CN105871347A - 一种低功耗cmos可变增益放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低功耗CMOS可变增益放大器，包括至少一个吉尔伯特电路、固定增益放大器、偏置电路和伪指函数发生电路。吉尔伯特电路的输入端接入输入电压信号。吉尔伯特电路的输出端接固定增益放大器的输入端，固定增益放大器的输出端送出输出电压信号。偏置电路的输出端连接吉尔伯特电路、固定增益放大器和伪指函数发生电路。伪指函数发生电路的输入端接入增益控制电压信号，伪指函数发生电路的输出端产生一个随增益控制电压呈指数规律变化的指数变化电压信号，该指数变化电压信号接入吉尔伯特电路的控制端，去控制吉尔伯特电路的增益。本发明能在保持可变增益放大器的增益dB线性范围尽可能大的同时降低可变增益放大器的整体功耗。

Description

一种低功耗CMOS可变增益放大器

技术领域

本发明涉及模拟集成电路技术领域，具体涉及一种低功耗CMOS可变增益放大器。

背景技术

接收机模拟前端的可变增益放大器用于调整信号大小，改变信号动态范围。在一条接收链路上通常存在几个可变增益放大器，它们共同作用，使得接收机前端能输出的信噪比满足要求，并且具有较大功率的信号。

随着无线通信系统的发展，接收机的指标在不断变化，对中频可变增益放大器的性能要求不断提高。首先，通信系统使用宽带调制，要求放大器具有足够高的带宽，通常在1～10MHz左右。其次，通信系统使用复杂的编码，要求输出信号具有较高的信噪比，意味着放大器应具有很好的线性度。最后，无线接收机应该尽量降低功耗，那么放大器在实现大信号输出的前提下必须减小偏置电流。以上这些条件对中频可变增益放大器的设计提出了苛刻的要求。

发明内容

本发明提供一种低功耗CMOS可变增益放大器，其能在保持可变增益放大器的增益dB线性范围尽可能大的同时降低可变增益放大器的整体功耗。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种低功耗CMOS可变增益放大器，包括至少一个吉尔伯特电路、固定增益放大器、偏置电路和伪指函数发生电路。吉尔伯特电路的输入端接入输入电压信号。吉尔伯特电路的输出端接固定增益放大器的输入端，固定增益放大器的输出端送出输出电压信号。偏置电路的输出端连接吉尔伯特电路、固定增益放大器和伪指函数发生电路。伪指函数发生电路的输入端接入增益控制电压信号，伪指函数发生电路的输出端产生一个随增益控制电压呈指数规律变化的指数变化电压信号，该指数变化电压信号接入吉尔伯特电路的控制端，去控制吉尔伯特电路的增益。

上述方案中，伪指函数发生电路由7个晶体管和2个电流源组成。晶体管M1和晶体管M2的栅极相连后形成该伪指函数发生电路的输入端，接入增益控制电压信号V_C。电流源I_cp1和电流源I_cp2由电流镜结构实现，并且输入端连接偏置电路的偏置电流输出端。电流源I_cp1的正极连接晶体管M1的源极，负极连接晶体管M1的漏极。电流源I_cp2的正极连接晶体管M2的漏极，负极连接晶体管M2的源极。晶体管M5的栅极、晶体管M6的栅极、晶体管M5的漏极和晶体管M2的漏极相连接。晶体管M3的栅极、晶体管M4的栅极、晶体管M4的漏极、晶体管M6的漏极、晶体管M7的漏极和晶体管M7的栅极相连接。晶体管M1、晶体管M5、晶体管M6和晶体管M7的源极同时连接正电源电压信号V_dd。晶体管M2、晶体管M3和晶体管M4的源极同时连接负电源电压信号V_ss。晶体管M1的漏极和晶体管M3的漏极相连后形成该伪指函数发生电路的输出端，送出指数变化电压信号V_DS3。

