CN113346847A - 高线性度可变增益放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高线性度可变增益放大器，主要解决现有同类放大器线性度较差的问题。其包括：依次连接的第一放大电路(1)、电流复用模块(3)、第二放大电路(2)、共源共栅放大电路(5)，该共源共栅放大电路(5)的中间节点连接有电流控制模块(6)，用于通过控制流过共源共栅放大电路(5)的电流，控制整个放大器的增益，该第一放大电路(1)的另一输入端连接有线性度提高模块(4)，用于同时抵消主放大电路的二阶非线性项和三阶非线性项，提高放大器的线性度。本发明能在保证电路高增益和低附加相移的前提下，有效的提高可变增益放大器的线性度，且电路设计简单、成本低，可用于无线通信射频前端芯片中。

Description

高线性度可变增益放大器

技术领域

本发明属于射频集成电路技术领域，特别涉及一种可变增益放大器，可用于无线通信射频前端芯片中。

背景技术

可变增益放大器VGA作为射频收发机关键模块，其功能在于实现对接收和发射信号的幅度、功率进行调整，补偿相控阵不同通道之间的增益和减少相控阵收发机系统中的旁瓣电平；作为增益控制单元，可变增益放大器需要有足够的增益动态范围以补偿任一扫描支路的增益变化，且在调节增益时不应引入额外的相移，否则将会恶化相控阵系统的扫描精度；可变增益放大器在射频接收机链的后端，其线性度对整个接收机的线性度有决定性影响，所以设计高线性度可变增益放大器是十分必要的。

现有技术中，可变增益放大器分为开环和闭环两种方式：赵毅强在其申请的专利文献“一种高线性度可变增益放大器”(申请号201610524511.2，公开号CN1066684A，公开日2016.07.05)中公开了一种闭环可变增益放大器，该可变增益放大器由闭环负反馈结构和产生增益控制电压的指数增益控制电路组成，其线性度的提高通过指数增益控制电路实现。马顺利在其申请的专利文献“一种高线性度的宽带可变增益放大器”(申请号202010576617.3，公开号CN111740709A，公开日2020.10.02)中公开了一种闭环可变增益放大器，该可变增益放大器包括固定增益放大器和可变增益放大器，其通过控制固定增益放大器的导通与否来提升线性度。以上专利虽能通过闭环可变增益放大器固有的结构来提升线性度，但是却无法将线性度优化到最好。

Mohammad Reza Nikbakhsh在其发表的论文“Two-stage current-reusedvariable-gain lownoise amplifier for X-band receivers in 65nm complementarymetal oxide semiconductor technology”(doi:10.1049/iet-cds.2017.0538)中公开了一种开环可变增益放大器，如图1所示，该可变增益放大器的线性度提高模块由一个工作在亚阈值区的NMOS管构成，该NMOS管并联在主放大管的两端，利用三阶非线性项在不同偏置下相位相反的特点，可以有效的抵消跨导的三阶非线性从而提升线性度，但是NMOS管的二阶交调非线性在两种偏置状态下相位相同，它的累加会限制电路的线性度提升，当电路工作在毫米波频段时这种影响更加严重，甚至会使得三阶非线性导致的线性度提升效果消失。

周稳在其发表的论文“基于BiCMOS工艺超宽带可变增益放大器的研究与设计”(西安电子科技大学，电子科学与技术专业硕士论文，2015年，11月)中公开了一种开环可变增益放大器，该可变增益放大器采用共基极作为输入电路的差分电流舵结构，引入发射极负反馈电阻电容来提升线性度和展宽带宽，但是负反馈电阻电容的引入会大大降低增益。此外，该可变增益放大器的附加相移恶化现象十分严重。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术不足，提出一种高线性度可变增益放大器，在保证电路高增益和低附加相移的同时提高可变增益放大器的线性度。

为实现上述目的，本发明的技术技术方案如下：

一种高线性度可变增益放大器，包括依次连接的第一放大电路、电流复用模块、第二放大电路、共源共栅放大电路和分别与共源共栅放大电路中间节点连接的电流控制模块及与第一放大电路另一输入端连接的线性度提高模块，特征在于：

所述线性度提高模块，用于同时抵消第一放大电路的二阶非线性项和三阶非线性项，避免晶体管的高阶非线性对电路线性度IIP3提升的限制，其包括第一PMOS管P1、第二电阻R2和第三电容C3；该第一PMOS管P1的栅极通过第二电阻R2连接到偏置电压VB2，通过第三电容C3并联连接到第一放大电路的两端；

