CN114337568A - 可变增益放大器及其增益调节方法 - Google Patents

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李琛
徐德辉
荆二荣
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Abstract

本发明提供一种可变增益放大器及其增益调节方法，所述可变增益放大器包括：放大器，第一输入端接入输入电压，第二输入端通过等效输入电阻接入参考电压，输出端产生输出电压并通过等效反馈电阻连接第二输入端；等效输入电阻和/或等效反馈电阻采用MOS开关阵列实现，MOS开关阵列包括：N个选择开关及N个MOS管单元，MOS管单元包括M个MOS管，M个MOS管串联以形成M个栅端及2个连接端，选择开关的第一端彼此相连并接入栅端电压，选择开关的第二端连接对应MOS管单元的栅端，各MOS管单元通过2个连接端并联。通过本发明提供的可变增益放大器及其增益调节方法，解决了现有前置放大器存在芯片面积大和难以精确控制增益的问题。

Description

可变增益放大器及其增益调节方法
技术领域
本发明涉及增益调节技术，特别是涉及一种可变增益放大器及其增益调节方法。
背景技术
热电堆传感器广泛应用于测温及监控等领域，由于传感器信号极其微弱(nV～uV级别)，所以通常需要使用高性能前置放大器对传感器信号进行放大处理后，再送到后端模数转换器(ADC)转换为数字信号处理。
如图1所示，前置放大器的闭环增益通常用反馈电阻网络Rf/Ri决定，通过调节其中一个或两个电阻的大小实现增益可变，但存在以下问题：传感器信号极其微弱，通常会采用较高的放大器闭环增益系数，如500～10000倍进行放大，采用电阻比例方式，则意味着极大的芯片面积；采用开关选通电阻方式调节阻值，很难精确控制增益。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可变增益放大器及其增益调节方法，用于解决现有前置放大器存在芯片面积大和难以精确控制增益的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种可变增益放大器，所述可变增益放大器包括：具有至少一个反馈电阻网络的放大器，所述反馈电阻网络包括等效输入电阻和等效反馈电阻；其中，所述等效输入电阻和/或所述等效反馈电阻采用MOS开关阵列实现；所述MOS开关阵列包括：N个选择开关及N个MOS管单元，所述MOS管单元包括M个MOS管，M个MOS管串联以形成M个栅端及2个连接端，N个选择开关的第一端彼此相连并接入栅端电压，N个选择开关的第二端对应连接N个MOS管单元的栅端，N个MOS管单元通过2个连接端并联以形成2个接入点；其中，N为大于等于1的正整数，M为大于等于1的正整数。
可选地，所述放大器具有一个反馈电阻网络；其中，所述放大器的第一输入端接入输入电压，第二输入端通过所述等效输入电阻接入参考电压，输出端产生输出电压，并通过所述等效反馈电阻连接第二输入端。
可选地，所述放大器包括前置放大器或者仪表放大器。
可选地，所述MOS开关阵列中，各所述MOS管单元中M的取值相同。
可选地，所述等效输入电阻和所述等效反馈电阻均采用MOS开关阵列实现；其中，所述等效输入电阻中N的取值与所述等效反馈电阻中N的取值相同或者不同，所述等效输入电阻中M的取值与所述等效反馈电阻中M的取值相同或者不同。
可选地，所述MOS开关阵列还包括：数模转换器，用于提供所述栅端电压；其中，所述数模转换器通过调节基准电压的值来控制输出动态范围。
可选地，所述数模转换器的位数为6-14位，采用电阻分压结构或R2R结构实现。
本发明还提供了一种基于如上任一项所述的可变增益放大器实现的增益调节方法，所述增益调节方法包括：设置所述栅端电压为固定值，通过所述选择开关的通断设置并联于2个接入点之间的所述MOS管单元的数量，以此设置2个接入点之间的等效电阻，实现粗调所述放大器的增益；其中，所述放大器的增益为所述等效反馈电阻与所述等效输入电阻的比值。
