CN107612517B

CN107612517B - 一种基于双输入运算跨导放大器的增益可编程放大器

Info

Publication number: CN107612517B
Application number: CN201710822018.3A
Authority: CN
Inventors: 吴建辉; 白春风; 黄成�; 李红
Original assignee: Southeast University - Wuxi Institute Of Integrated Circuit Technology; Southeast University
Current assignee: Southeast University - Wuxi Institute Of Integrated Circuit Technology; Southeast University
Priority date: 2017-09-13
Filing date: 2017-09-13
Publication date: 2020-05-08
Anticipated expiration: 2037-09-13
Also published as: CN107612517A

Abstract

本发明公开了一种基于双输入运算跨导放大器的可编程增益放大器(PGA)，基于一种双输入运算跨导放大器(DIOTA)和电阻反馈网络实现，增益编程通过开关电阻电路实现。这种可编程增益放大器的增益由电阻比值决定，具有高输入阻抗，不需要额外的输入缓冲级，因而与传统的可以节省功耗。本发明的核心是一种双输入运算跨导放大器(DIOTA)，它将两个差分输入信号的和以高增益放大，然后在OP端和ON端差分输出。

Description

一种基于双输入运算跨导放大器的增益可编程放大器

技术领域

本发明涉及一种用于无线接收机的高线性度增益可编程放大器(ProgrammableGain Amplifier，PGA)，基于一种双输入运算跨导放大器和电阻反馈网络实现，能够高线性度的实现对输入电压的放大，增益可以编程。属于模拟集成电路技术。

背景技术

随着手持设备的快速普及，短距离无线通信技术快速发展，但是无线信道的随机性特点导致无线接收机接收到的信号的功率水平具有极大的动态范围，压缩接收信号的动态范围使之能够被正确解调一般是通过自动增益控制(Automatic Gain Control，AGC)电路实现的。如果接收信号弱，AGC电路就增强无线接收机的增益，反之亦然，最终使得待解调信号具有稳定的功率。高线性度PGA一般位于无线接收机的末端，是AGC电路实现增益精调的主要途径，同时，还是决定无线接收机整体线性度的主要模块，因为在无线接收机中PGA处理信号的幅度最大，直接送给后级电路进行量化和解调等其他操作。OFDM等高级调制技术的应用带来高峰均比的无线信号，增强了无线通信健壮性和频谱利用率的同时，对PGA的线性度提出了更高的要求。当然，由于目前手持设备基本是由电池供电的，无线接收机是消耗功耗的主要部分，所以降低包括PGA在内的无线接收机的每个模块的功耗具有重要的意义。

基于运算放大器的电阻比例放大器是实现高线性度PGA的基本途径，其基本原理是通过负反馈抑制非线性项，同时，还容易通过对比例电阻的调整实现增益可编程。

基于运算放大器的电阻比例放大器的反相拓扑是实现高线性度PGA的主要选择，因为反相拓扑容易利用全差分运算放大器组建PGA的全差分结构，电阻反馈网络能够自适应产生全差分运算放大器的输入偏置电压，等等；但是，需要额外的输入缓冲级来驱动电阻反馈网络。缓冲级一般是通过把运算放大器的负输入端和输出端直接连接实现的，全差分的PGA需要使用两个运算放大器实现输入缓冲级，随着处理信号带宽的增加，缓冲级所需功耗急剧增加。

基于运算放大器的电阻比例放大器的同相拓扑在设计全差分PGA时极少使用，这是因为在同相拓扑里，运算放大器的输入共模电压须等于输出共模电压。一般利用大阻值的偏置电阻给运算放大器的输入端产生偏置电压，这也就确定了输出共模电压。但是偏置电阻会拉低输入阻抗，此时一般需要用电压自举技术来消除偏置电阻的影响。然而由于电压自举的带宽受到限制，所以这种同相拓扑结构主要应用在仪表放大器设计中。

