CN107276548A - 一种next系列产品cmos自动增益控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种NEXT系列产品CMOS自动增益控制电路，该自动增益控制电路由可变增益放大器、固定增益级、峰值检测器、比较器构成，其中可变增益放大器包括：VGA主体放大单元、共模负反馈电路、直流失调消除电路、dB线性变换器；可变增益放大器作为中频信号的主通路，基于CMOS技术，采用两级VGA结构，在每一级后连接直流失调消除电路；固定增益级与可变增益放大器单向链接，输入跨导级采用全差分结构，引入源极负反馈，为自动增益控制电路提供增益的绝对值；峰值检测器与电路的输出端和固定增益级连接，用于对信号强度的实时检测与判断；比较器一端同时连接峰值检测器和比较电压，另一端与dB线性变换器连接，用于信号的判断。
Description
技术领域
本发明属于无线通信电路领域的具体应用，尤其涉及一种NEXT系列产品CMOS自动增益控制电路。
背景技术
科学技术的发展日新月异，在过去十几年中，以手机和其它无线设备终端为代表的无线通信产品的快速普及和更新换代使得我们的工作方式和生活方式都发生了巨大而深刻的变化。如今无线通信产业已经成为世界上最为庞大的产业之一。接收机作为信号接收处理的第一站，肩负着信号的提取、降噪、放大和频谱搬移的重要任务，其性能决定着后续信号处理的好坏，是模拟射频电路的重要应用和不可替代性的集中体现。在无线接收机中，由于信道是非理想的且处于不断变化中，天线从外部接收到的信号强度也是变化的。比如接收机和发射机距离变化形成的“远近效应”，高大建筑物的遮挡形成的“阴影效应”，信号在信道中的反射、折射产生的“多径效应”使得接收点处的信号电平随时间变化而起伏。GSM通信系统的信号电平强弱变化可达80dB。为了保证良好的接收效果，在接收机中通常使用自动增益控制，自动增益控制（AGC）系统可以用于混频前的射频放大级，但一般是应用于中频放大级。
数字AGC的优点在于，除VGA外所有模块均可在数字域中实现，从而可以精确地控制电路的增益，减小模拟电路的设计难度。然而由于AGC的控制信号产生要经过A/D变换、数字处理的步骤，反馈调节周期很长；如果出于任务需要要对自动增益控制环路的参数、性能进行改进，那么需要其数字处理部分也要相应进行调整甚至重新设计；而且VGA的增益一般根据数字增益控制字的大小按dB步长变化，VGA的输出仍然会有一定的能量变化范围。而模拟AGC本身可以作为一个相对独立的模块，具有很强的可移植性，对输入信号强度变化反应很快，增益可以做到连续可调。
20世纪90年代，AGC环路便开始广泛应用于接收机系统中，进入21世纪，许多学者和研究机构不断地对AGC电路性能进行改进。2009年，Yen Ju
The 和 Choong
Foo Chung 采用0.18μm CMOS工艺设计了一种数字控制型的超宽带VGA，增益范围是3~47dB，步长为1dB，带宽达到450MHz，三阶交调点20dBm，噪声系数为19dB，功耗约为27mW。2010年，清华大学刘萌萌提出了一个用于超宽带接收机的模拟型自动增益控制环路。该AGC环路采用两路三级VGA级联结构，同时接收I路和Q路信号，两路信号通过峰值检测电路后进入模值运算电路检测复信号的模值，得到控制信号后再去控制两路VGA的增益。该设计基于HJ0.18μm CMOS工艺，-3dB带宽为500MHz，增益动态范围为40dB，输出三阶交调点OIP3为20dBm。但随着接收机的不断发展，其应用场景越来越丰富，这就需要根据实际应用特点，从扩大增益动态范围、提高线性度、降低功耗和消除直流失调方面不断做出改进，对AGC电路进行更加深入的探索。
发明内容
为了设计一款可以应用于70MHz中频的增益连续可调的放大器。本发明的目的在于提供一种NEXT系列产品CMOS自动增益控制电路，本发明具有结构简单合理、输出信号幅度稳定、线性度高、功率传输效率高和芯片面积开销少的特点。
为了实现上述系统，本发明采取的技术方案是：
