CN113196655A - 用于宽带应用的线性宽范围可变增益放大器 - Google Patents
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Abstract
一种可变增益放大器(1)用于放大具有可变增益的输入信号(13)。所述可变增益放大器(1)包括第一可变增益放大级(11)和第二可变增益放大级(10)。所述第一可变增益放大级(11)适于在所述可变增益的第一增益范围内放大所述输入信号(13)。所述第二可变增益放大级(10)适于在所述可变增益的第二增益范围内放大所述输入信号(13)。所述第一增益范围从所述可变增益放大器(1)的最小增益延伸到边界增益。所述第二增益范围从所述边界增益延伸到所述可变增益放大器(1)的最大增益。
Description
本发明涉及放大器，尤其是高效率的高频放大器。
对于大量应用，使用可变增益放大器。可变增益放大器(Variable GainAmplifiers，VGA)是具有可调增益的放大器，其中，增益可以通过控制电压或电流调节。当信号放大链需要某种增益控制机制时，VGA广泛使用。
VGA最常见的应用是使用自动增益控制(Automatic Gain Control，AGC)反馈环路的放大链。典型的AGC反馈环路由以下部分组成：
·几个放大级，其中一个或多个是VGA，即它们具有增益控制；
·峰值检测器，即在放大链输出端感测信号幅度的电路；
·放大功率检测器输出与目标值之间的差值的误差放大器。
AGC反馈环路调节VGA增益，使得无论输入信号幅度、温度、工艺变化、电源电压等如何而输出信号幅度恒定。
用于线性宽带应用的VGA最重要的性能参数(通常在权衡下)是：
·增益范围(最大增益与最小增益之间的比值)；
·线性度(或等效失真，通常测量为总谐波失真(Total Harmonic Distortion，THD))；
·带宽。
所有VGA的共同点是，THD性能通常在增益范围内有所不同，取决于实现方式。
VGA中遇到的一个一般问题是，增益范围内的最大THD通常随着增益范围的扩展而恶化，即更宽范围的VGA通常具有较差的线性性能。
总之，许多VGA拓扑都遭受严重的增益范围/线性度权衡，同时实现宽增益范围和高线性度可能在功耗方面要求非常高。此外，许多已知解决方案只有少量的固定可编程增益步阶，或者限于可以以良好的线性度容忍非常小的输入信号幅度的实现方式。
因此，本发明的目的是提供一种可变增益放大器，其提供非常宽的增益范围，同时实现高线性度。
该目的通过权利要求1的装置的特征来解决。从属权利要求包括进一步发展。
根据本发明的可变增益放大器用于放大具有可变增益的输入信号。所述可变增益放大器包括第一可变增益放大级和第二可变增益放大级。所述第一可变增益放大级适于在所述可变增益的第一增益范围内放大所述输入信号。所述第二可变增益放大级适于在所述可变增益的第二增益范围内放大所述输入信号。所述第一增益范围从所述可变增益放大器的最小增益延伸到边界增益。所述第二增益范围从所述边界增益延伸到所述可变增益放大器的最大增益。因此可能获得非常宽的增益范围和高线性度。
有利地，所述第一可变增益放大级可以是类似乘法器的可变增益放大器。所述第二可变增益放大级是双级可变增益放大器。这允许在两个放大阶段中具有特别高的线性度。
进一步有利地，所述类似乘法器的可变增益放大器可以适于渐进地引导放大信号远离负载，从而降低所述类似乘法器的可变增益放大器的增益。这允许在增益范围内无缝过渡。
所述双级可变增益放大器可以包括第一放大级和第二放大级，两者都适于放大所述输入信号。所述第一放大级包括比所述第二放大级更大的增益和更低的线性度。所述双级可变增益放大器还包括加法器，适于将所述第一放大级的输出和所述第二放大级的输出级相加。这允许特别高效的放大。
所述加法器可以适于根据所述可变增益，以可变权重将所述第一放大级的所述输出信号相加。这允许在不同放大阶段之间进行非常简单的无缝过渡。
所述第一可变增益放大级和所述第二可变增益放大级可以基于双极晶体管技术或场效应晶体管技术。这允许非常简单的实现方式。
