CN104135243A - 一种可编程增益放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可编程增益放大器，包括第一运算放大器。第一运算放大器包括差分输入端和差分输出端，每一个差分输入端串接M个并联的输入电容，每一个差分输入端与其对应的差分输出端之间跨接反馈电容。输入电容包括N个第一电容和M-N个第二电容，第一电容的电容值为参考电容值；第二电容的电容值与反馈电容相同为参考电容值的N倍。每一个输入电容串联一对应的开关。控制信号以N位温度计码控制各第一电容对应的开关，以M-N位温度计码控制各第二电容对应的开关，并以N进制的方式将控制第一电容对应开关的温度计码转换为控制第二电容对应开关的温度计码。本发明能够减小电容数量，降低制造成本。

Description

一种可编程增益放大器

技术领域

本发明属于集成电路设计领域，具体为一种可编程增益放大器。

背景技术

如今芯片发展的一个重要的特点就是微型化和集成化，随着移动便携市场的开发，人们对芯片的要求已经不仅仅满足于实现功能，而是对芯片的成本、集成度、功耗等方面提出了越来越高的要求。系统芯片所带来的单片系统集成芯片解决方案不仅能够明显增加集成度、减小芯片体积、提高封装密度，而且可以有效降低芯片系统的成本和造价。与此同时，芯片系统也对其中的各部分模块的性能、面积、功能、稳定性等指标提出了更高的要求。

可编程增益放大器(PGA)芯片的应用非常广泛，特别在无线通信系统中，它是射频前端中的一个非常重要的模块，其性能对整个射频前端的性能有至关重要的影响，特别是在接收端，需要一个高带宽、高线性度以及增益调节范围比较大的放大器，以实现对信号的调制，得到幅度恒定的信号，供模拟后端使用。在采样系统的开关电容放大器中，弱信号需要放大较大的放大倍数来提高整个系统的动态范围。

传统的可编程增益放大器通常采用一级放大结构的二进制编码方式，通过改变其反馈电容与输入电容的比值以实现增益可变，这种放大结构虽然在电路设计和编码结构方面非常简单，但也带来了更严重的问题：如输入电容面积的大大增加，由于环路反馈系数的减小使得运算放大器设计难度大大增加。

因而如何实现一种具有较小面积和较低设计难度的可编程增益放大器是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的主要目的在于克服现有技术缺陷，提供一种减小芯片面积，降低集成电路制作成本的可编程增益放大器。

本发明采用如下技术方案：一种可编程增益放大器，包括第一运算放大器，其包括一对第一差分输入端和一对第一差分输出端，每一所述第一差分输入端串接M个并联的第一输入电容，每一所述第一差分输入端与其对应的第一差分输出端之间跨接第一反馈电容；所述M个并联的第一输入电容包括N个第一电容和M-N个第二电容，所述第一电容的电容值为参考电容值；所述第二电容的电容值与所述第一反馈电容相同，为所述参考电容值的N倍。其中每一所述第一输入电容串联一对应的开关，各所述开关由控制信号控制其启闭以调节所述M个并联的第一输入电容的总电容值至大于或等于所述反馈电容的电容值；所述控制信号以N位温度计码控制各所述第一电容对应的开关，以M-N位温度计码控制各所述第二电容对应的开关，并以N进制的方式将控制各所述第一电容对应开关的温度计码转换为控制各所述第二电容对应开关的温度计码，其中M、N、M-N为正整数。

优选地，当控制各所述第一电容对应开关的温度计码为N且控制各所述第二电容对应开关的温度计码不为M-N时，所述控制信号使控制各所述第二电容对应开关的温度计码进位，并对控制各所述第一电容对应开关的温度计码清零。

优选地，所述可编程增益放大器还包括第二运算放大器，用于将所述第一运算放大器的输出信号放大，其包括一对第二差分输入端和一对第二差分输出端，所述第二差分输入端与所述第一差分输出端相连；每一所述第二差分输入端与所述第一差分输出端之间串接第二输入电容，每一所述第二差分输入端与其对应的第二差分输出端之间跨接第二反馈电容。

