CN108206680A - 可变增益放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及集成电路设计领域，尤其涉及一种可变增益放大器。本发明的可变增益放大器包括：电阻衰减网络、第一跨导级、第二跨导级和控制电路，其中，电阻衰减网络用于设置离散的增益点；第一跨导级和所述第二跨导级用于接收衰减网络出来的信号并进行叠加；控制电路控制电阻衰减网络的输出和跨导级的输出；电阻衰减网络每一级的输出端分别通过开关间隔地与所述第一跨导级或所述第二跨导级的输入端连接，控制电路的输出端分别与所述电阻衰减网络、所述第一跨导级和所述第二跨导级电连接。本发明实现了宽增益范围内的高线性度。

Description

可变增益放大器
技术领域
本发明涉及集成电路设计领域，尤其涉及一种可变增益放大器。
背景技术
可变增益放大器(VGA，Variable Gain Amplifier)应用在各种遥感设备，无线通信设备，雷达设备，便携式超声波，助听器等医疗设备以及工业扫描等工业成像设备中。随着设备性能的逐步提升，对可变增益放大器的性能要求也随着升高，可变增益放大器的研究正朝着高带宽、高线性度、高动态范围、低噪声、低电源电压、低功耗等方向发展。一个通道中的信号经过调制由于非线性往往会产生不需要的谐波，这些谐波会干扰其它通道的信号，导致通道的信噪比降低。这就对射频前端的线性度设计，如IP3和IP2提出了很高的要求。因此，在射频前端通常设计有高线性度的VGA，根据输入信号的功率大小来调整放大增益，将信号放大到后继电路可以接受的范围。这种VGA对线性度的要求很高，随着增益的减小，线性度需要线性地增大，因此设计具有很大的挑战性。
已经有多种结构的VGA得以应用，现简要介绍如下。
(1)电流舵结构VGA(Current-steered VGA)
这种结构的VGA如图1所示。该结构有6级，6个堆栈跨导级(Gm)并联在一起作为输出电阻。首先，输入管把输入电压信号转换为电流。然后通过控制电压将电流导向不同的跨导级，改变输出电阻以控制增益的大小。每个跨导级都是差分偏置，当增益最小时达到最大的线性度，增益最大时达到最小的噪声系数(NF)。这种结构的缺点是：(1)实现每个增益点需要有多个增益级打开，这样具有最小偏置电流的那一级贡献了最大的非线性，这会使IIP3/IIP2的曲线难以实现线性，而是会起伏不平。(2)对于那些跨导小的增益级需要贡献更高的线性度，因而源极的退化电阻必须多个并联以避免直流电压下降太大。但这会增大源极到地的寄生，尾电流源不再是接到虚拟地上，导致线性度降低，尤其是高频的IIP2。
(2)电阻可变VGA
图2所示的VGA包括一个可变电阻和驱动可变电阻的buffer。可变电阻是用一组MOSFET实现的，当可变电阻的从开路变化到某个电阻值，VGA的增益相应从0dB变化到某个负值。这种结构的缺点是：(1)IIP2易受到输入信号不平衡的影响(2)因为MOSFET从关闭到开启的区域IIP3最小，所以IIP3与增益的曲线上总会有出现一个极小值点。(3)该结构实际上是一个衰减器，并没有正的增益。
(3)吉尔伯特VGA(Gilbert’s VGA)
图3是由B.Gilbert提出的著名的VGA结构，称为吉尔伯特VGA。这种结构主要由三部分组成：电阻衰减网络，可以在很宽范围内设置衰减系数的跨导级和一个固定增益放大器接收衰减后的信号并产生最终的输出。其中衰减网络是由多级R-2R梯形网络构成，梯形网络逐级对输入信号进行衰减，因而在梯形网络的每个节点都产生一个递减的衰减信号。可变跨导级连接到每个梯形网络节点上，再相加输出到固定增益放大器。控制电路通过控制不同跨导级的偏置电流来调节跨导级的跨导，从而得到不同的增益。但是当跨导的偏置电流较小时，线性度会快速恶化。所以，这种结构的缺点是线性度非常有限。且该结构需要多个跨导级，在面积和功耗上没有优势。
发明内容
传统VGA结构有很多技术上的缺陷：需要多个跨导级，面积功耗很大；多个跨导级的线性度不一，限制了整体的线性度；受到寄生或输入信号不平衡等的影响，IIP3的曲线会有波动或是出现极小值点。本发明的目的在于解决上述技术缺陷，实现在很宽增益范围内达到高线性度。为此，本发明提出一种可变增益放大器。
具体技术方案为：
可变增益放大器包括：电阻衰减网络、第一跨导级、第二跨导级和控制电路，其中，
所述电阻衰减网络为多级R-2R梯形网络，每级均带有开关，所述电阻衰减网络的输入端连接输入信号，所述电阻衰减网络每一级的输出端分别通过开关间隔地与所述第一跨导级或所述第二跨导级的输入端连接，其中，所述电阻衰减网络中的第2n-1级连接到第一跨导级，第2n级连接到第二跨导级，其中n为正整数；
