CN115378384A - 一种三堆叠结构的可变增益放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三堆叠结构的可变增益放大器，属于射频集成电路领域，用于解决现有可变增益放大器动态范围小、增益变化指数特性难以实现的问题。本发明包括M1、M2、M0、R1、R2构成的差分共源放大部分以及M3～M8、R3～R8、C1～C6构成的差分三堆叠可变增益部分。输入对M1/M2决定了动态范围变化的最大值，可变控制电压Vctrl连接到差分三堆叠控制对M3～M8的栅极，实现了增益的指数型变化。综上，本发明提供的一种三堆叠结构的可变增益放大器具有动态范围宽、增益变化指数特性、电路简单的特点。

Description

一种三堆叠结构的可变增益放大器
技术领域
本发明属于射频集成电路领域，涉及一种三堆叠结构的可变增益放大器。
背景技术
动态范围是通信系统的重要指标，它决定了收发机处理和处理信号的能力，也就是对输入功率变化的容忍度，因此，增大动态范围是十分重要的，可使系统不受干扰和多标准应用的限制。为了使通信系统的动态范围最大化，可通过不同的模块实现增益调谐，如低噪声放大器，功率放大器等，但加入可变增益放大器仍然是提高动态范围的最有效的方法。
为了实现恒定的环路稳定时间和宽范围增益调节，可变增益放大器要求具有指数增益特性，从而可实现增益线性变化。随着半导体技术的发展，CMOS工艺成为低成本、易集成的主流工艺，而在MOS管中，由于漏源电流与栅源电压的平方律关系，难以实现指数增益特性。添加额外的指数型控制电路可以实现精确的增益线性变化性能，但这会使整个可变增益放大器电路结构复杂且功耗增加。
发明内容
本发明的技术解决问题是：提供了一种三堆叠结构的可变增益放大器，提高了可变增益放大器的动态范围，在不额外添加指数型控制电路的情况下使增益变化具有指数特性，解决了电路功耗大、结构复杂的问题。
本发明采用的技术解决方案是：
一种三堆叠结构的可变增益放大器，包括共源NMOS管M0、差分输入的NMOS管M1～M2、组成差分三堆叠控制对的NMOS管M3～M8、负载电阻R1～R2、偏置电阻R3～R8、电容C1～C6；
其中，共源NMOS管M0栅极接固定偏置电压VB，源极接地，漏极接M1、M2、M3、M4的源极；
在差分输入的NMOS管M1～M2中，M1栅极接输入信号Vin+，漏极接电阻R1的一端、输出Vout-和M7的漏极；M2栅极接输入信号Vin-，漏极接电阻R2的一端、输出Vout+和M8的漏极；
在差分三堆叠控制对M3～M8中，M3栅极并联电容C1到地，后通过R3连接到可变控制电压Vctrl，漏极连接M5源极；M4栅极并联电容C2到地，后通过R4连接到可变控制电压Vctrl，漏极连接M6源极；M5栅极并联电容C3到地，后通过R5连接到可变控制电压Vctrl，漏极连接M7源极；M6栅极并联电容C4到地，后通过R6连接到可变控制电压Vctrl，漏极连接M8源极；M7栅极并联C5到地，后通过R7连接到可变控制电压Vctrl；M8栅极并联C6到地，后通过R8连接到可变控制电压Vctrl；负载电阻R1和R2的另一端均接电源VCC。
进一步的，共源NMOS管M0为大尺寸晶体管，差分输入对NMOS管M1和M2的栅长与栅宽尺寸相同，差分三堆叠控制对NMOS管M3～M8的栅长与栅宽尺寸相同，偏置电阻R3和R4阻值相同、R5和R6阻值相同、R7和R8阻值相同，并联电容C1～C6容值相同且容值较小，负载电阻R1和R2阻值相同。
进一步的，所述大尺寸晶体管是指栅长与栅宽为μm级的晶体管，并联电容C1～C6电容容值为pF级。
进一步的，Vin+/Vin-为差分输入信号，Vout+/Vout-为差分输出信号，VB为固定偏置电压，Vctrl为可变控制电压。
进一步的，当控制电压Vctrl远低于输入信号Vin+/Vin-的共模电压VCM时，使得分压到M3/M4、M5/M6、M7/M8上的栅极偏置电压很小，此时三堆叠控制对M3/M4、M5/M6、M7/M8关闭，放大器的增益固定在其最大值。
进一步的，随着Vctrl在共模电压VCM附近逐渐增大，三堆叠控制对M3/M4、M5/M6、M7/M8开始打开并工作在亚阈值区，输入对M1/M2工作在饱和区，少量电流被三堆叠控制对避开。
