CN111294003A - 一种新型宽可变增益低相移可变增益放大器 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，涉及可变增益放大器(VGA)，具体为一种新型宽可变增益低相移可变增益放大器。本发明采用两个可变增益级串联结构，并使用电流复用结构，显著提高了放大器的可调增益范围；并且，两级可变增益级可以分别由不同的外部电源控制；同时，采用本发明宽可变增益低相移可变增益放大器结构，能够在版图中加入电容消除技术，显著降低各端口耦合电容对于放大器相位的影响，降低可变增益放大器的插入相移。综上，本发明在保证宽可变增益的同时，简化了电路结构，降低了插入相移。

Description

一种新型宽可变增益低相移可变增益放大器

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及可变增益放大器(VGA)，具体为一种新型宽可变增益低相移可变增益放大器。

背景技术

随着社会的发展，人们对于无线通信技术的需求越来越高；相控阵技术相较于传统的机械扫描，具有速度快、灵活性高的优点，被广泛应用在无线通信当中。而在相控阵技术中，对于旁瓣波束的抑制和各列的相位控制有很高的要求，需要使用高性能可变增益放大器(VGA)来实现；但是，可变增益放大器本身的附加相移会影响整体电路的性能，影响波束指向方向。

为了解决上述问题，一些相位补偿结构被提出。如图6所示，是一种基于锗硅晶体管工艺的可变增益放大器；其中，Q₁、Q₂组成了输入级，Q₃、Q₄、Q₅、Q₆为电流控制部分，Q₇、Q₈为预失真部分，产生V_B、-V_B来控制控制Q₃、Q₄、Q₅、Q₆部分的增益；Q₉、Q₁₀、Q₁₁、Q₁₂组成共源共栅级，控制电压V_C和-V_C使Q₉、Q₁₀晶体管与Q₁₁、Q₁₂晶体管交替导通，产生了相位翻转的特性；L_L、C_L、R_L组成调谐负载将信号电流转换为电压；基于发射器跟踪器Q₄₅和Q₄₆的输出缓冲区将可变增益放大器与输出连接起来，以便进行测试；采用电阻路实现输出匹配，直流电流源Icmp和Ip为相移补偿电路。

上述方案通过外部接入Icmp，改变Q₃的偏置电流，针对电流增益相位对增益幅值变化的敏感度降低；Q₃的偏置电流减小时，通过Q₉的集电极电流也减小，Q₉的跨导也减小；因此，电流增益公式的极点移到较低的频率，造成的放大器输入/输出相移的增加；为了补偿这一效应，就引入了Icmp。当增益降低时，Q₅的寄生电容效应越发明显，造成了更大的附加相移，上述方案通过引入Ip来补偿这一效应。

综上，在传统的可变增益放大器中，通过控制尾电流的大小，就可以实现对于差动放大对的增益控制，从而实现可变增益；但是，在较高的频段下，电路的寄生参数对于整体电路的影响将会变大，不同端口间寄生电容和寄生电感将产生反馈环路，带来较高的附加相移。传统的可变增益放大器往往采用额外的电流源来抵消寄生参数产生的效应，减小附加相移的影响；但是，这些结构往往带来电路面积增大和额外功耗等问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的问题，本发明提供一种新型宽可变增益低相移可变增益放大器，采用两个可变增益级串联结构，提高了放大器的可调增益范围，并且采用本发明结构能够运用寄生参数消除技术，减少寄生电容和寄生电感带来的附加相移；在保证宽可变增益的同时，简化了电路结构，降低了插入相移。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种新型宽可变增益低相移可变增益放大器，由依次连接的输入级、第一级放大电路、第二级放大电路与输出级构成；其特征在于，

所述第一级放大电路包括：晶体管M1、晶体管M2、晶体管M3、晶体管M4；其中，晶体管M1、晶体管M2、晶体管M3、晶体管M4的源极均接地；晶体管M1与晶体管M2的栅极、晶体管M3与晶体管M4的栅极分别以电容形式耦合，依次作为第一级放大电路的正输入端、负输入端；晶体管M1与晶体管M3的漏极、晶体管M2与晶体管M4的漏极分别相连，依次作为第一级放大电路的正输出端、负输出端；晶体管M1与晶体管M2的栅极连接控制电压V_A，晶体管M3与晶体管M4的栅极连接控制电压V_B；

第二级放大电路包括：晶体管M5、晶体管M6、晶体管M7、晶体管M8、电感L1、电感L2、电容C1、电容C2；其中，晶体管M5、晶体管M6、晶体管M7、晶体管M8的源极均接地；晶体管M5与晶体管M6的栅极、晶体管M7与晶体管M8的栅极分别以电容形式耦合，依次作为第二级放大电路的正输入端、负输入端；晶体管M5与晶体管M7的漏极、晶体管M6与晶体管M8的漏极分别相连，依次作为第二级放大电路的正输出端、负输出端；电感L1一端连接第二级放大电路的正输入端、另一端连接到晶体管M5与晶体管M6的漏极，电感L2一端连接第二级放大电路的负输入端、另一端连接到晶体管M7与晶体管M8的漏极；电容C1连接到晶体管M5与晶体管M6的漏极，电容C2连接到晶体管M7与晶体管M8的漏极，分别形成交流地；晶体管M5、晶体管M8的栅极连接控制电压V_D，晶体管M6、晶体管M7的栅极连接控制电压V_C。

本发明的有益效果在于：

本发明提供一种新型宽可变增益低相移可变增益放大器，采用两个可变增益级串联结构，并使用电流复用结构，显著提高了放大器的可调增益范围；并且，两级可变增益级可以分别由不同的外部电源控制；同时，采用本发明宽可变增益低相移可变增益放大器结构，能够在版图中加入电容消除技术，显著降低各端口耦合电容对于放大器相位的影响，降低可变增益放大器的插入相移。