有利地，所述第一可变增益放大级和所述第二可变增益放大级可以基于差分双极晶体管技术或差分场效应晶体管技术。这允许对差分信号进行非常简单的放大。
有利地，所述边界增益可以预设为在所述可变增益放大器的总可变增益范围内最大化所述可变增益放大器的平均线性性能的值。这实现了可变增益放大器的特别有益性能。
进一步有利地，所述第一可变增益放大级可以适于基于第一控制信号在所述第一增益范围内放大所述输入信号。所述第二可变增益放大级适于基于第二控制信号在所述第二增益范围内放大所述输入信号。所述第一控制信号和所述第二控制信号基于所述可变增益。所述第一控制信号不同于所述第二控制信号。这允许对放大进行特别有效的控制。
有利地，所述可变增益放大器可以包括控制信号生成器，适于基于所述可变增益生成所述第一控制信号和所述第二控制信号。这允许对放大进行特别高效的控制。
进一步有利地，所述控制信号生成器可以基于双极晶体管技术或场效应晶体管技术。这进一步简化了实现方式。
现在参照附图进一步解释本发明的示例性实施例，其中
图1以框图示出了可变增益放大器的第一实施例；
图2示出了示例性可变增益放大器的性能图和本发明可变增益放大器的第二实施例的性能图；
图3以电路图示出了本发明可变增益放大器的第三实施例；
图4示出了本发明可变增益放大器的第三示例性实施例内的控制信号；
图5示出了本发明可变增益放大器的第四实施例的性能图；
图6示出了在第一操作点中的本发明可变增益放大器的第五实施例的操作；
图7示出了在第二操作点中的本发明可变增益放大器的第五实施例；
图8示出了在第三操作点中的可变增益放大器的第五实施例的操作。
首先，我们沿着图1和图2演示了可变增益放大器的实施例的一般结构和功能。关于图3至图8，解释了不同实施例和操作的进一步细节。不同图中的类似实体和参考编号已部分省略。
本发明的一般方法是结合两种不同的增益变化方法，以扩展给定THD的VGA增益范围或等效地改善给定增益范围的THD。
在图1中，示出了本发明可变增益放大器1的第一实施例。可变增益放大器1包括第一可变增益放大级11和第二可变增益放大级10。对两个可变增益放大级10、11都提供输入信号13。可变增益放大级10、11的输出信号由加法器12加到输出信号14上。
第一可变增益放大级11优化用于低增益放大。第二可变增益放大级10优化用于高增益放大。可变增益放大级10、11都由控制信号生成器17提供控制信号15、16。控制信号生成器17独立地生成控制信号15、16，使得对两个可变增益放大级10、11提供单独的和不同的控制信号15、16。尤其是，控制信号15、16控制可变增益放大级10、11中的哪个执行输入信号13的放大。此外，控制信号生成器17连接到附加输入18，外部增益控制信号通过附加输入18输入。
尤其是，第一可变增益放大级11可以实现为类似乘法器的可变增益放大器。此外，第二可变增益放大级可以实现为双级可变增益放大器。
在第一放大级实现为类似乘法器的可变增益放大器的情况下，类似乘法器的可变增益放大器适于渐进地引导放大信号远离负载，从而降低类似乘法器的可变增益放大器的增益。
在第二可变增益放大级实现为双级可变增益放大器的情况下，双级可变增益放大器包括第一放大级和第二放大级，两者都适于放大输入信号。第一放大级包括比第二放大级更大的增益和更低的线性度。双级可变增益放大器还包括加法器，适于将双级可变增益放大器的第一和第二放大级的输出信号相加。尤其是，这个加法器可以添加具有可变权重的信号。
在图2中，示出了示例性类似乘法器的可变增益放大器的性能和示例性双级可变增益放大器的性能。此外，本发明可变增益放大器的实施例的结果性能显示在图的下部。从图2可以很容易地看出，总VGA增益范围分成两个区域20、21。
从Gmax开始，在区域21中使用双级技术降低VGA增益。双级技术包括用可变权重混合两个不同增益级的输出，一个增益级具有高增益，另一个增益级具有低增益但线性度更好。这种增益变化技术通常会导致钟形THD变化与增益。
然后，在高增益级完全关闭后，在区域20中使用类似乘法器的技术进一步降低低增益级的增益。类似乘法器的增益降低技术包括渐进地引导增益级生成的RF信号远离负载，从而降低放大器的增益。当增益从MAX降低时，这种增益变化技术通常会导致THD急剧增加。