进一步的，当Vctrl提高到超过共模电压VCM时，三堆叠管控制对避开了大电流，仍然工作在亚阈值区域；同时，输入对M1/M2工作状态从饱和区到亚阈值区，直至到截止区，输入对的跨导不断缩小，整个放大器的增益越来越低。
进一步的，当输入对晶体管M1/M2和三堆叠控制对晶体管M3/M4、M5/M6、M7/M8都工作在亚阈值区时，其电流表达式如下：
Figure BDA0003770911070000031
Figure BDA0003770911070000032
Figure BDA0003770911070000033
其中，I1为流过晶体管M1的总电流，ID0为晶体管M0的漏极电流，W1为晶体管M1的栅宽，L1为晶体管M1的栅长，VG为晶体管M1的栅极电压，VS为晶体管M1和晶体管M3的源极电压，Vth1为晶体管M1的阈值电压，n为与制造工艺有关的常数，VT为电压常数，VDS1为晶体管M1的源漏电压；I3为流过晶体管M3的总电流，Vctrl为控制电压，W3为晶体管M3的栅宽，L3为晶体管M3的栅长，Vth3为晶体管M3的阈值电压，VDS3为晶体管M3的源漏电压；I0为流过晶体管M0的总电流；R3、R5、R7均为电阻。
进一步的，根据电流表达式(2)到(4)可得到：
Figure BDA0003770911070000034
其中，n为与制造工艺有关的常数，VT为电压常数，VG为晶体管M1的栅极电压，Vth1为晶体管M1的阈值电压，Vth3为晶体管M3的阈值电压，W1为晶体管M1的栅宽，L1为晶体管M1的栅长，W3为晶体管M3的栅宽，L3为晶体管M3的栅长，R3、R5、R7均为电阻，ID0为晶体管M0的漏极电流，I0为流过晶体管M0的总电流。
进一步的，可变增益放大器的跨导如下：
Figure BDA0003770911070000041
其中，Gm为该可变增益放大器的跨导，ID0为晶体管M0的漏极电流，VG为晶体管M1的栅极电压，VS为晶体管M1和晶体管M3的源极电压，Vth1为晶体管M1的阈值电压，n为与制造工艺有关的常数，VT为电压常数。
本发明与现有技术相比带来的有益效果为：
本发明的一种三堆叠结构的可变增益放大器，利用可变控制电压Vctrl控制三堆叠晶体管的增益实现增益的大范围变化，并使增益变化具有指数特性，与传统的设计方案相比具有以下几个明显的优点：宽动态范围变化，增益变化具有指数特性，电路复杂度更低、面积更小。
附图说明
图1为本发明的一种三堆叠结构的可变增益放大器的电路示意图。
图2为本发明的一种三堆叠结构的可变增益放大器的具体实施例结果图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做出进一步详细说明。
本实施例提供一种三堆叠结构的可变增益放大器，其电路结构如图1所示。通过该结构实现了宽动态范围的变化，且本实例更简易的使可变增益放大器拥有增益指数特性。
具体来讲，所述三堆叠结构的可变增益放大器包括M1、M2、M0、R1、R2构成的差分共源放大部分以及M3～M8、R3～R8、C1～C6构成的差分三堆叠可变增益部分，另外可变控制电压Vctrl连接到差分三堆叠控制对M3～M8的栅极，实现了增益的变化。其中，M0栅极接固定偏置电压VB，源极接地，漏极接M1、M2、M3、M4的源极；在差分输入对M1～M2中，M1栅极接输入信号Vin+，漏极接电阻R1、输出Vout-和M7的漏极，M2栅极接输入信号Vin-，漏极接电阻R2、输出Vout+和M8的漏极；在差分三堆叠控制对M3～M8中，M3栅极并联电容C1到地，后通过R3连接到可变控制电压Vctrl，漏极连接M5源极，M4栅极并联电容C2到地，后通过R4连接到可变控制电压Vctrl，漏极连接M6源极，M5栅极并联电容C3到地，后通过R5连接到可变控制电压Vctrl，漏极连接M7源极，M6栅极并联电容C4到地，后通过R6连接到可变控制电压Vctrl，漏极连接M8源极，M7栅极并联C5到地，后通过R7连接到可变控制电压Vctrl，M8栅极并联C6到地，后通过R8连接到可变控制电压Vctrl；负载电阻R1和R2的另一端接电源VCC。
进一步的，所述共源NMOS管M0为大尺寸晶体管，差分输入对NMOS管M1和M2尺寸相同，差分三堆叠控制对M3～M8尺寸相同，偏置电阻R3和R4尺寸相同、R5和R6尺寸相同、R7和R8尺寸相同，并联电容C1～C6尺寸相同且容值较小，负载电阻R1和R2尺寸相同。
