CN109831171B - 一种可变增益放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可变增益放大器，包括增益控制单元以及相位补偿单元，其中：所述增益控制单元包括一组或两组晶体管，用于通过改变所述一组或两组晶体管中的各晶体管的偏置电压的大小，对各晶体管的输出电流的大小进行控制，以改变所述可变增益放大器的增益；所述相位补偿单元用于对所述一组或两组晶体管中的各晶体管的输出电流的相位进行补偿，以使得所述可变增益放大器的输出信号的相位保持恒定。即，本方案中，可通过在可变增益放大器的输入级增加相位补偿网络，使得可变增益放大器在不同的增益状态下，均能保证输出相位的恒定，从而解决了现有的可变增益放大器所存在的无法实现不同增益下输出相位恒定的问题，提高了可变增益放大器的性能。

Description

一种可变增益放大器
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种可变增益放大器。
背景技术
由于相控阵系统对信号的相位有严格的要求，因而，对于应用在相控阵系统中的VGA(Variable Gain Amplfier，可变增益放大器)电路而言，其除了应具备增益控制的功能外，还需具备保持不同增益状态下输出相位恒定的功能，否则会恶化移相精度，影响系统性能。
目前，业内常采用以下两种放大器结构来实现放大器增益的有效控制：
第一种，电流舵(Current Steering)型可变增益放大器。如图1所示，其中，I表示电流源，R为上拉电阻，Q0～Qn1、Q1N～Q2N表示晶体管(如三极管或者MOS管等)。该放大器的工作原理可为：通过控制该放大器电路中的各共栅管(如Q0～Q2N)的导通与截止，实现信号的分流，进而实现对放大器增益的有效控制。
但是，由于在不同增益状态下，该放大器的输出节点A处接入的共栅管数量是不一样的，使得该放大器的输出节点A处的输出电容会随着该放大器增益的变化而变化，从而导致该放大器的输出相位也会随着该放大器的增益不断变化，即会存在无法实现不同增益下输出相位恒定的问题。
第二种，偏压控制型可变增益放大器。如图2所示，其中，R表示偏置电阻，Q1、Q2表示晶体管(如三极管或者MOS管等)，Vb1表示偏置电压。该放大器的工作原理可为：通过改变Q1的偏置电压Vb1，对该放大器的输出电流进行控制，以控制该放大器的输入级跨导，进而实现对该放大器增益的有效控制。
但是，由于晶体管自身的结电容和寄生电容在不同的偏置电流下具备不同的电容值，从而使得该放大器电路的输出相位会随着偏置电流的变化而变化，从而导致仍会存在无法实现不同增益下输出相位恒定的问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种可变增益放大器，用以解决现有的可变增益放大器所存在无法实现不同增益下输出相位恒定的问题。
一方面，本发明实施例提供了一种可变增益放大器，包括增益控制单元以及相位补偿单元，其中，所述增益控制单元包括一组或两组晶体管：
所述增益控制单元，用于通过改变所述一组或两组晶体管中的各晶体管的偏置电压的大小，对各晶体管的输出电流的大小进行控制，以改变所述可变增益放大器的增益；
所述相位补偿单元，用于对所述一组或两组晶体管中的各晶体管的输出电流的相位进行补偿，以使得所述可变增益放大器的输出信号的相位保持恒定。
也就是说，本发明实施例所述方案中，可通过在可变增益放大器的输入级增加相位补偿网络，使得可变增益放大器在不同的增益状态下，均能保证输出相位的恒定，从而解决了现有的可变增益放大器所存在的无法实现不同增益下输出相位恒定的问题，提高了可变增益放大器的性能。
在一种可能的实现方式中，若所述增益控制单元包括两组晶体管，则所述两组晶体管中的第一组晶体管包括第一晶体管以及第二晶体管，且第一晶体管的信号输入端与第一电压输入信号以及第一偏置电压相连，第二晶体管的信号输入端与第二电压输入信号以及第二偏置电压相连；所述两组晶体管中的第二组晶体管包括第三晶体管以及第四晶体管，且第三晶体管的信号输入端与所述第一电压输入信号以及所述第二偏置电压相连，第四晶体管的信号输入端与所述第二电压输入信号以及所述第一偏置电压相连；且，所述第一电压输入信号与所述第二电压输入信号为一对差分信号：
所述增益控制单元，具体用于通过改变所述第一偏置电压以及所述第二偏置电压的大小，对所述两组晶体管中的各晶体管的输出电流的大小进行控制，以改变所述可变增益放大器的增益。
也就是说，可通过在可变增益放大器的输入级实现正负输入信号的合路，来实现增益控制功能。
在另一种可能的实现方式中，所述相位补偿单元包括第一相位补偿子单元以及第二相位补偿子单元：
所述第一相位补偿子单元的两端分别与第一晶体管、第三晶体管的未作为所述可变增益放大器的信号输出端的信号输出端相连，用于对第一晶体管、第三晶体管的输出电流的相位进行补偿；