所述第一跨导级和所述第二跨导级用于接收衰减网络出来的信号并进行叠加后输出；
所述控制电路的输入端连接控制电压，所述控制电路的第一输出端口组与所述电阻衰减网络的开关连接，输出开关控制信号来控制所述电阻衰减网络的输出；所述控制电路的V1端连接所述第二跨导级的控制端，所述控制电路的V2端连接所述第一跨导级的控制端，所述V1端和V2端控制所述跨导级的输出。
进一步地，所述控制电路包括多个比较器以及判别逻辑电路和跨导级控制信号产生电路；所述比较器的输出端与所述判别逻辑电路和跨导级控制信号产生电路的输入端连接，所述比较器的输入端分别连接外部控制电压和多个参考电压，所述参考电压将所述控制电压划分为多个电压段，其中所述参考电压的数目与所述电阻衰减网络的级数相同；所述判别逻辑电路和跨导级控制信号产生电路的第一输出端口组产生开关控制信号控制电阻衰减网络中的开关，设置离散的增益步径，其中所述开关信号为数字信号；所述判别逻辑电路和跨导级控制信号产生电路的V1端和V2端产生连续的电压控制信号，控制第一跨导级和第二跨导级加权的系数，设置两个离散的增益值之间的各个增益。
进一步地，所述开关控制信号在控制电压的各个电压段内仅有两个控制电压为高电平，从而将相应电阻衰减网络中的两个级连接到后面的跨导级。
进一步地，所述第一跨导级和所述第二跨导级由同一跨导级通过乘以不同加权系数得到。
进一步地，实现所述第一跨导级和所述第二跨导级加权叠加的电路可以是单端电路或差分电路。
进一步地，所述加权系数在控制电压的各个电压段内交替变化。
相比于传统的VGA结构，本发明具有如下效果：
(1)因为电阻网络是一个线性网络，VGA的线性度只与Gm级有关。与Gilbert’s VGA不同的是，这里的Gm级不受偏置电流的影响，能够设计得很线性。因此这种结构的VGA的线性度相比以往的方案会高很多。
(2)这种结构的VGA有一个很好的特性：衰减越大，线性度越好。该设计同时只有两个Gm级在工作，因此更易设计和实现。传统方案中有些结构同时会有多个Gm级在工作，其中一个或多个Gm级的线性度比其它的Gm级的线性度要差，因此线性度曲线在增益范围内经常会出现极小值点。为了克服这个问题，极小值点必须出现在性能指标要求的点之外，导致整个芯片的面积和功耗都会增大。
(3)衰减较大时，因为高线性度取决于电阻网络而不是Gm级，所以全差分Gm级中的源极退化电阻不需要多个并联，尾电流源可以很好地接到虚拟地上，在高频时能提供良好的共模抑制。另外当输入信号幅度或相位的不平衡也不会对IIP2的性能有显著的影响。
(4)传统采用多级Gm级并联的方案为了获得更大的增益范围，必须有更多的Gm级，因而面积和功耗会增大。而本专利提出的VGA结构仅有两个Gm级，只需要设计更多的电阻网络即可得到更大的增益范围，因而VGA的面积会比较小。
附图说明
图1是电流舵结构VGA的示意图。
图2是电阻可变VGA的示意图。
图3是吉尔伯特VGA的示意图。
图4是根据本发明的一个实施例的VGA结构的示意图。
图5是根据本发明的一个实施例的控制电路的示意图。
图6是根据本发明的一个实施例的开关控制信号的示意图。
图7是根据本发明的一个实施例的在两个离散增益值之间连续增益控制的方法的示意图。
图8是根据本发明的一个实施例的实现Gm1和Gm2加权的一个实施例的示意图。
图9是根据本发明的一个实施例的加权系数随控制电压的变化曲线的示意图。
图10是根据本发明的一个实施例的VGA的增益随控制电压的变化曲线的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步说明。
根据本发明的一个实施例的VGA的结构如图4所示，主要由三部分组成：电阻衰减网络41，用于设置离散的增益点；两个跨导级42，接收衰减网络出来的信号并进行叠加；控制电路43，控制电阻衰减网络的输出和跨导级的输出。
由图4可见，所述电阻衰减网络41的一个实施例是由多级R-2R梯形网络构成，多级R-2R梯形网络由电阻411和412构成。梯形网络逐级对输入信号Vin进行衰减，在梯形网络的每个节点(A,B,…,G)都产生一个递减的衰减信号。在由多级R-2R梯形网络构成的电阻衰减网络中，每级均带有开关413，该开关由控制电路43产生的数字的开关控制信号来控制，用以设置离散的增益步径。在本实施例中，衰减步径设为6dB，在控制电路的控制下，电阻衰减网络以6dB为步径逐级将信号输出到后面的Gm级。在其他实施例中，衰减步径也可设置为其他值。所述电阻衰减网络每一级的输出端分别通过开关间隔地与Gm1或Gm2的输入端连接，其中，所述电阻衰减网络中的第2n-1级连接到第一跨导级，第2n级连接到第二跨导级，其中n为正整数。在每两个增益值(或衰减值)之间，可以通过控制后面的Gm级来实现在两个离散增益值之间的连续变化。
