CN113839633A - 一种可调增益放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调增益放大器，其包括输入电路、高增益放大电路、低增益放大电路、负载电路、输出电路和增益调节电路；所述输入电路与高增益放大电路和低增益放大电路连接；所述负载电路通过增益调节电路与高增益放大电路和低增益放大电路连接；所述输出电路与负载电路连接。本发明可以实现总增益调节，并使得本发明对差分信号的放大不易失真。

Description

一种可调增益放大器
技术领域
本发明涉及电子电路领域，特别是指一种可调增益放大器。
背景技术
在现代高速信号处理中，经常需要放大器来对信号进行放大传输，放大器的增益有时需要可控可调节；比如根据输入信号的强度来调节放大器的增益，以保持信号的线性放大，避免放大后的信号出现饱和失真；或者根据应用需要设定特定的放大增益等，因此需要增益可调的放大器。
目前常用的增益可调的放大器如图1所示，该增益可调放大器的总增益GA为：
GA＝Gm*R；
Figure BDA0003245619820000011
Figure BDA0003245619820000012
其中Gm为增益可调放大器的等效跨阻，R为负载电阻R的阻值，rs为输出极电阻RS的阻值，μCox为工艺器件物理参数，W/L为放大管M的沟道宽长比，Vgs为放大管的栅源电压，Vth为放大管M的开启阈值电压，I为尾电流源I的输出电流；
由上可知，该增益可调放大器可以通过调节负载电阻R的阻值、输出极电阻RS的阻值以及尾电流I的输出电流来调节该增益可调放大器的总增益A。
但是这种增益可调放大器存在着以下问题：
1、调节负载电阻R的阻值和尾电流I的输出电流会影响电路的静态工作点；例如在输入信号大时，减小负载电阻R的阻值或尾电流I的输出电流，虽然使得增益可调放大器的总增益降低了，但输出信号的摆幅空间也变小了，这样使得输出信号极有可能出现严重失真；
2、调节输出极电阻RS的阻值或尾电流I的输出电流会影响放大管的特性，如ft值/噪声特性等，不适用于要求低噪声或具有稳定带宽特性的应用场景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可调增益放大器，其能实现该可调增益放大器的总增益的连续调节。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种可调增益放大器，其包括输入电路、高增益放大电路、低增益放大电路、负载电路、输出电路和增益调节电路；所述输入电路用于输入差分输入电压信号；所述高增益放大电路与输入电路连接，高增益放大电路用于将差分输入电压信号进行高增益放大而得到高增益差分电流信号；所述低增益放大电路与输入电路连接，低增益放大电路用于将差分输入电压信号进行低增益放大而得到低增益差分电流信号；所述负载电路具有负载单元和伪负载单元，负载单元和伪负载单元通过增益调节电路与高增益放大电路和低增益放大电路连接，增益调节电路用于调节高增益差分电流信号与低增益差分电流信号流入负载单元和伪负载单元的比例权重，负载单元则用于将流入该负载单元的高增益差分电流与低增益差分电流进行求和并转换为差分输出电压信号；所述输出电路与负载电路的负载单元电连接，输出电路用于将差分输出电压信号进行输出。