所述共源共栅放大电路，用于对第二放大电路的输出信号进一步放大，其包括第三NMOS管N3、第四NMOS管N4、第六电容C6、第四电阻R4、第五电阻R5、第五电感L5、第六电感L6和第七电感L7；该第三NMOS管N3，其栅极通过第四电阻R4连接到偏置电压VB4并通过第五电感L5连接到第二放大电路，其源极通过第六电感L6连接到地GND，其漏极与第四NMOS管N4的源极和电流控制模块相连；该第四NMOS管N4，其栅极直接连接到电源VDD，其漏极通过第六电容C6耦合到输出RFout并通过并联的第七电感L7和第五电阻R5连接到电源VDD，其源极连接到第三NMOS管N3的漏极和电流控制模块；

所述电流控制模块，用于接收控制信号N-bits，并根据控制信号N-bits输出电流至共源共栅放大电路，控制整个放大电路的增益，其包括八个NMOS管N5、N6、N7、N8、N9、N10、N11、N12；该第五到第八NMOS管N5、N6、N7、N8的漏极相接并连接到第四NMOS管N4的漏极，源极相接并连接到第四NMOS管N4的源极，栅极分别连接到外部四路反相控制信号

该第九到第十二NMOS管N9、N10、N11、N12的漏极相接并连接到电源VDD，源极相接并连接到第四NMOS管N4的源极，栅极分别连接到外部四路控制信号D₁、D₂、D₃、D₄。

进一步，所述第一放大电路，用于对输入信号RFin进行初步放大，其包括第一NMOS管N1、第二电容C2、第一电感L1、第二电感L2和第一电阻R1；输入信号RFin通过第二电容C2和第一电感L1与第一NMOS管的栅极相连；该第一NMOS管N1，其栅极通过第一电阻R1连接到偏置电压VB1，其源极通过第二电感L2连接到地GND，其漏极与线性度提高模块中的第一PMOS管P1的漏极和电流复用模块的一端相连。

进一步，所述第二放大电路，用于对第一放大电路放大后的信号进行第二次放大，其包括第二NMOS管N2、第一电容C1、第三电阻R3和第四电感L4；该第二NMOS管N2，其栅极通过第三电阻R3与电源VDD相连，其源极与电流复用模块的另一端相连，其漏极通过第四电感L4与电源VDD相连并且通过第一电容C1耦接到共源共栅放大电路的第五电感L5。

进一步，所述电流复用模块，用于将第二放大电路自偏置，在不增加功耗的前提下提高增益，其包括第三电感L3、第四电容C4和第五电容C5；该第四电容C4的一端连接到第二放大电路中第二NMOS管N2的栅极，另一端连接到第一放大电路中第一NMOS管N1的漏极；该第三电感L3的一端连接到第二放大电路中第二NMOS管N2的源极并通过第五电容C5耦合到地GND，另一端连接到第一放大电路中第一NMOS管N1的漏极。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

第一，本发明由于在第一放大电路的第一NMOS管的两端并接有线性度提高模块，能够提供与第一放大电路相位相反的二阶非线性项和三阶非线性项，可同时抵消第一放大电路的二阶非线性和三阶非线性，极大地提高了放大器的输入三阶截取点，有效改善放大器的线性度。

第二，本发明由于用共源共栅放大电路替换了传统技术的共源放大电路，提高了放大器的隔离度，使得在增益变化时输入回波损耗基本不会发生变化。

第三，本发明由于在电流控制模块中采用带附加共源共栅管的四位信号控制电流结构，在保持低附加相移的同时实现可变增益放大器的多种增益状态的切换，并可根据系统的要求，通过四位控制信号控制开关的通断，实现增益的切换。

附图说明

图1为现有开环可变增益放大器的电路框图；

图2为本发明的电路框图；

图3为本发明的电路原理图；

图4为本发明中的电流控制模块电路原理图；

图5为本发明的增益仿真曲线图；

图6为本发明的附加相移仿真曲线图；

图7为本发明的输入三阶交调点IIP3仿真曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施例及效果作进一步详细描述。

参照图2，本发明包括第一放大电路1、第二放大电路2、电流复用模块3、线性度提高模块4、共源共栅放大电路5和电流控制模块6。第一放大电路1、电流复用模块3、第二放大电路2和共源共栅放大电路5依次连接，线性度提高模块4同时与输入信号RFin和第一放大电路1的中间节点连接，电流控制模块6连接到共源共栅放大电路5的中间节点。输入信号RFin流入第一放大电路1进行初步放大，流经电流复用模块3，流入第二放大电路2进行再次放大，最后流入共源共栅放大电路5，由电流控制模块6进行增益的调节。

