CN113992165A - 一种偏置与增益可调的射频放大器 - Google Patents

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CN113992165A CN202111273136.6A CN202111273136A CN113992165A CN 113992165 A CN113992165 A CN 113992165A CN 202111273136 A CN202111273136 A CN 202111273136A CN 113992165 A CN113992165 A CN 113992165A
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Abstract

本发明公开了一种偏置与增益可调的射频放大器，包括：带隙基准，产生基准电流电压输出至可调偏置电流电路；可调偏置电流电路，在n‑k位数字控制信号的控制下将基准电流电压转换为可调偏置镜像模块所需的可调偏置电流；可调偏置镜像模块，在k位数字控制信号的控制下将可调偏置电流转换为输出级偏置调整电路和输入级所需的可调偏置电压；输出级偏置调整电路，将可调偏置电压转换为输出级所需的输出级偏置电压；射频输入及输出级，在输入及输出级偏置电压的控制下，将射频输入信号经输入及输出级级联放大得到射频输出信号；以及低压差稳压电路。

Description

一种偏置与增益可调的射频放大器
技术领域
本发明涉及一种射频放大器，特别是涉及一种偏置与增益可调的射频放大器。
背景技术
放大器作为系统信号接收关键模块，其功耗与增益至关重要，影响着最小信号接收灵敏度及最大信号接受能力，从而影响系统信号接收动态范围及能效效率。因而放大器进行可调偏置功耗与增益优化设计，实现增益可调，根据接收信号强度调整偏置从而调整增益，可以提高信号灵敏度及接收信号最大强度而改善系统动态范围、并能够优化增益功耗能效效率，延长续航能力。
如图1所示，一种传统射频放大器包括带隙基准(BGR)10、偏置镜像模块20、固定偏置电路30、射频输入级40、射频输出级50和低压差稳压电路(LDO)60。
其中，带隙基准(BGR，BandGap Reference)10用于产生基准电流Iref并输出至偏置镜像模块20以产生射频输入级40所需偏置电压，固定偏置电路30，用于产生射频输出级50所需的输出级偏置电压；射频输入级50，用于完成射频信号IN的初步放大，射频输出级50用于将经射频输入级40放大的射频信号IN进一步放大得到射频输出信号OUT，低压差稳压电路(LDO)60，用于产生稳定电压Va供给偏置镜像模块20、固定偏置电路30、射频输入级40、射频输出级50以获得稳定的性能。
由图1可见，射频输入级40和射频输出级50均采用固定偏置电路，其功耗固定及增益也固定，不具备可变增益，其增益功耗能效比不可调影响能效效率，而且接收信号动态范围固定不可扩展调节。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种偏置与增益可调的射频放大器，实现了射频输入及射频输出级的偏置电压的可变调节、功耗及增益均可数字化可变调节优化，提高了增益与功耗能效比效率，改善扩展了可调节系统信号的接收动态范围。
为达上述及其它目的，本发明提出一种偏置与增益可调的射频放大器，包括：
带隙基准，用于产生基准电流(Iref)与基准电压(Vref)并输出至可调偏置电流电路；
可调偏置电流电路，用于在n-k位数字控制信号(CT[k+1,n])的控制下将基准电流(Iref)与基准电压(Vref)转换为可调偏置镜像模块所需的可调偏置电流(Ipc)；
