CN107749745A - 可变增益放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可变增益放大器，主要解决现有可变增益放大器附加相移过大及dB线性控制电路复杂的问题。其包括指数电流产生单元(1)、两个共源共栅电流镜、电流源I、可变跨导放大单元(2)、固定负载ZL、控制电压VC和三个偏置电压。该指数电流产生单元的输入端与控制电压VC相连，输出端通过第一共源共栅电流镜和第二共源共栅电流镜连接至可变跨导放大单元，以调整其信号放大管的偏置电流，进而改变其等效跨导，信号经可变跨导放大单元进行放大，再流经固定负载ZL转化输出信号。本发明具有控制电路结构简单，dB线性精度高，增益误差小，在不同增益状态下，相位波动很小的优点，可用于无线收发机，矢量合成器，相控阵等通信系统中。
Description
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，特别涉及一种可变增益放大器，可用于无线收发机，矢量合成器，相控阵等通信系统中。
背景技术
在接收机系统中通过可变增益放大器能将天线接收到的因信道衰落，功率产生显著地变化的信号转换成稳定功率的信号。
在相控阵系统中通过可变增益放大器来调整天线阵列的增益。作为相控阵系统中的重要组成单元，其在调整射频前端链路增益时，每一增益状态相对相移的变化必须很小，否则本级引入的附加相移将会影响到整个相控阵系统的相位精度。
在自动增益控制系统中通过可变增益放大器改变环路增益，环路增益的dB线性控制特性是自动增益控制AGC环路具有恒稳定时间的充分条件，同时对系统的动态范围有着重要影响。
在无限电传播领域，增益一般通过数值增益取对数dB来描述，因此，dB线性的增益特性需要放大器的数值增益为指数特性。由于MOS器件无论是处于饱和区，线性区都没有指数函数型的电压—电流转换特性，亚阈值区的MOS管虽具有指数型I-V特性，但漏电太大，一般不予采用。因此，用CMOS工艺实现的dB线性可变增益放大器一般要构造伪指数函数，电路复杂，增益动态范围小，可靠性差。
东南大学的专利申请“一种基于指数函数近似的dB线性可变增益放大器”(CN104135242A)通过电流互补的思想，构造(1+x)/(1-x)函数，实现一定范围内的指数控制，但该放大器开关电路复杂，消耗了过大的芯片面积和功耗，且dB线性精度较低，增益误差较大。
复旦大学的专利申请“一种可变增益放大器的增益dB-linear实现方法”(CN106026957A)是通过工作在亚阈值区的MOS管生成与输入线性变化的电压成指数规律变化的电压，该方法栅极变化范围小，且增加了多个辅助电路，电路结构复杂。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于SiGe BiCMOS工艺的dB线性控制的可变增益放大器，以简化控制电路，减小增益误差，降低功耗，提高增益的dB线性控制精度。
为实现上述目的，本发明的可变增益放大器，包括指数电流产生单元1、共源共栅电流镜CM、电流源I、可变跨导放大单元2、固定负载ZL、控制电压VC和三个偏置电压vb0、vb2和vb3，其特征在于：
所述指数电流产生单元1，借助双极型晶体管Q0固有的I-V指数关系实现；
所述可变跨导放大单元2，由npn型的6个晶体管Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6和起偏置作用的尾电流源I组成：
第一晶体管Q1、第二晶体管Q2和第三晶体管Q3、第四晶体管Q4构成两组完全匹配的信号放大管；第一晶体管Q1与第四晶体管Q4的基极相连，第二晶体管Q2、与第三晶体管Q3的基极相连，分别形成第一节点T1和第二节点T2；第一晶体管Q1与第三晶体管Q3的集电极相连，接在固定负载ZL的一端，第二晶体管Q2与第四晶体管Q4集电极相连，接在固定负载ZL的另一端，构成差分输出。
第一晶体管Q1和第二晶体管Q2的发射极共同接在第五晶体管Q5的集电极，通过第五晶体管Q5控制其二者的偏置；
第三晶体管Q3和第四晶体管Q4的发射极共同接在第六晶体管Q6的集电极，通过第六晶体管Q6控制其二者的偏置。
