CN104158507B - 一种可变增益放大器 - Google Patents

Abstract

一种可变增益放大器，此可变增益放大器具有与控制电压成指数关系的增益，从而具有恒定的自动增益控制稳定时间，所述可变增益放大器包括：第一级可变增益放大器电路和第二级可变增益放大器电路；所述可变增益放大器还包括自动增益控制电路，涵盖功率检测电路，参考比较电路，积分器电路以及单端控制信号转差分控制信号转换电路。本可变增益放大器，用在饱和区与线性区的晶体管实现与控制电压成指数关系的增益。并且具有大的增益调节范围。对于不同的信号输入摆幅，实现恒定的自动增益控制稳定时间。

Description

一种可变增益放大器

一、技术领域

本发明是一种具有与控制电压成指数关系的增益的可变增益放大器。目的是使其具有恒定的自动增益控制稳定时间。属于模拟集成电路设计技术领域。

二、背景技术

中国的北斗卫星导航系统属于世界四大卫星导航系统，它能为人类提供导航，定位，授时等一系列服务，被广泛应用于导弹制导、海洋救生、航空航天、野外勘探及汽车导航等领域。

卫星导航系统中的核心电路是接收机电路，由于不同环境，不同时间点，输入信号的信噪比差异很大，这就需要接收机电路随着不同幅度输入信号自动调整通路增益，以避免输出信号饱和。这就需要接收机电路中含有自动增益控制电路，而可变增益放大器就是自动增益控制电路中的核心电路。

可变增益放大器主要特性中，可调节范围，与控制电压成指数关系的增益是设计者必须优先考虑的。其中大的可调节范围可以减少可变增益放大器级联的个数，从而减小接收机整体通路的功耗，提高通路的线性度。与控制电压成指数关系的增益可以实现恒定的自动增益控制稳定时间。虽然工作在亚阈值区的晶体管本身具有指数特性，但是该区域下噪声大，本征频率低，因此用在饱和区与线性区的晶体管实现与控制电压成指数关系的增益是必要的。

三、发明内容

本发明的基于接收机中的可变增益放大器，具有大的可调节范围，和与控制电压成指数关系的增益。此可变增益放大器还包括自动增益控制电路，涵盖功率检测电路，参考比较电路，积分器电路以及单端控制信号转差分控制信号转换电路。

本发明的可变增益放大器是通过以下技术方案来实现的：

可变增益放大器中，第一级可变放大器电路的输入信号V_in+与V_in-分别连接输入晶体管M1与M2，输入晶体管M1与M2的源端分别连接各自的电流源晶体管M5与M6的漏端，并且输入晶体管M1与M2的源端用晶体管M3跨接，输入晶体管M1与M2的漏端连接负载电阻R1与R2，并且定义输入晶体管M1与M2的漏端输出为所述第一级可变放大器电路的输出信号V_out1+，V_out1-。

第一级可变放大器的输出信号比输入信号，即电压增益为：

其中，A_v1为第一级可变放大器的电压增益，g_m1为第一级可变放大器的输入管M1的跨导，R1为第一级可变放大器的负载电阻，R_M3为第一级可变放大器的晶体管M3的导通电阻。

对于g_m1*R_M3/2＞＞1,式(1)可简化为：

第二级可变放大器电路的输入信号V_out1+与V_out1-分别连接输入晶体管M8与M9，输入晶体管M8与M9的源端分别连接各自的电流源晶体管M12与M13的漏端，并且输入晶体管M8与M9的源端用电阻R5跨接，输入晶体管M8与M9的漏端连接负载电阻R3与R4，输入晶体管M8与M9的漏端用晶体管M10跨接，并且定义输入晶体管M8与M9的漏端输出为所述第二级可变放大器电路的输出信号V_out+，V_out-。

第二级可变放大器的输出信号比输入信号，即电压增益为：

其中，A_v2为第二级可变放大器的电压增益，g_m8为第二级可变放大器的输入管M8的跨导，R3为第二级可变放大器的负载电阻,R5为第二级可变放大器的源极退化电阻，R_M10为第二级可变放大器的晶体管M10的导通电阻，

对于g_m8*R₅/2＞＞1,式(3)可简化为：

通过式(2)，式(4)，可以得出此可变增益放大器的增益为：

若强制2*R3＞＞R_M10,则式(5)中可变增益放大器的增益简化为：

对于处于线性区的晶体管电阻，R_M3与R_M10分别为：

其中输入控制信号V_p与V_n为差分信号，如图2，分别可以表示为V_cm+V_d与V_cm-V_d，并且假设(W/L)₁₀＝n*(W/L)₃，将式(7)与式(8)代入式(6)，得到：

对比指数公式：

当|x|≤1 (10)