上述伪指函数发生电路中的电流源I_cp1和电流源I_cp2的电流大小相同。

上述晶体管M2、晶体管M3和晶体管M4均是NMOS晶体管，晶体管M1、晶体管M5、晶体管M6和晶体管M7均是PMOS晶体管。

上述晶体管M3工作于线性区，晶体管M1、晶体管M2、晶体管M4晶体管M5、晶体管M6和晶体管M7均工作于饱和区。

上述晶体管M3和晶体管M4的宽长比相同。晶体管M5和晶体管M6的宽长比相同。

上述晶体管M1的特征参数和晶体管M2的特征参数相同(即空穴或电子的迁移率、单位面积的栅氧化层电容和晶体管的宽长比三者的乘积)。

上述方案中，吉尔伯特电路为2个，且这2个吉尔伯特电路级联。即第一级吉尔伯特电路的输入端接入输入电压信号，第一级吉尔伯特电路的输出端连接第二级吉尔伯特电路的输入端，第二级吉尔伯特电路的输出端连接固定增益放大器的输入端。

每个吉尔伯特电路均由6个晶体管、1个电流源和7个电阻组成。晶体管M8的栅极和晶体管M11的栅极连接后形成该吉尔伯特电路的输入端负极，接入输入电压信号的负极V_inn。晶体管M9的栅极和晶体管M10的栅极连接后形成该吉尔伯特电路的输入端正极，接入输入电压信号的正极V_inp。晶体管M8的源极、晶体管M9的源极和晶体管M12的漏极相连。晶体管M12的栅极连接电阻R1、电阻R2和电阻R3的其中一端，电阻R1的另一端连接偏置电路的偏置电压V1输出端的负极和负电源电压信号V_ss，电阻R2的另一端连接偏置电路的偏置电压V1输出端的正极，电阻R3的另一端形成该吉尔伯特电路的控制端，接入指数变化电压信号V_DS3。晶体管M10的源极、晶体管M11的源极和晶体管M13的漏极相连。晶体管M13的栅极连接电阻R4和电阻R5的其中一端，电阻R4的另一端连接偏置电路的偏置电压V2输出端的负极和负电源电压信号V_ss，电阻R5的另一端连接偏置电路的偏置电压V2输出端的正极。电流源I_SS的输入端连接偏置电路的偏置电流输出端。晶体管M12的源极和晶体管M13的源极同时连接电流源I_SS的正极，电流源I_SS的负极连接负电源电压信号V_ss。电阻R_D1和电阻R_D2的一端连接正电源电压信号V_dd。电阻R_D1的另一端连接晶体管M8的漏极和晶体管M10的漏极后，形成该吉尔伯特电路的输出端负极。电阻R_D2的另一端连接晶体管M9的漏极和晶体管M11的漏极后，形成该吉尔伯特电路的输出端正极。

上述偏置电路的偏置电压V2输出端输出的偏置电压可以和偏置电路的偏置电压V1输出端输出的偏置电压相同或不相同。

与现有技术相比，本发明采用了独特的伪指函数发生电路去控制吉尔伯特电路，使其在保持足够大的增益dB动态范围以及带宽的同时大大地降低总功耗，从而满足后续系统正常工作的需要。

附图说明

图1为一种低功耗CMOS可变增益放大器的原理框图。

图2为图1中伪指函数发生电路的原理图。

图3为图1中吉尔伯特电路的原理图。

具体实施方式

下面通过实施例，结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。

一种低功耗CMOS可变增益放大器，如图1所示，包括至少一个吉尔伯特电路、固定增益放大器、偏置电路和伪指函数发生电路。吉尔伯特电路为整体可变增益放大器的最终输入。吉尔伯特电路的输入端接入输入电压信号即输入电压信号的正极V_inp和负极V_inn。吉尔伯特电路的输出端接固定增益放大器的输入端，固定增益放大器的输出端送出输出电压信号即输出电压信号的正极V_outp和负极V_outn，固定增益放大器为整体可变增益放大器的最终输出。偏置电路的输出端连接吉尔伯特电路、固定增益放大器和伪指函数发生电路，为吉尔伯特电路、固定增益放大器和伪指函数发生电路提供偏置电压和电流。伪指函数发生电路的输入端接入增益控制电压信号V_c，伪指函数发生电路的输出端产生一个随增益控制电压呈指数规律变化的指数变化电压信号，该指数变化电压信号接入吉尔伯特电路的控制端，去控制吉尔伯特电路的增益，从而实现增益随控制电压dB线性变化。

