CN115694376B - 一种带连续衰减功能的低功耗放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带连续衰减功能的低功耗放大器，包括电流复用负反馈网络、有源衰减网络、共源共栅网络以及负压兼控正负压网络。本发明电路是一种带温补效应的、负压同时控制增强型晶体管和耗尽型晶体管的电路，在保证基态的噪声和功率性能影响较小的前提下，能在较大范围内实现连续可调衰减，具有宽带、高增益、低功耗和低噪声特性。

Description

一种带连续衰减功能的低功耗放大器

技术领域

本发明属于集成电路设计技术领域，具体涉及一种带连续衰减功能的低功耗放大器。

背景技术

在放大电路中，要想实现高增益通常需要多级晶体管放大，而放大管数量和级数的增加往往会增大电路的功耗，如果在设计中既能实现高增益又能控制电路功耗将会具有较好的实际意义。

当需要增大电路的增益动态范围时，通常会在电路中加入衰减器。数控衰减器的衰减量为固定值，无法通过外围电压的连续改变实现衰减量的连续改变。目前很多电路采用了加入单一的有源衰减器来实现增益连续可调，但此种方法在衰减的同时无法使电流同时下降，导致效率降低。某些设计中也采用通过调整栅压来实现增益连续可调，此种方法虽可同时调节电流，但是增益可调范围有限。而且在通过栅压调节放大器增益的案例中，如若采用增强型晶体管放大，由于其栅压开启电压为正电压，往往采用正压控电路来实现对管子的调节，特别是当同时需要控制增强型晶体管和耗尽型晶体管的时候，控制电压选择是个很困扰的问题。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的带连续衰减功能的低功耗放大器解决了现有的低功耗放大器实现增益可调时存在的效率低及增益可调范围有限，且无法兼顾增强型管子和耗尽型管子控制电压等问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种带连续衰减功能的低功耗放大器，包括电流复用负反馈网络、有源衰减网络、共源共栅网络以及负压兼控正负压网络；

所述电流复用负反馈网络的第一输入端作为所述低功耗放大器芯片的射频输入端，所述电流复用负反馈网络的第一输出端与所述有源衰减网络的第一输入端连接，所述有源衰减网络的输出端与所述共源共栅网络的第一输入端连接，所述共源共栅网络的输出端作为所述低功耗放大器芯片的射频输出端；

所述负压兼控正负压网络的第一输出端与电流复用负反馈网络的第二输入端连接，所述负压兼控正负压网络的第二输出端与有源衰减网络的第二输入端连接，所述负压兼控正负压网络的第三输出端与共源共栅网络的第二输入端连接。

进一步地，所述电流复用负反馈网络包括电容C1；

所述电容C1的一端作为所述电流复用负反馈网络的第一输入端，所述电容C1另一端分别与电阻R1的一端和晶体管M1的栅极连接，所述电阻R1的另一端作为所述电流复用负反馈网络的第二输入端，所述晶体管M1的源极接地，所述晶体管M1的漏极分别与电感L1的一端和电容C3的一端连接，所述电感L1的另一端分别与晶体管M2的源极和接地电容C5连接，所述电容C3的另一端分别与电阻R2的一端和晶体管M2的栅极连接，所述晶体管M2的漏极分别与电容C2的一端、电感L2的一端以及电感L3的一端连接，所述电容C2的另一端作为所述电流复用负反馈网络的输出端，所述电感L3的另一端与电容C4的一端连接，所述电容C4的另一端分别与电阻R2的另一端和电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端分别与接地电阻R5和电阻R4的一端连接，所述电阻R4的另一端分别与电感L2的另一端和电源VD连接。

上述进一步方案的有益效果为：电流复用负反馈网络在提高了电路增益的同时电流进行了复用，使电路实现了低功耗，并有效拓展了电路的带宽；且结合负反馈结构，减小了带内增益波动。同时由于电流复用网络内是两级放大电路，其具有较高的隔离度，减小了后面有源衰减网络对噪声的影响。