所述第二相位补偿子单元的两端分别与第二晶体管、第四晶体管的未作为所述可变增益放大器的信号输出端的信号输出端相连，用于对第二晶体管、第四晶体管的输出电流的相位进行补偿。
也就是说，可将每一个相位补偿子单元连接在可变增益放大器的同相输入端，以对可变增益放大器输出信号的相位进行补偿。
其中，每一相位补偿子单元包括一电容，或者，包括一电容以及与该电容相串联的一电阻。
也就是说，所述相位补偿单元的阻抗可以是一个虚部，或是虚部和实部的组合，使得相位补偿单元的结构更为灵活。
另外，每一相位补偿子单元中的电容的容值不小于设定阈值。
即，本发明实施例中，可引入在可变增益放大器的工作频段内阻抗较小，通常可呈现出交流短路特性的电容作为相位补偿单元，以使得相位补偿单元的引入不会影响整个可变增益放大器输出信号的幅度。
在一种可能的实现方式中，所述可变增益放大器还包括：
退化单元，用于通过改变所述一组或两组晶体管中的各晶体管的输出电流的线性度，改变所述可变增益放大器的输出信号的线性度。
也就是说，在本发明实施例中，可引入用于改善各晶体管的输出电流的线性度的退化单元，进而改善整个可变增益放大器的输出信号的线性度，使得可变增益放大器的跨导增益可尽可能地随着偏置电压的变化而线性地变化。
其中，所述退化单元包括电阻和/或电感。
即，在本发明实施例中，所述退化单元可为单独的电阻、单独的电感或者电阻和电感的任意组合。
在一种可能的实现方式中，所述第一偏置电压以及所述第二偏置电压能够使得第一晶体管、第三晶体管的输出电流的大小之和与第二晶体管、第四晶体管的输出电流的大小之和相等，且为一设定的固定值。
也就是说，在本发明实施例中，所述第一偏置电压以及所述第二偏置电压的大小需要使得第一晶体管、第三晶体管的输出电流的大小之和，以及，第二晶体管、第四晶体管的输出电流的大小之和恒为一固定值，从而保证了可变增益放大器的输入阻抗的恒定，使得可变增益放大器的输入阻抗不会随着增益状态的变化而变化，进一步提高了可变增益放大器的性能。
在另一种可能的实现方式中，所述增益控制单元，具体用于通过模拟控制和/或数字控制的方式改变所述一组或两组晶体管中的各晶体管的偏置电压的大小。
也就是说，在本发明实施例中，可通过模拟控制和/或数字控制的方式来实现增益的切换，使得增益精度的步进更小，系统的性能更高。
在另一种可能的实现方式中，所述增益控制单元中的每一晶体管为三极管、或场效应管。
即，本发明实施例中，晶体管可为三极管，也可为场效应管，从而提高了可变增益放大器的灵活性。
本发明实施例提出了一种可变增益放大器，可通过在可变增益放大器的输入级增加相位补偿网络，使得可变增益放大器在不同的增益状态下，均能保证输出相位的恒定，从而解决了现有的可变增益放大器所存在的无法实现不同增益下输出相位恒定的问题，提高了可变增益放大器的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为现有技术中的电流舵型可变增益放大器的结构示意图；
图2所示为现有技术中的偏压控制型可变增益放大器的结构示意图；
图3所示为本发明实施例中的可变增益放大器的第一种可能的结构示意图；
图4所示为本发明实施例中的可变增益放大器的第二种可能的结构示意图；
图5所示为本发明实施例中的可变增益放大器的第三种可能的结构示意图；
图6所示为本发明实施例中的第一组晶体管所组成的差分电路的结构示意图；
图7所示为本发明实施例中的未引入相位补偿单元、且包含两组晶体管的可变增益放大器的一种可能的结构示意图；
图8所示为本发明实施例中的未引入相位补偿单元、且包含两组晶体管的可变增益放大器的另一种可能的结构示意图；
图9所示为可变增益放大器的半边等效电路中的任一晶体管的输出电流的相位以及幅度与晶体管的偏置电流之间的关系示意图；
图10(a)所示为未引入相位补偿单元、且包含两组晶体管的可变增益放大器的半边等效电路的输出电流的幅度、以及半边等效电路中的两个晶体管的输出电流的幅度与晶体管的偏置电流之间的关系示意图；
图10(b)所示为未引入相位补偿单元、且包含两组晶体管的可变增益放大器的半边等效电路的输出电流的相位、以及半边等效电路中的两个晶体管的输出电流的相位与晶体管的偏置电流之间的关系示意图；
图11所示为引入了相位补偿单元前后、包含两组晶体管的可变增益放大器的半边等效电路的输出电流的相位与晶体管的偏置电流之间的关系示意图；
图12所示为引入了相位补偿单元、且包含两组晶体管的可变增益放大器的半边等效电路的输出电流的幅度以及相位与电容容值的关系示意图；
图13(a)所示为引入相位补偿单元前可变增益放大器的半边等效电路输出电流的相位示意图；
图13(b)所示为引入相位补偿单元后可变增益放大器的半边等效电路输出电流的相位示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