本发明则提出一种双输入全差分的运算放大器，基于此组建了同相拓扑的电阻比例放大器结构以实现一个全差分的高线性度PGA。输入电压信号直接施加到双输入全差分运算放大器的一对输入端，因而获取了天然的高输入阻抗，不需要额外的缓冲级电路；同时用一个输入共模反馈电路产生了双输入全差分运算放大器的另一对输入端的偏置电压，并且使得输出共模电压的设置独立于输入共模电压。输入共模反馈电路只需要一个单级运算放大器即可实现，而全差分高线性度PGA的输入缓冲级需要两个至少两级放大的运算放大器，因此本发明可以大大降低高线性度PGA所需的功耗。

发明内容

技术问题：为了在保证高输入阻抗的同时降低全差分高线性度PGA的功耗，本发明提供一种基于双输入运算跨导放大器的可编程增益放大器，基于此构建了同相电阻比例放大器结构的高线性度PGA。与传统的基于全差分运算放大器的反相电阻比例放大器结构的高线性度PGA相比，具有更低的功耗。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的一种基于双输入运算跨导放大器的可编程增益放大器的技术方案为：

该可编程增益放大器包括双输入运算跨导放大器DIOTA、电阻反馈网络和输入共模反馈电路；输入共模反馈电路的输入端接共模电压VinCM，输出端通过电阻反馈网络接双输入运算跨导放大器DIOTA的输入端，双输入运算跨导放大器DIOTA的输出端OCM接输出共模电压VoutCM。

所述电阻反馈网络包括第一电阻R1，第二电阻R2，第三电阻R3和第四电阻R4，其中第一电阻R1和第二电阻R2的阻值相同，均以开关电阻的方式实现阻值可编程，第三电阻R3和第四电阻R4阻值相同。

所述输入共模反馈电路包括第一运算放大器A1，第一MOS管M1，第五电阻R5和第六电阻R6，其中第五电阻R5和第六电阻R6的阻值相同，并且大于第一电阻R1和第二电阻R2的阻值十倍及以上。

所述双输入运算跨导放大器DIOTA包括第一电流源I1和第二电流源I2，第二至第十九MOS管M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9、M10、M11、M12、M13、M14、M15、M16、M17、M18、M19，第七电阻R7和第八电阻R8，以及第二运算放大器A2，其中的偏置电压VB1、VB2、VB3均由常规的偏置电路产生。

所述的双输入运算跨导放大器DIOTA，其1P端口接正输入电压信号Vinp，2N端口接负输入电压信号Vinn，1N端口连接第一电阻R1、第三电阻R3以及第五电阻R5的一端，第一电阻R1的另一端连接第二电阻R2的一端和第一MOS管M1的漏极，第三电阻R3的另一端连接双输入运算跨导放大器DIOTA的OP端口和PGA的正输出端，第五电阻R5的另一端连接第六电阻R6的一端并且接第一运算放大器A1的正输入端，第二电阻R2的另一端和第六电阻R6的另一端连接并且接双输入运算跨导放大器DIOTA的2P端口和第四电阻R4的一端，第四电阻R4的另一端连接双输入运算跨导放大器DIOTA的ON端口和PGA的负输出端，第一运算放大器A1的负输入端接输入共模电压VinCM，第一运算放大器A1的输出端接第一MOS管M1的栅极，第一MOS管(M1)的源极接地，双输入运算跨导放大器DIOTA的OCM端接输出共模电压VoutCM。