优选的，大尺寸晶体管是指栅长与栅宽为μm级的晶体管，并联电容C1～C6电容容值为pF级。
本发明的工作原理如下：
模拟开环可变增益放大器增益表达式如下所示，
Gain＝Gm·RLoad (1)
其中Gain为可变增益放大器的增益，Gm为可变增益放大器的跨导，RLoad为可变增益放大器的负载电阻。
本发明提出的三堆叠结构的可变增益放大器通过放大器的跨导Gm，从而实现增益的动态变化。当控制电压Vctrl远低于输入信号Vin+/Vin-的共模电压VCM时，使得分压到M3/M4、M5/M6、M7/M8上的栅极偏置电压很小，此时三堆叠控制对M3/M4、M5/M6、M7/M8关闭，放大器的增益固定在其最大值。随着Vctrl在共模电压VCM附近逐渐增大，三堆叠控制对M3/M4、M5/M6、M7/M8开始打开并工作在亚阈值区。由于输入对M1/M2工作在饱和区，只有少量的电流被三堆叠控制对避开。当Vctrl进一步提高，超过共模电压VCM，三堆叠管控制对避开了相当大的电流，仍然工作在亚阈值区域。同时，输入对M1/M2工作状态从饱和区到亚阈值区，直至到截止区，所以输入对的跨导不断缩小，整个放大器的增益越来越低。因此实现了放大器的增益变化。
当输入对晶体管M1/M2和三堆叠控制对晶体管M3/M4、M5/M6、M7/M8都工作在亚阈值区时，其电流表达式如下：
Figure BDA0003770911070000061
Figure BDA0003770911070000062
Figure BDA0003770911070000063
由式(2)到式(4)可得：
Figure BDA0003770911070000064
则所述可变增益放大器的跨导如下：
Figure BDA0003770911070000065
在公式(2)～(6)中，Gm为该可变增益放大器的跨导，I1为流过晶体管M1的总电流，ID0为晶体管M0的漏极电流，W1为晶体管M1的栅宽，L1为晶体管M1的栅长，VG为晶体管M1的栅极电压，VS为晶体管M1和晶体管M3的源极电压，Vth1为晶体管M1的阈值电压，n为与制造工艺有关的常数，VT为电压常数，VDS1为晶体管M1的源漏电压；I3为流过晶体管M3的总电流，Vctrl为控制电压，W3为晶体管M3的栅宽，L3为晶体管M3的栅长，Vth3为晶体管M3的阈值电压，VDS3为晶体管M3的源漏电压；I0为流过晶体管M0的总电流；R3、R5、R7均为电阻。
结合式(5)和式(6)，可以看出放大器的跨导Gm随控制电压Vctrl变化，再结合式(1)则得到整个可变增益放大器增益变化的原理，且可看出该增益具有指数特性，可实际应用于自动增益控制系统中。
在整个堆叠可变增益放大器中，晶体管M0～M8的尺寸和电阻R1～R8、电容C1～C6以及可变控制电压Vctrl、偏置电压VB和供电电压VCC的大小是综合考虑整个电路的增益、带宽等各项指标后决定的，通过后期的版图设计与合理布局，可以更好地实现所要求的各项指标，实现宽动态范围变化、大带宽且良好的输入输出匹配特性。
实施例：
当控制电压Vctrl在0V～0.6V范围内时，如图2所示，该具体实施例电路的对数增益与控制电压呈现相当好的线性关系，拟合度较高，增益线性变化的动态范围为-33dB～46dB，增益实现了最大范围的dB线性变化。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种三堆叠结构的可变增益放大器，其特征在于：包括共源NMOS管M0、差分输入的NMOS管M1～M2、组成差分三堆叠控制对的NMOS管M3～M8、负载电阻R1～R2、偏置电阻R3～R8、电容C1～C6；
其中，共源NMOS管M0栅极接固定偏置电压VB，源极接地，漏极接M1、M2、M3、M4的源极；
在差分输入的NMOS管M1～M2中，M1栅极接输入信号Vin+，漏极接电阻R1的一端、输出Vout-和M7的漏极；M2栅极接输入信号Vin-，漏极接电阻R2的一端、输出Vout+和M8的漏极；