一种NEXT系列产品CMOS自动增益控制电路，其特征在于该自动增益控制电路由可变增益放大器、固定增益级、峰值检测器、比较器构成，其中可变增益放大器包括：VGA主体放大单元、共模负反馈电路、直流失调消除电路、dB线性变换器；具体的，为了设计一款可以应用于70MHz中频的增益连续可调的放大器，选择模拟型AGC环路且3dB带宽包含70MHz，由于单级VGA实现30dB动态范围比较极限，并且要剔除增益误差较大和失真严重的增益区间段，为了保证设计裕量，使用两级VGA结构，可变增益放大器基于CMOS技术，在每一级后连接直流失调消除电路；同时使用固定增益级来抬高AGC的整体增益的绝对值，固定增益级输入跨导级采用全差分结构，能够较好抑制共模噪声，引入源极负反馈，使得增益是gm的弱函数，提高了线性度，相较于伪差分结构，噪声性能更好，为防止工艺失配产生的直流失调对后级放大电路产生影响，在VGA中加入Gm-C直流失调消除电路，引入共模负反馈电路来稳定输出的静态工作点，使得各级电路均能工作在正常状态。该发明具有结构简单合理、输出信号幅度稳定、线性度高、功率传输效率高和芯片面积开销少的特点。
在该自动增益控制电路中，所述可变增益放大器包括：VGA主体放大单元、共模负反馈电路、直流失调消除电路、dB线性变换器；可变增益放大器作为中频信号的主通路，基于CMOS技术，采用两级VGA结构，在每一级后连接直流失调消除电路；所述VGA主体放大单元基于模拟乘法器的变形形式，采用两级级联结构，VGA的增益与控制电压呈近似指数关系，单级VGA的增益范围接近30dB，当控制电压在0~1.2V时，单级VGA的增益范围为-17~9dB；所述共模负反馈电路的输出端引入一个电容CP，使得电路的主极点落在共模反馈电路的输出端，而其它极点远离主极点，当电路只有一个极点时，相移最多为90度，通过该方法大大提高共模负反馈环路的相位裕度，也降低了共模反馈电路的调试难度，通过设置较高的共模反馈环路的增益，从而增强稳定共模的能力；所述直流失调消除电路与VGA和固定增益级本身的低通特性组合，实现了带通滤波的功能，直流失调消除电路也形成了一个反馈回路，增大电路中的电容CP，可以保证该环路的稳定性，Gm-C电路的好处是它依靠本身的极点滤除VGA输出信号的高频分量，对输出节点引入的寄生电容较小，对前向通路的极点影响较小。
在该自动增益控制电路中，所述固定增益级输入跨导级采用全差分结构，能够较好抑制共模噪声，引入源极负反馈，使得增益是gm的弱函数，提高了线性度，相较于伪差分结构，它噪声性能更好；由于驱动较大容性负载，固定增益级的输出阻抗很小，所以采用电阻分压器提取输出级的输出共模电平，与参考电平比较后生成偏置电压反馈到输入跨导级M3和M4的栅极是合适的，因为电阻分压器的电阻值不需要很大就可以很容易得比输出阻抗大的多，从而避免开环增益的降低，同时避免占据很大面积造成对衬底产生很大寄生电容；输出级采用电压-电流反馈运算放大器，前馈放大器采用两级结构以获得较高的开环增益，从而使闭环增益稳定，提高了线性度。输出级电路的第二级通过调节适当的偏置使其工作在A类，避免因晶体管的突然截止导致失真，采用推挽式结构以获得较高的输出电压摆幅。
在该自动增益控制电路中，所述峰值检测器采用包络检波器，对信号强度的实时检测与判断，当信号瞬时电位增加时，电路正向导通为电容充电，而在电位减小时，电路反向截止，电容无法放电，这样电容上的电压就反映了信号的峰值。
在该自动增益控制电路中，所述比较器中用于充放电从而调整输出点位的电容同样也是AGC的环路电容，通常该电容取值较大，需要将该电容置于片外，使得比较器的输出极点作为整个AGC环路的主极点，避免环路出现自激振荡。
本发明的有益效果是：