根据本发明的一个实施例的控制电路如图5所示，所述控制电路43包括比较器61和判别逻辑电路和Gm控制信号产生电路62。比较器61的输出端与所述判别逻辑电路和跨导级控制信号产生电路62的输入端连接，比较器61的输入端分别连接外部控制电压和多个参考电压，外部控制电压Vctrl是一个连续的电压信号，可以根据需要划分成多个电压段，在本实施例中，由7个电压(Vr1，Vr2，……，Vr7)划分为8段。在其他实施例中，可以设置不同量值的电压划分成不同数目的电压段。产生7个电压的实施例是利用R-2R电阻网络的分压特性来产生。7个电压作为参考电压与Vctrl通过比较器61进行比较，再经过62产生电阻衰减网络41中开关控制信号(VA，VB，……，VG)，控制相应开关的通断。62除了产生开关控制数字信号，还产生连续的电压控制信号V1和V2控制Gm1和Gm2加权的系数。
开关控制信号(VA，VB，……，VG)的一个实施例如图6所示。Vctrl由7个电压(Vr1，Vr2，……，Vr7)划分为8段，在Vr1和Vr7之间的每一段中，仅有两个控制电压为高电平，从而将相应电阻衰减网络41中的两个点接到后面的两个跨导级42。如在Vr1和Vr2之间时，VA和VB是高电平，其它电压是低电平，此时电阻衰减网络41中的A点和B点通过开关接到后面的两个跨导级42，输入到跨导级的信号相比于原始输入信号衰减了6dB。当Vctrl小于Vr1时，仅有A点接入后面的跨导级，输入到跨导级的信号等于原始输入信号；当Vctrl大于Vr7时，仅有G点接入后面的跨导级，输入到跨导级的信号相比于原始输入信号衰减了36dB。在控制电压的控制下，电阻衰减网络以6dB为步径逐级将信号衰减并输出到后面的Gm级42。
控制Gm级来实现在两个离散增益值之间的连续变化的方法的实施例如图7所示。根据本发明的一个实施例，电阻衰减网络41经开关选择后的电路简化为图7中的51，两个跨导级42中的Gm1和Gm2可以看作是同一个Gm级521通过乘以不同的系数522来得到，其中a在0到1之间连续变化。控制电路产生连续的电压控制信号V1和V2，分别连接Gm1和Gm2的两个控制端c1、c2，控制Gm1和Gm2加权的系数，从而使增益在两个离散值之间实现连续变化。
进一步地，两个跨导级42在连续的电压控制信号V1和V2的控制下实现Gm1和Gm2加权的一个实施例如图8所示。电压控制信号V1和V2作为PMOS管71和72的偏置电压，分别产生aI和(1-a)I的电流。a和1-a是电流的加权系数，受到V1和V2的控制，也间接受到Vctrl的控制。在Vctrl从小到大的变化过程中，a和1-a交替变化，变化周期由7个电压(Vr1，Vr2，……，Vr7)进行划分，a和1-a之和始终为1。NMOS管73-76构成电流镜，在本实施例中产生10倍的镜像电流。在其他实施例中可以根据需要设置不同的镜像倍数。在本实施例中，流过NMOS管75和76的电流ID1和ID2之和恒定不变，为10I。两边的电流相加后通过负载输出。通过V1和V2的变化，可以控制两边跨导加权的系数。本实施例中采用的是单端的电路结构，在其他实施例中也可以采用差分的电路结构。
根据本发明的一个实施例的加权系数随控制电压Vctrl的变化曲线如图9所示。Vctrl由7个电压(Vr1，Vr2，……，Vr7)划分为8段，在Vr1和Vr7之间的每一段中，a(实线)和1-a(虚线)交替变化。例如在Vr1和Vr2之间时，a从1变化到0，而1-a从0变化到1。而当Vctrl小于Vr1时，a为1,1-a为0；当Vctrl大于Vr7时，a为0,1-a为1。两者之和始终是1。
根据本发明的一个实施例的VGA的增益随控制电压Vctrl的变化曲线如图10所示。从图10中可以看出，Vctrl由7个电压(Vr1，Vr2，……，Vr7)划分为8段，整个VGA的增益范围也划分成很多子范围，每个子范围内最大和最小的增益由电阻衰减网络控制。而最大和最小增益值之间的增益值由Gm1和Gm2加权得到。从而电阻衰减网络实现增益的粗调，而Gm级实现增益的细调，由此实现放大器增益的连续调节。
上面结合附图对本发明的实施例做了详细说明，但本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下做出的各种变化，均应归属于本发明专利涵盖范围。