可选地，所述增益调节方法还包括：设置所述栅端电压在设定电压范围内变化，利用所述栅端电压调节所述MOS管单元中各MOS管的导通电阻，通过改变2个接入点之间的等效电阻，实现细调所述放大器的增益。
可选地，在采用数模转换器提供所述栅端电压时，所述设定电压范围为所述数模转换器的输出动态范围。
如上所述，本发明的一种可变增益放大器及其增益调节方法，采用MOS开关阵列替换现有放大器反馈电阻网络中的输入电阻和/或反馈电阻，以此大幅节省芯片面积。通过选择开关的选通，选择接入2个接入点的并联MOS管单元的数量，利用MOS管的导通电阻来形成2个接入点的等效电阻，以此实现粗调放大器的增益；通过栅端电压调节MOS管的导通电阻，利用MOS管的导通电阻的改变来调节2个接入点的等效电阻，以此实现细调放大器的增益；通过粗调与细调结合，可以实现放大器增益的精确控制；而且，通过栅端电压调节MOS管的导通电阻，可以获取极大的阻值调节范围，从而使得放大器获取较大的增益。
附图说明
图1显示为现有前置放大器的电路示意图。
图2显示为本发明可变增益放大器具有一个反馈电阻网络时的电路示意图。
图3显示为本发明可变增益放大器具有两个反馈电阻网络时的电路示意图。
图4显示为本发明可变增益放大器中MOS开关阵列的电路示意图。
元件标号说明
100 放大器
200 MOS开关阵列
2011-201N MOS管单元
202 数模转换器
具体实施方式
以下通过特定的具体实例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露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图2至图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
如图2至图4所示，本实施例提供一种可变增益放大器，所述可变增益放大器包括：具有至少一个反馈电阻网络的放大器100，所述反馈电阻网络包括等效输入电阻Ri_eq和等效反馈电阻Rf_eq；其中，所述等效输入电阻Ri_eq和/或所述等效反馈电阻Rf_eq采用MOS开关阵列200实现。
需要注意的是，本实施例的“和/或”，是指等效输入电阻Ri_eq和等效反馈电阻Rf_eq中，可以二者之一采用MOS开关阵列实现，也可以二者同时采用MOS开关阵列实现。实际应用中，为了使芯片面积最小化，可使等效输入电阻Ri_eq和等效反馈电阻Rf_eq同时采用MOS开关阵列实现。
如图2和图3所示，所述放大器100具有至少一个反馈电阻网络，其增益由所述反馈电阻网络中所述等效反馈电阻Rf_eq与所述等效输入电阻Ri_eq的比值决定，也即，该增益＝Rf_eq/Ri_eq。
具体的，所述放大器100具有一个反馈电阻网络，此时，所述放大器100包括两个输入端及一个输出端，其中，第一输入端接入输入电压Vin，第二输入端通过所述等效输入电阻Ri_eq接入参考电压Vref，输出端产生输出电压Vout，并通过所述等效反馈电阻Rf_eq连接第二输入端(如图2所示)。可选地，本示例中，所述放大器100包括前置放大器或者仪表放大器。
当然，其他示例中，所述放大器100也可以具有两个反馈电阻网络，即由第一等效输入电阻Ri_eq1和第一等效反馈电阻Rf_eq1构成的第一反馈电阻网络，及由第二等效输入电阻Ri_eq2和第二等效反馈电阻Rf_eq2构成的第二反馈电阻网络，此时，所述放大器100包括两个输入端和两个输出端，其中，第一输入端通过第一等效输入电阻Ri_eq1接入第一输入电压Vin1，第二输入端通过第二等效输入电阻Ri_eq2接入第二输入电压Vin2，第一输出端产生第一输出电压Vout1，并通过第一等效反馈电阻Rf_eq1连接所述第一输入端，第二输出端产生第二输出电压Vout2，并通过第二等效反馈电阻Rf_eq2连接所述第二输入端(如图3所示)。可选地，本示例中，所述放大器100包括差分运算放大器。