参照图3，本实施例各单元的电路结构如下：

所述第一放大电路1，用于接收输入信号RFin，并将输入信号进行初次放大，其包括第一NMOS管N1、第二电容C2、第一电感L1、第二电感L2和第一电阻R1；该第一NMOS管N1，其栅极通过第一电阻R1连接到偏置电压VB1，其源极通过第二电感L2连接到地GND，其漏极与第一PMOS管P1的漏极和第三电感L3的一端相连，该第一NMOS管N1工作在饱和区。

所述第二放大电路2，用于接收第一放大电路输出的信号，并将第一放大电路1的输出信号进行进一步放大，其包括第二NMOS管N2、第一电容C1、第三电阻R3和第四电感L4；该第二NMOS管N2，其栅极通过第三电阻R3与电源VDD相连，其源极与第三电感L3的另一端相连并通过第五电容C5耦合接地GND，其漏极通过第四电感L4与电源VDD相连并且通过第一电容C1耦接到第五电感L5，该第二NMOS管N2工作在饱和区。

所述电流复用模块3，用于将第二放大电路2自偏置，在不增加功耗的前提下提高增益，其包括第三电感L3、第四电容C4和第五电容C5；该第四电容C4的一端连接到第二NMOS管N2的栅极，另一端连接到第一NMOS管N1的漏极；第三电感L3的一端连接到第二NMOS管N2的源极并通过第五电容C5连接到地GND，另一端连接到第一NMOS管N1的漏极。

所述线性度提高模块4，用于抵消主放大电路的二阶非线性和三阶非线性，从而提高线性度，其包括第一PMOS管P1、第二电阻R2和第三电容C3；该第一PMOS管P1工作在饱和区，其栅极通过第二电阻R2连接到偏置电压VB2并通过第三电容C3耦接到第一NMOS管N1的栅极，其漏极连接到第一NMOS管N1的漏极，其源极连接到电源VDD。

所述共源共栅放大电路5，用于对放大器的增益进行调节，其包括第三NMOS管N3、第四NMOS管N4、第六电容C6、第四电阻R4、第五电阻R5、第五电感L5、第六电感L6和第七电感L7；该第三NMOS管N3，其栅极通过第四电阻R4连接到偏置电压VB4并通过第五电感L5连接到第一电容C1的另一端，其源极通过第六电感L6连接到地GND，其漏极与第四NMOS管N4的源极和电流控制模块相连，第三NMOS管N3工作在饱和区；该第四NMOS管N4，其栅极直接连接到电源VDD，其漏极通过第六电容C6耦合到输出RFout，并通过并联的第七电感L7和第五电阻R5连接到电源VDD，其源极连接到第三NMOS管N3的漏极，第四NMOS管N4工作在饱和区。

参照图4，所述电流控制模块6，其包括八个NMOS管N5、N6、N7、N8、N9、N10、N11、N12；该第五到第八NMOS管N5、N6、N7、N8，其漏极相接并连接到第四NMOS管N4的漏极，其源极相接并连接到第四NMOS管N4的源极，其栅极分别连接到外部四路反相控制信号

该第九到第十二NMOS管N9、N10、N11、N12，其漏极相接并连接到电源VDD，其源极相接并连接到第四NMOS管N4的源极，其栅极分别连接到外部四路控制信号D₁、D₂、D₃、D₄。第五NMOS管N5和第九NMOS管N9、第六NMOS管N6和第十NMOS管N10、第七NMOS管N7和第十一NMOS管N11、第八NMOS管N8和第十二NMOS管N12的栅长比分别相等。该外部四路反相控制信号

分别与外部四路控制信号D₁、D₂、D₃、D₄互补，且每种反相控制信号和控制信号均有两种工作状态，分别为0V和1.2V，当外部四路控制信号D₁、D₂、D₃、D₄均为0V时，可实现最高增益；当外部四路控制信号D₁、D₂、D₃、D₄均为1.2V时，可实现最低增益。

第五到第十二NMOS管N5、N6、N7、N8、N9、N10、N11、N12的栅极分别接收外部控制信号

D₁、D₂、D₃、D₄，并根据控制信号确定第五到第十二NMOS管N5、N6、N7、N8、N9、N10、N11、N12的工作状态，输出第一电流I₁至共源共栅电路的第四NMOS管M4的漏极，控制流过第五NMOS管M5的第二电流I₂，从而控制共源共栅电路的跨导Gm，即控制整体放大器的增益。

本实例的工作原理如下：

本实例可工作在直流和交流两种模式下，在直流模式下为单级结构，因此该电路消耗的功率较小，在交流模式下可以看作为两级结构，第一NMOS管N1和第二NMOS管N2都被相同的电流偏置，因此该电路得到较高的增益。