为了解决现有的可变增益放大器所存在的无法实现不同增益下输出相位恒定的问题，本发明实施例提出了一种可变增益放大器，如图3所示，其为本实施例中所述的可变增益放大器的结构示意图。具体地，由图3可知，所述可变增益放大器可包括增益控制单元31以及相位补偿单元32，其中，所述增益控制单元31可包括一组或两组晶体管：
所述增益控制单元31，可用于通过改变所述一组或两组晶体管中的各晶体管的偏置电压的大小，对各晶体管的输出电流的大小进行控制，以改变所述可变增益放大器的增益；
所述相位补偿单元32，可用于对所述一组或两组晶体管中的各晶体管的输出电流的相位进行补偿，以使得所述可变增益放大器的输出信号的相位保持恒定。
也就是说，在本发明实施例中，可通过在可变增益放大器的输入级增加相位补偿单元(即相位补偿网络)，使得可变增益放大器在不同的增益状态下，均能保证输出相位的恒定，从而解决了现有的可变增益放大器所存在的无法实现不同增益下输出相位恒定的问题，提高了可变增益放大器的性能。
其中，所述增益控制单元31所包括的晶体管的组数可由所述可变增益放大器的信号输入端或信号输出端的个数决定，例如，当所述可变增益放大器的信号输入端或信号输出端为一个时，所述增益控制单元31所包括的晶体管的组数可为1组；当所述可变增益放大器的信号输入端或信号输出端为两个时，所述增益控制单元31所包括的晶体管的组数可为2组，对此不作赘述。
可选地，如图4所示，为了能够提高可变增益放大器的线性度，所述可变增益放大器还可包括：
退化单元33，可用于通过改变所述一组或两组晶体管中的各晶体管的输出电流的线性度，改变所述可变增益放大器的输出信号的线性度。
下面，以所述增益控制单元31包括两组晶体管为例，对本实施例中所述的可变增益放大器进行详细的介绍：
具体地，如图4所示，所述增益控制单元包括两组晶体管，且所述两组晶体管中的第一组晶体管包括第一晶体管(如图4中所示的Qp2)以及第二晶体管(如图4中所示的Qn1)，且第一晶体管的信号输入端(即Qp2的基极或栅极)与第一电压输入信号(如图4中所示的Vrf+)以及第一偏置电压相连(如图4中所示的Vb2)，第二晶体管的信号输入端(即Qn1的基极或栅极)与第二电压输入信号(如图4中所示的Vrf-)以及第二偏置电压相连(如图4中所示的Vb1)；所述两组晶体管中的第二组晶体管包括第三晶体管(如图4中所示的Qp1)以及第四晶体管(如图4中所示的Qn2)，且第三晶体管的信号输入端(即Qp1的基极或栅极)与所述第一电压输入信号(如图4中所示的Vrf+)以及所述第二偏置电压相连(如图4中所示的Vb1)，第四晶体管的信号输入端(即Qn2的基极或栅极)与所述第二电压输入信号(如图4中所示的Vrf-)以及所述第一偏置电压(如图4中所示的Vb2)相连；且，所述第一电压输入信号(如图4中所示的Vrf+)与所述第二电压输入信号(如图4中所示的Vrf-)为一对差分信号(即一对大小相等而极性相反的对称信号)；
所述增益控制单元31，具体可用于通过改变所述第一偏置电压(如图4中所示的Vb2)以及所述第二偏置电压(如图4中所示的Vb1)的大小，对所述两组晶体管中的各晶体管的输出电流的大小进行控制，以改变所述可变增益放大器的增益。
也就是说，在本实施例中，可通过在可变增益放大器的输入级实现正负输入信号的合路，来实现增益控制功能。
可选地，所述增益控制单元31中的每一晶体管可为三极管(如NPN型三极管等)、或场效应管(如N-MOS管等)，对此不作任何限定。另外，需要说明的是，通常来说，本发明实施例中所述的各晶体管的各项参数均相同，当然，各晶体管的各项参数也可不同，对此不作任何限定。
另外，由图4可知，所述第一组晶体管中的Qp2以及Qn1的第一信号输出端(集电极或漏极)相连，并可作为所述可变增益放大器的一信号输出端(如图4中所示的iout-)，所述第二组晶体管中的Qp1以及Qn2的第一信号输出端(即集电极或漏极)相连，并作为所述可变增益放大器的另一信号输出端(如图3中所示的iout+)。
另外，由图4所示，包括两组晶体管的所述可变增益放大器的增益控制单元31还可包括连接在各晶体管的信号输入端与相应的偏置电压之间的偏置电阻，如图4中所示的R1、R2、R3以及R4等，以及连接在各晶体管的信号输入端与相应的输入电压信号之间的隔直电容，如图4中所示的C1、C2、C3以及C4等，本实施例对此不作赘述。
具体地，所述增益控制单元31，具体可用于通过模拟控制和/或数字控制的方式改变所述第一偏置电压以及所述第二偏置电压的大小。
由于在现有技术一中，可变增益放大器的增益控制需要通过控制共栅管的数量及比例来实现，这就可能会导致增益控制的步进较大，无法实现高精度的控制，而在本实施例中，可根据实际情况，采用数字、模拟或者数字模拟结合的方式灵活选择增益控制的步进，因而能够有效地细化增益控制的步进，提高移相精度以及系统性能。