可调偏置镜像模块，用于在k位数字控制信号(CT[1,k])的控制下将可调偏置电流(Ipc)转换为输出级偏置调整电路和射频输入级所需的可调偏置电压(VgNin)；
输出级偏置调整电路，用于将所述可调偏置镜像模块输出的可调偏置电压(VgNin)转换为输出级所需的输出级偏置电压(Vpcb)并传输至输出级以提供输出级所需的输出级栅极偏置电压(VgNo)；
射频输入级，用于在所述可调偏置电压(VgNin)的作用下完成射频输入信号(IN)的初步放大；
射频输出级，用于在所述输出级偏置电压(Vpcb)的控制下，将经所述射频输入级放大的射频输入信号(IN)进一步放大得到射频输出信号(OUT)；
低压差稳压电路，用于产生稳定电压供给所述可调偏置电流电路、可调偏置镜像模块、输出级偏置调整电路、射频输入级和射频输出级。
优选地，所述可调偏置电流电路通过改变电压反馈的电流采样负载电阻(Rcs)调整实现输出电流可调。
优选地，所述可调偏置电流电路包括误差放大器、第一NMOS偏置管(Nind)、第一可调电阻(Rcs)和第一PMOS偏置管(MPc)，所述带隙基准的输出基准电流(Iref)连接至所述误差放大器的电流基准输入端，所述带隙基准的输出基准电压(Vref)连接至所述误差放大器的反相输入端，所述误差放大器的输出端连接至所述第一PMOS偏置管(MPc)的栅极，所述第一PMOS偏置管(MPc)的漏极连接至所述第一NMOS偏置管(Nind)的栅极、第一可调电阻(Rcs)的一端和误差放大器的同相输入端，所述第一PMOS偏置管(MPc)的源极和衬底连接至所述低压差稳压电路输出的稳压电源，所述第一可调电阻(Rcs)的另一端连接至所述第一NMOS偏置管(Nind)的漏极，所述第一NMOS偏置管(Nind)的源极和衬底连接至所述可调偏置镜像模块，所述第一可调电阻(Rcs)的n-k个控制端分别连接n-k位数字控制信号(CT[k+1,n])，所述误差放大器的电源正端连接稳压电源，所述误差放大器的电源负端接地。
优选地，所述可调偏置镜像模块在镜像管自偏置路径引入第二可调电阻(RT)分压反馈细调镜像支路电流并产生所述可调偏置电压即输入级偏置电压(VgNin)输出至所述输出级偏置调整电路与射频输入级。
优选地，所述可调偏置镜像模块通过增加第三NMOS偏置管(Mc)提供电荷存储，从而改善所述可调偏置电压输出瞬态稳定性。
优选地，所述可调偏置镜像模块包括第二NMOS偏置管(Ninb)、第二可调电阻(RT)、偏置电阻(Rb)和第三NMOS偏置管(Mc)，k位数字控制信号(CT[1,k])连接至第二可调电阻(RT)的k个控制端，所述第二可调电阻(RT)的另一端连接至第二NMOS偏置管(Ninb)的漏极，所述第二可调电阻(RT)的第三端连接至偏置电阻(Rb)的一端，所述偏置电阻(Rb)的另一端与第二NMOS偏置管(Ninb)的栅极、第三NMOS偏置管(Mc)的栅极相连并连接输出级偏置调整电路及射频输入级组成输入级偏置电压(VgNin)节点，所述第二NMOS偏置管(Ninb)的源极接地，第三NMOS偏置管(Mc)的漏极、源极以及衬底接地作为MOS电容使用。
优选地，所述输出级偏置调整电路包括第四NMOS偏置管(Ninm)、第三可变电阻(Rp)和第二PMOS偏置管(MPv)，所述第四NMOS偏置管(Ninm)的漏极连接第三可变电阻(Rp)的一端，第三可变电阻(Rp)的另一端与所述射频输出级相连后并与所述第二PMOS偏置管(MPv)的栅极和漏极相连组成输出级偏置电压(Vpcb)节点，所述第二PMOS偏置管(MPv)的源极和衬底接稳压电源，所述第四NMOS偏置管(Ninm)的源极接地。
优选地，所述射频输入级采用电感负反馈共源结构，所述射频输出级采用共栅结构。
