氧化物晶体管（P12）、第六N型金属氧化物晶体管（N6）的栅极；第二N型金属氧化物晶体管（N2）的栅极、第三N型金属氧化物晶体管（N3）的栅极、第七N型金属氧化物晶体管（N7）的栅极、第八N型金属氧化物晶体管（N8）的栅极和第八N型金属氧化物晶体管（N8）的漏极连接；第一N型金属氧化物晶体管（N1）的栅极和第四N型金属氧化物晶体管（N4）的栅极接工模负反馈信号；主放大器中第二aP型金属氧化物晶体管（P2a）、第三aP型金属氧化物晶体管（P3a）源极和第一aP型金属氧化物晶体管（P1a）的漏极链接；第二bP型金属氧化物晶体管（P2b）、第三bP型金属氧化物晶体管（P3b）源极和第一bP型金属氧化物晶体管（P1b）的漏极链接；其中，第一aP型金属氧化物晶体管（P1a）、第二aP型金属氧化物晶体管（P2a）、第三aP型金属氧化物晶体管（P1a）分别和第一bP型金属氧化物晶体管（P1b）、第二bP型金属氧化物晶体管（P2b）、第三bP型金属氧化物晶体管（P3b）成比例关系。第一aP型金属氧化物晶体管（P1a）的栅极、第一bP型金属氧化物晶体管（P1b）的栅极、第二bP型金属氧化物晶体管（P2b）的漏极、第三bP型金属氧化物晶体管（P3b）的漏极和第十七P型金属氧化物晶体管（P17）的漏极连接；第十七P型金属氧化物晶体管（P17）的栅极、第十八P型金属氧化物晶体管（P18）的栅极和第十八P型金属氧化物晶体管（P18）的漏极连接。

有益效果：与传统可编程增益放大器相比，本发明具有以下有益效果：该可编程增益放大器以简单的结构实现了直流失调功能，并能够在低电源电压下正常工作，大幅降低功耗。

附图说明

图1为本发明的电路结构示意图；

图2为本发明中主放大器晶体管级拓扑结构图；

图3为本发明中直流失调消除电路的晶体管级拓扑结构图；

图4为本发明可编程增益放大器的增益随频率变化图；

图5为本发明可编程增益放大器的增益变化与增益误差示意图；

图6为本发明可编程增益放大器的线性度仿真曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，本发明包括由双端输入输出运算放大器构成的主放大器，主放大器相对应的输入输出端之间分别串联一个可调反馈电阻Rf。第一输入端Vin+和第二输入端Vin-均通过输入电阻Rin接入主放大器的输入端。为了消除主放大器失调电压的影响，在主放大器的输入输出端之间设置了直流失调消除电路以补偿失调电压。

图2给出了主放大器的晶体管级拓扑结构。主放大器为两级运放，其中第一级放大器由第十一PMOS管P1a、第二十一PMOS管P2a、第三十一PMOS管P3a、以及第十一NMOS管N11至第十四NMOS管N14所组成的差动放大器构成。第二十一PMOS管P2a和第三十一PMOS管P3a构成输入差动对，第十一NMOS管N11至第十四NMOS管N14构成Lee有源负载。

第一级放大器的负向输出端dcoc1并联一个由第十NMOS管N10和负载第四PMOS管P4构成的共栅级放大器，第四PMOS管P4源极接电源。利用共栅级放大器输入阻抗低的特点，降低第一级放大器的负向输出端dcoc1处的输入阻抗。相类似的在第一级放大器的正向输出端dcoc2处也并联一个由第十五NMOS管N15和负载第五PMOS管P5构成的共栅级放大器，降低该处的输入阻抗。主放大器的第二级为电流源负载的共源级放大器，其包括驱动管第九NMOS管N9和第十六NMOS管N16，以及电流源负载第六PMOS管P6和第七PMOS管。同时在第九NMOS管N9的栅极和漏极之间串联第一电阻R1和第二电容C2做频率补偿，第十六NMOS管N16的栅极和漏极之间串联第二电阻R2和第三电容C3做频率补偿。第九NMOS管N9的栅极连接到第十NMOS管N10的漏极，第十六NMOS管N16的栅极连接到第十五NMOS管的漏极。主放大器的其他部分为偏置电路。

直流失调消除电路从主电路的正向输出端Vop和负向输出端Von引入输入信号。具体地如图3所示，直流失调消除电路包括由第九十一PMOS管P9a、第一零一PMOS管P10a、第一一一PMOS管P11a、第一电容C1、以及第一NMOS管N1至第四NMOS管N4构成的差分放大器。其中第一零一PMOS管P10a和第一一一PMOS管P11a组成输入差动对，它们的栅极分别接主电路的正向输出端Vop和负向输出端Von。第九十一PMOS管P9a为镜像电流源，第一NMOS管N1至第四NMOS管N4构成电流源负载，第一电容C1连接在第一零一PMOS管P10a的漏极和第一一一PMOS管P11a的漏极之间。第一电容C1结合其所在差动放大器的输出阻抗构成一个低通滤波器，将主放大器输出信号中的有用信号滤掉，确保直流失调消除电路的输出信号不会影响主放大器的正常工作。第一零一PMOS管P10a的漏极连接到由第十二PMOS管P12和第五NMOS管N5组成的反相器输入端，第一一一PMOS管P11a的漏极连接到由第十三PMOS管P13和第六NMOS管N6组成的反相器输入端。这两个反相器的输出分别连接到主放大器第一级放大器的负向输出端dcoc1和第一级放大器的正向输出端dcoc2。利用主放大器第一级放大器的正负向输出端的低阻抗，向其注入反馈电流以补偿失调电压。

为了使直流失调消除电路能够在较低的电源电压下工作，第九十一PMOS管P9a工作在线性区，使得其源漏电压较小。而第一零一PMOS管P10a和第一一一PMOS管P11a工作在亚阈值区，降低源漏电压。直流失调消除电路中的其他部分为电流镜偏置电路，其中的第九十二PMOS管P9b工作在线性区。而第十二PMOS管P10b和第一一二PMOS管P11b工作在亚阈值区，它们构成了电流镜的差动输入对，有效降低所需电源电压。此外，在主放大器中，第十NMOS管N10、第十五NMOS管N15均工作在亚阈值区，一方面为降低电路所需电源电压做贡献，另一方面钳制差动输入对的漏极电压，有利于低电源电压电流镜的匹配性。针对由于构造低阻抗节点导致的主放大器第一级增益下降的问题，本发明采用由第十一NMOS管N11、第十二NMOS管N12、第十三NMOS管N13和第十四NMOS管N14构成的返回式单元，不仅有效提升主放大器中第一级增益，并且提高了电路的匹配性。

图4给出了本发明可编程增益放大器从1dB到15dB的增益随频率变化曲线图，相邻曲线增益步长为1dB。

图5和图6可以看出本发明可编程增益放大器的误差和线性度性能都较好。

Claims (1)