上述的可变增益放大器，其特征在于：所述第一节点T1与差分输入信号中的同相输入信号vin1之间接有第一隔直电容C1，第一节点T1与第一偏置电压vb0之间接有第一偏置电阻R1；所述第二节点T2与反相输入信号vin2之间接有与第一隔直电容C1数值相等的第二隔直电容C2，第二节点T2与第一偏置电压vb0之间接有与第一偏置电阻R1数值相同的第二偏置电阻R2；
所述的可变增益放大器，其特征在于：所述的共源共栅电流镜包括第一共源共栅电流镜CM1和第二共源共栅电流镜CM2，该第一共源共栅电流镜CM1将指数电流产生单元1的电流进行复制，以改变第一晶体管Q1和第二晶体管Q2的偏置电流；第二共源共栅电流镜CM2将指数电流产生单元1的电流进行复制，以改变第三晶体管Q3和第四晶体管Q4的偏置电流。
所述的可变增益放大器，其特征在于：第五晶体管Q5和第六晶体管Q6的源极均与尾电流源I相连，该第五晶体管Q5的基极和第六晶体管Q6的基极分别与第二偏置电压vb2和第三偏置电压vb3相连。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
第一，dB线性控制特性良好。
本发明的指数电流产生单元由于采用双极型晶体管Q0，使得增益动态范围高达120dB，且dB线性控制特性良好，结构简单。
第二，带宽可根据应用场合调整。
本发明由于用固定负载ZL由负载电阻R、负载电感L和负载电容C三者并联形成一个帯通网络，通过改变固定负载ZL中负载电阻R、负载电感L和负载电容C的参数值，既可以实现选择性高的窄带网络，也可以实现平坦度良好的宽带网络。
第三，绝对增益可调。
本发明通过改变指数电流的大小，即改变指数电流产生单元中npn型晶体管Q0的尺寸可以改变本发明可变增益放大器的绝对增益。
第四，本发明由于仅用7个npn型晶体管和两组共源共栅电流镜CM及固定负载ZL构成整体可变增益放大器，结构简单。
第五，本法明由于偏置电路只包括共源共栅电流镜CM和尾电流源I，减小了功耗。
第六，本发明由于采用差分电路形式，共模噪声小，失真小。
附图说明
图1是本发明实施例中的可变增益放大器的结构框图；
图2是本发明实施例中的可变增益放大器的拓扑结构图；
图3是本发明实施例中可变增益放大器的增益-控制电压的关系曲线图；
图4为本发明实施例中的可变增益放大器附加相移随控制电压变化的曲线图；
图5为本发明实施例中的可变增益放大器增益随频率的变化曲线；
图6为本发明的可变增益放大器以控制电压为变化参数的幅频特性曲线簇；
图7为本发明的可变增益放大器以控制电压为变化参数的相频特性曲线簇。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式和效果作进一步详细的说明。
参照图1，本发明的可变增益放大器，包括指数电流产生单元1、共源共栅电流镜CM、电流源I、可变跨导放大单元2、固定负载ZL、控制电压VC和三个偏置电压，即第一偏置电压vb0、第二偏置电压vb2和第三偏置电压vb3，其中共源共栅电流镜CM包括第一共源共栅电流镜CM1和第二共源共栅电流镜CM2。
所述控制电压VC与指数电流产生单元1的输入端相连，用于控制指数电流产生单元1的输出电流大小。指数电流的输出端通过第一共源共栅电流镜CM1和第二共源共栅电流镜CM2连接至可变跨导放大单元2，以调整其偏置。第二共源共栅电流镜CM2的输入端与第一共源共栅电流镜CM1的输出端相连，以复制指数电流产生单元1的输出电流。第一偏置电压vb0、第二偏置电压vb2与第三偏置电压vb3为可变增益放大器的三个外接偏置电压，第一偏置电压vb0为可变跨导放大单元2输入端的偏置，第二偏置电压vb2与第三偏置电压vb3用来控制可变跨导放大单元2中两组完全匹配的信号管的偏置电流。指数电流产生单元1、共源共栅电流镜CM和三个偏置电压vb0、vb2和vb3决定可变跨导放大单元2的偏置，此时，差分电压信号经上述可变跨导放大单元2进行放大，并转化为差分电流信号，再流经固定负载ZL将差分电流信号转化差分输出电压信号。
参照图2，指数电流产生单元1，借助双极性晶体管Q0固有的I-V指数关系实现，控制电压VC接双极性晶体管Q0的基极，以控制其输出电流的大小。
