CN109067371B - 一种无电阻网络可编程增益放大器电路 - Google Patents

一种无电阻网络可编程增益放大器电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无电阻网络可编程增益放大器电路，包括：两级数字控制增益级STAGE1和STAGE2，两级共模负反馈电路CMFB1和CMFB2，模拟控制增益级STAGE3。本发明的有益效果为：电路各模块中均采用有源器件，无需任何电阻电容，版图面积远小于传统结构；与片内电阻相比，MOS管的匹配更容易实现，与电阻相比，工艺变化、温度变化对MOS管的影响更小；得益于模拟控制增益级的微调作用，本发明可以实现较高的增益精度，同时灵活地应对环境变化对性能的影响。

Description

一种无电阻网络可编程增益放大器电路
技术领域
本发明涉及通用模拟电路技术领域，尤其是一种无电阻网络可编程增益放大器电路。
背景技术
可编程增益放大器的应用范围广泛，如低中频结构的无线通信接收机、音频和视频混合信号集成电路等。可编程增益放大器是能够调节自身增益，以一定的增益将接收的信号传输给后级电路，对于细微的输入信号，可编程增益放大器通常实现放大功能，保证后级电路正常地接收信号；对于幅度较大的输入信号，可编程放大器也能工作在负增益模式，防止后级电路进入非线性。
常见的可编程增益放大器由高增益运算放大器、可编程电阻阵列构成反馈网络，实现增益可调。这种结构的缺点在于：电阻阵列面积大、电阻匹配难度大、电路功耗大等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种无电阻网络可编程增益放大器电路，能够实现较高的增益精度，同时灵活地应对环境变化对性能的影响。
为解决上述技术问题，本发明提供一种无电阻网络可编程增益放大器电路，包括：两级数字控制增益级STAGE1和STAGE2，两级共模负反馈电路CMFB1和CMFB2，模拟控制增益级STAGE3；输入信号接第一级数字控制增益级STAGE1的输入端，第一级数字控制增益级STAGE1的输出端接第二级数字控制增益级STAGE2的输入端，第二级数字控制增益级STAGE2的输出端接模拟控制增益级STAGE3的输入端，模拟控制增益级STAGE3的输出端输出最终信号；同时第一级数字控制增益级STAGE1的输出端接第一级共模负反馈电路CMFB1的输入端，第一级共模负反馈电路CMFB1的输出端接第一级数字控制增益级STAGE1的CMFB_OUT端；第二级数字控制增益级STAGE2的输出端接第二级共模负反馈电路CMFB2的输入端，第二级共模负反馈电路CMFB2的输出端接第二级数字控制增益级STAGE2的CMFB_OUT端；两级数字控制增益级STAGE1和STAGE2实现增益的粗调节，两级共模负反馈电路CMFB1和CMFB2实现每一级输出共模电平的钳位，模拟控制增益级STAGE3实现增益的细调节，减小增益步进和增益误差。
优选的，数字控制增益级电路包括40个NMOS管，2个PMOS管，其中NM1、NM2、NM3、NM4和NM13、NM14、NM15、NM16分别构成主输入支路和主负载支路；NM5、NM6、NM7、NM8和NM9、NM10、NM11、NM12分别构成由数字控制信号S0、
Figure BDA0001704158220000021
控制的输入阵列和负载阵列；NM1的漏极接NM2的源极，NM2的栅极接电源VDD，NM2的漏极接NM3和NM4的源极；NM5的漏极接NM6的源极，NM6的栅极接S0，NM6的漏极接NM7和NM8的源极；NM3、NM8的漏极相连，NM3、NM8的栅极与输入信号VIN+相连；NM4、NM7的漏极相连，NM4、NM7的栅极与输入信号VIN-相连；NM13的漏极接NM14的源极，NM14的栅极接电源VDD，NM14的漏极接NM15和NM16的源极；NM9的漏极接NM10的源极，NM10的栅极接
Figure BDA0001704158220000022
NM10的漏极接NM11和NM12的源极；NM11、NM12、NM15、NM16的栅极与漏极相连，构成二极管连接；NM11、NM16的漏极相连，NM12、NM15的漏极相连；NM1、NM5、NM9、NM13的栅极相连；PMOS电流源PM0、PM1的源极接VDD，PM0、PM1的栅极与共模负反馈电路输出CMFB_OUT相连；PM0的漏极与NM4、NM7的漏极相连，构成反相输出VO-，PM1的漏极与NM12、NM15的漏极相连，构成正相输出VO+。
优选的，输入阵列和负载阵列各4组，分别由S0、S1、S2、S3和其相反信号