进一步地，所述第一偏置电压以及所述第二偏置电压能够使得第一晶体管、第三晶体管的输出电流的大小之和与第二晶体管、第四晶体管的输出电流的大小之和相等，且为一设定的固定值。
也就是说，在本发明实施例中，所述第一偏置电压以及所述第二偏置电压的大小需要使得第一晶体管、第三晶体管的输出电流的大小之和，以及，第二晶体管、第四晶体管的输出电流的大小之和恒为一固定值，从而保证了可变增益放大器的输入阻抗的恒定，使得可变增益放大器的输入阻抗不会随着增益状态的变化而变化，进一步提高了可变增益放大器的性能。
例如，以图4所示的包括两组晶体管的可变增益放大器为例，假设所述Qp2的集电极(或漏极)的输出电流为ip2、所述Qn1的集电极(或漏极)的输出电流为in1、所述Qp1的集电极(或漏极)的输出电流为ip1以及所述Qn2的集电极(或漏极)的输出电流为in2，则所述Vb2以及所述Vb1可使得各晶体管的集电极(或漏极)的输出电流满足如下公式1所示的偏置关系：
ip2+ip1＝in1+in2＝C； 公式1
其中，C为一固定的常数值，其取值可根据实际情况灵活设定，对此不作赘述。
假设，仍以图4所示的包括两组晶体管的可变增益放大器为例，则可由上述内容确定所述可变增益放大器最终的增益，其计算公式可如公式2所示：
其中，Gain表示所述可变增益放大器的增益，iout-表示所述可变增益放大器的第一组晶体管的输出电流，iout+表示所述可变增益放大器的第二组晶体管的输出电流，Vrf+表示所述第一电压输入信号，Vrf-表示所述第二电压输入信号。
进一步地，所述iout-以及iout+可通过公式3计算得到：
其中，ip2表示所述Qp2集电极(或漏极)的输出电流，in1表示所述Qn1集电极(或漏极)的输出电流，ip1表示所述Qp1集电极(或漏极)的输出电流，in2表示所述Qn2集电极(或漏极)的电流。
由公式2～公式3可知，本发明实施例中，增益控制单元31可通过对两组晶体管的输出信号进行合路的方式来实现可变增益放大器的增益控制功能，即可将Vrf+和Vrf-这两个输入信号的差值作为整个可变增益放大器的输入信号，可将iout+和iout-这两个输出信号的差值作为整个可变增益放大器的输出信号，通过改变Vb2和Vb1的差值，实现对iout+和iout-的差值的放大，以改变可变增益放大器的跨导增益，其中，所述可变增益放大器的跨导增益具体可为输出信号(即iout+和iout-的差值)与输入(Vrf+和Vrf-的差值)信号的比值。
另外，需要说明的是，若需要计算所述可变增益放大器的电压增益，还可将跨导增益与负载阻抗ZL的乘积作为所述可变增益放大器的电压增益，对此不作任何限定。
进一步地，仍以图4所示的包括两组晶体管的可变增益放大器为例，所述相位补偿单元32可包括第一相位补偿子单元321以及第二相位补偿子单元322：
所述第一相位补偿子单元321的两端可分别与第一晶体管(即Qp2)、第三晶体管(即Qp1)的第二信号输出端(即Qp2、Qp1的未作为所述可变增益放大器的信号输出端的信号输出端，具体可为Qp2、Qp1的发射极或源极)相连，可用于对第一晶体管、第三晶体管的输出电流的相位进行补偿；
所述第二相位补偿子单元322的两端可分别与第二晶体管(即Qn1)、第四晶体管(即Qn2)的第二信号输出端(即Qn1、Qn2的未作为所述可变增益放大器的信号输出端的信号输出端，具体可为Qn1、Qn2的发射极或源极)相连，可用于对第二晶体管、第四晶体管的输出电流的相位进行补偿。
例如，如图4所示，可将第一相位补偿子单元321连接在第一晶体管Qp2的发射极(或源极)与第三晶体管Qp1的发射极(或源极)之间，可将第二相位补偿子单元322连接在第二晶体管Qn1的发射极(或源极)与第四晶体管Qn2的发射极(或源极)之间，从而实现对晶体管Qp2、Qp1、Qn1以及Qn2的输出电流的相位补偿，对此不作赘述。
也就是说，可将每一个相位补偿子单元连接在可变增益放大器的同相输入端，以对可变增益放大器输出信号的相位进行补偿。
具体地，每一相位补偿子单元可包括一电容(如图4中所示的C5、C6)，或者，包括一电容以及与该电容相串联的一电阻(如图5中所示的C5、R5以及C6、R6)。
也就是说，所述相位补偿单元32的阻抗可以是一个虚部，也可以是虚部和实部的组合，从而可使得所述相位补偿单元32的结构更为灵活，进一步提高可变增益放大器电路的灵活性。
另外，需要说明的是，每一相位补偿子单元中包括的电容以及电阻的个数也可为多个，只要能够对相应晶体管输出的电流进行相位的补偿(或抵消)即可，对此不作赘述。
进一步地，为了使得相位补偿单元32不影响所述可变增益放大器的输出电流的幅度，还可对所述相位补偿单元32中的各电容的容值进行合理的设定。如，通常情况下，可将每一相位补偿子单元中的电容的容值设置为不小于设定阈值的一数值，以使得相位补偿子单元中的电容在可变增益放大器的工作频率内呈现短路特性，仅影响可变增益放大器的输出电流的相位。