参见图2，伪指函数发生电路由7个晶体管M1-M7和2个电流源I_cp1–I_cp2组成。晶体管M1和晶体管M2的栅极相连后形成该伪指函数发生电路的输入端。电流源I_cp1和电流源I_cp2由电流镜结构实现，并且输入端(栅极)连接偏置电路的偏置电流输出端。电流源I_cp1的正极连接晶体管M1的源极，负极连接晶体管M1的漏极。电流源I_cp2的正极连接晶体管M2的漏极，负极连接晶体管M2的源极。晶体管M5的栅极、晶体管M6的栅极、晶体管M5的漏极和晶体管M2的漏极相连接。晶体管M3的栅极、晶体管M4的栅极、晶体管M4的漏极、晶体管M6的漏极、晶体管M7的漏极和晶体管M7的栅极相连接。晶体管M1、晶体管M5、晶体管M6和晶体管M7的源极同时连接正电源电压信号V_dd。晶体管M2、晶体管M3和晶体管M4的源极同时连接负电源电压信号V_ss。晶体管M1的漏极和晶体管M3的漏极相连后形成该伪指函数发生电路的输出端。

伪指函数发生电路中的电流源I_cp1和电流源I_cp2的电流大小应相同。晶体管M2、晶体管M3和晶体管M4的类型相同，都是NMOS晶体管，并且晶体管M2和晶体管M4工作于饱和区，晶体管M3工作于线性区。晶体管M1、晶体管M5、晶体管M6和晶体管M7的类型相同，都是PMOS晶体管，并且都工作于饱和区。晶体管M3和晶体管M4的尺寸大小相同即器件的宽长比相同。晶体管M5和晶体管M6的尺寸大小相同即器件的宽长比相同。晶体管M1和晶体管M2的特征参数K(即空穴或电子的迁移率、单位面积的栅氧化层电容和晶体管的宽长比三者的乘积)应相同。增益控制电压V_c接在晶体管M1和晶体管M2的栅极和地之间，经过伪指函数发生电路后输出的指数电压就是来自于工作在线性区的晶体管M3的漏源电压。所有的NMOS晶体管衬底都接地，所有的PMOS晶体管衬底都接电源。

在本发明中，吉尔伯特电路的个数可以根据设计需求进行选定，可以为1个、2个或多个。当吉尔伯特电路为2个以上时，这些吉尔伯特电路采用级联方式进行连接。在本发明优选实施例中，吉尔伯特电路为2个，且这2个吉尔伯特电路级联。即第一级吉尔伯特电路的输入端接入输入电压信号，第一级吉尔伯特电路的输出端连接第二级吉尔伯特电路的输入端，第二级吉尔伯特电路的输出端连接固定增益放大器的输入端。

参见图3，每个吉尔伯特电路均由6个晶体管、1个电流源和7个电阻组成。晶体管M8的栅极和晶体管M11的栅极连接后形成该吉尔伯特电路的输入端负极，接入输入电压信号的负极V_inn。晶体管M9的栅极和晶体管M10的栅极连接后形成该吉尔伯特电路的输入端正极，接入输入电压信号的正极V_inp。晶体管M8的源极、晶体管M9的源极和晶体管M12的漏极相连。晶体管M12的栅极连接电阻R1、电阻R2和电阻R3的其中一端，电阻R1的另一端连接偏置电路的偏置电压V1输出端的负极和负电源电压信号V_ss，电阻R2的另一端连接偏置电路的偏置电压V1输出端的正极，电阻R3的另一端形成该吉尔伯特电路的控制端，接入指数变化电压信号V_DS3。晶体管M10的源极、晶体管M11的源极和晶体管M13的漏极相连。晶体管M13的栅极连接电阻R4和电阻R5的其中一端，电阻R4的另一端连接偏置电路的偏置电压V2输出端的负极和负电源电压信号V_ss，电阻R5的另一端连接偏置电路的偏置电压V2输出端的正极。电流源I_SS的输入端连接偏置电路的偏置电流输出端。晶体管M12的源极和晶体管M13的源极同时连接电流源I_SS的正极，电流源I_SS的负极连接负电源电压信号V_ss。电阻R_D1和电阻R_D2的一端连接正电源电压信号V_dd。电阻R_D1的另一端连接晶体管M8的漏极和晶体管M10的漏极后，形成该吉尔伯特电路的输出端负极。电阻R_D2的另一端连接晶体管M9的漏极和晶体管M11的漏极后，形成该吉尔伯特电路的输出端正极。