如图4所示，所述MOS开关阵列200包括：N个选择开关K1-KN及N个MOS管单元2011-201N，所述MOS管单元包括M个MOS管，M个MOS管串联以形成M个栅端及2个连接端，其中M个栅端作为所述MOS管单元的栅端，2个连接端作为所述MOS管单元的连接端；N个选择开关K1-KN的第一端彼此相连并接入栅端电压Vtune，N个选择开关K1-KN的第二端对应连接N个MOS管单元2011-201N的栅端，N个MOS管单元2011-201N通过2个连接端并联以形成2个接入点A、B；其中，N为大于等于1的正整数，M为大于等于1的正整数。
针对所述等效输入电阻Ri_eq采用所述MOS开关阵列200实现的情况(所述MOS开关阵列200通过2个接入点A、B接入所述放大器100的输入端，如接入点A连接所述参考电压Vref，接入点B连接所述放大器100的第二输入端)：对于所述MOS开关阵列200而言，N个所述MOS管单元2011-201N中，各MOS管单元中MOS管的数量可以完全相同，也可以完全不同，更可以部分相同，这对本实施例没有实质影响；但实际应用中，出于芯片面积及计算的考虑，通常设置各MOS管单元中MOS管的数量相同，也即各所述MOS管单元中M的取值相同；而N和M的具体数值可根据实际需求来确定，本实施例对此不做限制。
针对所述等效反馈电阻Rf_eq采用所述MOS开关阵列200实现的情况(所述MOS开关阵列200通过2个接入点A、B接入所述放大器100的输入端和输出端，如接入点A连接所述放大器100的第二输入端，接入点B连接所述放大器100的输出端)：对于所述MOS开关阵列200而言，N个所述MOS管单元2011-201N中，各MOS管单元中MOS管的数量可以完全相同，也可以完全不同，更可以部分相同，这对本实施例没有实质影响；但实际应用中，出于芯片面积及计算的考虑，通常设置各所述MOS管单元中MOS管的数量相同，也即各所述MOS管单元中M的取值相同；而N和M的具体数值可根据实际需求来确定，本实施例对此不做限制。
针对所述等效输入电阻Ri_eq和所述等效反馈电阻Rf_eq同时采用所述MOS开关阵列200实现的情况(其中一个所述MOS开关阵列200通过2个接入点A、B接入所述放大器100的输入端，另一个所述MOS开关阵列200通过2个接入点A、B接入所述放大器100的输入端和输出端，如一个所述MOS开关阵列200的接入点A连接所述参考电压Vref，接入点B连接所述放大器100的第二输入端，另一个所述MOS开关阵列200的接入点A连接所述放大器100的第二输入端，接入点B连接所述放大器100的输出端)：对于任一所述MOS开关阵列200而言，N个所述MOS管单元2011-201N中，各MOS管单元中MOS管的数量可以完全相同，也可以完全不同，更可以部分相同，这对本实施例没有实质影响；但实际应用中，出于芯片面积及计算的考虑，通常设置各MOS管单元中MOS管的数量相同，也即各所述MOS管单元中M的取值相同。对于两个不同的所述MOS开关阵列200而言，所述等效输入电阻Ri_eq中N的取值与所述等效反馈电阻Rf_eq中N的取值可以相同，也可以不同；所述等效输入电阻Ri_eq中M的取值与所述等效反馈电阻Rf_eq中M的取值可以相同，也可以不同；而N和M的具体数值可根据实际需求来确定，本实施例对此不做限制。
实际应用中，为了便于计算，通常设置各MOS管的参数相同或近似相同，以在相同栅端电压Vtune的控制下具有相同或近似相同的导通电阻；对于被选通的所述MOS管单元而言，该通路的等效电阻可以看作M*Ron，其中M为该MOS管单元中MOS管的数量，Ron为MOS管的导通电阻。
进一步的，所述MOS开关阵列200还包括：数模转换器202，用于提供所述栅端电压Vtune；其中，所述数模转换器202通过调节基准电压的值来控制输出动态范围。本实施例中，采用数模转换器提供所述栅端电压Vtune，可实现电压值的精准控制；而通过所述基准电压来调节数模转换器的输出动态范围，则可实现输出动态范围的精确调节。实际应用中，所述数模转换器的基准电压可通过数字方式进行修正，以此实现精确调节数模转换器的输出动态范围。具体的，所述数模转换器202的位数为6-14位，采用电阻分压结构或R2R结构实现；当然，所述数模转换器202也可以选用其他位数，同时也可以采用其他结构来实现，这对本实施例没有实质影响。
