CN108736851B - 一种可编程增益放大器及电子装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可编程增益放大器及电子装置。该可编程增益放大器包括：第一、二输入支路，第一、二输入支路均包括串联连接的输入晶体管和负载晶体管，输入支路中的负载晶体管的栅极与输入晶体管的漏极连接，并且在第一输入支路的输入晶体管的源极与第二输入支路的输入晶体管的源极之间跨接有可编程电阻；第一、二输出支路，第一、二输出支路均包括串联连接的负载电阻和用于与负载晶体管形成电流镜的镜像晶体管；电平转换模块，所述电平转换模块设置在同一个所述输入支路中的输入晶体管的漏极和负载晶体管的栅极之间，以提升输入晶体管的漏极电压。该可编程增益放大器增加了输入信号的摆幅。该电子装置具有类似的优点。

Description

一种可编程增益放大器及电子装置
技术领域
本发明涉及半导体集成电路技术领域，具体而言涉及一种可编程增益放大器及电子装置。
背景技术
可编程增益放大器(PGA)是模拟系统中的常见模块，可以通过调节电阻的比例值达到调节增益的目的。可编程增益放大器的输入电压范围决定了其能够处理的模拟信号的范围，输出共模的变化同样影响PGA输出信号的失真特性。如何改善PGA的输入电压范围，以及稳定输出共模进而改善输出的性能是PGA的研究重要。目前传统的PGA采用NMOS器件输入，cascode(共源共栅)电流镜作为第一级的负载，采用可编程电阻调节增益，这种PGA输入电压的摆幅小，限制了PGA应用需求。
图1示出一种目前传统的可编程增益放大器的电路示意图，其增益的关系为Vout＝Vin*RL/2R。通过调节2R的值来调节输入输出之间的增益。从图1可知，D1点的电压为M2晶体管的Vgs(栅源电压)，在应用中要保证M1晶体管始终工作在饱和区，那么Vgd(M1)(栅漏电压)<Vthn(阈值电压)，即Vcm(共模电压)+0.5*Vin–VD1<Vthn，VD1≈Vgs。在集成电路设计应用中，Vcm通常是前一级电路的输出，约为0.5*Vdd(工作电压)，Vgs+Vth的和很难超过Vcm很多，从而限制了输入电压的摆幅。如果要提升输入信号摆幅，即尽量提高D1点的电压，一般的做法是尽量增大M2管的L，以增加M2管的过驱动电压，从而提高M2管的Vgs，以达到提升D1点的电压。根据
Figure BDA0001273755790000011
由于gm(跨导)通常只有几十到几百u(载流子迁移率)，且gm随着L(栅极长度)的不断增加而减小，因此通过增加L去提升Vgs的方法效率低，会导致晶体管面积的明显增加，效果并不理想。
因此，有必要提出一种可编程增益放大器，以至少部分解决上述问题。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
为了克服目前存在的问题，本发明一方面提供一种可编程增益放大器，其包括：
第一、二输入支路，所述第一、二输入支路均包括串联连接的输入晶体管和负载晶体管，所述输入支路中的负载晶体管的栅极与所述输入晶体管的漏极连接，并且在所述第一输入支路的输入晶体管的源极与所述第二输入支路的输入晶体管的源极之间跨接有可编程电阻；
第一、二输出支路，所述第一、二输出支路均包括串联连接的负载电阻和用于与所述负载晶体管形成电流镜的镜像晶体管；
电平转换模块，所述电平转换模块设置在同一个所述输入支路中的所述输入晶体管的漏极和所述负载晶体管的栅极之间，以提升所述输入晶体管的漏极电压。
进一步地，所述电平转换模块包括MOS晶体管，所述MOS晶体管的栅极和漏极短接。
进一步地，还包括为所述电平转换模块提供放电通路的放电模块，所述放电模块的一端连接所述电平转换模块，另一端用于接地。
进一步地，所述放电模块包括电阻、二极管连接的MOS晶体管和/或电流源中的一种或多种。
进一步地，所述MOS晶体管为PMOS晶体管或NMOS晶体管。
进一步地，还包括用于为所述输入支路提供偏置电流的偏置模块。
进一步地，还包括：电流源，所述电流源用于提供基准电流。
进一步地，所述偏置模块包括用于对电流源的基准电流进行镜像的电流镜。
进一步地，所述输入晶体管为NMOS晶体管。
根据本发明的可编程增益放大器通过设置电平转换模块增加了所述输入晶体管漏极的电压，从而增加了输入信号的摆幅，进而提高了可编程增益放大器的应用范围。
进一步地，所述电平转换模块所需电流可以直接由偏置模块提供，无需增加额外的电路。
