CN106160684B - 一种高线性度可变增益放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高线性度可变增益放大器,包括用以对信号进行放大或衰减的可变增益放大器,可变增益放大器采用闭环负反馈结构,同时还采用产生增益控制电压的指数增益控制电路,从而实现可变增益放大器的增益呈dB线性连续变化;可变增益放大器由全差分运算放大器和两个输入PMOS管和两个反馈PMOS管构成,全差分运算放大器采用两级结构,加入了偏置电路和共模反馈电路,采用了共源共栅补偿技术,以获得足够的相位裕度,保证反馈环路的稳定性。本发明在提高线性度的同时,实现了增益以指数形式连续可调。
Description
技术领域
本发明涉及一种集成电路的设计,尤其涉及一种可变增益放大器的设计。
背景技术
在无线通信系统中,由于信道衰落现象,导致接收机输入信号的幅值范围变化很大(高达几十个dB)。为了减小误码率,接收机通常设置有自动增益控制电路(AutomaticGain Control,AGC),而可变增益放大器则是AGC系统的主要部分。目前可变增益放大器的研究重点和难点主要体现为:宽带宽、高增益动态范围和高线性度。大部分设计者在实现宽带宽和高增益的范围内难以实现高线性度,而实现高线性度则可能牺牲了可带宽和增益。
现有技术中,可变增益放大器分为开环和闭环两种形式。开环可变增益放大器可以实现增益的连续可调,但稳定性较差,线性度较低,信号的动态范围较小;闭环结构的可变增益放大器使用负反馈的形式,性能较为稳定,其增益取决于电阻之比,线性度较高,但是难以实现增益的连续可调。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明提供一种高线性度可变增益放大器,可提高放大器的线性度,以及实现增益的连续可调。
为了解决上述问题,本发明提出的一种高线性度可变增益放大器,包括用以对信号进行放大或衰减的可变增益放大器,所述可变增益放大器采用闭环负反馈结构,同时还采用产生增益控制电压的指数增益控制电路,从而实现可变增益放大器的增益呈dB线性连续变化;所述可变增益放大器由全差分运算放大器A和第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第三PMOS管M3和第四PMOS管M4构成,所述第一PMOS管M1和第三PMOS管M3为输入PMOS管,所述第二PMOS管M2和第四PMOS管M4为反馈PMOS管;所述第一PMOS管M1的源端连接至第一输入信号VIP,所述第一PMOS管M1的漏端与所述全差分运算放大器A的正输入端相连;所述第二PMOS管M2的源端连接至第二输入信号VIN,所述第二PMOS管M2的漏端与所述全差分运算放大器A的负输入端相连;所述第三PMOS管M3的漏端与全差分运算放大器A的正输入端相连,所述第三PMOS管M3的源端与全差分运算放大器A的负输出端VON相连;所述第四PMOS M4的漏端与全差分运算放大器A的负输入端相连,所述第四PMOS管M4的源端与全差分运算放大器A的正输出端VOP相连;所述第一PMOS管M1和所述第三PMOS管M3的栅极均与第一增益控制电压Vc1相连,第二PMOS管M2和第四PMOS管M4的栅极均与第二增益控制电压Vc2相连;所述全差分运算放大器A包括第一级和第二级两级结构及偏置电路和共模反馈电路,其中,第一级为套筒式共源共栅结构,第二级为共源级;所述可变增益放大器中的第一PMOS管M1、第三PMOS管M3、第二PMOS管M2、第四PMOS管M4均工作在线性区,其中,第一PMOS管M1和第二PMOS管M2的等效电阻为Rin:
式(1)中,μP为PMOS的空穴迁移率,单位为cm2/V-s;Cox为单位面积的栅氧化层电容,单位为F/cm2;为PMOS的宽长比;VTHP为PMOS的阈值电压,单位为V;第三PMOS管M3和第四PMOS管M4的等效电阻为Rf:
