CN108075739B - 可变增益放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可变增益放大器，包括第一输入晶体管、第一辅助晶体管、第一有源电感器和输入电流复制电路。第一输入晶体管用于接收第一输入信号，以在第一输出端上产生第一输出信号。第一辅助晶体管耦接于第一输出端，其中，第一输出端的电流流入第一输入晶体管和第一辅助晶体管。第一有源电感器耦接于第一输出端。输入电流复制电路耦接于第一输出端，其中，第一有源电感器和输入电流复制电路用于分别产生电流至第一输出端，以及，输入电流复制电路产生至第一输出端的电流与第一输入晶体管的电流相等。采用本发明，可以同时实现宽增益范围和宽带宽。

Description

可变增益放大器
技术领域
本发明涉及一种放大器，更特别地，涉及一种可变增益放大器(variable gainamplifier)。
背景技术
可变增益放大器是增益可被调整的放大器级，其增益可以利用反馈回路提供的信息进行调整。有三种基本类型的可变增益放大器适用于自动增益控制：线性型(linear)、指数型(exponential)和多项式型(polynomial)。指数型可变增益放大器也被称为对数线性(linear-in-dB)可变增益放大器，由于其宽动态增益范围被广泛使用。为了具有更宽的增益范围，优选使用输入值“2x”(即，exp(2x))的指数函数(exponential function)，然而，由于指数函数难以实现，因此带宽总是被限制为低于1GHz，以及，它不适用于高速串行器/解串器(serializer/deserializer，serdes)系统。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种可变增益放大器，以解决上述问题。
根据本发明实施例，可变增益放大器包括第一输入晶体管、第一辅助晶体管、第一有源电感器和输入电流复制电路。第一输入晶体管用于接收第一输入信号，以在第一输出端上产生第一输出信号。第一辅助晶体管耦接于第一输出端，其中，第一输出端的电流流入第一输入晶体管和第一辅助晶体管。第一有源电感器耦接于第一输出端。输入电流复制电路耦接于第一输出端，其中，第一有源电感器和输入电流复制电路用于分别产生电流至第一输出端，以及，输入电流复制电路产生至第一输出端的电流与第一输入晶体管的电流相等。
在本发明提供的可变增益放大器中，第一有源电感器和输入电流复制电路用于分别产生电流至第一输出端，输入电流复制电路产生至第一输出端的电流与第一输入晶体管的电流相等，该可变增益放大器可以同时实现宽增益范围和宽带宽。
本领域技术人员在阅读附图所示优选实施例的下述详细描述之后，可以毫无疑义地理解本发明的这些目的及其它目的。详细的描述将参考附图在下面的实施例中给出。
附图说明
通过阅读后续的详细描述以及参考附图所给的示例，可以更全面地理解本发明，其中：
图1是根据本发明一实施例示出的一种可变增益放大器100的示意图；
图2是根据本发明一实施例示出的一种可变增益放大器100的详细电路结构示意图。
在下面的详细描述中，为了说明的目的，阐述了许多具体细节，以便本领域技术人员能够更透彻地理解本发明实施例。然而，显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施一个或多个实施例，不同的实施例可根据需求相结合，而并不应当仅限于附图所列举的实施例。
具体实施方式
以下描述为本发明实施的较佳实施例，其仅用来例举阐释本发明的技术特征，而并非用来限制本发明的范畴。在通篇说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的元件，所属领域技术人员应当理解，制造商可能会使用不同的名称来称呼同样的元件。因此，本说明书及权利要求书并不以名称的差异作为区别元件的方式，而是以元件在功能上的差异作为区别的基准。本发明中使用的术语“元件”、“系统”和“装置”可以是与计算机相关的实体，其中，该计算机可以是硬件、软件、或硬件和软件的结合。在以下描述和权利要求书当中所提及的术语“包含”和“包括”为开放式用语，故应解释成“包含，但不限定于…”的意思。此外，术语“耦接”意指间接或直接的电气连接。因此，若文中描述一个装置耦接于另一装置，则代表该装置可直接电气连接于该另一装置，或者透过其它装置或连接手段间接地电气连接至该另一装置。
其中，除非另有指示，各附图的不同附图中对应的数字和符号通常涉及相应的部分。所绘制的附图清楚地说明了实施例的相关部分且并不一定是按比例绘制。