所述输入电路包括差分电压输入端Vin-N和差分电压输入端Vin-P；所述高增益放大电路包括放大管Q1-N、放大管Q1-P和尾电流源I1，放大管Q1-N和放大管Q1-P的器件参数相同；其中放大管Q1-N的控制极和放大管Q1-P的控制极分别连接差分电压输入端Vin-N和差分电压输入端Vin-P，放大管Q1-N的输出极和放大管Q1-P的输出极连接尾电流源I1的输入端，尾电流源I1的输出端接地；所述低增益放大电路包括放大管Q2-N、放大管Q2-P、尾电流源I2-N和尾电流源I2-P，放大管Q2-N和放大管Q2-P的器件参数相同；其中放大管Q2-N的控制极和放大管Q2-P的控制极分别连接差分电压输入端Vin-N和差分电压输入端Vin-P，放大管Q2-N的输出极连接尾电流源I2-N的输入端和输出极电阻Rs的第一端，放大管Q2-P的输出极连接尾电流源I2-P的输入端和输出极电阻Rs的第二端，尾电流源I2-N和尾电流源I2-P的输出端接地；所述增益调节电路包括调节管Q31-N、调节管Q32-N、调节管Q33-N、调节管Q34-N、调节管Q31-P、调节管Q32-P、调节管Q33-P、调节管Q34-P、调整电压输入端VGC-1和调整电压输入端VGC-2，调节管Q31-N、调节管Q32-N、调节管Q33-N、调节管Q34-N、调节管Q31-P、调节管Q32-P、调节管Q33-P和调节管Q34-P的器件参数相同；调节管Q31-N的输出极和调节管Q32-N的输出极连接放大管Q1-P的输入极，调节管Q31-P的输出极和调节管Q32-P的输出极连接放大管Q1-N的输入极，调节管Q33-N的输出极和调节管Q34-N的输出极连接放大管Q2-P的输入极，调节管Q33-P的输出极和调节管Q34-P的输出极连接放大管Q2-N的输入极，调整电压输入端VGC-1连接调节管Q31-N、调节管Q34-N、调节管Q31-P和调节管Q34-P的控制极，调整电压输入端VGC-2连接调节管Q32-N、调节管Q33-N、调节管Q32-P和调节管Q33-P的控制极；所述负载电路的负载单元包括负载电阻RL-P和负载电阻RL-N，负载电路的伪负载单元包括伪电阻Rb-P和伪电阻Rb-N，负载电阻RL-P和负载电阻RL-N的阻值相同，伪电阻Rb-P和伪电阻Rb-N的阻值相同；其中负载电阻RL-P的第一端、负载电阻RL-N的第一端、伪电阻Rb-P的第一端和伪电阻Rb-N的第一端连接负载电压VDD，负载电阻RL-P的第二端连接调节管Q31-P的输入极和调节管Q33-P的输入极，伪电阻Rb-P的第二端连接调节管Q32-P的输入极和调节管Q34-P的输入极，负载电阻RL-N的第二端连接调节管Q31-N的输入极和调节管Q33-N的输入极，伪电阻Rb-N的第二端连接调节管Q32-N的输入极和调节管Q34-N的输入极；所述输出电路包括差分电压输出端Vout-P和差分电压输出端Vout-N；其中差分电压输出端Vout-P连接负载电阻RL-P的第二端，差分电压输出端Vout-N连接负载电阻RL-N的第二端。
所述低增益放大电路还包括电容C，电容C的两端分别连接放大管Q2-N的输入极和放大管Q2-P的输入极。
所述负载电阻RL-P、负载电阻RL-N、伪电阻Rb-P和伪电阻Rb-N的阻值相同。
所述尾电流源I2-N和尾电流源I2-P的输出电流为尾电流源I1的输出电流的一半。
采用上述方案后，本发明通过高增益放大电路和低增益放大电路可以对差分输入电压信号进行高增益放大和低增益放大而得到高增益差分电流信号和低增益差分电流信号，增益调节电路则调节高增益差分电流信号与低增益差分电流信号流入负载电路的负载单元和伪负载单元的比例权重，负载电路的负载单元将流入该负载单元的高增益差分电流与低增益差分电流进行求和并转换为差分输出电压信号，从而将差分输入电压信号放大形成差分输出电压信号进行输出；其中本发明通过增益调节电路来调节高增益差分电流信号与低增益差分电流信号流入负载电路的负载单元和伪负载单元的比例权重可以连续性的调节本发明的可调增益放大器的总增益；另外，本发明通过调节高增益放大电路、低增益放大电路和负载电路的器件参数可以使得本发明的可调增益放大器在所需的总增益调节范围内保持传输带宽、信号摆幅和静态工作点的稳定。
附图说明
图1为现有的增益可调放大器的电路原理图。
图2为本发明的原理框图。
图3为本发明的电路原理图。
图4为本发明的可调增益放大器的输出共模电平随增益调节电压Vgc变化的仿真图。
