CN1141788C - 可变增益放大器 - Google Patents

Abstract

本发明属于模拟信号处理和通信技术领域，涉及可变增益放大器。包括多个相同的级联的可变增益基本单元和控制电压发生器两部分，所说的各可变增益基本单元的输出端与控制电压发生器相连；其特征在于，所说的可变增益基本单元包括并联的多组由多级层叠电阻的简并MOS对和与各简并MOS对相连的负载电阻RL1和RL2；本发明可采用CMOS工艺实现，具有控制电压范围大、增益在dB上线性、大的增益动态范围、低电压、低功耗的优点。

Description

可变增益放大器

技术领域

本发明属于模拟信号处理和通信技术领域，特别适合于无线收发器和声频/视频模拟信号处理电路设计。

背景技术

可变增益放大器广泛应用于通信电路和声频/视频模拟信号处理电路中，一般需要可变增益放大器具有增益在dB上随控制电压呈线性关系、大的输出增益范围、大的输入动态范围、低噪声、低电压和低功耗。可变增益放大器的性能优劣与否直接影响到系统的性能。而对可变增益放大器的指标、要求多且高，使得设计性能良好的可变增益放大器是比较困难的。

要使得可变增益放大器的增益范围大，一般考虑是把几个相同的可变增益基本单元级联起来，一个典型的连接形式如图1所示：可变增益基本单元之间的连接可以直接耦合也可以通过电容耦合，可变增益基本单元的控制电压输入是由控制电压发生器提供和分配，各个可变增益基本单元的控制电压可以相同也可以不同，根据可变增益基本单元具体的电路结构而定。对于可变增益基本单元而言，如果它的可变增益范围小，就需要很多这样的基本单元级联，这样就会导致整体的可变增益放大器的带宽降低，而且会出现越来越大的直流失调。所以设计者一般专注于性能好的可变增益基本单元的实现。

为了实现增益在dB上线性，传统的可变增益放大器往往采用双级型工艺，利用双级型晶体管的特殊性质：集电极电流和基极电压有指数关系，来实现增益随控制电压具有指数性质，也就是在dB上和控制电压呈线性关系。而在CMOS工艺中，MOS管不具有这样的指数性质，所以只能用近似的方法来逼近指数性质，也就是dB上线性的性质。

在CMOS电路设计中，改变电路增益的方法有很多，主要是利用MOS管处于线性区的时候，其源漏两端的等效电阻随栅级电压变化的性质来实现。一种典型的CMOS工艺实现的可变增益基本单元的电路如图2所示，由三个MOS管M1、M2和MB1，两对电阻RL1、RL2和阻R1、阻R2组成，其连接关系为：输入信号Vin+、Vin-分别接到MOS管M1和MOS管M2的栅级上，而MOS管M1的漏级连接到负载电阻RL1上，MOS管M2的漏级连接到负载电阻RL2上，负载电阻RL1和RL2的另一端接到电源Vdd上；MOS管M1的源级连接到偏置电阻R1上，MOS管M2的源级连接到偏置电阻R2上，MOS管M1和M2的源级分别连接到一个处于线性区的MOS管MB1的源级和漏级，偏置电阻R1和R2的另一端接到地。同时MOS管M1和M2的漏级为输出信号端。控制电压Vc接到MOS管MB1的栅级上。这样通过改变MOS管的栅级电压来改变MOS管MB1的等效电阻，实现增益的改变。

上述这个电路存在以下不足：

第一、增益在dB上不是线性关系，只有在很小一段范围上才近似；

第二、控制电压范围很小，一般只有1V；

第三、增益动态范围小，有效的增益动态范围只有10dB左右；

第四、输入信号的动态范围小；

第五、一般说来，最大增益比较小。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种可变增益放大器，可采用CMOS工艺实现，具有控制电压范围大、增益在dB上线性、大的增益动态范围、低电压、低功耗的优点。

本发明提出的一种可变增益放大器，包括多个相同的级联的可变增益基本单元和控制电压发生器两部分，所说的各可变增益基本单元的输出端与控制电压发生器相连；其特征在于，所说的可变增益基本单元包括并联的多组由多级层叠电阻的简并MOS对和与各简并MOS对相连的负载电阻RL1和RL2；所说的每一组简并MOS对包括放大作用的MOS管M1、M2，以及作为可变电阻的MOS管MB1、MB2、MB3...MBn，作为偏置的电阻对R1与R2、R3与R4、...、R2n-1与R2n；其连接关系为；M1和M2的源级分别连接MB1管的源级和漏级，同时分别连接R1和R2的一端上；R1和R2的另一端则分别连接MB2管的源级和漏级，同时分别连接R3和R4的一端上；...；R2n-1和R2n的另一端则分别连接MBn管的源级和漏级，同时分别连接R2n-1和R2n的一端；R2n-1和R2n的另一端连接到地。MB1、MB2、...和MBn管的栅级共同连接在控制电压输入信号Vc0上。