优选地，所述第二反馈电容为多个且并联连接，且至少一个所述第二反馈电容串联一对应的开关，通过该开关的开启和关闭调节多个所述第二反馈电容的总电容值。

优选地，每一所述第二反馈电容的电容值相等，所述第二输入电容的电容值大于或等于各所述第二反馈电容的总电容值。

优选地，所述第一运算放大器的增益大于所述第二运算放大器的增益。

优选地，M＝11，N＝8，所述第一运算放大器的增益为1～4倍。

优选地，所述第二反馈电容为并联的两个且其中一个串联对应的开关，通过一位数字码控制该对应的开关的导通和关闭以调节两个所述第二反馈电容的总电容值。

优选地，所述第二输入电容的电容值为所述第二反馈电容的两倍，所述第二运算放大器的增益为1～2倍。

与现有技术相比，本发明提出的可编程增益放大器的第一运算放大器的输入电容的控制方式采用温度计码和N进制码的混合编码方式，这样在满足实现同样增益的条件下大大减小了所使用到的电容总数，减小了芯片面积，降低了集成电路制作的成本。此外，本发明的可编程增益放大器的通过两级放大级分别控制增益，实现了总的放大增益，这种控制方式编码逻辑简单，由于增大了每一级运算放大器反馈环路的反馈系数，使得对运算放大器的设计指标要求能够降低。更进一步的，将第一级的放大增益设计为大于第二级，减小了输出噪声，提高了电路性能。

附图说明

图1是本发明一实施例的可编程增益放大器的电路示意图；

图2是本发明一实施例的可编程增益放大器第一运算放大器第一输入电容的编码方式示意图；

图3是本发明另一实施例的可编程增益放大器的电路示意图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

在本说明书中及在权利要求书中，应理解当一元件被称为“耦接”或“连接”到另一元件或与另一元件“相连”时，其可直接连接到另一元件，或可存在介入元件。

请参照图1，本发明的可编程增益放大器包括第一运算放大器Op1。该第一运算放大器包括一对第一差分输入端和一对第一差分输出端。其中，每一个第一差分输入端串接第一输入电容阵列。如图所示，第一输入电容阵列的一端连接运算放大器的差分输入端，另一端通过控制开关连接可编程增益放大器的输入端Vin。每一个第一差分输入端与其对应的第一差分输出端之间，即第一运算放大器两端跨接第一反馈电容Cf。

第一输入电容阵列的结构如附图1所示，其包括M个并联的第一输入电容Cs1...CsM，这些第一输入电容分别串联对应的开关S1...SM。一个第一输入电容与对应的开关相串联构成一组开关与第一输入电容对。M组开关与第一输入电容对以并联的方式连接，从而构成第一输入电容阵列。通过控制信号控制开关S1至SM的开启与关闭，可以得到不同的M个并联的第一输入电容的总电容值。第一反馈电容Cf为恒定值。由于可编程增益放大器的增益取决于第一输入电容Cs与第一反馈电容Cf的电容值之比，因此通过开关S1至SM的启闭控制，就可以达到增益可编程的目的。为使第一运算放大器增益大于等于1倍，M个并联的第一输入电容的总电容应大于或等于反馈电容的电容值。

在本实施例中，各个第一输入电容的值不完全相同，并且与第一反馈电容Cf的电容值相关。具体来说，假设第一反馈电容Cf的电容值为N倍的最小电容值，此处的最小电容值作为参考电容值Cref。那么，将M个第一输入电容根据电容值大小划分为两组，第一组(下文称第一电容)为N个，电容值为参考电容值Cref，剩下的M-N个第一输入电容为第二组(下文称第二电容)，其电容值与第一反馈电容Cf相同，为参考电容值的N倍。