这两个区域之间的边界优化，以实现最小THDmax即，当THDmax在两个区域中具有相同的值时。
图3示出了适用于宽带应用的双极性技术中的一个可能实施例。第一可变增益放大级11包括由晶体管Q2p-Q2n形成的低增益输入差分级，该低增益输入差分级转换对应于图1的输入信号13的输入差分电压信号Vin_p-Vin_n，成为差分电流。该差分级可以使用某种电阻退化Re_lg来提高其线性性能。该低增益级具有较低的跨导，但线性度高于高增益级(通常为Re_lg>Re_hg)，如下所述。
第二可变增益放大级10包括由晶体管Q1p-Q1n形成的高增益输入差分级，该高增益输入差分级将输入差分电压信号Vin_p-Vin_n转换为差分电流。该差分级可以使用某种电阻退化Re_hg来提高其线性性能。
可变增益放大级10、11共享由晶体管Q3p/n和Q4p/n组成的增益变化网络，增益变化网络用于将高增益级和低增益级产生的差分电流混合到电阻负载中。晶体管Q3p/n和Q4p/n的基极连接到两个单独的差分增益控制信号Vgcp_hg-Vgcn_hg和Vgcp_lg-Vgcn_lg。这些控制信号对应于图1的控制信号15、16。增益变化网络的输出的连接对应于图1的加法器12。
负载电阻RL将差分电流转换为差分输出电压(Vout_p-Vout_n)，执行输入信号放大。存在移能电阻Rdump，其中“未使用”的差分电流由晶体管Q3p/n和Q4p/n引导。所得差分输出信号Vout_p-Vout_n对应于图1的输出信号14。
低增益级和高增益级的控制分开，两个单独的差分增益控制信号Vgcp_hg-Vgcn_hg和Vgcp_lg-Vgcn_lg分别用于高增益级和低增益级。相比仅使用双级增益变化技术的VGA，电流消耗和连接到输出节点的晶体管数量与仅使用双级增益变化技术的VGA中的电流消耗和晶体管数量相同，从而潜在地实现相同带宽。
图4概述了增益控制信号的预期形状和受VGA增益影响的预期THD性能。在图5中可以看到尤其是两个不同增益区域的性能。
在图6中，示出了配置为最大增益时的情况。当配置为MAX增益时，高增益级差分增益控制信号Vgcp_hg-Vgcn_hg必须为正大，低增益级差分增益控制信号Vgcp_lg-Vgcn_lg必须为负大。在这种情况下，晶体管Q3p导通，而晶体管Q3n截止。高增益级Q1p/n产生的差分电流完全引导到负载电阻RL中，导致产生输出信号。在另一边，晶体管Q4p截止，而晶体管Q4n导通，使得由低增益级11产生的差分电流完全引导到移能电阻Rdump，导致没有输出信号产生。
在这种情况下，VGA增益是最大的，其线性度完全由高增益级10决定。
在图7中，示出了增益边界处的情况。从MAX增益条件开始，两个差分控制信号移动到相反的方向，即Vgcp_hg-Vgcn_hg从正移动到负，而Vgcp_lg-Vgcn_lg从负移动到正。因此，高增益级10的差分电流逐渐引导到移能电阻，而低增益级11的差分电流逐渐路由到负载电阻。这决定了VGA增益的降低。在过渡期间，THD将遵循钟形形状，在某个点达到最大THD。在区域20与区域21之间的边界上，高增益级差分控制信号是负大，而低增益级差分控制信号是正大。在这种情况下，只有低增益级11的差分电流路由到负载电阻RL，并导致产生输出信号。线性度完全由低增益级决定。
最后，在图8中，示出了最小增益的情况。从区域1与区域2之间的边界开始，高增益级差分控制信号保持恒定，即负大，而低增益级差分控制信号逐渐减小。高增益级10产生的差分电流保持完全转向移能电阻，导致没有输出信号产生。另一方面，晶体管Q4p逐渐截止，而晶体管Q4n逐渐导通。因此，低增益级11产生的差分电流的一部分引导到移能电阻，并且使用类似乘法器的技术进一步降低VGA增益。增益降低时，THD增加。
VGA最小增益取决于低增益级差分控制信号Vgcp_lg-Vgcn_lg在区域20末尾停止的位置，这是一个设计参数，取决于所需的VGA增益范围。