图5为本发明的可调增益放大器的总增益随增益调节电压Vgc变化的仿真图。
图6为本发明的可调增益放大器的频幅曲线随增益调节电压Vgc变化的仿真图。
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
如图2和图3所示，本发明揭示了一种可调增益放大器，其包括输入电路、高增益放大电路、低增益放大电路、负载电路、输出电路和增益调节电路；其中所述输入电路用于输入差分输入电压信号；所述高增益放大电路与输入电路连接，高增益放大电路用于将差分输入电压信号进行高增益放大而得到高增益差分电流信号；所述低增益放大电路与输入电路连接，低增益放大电路用于将差分输入电压信号进行低增益放大而得到低增益差分电流信号；所述负载电路具有负载单元和伪负载单元，负载单元和伪负载单元通过增益调节电路与高增益放大电路和低增益放大电路连接，增益调节电路用于调节高增益差分电流信号与低增益差分电流信号流入负载单元和伪负载单元的比例权重，负载单元则用于将流入该负载单元的高增益差分电流与低增益差分电流进行求和并转换为差分输出电压信号；所述输出电路与负载电路的负载单元电连接，输出电路用于将差分输出电压信号进行输出。
本发明通过高增益放大电路和低增益放大电路可以对差分输入电压信号进行高增益放大和低增益放大而得到高增益差分电流信号和低增益差分电流信号，增益调节电路则调节高增益差分电流信号与低增益差分电流信号流入负载电路的负载单元和伪负载单元的比例权重，负载电路的负载单元将流入该负载单元的高增益差分电流与低增益差分电流进行求和并转换为差分输出电压信号，从而将差分输入电压信号放大形成差分输出电压信号进行输出；其中本发明通过增益调节电路来调节高增益差分电流信号与低增益差分电流信号流入负载电路的负载单元和伪负载单元的比例权重可以连续性的调节本发明的可调增益放大器的总增益。
具体的，配合图3所示，所述输入电路包括差分电压输入端Vin-N和差分电压输入端Vin-P；差分电压输入端Vin-N和差分电压输入端Vin-P分别用于输入差分输入电压信号的正、负差分信号。
配合图3所示，所述高增益放大电路包括放大管Q1-N、放大管Q1-P和尾电流源I1，放大管Q1-N和放大管Q1-P的器件参数相同；其中放大管Q1-N的控制极和放大管Q1-P的控制极分别连接差分电压输入端Vin-N和差分电压输入端Vin-P，放大管Q1-N的输出极和放大管Q1-P的输出极连接尾电流源I1的输入端，尾电流源I1的输出端接地，放大管Q1-N的输入极和放大管Q1-P的输入极分别用于形成高增益差分电流信号的正、负差分信号。
配合图3所示，所述低增益放大电路包括放大管Q2-N、放大管Q2-P、尾电流源I2-N和尾电流源I2-P，放大管Q2-N和放大管Q2-P的器件参数相同；其中放大管Q2-N的控制极和放大管Q2-P的控制极分别连接差分电压输入端Vin-N和差分电压输入端Vin-P，放大管Q2-N的输出极连接尾电流源I2-N的输入端和输出极电阻Rs的第一端，放大管Q2-P的输出极连接尾电流源I2-P的输入端和输出极电阻Rs的第二端，尾电流源I2-N和尾电流源I2-P的输出端接地；放大管Q2-N的输入极和放大管Q2-P的输入极分别用于形成低增益差分电流信号的正、负差分信号。
配合图3所示，所述增益调节电路包括调节管Q31-N、调节管Q32-N、调节管Q33-N、调节管Q34-N、调节管Q31-P、调节管Q32-P、调节管Q33-P、调节管Q34-P、调整电压输入端VGC-1和调整电压输入端VGC-2，调节管Q31-N、调节管Q32-N、调节管Q33-N、调节管Q34-N、调节管Q31-P、调节管Q32-P、调节管Q33-P和调节管Q34-P的器件参数相同；调节管Q31-N的输出极和调节管Q32-N的输出极连接放大管Q1-P的输入极，调节管Q31-P的输出极和调节管Q32-P的输出极连接放大管Q1-N的输入极，调节管Q33-N的输出极和调