Figure BDA0001704158220000023
Figure BDA0001704158220000024
控制；阵列中晶体管尺寸逐级倍增，构成1:2:4:8的比例；各组阵列中的结构相同。
优选的，共模负反馈电路包括NMOS管NM17、NM18、NM19、NM20、NM21和PMOS管PM2、PM3；NM17的漏极接NM18、NM19、NM20、NM21的源极，NM17的栅极接NM19、NM20的栅极，并与共模参考电压VCM相连；VCM既作为NM19、NM20的栅极输入，又作为尾电流源NM17的偏置电压；NM18、NM21、PM3的漏极相连，NM19、NM20、PM2的漏极相连，构成输出CMFB_OUT；PM2、PM3的源极接VDD；PM2的栅极接PM3的栅极，PM3的栅极和漏极相连，形成二极管连接。
优选的，模拟控制增益级电路包括NMOS管NM22、NM23、NM24和PMOS管PM4、PM5、PM6、PM7；其中NM22栅极接偏置电压VBIAS，漏极接NM23、NM24的源极；NM23、NM24的栅极分别接收前级差分输出VO2+、VO2-；PM4、PM7为二极管连接，PM4的漏极接PM5的漏极，PM7的漏极接PM6的漏极，PM5、PM6的栅极均与模拟控制信号Analog_con相连；PM4、PM5、PM6、PM7的源极接VDD；NM23的漏极接PM4、PM5的漏极，构成差分输出VOUT-；NM24的漏极接PM6、PM7的漏极，构成差分输出VOUT+。
本发明的有益效果为：电路各模块中均采用有源器件，无需任何电阻电容，版图面积远小于传统结构；与片内电阻相比，MOS管的匹配更容易实现，与电阻相比，工艺变化、温度变化对MOS管的影响更小；得益于模拟控制增益级的微调作用，本发明可以实现较高的增益精度，同时灵活地应对环境变化对性能的影响。
附图说明
图1为本发明的放大器电路结构示意图。
图2为本发明的数字控制增益级的示意图。
图3为本发明的共模负反馈电路的示意图。
图4为本发明的模拟控制增益级的示意图。
图5为本发明的增益变化仿真示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种无电阻网络可编程增益放大器电路，包括：两级数字控制增益级STAGE1和STAGE2，两级共模负反馈电路CMFB1和CMFB2，模拟控制增益级STAGE3；输入信号接第一级数字控制增益级STAGE1的输入端，第一级数字控制增益级STAGE1的输出端接第二级数字控制增益级STAGE2的输入端，第二级数字控制增益级STAGE2的输出端接模拟控制增益级STAGE3的输入端，模拟控制增益级STAGE3的输出端输出最终信号；同时第一级数字控制增益级STAGE1的输出端接第一级共模负反馈电路CMFB1的输入端，第一级共模负反馈电路CMFB1的输出端接第一级数字控制增益级STAGE1的CMFB_OUT端；第二级数字控制增益级STAGE2的输出端接第二级共模负反馈电路CMFB2的输入端，第二级共模负反馈电路CMFB2的输出端接第二级数字控制增益级STAGE2的CMFB_OUT端；两级数字控制增益级STAGE1和STAGE2实现增益的粗调节，两级共模负反馈电路CMFB1和CMFB2实现每一级输出共模电平的钳位，模拟控制增益级STAGE3实现增益的细调节，减小增益步进和增益误差。
数字控制增益级电路包括40个NMOS管，2个PMOS管，其中NM1、NM2、NM3、NM4和NM13、NM14、NM15、NM16分别构成主输入支路和主负载支路。NM5、NM6、NM7、NM8和NM9、NM10、NM11、NM12分别构成由数字控制信号S0、
Figure BDA0001704158220000031
控制的输入阵列和负载阵列，输入阵列和负载阵列各4组，分别由S0、S1、S2、S3和其相反信号
Figure BDA0001704158220000032
控制。阵列中晶体管尺寸逐级倍增，构成1:2:4:8的比例。由于各组阵列中的结构相同，为简化描述，均以第一组阵列为例。NM1的漏极接NM2的源极，NM2的栅极接电源VDD，NM2的漏极接NM3和NM4的源极。NM5的漏极接NM6的源极，NM6的栅极接S0，NM6的漏极接NM7和NM8的源极。NM3、NM8的漏极相连，NM3、NM8的栅极与输入信号VIN+相连。NM4、NM7的漏极相连，NM4、NM7的栅极与输入信号VIN-相连。NM13的漏极接NM14的源极，NM14的栅极接电源VDD，NM14的漏极接NM15和NM16的源极。NM9的漏极接NM10的源极，NM10的栅极接
