CN112886934A - 输入输出电压可调的可编程增益放大器 - Google Patents

输入输出电压可调的可编程增益放大器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种输入输出电压可调的可编程增益放大器，包括运算放大器、共源极放大器模块、电阻列阵模块、电容列阵模块以及数字控制模块，其中：输入信号自运算放大器的反向输入端进入；运算放大器的输出端通过共源极放大器模块反馈到运算放大器的同相输入端；运算放大器的输出端连接电阻阵列模块的一端；电阻阵列模块的另一端输出信号并连接电容列阵模块的一端，电容阵列模块的另一端接地；数字控制模块对信号放大器、共源极放大器模块进行控制。本发明通过一个共源放大器进行反馈，将输入输出电压隔离，实现输入输出电压无关联。

Description

输入输出电压可调的可编程增益放大器
技术领域
本发明涉及放大器领域，具体地，涉及一种输入输出电压可调的可编程增益放大器。
背景技术
在宏观世界中，包含信息的物理现象例如声波，电磁波是连续的模拟信号，因此对于数字块来说，处理这些连续信号会产生不同程度的困难，甚至会出现错误数据，因此，需要专门的将模拟信号离散采样并进行有效量化成数字信号的模块来处理这些信息，即利用专门的ADC作为连接模拟模块与数字模块信息通路所必要的转换功能模块。
然而对于ADC来说，也是有其性能的局限性，因为信息采集端通常是用传感器来将各种不同的物理量转换成包含信息的电学信号。首先，这些电学信号通常受限于传感器的输出功率，使得输出信号非常微弱，对于ADC的精确量化是一个非常大的挑战。其次，传感器的状态很容易受到外界环境的干扰，导致输出信号中噪声和失调等干扰信息功率会非常大，例如在压力传感器中，最典型的就是压力电阻的阻值工艺误差造成零位失调，温度变化也会改变压阻特性，造成温漂。因此首先需要在传感器与ADC之间加入放大器，对传感器的输出信号进行放大，缓解因ADC的量化精度造成的设计压力，同时还可以针对不同的应用场合和精度需要，实现多种放大倍数的调节，增加通用性。因此使用PGA来对信号强度进行不同程度的放大，以适应ADC的性能，同时还可以去掉传感器的失调，提高信号处理的精度，可以很好的满足设计需要。通常情况下将PGA与ADC合并称为AFE，PGA作为信息通道的入口，其性能至关重要。
首先，模拟前端电路通常要有较低的噪声，以满足探测器对较小的传输信号的探测要求；其次，模拟前端电路通常有一个大的增益值动态范围，可以满足探测到的电子信号幅值变化较大的需求，从而保证设备稳定地采集到有用的信息并进行处理。因此，为了适应科技的发展，模拟前端系统不断向低噪声、高动态范围、微型化等方向发展，以便当其应用在恶劣的环境中时，能够处理更加复杂、微弱的模拟信号。
与本发明最相近似的已知公开文献包括A.Pletersek，D.Strle andJ.Trontelj，″Low supply voltage，low noise fully differential programmable gainamplifiers，″Proceedingsthe European Design and Test Conference.ED&TC 1995，Paris，France，1995，pp.105-112，doi：10.1109/EDTC.1995.470412。该文献提出的结构主要应用于音频接收，因此致力于低噪声和噪声补偿的实现，没有考虑到开关电阻反馈PGA的输入输出电压必须相等的问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种输入输出电压可调的可编程增益放大器。
根据本发明提供的一种输入输出电压可调的可编程增益放大器，包括运算放大器、共源极放大器模块、电阻列阵模块、电容列阵模块以及数字控制模块，其中：
输入信号自运算放大器的反向输入端进入；
运算放大器的输出端之间通过共源极放大器模块反馈到运算放大器的同相输入端；
运算放大器的输出端连接电阻阵列模块的一端；
电阻阵列模块的另一端输出信号并连接电容列阵模块的一端，电容阵列模块的另一端接地；
数字控制模块对信号放大器、共源极放大器模块进行控制。