节管Q34-N的输出极连接放大管Q2-P的输入极，调节管Q33-P的输出极和调节管Q34-P的输出极连接放大管Q2-N的输入极，调整电压输入端VGC-1连接调节管Q31-N、调节管Q34-N、调节管Q31-P和调节管Q34-P的控制极，调整电压输入端VGC-2连接调节管Q32-N、调节管Q33-N、调节管Q32-P和调节管Q33-P的控制极；本发明通过调节调整电压输入端VGC-1和调整电压输入端VGC-2的电压可以调节调节管Q31-N、调节管Q32-N、调节管Q33-N、调节管Q34-N、调节管Q31-P、调节管Q32-P、调节管Q33-P和调节管Q34-P的导通放大状态，从而调节高增益差分电流信号与低增益差分电流信号流入负载电路的负载单元和伪负载单元的比例权重。
配合图3所示，所述负载电路的负载单元包括负载电阻RL-P和负载电阻RL-N，负载电路的伪负载单元包括伪电阻Rb-P和伪电阻Rb-N，负载电阻RL-P和负载电阻RL-N的阻值相同，伪电阻Rb-P和伪电阻Rb-N的阻值相同；其中负载电阻RL-P的第一端、负载电阻RL-N的第一端、伪电阻Rb-P的第一端和伪电阻Rb-N的第一端连接负载电压VDD，负载电阻RL-P的第二端连接调节管Q31-P的输入极和调节管Q33-P的输入极，伪电阻Rb-P的第二端连接调节管Q32-P的输入极和调节管Q34-P的输入极，负载电阻RL-N的第二端连接调节管Q31-N的输入极和调节管Q33-N的输入极，伪电阻Rb-N的第二端连接调节管Q32-N的输入极和调节管Q34-N的输入极；负载电阻RL-P和负载电阻RL-N用于接收流入负载单元的高增益差分电流与低增益差分电流，并将流入负载单元的高增益差分电流与低增益差分电流进行求和并转换为差分输出电压信号。
配合图3所示，所述输出电路包括差分电压输出端Vout-P和差分电压输出端Vout-N；其中差分电压输出端Vout-P连接负载电阻RL-P的第二端，差分电压输出端Vout-N连接负载电阻RL-N的第二端，差分电压输出端Vout-N和差分电压输出端Vout-P分别用于输出差分输出电压信号的正、负差分信号。
配合图3所示，所述低增益放大电路还可包括电容C，电容C的两端分别连接放大管Q2-N的输入极和放大管Q2-P的输入极，电容C可以调节低增益放大电路的传输带宽而使得低增益放大电路的传输带宽与高增益放大电路的传输带宽相近或一样，从而使得本发明的可调增益放大器具有传输带宽稳定的优点。
在本发明中，所述负载电阻RL-P、负载电阻RL-N、伪电阻Rb-P和伪电阻Rb-N的阻值相同；所述尾电流源I2-N和尾电流源I2-P的输出电流为尾电流源I1的输出电流的一半；这样设置可以使得本发明的可调增益放大器的输出共模电平稳定，即使得本发明的可调增益放大器的静态工作点和输出信号摆幅稳定。
在本发明中，当负载电阻RL-P、负载电阻RL-N、伪电阻Rb-P和伪电阻Rb-N的阻值相同，且尾电流源I2-N和尾电流源I2-P的输出电流为尾电流源I1的输出电流的一半差分输出电压信号时，本发明的可调增益放大器的输出电压Vout(即差分输出电压信号的正、负差分信号之间的电压差)为：
Figure BDA0003245619820000091
其中，Vin为差分输入电压信号的输入电压(即差分输入电压信号的正、负差分信号之间的电压差)，gm1为放大管Q1-N和放大管Q1-P的跨导，gm2为放大管Q2-N和放大管Q2-P的跨导，RL为负载电阻RL-P和负载电阻RL-N的阻值，RS为输出极电阻Rs的阻值，K为与增益调节电压Vgc正相关的系数，K大于等于-1且小于等于1，增益调节电压Vgc为调整电压输入端VGC-1和调整电压输入端VGC-2之间的电压差(即Vgc＝VVGC-1-VVGC-2)；
由上可以得出，本发明的可调增益放大器的总增益Gain为：
Figure BDA0003245619820000101