文中所用术语“基本”或“大致”是指在可接受的范围内，本领域技术人员能够解决所要解决的技术问题，基本达到所要达到的技术效果。举例而言，“大致等于”是指在不影响结果正确性时，技术人员能够接受的与“完全等于”有一定误差的方式。
应当说明的是，本发明对以下实施例中的晶体管类型不做任何限制，其可以是N型金属氧化物半导体(N-type metal-oxide semiconductor，NMOS)晶体管、P型金属氧化物半导体(P-type metal-oxide semiconductor，PMOS)晶体管或其它类型的晶体管等等。为便于理解与说明，图1和图2示出了其中一种示例性实施例，对于本领域技术人员而言，基于本发明公开的示例性实施例将容易得出相应的变型实施例。此外，还应当说明的是，本发明提供的可变增益放大器可以是单端型放大器或差分型放大器，具体地，本发明不做任何限制，但为便于理解与说明，图1和图2所示的实施例以差分型放大器为例进行示例性说明。本领域技术人员基于本发明实施例公开的差分型可变增益放大器将容易得出单端型可变增益放大器的相应变型。因此，为简洁起见，本发明对变型实施例的实现细节不再一一阐述。
图1是根据本发明一实施例示出的一种可变增益放大器100的示意图。如图1所示，可变增益放大器100包括两个输入晶体管(例如，NMOS晶体管)M1和M2、两个辅助晶体管(例如，NMOS晶体管)M7和M8、两个有源电感器(active inductor)110_1和110_2以及输入电流复制电路(input current replica circuit)120。此外，可变增益放大器100还可以包括增益控制器130(例如，数字增益控制器)，以及两个电流源140和150，以实现指数函数发生器。在该实施例中，输入晶体管M1和M2用于接收输入信号Vin+和Vin-，以分别在输出端N1和N2处产生输出信号Vo-和Vo+。在一些实施例中，输入信号Vin+和Vin-，以及，输出信号Vo-和Vo+分别为差分信号对。辅助晶体管M7的栅电极(gate electrode)和漏电极(drainelectrode)耦接于输入晶体管M1的漏电极(即，输出端N1)，以及，辅助晶体管M8的栅电极和漏电极耦接于输入晶体管M2的漏电极(即，输出端N2)。有源电感器110_1耦接于输入晶体管M1的漏电极(即，输出端N1)，用于产生电流至输出端N1；以及，有源电感器110_2耦接于输入晶体管M2的漏电极(即，输出端N2)，用于产生电流至输出端N2。输入电流复制电路120耦接于输入晶体管M1和M2的漏电极(即，输出端N1和N2)，用于复制输入晶体管M1和M2的电流(例如I1和I2)。具体地，输入电流复制电路120用于分别产生电流至输出端N1和N2，其中，输入电流复制电路120产生至输出端N1的电流与输入晶体管M1的电流相等，输入电流复制电路120产生至输出端N2的电流与输入晶体管M2的电流相等。输入晶体管M1和M2的源电极耦接于电流源(current source)140，以及，输入晶体管M1的电流和输入晶体管M2的电流的总和(即，I1+I2)等于电流源140提供的电流IB1。辅助晶体管M7和M8的源电极耦接于电流源150，以及，辅助晶体管M7的电流和辅助晶体管M8的电流的总和(即，I7+I8)等于电流源150提供的电流IB2。此外，增益控制器130用于控制输入电流复制电路120以及电流源140、150的电流，以确定或调整可变增益放大器100的增益。可以理解地，本发明实施例中所描述的电流均为直流(DC)电流。
在图1所示的实施例中，有源电感器110_1和110_2用于提高(boost)可变增益放大器的带宽，而不会增加太多的芯片面积。输入电流复制电路120用于产生宽的自调整增益范围(tuning gain range)。电流源140和150提供的电流IB1和IB2被控制，以实现对数线性控制，特别是实现指数函数“exp(2x)”控制。在一实施例中，输入电流复制电路120用于产生与输入晶体管M1和M2的直流(DC)电流(即I1或I2)相等的电流(即I5和I6)，以及，有源电感器110_1产生的电流与辅助晶体管M7的电流I7相等，有源电感器110_2产生的电流与辅助晶体管M8的电流I8相等。此外，电流IB1和IB2被控制，以具有不同的数值，从而通过改变电流IB1和IB2来改变增益。应当说明的是，除通过改变电流IB1和IB2的方式来改变增益之外，还可以通过其它方式来改变增益，例如，改变晶体管尺寸。在本发明实施例中，可变增益放大器100可被实现为指数函数(例如，“exp(2x)”)发生器，其具有更宽的动态控制范围和宽带宽。