相应的，本实施例还提供一种基于如上所述的可变增益放大器实现的增益调节方法，所述增益调节方法包括：1)设置所述栅端电压Vtune为固定值，通过所述选择开关K1-KN的通断设置并联于2个接入点A、B之间的所述MOS管单元的数量，以此设置2个接入点A、B之间的等效电阻，实现粗调所述放大器100的增益；其中，所述放大器100的增益为所述等效反馈电阻Rf_eq与所述等效输入电阻Ri_eq的比值。
进一步的，所述增益调节方法还包括：2)设置所述栅端电压Vtune在设定电压范围内变化，利用所述栅端电压Vtune调节所述MOS管单元中各MOS管的导通电阻，通过改变2个接入点A、B之间的等效电阻，实现细调所述放大器100的增益。其中，在所述MOS管为NMOS管时，所述栅端电压Vtune与所述NMOS管的导通电阻呈负相关，也即，利用NMOS管的导通特性，随着所述栅端电压Vtune增大，所述NMOS管的导通电阻减小，反之，随着所述栅端电压Vtune减小，所述NMOS管的导通电阻增大；在所述MOS管为PMOS管时，所述栅端电压Vtune与所述PMOS管的导通电阻呈正相关，也即，利用PMOS管的导通特性，随着所述栅端电压Vtune增大，所述PMOS管的导通电阻增大，反之，随着所述栅端电压Vtune减小，所述PMOS管的导通电阻减小；而在所述MOS管为CMOS管时，则需要提供高、低两种栅压，且这两种栅压的设置及其与导通电阻的关系可对应参考NMOS管和PMOS管的情况。更进一步的，在采用数模转换器提供所述栅端电压时，所述设定电压范围即为所述数模转换器的输出动态范围。
实际应用中，可基于升序或降序来控制所述选择开关的导通数量，以此控制并联至2个接入点A、B之间的所述MOS管单元的数量，也即2个接入点A、B之间的等效电阻，并通过观察所述放大器输出与输入之间的放大倍数(即增益)是否在预设范围内来判断是否完成粗调。如控制L个选择开关导通，此时2个接入点A、B之间的等效电阻为L*M*Ron，若预调增益为1000倍，预设范围为950-1050，如果此时所述放大器的输出与输入之间的放大倍数为980，则完成粗调，而如果所述放大器的输出与输入之间的放大倍数为900，则需要继续调整所述选择开关的导通数量，直至放大器的放大倍数在预设范围内；而继续调整所述选择开关的导通数量时，应根据当前放大器的放大倍数与预设范围的大小关系及MOS开关阵列的位置来综合考虑；如若仅是等效输入电阻采用MOS开关阵列实现，当前放大器的放大倍数又小于预设范围的最小值，那么为了调大放大器的增益，就要减小2个接入点A、B之间的等效电阻，也即减小所述MOS开关阵列中所述选择开关的导通数量；对于仅是等效反馈电阻采用MOS开关阵列实现的情况，或者等效输入电阻和等效反馈电阻同时采用MOS开关阵列实现的情况，也是基于相同的理论来调整，只是在等效输入电阻和等效反馈电阻同时采用MOS开关阵列实现时，可以固定一个调整另一个，也可以两个同时调整，但基本理论不变。对于增益调节精度要求不高的系统，如上所述的粗调即可满足系统要求，此时可不进行细调。
对于增益调节精度要求高的系统，则需先进行如上所述的粗调，之后再进行细调；而在进行细调时，则是通过调节栅端电压的大小来调节选通的MOS管单元中各MOS管的导通电阻，也即2个接入点A、B之间的等效电阻，并通过观察所述放大器输出与输入之间的放大倍数(及增益)是否达到预调增益来判断是否完成细调。如粗调后L个选择开关导通，此时2个接入点A、B之间的等效电阻为L*M*Ron，粗调后放大器的放大倍数为980，那么则需要调节栅端电压来改变MOS管的导通电阻，使放大器的放大倍数达到预调增益1000；若仅是等效输入电阻采用MOS开关阵列实现(如其中的MOS管为NMOS管)，为了增大放大器的放大倍数，需要减小2个接入点A、B之间的等效电阻，那么则需要调大栅端电压Vtune的值，而在调大栅端电压Vtune的过程中，则基于数模转换器的转换精度按设定步进逐步增大，直至放大器的放大倍数等于或近似等于预调增益1000；对于仅是等效反馈电阻采用MOS开关阵列实现的情况，或者等效输入电阻和等效反馈电阻同时采用MOS开关阵列实现的情况，也是基于相同的理论来调整，只是在等效输入电阻和等效反馈电阻同时采用MOS开关阵列实现时，可以固定一个调整另一个，也可以两个同时调整，但基本理论不变。需要注意的是，所述栅端电压不论是固定值还是在设定电压范围内变化时，都应不小于MOS管的阈值电压。
