CN110504933A - 一种高线性可变增益放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变增益放大器，所述增益放大器包括输入PMOS差分晶体管MP1和MP2，负载电流源I_L1、I_L2和I_R，负载晶体管MP3、MP4、MP5和MP6，共源共栅晶体管MN1、MN2、MN3和MN4。本发明采用负载跨导降低技术，使得输出阻抗显著增加，基于单级运放结构能够获得高增益的特性。本发明结合时间增益补偿技术，能够实现高线性的可变增益放大器。本发明相对于传统的可变增益放大器而言，电压增益范围更大，结构简单，功耗较低。

Description

一种高线性可变增益放大器

技术领域

本发明属于集成电路设计与制造技术领域，涉及一种单级线性高线性可变增益放大器电路。

背景技术

在无线通信接收机系统中，可变增益放大器的主要功能是放大微弱信号，以保持适当的信号功率水平，从而降低接收电路的动态范围。由于接收电路的采集信号大部分是指数衰减的，因此可变增益放大器需要具有线性增益特性。一般可变增益放大器的增益通常由电路参数的比率控制，例如一般开环结构由输入和负载晶体管的跨导比率控制，通过控制电流来调整电压增益，遵循近似的指数增益函数。一般结构的可变增益放大器一级可实现的增益范围在30dB左右。为了获取40dB以上的电压增益则需要级联多级结构，这会显著增加芯片功耗和面积。

发明内容

针对现有技术存在的以上问题，本发明提供了一种具有简单电路结构的可变增益放大器。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种可变增益放大器，包括输入PMOS差分晶体管MP1和MP2，负载电流源I_L1、I_L2和I_R，负载晶体管MP3、MP4、MP5和MP6，共源共栅晶体管MN1、MN2、MN3和MN4，其中：

所述负载电流源I_L1的一端接电源VCC，另一端接输入PMOS差分晶体管MP1的源极，同时接输入PMOS差分晶体管MP2的源极；

所述输入PMOS差分晶体管MP1的栅极接输入信号Vip，漏极接共源共栅晶体管MN1的源极，同时接共源共栅晶体管MN3的漏极；

所述输入PMOS差分晶体管MP2的栅极接输入信号Vin，漏极接共源共栅晶体管MN2的源极，同时接共源共栅晶体管MN4的漏极；

所述共源共栅晶体管MN3的源极接地，栅极同共源共栅晶体管MN4的栅极相连，同时与共源共栅晶体管MN1的漏极、负载晶体管MP3的栅极和漏极、负载晶体管MP4的漏极和MP5的栅极相连；

所述共源共栅晶体管MN4的源极接地，漏极同共源共栅晶体管MN2的源极相连；

所述共源共栅晶体管MN1的栅极与共源共栅晶体管MN2的栅极相连，同时接偏置电压Vb；

所述共源共栅晶体管MN2的漏极接输出Vout，同时与负载晶体管MP6的栅极和漏极、负载晶体管MP5的漏极和MP4的栅极相连；

所述负载晶体管MP3的源极同负载晶体管MP6的源极相连，同时与负载电流源I_R的一端相连；

所述负载电流源I_R的另一端接电源VCC；

所述负载晶体管MP4的源极同负载晶体管MP5的源极相连，同时与负载电流源I_L2的一端相连；

所述负载电流源I_L2的另一端接电源VCC。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明采用负载跨导降低技术，使得输出阻抗显著增加，基于单级运放结构能够获得高增益的特性。

2、本发明结合时间增益补偿技术，能够实现高线性的可变增益放大器，线性增益范围约为40dB。

3、本发明相对于传统的可变增益放大器而言，电压增益范围更大，结构简单，功耗较低。

附图说明

图1为高线性可变增益放大器电路原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种高线性可变增益放大器，如图1所示，所述可变增益放大器包括输入PMOS差分晶体管MP1和MP2，负载电流源I_L1、I_L2和I_R，负载晶体管MP3、MP4、MP5和MP6，共源共栅晶体管MN1、MN2、MN3和MN4，其中：

所述负载电流源I_L1的一端接电源VCC，另一端接输入PMOS差分晶体管MP1的源极，同时接输入PMOS差分晶体管MP2的源极；

所述输入PMOS差分晶体管MP1的栅极接输入信号Vip，漏极接共源共栅晶体管MN1的源极，同时接共源共栅晶体管MN3的漏极；

所述输入PMOS差分晶体管MP2的栅极接输入信号Vin，漏极接共源共栅晶体管MN2的源极，同时接共源共栅晶体管MN4的漏极；

所述共源共栅晶体管MN3的源极接地，栅极同共源共栅晶体管MN4的栅极相连，同时与共源共栅晶体管MN1的漏极、负载晶体管MP3的栅极和漏极、负载晶体管MP4的漏极和MP5的栅极相连；