优选地，所述射频输入级包括第一栅极隔离电阻(Rg1)、输入匹配电感(Lg)、输入匹配电容(Cg)、输入NMOS放大管(Nin)和发射极负反馈电感(Ls)，所述第一栅极隔离电阻(Rg1)的一端连接所述输入级偏置电压(VgNin)节点，另一端连接至所述输入NMOS放大管(Nin)的栅极和输入匹配电容(Cg)的一端，输入匹配电容(Cg)的另一端通过所述输入匹配电感(Lg)连接至射频输入信号，所述输入NMOS放大管(Nin)的源极通过发射极负反馈电感(Ls)接地，所述输入NMOS放大管(Nin)的漏极连接所述射频输出级。
优选地，所述射频输出级包括输出负载电感(Ld)、输出耦合电容(Co)、输出NMOS放大管(No)、栅极退耦电容(Cb)和第二栅极隔离电阻(Rg2)，所述第二隔离电阻(Rg2)的一端连接所述输出级偏置电压(Vpcb)节点，另一端与所述输出NMOS放大管(No)的栅极和栅极退耦电容(Cb)的一端相连组成输出级栅极偏置电压VgNo节点，输出NMOS放大管(No)的漏极连接输出负载电感(Ld)的一端和输出耦合电容(Co)的一端，输出耦合电容(Co)的另一端即射频输出信号，栅极退耦电容(Cb)的另一端和输出负载电感(Ld)的另一端接稳压电源。
与现有技术相比，本发明一种偏置与增益可调的射频放大器通过改变电压反馈的电流采样负载电阻Rcs调整实现可调偏置电流电路输出电流可调，并通过可调偏置镜像模块在镜像管自偏置路径引入第二可调电阻RT分压反馈细调镜像支路电流产生可调偏置电压即输入级偏置电压VgNin输出至输出级偏置调整电路与射频输入级，通过于可调偏置镜像模块中增加第三NMOS偏置管Mc提供电荷存储，从而改善可调偏置电压输出瞬态稳定性，实现了射频输入及射频输出级的偏置电压的可变调节、功耗及增益均可数字化可变调节优化，提高了增益与功耗能效比效率，改善扩展了可调节系统信号的接收动态范围。
附图说明
图1为传统射频放大器的电路结构图；
图2为本发明一种偏置与增益可调的射频放大器的电路结构图；
图3为本发明具体实施例中一种偏置与增益可调的射频放大器的电路结构图；
图4为本发明实施例中增益与功耗可调仿真分析示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图2为本发明一种偏置与增益可调的射频放大器的电路结构图，图3为本发明具体实施例中一种偏置与增益可调的射频放大器的电路结构图。如图2及图3所示，本发明一种偏置与增益可调的射频放大器，包括带隙基准(BGR)10、可调偏置电流电路20、可调偏置镜像模块30、输出级偏置调整电路40、射频输入级50、射频输出级60和低压差稳压电路(LDO)70。
其中，带隙基准(BGR，BandGap Reference)10用于产生基准电流Iref与基准电压Vref并输出至可调偏置电流电路20；可调偏置电流电路20，由误差放大器、第一NMOS偏置管Nind、第一可调电阻(电流采样负载电阻)Rcs和第一PMOS偏置管MPc组成，用于在n-k位数字控制信号CT[k+1,n]的控制下将基准电流Iref与基准电压Vref转换为可调偏置镜像模块30所需的可调偏置电流Ipc；可调偏置镜像模块30，由第二NMOS偏置管Ninb、第二可调电阻RT、偏置电阻Rb和第三NMOS偏置管Mc组成，用于在k位数字控制信号CT[1,k]的控制下将可调偏置电流Ipc转换为输出级偏置调整电路40和输入级50所需的可调偏置电压即输入级偏置电压VgNin；输出级偏置调整电路40，由第四NMOS偏置管Ninm、第三可变电阻Rp和第二PMOS偏置管MPv组成，用于将可调偏置镜像模块30输出的可调偏置电压即输入级偏置电压VgNin转换为输出级60所需的输出级偏置电压Vpcb并传输至输出级60以提供输出级所需的输出级栅极偏置电压VgNo；射频输入级50为电感负反馈(inductive-degenerated)共源结构，由第一栅极隔离电阻Rg1、输入匹配电感Lg、输入匹配电容Cg、输入NMOS放大管Nin和发射极负反馈电感Ls组成组成，用于完成射频输入信号IN的初步放大；射频输出级60为共栅结构，由输出负载电感Ld、输出耦合电容Co、输出NMOS放大管No、栅极退耦电容Cb和第二栅极隔离电阻Rg2组成，用于在输出级偏置电压Vpcb的控制下，将经输入级50放大的射频输入信号IN进一步放大得到射频输出信号OUT；低压差稳压电路(LDO)70，用于产生稳定电压Va供给可调偏置电流电路20、可调偏置镜像模块30、输出级偏置调整电路40、射频输入级50和射频输出级60以获得更稳定的增益控制效果。
输入电源Vdd连接至带隙基准(BGR)10和低压差稳压电路(LDO)70的电源输入端，带隙基准(BGR)10的输出基准电流Iref连接至误差放大器的电流基准输入端，带隙基准(BGR)10的输出基准电压Vref连接至误差放大器的反相输入端，误差放大器的输出端连接至第一PMOS偏置管MPc的栅极，第一PMOS偏置管MPc的漏极连接至第一NMOS偏置管Nind的栅极、第一可调电阻Rcs的一端和误差放大器的同相输入端，第一PMOS偏置管MPc的源极和衬底连接至低压差稳压电路(LDO)70输出的稳压电源Va，第一可调电阻Rcs的另一端连接至第一NMOS偏置管Nind的漏极，第一NMOS偏置管Nind的源极和衬底连接至第二可调电阻RT的一端，第一可调电阻Rcs的n-k个控制端分别连接n-k位数字控制信号CT[k+1,n]，误差放大器的电源正端连接稳压电源Va，误差放大器的电源负端接地，本发明通过改变电压反馈的第一可调电阻(电流采样负载电阻)Rcs调整，实现可调偏置电流电路20输出电流的可调。
k位数字控制信号CT[1,k]连接至第二可调电阻RT的k个控制端，第二可调电阻RT的另一端连接至第二NMOS偏置管Ninb的漏极，第二可调电阻RT的第三端连接至偏置电阻Rb的一端，也就是说，本发明中，可调偏置镜像模块在镜像管自偏置路径引入第二可调电阻RT分压反馈细调镜像支路电流并产生可调偏置电压即输入级偏置电压VgNin输出至输出级偏置调整电路40与射频输入级50，偏置电阻Rb的另一端与第二NMOS偏置管Ninb的栅极、第三NMOS偏置管Mc的栅极、第四NMOS偏置管Ninm的栅极和第一栅极隔离电阻Rg1的一端相连组成输入级偏置电压VgNin节点，第二NMOS偏置管Ninb的源极接地，第三NMOS偏置管Mc的漏极、源极以及衬底接地作为MOS电容使用，本发明通过增加第三NMOS偏置管Mc提供电荷存储，从而改善可调偏置电压输出瞬态稳定性。
第四NMOS偏置管Ninm的漏极连接第三可变电阻Rp的一端，第三可变电阻Rp的另一端与第二栅极隔离电阻Rg2的一端、第二PMOS偏置管MPv的栅极和漏极相连组成输出级偏置电压Vpcb节点，第二PMOS偏置管MPv的源极和衬底接稳压电源Va，第四NMOS偏置管Ninm的源极接地，本发明中，通过输出级偏置调整电路40动态适应可调偏置镜像模块30所输出的电压即输入级偏置电压VgNin进一步产生可调整的输出级偏置电压即输出级栅极偏置电压VgNo。
第一栅极隔离电阻Rg1的另一端连接至输入NMOS放大管Nin的栅极和输入匹配电容Cg的一端，输入匹配电容Cg的另一端通过输入匹配电感Lg连接至射频输入信号IN，输入NMOS放大管Nin的源极通过发射极负反馈电感Ls接地，输入NMOS放大管Nin的漏极连接输出NMOS放大管Mo的源极和衬底；
第二隔离电阻Rg2的另一端与输出NMOS放大管No的栅极和栅极退耦电容Cb的一端相连组成输出级栅极偏置电压VgNo节点，输出NMOS放大管No的漏极连接输出负载电感Ld的一端和输出耦合电容Co的一端，输出耦合电容Co的另一端即射频输出信号OUT，栅极退耦电容Cb的另一端和输出负载电感Ld的另一端接稳压电源Va。