1.一种内嵌直流失调消除的低电源电压可编程增益放大器，其特征在于：该可编程增益放大器主要构成包括低电源电压第一级放大电路、第二级放大电路、低电源电压内嵌直流失调电路。低电源电压第一级放大电路包括输入差分对第二aP型金属氧化物晶体管（P2a）、第三aP型金属氧化物晶体管（P3a）；构成有源负载的第十一N型金属氧化物晶体管、第十二N型金属氧化物晶体管、第十三N型金属氧化物晶体管、第十四N型金属氧化物晶体管、构成低电源电压电流镜和偏置的第一aP型金属氧化物晶体管（P1a）、第一bP型金属氧化物晶体管（P1b）、第二bP型金属氧化物晶体管（P2b）、第三bP型金属氧化物晶体管（P3b）、第十七N型金属氧化物晶体管、第十八N型金属氧化物晶体管、第八P型金属氧化物晶体管、第二电流源。第二级放大电路包括第六P型金属氧化物晶体管、第七P型金属氧化物晶体管、第九N型金属氧化物晶体管、第十六N型金属氧化物晶体管；构成稳定性补偿的第一电阻、第二电阻、第二电容、第三电容。低电源电压内嵌直流失调电路包括构造主放大器低阻抗节点的第十N型金属氧化物晶体管、第十五N型金属氧化物晶体管、第四P型金属氧化物晶体管、第五P型金属氧化物晶体管；构成单级低电压放大器的第九Pa型金属氧化物晶体管（P9a）、第九bP型金属氧化物晶体管（P9b）、第十aP型金属氧化物晶体管（P10a）、第十bP型金属氧化物晶体管（P10b）、第十一aP型金属氧化物晶体管（P11a）、第十一bP型金属氧化物晶体管（P11b）；单级低电压放大器有源负载第一N型金属氧化物晶体管、第二N型金属氧化物晶体管、第三N型金属氧化物晶体管、第四N型金属氧化物晶体管；低通滤波第一电容；可调电流源第十二P型金属氧化物晶体管、第十三P型金属氧化物晶体管、第五N型金属氧化物晶体管、第六N型金属氧化物晶体管；偏执电路第七N型金属氧化物晶体管、第八N型金属氧化物晶体管、第十四P型金属氧化物晶体管、第一电流源。第二P型金属氧化物晶体管、第二P型金属氧化物晶体管。

其中，第十N型金属氧化物晶体管（N10）的源极、第二aP型金属氧化物晶体管（P2a）的漏极、第十二P型金属氧化物晶体管（P12）的漏极和第五N型金属氧化物晶体管（N5）的漏极连接；第十五N型金属氧化物晶体管（N15）的源极、第三aP型金属氧化物晶体管（P3a）的漏极、第十三P型金属氧化物晶体管（P13）的漏极和第六N型金属氧化物晶体管（N6）的漏极连接；第十aP型金属氧化物晶体管（P10a）的栅极和第十bP型金属氧化物晶体管（P10a）的栅极和主放大器同相输出（Vop）连接；第十一（a）P型金属氧化物晶体管（P11a）的栅极和第十一bP型金属氧化物晶体管（P11a）的栅极和主放大器反相输出（Von）连接；第十aP型金属氧化物晶体管（P10a）的漏极和第十一aP型金属氧化物晶体管（P11a）的漏极通过第一电容（C1）连接；并分别接到第十二P型金属氧化物晶体管（P12）、第五N型金属氧化物晶体管（N5）的栅极和第十三P型金属氧化物晶体管（P12）、第六N型金属氧化物晶体管（N6）的栅极；第二N型金属氧化物晶体管（N2）的栅极、第三N型金属氧化物晶体管（N3）的栅极、第七N型金属氧化物晶体管（N7）的栅极、第八N型金属氧化物晶体管（N8）的栅极和第八N型金属氧化物晶体管（N8）的漏极连接；第一N型金属氧化物晶体管（N1）的栅极和第四N型金属氧化物晶体管（N4）的栅极接工模负反馈信号；主放大器中第二aP型金属氧化物晶体管（P2a）、第三aP型金属氧化物晶体管（P3a）源极和第一aP型金属氧化物晶体管（P1a）的漏极链接；第二bP型金属氧化物晶体管（P2b）、第三bP型金属氧化物晶体管（P3b）源极和第一bP型金属氧化物晶体管（P1b）的漏极链接；其中，第一aP型金属氧化物晶体管（P1a）、第二aP型金属氧化物晶体管（P2a）、第三aP型金属氧化物晶体管（P1a）分别和第一bP型金属氧化物晶体管（P1b）、第二bP型金属氧化物晶体管（P2b）、第三bP型金属氧化物晶体管（P3b）成比例关系。第一aP型金属氧化物晶体管（P1a）的栅极、第一bP型金属氧化物晶体管（P1b）的栅极、第二bP型金属氧化物晶体管（P2b）的漏极、第三bP型金属氧化物晶体管（P3b）的漏极和第十七P型金属氧化物晶体管（P17）的漏极连接；第十七P型金属氧化物晶体管（P17）的栅极、第十八P型金属氧化物晶体管（P18）的栅极和第十八P型金属氧化物晶体管（P18）的漏极连接。

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