在差分三堆叠控制对M3～M8中，M3栅极并联电容C1到地，后通过R3连接到可变控制电压Vctrl，漏极连接M5源极；M4栅极并联电容C2到地，后通过R4连接到可变控制电压Vctrl，漏极连接M6源极；M5栅极并联电容C3到地，后通过R5连接到可变控制电压Vctrl，漏极连接M7源极；M6栅极并联电容C4到地，后通过R6连接到可变控制电压Vctrl，漏极连接M8源极；M7栅极并联C5到地，后通过R7连接到可变控制电压Vctrl；M8栅极并联C6到地，后通过R8连接到可变控制电压Vctrl；负载电阻R1和R2的另一端均接电源VCC。
2.根据权利要求1所述的一种三堆叠可变增益放大器，其特征在于：共源NMOS管M0为大尺寸晶体管，差分输入对NMOS管M1和M2的栅长与栅宽尺寸相同，差分三堆叠控制对NMOS管M3～M8的栅长与栅宽尺寸相同，偏置电阻R3和R4阻值相同、R5和R6阻值相同、R7和R8阻值相同，并联电容C1～C6容值相同且容值较小，负载电阻R1和R2阻值相同。
3.根据权利要求2所述的一种三堆叠可变增益放大器，其特征在于：所述大尺寸晶体管是指栅长与栅宽为μm级的晶体管，并联电容C1～C6电容容值为pF级。
4.根据权利要求1所述的一种三堆叠可变增益放大器，其特征在于：Vin+/Vin-为差分输入信号，Vout+/Vout-为差分输出信号，VB为固定偏置电压，Vctrl为可变控制电压。
5.根据权利要求1所述的一种三堆叠可变增益放大器，其特征在于：当控制电压Vctrl远低于输入信号Vin+/Vin-的共模电压VCM时，使得分压到M3/M4、M5/M6、M7/M8上的栅极偏置电压很小，此时三堆叠控制对M3/M4、M5/M6、M7/M8关闭，放大器的增益固定在其最大值。
6.根据权利要求5所述的一种三堆叠可变增益放大器，其特征在于：随着Vctrl在共模电压VCM附近逐渐增大，三堆叠控制对M3/M4、M5/M6、M7/M8开始打开并工作在亚阈值区，输入对M1/M2工作在饱和区，少量电流被三堆叠控制对避开。
7.根据权利要求6所述的一种三堆叠可变增益放大器，其特征在于：当Vctrl提高到超过共模电压VCM时，三堆叠管控制对避开了大电流，仍然工作在亚阈值区域；同时，输入对M1/M2工作状态从饱和区到亚阈值区，直至到截止区，输入对的跨导不断缩小，整个放大器的增益越来越低。
8.根据权利要求7所述的一种三堆叠可变增益放大器，其特征在于：当输入对晶体管M1/M2和三堆叠控制对晶体管M3/M4、M5/M6、M7/M8都工作在亚阈值区时，其电流表达式如下：
Figure FDA0003770911060000021
Figure FDA0003770911060000022
Figure FDA0003770911060000023
其中，I1为流过晶体管M1的总电流，ID0为晶体管M0的漏极电流，W1为晶体管M1的栅宽，L1为晶体管M1的栅长，VG为晶体管M1的栅极电压，VS为晶体管M1和晶体管M3的源极电压，Vth1为晶体管M1的阈值电压，n为与制造工艺有关的常数，VT为电压常数，VDS1为晶体管M1的源漏电压；I3为流过晶体管M3的总电流，Vctrl为控制电压，W3为晶体管M3的栅宽，L3为晶体管M3的栅长，Vth3为晶体管M3的阈值电压，VDS3为晶体管M3的源漏电压；I0为流过晶体管M0的总电流；R3、R5、R7均为电阻。
9.根据权利要求8所述的一种三堆叠可变增益放大器，其特征在于：根据电流表达式(2)到(4)可得到：
Figure FDA0003770911060000031
其中，n为与制造工艺有关的常数，VT为电压常数，VG为晶体管M1的栅极电压，Vth1为晶体管M1的阈值电压，Vth3为晶体管M3的阈值电压，W1为晶体管M1的栅宽，L1为晶体管M1的栅长，W3为晶体管M3的栅宽，L3为晶体管M3的栅长，R3、R5、R7均为电阻，ID0为晶体管M0的漏极电流，I0为流过晶体管M0的总电流。
10.根据权利要求9所述的一种三堆叠可变增益放大器，其特征在于：可变增益放大器的跨导如下：
Figure FDA0003770911060000032
其中，Gm为该可变增益放大器的跨导，ID0为晶体管M0的漏极电流，VG为晶体管M1的栅极电压，VS为晶体管M1和晶体管M3的源极电压，Vth1为晶体管M1的阈值电压，n为与制造工艺有关的常数，VT为电压常数。
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