所述的双输入运算跨导放大器DIOTA，其中，第一电流源I1的一端接电源，另一端接第二MOS管M2的源极和第三MOS管M3的源极，第二MOS管M2的栅极连接1P端口；第三MOS管M3的栅极连接1N端口，第二电流源I2的一端接电源，另一端接第四MOS管M4的源极和第五MOS管M5的源极；第四MOS管M4的栅极连接2N端口，第五MOS管M5的栅极连接2P端口；第二MOS管M2的漏极和第五MOS管M5的漏极相连并接第八MOS管M8的漏极、第九MOS管M9的漏极以及第十一MOS管M11的源极；第三MOS管M3的漏极和第四MOS管M4的漏极相连并接第六MOS管M6的漏极、第七MOS管M7的漏极以及第十MOS管M10的源极，第六MOS管M6的栅极和第八MOS管M8的栅极相连并接第十MOS管M10的漏极、第十二MOS管M12的漏极以及第十六MOS管M16的栅极，第七MOS管M7的栅极和第九MOS管M9的栅极相连并接第十一MOS管M11的漏极、第十三MOS管M13的漏极以及第十七MOS管M17的栅极，第十MOS管M10的栅极和第十一MOS管M11的栅极相连并接第一偏置电压VB1，第十二MOS管M12的栅极和第十三MOS管M13的栅极相连并接第二偏置电压VB2，第十四MOS管M14的栅极和第十五MOS管M15的栅极相连并接第三偏置电压VB3，第十二MOS管M12的源极连接第十四MOS管M14的漏极，第十三MOS管M13的源极连接第十五MOS管M15的漏极，第十四MOS管M14的源极和第十五MOS管M15的源极均连接电源，第六MOS管M6、第七MOS管M7、第八MOS管M8、第九MOS管M9的源极均连接地，第十六MOS管M16和第十七MOS管的源极均接地，第十六MOS管M16的漏极连接第十八MOS管M18的漏极、第七电阻R7的一端以及ON端，第十七MOS管M17的漏极连接第十九MOS管M19的漏极、第八电阻R8的一端以及OP端，第七电阻R7的另一端和第八电阻R8的另一端相连并连接第二运算放大器A2的正输入端，第二运算放大器A2的负输入端连接OCM端口，第二运算放大器A2的输出连接第十八MOS管M18的栅极和第十九MOS管M19的栅极，第十八MOS管M18的源极和第十九MOS管M19的源极均连接电源。

第一运算放大器A1和第二运算放大器A2均为单级放大运算放大器，第一电阻R1和第二电阻R2的阻值相同，第三电阻R3和第四电阻R4的阻值相同，第五电阻R5和第六电阻R6的阻值相同，第七电阻R7和第八电阻R8的阻值相同，第五电阻R5和第六电阻R6的阻值远大于第一电阻R1和第二电阻R2的阻值(十倍及以上)，第七电阻R7和第八电阻R8的阻值也远大于第三电阻R3和第四电阻R4的阻值(十倍及以上)，用于提取输出共模电压。通过OCM端设置双输入运算跨导放大器的输出共模电压，也即增益可编程放大器的输出共模电压。

所提出结构中，DIOTA具有高增益A，其输出端OP和ON的差分输出电压等于：

V_outp-V_outn＝A[(V_1P-V_1N)+(V_2P-V_2N)] (1)

PGA的输入为差分信号时，下式成立：

第一电阻R1与第二电阻R2阻值相等，第三电阻R3与第四电阻R4阻值相等，V_inp＝V_1P，V_inn＝V_2N，因此，根据方程(1)和方程(2)可以得到下式：

在PGA的带宽内，只要从双输入运算跨导放大器输入端到输出端的电压增益A＞＞(R₁+R₃)/R₁，那么PGA的增益可以被认为由电阻比值(R₁+R₃)/R₁决定。通过开关电阻对第一电阻R1的阻值进行编程，即可实现增益可编程放大器。增益可编程放大器的增益由电阻比值决定，受到有源电路小信号参数的影响非常小，因而可以获得高线性度性能。

有益效果：本发明提供的一种基于双输入运算跨导放大器的增益可编程放大器，与传统的基于运算放大器的反相电阻比例放大器结构相比，能够获得相当的线性度性能和增益稳定性；但是本发明所需的功耗比传统结构小，因为不需要额外的输入缓冲级来提供高输入阻抗。