附图说明

图1为本发明宽可变增益低相移可变增益放大器电路结构图。

图2为本发明中第一级共源极交叉耦合放大电路结构图。

图3为本发明中第二级共源极交叉耦合放大电路结构图。

图4为本发明中端口间寄生参数示意图。

图5为图4所示结构采用电容消除技术的版图，其中，M代表金属层VIA代表通孔层。

图6为传统相位补偿结构的可变增益放大器电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本实施例提出一种基于65nmCMOS技术的新型宽可变增益低相移可变增益放大器，采用两级的放大器结构，较之传统的可变增益放大器有较宽的可调增益范围；同时，使用耦合电容消除技术，大大降低了耦合电容形成的前馈环路产生的影响，减小了可变增益放大器的附加相移。

本实施例提出的可变增益放大器的电路结构如1图所示，其中，晶体管M1～M4组成第一级共源极交叉耦合放大电路，M5～M8组成第二级共源极交叉耦合放大电路，两级放大电路的增益由外接电压V_A、V_B、V_C、V_D控制。

从工作原理上讲：

(1)交叉耦合放大电路

本发明采用两级可变增益放大电路串联结构，其中：

第一级放大电路如图2所示，M1～M4为共源交叉耦合放大电路，M1与M2、M3与M4分别组成两对差分对；M1与M2的源极、M3与M4的源极均接地；M1与M2的栅极、M3与M4的栅极分别以电容形式耦合，依次作为第一级放大电路的正输入端、负输入端；M1与M3的漏极、M2与M4的漏极分别相连，依次作为第一级放大电路的正输出端、负输出端；M1与M2的栅极连接电压V_A，M3与M4的栅极连接电压V_B，通过控制M1、M2与M3、M4的栅极电压来改变两对差分对的偏置，以此控制第一级放大电路的增益；

第二级放大电路如图3所示，M5～M8为共源交叉耦合放大电路，M5与M6、M7与M8分别组成两对差分对；M5与M6的栅极、M7与M8的栅极分别以电容形式耦合，依次作为第二级的放大电路的正输入端、负输入端；M5与M7的漏极、M6与M8的漏极分别相连，依次作为第二级的放大电路的正输出端、负输出端；L1、L2为电流复用结构，用于隔断交流通路，并在高频下成为负载，与前一级的漏源直流通路相连；C1连接到M5与M6的漏极，C2连接到M7与M8的漏极，分别形成交流地；M5、M8的栅极连接电压V_D，M6、M7的栅极连接电压V_C，通过控制M5、M6与M7、M8的栅极电压来改变两对差分对的偏置，以此第二级放大电路的增益；

第一级放大电路的交流输出以电容耦合的方式接入第二级放大电路的输入。

(2)耦合电容消除技术

本发明的放大级在版图中进行优化，引入耦合电容消除技术，大大降低了寄生参数对于放大器相位的影响。

放大级面临的寄生参数问题如图4所示，输出端口和输入端口会有耦合电容存在；版图中由电容耦合、磁耦合和衬底耦合形成的所有前馈路径都具有高通频率特性；因此，耦合随频率增大而增大，使相位变化随频率增大而变差。针对这个问题，本发明在版图上做出优化，为了减小由布局引起的耦合，采用隔离增强技术实现了可变增益放大级的布局；如图5所示，变增益级输入节点(M和N)的互连线位于金属层9和金属层8，输出节点(P和Q)的互连线位于金属层2；金属9和金属8通过金属3的接地板从金属2中分离出来；因此，减少了寄生电容(C4～C7)和电容耦合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (1)

1.一种新型宽可变增益低相移可变增益放大器，由依次连接的输入级、第一级放大电路、第二级放大电路与输出级构成；其特征在于，

所述第一级放大电路包括：晶体管M1、晶体管M2、晶体管M3、晶体管M4；其中，晶体管M1、晶体管M2、晶体管M3、晶体管M4的源极均接地；晶体管M1与晶体管M2的栅极、晶体管M3与晶体管M4的栅极分别以电容形式耦合，依次作为第一级放大电路的正输入端、负输入端；晶体管M1与晶体管M3的漏极、晶体管M2与晶体管M4的漏极分别相连，依次作为第一级放大电路的正输出端、负输出端；晶体管M1与晶体管M2的栅极连接控制电压V_A，晶体管M3与晶体管M4的栅极连接控制电压V_B；

第二级放大电路包括：晶体管M5、晶体管M6、晶体管M7、晶体管M8、电感L1、电感L2、电容C1、电容C2；其中，晶体管M5、晶体管M6、晶体管M7、晶体管M8的源极均接地；晶体管M5与晶体管M6的栅极、晶体管M7与晶体管M8的栅极分别以电容形式耦合，依次作为第二级放大电路的正输入端、负输入端；晶体管M5与晶体管M7的漏极、晶体管M6与晶体管M8的漏极分别相连，依次作为第二级放大电路的正输出端、负输出端；电感L1一端连接第二级放大电路的正输入端、另一端连接到晶体管M5与晶体管M6的漏极，电感L2一端连接第二级放大电路的负输入端、另一端连接到晶体管M7与晶体管M8的漏极；电容C1连接到晶体管M5与晶体管M6的漏极，电容C2连接到晶体管M7与晶体管M8的漏极，分别形成交流地；晶体管M5、晶体管M8的栅极连接控制电压V_D，晶体管M6、晶体管M7的栅极连接控制电压V_C。

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