Claims (6)

1.一种可变增益放大器，其特征在于，包括：电阻衰减网络、第一跨导级、第二跨导级和控制电路，其中，
所述电阻衰减网络为多级R-2R梯形网络，每级均带有开关，所述电阻衰减网络的输入端连接输入信号，所述电阻衰减网络每一级的输出端分别通过开关间隔地与所述第一跨导级或所述第二跨导级的输入端连接，其中，所述电阻衰减网络中的第2n-1级连接到第一跨导级，第2n级连接到第二跨导级，其中n为正整数；
所述第一跨导级和所述第二跨导级用于接收衰减网络出来的信号并进行叠加后输出；
所述控制电路的输入端连接控制电压，所述控制电路的第一输出端口组与所述电阻衰减网络的开关连接，输出开关控制信号来控制所述电阻衰减网络的输出；所述控制电路的V1端连接所述第二跨导级的控制端，所述控制电路的V2端连接所述第一跨导级的控制端，所述V1端和V2端控制所述跨导级的输出。
2.根据权利要求1所述的可变增益放大器，其特征在于，所述控制电路包括多个比较器以及判别逻辑电路和跨导级控制信号产生电路；
所述比较器的输出端与所述判别逻辑电路和跨导级控制信号产生电路的输入端连接，所述比较器的输入端分别连接外部控制电压和多个参考电压，所述参考电压将所述控制电压划分为多个电压段，其中所述参考电压的数目与所述电阻衰减网络的级数相同；
所述判别逻辑电路和跨导级控制信号产生电路的第一输出端口组产生开关控制信号控制电阻衰减网络中的开关，设置离散的增益步径，其中所述开关信号为数字信号；所述判别逻辑电路和跨导级控制信号产生电路的V1端和V2端产生连续的电压控制信号，控制第一跨导级和第二跨导级加权的系数，设置两个离散的增益值之间的各个增益。
3.根据权利要求2所述的可变增益放大器，其特征在于，所述开关控制信号在控制电压的各个电压段内仅有两个控制电压为高电平，从而将相应电阻衰减网络中的两个级连接到后面的跨导级。
4.根据权利要求1所述的可变增益放大器，其特征在于，所述第一跨导级和所述第二跨导级由同一跨导级通过乘以不同加权系数得到。
5.根据权利要求4所述的可变增益放大器，其特征在于，实现所述第一跨导级和所述第二跨导级加权叠加的电路为单端电路或差分电路。
6.根据权利要求4所述的可变增益放大器，其特征在于，所述加权系数在控制电压的各个电压段内交替变化。
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Address after: Room 1101-22, building a, building 4, Nanjing Baixia hi tech Industrial Development Zone, No.6 Yongzhi Road, Qinhuai District, Nanjing City, Jiangsu Province

Applicant after: Jiangsu hairuida Microelectronics Technology Co.,Ltd.

Address before: Business Outsourcing Service Center No. 188 michimori Road Development Zone 226200 Jiangsu city of Nantong Province

Applicant before: JIANGSU ANQIWEI MICROELECTRONICS TECHNOLOGY Co.,Ltd.

CB02 Change of applicant information
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
PE01 Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right

Denomination of invention: Variable gain amplifier

Granted publication date: 20230908

Pledgee: Bank of China Limited Nanjing Gulou Branch

Pledgor: Jiangsu hairuida Microelectronics Technology Co.,Ltd.

Registration number: Y2024980003263

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