所述共源共栅晶体管MN4的源极接地，漏极同共源共栅晶体管MN2的源极相连；

所述共源共栅晶体管MN1的栅极与共源共栅晶体管MN2的栅极相连，同时接偏置电压Vb；

所述共源共栅晶体管MN2的漏极接输出Vout，同时与负载晶体管MP6的栅极和漏极、负载晶体管MP5的漏极和MP4的栅极相连；

所述负载晶体管MP3的源极同负载晶体管MP6的源极相连，同时与负载电流源I_R的一端相连；

所述负载电流源I_R的另一端接电源VCC；

所述负载晶体管MP4的源极同负载晶体管MP5的源极相连，同时与负载电流源I_L2的一端相连；

所述负载电流源I_L2的另一端接电源VCC。

本发明中，所述负载电流源I_R为固定电流值的电流源，一般由带隙基准电流源产生，任何形式的变种都属于本发明的保护范畴。

本发明中，所述负载电流源I_L1和I_L2均为可变电流值的电流源，一般由带负反馈的压控电流源结构组成，任何形式的变种都属于本发明的保护范畴。

本发明中，所述高线性可变增益放大器采用单级结构，核心电路由输入差分对晶体管、共源共栅晶体管、低跨导负载、可变尾电流源等组成。负载电流源I_L2随着放大器增益的增加而增加。二极管连接形式的负载电流源I_R为恒定电流源。该高线性可变增益放大器的增益可表示为：

需要说明的是，负载电流源I_L1＝I_L2，g_mp1为输入管的跨导，g_mp3为晶体管MP3的跨导，g_mp4为晶体管MP4的跨导。W_in为输入管的栅宽，W_out为输出晶体管的栅宽。输入晶体管和输出晶体管的栅长相等。负载晶体管MP3、MP4、MP5和MP6的宽长比相等，由上式可得到的增益由可变电流源I_L(I_L＝I_L1＝I_L2)控制，增益变化范围较大，A_V/I_L的曲线中间区域以dB为衡量单位时近似线性。结合时间增益补偿技术，能够实现高线性的可变增益放大器。时间增益补偿技术是较为成熟的非线性校准技术，不属于本发明的阐述内容。

本发明的高线性可变增益放大器可应用于超声成像系统中，在该应用中对于接收电路的动态范围要求较高，直接决定了成像系统的分辨率。在超声回波信号传输时会产生衰减，因此需要实时控制电压增益，以便补偿超声回波信号随时间变化所产生的衰减，而且该电压增益补偿应随着时间以对数的形式增加，符合本发明的高线性可变增益放大器的技术特征。

Claims (5)

1.一种可变增益放大器，其特征在于所述增益放大器包括输入PMOS差分晶体管MP1和MP2，负载电流源I_L1、I_L2和I_R，负载晶体管MP3、MP4、MP5和MP6，共源共栅晶体管MN1、MN2、MN3和MN4，其中：

所述负载电流源I_L1的一端接电源VCC，另一端接输入PMOS差分晶体管MP1的源极，同时接输入PMOS差分晶体管MP2的源极；

所述输入PMOS差分晶体管MP1的栅极接输入信号Vip，漏极接共源共栅晶体管MN1的源极，同时接共源共栅晶体管MN3的漏极；

所述输入PMOS差分晶体管MP2的栅极接输入信号Vin，漏极接共源共栅晶体管MN2的源极，同时接共源共栅晶体管MN4的漏极；

所述共源共栅晶体管MN3的源极接地，栅极同共源共栅晶体管MN4的栅极相连，同时与共源共栅晶体管MN1的漏极、负载晶体管MP3的栅极和漏极、负载晶体管MP4的漏极和MP5的栅极相连；

所述共源共栅晶体管MN4的源极接地，漏极同共源共栅晶体管MN2的源极相连；

所述共源共栅晶体管MN1的栅极与共源共栅晶体管MN2的栅极相连，同时接偏置电压Vb；

所述共源共栅晶体管MN2的漏极接输出Vout，同时与负载晶体管MP6的栅极和漏极、负载晶体管MP5的漏极和MP4的栅极相连；

所述负载晶体管MP3的源极同负载晶体管MP6的源极相连，同时与负载电流源I_R的一端相连；

所述负载电流源I_R的另一端接电源VCC；

所述负载晶体管MP4的源极同负载晶体管MP5的源极相连，同时与负载电流源I_L2的一端相连；

所述负载电流源I_L2的另一端接电源VCC。

2.根据权利要求1所述的可变增益放大器，其特征在于所述负载电流源I_R为固定电流值的电流源。

3.根据权利要求1所述的可变增益放大器，其特征在于所述负载电流源I_L1和I_L2均为可变电流值的电流源。

4.根据权利要求1所述的可变增益放大器，其特征在于所述负载晶体管MP3、MP4、MP5和MP6的宽长比相等。

5.根据权利要求1所述的可变增益放大器，其特征在于所述增益放大器的增益表示为：

式中，g_mp1为输入管的跨导，g_mp3为负载晶体管MP3的跨导，g_mp4为负载晶体管MP4的跨导，W_in为输入管的栅宽，W_out为输出晶体管的栅宽，I_L＝I_L1＝I_L2。