图2是根据本发明一实施例示出的一种可变增益放大器100的详细电路结构示意图。如图2所示，有源电感器110_1包括晶体管(例如，NMOS晶体管)M3和电阻器R1，其中，晶体管M3的栅电极经由电阻器R1耦接于电源电压(supply voltage)VDD，晶体管M3的漏电极耦接于电源电压VDD，以及，晶体管M3的源电极耦接于输入晶体管M1的漏电极(即，输出端N1)。有源电感器110_2包括晶体管(例如，NMOS晶体管)M4和电阻器R2，其中，晶体管M4的栅电极经由电阻器R2耦接于电源电压VDD，以及，晶体管M4的源电极耦接于输入晶体管M2的漏电极(即，输出端N2)。输入电流复制电路120包括电流源210、晶体管(例如，NMOS晶体管)M21和M22，以及晶体管(例如，PMOS晶体管)M5、M6、M23和M24，其中，晶体管M21和M22的栅电极由电压Vcm控制，电压Vcm是输入晶体管M1和M2的共模电压(即Vin+和Vin-的共模电压)。在本实施例中，电流源140、150和210中的每一个可以利用NMOS晶体管实现，以及，电流源140和210的栅电极均由相同的控制电压(VB+VC)来控制，电流源150的栅电极由控制电压(VB-VC)来控制，其中，VB和VC分别用于表示电压。
以输入晶体管M1、辅助晶体管M7和有源电感器110_1为例，可变增益放大器100的增益可以表示为：
Figure BDA0001440641420000051
其中，“gm1”是输入晶体管M1的跨导(transconductance)，“gm3”是晶体管M3的跨导，“gm7”是辅助晶体管M7的跨导，“K”是常数因子，“(W1/L1)”是输入晶体管M1的尺寸(即沟道宽度和沟道长度之比)，“(W3/L3)”是晶体管M3的尺寸，“(W7/L7)”是辅助晶体管M7的尺寸。由于等式(1)中右边项的分母具有两个方根(root)，因此，可变增益放大器100的增益变得难以控制。为此，本实施例提供一种设置来使得可变增益放大器的增益能够表示为：
Figure BDA0001440641420000052
其中，
Figure BDA0001440641420000053
为指数函数exp(2x)的近似值。
具体地，在本实施例中，晶体管M3的电流I3和晶体管M5的电流I5均流入输出端N1，并且输出端N1的电流流入输入晶体管M1和辅助晶体管M7，即(I3+I5)等于(I1+I7)。因此，通过控制电流I5等于电流I1(电流源140和210都由相同的控制电压(VB+VC)来控制)，电流I3将等于电流I7。从而，若晶体管M3的尺寸和晶体管M7的尺寸相同，则可变增益放大器100的增益正比于：
Figure BDA0001440641420000061
应当说明的是，晶体管M3的尺寸和晶体管M7的尺寸也可以不相同，尺寸不相同时则对应不同的增益。此外，若输入晶体管M1的沟道长度和晶体管M3的沟道长度相同，则增益可以进一步表示为：
Figure BDA0001440641420000062
其中，“Vt”是晶体管(例如，NMOS晶体管)的阈值电压。相应地，输入晶体管M1的沟道长度和晶体管M3的沟道长度也可以不相同，不相同时则对应不同的增益。进一步地，上述等式可以表示为：
Figure BDA0001440641420000063
其中，
Figure BDA0001440641420000064
因此，由于术语“VB”和“VC”可以由增益控制器130控制，以及，阈值电压“Vt”是已知的，因此，可变增益放大器100实际上可以用作具有指数函数exp(2x)的对数线性可变增益放大器。
关于输入晶体管M2、辅助晶体管M8和有源电感器110_2，晶体管M4的电流I4和晶体管(例如，PMOS晶体管)M6的电流I6都流入输出端N2，并且输出端N2的电流流入输入晶体管M2和辅助晶体管M8，即(I4+I6)等于(I2+I8)。类似地，电流I6被控制为等于电流I2，以使得电流I4等于电流I8。
应当说明的是，有源电感器110_1和110_2以及输入电流复制电路120的实现仅用于说明性目的，它们不是对本发明的限制。在另一实施例中，有源电感器110_1和110_2可以由任何其它类型的有源电感器(例如，CMOS有源电感器)来实现，以及，输入电流复制电路120可以使用其它电路结构来产生电流I5和I6，其分别等于电流I1和I2。这些替代设计均应当落在本发明的保护范围内。