Figure BDA0001704158220000041
NM10的漏极接NM11和NM12的源极。NM11、NM12、NM15、NM16的栅极与漏极相连，构成二极管连接。NM11、NM16的漏极相连，NM12、NM15的漏极相连。NM1、NM5、NM9、NM13的栅极相连。PMOS电流源PM0、PM1的源极接VDD，PM0、PM1的栅极与共模负反馈电路输出CMFB_OUT相连。PM0的漏极与NM4、NM7的漏极相连，构成反相输出VO-，PM1的漏极与NM12、NM15的漏极相连，构成正相输出VO+。
共模负反馈电路包括NMOS管NM17、NM18、NM19、NM20、NM21和PMOS管PM2、PM3。NM17的漏极接NM18、NM19、NM20、NM21的源极，NM17的栅极接NM19、NM20的栅极，并与共模参考电压VCM相连。VCM既作为NM19、NM20的栅极输入，又作为尾电流源NM17的偏置电压。NM18、NM21、PM3的漏极相连，NM19、NM20、PM2的漏极相连，构成输出CMFB_OUT。PM2、PM3的源极接VDD。PM2的栅极接PM3的栅极，PM3的栅极和漏极相连，形成二极管连接。
模拟控制增益级电路包括NMOS管NM22、NM23、NM24和PMOS管PM4、PM5、PM6、PM7。其中NM22栅极接偏置电压VBIAS，漏极接NM23、NM24的源极。NM23、NM24的栅极分别接收前级差分输出VO2+、VO2-。PM4、PM7为二极管连接，PM4的漏极接PM5的漏极，PM7的漏极接PM6的漏极，PM5、PM6的栅极均与模拟控制信号Analog_con相连。PM4、PM5、PM6、PM7的源极接VDD。NM23的漏极接PM4、PM5的漏极，构成差分输出VOUT-。NM24的漏极接PM6、PM7的漏极，构成差分输出VOUT+。
S0、S1、S2、S3及其相反信号
Figure BDA0001704158220000042
分别控制接入电路的输入阵列和负载阵列，当Digtal_con<S3:S0>为1111时，输入阵列全部接入电路，负载阵列全部断开，此时对应可编程增益放大器的最大增益；当Digtal_con<S3:S0>为0000时，输入阵列全部断开，负载阵列全部接入电路，此时对应可编程放大器的最小增益。一级数字控制增益级能够实现20dB的增益范围，两级级联可以实现40dB的增益范围。共模负反馈电路通过采样每一级的输出共模电压，与参考电压VCM比较，并通过共模负反馈环路稳定输出共模电压。为了补偿两级数字控制增益级级联后增益步长不恒定、增益精度低的情况，加入一级模拟控制增益级。模拟控制增益级提供的±2dB左右的增益范围，可以有效地提高整体放大器的增益精度，减小增益步长。
如图2所示，在数字控制增益级中，通过配置S0、S1、S2、S3及其相反信号
Figure BDA0001704158220000051
Figure BDA0001704158220000052
分别控制接入电路的输入阵列和负载阵列，从而改变增益。当Digtal_con<S3:S0>为1111时，对应最大增益；当Digtal_con<S3:S0>为0000时，对应最小增益。NM2、NM14的栅极接VDD，有助于提高电路匹配，提高增益精度。PM0、PM1的栅极与共模负反馈电路的输出相连，在共模负反馈环路作用下，CMFB_OUT动态变化调节PM0、PM1的电流，使输出共模电压与参考共模电压VCM相等。
如图3所示，为共模负反馈电路，其中参考共模电平VCM由片外电压源提供。工作原理：例如当输出共模电平升高时，流过NM18、NM21的电流大于流过NM19、NM20的电流，此时PM2、PM3的栅极电压下降，CMFB_OUT上升，最终导致数字控制增益级中PM0、PM1漏极电压下降，即输出共模电压下降。
如图4所示，为模拟控制增益级，其中VBIAS为外接偏置电压，保证电路正常工作。假设PM5、PM6工作在饱和区，增效输出阻抗约等于PM4、PM7跨导的倒数。当Analog_con增加时，通过PM4、PM7的电流增加，使其跨导增加，从而导致增益下降；反之则增益上升。由于PM4、PM7的二极管连接方式，模拟控制增益级的输出共模电压是确定的，因此无需共模负反馈电路。
如图5所示，为将可编程增益放大器的增益范围配置在-40～0dB时的增益曲线。数字控制字Digtal_con<S3:S0>从0000变化至1111，同时调整模拟控制信号Analog_con，使增益步长保持在2dB，增益误差小于1dB。

Claims (4)