如前所述，每一个第一输入电容所对应的开关均由控制信号控制其导通和关断，其中控制信号是以N位温度计码控制第一组的N个第一电容所对应的开关，并且以M-N位温度计码控制第二组的M-N个第二电容所对应的开关。特别的，本发明中，控制信号还以N进制的方式将控制第一电容对应的开关的温度计码转换为控制第二电容对应开关的温度计码。具体来说，当控制各第一电容对应开关的温度计码为N且控制各第二电容对应开关的温度计码不为M-N时，控制信号使控制各第二电容对应开关的温度计码进一位，并对控制各第一电容对应开关的温度计码清零。

接下来将结合图2详细说明本发明的对第一输入电容的编码方式。本实施例中，M＝11，N＝8。由此，反馈电容的电容值为8Cref。第一输入电容的第二电容为3个Cs0～Cs2，对应的开关为S0～S2，每个第二电容的电容值为8Cref。第一输入电容的第一电容为8个Cs3～Cs10，每个电容值为Cref。

下表为控制信号对两组开关S0～S2和S3～S10以温度计码控制的编码表。

根据上表可知，控制信号以8位的温度计码控制8个第一电容所对应的开关S3～S10，以3位温度计码控制3个第二电容所对应的开关S0～S2。控制信号以8进制进行8位温度计码和3位温度计码的转换。当第一电容对应的8个开关均导通并且第二电容对应的3个开关未全部导通时，控制信号使控制第二电容对应开关的温度计码进位，同时清零控制第一电容对应开关的温度计码。如上表的第一行和第二行，显示的即为控制信号对温度计码的转换。因此，本实施例中运算放大器的增益步长为1/N＝1/8＝0.125倍。当全部开关S0～S10都导通时，增益为4倍。因此，通过本实施例可实现可编程增益放大器1～4倍的增益。上述这种混合式的编码方式在逻辑上虽然相对单一的编码稍微复杂，然而电容面积或者开关数量得以大大减小。

图3所示为本发明另一实施例的可编程增益放大器的电路示意图。本实施例的可编程增益放大器为二级放大结构，包括上述第一实施例的第一运算放大器Op1，还包括与第一运算放大器级联的第二运算放大器Op2。第一运算放大器的结构以及增益控制方式与上述实施例相同，在此不作赘述。通过将可编程增益分为两级实现，提高了使用采样保持电路中环路的反馈系数β，降低了运算放大器的设计难度。

第二运算放大器将第一运算放大器输出的信号放大，其同样包括一对第二差分输入端和一对第二差分输出端。其中，第二差分输入端与第一差分输出端相连；第二差分输出端也即是可编程增益放大器的输出端Vout。每一个第二差分输入端与第一差分输出端之间串接第二输入电容Cs，每一个第二差分输入端与其对应的第二差分输出端之间跨接第二反馈电容。第二运算放大器的增益取决于第二输入电容与第二反馈电容的电容值之比，而可编程增益放大器的总增益为第一运算放大器的增益与第二运算放大器增益的乘积。本实施例中，第一运算放大器Op1的增益要大于第二运算放大器Op2的增益，将第一运算放大器Op1作为增益较大的一级，可减小第一运算放大器Op1对总的输出噪声的贡献。这是因为第一运算放大器的噪声会被第二运算放大器放大，由于第二级放大的增益较小，总的噪声输出就会减小。第二运算放大器的增益要大于等于1倍，因此第二输入电容的电容值也要大于或等于第二反馈电容的电容值。

如图所示，本实施例中第二输入电容Cs的电容值为恒定，通过调节第二反馈电容来改变第二运算放大器增益。具体来说，第二反馈电容为多个且并联连接，并且至少一个第二反馈电容串联一个对应的开关，通过对该开关的开启和关闭的控制也就能够调节第二反馈电容的电容值。本实施例中，第二反馈电容为两个Cf1和Cf2，其中反馈电容Cf2串接一个开关，通过一位数字码控制该开关的导通和关断。两个反馈电容的电容值均相等，因此电容Cf2对应的开关导通时的总电容值为关闭时的两倍。假设第二输入电容的电容值为每一个第二反馈电容的两倍，那么在电容Cf2对应的开关导通时，第二运算放大器增益为1倍，当电容Cf2对应开关关断时，第二运算放大器增益为2倍。由此，第二运算放大器的增益为1～2倍，而整个可编程增益放大器的增益为1～8倍，其中在1～4倍增益变化时按照每增益步长为0.125倍线性变化，4～8倍变化时按照每增益步长为0.25倍线性变化。