其中，所述设定阈值可根据实际情况灵活设置，如可根据可变增益放大器的工作频率来设定，本发明实施例对此不作任何限定。
可选地，仍以图4所示的包括两组晶体管的可变增益放大器为例，假设所述相位补偿单元32仍然可包括第一相位补偿子单元321以及第二相位补偿子单元322，则所述第一相位补偿子单元321的两端还可分别与第一晶体管(即Qp2)、第二晶体管(即Qn1)的第二信号输出端(即Qp2、Qn1的未作为所述可变增益放大器的信号输出端的信号输出端，具体可为Qp2、Qn1的发射极或源极)相连，以用于对第一晶体管、第二晶体管的输出电流的相位进行补偿；
所述第二相位补偿子单元322的两端还可分别与第三晶体管(即Qp1)、第四晶体管(即Qn2)的第二信号输出端(即Qp1、Qn2的未作为所述可变增益放大器的信号输出端的信号输出端，具体可为Qp1、Qn2的发射极或源极)相连，以用于对第三晶体管、第四晶体管的输出电流的相位进行补偿。
也就是说，相位补偿单元32中的各相位补偿子单元除了可连接在可变增益放大器的同相输入端之外，还可连接在可变增益放大器的异相输入端。优选地，由于各相位补偿子单元连接在可变增益放大器的异相输入端时，电路中引用的退化单元无法起到良好的线性补偿作用，因而，本实施例中，通常可将相位补偿单元32中的各相位补偿子单元连接在可变增益放大器的同相输入端，本实施例对此不作赘述。
可选地，以图4所示的包括两组晶体管的可变增益放大器为例，所引入的退化单元33可包括第一退化子单元331、第二退化子单元332、第三退化子单元333以及第四退化子单元334；且，上述退化子单元与各晶体管的连接关系可为：所述第一晶体管的第二信号输出端(即Qp2的未作为所述可变增益放大器的信号输出端的信号输出端，具体可为Qp2的发射极或源极)通过所述第一退化子单元331接地，所述第二晶体管的第二信号输出端(即Qn1的未作为所述可变增益放大器的信号输出端的信号输出端，具体可为Qn1的发射极或源极)通过所述第二退化子单元332接地，所述第三晶体管的第二信号输出端(即Qp1的未作为所述可变增益放大器的信号输出端的信号输出端，具体可为Qp1的发射极或源极)通过所述第三退化子单元333接地，所述第四晶体管的第二信号输出端(即Qn2的未作为所述可变增益放大器的信号输出端的信号输出端，具体可为Qn2的发射极或源极)通过所述第四退化子单元334接地。
即，所述第一相位补偿子单元321的两端可分别与第一退化子单元331以及第二退化子单元332的非接地端相连，所述第二相位补偿子单元322的两端可分别与第三退化子单元333以及第四退化子单元334的非接地端相连，对此不作赘述。
也就是说，本发明实施例中，可在各晶体管的发射极(或者源极)连接相应的退化子单元，以对各晶体管的输出电流的线性度进行合理的改善，从而改善整个可变增益放大器的输出信号的线性度，即改善跨导增益的线性度，使得跨导增益随偏置电压变化尽可能线性地变化。例如，以图4所示的可变增益放大器为例，所引入的退化单元可与相位补偿子单元中的各电容(如C5、C6)形成L-C-L的三阶退化网络，以在对可变增益放大器的输出信号进行相位补偿的同时，改善可变增益放大器所输出信号的线性度。
进一步地，每一退化子单元可包括一电阻和/或一电感。
另外，需要说明的是，每一退化子单元所包括的电阻与电感的个数也可为多个，只要能够改善相应晶体管输出的电流的线性度即可；另外，每一退化子单元所包括的电阻和/或电感的大小可根据实际情况而定，对此不作赘述。
下面，将对本实施例中所述的可变增益放大器的相位补偿原理进行详细说明：
首先，可结合图6～图8，对未引入相位补偿单元32、且包含两组晶体管的可变增益放大器的增益控制原理进行简要说明：
具体地，该未引入相位补偿单元32、且包含两组晶体管的可变增益放大器的第一组晶体管(包括第一晶体管以及第二晶体管)所组成的差分电路可如图6所示，即，可将一对差分信号(如Vrf+以及Vrf-)分别接入到所述第一晶体管(如Qp2)以及所述第二晶体管(如Qn1)的基极(或栅极)，并将所述第一晶体管以及所述第二晶体管的集电极(或漏极)短接，这样，可通过改变所述第一晶体管以及第二晶体管的偏置电压的大小，来控制所述第一晶体管以及所述第二晶体管的偏置电流(如IC2以及IC1，其中，IC2表示QP2的偏置电流，IC1表示Qn1的偏置电流)的大小，以实现对该第一组晶体管所形成的差分电路的跨导增益的有效控制。
具体地，图6所示的差分电路的输出电流可如公式4所示：
iout-＝(gm2-gm1)·Vrf； 公式4
其中，gm2表示所述第一晶体管的跨导，gm1表示所述第二晶体管的跨导，Vrf表示所述差分电路的电压输入信号。另外，需要说明的是，gm2-gm1以及Vrf可通过公式5以及公式6计算得到：