其中，当K＝0时(即Vgc＝0)，此时调节管Q31-N、调节管Q32-N、调节管Q33-N、调节管Q34-N、调节管Q31-P、调节管Q32-P、调节管Q33-P和调节管Q34-P的工作状态相同，此时Gain＝0.5·gm1·RL+0.5·gm2·RL/(1-gm2·Rs)；
当K从零开始减小时(即Vgc从零开始增大时)，此时高增益差分电流流入到负载电阻RL-P和负载电阻RL-N的部分增大，高增益差分电流流入到伪电阻Rb-P和伪电阻Rb-N的部分减小，低增益差分电流流入到负载电阻RL-P和负载电阻RL-N的部分减小，低增益差分电流流入到伪电阻Rb-P和伪电阻Rb-N的部分增大，此时总增益Gain增大；
当K＝-1时(即Vgc远大于零时)，此时高增益差分电流全部流入到负载电阻RL-P和负载电阻RL-N，低增益差分电流没有流入到负载电阻RL-P和负载电阻RL-N，此时总增益Gain＝gm1·RL，此时可调增益放大器的总增益最大；
当K从零开始增大时(即Vgc从零开始减小时)，此时高增益差分电流流入到负载电阻RL-P和负载电阻RL-N的部分减小，高增益差分电流流入到伪电阻Rb-P和伪电阻Rb-N的部分增大，低增益差分电流流入到负载电阻RL-P和负载电阻RL-N的部分增大，低增益差分电流流入到伪电阻Rb-P和伪电阻Rb-N的部分减小，此时总增益Gain减小；
当K＝1时(即Vgc远小于零时)，此时高增益差分电流没有流入到负载电阻RL-P和负载电阻RL-N，低增益差分电流全部流入到负载电阻RL-P和负载电阻RL-N，此时总增益Gain＝gm2/(1-gm2·RS)·RL，此时线性可调增益放大器的总增益最小。
由上可知，本发明可以通过调节增益调节电压Vgc来连续性调节K的值，进而连续性调节本发明的可调增益放大器的总增益Gain。
在本发明中，当负载电阻RL-P、负载电阻RL-N、伪电阻Rb-P和伪电阻Rb-N的阻值相同，且尾电流源I2-N和尾电流源I2-P的输出电流为尾电流源I1的输出电流的一半差分输出电压信号时，此时从图4可以看出，本发明的可调增益放大器的输出共模电平基本不随增益调节电压Vgc变化，输出共模电平很稳定；而此时从图5可以看出，本发明的可调增益放大器的总增益Gain随增益调节电压Vgc的连续性变化而相应连续性变化，并且可调增益放大器的总增益Gain在增益调节电压Vgc的一定区间内呈线性变化；另外此时从图6可以看出，本发明的可调增益放大器的幅频曲线呈现平移曲线，3dB传输带宽维持稳定。
在本发明中，上述的放大管可以采用NMOS管，该NMOS管的源极、漏极和栅极分别为放大管的输出极、输入极和控制极；上述的调节管也可以采用NMOS管，该NMOS管的源极、漏极和栅极分别为调节管的输出极、输入极和控制极；上述的放大管也可以采用NPN三极管，该NPN三极管的发射极、集电极和基极分别为放大管的输出极、输入极和控制极；同样的，上述的调节管也可以采用NPN三极管，该NPN三极管的发射极、集电极和基极分别为调节管的输出极、输入极和控制极。
上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (5)

1.一种可调增益放大器，其特征在于：包括输入电路、高增益放大电路、低增益放大电路、负载电路、输出电路和增益调节电路；
所述输入电路用于输入差分输入电压信号；
所述高增益放大电路与输入电路连接，高增益放大电路用于将差分输入电压信号进行高增益放大而得到高增益差分电流信号；
所述低增益放大电路与输入电路连接，低增益放大电路用于将差分输入电压信号进行低增益放大而得到低增益差分电流信号；
所述负载电路具有负载单元和伪负载单元，负载单元和伪负载单元通过增益调节电路与高增益放大电路和低增益放大电路连接，增益调节电路用于调节高增益差分电流信号与低增益差分电流信号流入负载单元和伪负载单元的比例权重，负载单元则用于将流入该负载单元的高增益差分电流与低增益差分电流进行求和并转换为差分输出电压信号；