优选地，还包括偏置电压模块，所述偏置电压模块对共源极放大器模块提供偏置电压。
优选地，所述运算放大器采用密勒二级运放结构。
优选地，所述共源极放大器模块包括电流偏置单元和共源级单元，其中：
电流偏置单元包括多个并联的PMOS管；
共源级单元使用与电流偏置单元相同的控制字进行同步控制，并联相同的NMOS管。
优选地，电流偏置单元、共源级单元通过温度计码控制。
优选地，所述电流偏置单元通过4个PMOS管并联，并能够实现电流10Ou/200u/400u/800u四个阶梯。
优选地，共源级单元的Gm实现gm/2gm/4gm/8gm四个阶梯。
优选地，所述电阻列阵模块用于提供共源级单元的负载。
优选地，电阻列阵模块的输出电阻Rout能够实现
Figure BDA0002892429840000031
四个阶梯。
优选地，运算放大器的放大倍数为45dB，输出电压为750mV。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明对比传统的电阻反馈PGA，使用增益可调的共源级放大器进行反馈，接RC滤波器进行低通滤波。
2、本发明结构对输入输出电压进行了隔离，对输入电压的要求仅为使共源级放大模块中的NMOS/PMOS饱和即可，输出电压可根据后级电路的要求对运放最后一级的晶体管尺寸进行调整，以改变输出电压。
3、本发明对输入输出电压进行了隔离，对输入电压的要求仅为使共源级放大模块中的NMOS/PMOS饱和即可，输出电压可根据后级电路的要求对运放最后一级的晶体管尺寸进行调整，以改变输出电压。
4、本发明通过一个共源放大器进行反馈，将输入输出电压隔离，实现输入输出电压无关联。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为输入输出电压可调的可编程增益放大器的电路示意图。
图2为输入输出电压可调的可编程增益放大器的运算放大器的电路示意图。
图3为输入输出电压可调的可编程增益放大器的共源极放大器模块电路示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1至图3所示，本发明提供的一种输入输出电压可调的可编程增益放大器，在传统开关电阻阵列反馈PGA的基础上，将电阻反馈改进为共源级放大器反馈，旨在对输入输出电压进行隔离，消除输入输出电压必须相等的限制。需要注意的是，在传统开关电阻PGA的输入输出加上电容进行隔直以控制输入和输出电压的值是不现实的，因为本PGA工作在基带，频率低，电容对小信号有非常大的衰减作用。具体的，本发明提供的输入输出电压可调的可编程增益放大器包括差分运算放大器、共源级放大器反馈模块、电阻阵列、电容阵列、偏置电压模块和数字控制模块。运算放大器为常规的密勒二级运放结构。运算放大器后接的电阻阵列和电容阵列可以起到补偿和滤波的作用。
本发明所提出的输入输出电压可调的可编程增益放大器为差分结构，输入信号从运算放大器的负端进入，运算放大器为常规的密勒二级运放结构，电压增益为45dB。运算放大器的输出通过共源级放大器模块反馈到运算放大器的正端，反馈作用使运算放大器的正端与负端的电压相等。
共源级放大器模块共分为三个部分，电流偏置单元，共源级单元和电阻阵列模块。偏置电压模块给电流偏置模块中的PMOS提供固定的偏置电压，使每个电流偏置单元可以提供相等的电流。4个比特的控制字通过温度计码控制电流偏置单元，实现电流100u/200u/400u/800u四个阶梯。共源级单元使用与电流偏置单元相同的控制字进行同步控制，并联相同的NMOS相当于增加单个NMOS的W/L。根据
Figure BDA0002892429840000041
得到共源级放大器的Gm可实现gm/2gm/4gm/8gm四个阶梯。
电阻阵列模块用于提供共源级单元的负载，使用四位温度计码进行控制。因为NMOS/PMOS的ro很大，因此负载电阻的值可以近似为共源级放大器的输出电阻。因此，输出电阻Rout可实现
Figure BDA0002892429840000042