可以将式(9)变换为：

式11中可变增益放大器的增益A_v表现为指数特性，即与控制电压成指数关系的增益，其指数增益(dB)正比于控制电压中的差模分量V_d。

本发明的优点在于：

(1)本发明的可变增益放大器，用在饱和区与线性区的晶体管实现与控制电压成指数关系的增益。并且具有大的增益调节范围。对于不同的信号输入摆幅，实现恒定的自动增益控制稳定时间

(2)本发明的可变增益放大器，为连续增益控制，可以实现增益调节范围内的任何增益，避免了增益的跳变。

四、附图说明

图1是本技术方案的可变增益放大器电路原理图；

图2是本技术方案的可变增益放大器增益控制信号示意图；

图3是自动增益控制电路的结构框图。

五、具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本技术方案进一步说明如下：

可变增益放大器中，第一级可变放大器电路的输入信号V_in+与V_in-分别连接输入晶体管M1与M2，输入晶体管M1与M2的源端分别连接各自的电流源晶体管M5与M6的漏端，并且输入晶体管M1与M2的源端用晶体管M3跨接，输入晶体管M1与M2的漏端连接负载电阻R1与R2，并且定义输入晶体管M1与M2的漏端输出为所述第一级可变放大器电路的输出信号V_out1+，V_out1-。

第一级可变放大器的输出信号比输入信号，即电压增益为：

其中，A_v1为第一级可变放大器的电压增益，g_m1为第一级可变放大器的输入管M1的跨导，R1为第一级可变放大器的负载电阻，R_M3为第一级可变放大器的晶体管M3的导通电阻。

对于g_m1*R_M3/2＞＞1,式(1)可简化为：

第二级可变放大器电路的输入信号V_out1+与V_out1-分别连接输入晶体管M8与M9，输入晶体管M8与M9的源端分别连接各自的电流源晶体管M12与M13的漏端，并且输入晶体管M8与M9的源端用电阻R5跨接，输入晶体管M8与M9的漏端连接负载电阻R3与R4，输入晶体管M8与M9的漏端用晶体管M10跨接，并且定义输入晶体管M8与M9的漏端输出为所述第二级可变放大器电路的输出信号V_out+，V_out-。

第二级可变放大器的输出信号比输入信号，即电压增益为：

其中，A_v2为第二级可变放大器的电压增益，g_m8为第二级可变放大器的输入管M8的跨导，R3为第二级可变放大器的负载电阻,R5为第二级可变放大器的源极退化电阻，R_M10为第二级可变放大器的晶体管M10的导通电阻，

对于g_m8*R₅/2＞＞1,式(3)可简化为：

通过式(2)，式(4)，可以得出此可变增益放大器的增益为：

若强制2*R3＞＞R_M10,则式(5)中可变增益放大器的增益简化为：

对于处于线性区的晶体管电阻，R_M3与R_M10分别为：

其中输入控制信号V_p与V_n为差分信号，如图2，分别可以表示为V_cm+V_d与V_cm-V_d，并且假设(W/L)₁₀＝n*(W/L)₃，将式(7)与式(8)代入式(6)，得到：

对比指数公式：

当|x|≤1 (10)

可以将式(9)变换为：

式11中可变增益放大器的增益A_v表现为指数特性，即与控制电压成指数关系的增益，其指数增益(dB)正比于控制电压中的差模分量V_d。

自动增益控制整体电路如图3中所示，反馈环路工作原理为：功率检测器检测可变增益放大器的输出信号V_out功率，得到的含有功率信息的电压V_pd与参考电压V_ref比较，从而生成误差电压V_diff；此误差经过一段时间的积分得到单端控制信号V_s,单端控制信号V_s经过单端信号转差分信号转换器转换成差分控制信号V_p与V_n如图2，形成负反馈控制第一级可变增益放大器与第二级可变增益放大器的晶体管M3与M10，从而改变可变增益放大器的增益A_v。

Claims (2)

1.一种可变增益放大器，其特征是此可变增益放大器具有与控制电压成指数关系的增益，从而具有恒定的自动增益控制稳定时间，所述可变增益放大器包括：第一级可变增益放大器电路和第二级可变增益放大器电路；

所述可变增益放大器还包括自动增益控制电路，涵盖功率检测电路，参考比较电路，积分器电路以及单端控制信号转差分控制信号转换电路；

对于所述第一级可变放大器电路的输入信号，设高电平为V_in+，低电平为V_in-，对于所述第一级可变放大器电路的输出信号，设高电平为V_out1+，低电平为V_out1-；对于所述第二级可变放大器电路的输入信号为所述第一级可变放大器电路的输出信号，高电平为V_out1+，低电平为V_out1-；对于所述第二级可变放大器电路的输出信号，设高电平为V_out+，低电平为V_out-；

