CN106026957A - 一种可变增益放大器的增益dB-linear实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变增益放大器的增益dB‑linear实现方法。该方法将OTA电路模块设计成辅助VGA，在其输入端加固定差分电压。利用工作在亚阈值区的MOS管产生与输入线性变化的电压成指数规律变化的电压，利用源跟随器对指数规律变化的电压值在纵坐标上的搬移，产生起始电压值为辅助VGA输出共模电平的指数规律变化的电压。将辅助VGA输出电压和搬移后的指数规律变化的电压输入到比较器，将其输出电压作为辅助VGA的控制电压，建立锁幅环路，使得辅助VGA的输出电压成指数规律变化。比较器输出电压作为主VGA控制电压，主VGA增益变化满足dB‑linear特性。该方法可实现更大的增益dB‑linear范围。

Description

一种可变增益放大器的增益dB-linear实现方法

技术领域

本发明涉及一种可变增益放大器的增益dB-linear实现方法，属于集成电路设计技术领域。

背景技术

可变增益放大器(VGA)是射频通信芯片的模拟基带部分很重要的一个模块。通常要求输入信号在不同功率下要保持模拟基带输出端信号功率保持在一定范围内以便于后级ADC处理，这一功能由AGC(自动增益控制)电路实现。为了使得输入信号在任意变化情况下AGC环路的稳定时间恒定，要求链路增益的变化与控制电压满足dB-linear特性。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可变增益放大器增益dB-linear实现方法。本发明不同于传统的基于伪指数、泰勒级数或其他近似方法，在理论分析的情况下不存在数学近似，因此可实现较大的增益dB-linear范围。

本发明方法利用主VGA自身跨导单元的跨导值与控制电压的数学关系，将与主VGA中跨导单元成等比缩放关系的OTA电路模块设计成一个辅助VGA，在该辅助VGA的输入端加一固定差分电压。利用工作在亚阈值区的MOS管产生与输入线性变化的电压成指数规律变化的电压，利用源跟随器实现对指数规律变化的电压值在纵坐标上的搬移，产生起始电压值为辅助VGA的输出共模电平的指数规律变化的电压。将辅助VGA的输出电压和搬移后的指数规律变化的电压输入到比较器，同时将比较器的输出电压作为辅助VGA的控制电压，建立一个锁幅环路，使得辅助VGA的输出电压成指数规律变化。比较器的输出电压同时作为主VGA的控制电压，这样主VGA的增益变化可满足dB-linear特性。

本发明的技术方案具体介绍如下。

本发明提供一种可变增益放大器的增益dB-linear实现方法，具体步骤如下：

(1)采用与主VGA中跨导单元成等比缩放关系的OTA电路模块设计成一个辅助VGA，或者完全复制主VGA中跨导单元电路，在辅助VGA的输入端加一固定差分电压；

(2)利用工作在亚阈值区的MOS管产生与输入线性变化的电压成指数规律变化的电压；

(3)利用源跟随器实现对指数规律变化的电压值在纵坐标上的搬移，产生起始电压值为辅助VGA的输出共模电平的指数规律变化的电压；

(4)将辅助VGA的输出电压和搬移后的指数规律变化的电压输入到比较器，同时将比较器的输出电压作为辅助VGA的控制电压，建立一个锁幅环路，使得辅助VGA的输出电压成指数规律变化，比较器的输出电压同时作为主VGA的控制电压，实现主VGA的增益变化满足dB-linear特性。

本发明的有益效果在于，与传统的基于伪指数、泰勒级数或其他近似方法相比，在理论分析的情况下不存在数学近似，因此可实现较大的增益dB-linear范围。可以将VGA所能达到的全部增益范围实现dB-linear特性。

附图说明

图1为可变增益放大器的增益dB-linear实现电路图。

图2为控制电压V_L变化时节点a,V_ctrl,V_op的电压变化曲线。

图3为单极VGA的增益与控制电压的关系曲线。

图4为两级VGA串联示意图。

图5为两级VGA的增益与控制电压的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。

本发明方法利用主VGA自身跨导单元的跨导值与控制电压的数学关系，将与主VGA中跨导单元成等比缩放关系的的OTA电路模块设计成一个辅助VGA，在该辅助VGA的输入端加一固定差分电压。利用工作在亚阈值区的MOS管产生与输入线性变化的电压成指数规律变化的电压，利用源跟随器实现对指数规律变化的电压值在纵坐标上的搬移，产生起始电压值为辅助VGA的输出共模电平的指数规律变化的电压。将辅助VGA的输出电压和搬移后的指数规律变化的电压输入到比较器，同时将比较器的输出电压作为辅助VGA的控制电压，建立一个锁幅环路，使得辅助VGA的输出电压成指数规律变化。比较器的输出电压同时作为主VGA的控制电压，这样主VGA的增益变化可满足dB-linear特性。

本发明具体实现方式如图1。图1中的大方框内为主VGA，圆圈中为辅助VGA的跨导电路，A1和A2为电压比较器，两个小方框内分别为两个源跟随器S1和S2，椭圆中为指数变化电压产生电路。

对于图1中的MOS管M₅，当其栅源电压V_L小于阈值电压V_TH，且其漏源电压V_DS大于200mV左右时，漏源电流与栅源电压满足指数关系，这种效应称作亚阈值导电。因此图1中C点的电压与输入电压V_L的关系为：