V rf＝V rf+-V rf-； 公式6
其中，ip2和in1分别表示第一晶体管以及第二晶体管集电极(或漏极)的输出电流，Vrf+以及Vrf-分别表示所述差分电路的第一电压输入信号以及第二电压输入信号，且所述第一电压输入信号与所述第二电压输入信号为一对差分信号。
再有，需要说明的是，公式6中的VT表示热电压，具体可通过公式7计算得到：
其中，k表示玻尔兹曼常量(即k＝1.3806488×10-23J/K)，T表示华氏温度，q表示元电荷的电荷量(即q＝1.602 176 565×10-19C)。
进一步地，考虑到差分输入差分输出的情况，可将图6所示的差分电路进行相应拓展，得到图7所示的电路结构(图7为未引入相位补偿单元32、且包含两组晶体管的可变增益放大器的一种可能的结构示意图)。由图7可知，信号Vrf+以及Vrf-还可分别接入到可变增益放大器的第二组晶体管中的第三晶体管(如Qp1)以及第四晶体管(如Qn2)的基极(或栅极)，并且，第三晶体管以及第四晶体管的集电极(或漏极)可相互短接，对此不作赘述。
进一步地，考虑到各晶体管的基极(或栅极)所接入的偏置电压，还可将图6所示的差分电路进行相应拓展，得到图8所示的电路结构(图8为未引入相位补偿单元32、且包含两组晶体管的可变增益放大器的另一种可能的结构示意图)。其中，由图8可知，第一偏置电压(即Vb2)可通过偏置电阻R1接入第一晶体管(即Qp2)的基极(或栅极)、通过偏置电阻R4接入第四晶体管(即Qn2)的基极(或栅极)，第二偏置电压(即Vb1)可通过偏置电阻R2接入第二晶体管(即Qn1)的基极(或栅极)、通过偏置电阻R3接入第三晶体管(即Qp1)的基极(或栅极)。
另外，需要说明的是，为了使得可变增益放大器的输入阻抗保持恒定，图8所示的可变增益放大器的偏置电压通常可使得各晶体管的集电极(或漏极)上的电流满足偏置关系ip2+ip1＝in1+in2＝C(C为一常数)，对此不作赘述。
也就是说，可通过对两组晶体管的输出信号进行合路的方式来实现可变增益放大器的增益控制功能，即可将Vrf+和Vrf-这两个输入信号的差值作为整个可变增益放大器的输入信号，可将iout+和iout-这两个输出信号的差值作为整个可变增益放大器的输出信号，通过改变Vb2和Vb1的差值，实现对iout+和iout-的差值的放大，以改变可变增益放大器的跨导增益。
进一步地，以下将结合图9～10(b)，对图7或图8所示的可变增益放大器的半边等效电路(如包括第一晶体管Qp2以及第二晶体管Qn1的半边等效电路)的输出电流的幅度以及相位与晶体管的偏置电流的关系进行具体介绍：
首先，由图9可知(图9为可变增益放大器的半边等效电路中的任一晶体管(如Qp2)的输出电流的幅度以及相位与晶体管的偏置电流的关系示意图，其中，此处所述的晶体管的偏置电流具体可以是指半边等效电路中的两个晶体管的偏置电流之差，如IC2-IC1，IC2表示QP2的偏置电流，IC1表示Qn1的偏置电流)，可变增益放大器的半边等效电路中的任一晶体管(如Qp2)的输出电流(即ip2)的幅度会随着晶体管的偏置电流的增加而线性增加，输出电流(即ip2)的相位会随着晶体管的偏置电流的增加而先增加后减小，这是因为晶体管自身的结电容和寄生电容在不同电流密度会呈现出不同的容值，即是由晶体管自身的物理特性所决定的。
相应地，由于图7或者图8所示的可变增益放大器的半边等效电路的输出电流实际上可为所述等效电路中的两个晶体管的输出电流的矢量合路，因而，可根据图9中所述的任一晶体管的输出电流与晶体管的偏置电流之间的关系，确定图7或者图8所示的可变增益放大器的半边等效电路的输出电流的幅度以及相位与晶体管的偏置电流的关系。
具体地，通过对图7或者图8所示的可变增益放大器的半边等效电路的输出电流进行仿真模拟，可得到如图10(a)以及图10(b)所示的关系示意图，其中，图10(a)为图7或者图8所示的可变增益放大器的半边等效电路的输出电流的幅度、以及半边等效电路中的两个晶体管的输出电流的幅度与晶体管的偏置电流(具体可为半边等效电路中的两个晶体管的偏置电流之差，如IC2-IC1)的关系示意图，图10(b)为图7或者图8所示的可变增益放大器的半边等效电路的输出电流的相位、以及半边等效电路中的两个晶体管的输出电流的相位与晶体管的偏置电流(具体可为半边等效电路中的两个晶体管的偏置电流之差，如IC2-IC1)的关系示意图。由图10(a)可知，图7或者图8所示的可变增益放大器(即未引入相位补偿单元32、且包含两组晶体管的可变增益放大器)的半边等效电路中的各晶体管的输出电流的幅度均随着晶体管的偏置电流的变化而线性变化，如图10(a)中的Mag ip2以及Mag in1；所述半边等效电路的输出电流(即矢量合路后的输出电流)的幅度也随着晶体管的偏置电流的变化而线性变化，如图10(a)中的Mag iout-；所述半边等效电路中的各晶体管的输出电流的相位随着晶体管的偏置电流的变化而变化，如，如图10(b)中的Phaseip2以及Phase in1；所述半边等效电路的输出电流的相位也随着晶体管的偏置电流的变化而变化，如图10(b)中的Phase iout-。