综上所述，本发明的一种可变增益放大器及其增益调节方法，采用MOS开关阵列替换现有放大器反馈电阻网络中的输入电阻和/或反馈电阻，以此大幅节省芯片面积。通过选择开关的选通，选择接入2个接入点的并联MOS管单元的数量，利用MOS管的导通电阻来形成2个接入点的等效电阻，以此实现粗调放大器的增益；通过栅端电压调节MOS管的导通电阻，利用MOS管的导通电阻的改变来调节2个接入点的等效电阻，以此实现细调放大器的增益；通过粗调与细调结合，可以实现放大器增益的精确控制；而且，通过栅端电压调节MOS管的导通电阻，可以获取极大的阻值调节范围，从而使得放大器获取较大的增益。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
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。任何熟悉此技术的人士皆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或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种可变增益放大器，其特征在于，所述可变增益放大器包括：具有至少一个反馈电阻网络的放大器，所述反馈电阻网络包括等效输入电阻和等效反馈电阻；其中，所述等效输入电阻和/或所述等效反馈电阻采用MOS开关阵列实现；
所述MOS开关阵列包括：N个选择开关及N个MOS管单元，所述MOS管单元包括M个MOS管，M个MOS管串联以形成M个栅端及2个连接端，N个选择开关的第一端彼此相连并接入栅端电压，N个选择开关的第二端对应连接N个MOS管单元的栅端，N个MOS管单元通过2个连接端并联以形成2个接入点；其中，N为大于等于1的正整数，M为大于等于1的正整数。
2.根据权利要求1所述的可变增益放大器，其特征在于，所述放大器具有一个反馈电阻网络；其中，所述放大器的第一输入端接入输入电压，第二输入端通过所述等效输入电阻接入参考电压，输出端产生输出电压，并通过所述等效反馈电阻连接第二输入端。
3.根据权利要求2所述的可变增益放大器，其特征在于，所述放大器包括前置放大器或者仪表放大器。
4.根据权利要求1-3任一项所述的可变增益放大器，其特征在于，所述MOS开关阵列中，各所述MOS管单元中M的取值相同。
5.根据权利要求4所述的可变增益放大器，其特征在于，所述等效输入电阻和所述等效反馈电阻均采用MOS开关阵列实现；其中，所述等效输入电阻中N的取值与所述等效反馈电阻中N的取值相同或者不同，所述等效输入电阻中M的取值与所述等效反馈电阻中M的取值相同或者不同。
6.根据权利要求1-3任一项所述的可变增益放大器，其特征在于，所述MOS开关阵列还包括：数模转换器，用于提供所述栅端电压；其中，所述数模转换器通过调节基准电压的值来控制输出动态范围。
7.根据权利要求6所述的可变增益放大器，其特征在于，所述数模转换器的位数为6-14位，采用电阻分压结构或R2R结构实现。
8.一种基于如权利要求1-7任一项所述的可变增益放大器实现的增益调节方法，其特征在于，所述增益调节方法包括：
设置所述栅端电压为固定值，通过所述选择开关的通断设置并联于2个接入点之间的所述MOS管单元的数量，以此设置2个接入点之间的等效电阻，实现粗调所述放大器的增益；
其中，所述放大器的增益为所述等效反馈电阻与所述等效输入电阻的比值。
9.根据权利要求8所述的增益调节方法，其特征在于，所述增益调节方法还包括：设置所述栅端电压在设定电压范围内变化，利用所述栅端电压调节所述MOS管单元中各MOS管的导通电阻，通过改变2个接入点之间的等效电阻，实现细调所述放大器的增益。
10.权利要求9所述的增益调节方法，其特征在于，在采用数模转换器提供所述栅端电压时，所述设定电压范围为所述数模转换器的输出动态范围。
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