附图说明

图1为本发明的基于双输入运算跨导放大器的增益可编程放大器的电路图；其中DIOTA表示双输入运算跨导放大器；

图2为本发明的基于双输入运算跨导放大器的增益可编程放大器中双输入运算跨导放大器的电路图；

图3为本发明的基于双输入运算跨导放大器的增益可编程放大器的增益频响响应的仿真结果；

图4为本发明的基于双输入运算跨导放大器的增益可编程放大器的线性度性能的仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

图1所示为一种基于双输入运算跨导放大器的增益可编程放大器，包括双输入运算跨导放大器DIOTA、电阻反馈网络和输入共模反馈电路。

所述电阻反馈网络包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4。其中第一电阻R1和第二电阻R2的阻值相等，并且可以通过开关电阻进行阻值的编程，第三电阻R3和第四电阻R4的阻值相等。

所述输入共模反馈电路包括第一运算放大器A1，第一MOS管M1，第五电阻R5和第六电阻R6。其中第五电阻R5和第六电阻R6的阻值相同，并且远大于第一电阻R1和第二电阻R2的阻值，第五电阻R5和第六电阻R6按照图1所示的方式相连是为了检测双输入运算跨导放大器的1N端和2P端的共模电压。本发明通过输入共模反馈电路来实现双输入运算跨导放大器的四个端口的电压偏置。为了降低第五电阻R5和第六电阻R6对电阻反馈网络的影响，第五电阻R5和第六电阻R6的阻值比第一电阻R1的最大阻值大至少十倍。

所述双输入运算跨导放大器的电路实现如图2所示。四个输入端口分别是1P、1N、2P和2N，输出端口是OP和ON，OCM端用来设置双输入运算跨导放大器的输出共模电压，也即增益可编程放大器的输出共模电压。

如图1所示，本发明的具体连接关系如下：正输入电压信号Vinp连接DIOTA的1P端口，负输入电压信号Vinn连接DIOTA的2N端口，DIOTA的1N端口连接第一电阻R1的一端、第三电阻R3的一端以及第五电阻R5的一端，第一电阻R1的另一端连接第二电阻R2的一端和第一MOS管的漏极，第三电阻R3的另一端连接DIOTA的OP端口和PGA的正输出端，第五电阻R5的另一端连接第六电阻R6的一端并且接第一运算放大器A1的正输入端，第二电阻R2的另一端和第六电阻R6的另一端连接并且接DIOTA的2P端口和第四电阻R4的一端，第四电阻R4的另一端连接DIOTA的ON端口和PGA的负输出端，第一运算放大器A1的负输入端接输入共模电压VinCM，第一运算放大器A1的输出端接第一MOS管M1的栅极，第一MOS管M1的源极接地，DIOTA的OCM端接输出共模电压VoutCM。