另外，由图10(b)可知，在偏置电流从1.5mA变化至2.5mA时，所述半边等效电路的输出电流的相位差为8°(即从162°变化到了170°)。这就说明，图7或者图8所示的可变增益放大器的输出信号的相位会随着不同的增益变化而变化，即会存在输出信号的相位不恒定的问题。
也就是说，对图7或者图8所示的未引入相位补偿单元32、且包含两组晶体管的可变增益放大器而言，整个可变增益放大器的输出信号的相位会随着不同增益状态的变化而变化，即，不包括相位补偿单元32的可变增益放大器会存在无法实现不同增益下输出相位恒定的问题，系统的性能较差。
因此，为了对图7或者图8所示的可变增益放大器的输出信号的相位进行补偿，可向图7或者图8所示的可变增益放大器的输入级引入相应的相位补偿单元32，其中，所述相位补偿单元32具体可为图4所示的包括两个相位补偿子单元的相位补偿单元32。
具体地，假设在图7或者图8所示的未引入相位补偿单元32、且包含两组晶体管的可变增益放大器中引入相位补偿单元32，且引入相位补偿单元32之后的可变增益放大器的结构如图4所示，则对图4所示的可变增益放大器的半边等效电路的输出电流与晶体管的偏置电流(具体可为半边等效电路中的两个晶体管的偏置电流之差，如IC2-IC1)的关系进行仿真模拟，可得到如图11所示的关系示意图，其中，虚线表示引入相位补偿单元32之前的变化曲线，实线表示引入相位补偿单元32之后的变化曲线，Phase ip2表示所述半边等效电路中的第一晶体管(即Qp2)的输出电流的相位，Phase in1表示所述半边等效电路中的第二晶体管(即Qn1)输出电流的相位，Phase iout-表示所述半边等效电路的输出电流的相位(即第一晶体管以及第二晶体管的输出电流的矢量和的相位)。
进一步地，由图11可知，在引入了相位补偿单元32之后，所述半边等效电路的输出电流的相位发生了较大的变化，在偏置电流从1.5mA变化至2.5mA时，矢量合路后的输出电流(即半边等效电路的输出电流)的相位差小于1°(即保持在169°左右)，相比于没有引入相位补偿单元32时的相位差(即8°)，实现了很好的补偿。这就说明，相位补偿单元32的引入能够对可变增益放大器输出信号的相位起到良好的补偿作用，即图4中所示的可变增益放大器的输出信号的相位不会随着不同的增益变化而变化，解决了无法实现不同增益下输出相位恒定的问题，提高了可变增益放大器的性能。
另外，需要说明的是，为了使得引入的相位补偿单元32不对所述可变增益放大器的输出信号的幅度产生影响，引入的相位补偿单元32中的电容的容值通常可较大。
进一步地，根据如图12所示的三种具备不同容值的电容，对图4所示的可变增益放大器的半边等效电路的输出电流与晶体管偏置电流(具体可为半边等效电路中的两个晶体管的偏置电流之差，如IC2-IC1)的关系进行仿真模拟，以确定相位补偿单元32中的电容的容值大小对所述可变增益放大器的半边等效电路的输出电流的相位的影响。
具体地，当相位补偿单元32中的电容的容值分别为大电容(如为无穷大)、中电容(如为10pF)以及小电容(如为4pF)时，所述半边等效电路的输出电流的幅度以及相位随晶体管偏置电流(具体可为半边等效电路中的两个晶体管的偏置电流之差，如IC2-IC1)的变化曲线如图12所示，由图12可知，相位补偿单元32中的电容的容值大小基本不会影响半边等效电路的输出电流的幅度(如图12中所示的Mag)，但是电容的大小会影响半边等效电路的输出电流的相位。
进一步地，由图12可知，当所述电容的容值较大(如为中电容10pF)时，所述相位补偿单元32的相位补偿能力最佳。当然，需要说明的是，所述电容的容值也并不是越大越好(如为无穷大时，相位补偿能力较差)，具体可根实际情况灵活设置，对此不再赘述。
最后，以图13(a)以及图13(b)为例，对引入相位补偿单元32前后的效果进行进一步地说明，由图13(a)可知，在低增益和高增益两种状态下，若可变增益放大器的输入级没有引入相位补偿单元32(即电容)，则合路之后的两个输出信号之间存在相位误差，即输出信号的相位不恒定；由图13(b)可知，若可变增益放大器的输入级引入了相位补偿单元32，则合路之后的两个输出信号的相位保持一致。
本发明实施例提供了一种可变增益放大器，可通过在可变增益放大器的输入级增加相位补偿网络，使得可变增益放大器在不同的增益状态下，均能保证输出相位的恒定，从而解决了现有的可变增益放大器所存在的无法实现不同增益下输出相位恒定的问题，提高了可变增益放大器的性能。