在一实施例中，图1或图2所示的可变增益放大器100可以是放大电路的单元(或级)。通过使用可变增益放大器100，放大电路可以仅使用较少的单元(或级)来实现具有期望的宽带宽的增益范围。例如，当放大电路包括本发明实施例提供的可变增益放大器时，模拟结果表明，增益范围大于60dB，带宽大于4.5GHz。若不采用本发明实施例提供的可变增益放大器，则增益级数将增加，从而由于使用了大量的增益级，带宽受到限制。
简要总结，在本发明实施例提供的可变增益放大器中，可变增益放大器可以用作具有指数函数exp(2x)的对数线性可变增益放大器，即具有宽动态控制范围的可变增益放大器，其可视为指数函数发生器。此外，有源电感器用于提高(或改善)带宽。因此，可以同时实现宽增益范围和宽带宽。
虽然本发明已经通过示例的方式以及依据优选实施例进行了描述，但是，应当理解的是，本发明并不限于公开的实施例。相反，它旨在覆盖各种变型和类似的结构(如对于本领域技术人员将是显而易见的)。因此，所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释，以涵盖所有的这些变型和类似的结构。

Claims (10)

1.一种可变增益放大器，包括：
第一输入晶体管，用于接收第一输入信号，以在第一输出端上产生第一输出信号；
第一辅助晶体管，耦接于所述第一输出端，其中，所述第一输出端的电流流入所述第一输入晶体管和所述第一辅助晶体管；
第一有源电感器，耦接于所述输出端；以及
输入电流复制电路，耦接于所述输出端；
其中，所述第一有源电感器和所述输入电流复制电路用于分别产生电流至所述第一输出端，以及，所述输入电流复制电路产生至所述第一输出端的电流与所述第一输入晶体管的电流相等，所述第一有源电感器产生至所述第一输出端的电流与所述第一辅助晶体管的电流相等；
其中，所述第一输入晶体管的电流由第一电流源提供，所述第一辅助晶体管的电流由第二电流源提供，以及，所述可变增益放大器还包括：
增益控制器，用于控制所述第一电流源提供的第一电流和所述第二电流源提供的第二电流，以确定所述可变增益放大器的增益。
2.根据权利要求1所述的可变增益放大器，其特征在于，所述可变增益放大器还包括：
第二输入晶体管，用于接收第二输入信号，以在第二输出端上产生第二输出信号，其中，所述第一输入信号和所述第二输入信号是差分信号对；
第二辅助晶体管，耦接于所述第二输出端，其中，所述第二输出端的电流流入所述第二输入晶体管和所述第二辅助晶体管；以及
第二有源电感器，耦接于所述第二输出端；
其中，所述第二有源电感器用于产生电流至所述第二输出端，所述输入电流复制电路还用于产生另一电流至所述第二输出端，以及，所述输入电流复制电路产生至所述第二输出端的电流与所述第二输入晶体管的电流相等。
3.根据权利要求2所述的可变增益放大器，其特征在于，所述第二有源电感器产生至所述第二输出端的电流与所述第二辅助晶体管的电流相等。
4.根据权利要求2所述的可变增益放大器，其特征在于，所述第一输入晶体管和所述第二输入晶体管的电流由第一电流源提供，所述第一辅助晶体管和所述第二辅助晶体管的电流由第二电流源提供。
5.根据权利要求1或4所述的可变增益放大器，其特征在于，所述输入电流复制电路产生的电流由第三电流源提供，所述第三电流源提供的电流与所述第一电流源提供的所述第一电流相等。
6.根据权利要求1或4所述的可变增益放大器，其特征在于，所述第一电流不同于所述第二电流。
7.根据权利要求6所述的可变增益放大器，其特征在于，所述第一电流源受第一控制电压的控制，所述第二电流源受第二控制电压的控制，其中，所述第一控制电压为VB+VC，所述第二控制电压为VB-VC，VB和VC表示电压，以及，所述可变增益放大器的增益是与数值VB和VC所形成的函数成比例的。
8.根据权利要求7所述的可变增益放大器，其特征在于，所述可变增益放大器的增益是与
Figure FDA0003108486390000021
成比例的，其中，
Figure FDA0003108486390000022
以及，Vt是所述可变增益放大器内的晶体管的阈值电压。
9.根据权利要求8所述的可变增益放大器，其特征在于，所述可变增益放大器是指数函数发生器。
10.根据权利要求1所述的可变增益放大器，其特征在于，所述第一有源电感器包括第一电阻器和第一晶体管，所述第一电阻器和所述第一晶体管耦接于电源电压。
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