本发明的原理如下：
一、通过改变电压反馈的电流采样负载电阻Rcs调整实现可调偏置电流电路20输出电流可调；
二、本发明通过可调偏置镜像模块在镜像管自偏置路径引入第二可调电阻RT分压反馈细调镜像支路电流并产生可调偏置电压即输入级偏置电压VgNin输出至输出级偏置调整电路40与射频输入级50；
三、本发明通过于可调偏置镜像模块30中增加第三NMOS偏置管Mc提供电荷存储，从而改善可调偏置电压输出瞬态稳定性；
四、本发明通过输出级偏置调整电路40动态适应可调偏置镜像模块30所输出的电压即输入级偏置电压VgNin进一步产生可调整的输出级偏置电压即输出级栅极偏置电压VgNo。
图4为本发明实施例中增益与功耗可调仿真分析示意图。由仿真可知：实例结果显示可调偏置下功耗与增益的关系，功耗由2mA到13mA变化时增益由13.4dB到19.8dB实现可变化。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种偏置与增益可调的射频放大器，包括：
带隙基准，用于产生基准电流(Iref)与基准电压(Vref)并输出至可调偏置电流电路；
可调偏置电流电路，用于在n-k位数字控制信号(CT[k+1,n])的控制下将基准电流(Iref)与基准电压(Vref)转换为可调偏置镜像模块所需的可调偏置电流(Ipc)；
可调偏置镜像模块，用于在k位数字控制信号(CT[1,k])的控制下将可调偏置电流(Ipc)转换为输出级偏置调整电路和射频输入级所需的可调偏置电压(VgNin)；
输出级偏置调整电路，用于将所述可调偏置镜像模块输出的可调偏置电压(VgNin)转换为输出级所需的输出级偏置电压(Vpcb)并传输至输出级以提供输出级所需的输出级栅极偏置电压(VgNo)；
射频输入级，用于在所述可调偏置电压(VgNin)的作用下完成射频输入信号(IN)的初步放大；
射频输出级，用于在所述输出级偏置电压(Vpcb)的控制下，将经所述射频输入级放大的射频输入信号(IN)进一步放大得到射频输出信号(OUT)；
低压差稳压电路，用于产生稳定电压供给所述可调偏置电流电路、可调偏置镜像模块、输出级偏置调整电路、射频输入级和射频输出级。
2.如权利要求1所述的一种偏置与增益可调的射频放大器，其特征在于：所述可调偏置电流电路通过改变电压反馈的电流采样负载电阻(Rcs)调整实现输出电流可调。
3.如权利要求2所述的一种偏置与增益可调的射频放大器，其特征在于：所述可调偏置电流电路包括误差放大器、第一NMOS偏置管(Nind)、第一可调电阻(Rcs)和第一PMOS偏置管(MPc)，所述带隙基准的输出基准电流(Iref)连接至所述误差放大器的电流基准输入端，所述带隙基准的输出基准电压(Vref)连接至所述误差放大器的反相输入端，所述误差放大器的输出端连接至所述第一PMOS偏置管(MPc)的栅极，所述第一PMOS偏置管(MPc)的漏极连接至所述第一NMOS偏置管(Nind)的栅极、第一可调电阻(Rcs)的一端和误差放大器的同相输入端，所述第一PMOS偏置管(MPc)的源极和衬底连接至所述低压差稳压电路输出的稳压电源，所述第一可调电阻(Rcs)的另一端连接至所述第一NMOS偏置管(Nind)的漏极，所述第一NMOS偏置管(Nind)的源极和衬底连接至所述可调偏置镜像模块，所述第一可调电阻(Rcs)的n-k个控制端分别连接n-k位数字控制信号(CT[k+1,n])，所述误差放大器的电源正端连接稳压电源，所述误差放大器的电源负端接地。