晶体管M8-M13的类型相同，都是NMOS晶体管。晶体管M8-M13的均工作在饱和区。晶体管M8、晶体管M9、晶体管M10和晶体管M11的尺寸大小相同即器件的宽长比相同。晶体管M12和晶体管M13的尺寸大小相同即器件的宽长比相同。电阻R_D1和电阻R_D2的阻值大小相等。偏置电路输出的偏置电流相同。偏置电路输出的偏置电压V1和偏置电压V2相同或不相同。所有的NMOS晶体管衬底都接地，所有的PMOS晶体管衬底都接电源。

伪指函数发生电路的工作原理为：采用二阶伪指函数近似实现输入电压信号与输出电压信号的指数关系，其近似表达式为：

$e^{2ax}=\frac{e^{ax}}{e^{-ax}}=\frac{\[k+{(1+ax)}^2\]}{\[k+{(1-ax)}^2\]}$

在图2的伪指函数发生电路中，由于晶体管M1工作在饱和区，所以其漏源电流与电流源I_cp1的电流之和可以表示为：

I_c1＝I_cp1+K_p1(V_c-V_dd+|V_thp|)²

其中，I_cp1为电流源I_cp1的电流大小，K_p1为晶体管M1的空穴迁移率、单位面积的栅氧化层电容和晶体管的宽长比三者乘积的二分之一，V_dd为电源电压，V_thp为PMOS管的阈值电压。

同理在图2的伪指函数发生电路中由于晶体管M2工作在饱和区，所以其漏源电流与电流源I_cp2的电流之和可以表示为：

I_c2＝I_cp2+K_n2(V_c-V_ss-V_thn)²

其中，I_cp2为电流源I_cp2的电流大小，K_n2为晶体管M2的电子迁移率、单位面积的栅氧化层电容和晶体管的宽长比三者乘积的二分之一，V_ss为电路的最低点位，V_thn为NMOS管的阈值电压。

假设V_dd＝-V_ss，则由此可见上述两个电流(I_c1、I_c2)的比值可以表示为：

$\frac{I_{c1}}{I_{c2}}=\frac{I_{cp1}+K_{p1}{(V_c-V_{dd}+|V_{thp}\left|\right)}^2}{I_{cp2}+K_{n2}{(V_c-V_{ss}+|V_{thn}\left|\right)}^2}=\frac{\frac{I_{cp1}}{K_{p1}{(V_{dd}-|V_{thp}\left|\right)}^2}+{(1+\frac{V_c}{(V_{dd}-|V_{thp}\left|\right)})}^2}{\frac{I_{cp2}}{K_{n2}{(V_{dd}-|V_{thn}\left|\right)}^2}+{(1-\frac{V_c}{V_{dd}-\left|V_{thn}\right|})}^2}$

由上式可见只要保证电流源I_cp1和I_cp2的电流相等，同时保证K_n2等于K_p1就可以通过两个电流的比值近似实现指数关系。

晶体管M5和晶体管M6组成基本的电流镜，保持这两个晶体管的宽长比相等可以得到：

I₅＝I₆＝I_c2

其中，I₅表示流过晶体管M5的漏源电流，I₆表示流过晶体管M6的漏源电流。

流过晶体管M4的漏源电流可以表示为：

I₄＝K_n4(V_g4-V_ss-V_thn)²＝I₆+I₇＝I_c2+I₇＝I_c2+K_p7(V_dd-V_g4-|V_thp|)²

其中，I₄为晶体管M4的漏源电流，K_n4为晶体管M4的电子迁移率、单位面积的栅氧化层电容和晶体管的宽长比三者乘积的二分之一，K_p7为晶体管M7的空穴迁移率、单位面积的栅氧化层电容和晶体管的宽长比三者乘积的二分之一，V_dd为电源电压，V_thp为PMOS管的阈值电压，V_thn为NMOS管的阈值电压，V_g4为晶体管M4的栅极电压。