更进一步地，由于为所述电平转换模块设置有放电模块以提供放电通路，从而可以保证电路正常工作。
本发明再一方面提供一种电子装置，其包括本发明提出的可编程增益放大器以及与所述可编程增益放大器连接的电子组件。
本发明提出的电子装置，由于其具有的可编程增益放大器的输入信号摆幅增加，应用范围提高，因此该电子装置具有类似的优点。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。
附图中：
图1示出目前一种可编程增益放大器的示意性电路结构图；
图2示出了根据本发明实施例的可编程增益放大器的示意性电路结构图；
图3示出了根据本发明实施例的可编程增益放大器的电平转换模块的示意性局部电路结构图；
图4示出了根据本发明实施例的可编程增益放大器的电平转换模块的示意性局部电路结构图；
图5示出了根据本发明实施例的电子装置的结构示意图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大自始至终相同附图标记表示相同的元件。
应当明白，当元件或层被称为“在…上”、“与…相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在…上”、“与…直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。
空间关系术语例如“在…下”、“在…下面”、“下面的”、“在…之下”、“在…之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在…下面”和“在…下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构及步骤，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
实施例一
图2示出了根据本发明实施例的可编程增益放大器的示意性电路结构图；图3示出了根据本发明实施例的可编程增益放大器的电平转换模块的示意性局部电路结构图；图4示出了根据本发明实施例的可编程增益放大器的电平转换模块的示意性局部电路结构图。下面结合图2至图4对根据本发明实施例的可编程增益放大器进行详细描述。
请参照图2，本实施例的可编程增益放大器200包括：一对输入支路10和11，一对输出支路20和21，一对电平转换模块30和31，一对放电模块40和41，以及一对偏置模块50和51。
所述输入支路10和11包括串联连接的输入晶体管M1和负载晶体管M2，输入晶体管M1的栅极用作可编程增益放大器200的两个输入端Vin+和Vin-，漏极用作第一级输出，在两个输入晶体管M1的源极之间跨接有可编程电阻2R，可编程电阻2R可以采用各种合适的结构，其阻值可以通过编程调节，在此不做限定。负载晶体管M2的漏极与输入晶体管M1的源极连接，源极接地GND，栅极与输入晶体管M1的漏极连接。示例性地，在本实施例中，所述输入晶体管M1为NMOS晶体管。
所述输出支路20和21包括串联连接的负载电阻RL和镜像晶体管M2，输出节点Vout+和Vout-设置在负载电阻RL和镜像晶体管M2之间。具体地，镜像晶体管M2的漏极与负载电阻RL的第一端连接，源极接地GND，负载电阻RL的第二端与工作电源连接，输出节点Vout+和Vout-设置在镜像晶体管M2的漏极与负载电阻RL的第一端之间。镜像晶体管M2与输入支路中的负载晶体管M2组成电流镜，即镜像晶体管M2的栅极与对应的输入支路中的负载晶体管M2的栅极短接，以对流过负载晶体管M2的电流进行复制，从而为负载电阻提供电流。
电平转换模块30和31设置在所述输入晶体管M1的漏极和所述负载晶体管M2的栅极之间，以提升所述输入晶体管的漏极电压。示例性地，所述电平转换模块30和31包括二极管连接的MOS晶体管。如图3所示，在所述输入晶体管M1的漏极和所述负载晶体管M2的栅极之间设置二极管连接PMOS晶体管，即PMOS晶体管的漏极与栅极短接，并与负载晶体管M2的栅极连接，PMOS晶体管的漏极与所述输入晶体管M1的漏极连接。在图3所示的可编程增益放大器中，由于设置有电平转换模块30和31，因此输入晶体管M1漏极的电压(即图1中D1的电压)在M2的Vgs的基础上在增加一个用作电平转换模块30和31的PMOS管的Vgs，即Vin<2Vgs+Vthn，从表达式可以看到Vin的输入范围增加了一个Vgs。