如图2所示，作为本发明中核心部件的双输入运算跨导放大器的具体连接关系如下：第一电流源I1的一端接电源，另一端接第二MOS管M2的源极和第三MOS管M3的源极，第二MOS管M2的栅极连接1P端口，第三MOS管M3的栅极连接1N端口，第二电流源I2的一端接电源，另一端接第四MOS管M4的源极和第五MOS管M5的源极，第四MOS管M4的栅极连接2N端口，第五MOS管M5的栅极连接2P端口，第二MOS管M2的漏极和第五MOS管M5的漏极相连并接第八MOS管M8的漏极、第九MOS管M9的漏极以及第十一MOS管M11的源极，第三MOS管M3的漏极和第四MOS管M4的漏极相连并接第六MOS管M6的漏极、第七MOS管M7的漏极以及第十MOS管M10的源极，第六MOS管M6的栅极和第八MOS管M8的栅极相连并接第十MOS管M10的漏极、第十二MOS管M12的漏极以及第十六MOS管M16的栅极，第七MOS管M7的栅极和第九MOS管M9的栅极相连并接第十一MOS管M11的漏极、第十三MOS管M13的漏极以及第十七MOS管M17的栅极，第十MOS管M10的栅极和第十一MOS管M11的栅极相连并接第一偏置电压VB1，第十二MOS管M12的栅极和第十三MOS管M13的栅极相连并接第二偏置电压VB2，第十四MOS管M14的栅极和第十五MOS管M15的栅极相连并接第三偏置电压VB3，第十二MOS管M12的源极连接第十四MOS管M14的漏极，第十三MOS管M13的源极连接第十五MOS管M15的漏极，第十四MOS管M14的源极和第十五MOS管M15的源极均连接电源，第六至第九MOS管M6、M7、M8、M9的源极均连接地，第十六MOS管M16和第十七MOS管的源极均接地，第十六MOS管M16的漏极连接第十八MOS管M18的漏极、第七电阻R7的一端以及ON端，第十七MOS管M17的漏极连接第十九MOS管M19的漏极、第八电阻R8的一端以及OP端，第七电阻R7的另一端和第八电阻R8的另一端相连并连接第二运算放大器A2的正输入端，第二运算放大器A2的负输入端连接OCM端口，第二运算放大器A2的输出连接第十八MOS管M18的栅极和第十九MOS管M19的栅极，第十八MOS管M18的源极和第十九MOS管M19的源极均连接电源。

本发明在TSMC 130nm CMOS标准工艺下进行仿真验证，工作电压可以低至1.2V，输入共模电压设置为400mV，输出共模电压设置为600mV。

所提出的一种基于双输入运算跨导放大器的可编程增益放大器的增益频响响应曲线组如图3所示。增益与带宽近似为反比例的关系，这是由基于运算跨导放大器的电阻比例放大器的自身结构决定的。

所提出的一种基于双输入运算跨导放大器的可编程增益放大器的双音测试结果如图4所示，输入双音信号的频率分别选为1.5MHz和2MHz。在6dB增益时，输入三阶截断点(IIP3)和输出三阶截断点(OIP3)分别达到了27dBm和33dBm，这对于可编程增益放大器来说是比较优越的线性度性能。

本发明的一种基于双输入运算跨导放大器的可编程增益放大器，具有高输入阻抗，能够获得优越的线性度性能，与传统的基于运算跨导放大器的可编程增益放大器性能相当，但是所需功耗大大降低。传统的基于运算跨导放大器的全差分可编程增益放大器需要两个由高增益运算放大器组成的输入缓冲级电路，本发明则不需要，与传统结构相比，运算跨导放大器多了一个输入差分对、输入共模反馈电路需要一个单级的运算放大器(第一运算放大器A1)，所需功耗比缓冲级电路小得多。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于双输入运算跨导放大器的可编程增益放大器，其特征在于：该可编程增益放大器包括双输入运算跨导放大器（DIOTA）、电阻反馈网络和输入共模反馈电路；输入共模反馈电路的输入端接共模电压VinCM，输出端通过电阻反馈网络接双输入运算跨导放大器（DIOTA）的输入端，双输入运算跨导放大器（DIOTA）的输出端OCM接输出共模电压VoutCM；

所述电阻反馈网络包括第一电阻（R1），第二电阻（R2），第三电阻（R3）和第四电阻（R4），其中第一电阻（R1）和第二电阻（R2）的阻值相同，均以开关电阻的方式实现阻值可编程，第三电阻（R3）和第四电阻（R4）阻值相同；

所述输入共模反馈电路包括第一运算放大器（A1），第一MOS管（M1），第五电阻（R5）和第六电阻（R6），其中第五电阻（R5）和第六电阻（R6）的阻值相同，并且大于第一电阻（R1）和第二电阻（R2）的阻值十倍及以上；

所述双输入运算跨导放大器（DIOTA）包括第一电流源（I1）和第二电流源（I2），第二至第十九MOS管M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9、M10、M11、M12、M13、M14、M15、M16、M17、M18、M19，第七电阻（R7）和第八电阻（R8），以及第二运算放大器（A2），其中的偏置电压VB1、VB2、VB3均由常规的偏置电路产生。