所述第一级可变放大器电路的输入信号V_in+与V_in-分别连接第一晶体管(M1)与第二晶体管(M2)，第一晶体管(M1)与第二晶体管(M2)的源端分别连接各自的第五电流源晶体管(M5)与第六电流源晶体管(M6)的漏端，并且第一晶体管(M1)与第二晶体管(M2)的源端用晶体管(M3)跨接，第一晶体管(M1)与第二晶体管(M2)的漏端连接第一负载电阻(R1)与第二负载电阻(R2)，并且定义第一晶体管(M1)与第二晶体管(M2)的漏端输出为所述第一级可变放大器电路的输出信号V_out1+，V_out1-；

所述第二级可变放大器电路的输入信号V_out1+与V_out1-分别连接第八晶体管(M8)与第九晶体管(M9)，第八晶体管(M8)与第九晶体管(M9)的源端分别连接各自的电流源第十二晶体管(M12)与第十三晶体管(M13)的漏端，并且第八晶体管(M8)与第九晶体管(M9)的源端用第五电阻(R5)跨接，第八晶体管(M8)与第九晶体管(M9)的漏端连接第三负载电阻(R3)与第四负载电阻(R4)，第八晶体管(M8)与第九晶体管(M9)的漏端用第十晶体管(M10)跨接，并且定义第八晶体管(M8)与第九晶体管(M9)的漏端输出为所述第二级可变放大器电路的输出信号V_out+，V_out-；

第一级可变放大器的输出信号比输入信号，即电压增益为：

$A_{v1}=\frac{V_{out1}}{V_{in}}=\frac{-g_{m1}*R_1}{1+g_{m1}*\frac{R_{M3}}{2}}---\left(1\right)$

其中，A_v1为第一级可变放大器的电压增益，g_m1为第一级可变放大器的输入管M1的跨导，R1为第一级可变放大器的负载电阻，R_M3为第一级可变放大器的晶体管M3的导通电阻；

对于g_m1*R_M3/2＞＞1,式(1)简化为：

$A_{v1}=\frac{V_{out1}}{V_{in}}=\frac{-2R_1}{R_{M3}}---\left(2\right)$

第二级可变放大器的输出信号比输入信号，即电压增益为：

$A_{v2}=\frac{V_{out}}{V_{out1}}=\frac{-g_{m8}*(R_3//\frac{R_{M10}}{2})}{1+g_{m8}*\frac{R_5}{2}}---\left(3\right)$

其中，A_v2为第二级可变放大器的电压增益，g_m8为第二级可变放大器的输入管M8的跨导，R3为第二级可变放大器的负载电阻,R5为第二级可变放大器的源极退化电阻，R_M10为第二级可变放大器的晶体管M10的导通电阻，

对于g_m8*R₅/2＞＞1,式(3)简化为：

$A_{v2}=\frac{V_{out}}{V_{out1}}=\frac{-2(R_3//\frac{R_{M10}}{2})}{R_5}---\left(4\right)$

通过式(2)，式(4)，可以得出此新型可变增益放大器的增益为：

$A_v=A_{v1}*A_{v2}=\frac{4R_1(R_3//\frac{R_{M10}}{2})}{R_5{R}_{M3}}---\left(5\right)$

若强制2*R3＞＞R_M10,则式(5)中可变增益放大器的增益简化为：

$A_v=\frac{2R_1{R}_{M10}}{R_5{R}_{M3}}---\left(6\right)$

对于处于线性区的晶体管电阻，R_M3与R_M10分别为：

$R_{M3}=\frac{1}{{\mathrm{\μC}}_{ox}{\left(\frac{W}{L}\right)}_3(V_p-V_S-V_{TH})}---\left(7\right)$

$R_{M10}=\frac{1}{{\mathrm{\μC}}_{ox}{\left(\frac{W}{L}\right)}_{10}(V_n-V_S-V_{TH})}---\left(8\right)$

其中输入控制信号V_p与V_n为差分信号，分别可以表示为V_cm+V_d与V_cm-V_d，并且假设(W/L)₁₀＝n*(W/L)₃，将式(7)与式(8)代入式(6)，得到：

$A_v=\frac{2R_1}{{\mathrm{nR}}_5}\left(\frac{(V_{cm}-V_s-V_{TH})+V_d}{(V_{cm}-V_s-V_{TH})-V_d}\right)---\left(9\right)$

对比指数公式：

当|x|≤1 (10)

将式(9)变换为：

$A_v=\frac{2R_1}{{\mathrm{nR}}_5}{e}^{\frac{2V_d}{V_{cm}-V_s-V_{TH}}}---\left(11\right)$

式11中可变增益放大器的增益A_v表现为指数特性，即与控制电压成指数关系的增益，其指数增益(dB)正比于控制电压中的差模分量V_d。

2.权利要求1所述的可变增益放大器，其特征在于，由此可变增益放大器引出的其他可变增益放大器，包括第一级可变放大器电路与第二级可变放大器电路对调组成的可变增益放大器；第一级可变放大器电路与第二级可变放大器电路中N型晶体管与P型晶体管对调的可变增益放大器。