另外，由于无需通过控制共栅管的数量来实现增益的控制，因而还能简化晶体管的版图布局、降低可变增益放大器的成本。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种可变增益放大器，其特征在于，包括：增益控制单元以及相位补偿单元，其中，所述增益控制单元包括：两组晶体管及隔直电容；
所述隔直电容分别耦合至所述两组晶体管中的各晶体管的信号输入端，用于实现每个晶体管对应的电压输入信号与偏置电压之间的隔离；
所述增益控制单元，用于通过改变所述两组晶体管中的各晶体管的偏置电压的大小，控制所述可变增益放大器的增益；
所述相位补偿单元，耦合至所述两组晶体管中的各晶体管的第二信号输出端，用于对所述两组晶体管进行相位补偿；
每个晶体管的所述信号输入端为所述晶体管的基极或栅极；
所述可变增益放大器还包括：多个退化子单元，所述多个退化子单元分别耦合于所述两组晶体管中的各个晶体管的第二信号输出端与电平地之间，用于改变所述可变增益放大器的输出电流和输入电压之比，其中任一退化子单元包括电阻或电感中的至少一个，所述相位补偿单元包括：多个相位补偿子单元，每个相位补偿子单元的两端分别与每组晶体管的第二信号输出端相耦合，其中，每组晶体管的第二信号输出端为晶体管的发射极或源极。
2.如权利要求1所述的可变增益放大器，其特征在于，每个晶体管对应的偏置电压施加于所述晶体管的所述信号输入端。
3.如权利要求1或2所述的可变增益放大器，其特征在于，所述两组晶体管中的第一组晶体管包括：第一晶体管以及第二晶体管，所述两组晶体管中的第二组晶体管包括：第三晶体管以及第四晶体管，所述相位补偿单元包括：第一相位补偿子单元以及第二相位补偿子单元：
所述第一相位补偿子单元的两端分别与所述第一晶体管和所述第三晶体管各自的第二信号输出端相耦合，用于对所述第一晶体管和所述第三晶体管的输出电流的相位进行补偿；
所述第二相位补偿子单元的两端分别与所述第二晶体管和所述第四晶体管的第二信号输出端相耦合，用于对所述第二晶体管和所述第四晶体管的输出电流的相位进行补偿；
其中，每个晶体管的第二信号输出端为所述晶体管的发射极或源极。
4.如权利要求3所述的可变增益放大器，其特征在于，所述相位补偿单元中的任一相位补偿子单元包括：电容，或者，
包括：电容以及与该电容相串联的电阻。
5.如权利要求4所述的可变增益放大器，其特征在于，每一相位补偿子单元中的电容的容值不小于设定阈值。
6.如权利要求1所述的可变增益放大器，其特征在于，每个退化子单元包括电阻或电感中的至少一个。
7.一种可变增益放大器，其特征在于，包括：增益控制单元、相位补偿单元以及退化单元，其中，所述增益控制单元包括两组晶体管；
所述增益控制单元，用于通过改变所述两组晶体管中的各晶体管的偏置电压的大小，控制所述可变增益放大器的增益；
所述相位补偿单元，耦合至所述两组晶体管中的各晶体管的第二信号输出端，用于对所述两组晶体管进行相位补偿；
所述退化单元包括：多个退化子单元，所述多个退化子单元分别耦合于所述两组晶体管中的各个晶体管的第二信号输出端与电平地之间，用于改变所述可变增益放大器的输出电流和输入电压之比，其中任一退化子单元包括电阻或电感中的至少一个，所述相位补偿单元包括：多个相位补偿子单元，每个相位补偿子单元的两端分别与每组晶体管的第二信号输出端相耦合，其中，每组晶体管的第二信号输出端为晶体管的发射极或源极。
8.如权利要求7所述的可变增益放大器，其特征在于，每个晶体管对应的偏置电压施加于所述晶体管的信号输入端。
9.如权利要求8所述的可变增益放大器，其特征在于，所述两组晶体管中的第一组晶体管包括：第一晶体管以及第二晶体管，所述两组晶体管中的第二组晶体管包括：第三晶体管以及第四晶体管，所述相位补偿单元包括：第一相位补偿子单元以及第二相位补偿子单元：
所述第一相位补偿子单元的两端分别与所述第一晶体管和所述第三晶体管各自的第二信号输出端相耦合，用于对所述第一晶体管和所述第三晶体管的输出电流的相位进行补偿；
所述第二相位补偿子单元的两端分别与所述第二晶体管和所述第四晶体管的第二信号输出端相耦合，用于对所述第二晶体管和所述第四晶体管的输出电流的相位进行补偿；
其中，每个晶体管的第二信号输出端为所述晶体管的发射极或源极。
10.如权利要求9所述的可变增益放大器，其特征在于，所述相位补偿单元中的任一相位补偿子单元包括：电容，或者，包括：电容以及与该电容相串联的电阻。
11.如权利要求10所述的可变增益放大器，其特征在于，每一相位补偿子单元中的电容的容值不小于设定阈值。
12.如权利要求7至11任一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：隔直电容；
所述隔直电容分别耦合至所述两组晶体管中的各晶体管的信号输入端，用于实现每个晶体管对应的电压输入信号与偏置电压之间的隔离。
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