所述输出电路与负载电路的负载单元电连接，输出电路用于将差分输出电压信号进行输出。
2.如权利要求1所述的一种可调增益放大器，其特征在于：
所述输入电路包括差分电压输入端Vin-N和差分电压输入端Vin-P；
所述高增益放大电路包括放大管Q1-N、放大管Q1-P和尾电流源I1，放大管Q1-N和放大管Q1-P的器件参数相同；其中放大管Q1-N的控制极和放大管Q1-P的控制极分别连接差分电压输入端Vin-N和差分电压输入端Vin-P，放大管Q1-N的输出极和放大管Q1-P的输出极连接尾电流源I1的输入端，尾电流源I1的输出端接地；
所述低增益放大电路包括放大管Q2-N、放大管Q2-P、尾电流源I2-N和尾电流源I2-P，放大管Q2-N和放大管Q2-P的器件参数相同；其中放大管Q2-N的控制极和放大管Q2-P的控制极分别连接差分电压输入端Vin-N和差分电压输入端Vin-P，放大管Q2-N的输出极连接尾电流源I2-N的输入端和输出极电阻Rs的第一端，放大管Q2-P的输出极连接尾电流源I2-P的输入端和输出极电阻Rs的第二端，尾电流源I2-N和尾电流源I2-P的输出端接地；
所述增益调节电路包括调节管Q31-N、调节管Q32-N、调节管Q33-N、调节管Q34-N、调节管Q31-P、调节管Q32-P、调节管Q33-P、调节管Q34-P、调整电压输入端VGC-1和调整电压输入端VGC-2，调节管Q31-N、调节管Q32-N、调节管Q33-N、调节管Q34-N、调节管Q31-P、调节管Q32-P、调节管Q33-P和调节管Q34-P的器件参数相同；调节管Q31-N的输出极和调节管Q32-N的输出极连接放大管Q1-P的输入极，调节管Q31-P的输出极和调节管Q32-P的输出极连接放大管Q1-N的输入极，调节管Q33-N的输出极和调节管Q34-N的输出极连接放大管Q2-P的输入极，调节管Q33-P的输出极和调节管Q34-P的输出极连接放大管Q2-N的输入极，调整电压输入端VGC-1连接调节管Q31-N、调节管Q34-N、调节管Q31-P和调节管Q34-P的控制极，调整电压输入端VGC-2连接调节管Q32-N、调节管Q33-N、调节管Q32-P和调节管Q33-P的控制极；
所述负载电路的负载单元包括负载电阻RL-P和负载电阻RL-N，负载电路的伪负载单元包括伪电阻Rb-P和伪电阻Rb-N，负载电阻RL-P和负载电阻RL-N的阻值相同，伪电阻Rb-P和伪电阻Rb-N的阻值相同；其中负载电阻RL-P的第一端、负载电阻RL-N的第一端、伪电阻Rb-P的第一端和伪电阻Rb-N的第一端连接负载电压VDD，负载电阻RL-P的第二端连接调节管Q31-P的输入极和调节管Q33-P的输入极，伪电阻Rb-P的第二端连接调节管Q32-P的输入极和调节管Q34-P的输入极，负载电阻RL-N的第二端连接调节管Q31-N的输入极和调节管Q33-N的输入极，伪电阻Rb-N的第二端连接调节管Q32-N的输入极和调节管Q34-N的输入极；
所述输出电路包括差分电压输出端Vout-P和差分电压输出端Vout-N；其中差分电压输出端Vout-P连接负载电阻RL-P的第二端，差分电压输出端Vout-N连接负载电阻RL-N的第二端。
3.如权利要求2所述的一种可调增益放大器，其特征在于：所述低增益放大电路还包括电容C，电容C的两端分别连接放大管Q2-N的输入极和放大管Q2-P的输入极。
4.如权利要求2所述的一种可调增益放大器，其特征在于：所述负载电阻RL-P、负载电阻RL-N、伪电阻Rb-P和伪电阻Rb-N的阻值相同。
5.如权利要求2或4所述的一种可调增益放大器，其特征在于：所述尾电流源I2-N和尾电流源I2-P的输出电流为尾电流源I1的输出电流的一半。
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