可以理解的是，在其它实施例中，所述电平转换模块30和31也可以采用二极管连接的NMOS晶体管，并且晶体管的数量可以根据需要设置。
放电模块40和41设置在所述电平转换模块30和31和地GND之间，用于为所述电平转换模块30和31提供放电通路。所述放电模块40和41包括电阻、二极管连接的MOS晶体管和/或电流源中的一种或多种。示例性地，在本实施例中，如图4所示，放电模块40和41采用电阻，该电阻连接在二极管连接的PMOS晶体管的漏极和地GND之间。
偏置模块50和51设置在输入晶体管M1的漏极和工作电压VDD之间，用于为输入支路10和11提供偏置电流，偏置模块50和51可以采用各种合适的结构，示例性地如图1中所示，偏置模块50和51包括晶体管M3组成电流镜结构，其通过对电流源IB的复制，来提供偏置电流。
根据本发明的可编程增益放大器输入支路用于输入电压Vin，出支路通过对输入支路的电流进行镜像，从而提供输出电流，负载电阻在输出电流作用下提供输出电压，实现放大。偏置模块为输入支路提供偏置电流，电平转换模块用于提供输入电压的摆幅，放电模块用于为电平转换模块提供放电通路以保证正常工作。在本实施例的可编程增益放大器中通过设置电平转换模块增加了所述输入晶体管漏极的电压，从而增加了输入信号的摆幅，进而提高了可编程增益放大器的应用范围，并且所述电平转换模块所需电流可以直接由偏置模块提供，无需增加额外的电路。此外，由于为所述电平转换模块设置有放电模块以提供放电通路，从而可以保证电路正常工作。
实施例二
本发明的再一个实施例提供一种电子装置，包括上述可编程增益放大器以及与所述可编程增益放大器连接的电子组件。
其中，该电子组件，可以为分立器件、集成电路等任何电子组件。
本实施例的电子装置，可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、上网本、游戏机、电视机、VCD、DVD、导航仪、照相机、摄像机、录音笔、MP3、MP4、PSP等任何电子产品或设备，也可为任何包括该半导体器件的中间产品。
其中，图5示出手机的示例。手机500的外部设置有包括在外壳501中的显示部分502、操作按钮503、外部连接端口504、扬声器505、话筒506等。
本发明实施例的电子装置，由于其具有的可编程增益放大器的输入信号摆幅增加，应用范围提高，因此该电子装置同样具有类似的优点。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (9)

1.一种可编程增益放大器，其特征在于，包括：
第一、二输入支路，所述第一、二输入支路均包括串联连接的输入晶体管和负载晶体管，所述输入支路中的负载晶体管的栅极与所述输入晶体管的漏极连接，并且在所述第一输入支路的输入晶体管的源极与所述第二输入支路的输入晶体管的源极之间跨接有可编程电阻；
第一、二输出支路，所述第一、二输出支路均包括串联连接的负载电阻和用于与所述负载晶体管形成电流镜的镜像晶体管；
电平转换模块，所述电平转换模块设置在同一个所述输入支路中的所述输入晶体管的漏极和所述负载晶体管的栅极之间，以提升所述输入晶体管的漏极电压，所述电平转换模块包括MOS晶体管，所述MOS晶体管的栅极和漏极短接。
2.根据权利要求1所述的可编程增益放大器，其特征在于，还包括为所述电平转换模块提供放电通路的放电模块，所述放电模块的一端连接所述电平转换模块，另一端用于接地。
3.根据权利要求2所述的可编程增益放大器，其特征在于，所述放电模块包括电阻、二极管连接的MOS晶体管、电流源中的一种或多种。
4.根据权利要求3所述的可编程增益放大器，其特征在于，所述MOS晶体管为PMOS晶体管或NMOS晶体管。
5.根据权利要求1所述的可编程增益放大器，其特征在于，还包括用于为所述输入支路提供偏置电流的偏置模块。
6.根据权利要求5所述的可编程增益放大器，其特征在于，还包括：
电流源，所述电流源用于提供基准电流。
7.根据权利要求6所述的可编程增益放大器，其特征在于，所述偏置模块包括用于对电流源的基准电流进行镜像的电流镜。
8.根据权利要求1所述的可编程增益放大器，其特征在于，所述输入晶体管为NMOS晶体管。
9.一种电子装置，其特征在于，包括如权利要求1-8中的任意一项所述的可编程增益放大器以及与所述可编程增益放大器连接的电子组件。
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