式(2)中,式(1)中,μP为PMOS的空穴迁移率,单位为cm2/V-s;Cox为单位面积的栅氧化层电容,单位为F/cm2;为PMOS的宽长比;VTHP为PMOS的阈值电压,单位为V;所述可変增益放大器A的增益为A:
所述指数增益控制电路用于产生两个所述的第一增益控制电压Vc1和第二Vc2增益控制电压,所述指数增益控制电路的输入为外部控制信号Vc,其中,第一PMOS管M1、第三PMOS管M3的栅极与第一增益控制电压Vc1相连,第二PMOS管M2、第四PMOS管M4的栅极与第二增益控制电压Vc2相连;所述指数增益控制电路的外部基准电流为I0;所述指数增益控制电路包括17个MOS管和两个电阻,17个MOS管分别记作MOS管M5、MOS管M6、MOS管M7、MOS管M8、MOS管M9、MOS管M10、MOS管M 11、MOS管M12、MOS管M13、MOS管M14、MOS管M15、MOS管M16、MOS管M17、MOS管M18、MOS管M19、MOS管M20和MOS管M21,两个电阻为电阻R1和电阻R2;外部控制信号Vc与所述MOS管M5和所述MOS管M6的栅极相连;通过电流镜形式,所述MOS管M14和MOS管M15将外部基准电流I0镜像给所述MOS管M11和MOS管M12,则流过所述MOS管M8的电流为所述MOS管M5和MOS管M12的电流之和,然后,通过所述MOS管M10的漏电流镜像给所述MOS管M9,然后,镜像给MOS管M21;同时,所述MOS管M9镜像得到外部基准电流I0与所述MOS管M6的电流之和流过所述MOS管M7,然后,镜像给所述MOS管M20;电阻R1的一端与所述MOS管M20的漏端相连,电阻R1的另一端接地Vss;电阻R2的一端与M21的漏端相连,电阻R2的另一端接地Vss,从而,流经电阻R1的电流Ic1和流经电阻R2的电流Ic2分别为:
式(4)中,μN为NMOS的空穴迁移率,单位为cm2/V-s;为NMOS的宽长比;VTHN为NMOS的阈值电压,单位V;
式(5)中,第一增益控制电压Vc1和第二增益控制电压Vc2分别为:
VC1=IC1·R1 (6)
VC2=IC2·R2 (7)
令:电阻R1和电阻R2的阻值相等,设KN=KP=K,VTHN=|VTHP|=VTH,VDD=-VSS,则第一增益控制电压Vc1和第二增益控制电压Vc2的比值为:
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明提供的可变增益放大器采用闭环负反馈结构,在提高线性度的同时,实现了增益以指数形式连续可调。
附图说明
图1是本发明高线性度可変增益放大器的整体架构图;
图2是本发明中的指数增益控制电路结构图;
图3是本发明中可变增益放大器的控制信号VC和输入1dB压缩点(P1dB)的关系图;
图4是本发明中可变增益放大器的控制信号VC和增益的dB值之间关系图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述,所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明,并不用以限制本发明。
如图1所示,本发明一种高线性度可变增益放大器,包括用以对信号进行放大或衰减的可变增益放大器,其特征在于:所述可变增益放大器采用闭环负反馈结构,同时还采用产生增益控制电压的指数增益控制电路,从而实现可变增益放大器的增益呈dB线性连续变化。