在交流模式下，输入信号RFin通过第二电容C2和第一电感L1连接到第一NMOS管N1的源极进行初步放大，第四电容C4把第一放大电路1的输出信号传输到第二放大电路2的栅极进行再次放大；第五电容C5将第二NMOS管的源极耦接到地GND，被认为足够大，可把第二NMOS管N2的源极连接到地GND，以达到更高的增益；第三电感L3连接在第一NMOS管N1的源极和第二NMOS管N2的漏极之间，被认为足够大，可以减小泄露，从而提高增益。工作在饱和区的第一NMOS管N1的小信号输出电流可以表示为

其中v_gs是输入小信号栅极-源极电压，

为小信号跨导，

为二阶非线性系数，

为三阶非线性系数。在这些系数中，三阶非线性系数g₃是最重要的，它控制小信号的三阶互调失真IMDs，从而决定了输入三阶交调点IIP3。输入三阶交调点的幅值可以表示为：

因此，减小三阶非线性项g₃是行之有效的提高线性度的方法。

由于PMOS辅助管和NMOS放大管的二阶非线性和三阶非线性系数相位均相反，线性度提高模块4可利用第一PMOS管P1产生相位相反的二阶非线性项和三阶非线性项，同时抵消第一NMOS管N1的二阶非线性和三阶非线性，且第一PMOS管P1工作在饱和区，能同时放大信号。

共源共栅电路5中加入电流控制模块6，根据接收的控制信号N-bits输出第一电流I₁至第三NMOS管N3的漏极，控制流过第四NMOS管N4的第二电流I₂，从而控制共源共栅电路5的跨导Gm，进而控制整体放大器的增益。增益切换时，第五到第八NMOS管N5、N6、N7、N8分别和第九到第十二NMOS管N9、N10、N11、N12的工作状态相反，使得第五到第八NMOS管N5、N6、N7、N8均工作在饱和区时可以实现最高增益，均工作在截止区时可以实现最低增益。本发明中仅使用四组栅长比相等的NMOS管，也可以扩展到多组，使用电流加权可以实现dB线性。

下面结合仿真实验对本发明的效果作进一步的描述。

1.仿真实验条件：

本发明仿真实验元件采用SMIC 55nmRFCMOS工艺，在Redhat系统下，基于CadenceIC617仿真实验平台搭建本发明仿真电路。

本发明仿真采用Specture RF仿真工具对本发明电路进行仿真，给定电源电压VDD为1.2V，工作温度为26℃，控制电压D1、D2、D3、D4、

分别为0V或者1.2V，偏置电压V_B1,V_B2,V_B4均为0.7V，工作频率为24-28GHz。

2.仿真内容及结果分析：

仿真1，在上述工作条件下，采用SpectureRF仿真工具，在电路输入端RFin、输出端RFout分别添加输入端口和输出端口，设置输入射频信号频率的扫描范围为[24G，28G]Hz，步进为100MHz，对本发明的增益S21进行仿真，结果如图5，其中横坐标表示输入射频信号频率，单位为GHz，纵坐标表示可变增益放大器的增益S21，单位为dB。由图5可以看出，本发明的可变增益放大器有16种增益状态，步进为0.5dB，均匀分布。

仿真2，在上述工作条件下，采用SpectureRF仿真工具，在电路输入端RFin、输出端RFout分别添加小信号交流源vsin和输出端口，设置小信号交流源vsin的幅度为1V，相位为0°，对本发明的附加相移进行仿真，结果如图6，其中横坐标表示输入射频信号频率，单位为GHz，纵坐标表示可变增益放大器的附加相移，单位为°。由图6可以看出，本发明的可变增益放大器有16种附加相移状态，附加相移小于3.5°。

仿真3，在上述工作条件下，采用SpectureRF仿真工具，在电路输入端RFin、输出端RFout分别添加输入端口和输出端口，设置测试频率为26GHz，射频输入信号功率的扫描范围为[-50，0]dBm，步进为0.1dBm，仿真阶数选择一阶和三阶，结果如图7，其中横坐标表示射频输入信号功率，纵坐标表示输出信号功率，横、纵坐标的单位均为dBm。由图7可以看出，本发明的可变增益放大器的输入三阶截取点为-2.92dBm，表明本发明具有较高的线性度。

上述的理论分析和仿真结果表明，本发明提出的高线性度可变增益放大器，在保证电路高增益和低附加相移的同时提高可变增益放大器的线性度。

Claims (10)