综上所述，本发明的可编程增益放大器在第一运算放大器采用温度计码和N进制码的混合编码方式进行第一输入电容的开关控制，这样大大减小了所使用到的电容总数，减小了芯片面积，降低了集成电路制作的成本。进一步的，本发明还增加了第二运算放大器，形成两级放大结构分别控制增益，实现了总的放大增益。这种增益控制方式逻辑简单，由于增大了运算放大器反馈环路的反馈系数，使得对每个运算放大器的设计指标要求降低。此外，在两级放大中将第一级作为增益较大的一级，第二级作为增益较小的一级，在同样的器件参数下，使得第一级输出的噪声放大了更小的倍数，这样相比于其他结构，减小了整个可编程增益放大器的输出噪声，提高了电路性能。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (9)

1.一种可编程增益放大器，其特征在于，包括：

第一运算放大器，其包括一对第一差分输入端和一对第一差分输出端，每一所述第一差分输入端串接M个并联的第一输入电容，每一所述第一差分输入端与其对应的第一差分输出端之间跨接第一反馈电容；所述M个并联的第一输入电容包括N个第一电容和M-N个第二电容，所述第一电容的电容值为参考电容值；所述第二电容的电容值与所述第一反馈电容相同，为所述参考电容值的N倍，

其中每一所述第一输入电容串联一对应的开关，各所述开关由控制信号控制其启闭以调节所述M个并联的第一输入电容的总电容值至大于或等于所述反馈电容的电容值；所述控制信号以N位温度计码控制各所述第一电容对应的开关，以M-N位温度计码控制各所述第二电容对应的开关，并以N进制的方式将控制各所述第一电容对应开关的温度计码转换为控制各所述第二电容对应开关的温度计码，其中M、N、M-N为正整数。

2.根据权利要求1所述的可编程增益放大器，其特征在于，当控制各所述第一电容对应开关的温度计码为N且控制各所述第二电容对应开关的温度计码不为M-N时，所述控制信号使控制各所述第二电容对应开关的温度计码进位，并对控制各所述第一电容对应开关的温度计码清零。

3.根据权利要求1所述的可编程增益放大器，其特征在于，还包括：

第二运算放大器，用于将所述第一运算放大器的输出信号放大，其包括一对第二差分输入端和一对第二差分输出端，所述第二差分输入端与所述第一差分输出端相连；每一所述第二差分输入端与所述第一差分输出端之间串接第二输入电容，每一所述第二差分输入端与其对应的第二差分输出端之间跨接第二反馈电容。

4.根据权利要求3所述的可编程增益放大器，其特征在于，所述第二反馈电容为多个且并联连接，且至少一个所述第二反馈电容串联一对应的开关，通过该开关的开启和关闭调节多个所述第二反馈电容的总电容值。

5.根据权利要求4所述的可编程增益放大器，其特征在于，每一所述第二反馈电容的电容值相等，所述第二输入电容的电容值大于或等于各所述第二反馈电容的总电容值。

6.根据权利要求3所述的可编程增益放大器，其特征在于，所述第一运算放大器的增益大于所述第二运算放大器的增益。

7.根据权利要求1所述的可编程增益放大器，其特征在于，M＝11，N＝8，所述第一运算放大器的增益为1～4倍。

8.根据权利要求4所述的可编程增益放大器，其特征在于，所述第二反馈电容为并联的两个且其中一个串联对应的开关，通过一位数字码控制该对应的开关的导通和关闭以调节两个所述第二反馈电容的总电容值。

9.根据权利要求8所述的可编程增益放大器，其特征在于，所述第二输入电容的电容值为所述第二反馈电容的两倍，所述第二运算放大器的增益为1～2倍。