如图1所示,所述可变增益放大器由全差分运算放大器A和第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第三PMOS管M3和第四PMOS管M4构成,所述第一PMOS管M1和第三PMOS管M3为输入PMOS管,所述第二PMOS管M2和第四PMOS管M4为反馈PMOS管;所述第一PMOS管M1的源端连接至第一输入信号VIP,所述第一PMOS管M1的漏端与所述全差分运算放大器A的正输入端相连;所述第二PMOS管M2的源端连接至第二输入信号VIN,所述第二PMOS管M2的漏端与所述全差分运算放大器A的负输入端相连;所述第三PMOS管M3的漏端与全差分运算放大器A的正输入端相连,所述第三PMOS管M3的源端与全差分运算放大器A的负输出端VON相连;所述第四PMOS M4的漏端与全差分运算放大器A的负输入端相连,所述第四PMOS管M4的源端与全差分运算放大器A的正输出端VOP相连;所述第一PMOS管M1和所述第三PMOS管M3的栅极均与第一增益控制电压Vc1相连,第二PMOS管M2和第四PMOS管M4的栅极均与第二增益控制电压Vc2相连。
所述全差分运算放大器A包括第一级和第二级两级结构及偏置电路和共模反馈电路,其中,第一级为套筒式共源共栅结构,第二级为共源级;加入了偏置电路和共模反馈电路,采用了共源共栅补偿技术,以获得足够的相位裕度,保证反馈环路的稳定性。
所述可变增益放大器中的输入PMOS即第一PMOS管M1和第三PMOS管M3,及反馈PMOS即第二PMOS管M2、第四PMOS管M4均工作在线性区,其中,第一PMOS管M1和第二PMOS管M2的等效电阻为Rin:
式(1)中,μP为PMOS的空穴迁移率,单位为cm2/V-s;Cox为单位面积的栅氧化层电容,单位为F/cm2;为PMOS的宽长比;VTHP为PMOS的阈值电压,单位为V;
第三PMOS管M3和第四PMOS管M4的等效电阻为Rf:
式(2)中,式(1)中,μP为PMOS的空穴迁移率,单位为cm2/V-s;Cox为单位面积的栅氧化层电容,单位为F/cm2;为PMOS的宽长比;VTHP为PMOS的阈值电压,单位为V;
所述可変增益放大器A的增益为A:
如图2所示,本发明中所述指数增益控制电路的输入为外部控制信号Vc,通过所述指数增益控制电路产生两个增益控制电压,即第一增益控制电压Vc1和第二增益控制电压Vc2,其中,第一PMOS管M1、第三PMOS管M3的栅极与第一增益控制电压Vc1相连,第二PMOS管M2、第四PMOS管M4的栅极与第二增益控制电压Vc2相连。所述指数增益控制电路的外部基准电流为I0;所述指数增益控制电路包括17个MOS管和两个电阻,其中,17个MOS管分别记作MOS管M5、MOS管M6、MOS管M7、MOS管M8、MOS管M9、MOS管M10、MOS管M 11、MOS管M12、MOS管M13、MOS管M14、MOS管M15、MOS管M16、MOS管M17、MOS管M18、MOS管M19、MOS管M20和MOS管M21,两个电阻为电阻R1和电阻R2;各器件的连接关系如图2所示,其中,MOS管M5、MOS管M7、MOS管M9、MOS管M11、MOS管M14、MOS管M17、MOS管M20、MOS管M21的源端接电源电压VDD;MOS管M6、MOS管M8、MOS管M10、MOS管M13、MOS管M16、MOS管M18、MOS管M19的源端接地Vss;MOS管M5的栅极接外部控制信号VC,MOS管M6的漏端与MOS管M8的栅漏、MOS管M12的漏端相连;MOS管M6的栅极接外部控制信号VC,MOS管M6的漏端与MOS管M7的栅漏、MOS管M13的漏端相连;MOS管M7的栅漏短接,与MOS管M6的漏端、MOS管M13的漏端、MOS管M20的栅极相连;MOS管M8的栅漏短接,与MOS管M5的漏端、MOS管M10的栅极、MOS管M12的漏端相连;MOS管M9的栅漏短接与MOS管M10的漏端、MOS管M21的栅极相连;MOS管M10的栅极与MOS管M8的栅极相连,MOS管M10的漏端与MOS管M9的漏端相连;MOS管M11的栅极与MOS管M14的栅极、MOS管M15的漏端相连,MOS管M11的漏端与MOS管M12的源端相连;MOS管M12的源端与MOS管M11的漏端相连,MOS管M12的栅极与MOS管M15的栅极、MOS管M17的栅漏相连,MOS管M12的漏端与MOS管M5的漏端、MOS管M8的漏端相连;MOS管M13的漏端与MOS管