四个阶梯。需要注意的是，正信号通路和负信号通路的两个电阻阵列负端相连而不是接地，因为电阻两端的电压相等，因此电阻上没有电流经过。根据结构的对称性，电阻阵列的负端可以看做虚地点，因此在小信号模型中相当于接地。为了使电路更加稳定，两个电阻阵列的连接点需通过大电容接地，以控制这一点的电压稳定不变，减少电流的泄露。
共源级放大电路的电压增益为Av＝Gm*Rout，根据不同的控制字，共源级放大模块可以实现
Figure BDA0002892429840000043
共七个阶梯，步长为6dB。
运放后所接的电阻电容阵列为低通滤波电路，因为本PGA工作在基带。
假设运算放大器的增益为A，共源级放大模块的增益为-B，推导可得本结构的传输函数为
Figure BDA0002892429840000044
如果运放为理想运放，增益值可近似为
Figure BDA0002892429840000045
本发明工作时，首先需要对运算放大器的各参数进行设计和调节，为了使系统更加线性，应设计运算放大器的增益尽可能大。运算放大器的第二级可根据后级电路需要的输入电压对PMOS/NMOS的尺寸进行调节。本PGA中设计的运算放大器放大倍数为45dB，输出电压为750mV。
图3所示，PMOS和NMOS的控制字相同。通过改变PMOS的控制字可以改变PMOS流过的总电流，NMOS的控制字同步改变，因此NMOS的W/L也相当于改变了与电流相同的倍数，即通过NMOS的电流与W/L同倍增加，根据公式gm也同倍增加。电阻阵列的控制字单独控制，通过开关电阻控制负载电阻的值。根据控制字PMOS的电流为100u/200u/400u/800u，NMOS的nW/L通过n个W/L的晶体管并联实现，最小单元为两个30u/400n的NMOS并联。负载电阻阵列的一个单元电阻为600Ω，因此负载电阻值为600Ω/300Ω/150Ω/75Ω。
本发明最终实现-15-21dB，以6dB为步长的增益可调。通过一个共源放大器进行反馈，将输入输出电压隔离，实现输入输出电压无关联。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种输入输出电压可调的可编程增益放大器，其特征在于，包括运算放大器、共源极放大器模块、电阻列阵模块、电容列阵模块以及数字控制模块，其中：
输入信号自运算放大器的反向输入端进入；
运算放大器的输出端之间通过共源极放大器模块反馈到运算放大器的同相输入端；
运算放大器的输出端连接电阻阵列模块的一端；
电阻阵列模块的另一端输出信号并连接电容列阵模块的一端，电容阵列模块的另一端接地；
数字控制模块对信号放大器、共源极放大器模块进行控制。
2.根据权利要求1所述的输入输出电压可调的可编程增益放大器，其特征在于，还包括偏置电压模块，所述偏置电压模块对共源极放大器模块提供偏置电压。
3.根据权利要求1所述的输入输出电压可调的可编程增益放大器，其特征在于，所述运算放大器采用密勒二级运放结构。
4.根据权利要求1所述的输入输出电压可调的可编程增益放大器，其特征在于，所述共源极放大器模块包括电流偏置单元和共源级单元，其中：
电流偏置单元包括多个并联的PMOS管；
共源级单元使用与电流偏置单元相同的控制字进行同步控制，并联相同的NMOS管。
5.根据权利要求4所述的输入输出电压可调的可编程增益放大器，其特征在于，电流偏置单元、共源级单元通过温度计码控制。
6.根据权利要求4所述的输入输出电压可调的可编程增益放大器，其特征在于，所述电流偏置单元通过4个PMOS管并联，并能够实现电流100u/200u/400u/800u四个阶梯。
7.根据权利要求6所述的输入输出电压可调的可编程增益放大器，其特征在于，共源级单元的Gm实现gm/2gm/4gm/8gm四个阶梯。
8.根据权利要求4所述的输入输出电压可调的可编程增益放大器，其特征在于，所述电阻列阵模块用于提供共源级单元的负载。
9.根据权利要求8所述的输入输出电压可调的可编程增益放大器，其特征在于，电阻列阵模块的输出电阻Rout能够实现
Figure FDA0002892429830000011
四个阶梯。
10.根据权利要求1所述的输入输出电压可调的可编程增益放大器，其特征在于，运算放大器的放大倍数为45dB，输出电压为750mV。
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