在这两个区域中，THD在区域21内的某个地方和区域20的底端达到最大值。正如已经指出的，当两个最大值相同时，整体THD性能得到优化。这可以通过调整区域21与区域20之间的过渡点容易地完成，即通过决定总增益范围R的多少使用双级增益降低来执行以及多少留给类似乘法器的增益降低来执行。可以在设计阶段或测量期间进行的简单优化的帮助下做出决定。
本发明不限于示例，尤其是不限于特定的放大器技术。可以用任何有利的组合使用示例性实施例的特征。
Claims (11)
1.一种可变增益放大器(1)，用于放大具有可变增益的输入信号(13)，其特征在于，包括：
-第一可变增益放大级(11)，适于在所述可变增益的第一增益范围内放大所述输入信号(13)，
-第二可变增益放大级(10)，适于在所述可变增益的第二增益范围内放大所述输入信号(13)，
其中，所述第一增益范围从所述可变增益放大器(1)的最小增益延伸到边界增益，
所述第二增益范围从所述边界增益延伸到所述可变增益放大器(1)的最大增益。
2.根据权利要求1所述的可变增益放大器(1)，其特征在于，
所述第一可变增益放大级(11)是类似乘法器的可变增益放大器，
所述第二可变增益放大级(10)是双级可变增益放大器。
3.根据权利要求2所述的可变增益放大器(1)，其特征在于，
所述类似乘法器的可变增益放大器适于渐进地引导放大信号远离负载，从而降低所述类似乘法器的可变增益放大器的增益。
4.根据权利要求2或3所述的可变增益放大器(1)，其特征在于，
所述双级可变增益放大器包括第一放大级和第二放大级，两者都适于放大所述输入信号(13)，
所述第一放大级包括比所述第二放大级更大的增益和更低的线性度，
所述双级可变增益放大器包括加法器，适于将所述第一放大级的输出信号和所述第二放大级的输出信号相加。
5.根据权利要求4所述的可变增益放大器(1)，其特征在于，
所述加法器适于根据所述可变增益，以可变权重将所述第一放大级的所述输出信号和所述第二放大级的所述输出信号相加。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的可变增益放大器(1)，其特征在于，
所述第一可变增益放大级(11)和所述第二可变增益放大级(10)基于双极晶体管技术或场效应晶体管技术。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的可变增益放大器(1)，其特征在于，
所述第一可变增益放大级(11)和所述第二可变增益放大级(10)基于差分双极晶体管技术或差分场效应晶体管技术。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的可变增益放大器(1)，其特征在于，
所述边界增益预设为在所述可变增益放大器(1)的总可变增益范围内最大化所述可变增益放大器(1)的平均线性性能的值。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的可变增益放大器(1)，其特征在于，
所述第一可变增益放大级(11)适于基于第一控制信号(16，Vgcn_hg，Vgcp_hg)在所述第一增益范围内放大所述输入信号(13)，
所述第二可变增益放大级(10)适于基于第二控制信号(15，Vgcn_lg，Vgcp_lg)在所述第二增益范围内放大所述输入信号(13)，
其中，所述第一控制信号(16，Vgcn_hg，Vgcp_hg)和所述第二控制信号(15，Vgcn_lg，Vgcp_lg)基于所述可变增益，
所述第一控制信号(16，Vgcn_hg，Vgcp_hg)不同于所述第二控制信号(15，Vgcn_lg，Vgcp_lg)。
10.根据权利要求9所述的可变增益放大器(1)，其特征在于，
所述可变增益放大器(1)包括控制信号生成器(17)，适于基于所述可变增益生成所述第一控制信号(16，Vgcn_hg，Vgcp_hg)和所述第二控制信号(15，Vgcn_lg，Vgcp_lg)。
11.根据权利要求9或10所述的可变增益放大器(1)，其特征在于，
所述控制信号生成器(17)基于双极晶体管技术或场效应晶体管技术。
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