一种NEXT系列产品CMOS自动增益控制电路，其特征在于，该自动增益控制电路由可变增益放大器、固定增益级、峰值检测器、比较器构成，其中可变增益放大器包括：VGA主体放大单元、共模负反馈电路、直流失调消除电路、dB线性变换器；本发明根据系统的性能要求将系统分解为多个模块，进而确定各模块性能参数。选取合理的电路结构，在电路设计过程中，针对线性度、输出信号幅度、增益控制范围进行优化，最终得到符合设计指标的电路结构。该电路电源电压1.2V，dB线性增益控制范围-3.6dB~41dB，输入1dB压缩点范围-36.7dBm~-15.0dBm，输出1dB压缩点范围-26.7dBm~0.68dBm，满足输出1dB压缩点大于-8.75dBm的增益范围是11dB~41dB。AGC输出幅度稳定在差分420mV左右，环路稳定时间约为8us，与输入信号幅度无关，功耗为75mW。本发明采用。本发明基于TSMC90nm CMOS工艺，具有结构简单合理、输出信号幅度稳定、线性度高、功率传输效率高和芯片面积开销少的特点。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的解释说明。
图1是NEXT系列产品CMOS自动增益控制电路整体结构框图；
图2是主体增益级电路图；
图3是共模负反馈电路图；
图4是直流失调消除电路图；
图5是固定增益级电路结构图；
图6是输出级电路结构图；
图7是峰值检测电路图；
图8是比较器电路图。
具体实施方式
本发明的具体实施方式为：所述的一种NEXT系列产品CMOS自动增益控制电路，每一级可变增益放大器后连接直流失调消除电路，固定增益级与可变增益放大器单向链接，峰值检测器与电路的输出端和固定增益级连接，比较器一端同时连接峰值检测器和比较电压，另一端与dB线性变换器连接；具体的，选择模拟型AGC环路且3dB带宽包含70MHz，由于单级VGA实现30dB动态范围比较极限，并且要剔除增益误差较大和失真严重的增益区间段，为了保证设计裕量，使用两级VGA结构，可变增益放大器基于CMOS技术，在每一级后连接直流失调消除电路；同时使用固定增益级来抬高AGC的整体增益的绝对值，固定增益级输入跨导级采用全差分结构，能够较好抑制共模噪声，引入源极负反馈，使得增益是gm的弱函数，提高了线性度，相较于伪差分结构，噪声性能更好，为防止工艺失配产生的直流失调对后级放大电路产生影响，在VGA中加入Gm-C直流失调消除电路，引入共模负反馈电路来稳定输出的静态工作点，使得各级电路均能工作在正常状态。
图1是NEXT系列产品CMOS自动增益控制电路结构框图，该自动增益控制电路由可变增益放大器、固定增益级、峰值检测器、比较器构成，其中可变增益放大器包括：VGA主体放大单元、共模负反馈电路、直流失调消除电路、dB线性变换器；可变增益放大器作为中频信号的主通路，基于CMOS技术，采用两级VGA结构，在每一级后连接直流失调消除电路；固定增益级与可变增益放大器单向链接，输入跨导级采用全差分结构，引入源极负反馈，为自动增益控制电路提供增益的绝对值；峰值检测器与电路的输出端和固定增益级连接，用于对信号强度的实时检测与判断；比较器一端同时连接峰值检测器和比较电压，另一端与dB线性变换器连接，用于信号的判断。
图2是主体增益级电路图，所述VGA主体放大单元基于模拟乘法器的变形形式，用于产生IC2/IC1的增益形式。共源差分对管M1和M2提供电路的跨导, gm,input，二极管接法的晶体管M3、M4和电流漏（M7、M8）作为负载，由于电流源作负载会提供很大阻抗，而二极管接法的晶体管等效阻抗较小，所以电路增益可以看作M1、M2的跨导与M3、M4提供的负载的乘积，晶体管M5和M6的电流通过镜像增益特性控制电路的输出电流得到, 所以VGA的增益仍然与控制电压呈近似指数关系, IC2/IC1的dB线性范围接近60dB，当控制电压在0~1.2V时，单级VGA的增益范围为-17~9dB。
图3是共模负反馈电路图，考虑到沟道长度调制效应，即便在所有管子在饱和区时能找到一种状态使得电流源和电流漏的电流恰好相等，与此同时，IC1+IC2是一个与控制电压相关的量，所以增益不同时，它们的漏电流也不同，因此需要一个共模负反馈电路来避免晶体管进入线性区，保证后级电路静态工作点稳定。信号通过共漏接法的差分对M9和M10，差模分量会在A点抵消掉，所以该电路首先提取VGA输出信号的共模，然后与VCM比较，比较结果反馈至M7和M8的栅极，最终使VGA输出点的共模达到VCM。本发明在共模反馈电路的输出端引入一个电容P C，使得电路的主极点落在共模反馈电路的输出端，而其它极点远离主极点，当电路只有一个极点时，相移最多为90度，所以可以通过这样的方法大大提高共模负反馈环路的相位裕度。同时这种方法也降低了共模反馈电路的调试难度，相应的可以设置较高的共模反馈环路的增益，增强稳定共模的能力。