所说的控制电压发生器可由多个结构相同、尺寸不同的源级跟随器构成多级并联形式，每一级源级跟随器包括工作在线形区的MOS管Mn、工作在饱和区的MOS管Mn+1和偏置电阻RBn、RBn+1，其连接关系为；输入控制电压Vcon连接到Mn+1的栅级上，Mn+1的漏级接到地，Mn+1的衬底和Mn+1的源级相接，Mn+1的源级接到Mn的漏级上，Mn的源级接到电源Vdd上，Mn的栅级和RBn、RBn+1的一端相接，Mn的衬底和Mn的源级相接；RBn的另一端接电源Vdd，而RBn+1的另一端接地。

本发明的这种改进的CMOS可变增益放大器的设计方案与传统设计方案相比具有以下几个明显的优点：

1)该可变增益放大器具有增益随控制电压在输入控制电压的范围上、在dB上呈近似的线性关系；

2)增大了控制电压输入范围大，可以达到0～Vdd；

3)增益的动态范围大，有效增益动态范围可以达到70dB；输入信号的动态范围大，可以达到70dB；

4)适合工作的频率高；噪声低；功耗低。

附图说明

图1为可变增益放大器的框图。

图2为传统的CMOS可变增益放大器的可变增益基本单元的拓扑结构示意图。

图3为本发明的可变增益放大器的框图。

图4为本发明采用CMOS工艺实现的可变增益放大器的可变增益基本单元的拓扑结构示意图。

图5为本发明采用CMOS工艺实现的可变增益放大器的控制电压发生器的拓扑结构示意图。

具体实施方式

本发明提出的一种可变增益放大器结合附图及实施例详细说明如下：

本发明提出的采用CMOS工艺实现的可变增益放大器电路结构实施例如图3所示。外部输入信号是差分输入的射频信号Vin+和Vin-、直流控制电压信号Vcon和电源信号Vdd。包括：三个相同的级联的可变增益基本单元和控制电压发生器两部分。控制电压发生器产生的控制电压Vc0、Vc1、Vc2和Vc3输出到各个可变增益基本单元。各部分的具体电路结构和连接关系详细说明如下：

本发明的可变增益基本单元实施例结构如附图4所示，包括并联的四组由4级层叠电阻的简并MOS对和与各简并MOS对相连的负载电阻RL1和RL2。其中第一组简并MOS对的组成电路如虚线框内所示：包括放大作用的MOS管M1、M2，以及作为可变电阻的MOS管MB1、MB2、MB3，作为偏置的电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6。其它各组简并MOS对的组成电路与第一组相同。其连接关系为：输入信号Vin+输入到各组的一个放大MOS管M1、M3、M5和M7的栅级上，该MOS管M1、M3、M5和M7的漏级接到RL1的一端，另一个输入差分信号Vin-输入到各组的另一个放大MOS管M2、M4、M6和M8的栅级上，该MOS管M2、M4、M6和M8的漏级接到RL2的一端，而RL1和RL2的另一端连接到电源Vdd上。其中，虚线框内的电路连接关系为：M1和M2的源级分别连接MB1管的源级和漏级，同时分别连接R1和R2的一端上；R1和R2的另一端则分别连接MB2管的源级和漏级，同时分别连接R3和R4的一端上；R3和R4的另一端则分别连接MB3管的源级和漏级，同时分别连接R5和R6的一端；R5和R6的另一端连接到地。MB1、MB2和MB3管的栅级共同连接在控制电压输入信号Vc0上。上述可变增益基本单元电路中所有MOS管的衬底接地。

本发明的控制电压发生器实施例结构如图5所示，由三个结构相同、尺寸不同的改进的源级跟随器(见图中的虚线框)构成三级并联形式。其中，每一级改进的源级跟随器(虚线框内的电路)由工作在线形区的MOS管M1和工作在饱和区的MOS管M2、电阻RB1和RB2组成，其连接关系为；输入控制电压Vcon连接到M2的栅级上，M2的漏级接到地，M2的衬底和M2的源级相接。M2的源级接到M1的漏级上，M1的源级接到电源Vdd上，M1的栅级和RB1、RB2的一端相接，M1的衬底和M1的源级相接。RB1的另一端接电源Vdd，而RB2的另一端接地。

本发明的工作原理

参考附图3，每一个可变增益基本单元的控制电压都一样，是由控制电压发生器产生的一组控制电压信号Vc0、Vc1、Vc2和Vc3，它们之间的关系为：

                          Vc0＝Vcon；

                          Vc1＝Vcon+Δ；

                          Vc2＝Vcon+2*Δ；

                          Vc3＝Vcon+3*Δ；

Δ典型值为0.4V。

参考附图5要产生Vcon+Δ，一般考虑为直流电平转换电路：源级放大器。但是一般的源级放大器会在输入高电平的时候，出现非线性的情况。为了保证输出电压和输入控制电压的线性，负载管采用了处于线性区的PMOS管M1，PMOS管M2还是处于饱和区。而M1管的栅电压由串联电阻RB1和RB2提供，改变RB1和RB2的比例，以及M1管的尺寸可以得到上述的Vcon+Δ、Vcon+2*Δ和Vcon+3*Δ的控制电压。