1.一种无电阻网络可编程增益放大器电路，其特征在于，包括：两级数字控制增益级STAGE1和STAGE2，两级共模负反馈电路CMFB1和CMFB2，模拟控制增益级STAGE3；
输入信号接第一级数字控制增益级STAGE1的输入端，第一级数字控制增益级STAGE1的输出端接第二级数字控制增益级STAGE2的输入端，第二级数字控制增益级STAGE2的输出端接模拟控制增益级STAGE3的输入端，模拟控制增益级STAGE3的输出端输出最终信号；同时第一级数字控制增益级STAGE1的输出端接第一级共模负反馈电路CMFB1的输入端，第一级共模负反馈电路CMFB1的输出端接第一级数字控制增益级STAGE1的CMFB_OUT端；第二级数字控制增益级STAGE2的输出端接第二级共模负反馈电路CMFB2的输入端，第二级共模负反馈电路CMFB2的输出端接第二级数字控制增益级STAGE2的CMFB_OUT端；
数字控制增益级电路包括40个NMOS管，2个PMOS管，其中NM1、NM2、NM3、NM4和NM13、NM14、NM15、NM16分别构成主输入支路和主负载支路；NM5、NM6、NM7、NM8和NM9、NM10、NM11、NM12分别构成由数字控制信号S0、
Figure FDA0003256677770000011
控制的输入阵列和负载阵列；NM1的漏极接NM2的源极，NM2的栅极接电源VDD，NM2的漏极接NM3和NM4的源极；NM5的漏极接NM6的源极，NM6的栅极接S0，NM6的漏极接NM7和NM8的源极；NM3、NM8的漏极相连，NM3、NM8的栅极与输入信号VIN+相连；NM4、NM7的漏极相连，NM4、NM7的栅极与输入信号VIN-相连；NM13的漏极接NM14的源极，NM14的栅极接电源VDD，NM14的漏极接NM15和NM16的源极；NM9的漏极接NM10的源极，NM10的栅极接
Figure FDA0003256677770000012
NM10的漏极接NM11和NM12的源极；NM11、NM12、NM15、NM16的栅极与漏极相连，构成二极管连接；NM11、NM16的漏极相连，NM12、NM15的漏极相连；NM1、NM5、NM9、NM13的栅极相连；PMOS电流源PM0、PM1的源极接VDD，PM0、PM1的栅极与共模负反馈电路输出CMFB_OUT相连；PM0的漏极与NM4、NM7的漏极相连，构成反相输出VO-，PM1的漏极与NM12、NM15的漏极相连，构成正相输出VO+；
两级数字控制增益级STAGE1和STAGE2实现增益的粗调节，两级共模负反馈电路CMFB1和CMFB2实现每一级输出共模电平的钳位，模拟控制增益级STAGE3实现增益的细调节，减小增益步进和增益误差。
2.如权利要求1所述的无电阻网络可编程增益放大器电路，其特征在于，输入阵列和负载阵列各4组，分别由S0、S1、S2、S3和其相反信号
Figure FDA0003256677770000021
控制；阵列中晶体管尺寸逐级倍增，构成1:2:4:8的比例；各组阵列中的结构相同。
3.如权利要求1所述的无电阻网络可编程增益放大器电路，其特征在于，共模负反馈电路包括NMOS管NM17、NM18、NM19、NM20、NM21和PMOS管PM2、PM3；NM17的漏极接NM18、NM19、NM20、NM21的源极，NM17的栅极接NM19、NM20的栅极，并与共模参考电压VCM相连；VCM既作为NM19、NM20的栅极输入，又作为尾电流源NM17的偏置电压；NM18、NM21、PM3的漏极相连，NM19、NM20、PM2的漏极相连，构成输出CMFB_OUT；PM2、PM3的源极接VDD；PM2的栅极接PM3的栅极，PM3的栅极和漏极相连，形成二极管连接。
4.如权利要求1所述的无电阻网络可编程增益放大器电路，其特征在于，模拟控制增益级电路包括NMOS管NM22、NM23、NM24和PMOS管PM4、PM5、PM6、PM7；其中NM22栅极接偏置电压VBIAS，漏极接NM23、NM24的源极；NM23、NM24的栅极分别接收前级差分输出VO2+、VO2-；PM4、PM7为二极管连接，PM4的漏极接PM5的漏极，PM7的漏极接PM6的漏极，PM5、PM6的栅极均与模拟控制信号Analog_con相连；PM4、PM5、PM6、PM7的源极接VDD；NM23的漏极接PM4、PM5的漏极，构成差分输出VOUT-；NM24的漏极接PM6、PM7的漏极，构成差分输出VOUT+。
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