M6的漏端、MOS管M7的漏端相连,MOS管M13的栅极与MOS管M16的栅极、MOS管M18的栅极、MOS管M19的栅极相连;MOS管M14的栅极与MOS管M11的栅极、MOS管M15的漏端相连,MOS管M14的漏端与MOS管M15的源端相连;MOS管M15的源端与MOS管M14的漏端相连,MOS管M15的漏端与MOS管M11的栅极、MOS管M14的栅极、MOS管M16的漏端相连,MOS管M15的栅极与MOS管M12的栅极、MOS管M17的栅漏相连;MOS管M16的漏端与MOS管M15的漏端相连,MOS管M16的栅极与MOS管M13的栅极、MOS管M18的栅极、MOS管M19的栅极相连;MOS管M17的栅漏短接与MOS管M12的栅极、MOS管M15的栅极、MOS管M18的漏端相连;MOS管M18的漏端与MOS管M17的漏端相连,MOS管M18的栅极与MOS管M13的栅极、MOS管M16的栅极、MOS管M19的栅极相连;MOS管M19的栅漏短接,与外部电流基准源相连;MOS管M20的栅极与MOS管M7的栅极相连,MOS管M20的漏端与电阻R1的一端相连,接到输出控制电压Vc1;MOS管M21的栅极与MOS管M9的栅极相连,MOS管M21的漏端与电阻R2的一端相连,接到输出控制电压Vc2;电阻R1和电阻R2的另一端接地Vss。本发明的外部控制信号Vc与所述MOS管M5和所述MOS管M6的栅极相连;通过电流镜形式,所述MOS管M14和MOS管M15将外部基准电流I0镜像给所述MOS管M11和MOS管M12,则流过所述MOS管M8的电流为所述MOS管M5和MOS管M12的电流之和,然后,通过所述MOS管M10的漏电流镜像给所述MOS管M9,然后,镜像给MOS管M21;同时,所述MOS管M9镜像得到外部基准电流I0与所述MOS管M6的电流之和流过所述MOS管M7,然后,镜像给所述MOS管M20;从而,流经电阻R1的电流Ic1和流经电阻R2的电流Ic2分别为:
式(4)中,μN为NMOS的空穴迁移率,单位为cm2/V-s;为NMOS的宽长比;VTHN为NMOS的阈值电压,单位V;
式(5)中,第一增益控制电压Vc1和第二增益控制电压Vc2分别为:
VC1=IC1·R1 (6)
VC2=IC2·R2 (7)
令:电阻R1和电阻R2的阻值相等,设KN=KP=K,VTHN=|VTHP|=VTH,VDD=-VSS,则第一增益控制电压Vc1和第二增益控制电压Vc2的比值为:
公式(8)是指数函数的一种近似表达式,因此本发明提供的可变增益放大器可以实现增益指数形式连续可调。
图3示出了本发明高线性度可变增益放大器的外部控制信号VC和输入1dB压缩点(P1dB)的关系,可以看出该可变增益放大器实现了较高的线性度。
图4示出了本发明高线性度可变增益放大器的外部控制信号VC和增益的dB值之间关系图,可以看出该可变增益放大器实现了很好的dB线性关系,并获得了22dB的连续增益范围。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述,但是本发明并不局限于上述的具体实施方式,上述的具体实施方式仅仅是示意性的,而不是限制性的,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明宗旨的情况下,还可以做出很多变形,这些均属于本发明的保护之内。
Claims (1)
1.一种高线性度可变增益放大器,包括用以对信号进行放大或衰减的可变增益放大器,其特征在于:所述可变增益放大器采用闭环负反馈结构,同时还采用产生增益控制电压的指数增益控制电路,从而实现可变增益放大器的增益呈dB线性连续变化;