Vc0、Vc1、Vc2和Vc3分别连接到可变增益基本单元的四个控制电压的输入Vc0、Vc1、Vc2和Vc3上，参考附图4所示。众所周知，附图2里面的典型的可变增益单元的增益对控制电压的曲线，不是指数形式的，但是在Mc1管刚开启对应的电压V0到V0+Vth之间的时候，这个曲线段近似于指数形式。所以要在整个控制电压的范围0～Vdd都要近似于指数形式，只能使得附图4中的用来作可变电阻MOS管当Vcon从0～Vdd逐步变大的时候，管子是逐步开启，这样在整个0～Vdd中，电路的增益才能近似指数形式，才能使得增益在dB上随控制电压呈线性变化。附图4中，当Vcon从0变化到Vdd的时候，MB12、MB11、MB10、MB9、MB8、MB7、MB6、MB5、MB4、MB3、MB2、MB1管子逐步开启，从而在整个控制电压的变化范围上，电路的增益近似指数形式。并且控制电压的变化范围宽。由于M1、M2和M3、M4和M5、M6和M7、M8管子的漏电流都通过负载电阻RL1和RL2，所以电路的增益也是由4个放大管之和决定，因此该电路的最大增益会比较大。选择适当的RL1和RL2，也能够使得该电路的带宽比较大。如果输入控制电压的范围不是在0～Vdd，而是更小的范围，那么可以减小控制电压发生器输出的控制电压的个数，或者减小并联的级数。比如把控制电压输出的个数改为3个，而Vc0和Vc1同时等于输入控制电压Vcon；或者改为3级M1、M2并联，而不是附图4所示的4级。所以，电路的改造十分灵活。

本发明的CMOS可变增益放大器的实施例子结构参考附图3、4、5所示，图中各元器件的参数列表如下：

在附图4中：i＝0、1、2、3

MOS器件尺寸(um)(W，L)		电阻值(Ω)
				MiM(i+1)	MB(3i+1)MB(3i+2)MB(3i+3)	RL1RL2	RB(6i+1)、B(6i+2)RB(6i+3)、RB(6i+4)RB(6i+5)、RB(6i+6)
16	50	400	800
				0.35	0.35

在附图5中：i＝1、2、3

MOS器件尺寸(um)(W，L)		电阻值(Ω)
						Mi	M(i+1)	RB2RB4RB6	RB1	RB3	RB5
20	10	60k	10k	20k	30k
						0.35	0.35

Claims (2)

1、一种可变增益放大器，包括多个相同的级联的可变增益基本单元和控制电压发生器两部分，所说的各可变增益基本单元的输出端与控制电压发生器相连；其特征在于，所说的可变增益基本单元包括并联的多组由多级层叠电阻的简并MOS对和与各简并MOS对相连的负载电阻(RL1)和(RL2)；所说的每一组简并MOS对包括放大作用的MOS管(M1)、(M2)，以及作为可变电阻的MOS管(MB1)、(MB2)、(MB3)...(MBn)，作为偏置的电阻对(R1)与(R2)、(R3)与(R4)、...、(R2n-1)与(R2n)；其连接关系为；MOS管(M1)和(M2)的源级分别连接MOS管(MB1)管的源级和漏级，同时分别连接电阻(R1)和(R2)的一端上；电阻(R1)和(R2)的另一端则分别连接MB2管的源级和漏级，同时分别连接电阻(R3)和(R4)的一端上；...；电阻(R2n-1)和(R2n)的另一端则分别连接MOS管(MBn)管的源级和漏级，同时分别连接电阻(R2n-1)和(R2n)的一端；电阻(R2n-1)和(R2n)的另一端连接到地；MOS管(MB1)、(MB2)、...和(MBn)管的栅级共同连接在控制电压输入信号Vc0上。

2、如权利要求1所述的可变增益放大器，其特征在于，所说的控制电压发生器由多个结构相同、尺寸不同的源级跟随器构成多级并联形式，每一级源级跟随器包括工作在线形区的MOS管(Mn)、工作在饱和区的MOS管(Mn+1)和偏置电阻(RBn)、(RBn+1)，其连接关系为；输入控制电压Vcon连接到MOS管(Mn+1)的栅级上，MOS管(Mn+1)的漏级接到地，MOS管(Mn+1)的衬底和MOS管(Mn+1)的源级相接，MOS管(Mn+1)的源级接到MOS管(Mn)的漏级上，MOS管(Mn)的源级接到电源Vdd上，MOS管(Mn)的栅级和电阻(RBn)、(RBn+1)的一端相接，MOS管(Mn)的衬底和MOS管(Mn)的源级相接；电阻(RBn)的另一端接电源Vdd，而电阻(RBn+1)的另一端接地。

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