第一共源共栅电流镜CM1由6个PMOS管M0，M9，M8，M7，M1与M2构成，即第一PMOS管M0，第二PMOS管M9，第三PMOS管M8，第四PMOS管M7，第五PMOS管M1，第六PMOS管M2；
第一PMOS管M0的栅漏短接，且与双极性晶体管Q0的集电极相连接，使指数电流产生单元1的输出电流流向第一PMOS管M0；第五PMOS管M1的栅极和第六PMOS管M2的栅极均与第一PMOS管M0的栅极相连接，其输出电流通过第一PMOS管M0镜像给第五PMOS管M1和第六PMOS管M2。
第二共源共栅电流镜CM2由4个NMOS管M3，M5，M6与M4构成，即第一NMOS管M3，第二NMOS管M5，第三NMOS管M6，第四NMOS管M4；
第一NMOS管M3的栅漏短接，且与第四NMOS管M4的栅极相连接，使第一NMOS管M3的电流镜像输出给第四NMOS管M4。
第六PMOS管M2的漏端与第一NMOS管M3的漏端相连接，构成从电源到地的一条支路，使得指数电流产生单元1的输出电流通过第六PMOS管M2管流向第一NMOS管M3。第五PMOS管M1和第四NMOS管M4的漏端分别与第五晶体管Q5和第六晶体管Q6的集电极相连接，使得第一共源共栅电流镜CM1的输出电流流向第五晶体管Q5，第二共源共栅电流镜CM2的输出电流从第六晶体管Q6中流出。
上述可变跨导放大单元2，由npn型的6个晶体管Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6、偏置电阻R、隔直电容C和起偏置作用的尾电流源I组成，其中偏置电阻RB包括第一偏置电阻R1和第二偏置电阻R2，隔直电容CC包括第一隔直电容C1和第二隔直电容C2。
第一晶体管Q1与第四晶体管Q4的基极相连，第二晶体管Q2与第三晶体管Q3的基极相连，分别形成第一节点T1和第二节点T2；差分输入信号通过第一隔直电容C1和第二隔直C2分别连接至第一节点T1和第二节点T2；第一偏置电压vb0通过第一偏置电阻R1和第二偏置电阻R2分别连接至第一节点T1和第二节点T2；第一晶体管Q1与第三晶体管Q3的集电极相连，接在固定负载ZL的一端，第二晶体管Q2与第四晶体管Q4集电极相连，接在固定负载ZL的另一端，构成差分输出。
第一晶体管Q1和第二晶体管Q2的发射极共同接在第五晶体管Q5的集电极，第三晶体管Q3和第四晶体管Q4的发射极共同接在第六晶体管Q6的集电极，第五晶体管Q5和第六晶体管Q6的源极均与尾电流源I相连，该第五晶体管Q5的基极和第六晶体管Q6的基极分别与第二偏置电压vb2和第三偏置电压vb3相连。
所述固定负载ZL由负载电阻R、负载电感L和负载电容C三者并联形成无源帯通滤波器且固定不变。
本发明的工作原理及性能分析如下：
第一共源共栅电流镜CM1与第二共源共栅电流镜CM2将指数电流产生单元1的输出电流进行复制分别控制可变跨导放大单元2中两组完全匹配的信号放大管的偏置电流。
第一共源共栅电流镜CM1中，第五PMOS管M1的漏端与第五晶体管Q5的集电极相连接，因此，第一晶体管Q1和第二晶体管Q2的偏置电流与指数电流产生单元1的电流呈互补关系，第二共源共栅电流镜CM2中，第四NMOS管M4的漏端与第六晶体管Q6的集电极相连接，因此，第三晶体管Q3和第四晶体管Q4的偏置电流与指数电流产生器单元的电流呈相同趋势变化。
可变跨导放大单元2与固定负载ZL组成核心放大电路，实现两路交流小信号做差。
其中可变跨导放大单元2的等效跨导Gm计算如下：
Gm＝2(gm1-gm3)<1>
式<1>中，gm1为第一晶体管Q1的跨导，gm3为第三晶体管Q3的跨导。
固定负载ZL由负载电阻R、负载电感L和负载电容C三者并联形成无源帯通滤波器，在频域一般用s参数表示各阻抗值，此时负载电阻R的阻抗为R，负载电感L的阻抗为sL，负载电容C的阻抗为1/sC，则固定负载ZL阻抗大小为：
式<2>中，s＝jω，j为虚数单位，ω为角频率；
由式<1>和式<2>得到核心放大电路的增益Av计算如下：
由式<3>可以看出，本发明可变增益放大器的增益Av会随着第一晶体管Q1和第三晶体管Q3的跨导gm1和gm3的连续变化而变化。
跨导gm与晶体管的偏置电流IC的关系如下式：