图4是直流失调消除电路图，本发明所设计的AGC前向通路中包含两级的VGA和一个固定增益级，前级一个较小的直流失调也会使后级电路达到饱和，为了消除直流失调的影响并滤除低频噪声，在每级VGA的输出端加入Gm-C反馈电路。它与VGA和固定增益级本身的低通特性组合后，实现了一个带通滤波的功能。直流失调消除（DCOC）电路也形成了一个反馈回路，同样需要考虑它的稳定性问题，增大电路中的电容CP，使其成为DCOC环路的主极点，并远远小于工作频率，可以保证该环路的稳定性。Gm-C电路的好处是它依靠本身的极点滤除VGA输出信号的高频分量，对输出节点引入的寄生电容较小，对前向通路的极点影响较小。
图5是固定增益级电路结构图，输入跨导级采用全差分结构，能够较好抑制共模噪声，引入了源极负反馈，使得增益是gm的弱函数，提高了线性度，相较于伪差分结构，它噪声性能更好，但牺牲了电压裕度，使得线性度不能无限制提高，同时源极负反馈会降低输入级的增益。电流源作负载的差动对增益较高，要求PMOS负载的饱和电流之和与n型电流源相平衡是不现实的，需要用共模反馈来确定共模电压。在稍后的输出级讨论中可以知道，由于驱动较大容性负载，固定增益级的输出阻抗很小，所以采用电阻分压器提取输出级的输出共模电平，与参考电平比较后生成偏置电压反馈到输入跨导级M3和M4的栅极是合适的，因为电阻分压器的电阻值不需要很大就可以很容易得比输出阻抗大的多，从而避免开环增益的降低，同时避免占据很大面积造成对衬底产生很大寄生电容。
图6是输出级电路结构图，输出级采用电压-电流反馈运算放大器，前馈放大器采用两级结构以获得较高的开环增益，从而使闭环增益稳定，提高了线性度。输出级电路的第二级通过调节适当的偏置使其工作在A类，避免因晶体管的突然截止导致失真，采用推挽式结构以获得较高的输出电压摆幅。Z为前向放大器的输出阻抗，ZOUT ， closed为该闭环放大器的输出阻抗，R0为前馈放大器的跨阻，可见电压-电流反馈减小了输出阻抗，提高了电路的带载能力。电压-电流反馈有利于减小电路的输出阻抗，从而增大固定增益级的带载能力，即便负载为较大电容时，在70MHz频率处也近似可以看作相对高阻，提高了功率传输的效率。
图7是峰值检测电路图，输入信号Vin+与输出信号V’OUT进行比较，如果输入信号幅度高于V’OUT，流过M1的电流大于流过M2的电流，使得M5产生电流并镜像给M6，从而给电容C充电，抬高V’OUT的电平，最终使得V’OUT的电平抬高到输入信号幅度一样的值。随着V’OUT的升高，流过M1和M2的电流的差值越来越小，从而流过M5和M6的电流减小，M5栅极电压抬高，直至M5截止，从而使得V’OUT保持不变，实现了检测输入信号最高电平的目的。IP为一个微弱的电流信号，用来对V’OUT进行定期刷新，避免V’OUT陷入以前的输入最高电平而不能跟踪当前输入信号的幅度变化，该电流越小越能准确地跟踪输入信号幅度，但当输入信号发生变化（变小）时，V’OUT变化较慢，降低了接收机接收数据的速率。V’OUT经过RC滤波器滤除纹波后得到最终输出的直流电平，送入比较器与参考电平相比较。
图8是比较器电路图，比较器中用于充放电从而调整输出点位的电容同样也是AGC的环路电容，通常该电容取值较大，需要将该电容置于片外，使得比较器的输出极点作为整个AGC环路的主极点，避免环路出现自激振荡。
除了上述以外本发明所属技术领域的普通技术人员也都能理解到，在此说明和图示的具体实施例都可以进一步变动结合。虽然本发明是就其较佳实施例予以示图说明的，但是熟悉本技术的人都可理解到，在所述权利要求书中所限定的本发明的精神和范围内，还可对本发明做出多种改动和变动。