$V_C=V_{dd}-R_e{\mathrm{xe}}^{{\mathrm{yV}}_L}---\left(1\right)$

其中x和y为与MOS管相关的常量，与栅源电压V_L无关，这里并不关心实际x和y的值。由式(1)可知C点的电压变化量与电压V_L呈指数关系。

在图1中由MOS管M₁,M₂,M_S,M_c1,M_c2组成主VGA的跨导部分。为了简化分析，假设M_s等效的阻抗

R_s＝2f(V_ctrl) (2)

V_ctrl为MOS管M_s的栅电压。

设由MOS管M_c1,M_c2构成的偏置电流源的非理想阻抗为r，输入管M₁,M₂的跨导为g_m，则主VGA中的跨导电路的跨导值为

$G_m=\frac{g_m(r+f(V_{ctrl}))}{r+f\left(V_{ctrl}\right)+g_{m}rf\left(V_{ctrl}\right)}---\left(3\right)$

如果将主VGA中的跨导电路中的所有MOS管的沟道宽长比缩小为原来的构成辅助VGA中的跨导电路，则输入管M₃,M₄的跨导变为M_S，等效的阻抗变为2nf(V_ctrl)，偏置电流源M_c3,M_c4的非理想阻抗为nr。缩小尺寸后的OTA跨导值为：

$G_m^{\′}=\frac{1}{n}\frac{g_m(r+f(V_{ctrl}))}{r+f\left(V_{ctrl}\right)+g_{m}rf\left(V_{ctrl}\right)}---\left(4\right)$

对比发现式(3)与(4)刚好相差n倍。

在图1中的辅助VGA输入端加一差分直流电压V_c+V_d,V_c-V_d，则电阻R两端电压差为V_dG′_mR，或者说V_op比共模节点d的电压低V_dG′_mR。

图1中的两个源跟随器S1，S2的MOS管尺寸完全相同。通过比较器A1比较节点b和共模节点d的电压大小，产生控制电压并作用于节点e，从而使得节点b的电压与共模节点d相等。因为源跟随器S2的输入电压始终为V_dd，相当于c点电平变化的初始值，又S1和S2完全相同，因此a点电压变化的初始值始终和共模节点d的电平相等。比较器A2比较节点a和V_op的大小(也可以理解为比较a点的电压变化量(成指数规律变化)与电阻两端的电压差(V_dG_mR)的大小)。当a点电压小于V_op，比较器A2的输出电平V_ctrl增大，从而增大跨导G′_m，使得电阻R两端电压差增大，V_op降低，反之亦然。这样a点的电压变化量始终等于电阻两段的电压差(V_dG_mR)。

当电压V_L变化时，a点的电压变化(减小)量

${\mathrm{\ΔV}}_a=R_e{\mathrm{xe}}^{{\mathrm{yV}}_L}---\left(5\right)$

则有

ΔV_a＝V_dG′_mR (6)

$G_m^{\′}=\frac{R_e{\mathrm{xe}}^{{\mathrm{yV}}_L}}{V_{d}R}---\left(7\right)$

所以G′_m相对电压V_L成指数关系。根据式(3)和(4)可知，主VGA的跨导值与电压V_L的关系为

$G_m=\frac{{\mathrm{nR}}_e{\mathrm{xe}}^{{\mathrm{yV}}_L}}{V_{d}R}---\left(8\right)$

增益与电压V_L的关系为

$A=\frac{{\mathrm{nR}}_L{R}_e{\mathrm{xe}}^{{\mathrm{yV}}_L}}{V_{d}R}---\left(9\right)$

由此可见VGA的增益与控制电压V_L呈指数关系，满足增益dB-linear特性。

图2所示为控制电压V_L变化时节点a,V_ctrl,V_op的电压变化曲线。实际上因为OTA的跨导变化范围有限，V_op只能在一定范围内跟随a点电平，如图2所示。只要合理选择V_d和电阻R，就可使V_op的电平变化范围落在曲线a的指数特性范围内，从而使得跨导G_m在全部变化范围与电压V_L成指数关系。在图2中曲线a和曲线V_op的交汇点和分离点之间所对应的电压V_L范围为有效的dB-linear控制电压范围。图3所示为一级VGA的增益与控制电压关系的仿真结果，从图中可以看出增益的dB-linear范围与最大增益及最小增益之间没有明显的过渡，能够将全部的可变增益范围实现dB-linear。通过串联多级VGA可实现更大的增益dB-linear范围，如图4所示。两级VGA的增益仿真结果如图5所示，可见增益dB-linear范围扩大两倍同时增益变化曲线保持良好的线性趋势。

Claims (1)

1.一种可变增益放大器的增益dB-linear实现方法，其特征在于，具体步骤如下：

（1）采用与主VGA中跨导单元成等比缩放关系的OTA电路模块设计成一个辅助VGA，在辅助VGA的输入端加一固定差分电压；

（2） 利用工作在亚阈值区的MOS管产生与输入线性变化的电压成指数规律变化的电压；

（3） 利用源跟随器实现对指数规律变化的电压值在纵坐标上的搬移，产生起始电压值为辅助VGA的输出共模电平的指数规律变化的电压；

（4）将辅助VGA的输出电压和搬移后的指数规律变化的电压输入到比较器，同时将比较器的输出电压作为辅助VGA的控制电压，建立一个锁幅环路，使得辅助VGA的输出电压成指数规律变化，比较器的输出电压同时作为主VGA的控制电压，实现主VGA的增益变化满足dB-linear特性。