式<4>中IC为晶体管的集电极电流，gm为晶体管的跨导；VT为热电压，K为波尔兹曼常数，T为热力学温度，即绝对温度，q为电子电荷，在常温下，VT＝26mV；
通过跨导gm与晶体管偏置电流的正比关系，得到可变增益放大器的增益Av会随着第一晶体管Q1和第三晶体管Q3的偏置电流大小的变化而变化。
第一晶体管Q1和第三晶体管Q3的电流变化趋势为精确的指数特性，其二者的跨导gm也具有精确的指数特性，因此，该可变增益放大器可以实现精确的dB线性控制特性。
本发明可变增益放大器中的指数电流产生单元1中双极型晶体管Q0的电压-电流关系如下：
式<5>中IC为Q0管的集电极电流，IS为PN结反相饱和电流，VC为控制电压，VBE为PN结的正向压降，因此，该可变增益放大器的增益Av可转化为：
从上式可以看出，可变增益放大器的增益Av与控制电压VC呈现严格的指数控制特性，即增益特性为精确的dB特性。且由<6>式可以看出，当可变增益放大器控制电压VC为与温度呈正比的电压，指数电流产生单元1的输出电流不随温度变化，即实现了温度补偿。
可选地，当可变增益放大器的控制电压为带隙基准电压，即增益为负温度特性时，级联一级增益为正温度特性的固定增益放大器或巴伦即可补偿该可变增益VGA的温度特性，且增益动态范围保持不变。
通过电路参数的调整可以实现绝对增益可调，即改变指数电流产生单元1中npn型晶体管Q0的尺寸，可以改变本发明可变增益放大器的绝对增益。
可选地，改变第一共源共栅电流镜CM1和第二共源共栅电流镜CM2的镜像倍数，即改变第五PMOS管M1和第六PMOS管M2与第一PMOS管M0的尺寸之比或者改变第四NMOS管M4与第一NMOS管M3的尺寸之比，即可调整可变增益放大器的绝对增益。
可选地，对负载进行适当调整也可以改变可变增益放大器的绝对增益。
可选地，级联固定增益级可以改变整体电路的绝对增益，且不影响相对增益，即增益动态范围不会减小。
本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：
仿真1，对本发明的可变增益放大器的增益控制特性进行仿真，设定可变增益放大器的工作频率为中心频率6GHz，扫描控制电压VC，仿真其幅频特性，得到可变增益放大器的增益特性随控制电压VC的变化曲线，仿真结果如图3，从图3可以看出本发明中控制电压在0.4V到0.81V的电压范围内，可以实现从-98dB至22dB的增益动态范围，dB线性控制良好，增益动态范围很大。
仿真2，对本发明的可变增益放大器的附加相移特性进行仿真，设定可变增益放大器的工作频率为中心频率6GHz，扫描控制电压VC，仿真其相频特性，结果如图4。从4图中可以看出可变增益放大器的控制电压VC在0.4V-0.73V线性变化时，相位变化在0.5度范围以内，附加相移很小，适用于高精度约束的相控阵系统；在0.73V至0.82V以内，相位误差变化较大，变化范围在5度左右。
仿真3，对本发明可变增益放大器的增益特性进行仿真，得到可变增益放大器的幅频响应曲线，结果如图5，从5图中可以看出其增益与频率的关系为帯通特性，其与可变增益放大器中固定负载ZL理论上的帯通滤波器特性相符。
仿真4，对本发明可变增益放大器的增益动态范围及其控制特性在整个工作频段内进行仿真，以控制电压VC为参数仿真可变增益放大器的增益特性，得到可变增益放大器的控制电压VC线性变化时的幅频响应曲线，结果如图6，从6图中可以看出各增益曲线间隔均匀，说明dB线性特性良好。
仿真5，对本发明可变增益放大器在整个频段内的附加相移特性进行仿真，以控制电压VC为参数仿真可变增益放大器的相频响应特性曲线，产生的各增益状态下的相频响应曲线减去某一控制电压条件下，例如，VC＝0.78V时的相频响应曲线，得到控制电压VC线性变化时的相对相频响应曲线，结果如图7，可以看出整个带宽范围内，控制电压VC变化时，即增益变化，相位的波动在3.5度以内，附加相移性能良好。
本发明并不局限于上述的具体实施方式，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，不脱离本发明主旨作出的很多变形，这些均在本发明的保护之内。
Claims (9)