Claims (5)
1.一种NEXT系列产品CMOS自动增益控制电路，其特征在于该自动增益控制电路由可变增益放大器、固定增益级、峰值检测器、比较器构成，其中可变增益放大器包括：VGA主体放大单元、共模负反馈电路、直流失调消除电路、dB线性变换器；具体的，为了设计一款可以应用于70MHz中频的增益连续可调的放大器，选择模拟型AGC环路且3dB带宽包含70MHz，由于单级VGA实现30dB动态范围比较极限，并且要剔除增益误差较大和失真严重的增益区间段，为了保证设计裕量，使用两级VGA结构，同时使用固定增益级来抬高AGC的整体增益的绝对值，为防止工艺失配产生的直流失调对后级放大电路产生影响，在VGA中加入Gm-C直流失调消除电路，引入共模负反馈电路来稳定输出的静态工作点，使得各级电路均能工作在正常状态；在该系统中，每一级可变增益放大器后连接直流失调消除电路，固定增益级与可变增益放大器单向链接，峰值检测器与电路的输出端和固定增益级连接，比较器一端同时连接峰值检测器和比较电压，另一端与dB线性变换器连接。
2.如权利要求1所述的NEXT系列产品CMOS自动增益控制电路，其征在于，所述可变增益放大器包括：VGA主体放大单元、共模负反馈电路、直流失调消除电路、dB线性变换器；可变增益放大器作为中频信号的主通路，基于CMOS技术，采用两级VGA结构，在每一级后连接直流失调消除电路；所述VGA主体放大单元基于模拟乘法器的变形形式，采用两级级联结构，VGA的增益与控制电压呈近似指数关系，单级VGA的增益范围接近30dB，当控制电压在0~1.2V时，单级VGA的增益范围为-17~9dB；所述共模负反馈电路的输出端引入一个电容CP，使得电路的主极点落在共模反馈电路的输出端，而其它极点远离主极点，当电路只有一个极点时，相移最多为90度，通过该方法大大提高共模负反馈环路的相位裕度，也降低了共模反馈电路的调试难度，通过设置较高的共模反馈环路的增益，从而增强稳定共模的能力；所述直流失调消除电路与VGA和固定增益级本身的低通特性组合，实现了带通滤波的功能，直流失调消除电路也形成了一个反馈回路，增大电路中的电容CP，可以保证该环路的稳定性，Gm-C电路的好处是它依靠本身的极点滤除VGA输出信号的高频分量，对输出节点引入的寄生电容较小，对前向通路的极点影响较小。
3.如权利要求1所述的固定增益级输入跨导级采用全差分结构，能够较好抑制共模噪声，引入源极负反馈，使得增益是gm的弱函数，提高了线性度，相较于伪差分结构，它噪声性能更好；由于驱动较大容性负载，固定增益级的输出阻抗很小，所以采用电阻分压器提取输出级的输出共模电平，与参考电平比较后生成偏置电压反馈到输入跨导级M3和M4的栅极是合适的，因为电阻分压器的电阻值不需要很大就可以很容易得比输出阻抗大的多，从而避免开环增益的降低，同时避免占据很大面积造成对衬底产生很大寄生电容；输出级采用电压-电流反馈运算放大器，前馈放大器采用两级结构以获得较高的开环增益，从而使闭环增益稳定，提高了线性度，输出级电路的第二级通过调节适当的偏置使其工作在A类，避免因晶体管的突然截止导致失真，采用推挽式结构以获得较高的输出电压摆幅。
4.如权利要求1所述的峰值检测器采用包络检波器，对信号强度的实时检测与判断，当信号瞬时电位增加时，电路正向导通为电容充电，而在电位减小时，电路反向截止，电容无法放电，这样电容上的电压就反映了信号的峰值。
5.如权利要求1所述的比较器中用于充放电从而调整输出点位的电容同样也是AGC的环路电容，通常该电容取值较大，需要将该电容置于片外，使得比较器的输出极点作为整个AGC环路的主极点，避免环路出现自激振荡。
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- 2016-04-07 CN CN201610210179.2A patent/CN107276548A/zh active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20171020 |