所述可变增益放大器由全差分运算放大器A和第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第三PMOS管M3和第四PMOS管M4构成,所述第一PMOS管M1和第三PMOS管M3为输入PMOS管,所述第二PMOS管M2和第四PMOS管M4为反馈PMOS管;所述第一PMOS管M1的源端连接至第一输入信号VIP,所述第一PMOS管M1的漏端与所述全差分运算放大器A的正输入端相连;所述第二PMOS管M2的源端连接至第二输入信号VIN,所述第二PMOS管M2的漏端与所述全差分运算放大器A的负输入端相连;所述第三PMOS管M3的漏端与全差分运算放大器A的正输入端相连,所述第三PMOS管M3的源端与全差分运算放大器A的负输出端VON相连;所述第四PMOS M4的漏端与全差分运算放大器A的负输入端相连,所述第四PMOS管M4的源端与全差分运算放大器A的正输出端VOP相连;所述第一PMOS管M1和所述第三PMOS管M3的栅极均与第一增益控制电压VC1相连,第二PMOS管M2和第四PMOS管M4的栅极均与第二增益控制电压VC2相连;
所述全差分运算放大器A包括第一级和第二级两级结构及偏置电路和共模反馈电路,其中,第一级为套筒式共源共栅结构,第二级为共源级;
所述可变增益放大器中的第一PMOS管M1、第三PMOS管M3、第二PMOS管M2、第四PMOS管M4均工作在线性区,其中,第一PMOS管M1和第二PMOS管M2的等效电阻为Rin:
式(1)中,μP为PMOS的空穴迁移率,单位为cm2/V-s;Cox为单位面积的栅氧化层电容,单位为F/cm2;为PMOS的宽长比;VTHP为PMOS的阈值电压,单位为V;
第三PMOS管M3和第四PMOS管M4的等效电阻为Rf:
式(2)中,μP为PMOS的空穴迁移率,单位为cm2/V-s;Cox为单位面积的栅氧化层电容,单位为F/cm2;为PMOS的宽长比;VTHP为PMOS的阈值电压,单位为V;
所述可变增益放大器的增益为A:
所述指数增益控制电路用于产生两个所述的第一增益控制电压VC1和第二增益控制电压VC2,所述指数增益控制电路的输入为外部控制信号VC,其中,第一PMOS管M1、第三PMOS管M3的栅极与第一增益控制电压VC1相连,第二PMOS管M2、第四PMOS管M4的栅极与第二增益控制电压VC2相连;所述指数增益控制电路的外部基准电流为I0;所述指数增益控制电路包括17个MOS管和两个电阻,17个MOS管分别记作MOS管M5、MOS管M6、MOS管M7、MOS管M8、MOS管M9、MOS管M10、MOS管M11、MOS管M12、MOS管M13、MOS管M14、MOS管M15、MOS管M16、MOS管M17、MOS管M18、MOS管M19、MOS管M20和MOS管M21,两个电阻为电阻R1和电阻R2;外部控制信号VC与所述MOS管M5和所述MOS管M6的栅极相连;通过电流镜形式,所述MOS管M14和MOS管M15将外部基准电流I0镜像给所述MOS管M11和MOS管M12,则流过所述MOS管M8的电流为所述MOS管M5和MOS管M12的电流之和,然后,通过所述MOS管M10的漏电流镜像给所述MOS管M9,然后,镜像给MOS管M21;同时,所述MOS管M9镜像得到外部基准电流I0与所述MOS管M6的电流之和流过所述MOS管M7,然后,镜像给所述MOS管M20;电阻R1的一端与所述MOS管M20的漏端相连,电阻R1的另一端接地Vss;电阻R2的一端与M21的漏端相连,电阻R2的另一端接地Vss,从而,流经电阻R1的电流IC1和流经电阻R2的电流IC2分别为:
式(4)中,μN为NMOS的空穴迁移率,单位为cm2/V-s;为NMOS的宽长比;VTHN为NMOS的阈值电压,单位V;
式(5)中,第一增益控制电压VC1和第二增益控制电压VC2分别为:
VC1=IC1·R1 (6)
VC2=IC2·R2 (7)
令:电阻R1和电阻R2的阻值相等,设KN=KP=K,VTHN=|VTHP|=VTH,VDD=-VSS,则第一增益控制电压VC1和第二增益控制电压VC2的比值为:
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