由上式可以得，当V_dd＝-V_ss，K_n4＝K_p7＝K时晶体管M4的栅极电压为：

$V_{g4}=\frac{2V_{dd}-\left|V_{thp}\right|+V_{thn}}{2}+\frac{I_{c2}}{2K(2V_{dd}-|V_{thp}|-V_{thn})}$

工作于线性区的晶体管M3的漏源电阻可以表示为：

$R_{DS3}=\frac{1}{u_n{C}_{ox}(V_{g4}-V_{ss}-V_{thn})}$

其中，R_DS3为晶体管M3的漏源电阻，μ_n为电子迁移率，C_ox为单位面积栅氧化层电容。

由以上推导可以得到晶体管M3的漏源电压为：

$V_{DS3}=I_{c1}\·R_{DS3}=\frac{I_{c1}}{u_n{C}_{ox}(V_{g4}-V_{ss}-V_{thn})}=\frac{I_{c1}}{u_n{C}_{ox}\·(\frac{4V_{dd}-\left|V_{thp}\right|-V_{thn}}{2}+\frac{I_{c2}}{2K(2V_{dd}-|V_{thp}|-V_{thn})})}=\frac{I_{c1}}{d\·(b+{\mathrm{cI}}_{c2})}$

其中，V_DS3为晶体管M3的漏源电压，b、c、d均为与工艺有关的固定常数,具体表达式如下：

d＝u_nC_ox

$b=\frac{4V_{dd}-\left|V_{thp}\right|-V_{thn}}{2}$

$c=\frac{1}{2K(2V_{dd}-|V_{thp}|-V_{thn})}$

可以看出，晶体管M3的漏源电压是电流I_c1和电流I_c2比值的函数。

为了实现较大的增益dB线性变化范围，需要I_c1和I_c2有较大的电流值(几个毫安)。因此，如果将这两个电流直接提供给基本可变增益单元，将产生较大的功耗，由于可变增益放大器包含2个吉尔伯特电路，这将进一步增加整体的功耗。为了解决这一问题，本发明在伪指函数发生电路中将两个电流之比转化为一个电压值提供给吉尔伯特电路的增益控制端，具体工作原理如下：

电流镜晶体管M5和晶体管M6将电流I_c2镜像到晶体管M4和晶体管M7的漏端。从两个二级管连接的晶体管M4和晶体管M7的共漏端看进去(这个共漏端也是晶体管M3的栅极)，存在一个恒定阻抗。这个阻抗将电流I_c2转换成电压V_g4(V_g4正比于电流I_c2)。

由于晶体管M3工作于线性区，因此其漏源间的电阻值将反比于它的栅极电压，也就是电压V_g4。

晶体管M3的漏源电压等于其漏源电阻与流过的漏源电流之积，其中流过的电流为I_c1，电阻反比于电流I_c2。因此，晶体管M3的漏源电压之将近似等于两个电流之比实现了将电流转化为电压。

Claims (10)

1.一种低功耗CMOS可变增益放大器，其特征在于：包括至少一个吉尔伯特电路、固定增益放大器、偏置电路和伪指函数发生电路；

吉尔伯特电路的输入端接入输入电压信号；吉尔伯特电路的输出端接固定增益放大器的输入端，固定增益放大器的输出端送出输出电压信号；

偏置电路的输出端连接吉尔伯特电路、固定增益放大器和伪指函数发生电路；

伪指函数发生电路的输入端接入增益控制电压信号，伪指函数发生电路的输出端产生一个随增益控制电压呈指数规律变化的指数变化电压信号，该指数变化电压信号接入吉尔伯特电路的控制端，去控制吉尔伯特电路的增益。

2.根据权利要求1所述的一种低功耗CMOS可变增益放大器，其特征在于：伪指函数发生电路由7个晶体管和2个电流源组成；

晶体管M1和晶体管M2的栅极相连后形成该伪指函数发生电路的输入端，接入增益控制电压信号V_C；

电流源I_cp1和电流源I_cp2由电流镜结构实现，并且输入端连接偏置电路的偏置电流输出端；电流源I_cp1的正极连接晶体管M1的源极，负极连接晶体管M1的漏极；电流源I_cp2的正极连接晶体管M2的漏极，负极连接晶体管M2的源极；