4.如权利要求3所述的一种偏置与增益可调的射频放大器，其特征在于：所述可调偏置镜像模块在镜像管自偏置路径引入第二可调电阻(RT)分压反馈细调镜像支路电流并产生所述可调偏置电压即输入级偏置电压(VgNin)输出至所述输出级偏置调整电路与射频输入级。
5.如权利要求4所述的一种偏置与增益可调的射频放大器，其特征在于：所述可调偏置镜像模块通过增加第三NMOS偏置管(Mc)提供电荷存储，从而改善所述可调偏置电压输出瞬态稳定性。
6.如权利要求5所述的一种偏置与增益可调的射频放大器，其特征在于：所述可调偏置镜像模块包括第二NMOS偏置管(Ninb)、第二可调电阻(RT)、偏置电阻(Rb)和第三NMOS偏置管(Mc)，k位数字控制信号(CT[1,k])连接至第二可调电阻(RT)的k个控制端，所述第二可调电阻(RT)的另一端连接至第二NMOS偏置管(Ninb)的漏极，所述第二可调电阻(RT)的第三端连接至偏置电阻(Rb)的一端，所述偏置电阻(Rb)的另一端与第二NMOS偏置管(Ninb)的栅极、第三NMOS偏置管(Mc)的栅极相连并连接输出级偏置调整电路及射频输入级组成输入级偏置电压(VgNin)节点，所述第二NMOS偏置管(Ninb)的源极接地，第三NMOS偏置管(Mc)的漏极、源极以及衬底接地作为MOS电容使用。
7.如权利要求6所述的一种偏置与增益可调的射频放大器，其特征在于：所述输出级偏置调整电路包括第四NMOS偏置管(Ninm)、第三可变电阻(Rp)和第二PMOS偏置管(MPv)，所述第四NMOS偏置管(Ninm)的漏极连接第三可变电阻(Rp)的一端，第三可变电阻(Rp)的另一端与所述射频输出级相连后并与所述第二PMOS偏置管(MPv)的栅极和漏极相连组成输出级偏置电压(Vpcb)节点，所述第二PMOS偏置管(MPv)的源极和衬底接稳压电源，所述第四NMOS偏置管(Ninm)的源极接地。
8.如权利要求7所述的一种偏置与增益可调的射频放大器，其特征在于：所述射频输入级采用电感负反馈共源结构，所述射频输出级采用共栅结构。
9.如权利要求8所述的一种偏置与增益可调的射频放大器，其特征在于：所述射频输入级包括第一栅极隔离电阻(Rg1)、输入匹配电感(Lg)、输入匹配电容(Cg)、输入NMOS放大管(Nin)和发射极负反馈电感(Ls)，所述第一栅极隔离电阻(Rg1)的一端连接所述输入级偏置电压(VgNin)节点，另一端连接至所述输入NMOS放大管(Nin)的栅极和输入匹配电容(Cg)的一端，输入匹配电容(Cg)的另一端通过所述输入匹配电感(Lg)连接至射频输入信号，所述输入NMOS放大管(Nin)的源极通过发射极负反馈电感(Ls)接地，所述输入NMOS放大管(Nin)的漏极连接所述射频输出级。
10.如权利要求9所述的一种偏置与增益可调的射频放大器，其特征在于：所述射频输出级包括输出负载电感(Ld)、输出耦合电容(Co)、输出NMOS放大管(No)、栅极退耦电容(Cb)和第二栅极隔离电阻(Rg2)，所述第二隔离电阻(Rg2)的一端连接所述输出级偏置电压(Vpcb)节点，另一端与所述输出NMOS放大管(No)的栅极和栅极退耦电容(Cb)的一端相连组成输出级栅极偏置电压VgNo节点，输出NMOS放大管(No)的漏极连接输出负载电感(Ld)的一端和输出耦合电容(Co)的一端，输出耦合电容(Co)的另一端即射频输出信号，栅极退耦电容(Cb)的另一端和输出负载电感(Ld)的另一端接稳压电源。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114265463A (zh) * 2021-12-21 2022-04-01 广州众诺电子技术有限公司 低压差稳压电路、设备、芯片和控制芯片输出电压的方法

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