1.一种可变增益放大器，包括指数电流产生单元(1)、共源共栅电流镜CM、电流源I、可变跨导放大单元(2)、固定负载ZL、控制电压VC和三个偏置电压vb0、vb2和vb3，其特征在于：
所述指数电流产生单元(1)，借助双极型晶体管Q0固有的I-V指数关系实现；
所述可变跨导放大单元(2)，由npn型的6个晶体管Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6和起偏置作用的尾电流源I组成：
第一晶体管Q1、第二晶体管Q2和第三晶体管Q3、第四晶体管Q4构成两组完全匹配的信号放大管；第一晶体管Q1与第四晶体管Q4的基极相连，第二晶体管Q2、与第三晶体管Q3的基极相连，分别形成第一节点T1和第二节点T2；第一晶体管Q1与第三晶体管Q3的集电极相连，接在固定负载ZL的一端，第二晶体管Q2与第四晶体管Q4集电极相连，接在固定负载ZL的另一端，构成差分输出。
第一晶体管Q1和第二晶体管Q2的发射极共同接在第五晶体管Q5的集电极，通过第五晶体管Q5控制其二者的偏置；
第三晶体管Q3和第四晶体管Q4的发射极共同接在第六晶体管Q6的集电极，通过第六晶体管Q6控制其二者的偏置。
2.根据权利要求1所述的可变增益放大器，其特征在于：
所述第一节点T1与差分输入信号中的同相输入信号vin1之间接有第一隔直电容C1，第一节点T1与第一偏置电压vb0之间接有第一偏置电阻R1；
所述第二节点T2与反相输入信号vin2之间接有与第一隔直电容C1数值相等的第二隔直电容C2，第二节点T2与第一偏置电压vb0之间接有与第一偏置电阻R1数值相同的第二偏置电阻R2；
3.根据权利要求1所述的可变增益放大器，其特征在于：所述固定负载ZL由负载电阻R、负载电感L和负载电容C三者并联形成。
4.根据权利要求1所述的可变增益放大器，其特征在于：
所述的共源共栅电流镜CM包括第一共源共栅电流镜CM1和第二共源共栅电流镜CM2，该第一共源共栅电流镜CM1将指数电流产生单元(1)的电流进行复制，以改变第一晶体管Q1和第二晶体管Q2的偏置电流；第二共源共栅电流镜CM2将指数电流产生单元(1)的电流进行复制，以改变第三晶体管Q3和第四晶体管Q4的偏置电流。
5.根据权利要求4所述的可变增益放大器，其特征在于所述第一共源共栅电流镜CM1包括6个PMOS管M0，M1，M2，M7，M8，M9，
第一PMOS管M0的栅漏短接，并与指数电流产生单元晶体管Q0的集电极相连接，第二PMOS管M9的栅漏短接，并与第一PMOS管M0的源端相连接；
第三PMOS管M8的栅极和第四PMOS管M7的栅极均与第二PMOS管M9的栅极相连接，其三者的源端均连接到电源电压VDD；
第五PMOS管M1的栅极与第六PMOS管M2的栅极均与第一PMOS管M0的栅极相连接。
6.根据权利要求4所述的可变增益放大器，其特征在于所述第二共源共栅电流镜CM2包括4个NMOS管M3，M4，M5，M6，
第一NMOS管M3的栅漏短接，第二NMOS管M5的栅漏短接，并与第一NMOS管M3的源端相连接；
第三NMOS管M6的栅极与第二NMOS管M5的栅极相连接，其二者的源端均连接到地；
第四NMOS管M4的栅极与第一NMOS管M3的栅极相连接，第四NMOS管M4的源端与第三NMOS管M6的漏端相连接。
7.根据权利要求5或6所述的可变增益放大器，其特征在于第六PMOS管M2的漏端与第一NMOS管M3的漏端相连接，构成从电源到地的一条支路，将指数电流产生单元(1)的电流流向第二共源共栅电流镜CM2。
第五PMOS管M1的漏端和第四NMOS管M4的漏端，分别与第五晶体管Q5的集电极和第六晶体管Q6的集电极相连接。
8.根据权利要求1所述的可变增益放大器，其特征在于第五晶体管Q5和第六晶体管Q6的源极均与尾电流源I相连，该第五晶体管Q5的基极和第六晶体管Q6的基极分别与第二偏置电压vb2和第三偏置电压vb3相连。
9.根据权利要求1所述的可变增益放大器，其特征在于指数电流产生单元(1)采用BiCMOS工艺提供的npn型晶体管Q0。
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