1.一种高线性度可变增益放大器，包括依次连接的第一放大电路(1)、电流复用模块(3)、第二放大电路(2)、共源共栅放大电路(5)和分别与共源共栅放大电路(5)中间节点连接的电流控制模块(6)及与第一放大电路(1)另一输入端连接的线性度提高模块(4)，特征在于：

所述线性度提高模块(4)，用于同时抵消第一放大电路(1)的二阶非线性项和三阶非线性项，避免晶体管的高阶非线性对电路线性度IIP3提升的限制，其包括第一PMOS管P1、第二电阻R2和第三电容C3；该第一PMOS管P1的栅极通过第二电阻R2连接到偏置电压VB2，通过第三电容C3并联连接到第一放大电路(1)的两端；

所述共源共栅放大电路(5)，用于对第二放大电路(2)的输出信号进一步放大，其包括第三NMOS管N3、第四NMOS管N4、第六电容C6、第四电阻R4、第五电阻R5、第五电感L5、第六电感L6和第七电感L7；该第三NMOS管N3，其栅极通过第四电阻R4连接到偏置电压VB4并通过第五电感L5连接到第二放大电路(2)，其源极通过第六电感L6连接到地，其漏极与第四NMOS管N4的源极和电流控制模块(6)相连；该第四NMOS管N4，其栅极直接连接到电源VDD，其漏极通过第六电容C6耦合到输出RFout并通过并联的第七电感L7和第五电阻R5连接到电源VDD，其源极连接到第三NMOS管N3的漏极和电流控制模块(6)；

所述电流控制模块(6)，用于接收控制信号N-bits，并根据控制信号N-bits输出电流至共源共栅放大电路(5)，控制整个放大电路的增益，其包括八个NMOS管N5、N6、N7、N8、N9、N10、N11、N12；该第五到第八NMOS管N5、N6、N7、N8的漏极相接并连接到第四NMOS管N4的漏极，源极相接并连接到第四NMOS管N4的源极，栅极分别连接到外部四路反相控制信号

该第九到第十二NMOS管N9、N10、N11、N12的漏极相接并连接到电源VDD，源极相接并连接到第四NMOS管N4的源极，栅极分别连接到外部四路控制信号D₁、D₂、D₃、D₄。

2.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于：所述第一放大电路(1)，用于对输入信号RFin进行初步放大，其包括第一NMOS管N1、第二电容C2、第一电感L1、第二电感L2和第一电阻R1；输入信号RFin通过第二电容C2和第一电感L1与第一NMOS管的栅极相连；该第一NMOS管N1，其栅极通过第一电阻R1连接到偏置电压VB1，其源极通过第二电感L2连接到地GND，其漏极与线性度提高模块(4)中的第一PMOS管P1的漏极和电流复用模块(3)的一端相连。

3.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于：所述第二放大电路(2)，用于对第一放大电路(1)放大后的信号进行第二次放大，其包括第二NMOS管N2、第一电容C1、第三电阻R3和第四电感L4；该第二NMOS管N2，其栅极通过第三电阻R3与电源VDD相连，其源极与电流复用模块(3)的另一端相连，其漏极通过第四电感L4与电源VDD相连并且通过第一电容C1耦接到共源共栅放大电路(5)的第五电感L5。

4.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于：所述电流复用模块(3)，用于将第二放大电路(2)自偏置，在不增加功耗的前提下提高增益，其包括第三电感L3、第四电容C4和第五电容C5；该第四电容C4的一端连接到第二放大电路(2)中第二NMOS管N2的栅极，另一端连接到第一放大电路(1)中第一NMOS管N1的漏极；该第三电感L3的一端连接到第二放大电路(2)中第二NMOS管N2的源极并通过第五电容C5耦合到地GND，另一端连接到第一放大电路(1)中第一NMOS管N1的漏极。

5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，第一PMOS管P1工作在饱和区。

6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，第三NMOS管N3和第四NMOS管N4工作在饱和区。

7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，第五NMOS管N5和第九NMOS管N9、第六NMOS管N6和第十NMOS管N10、第七NMOS管N7和第十一NMOS管N11、第八NMOS管N8和第十二NMOS管N12的栅长比分别相等。

8.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，外部四路反相控制信号

分别与外部四路控制信号D₁、D₂、D₃、D₄互补，当外部四路控制信号D₁、D₂、D₃、D₄均为0V时，可实现最高增益；当外部四路控制信号D₁、D₂、D₃、D₄均为1.2V时，可实现最低增益。

9.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，第一NMOS管N1工作在饱和区。

10.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，第二NMOS管N2工作在饱和区。

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