2.根据权利要求1所述的基于双输入运算跨导放大器的可编程增益放大器，其特征在于：所述的双输入运算跨导放大器（DIOTA），其1P端口接正输入电压信号Vinp，2N端口接负输入电压信号Vinn，1N端口连接第一电阻（R1）、第三电阻（R3）以及第五电阻（R5）的一端，第一电阻（R1）的另一端连接第二电阻（R2）的一端和第一MOS管（M1）的漏极，第三电阻（R3）的另一端连接双输入运算跨导放大器（DIOTA）的OP端口和PGA的正输出端，第五电阻（R5）的另一端连接第六电阻（R6）的一端并且接第一运算放大器（A1）的正输入端，第二电阻（R2）的另一端和第六电阻（R6）的另一端连接并且接双输入运算跨导放大器（DIOTA）的2P端口和第四电阻（R4）的一端，第四电阻（R4）的另一端连接双输入运算跨导放大器（DIOTA）的ON端口和PGA的负输出端，第一运算放大器（A1）的负输入端接输入共模电压VinCM，第一运算放大器（A1）的输出端接第一MOS管（M1）的栅极，第一MOS管（M1）的源极接地，双输入运算跨导放大器（DIOTA）的OCM端接输出共模电压VoutCM。

3.根据权利要求1所述的基于双输入运算跨导放大器的可编程增益放大器，其特征在于：所述的双输入运算跨导放大器（DIOTA），其中，第一电流源I1的一端接电源，另一端接第二MOS管M2的源极和第三MOS管M3的源极，第二MOS管M2的栅极连接1P端口；第三MOS管M3的栅极连接1N端口，第二电流源I2的一端接电源，另一端接第四MOS管M4的源极和第五MOS管M5的源极；第四MOS管M4的栅极连接2N端口，第五MOS管M5的栅极连接2P端口；第二MOS管M2的漏极和第五MOS管M5的漏极相连并接第八MOS管M8的漏极、第九MOS管M9的漏极以及第十一MOS管M11的源极；第三MOS管M3的漏极和第四MOS管M4的漏极相连并接第六MOS管M6的漏极、第七MOS管M7的漏极以及第十MOS管M10的源极，第六MOS管M6的栅极和第八MOS管M8的栅极相连并接第十MOS管M10的漏极、第十二MOS管M12的漏极以及第十六MOS管M16的栅极，第七MOS管M7的栅极和第九MOS管M9的栅极相连并接第十一MOS管M11的漏极、第十三MOS管M13的漏极以及第十七MOS管M17的栅极，第十MOS管M10的栅极和第十一MOS管M11的栅极相连并接第一偏置电压VB1，第十二MOS管M12的栅极和第十三MOS管M13的栅极相连并接第二偏置电压VB2，第十四MOS管M14的栅极和第十五MOS管M15的栅极相连并接第三偏置电压VB3，第十二MOS管M12的源极连接第十四MOS管M14的漏极，第十三MOS管M13的源极连接第十五MOS管M15的漏极，第十四MOS管M14的源极和第十五MOS管M15的源极均连接电源，第六MOS管M6、第七MOS管M7、第八MOS管M8、第九MOS管M9的源极均连接地，第十六MOS管M16和第十七MOS管的源极均接地，第十六MOS管M16的漏极连接第十八MOS管M18的漏极、第七电阻R7的一端以及ON端，第十七MOS管M17的漏极连接第十九MOS管M19的漏极、第八电阻R8的一端以及OP端，第七电阻R7的另一端和第八电阻R8的另一端相连并连接第二运算放大器A2的正输入端，第二运算放大器A2的负输入端连接OCM端口，第二运算放大器A2的输出连接第十八MOS管M18的栅极和第十九MOS管M19的栅极，第十八MOS管M18的源极和第十九MOS管M19的源极均连接电源。