晶体管M5的栅极、晶体管M6的栅极、晶体管M5的漏极和晶体管M2的漏极相连接；晶体管M3的栅极、晶体管M4的栅极、晶体管M4的漏极、晶体管M6的漏极、晶体管M7的漏极和晶体管M7的栅极相连接；

晶体管M1、晶体管M5、晶体管M6和晶体管M7的源极同时连接正电源电压信号V_dd；晶体管M2、晶体管M3和晶体管M4的源极同时连接负电源电压信号V_ss；

晶体管M1的漏极和晶体管M3的漏极相连后形成该伪指函数发生电路的输出端，送出指数变化电压信号V_DS3。

3.根据权利要求2所述的一种低功耗CMOS可变增益放大器，其特征在于：伪指函数发生电路中的电流源I_cp1和电流源I_cp2的电流大小相同。

4.根据权利要求2所述的一种低功耗CMOS可变增益放大器，其特征在于：晶体管M2、晶体管M3和晶体管M4均是NMOS晶体管，晶体管M1、晶体管M5、晶体管M6和晶体管M7均是PMOS晶体管。

5.根据权利要求2所述的一种低功耗CMOS可变增益放大器，其特征在于：晶体管M3工作于线性区，晶体管M1、晶体管M2、晶体管M4晶体管M5、晶体管M6和晶体管M7均工作于饱和区。

6.根据权利要求2所述的一种低功耗CMOS可变增益放大器，其特征在于：晶体管M3和晶体管M4的宽长比相同；晶体管M5和晶体管M6的宽长比相同。

7.根据权利要求2所述的一种低功耗CMOS可变增益放大器，其特征在于：晶体管M1的特征参数和晶体管M2的特征参数相同。

8.根据权利要求1所述的一种低功耗CMOS可变增益放大器，其特征在于：吉尔伯特电路为2个，且这2个吉尔伯特电路级联；即第一级吉尔伯特电路的输入端接入输入电压信号，第一级吉尔伯特电路的输出端连接第二级吉尔伯特电路的输入端，第二级吉尔伯特电路的输出端连接固定增益放大器的输入端。

9.根据权利要求1或8所述的一种低功耗CMOS可变增益放大器，其特征在于：每个吉尔伯特电路均由6个晶体管、1个电流源和7个电阻组成；

晶体管M8的栅极和晶体管M11的栅极连接后形成该吉尔伯特电路的输入端负极，接入输入电压信号的负极V_inn；晶体管M9的栅极和晶体管M10的栅极连接后形成该吉尔伯特电路的输入端正极，接入输入电压信号的正极V_inp；

晶体管M8的源极、晶体管M9的源极和晶体管M12的漏极相连；晶体管M12的栅极连接电阻R1、电阻R2和电阻R3的其中一端，电阻R1的另一端连接偏置电路的偏置电压V1输出端的负极和负电源电压信号V_ss，电阻R2的另一端连接偏置电路的偏置电压V1输出端的正极，电阻R3的另一端形成该吉尔伯特电路的控制端，接入指数变化电压信号V_DS3；

晶体管M10的源极、晶体管M11的源极和晶体管M13的漏极相连；晶体管M13的栅极连接电阻R4和电阻R5的其中一端，电阻R4的另一端连接偏置电路的偏置电压V2输出端的负极和负电源电压信号V_ss，电阻R5的另一端连接偏置电路的偏置电压V2输出端的正极；

电流源I_SS的输入端连接偏置电路的偏置电流输出端；晶体管M12的源极和晶体管M13的源极同时连接电流源I_SS的正极，电流源I_SS的负极连接负电源电压信号V_ss；

电阻R_D1和电阻R_D2的一端连接正电源电压信号V_dd；电阻R_D1的另一端连接晶体管M8的漏极和晶体管M10的漏极后，形成该吉尔伯特电路的输出端负极；电阻R_D2的另一端连接晶体管M9的漏极和晶体管M11的漏极后，形成该吉尔伯特电路的输出端正极。

10.根据权利要求9所述的一种低功耗CMOS可变增益放大器，其特征在于：偏置电路的偏置电压V2输出端输出的偏置电压与偏置电路的偏置电压V1输出端输出的偏置电压相同或不相同。