进一步地，所述有源衰减网络包括电阻R19；

所述电阻R19的一端作为所述有源衰减网络的第一输入端，并分别与接地电阻R9和晶体管M3的源极连接，所述电阻R19的另一端作为所述有源衰减网络的输出端，并分别与接地电阻R10和晶体管M3的漏极连接，所述晶体管M3的栅极与电阻R11的一端连接，所述电阻R11的另一端分别与接地电阻R21和电阻R20的一端连接，所述电阻R20的另一端作为所述有源衰减网络的第二输入端。

上述进一步方案的有益效果为：上述源衰减网络通过电压Vcon的调节，实现对有源管M3不同导通状态的控制，从而实现对电路的连续衰减。此有源衰减网络位于电流复用负反馈网络和共源共栅网络之间，第一可以同时参与级间匹配，第二可以尽量减少由其带来的噪声和输出功率的恶化。

进一步地，所述共源共栅网络包括电容C9；

所述电容C9的一端作为所述共源共栅网络的第一输入端，所述电容C9的另一端分别与电阻R15的一端和晶体管M5的栅极连接，所述电阻R15的另一端作为所述共源共栅网络的第二输入端，所述晶体管M5的源极接地，所述晶体管M5的漏极与晶体管M4的源极连接，所述晶体管M4的栅极分别与接地电容C13和电阻R16的一端连接，所述电阻R16的另一端分别与接地电阻R17和电阻R18的一端连接，所述电阻R18的另一端与电源VD连接，所述晶体管M4的漏极分别与电容C10的一端和电感L4的一端连接，所述电感L4的另一端分别与接地电容C12和电源VD连接，所述电容C10的另一端与接地电容C11连接，并作为所述共源共栅网络的输出端。

上述进一步方案的有益效果为：上述共源共栅网络不仅有效地拓展了电路的带宽，且在提高电路增益的同时保证了电路的低功耗，并且因其具有较高的隔离度，降低了前面有源衰减网络对电路输出功率的影响。

进一步地，所述负压兼控正负压网络包括晶体管M6和晶体管M7；

所述晶体管M6的源极与电阻R6的一端连接，所述电阻R6的另一端作为所述负压兼控正负压网络的第二输出端与控制电压Vcon连接，并通过电阻R12与晶体管M7的源极连接，所述晶体管M6的栅极分别与接地电容C7和电阻R7的一端连接，所述电阻R7的另一端作为所述负压兼控正负压网络的第一输出端，并分别与晶体管M6的漏极和电阻R8的一端连接，所述电阻R8的另一端分别与接地电容C6和电源VD连接；

所述晶体管M7的栅极分别与接地电容C8和电阻R13的一端连接，所述电阻R13的另一端作为所述负压兼控正负压网络的第三输出端，并分别与晶体管M7的漏极和电阻R14的一端连接，所述电阻R14的另一端与电源VD连接。

上述进一步方案的有益效果为：上述负压兼控正负压网络实现了外围负电压Vcon同时控制放大链路中增强型晶体管（M1、M2、M4、M5）的正栅压和衰减网络中耗尽型晶体管M3的负栅压，从而保证了电路在较大动态范围内的连续衰减可控；并且网络中的有源管M6和M7对温度引起的栅压波动具有自适应调节作用，使该网络具有了很好的温补效应。

本发明的有益效果为：

1、本发明电路是一种带温补效应的负压同时可控制正栅压和负栅压的电路，芯片放大链路采用的晶体管均为增强型管子，但是衰减网络中采用的晶体管为耗尽型管子，本发明不仅实现了负压兼控正负压电路，并且控制电路中的有源晶体管在电路中实现了温补效应，使整个电路电性能波动减小，提高了电路的一致性。

2、本发明电路在保证基态的噪声和功率性能影响较小的前提下，能在较大范围内实现连续可调衰减。本发明电路在两级链路中间加入了一个有源衰减器，其前后的电流复用负反馈网络和共源共栅网络均具有较高的隔离度，因此对噪声和功率影响较小；该有源衰减器可通过外围控制电压对其实现连续衰减量的调节；同时结合控制电压对放大电路中晶体管栅压大小的调节，可使整个电路增益在较大范围内连续调节，并随着增益下降，电路功耗也可随之下降。

3、本发明电路具有宽带、高增益、低功耗和低噪声特性；本发明电路通过电流复用负反馈结构驱动共源共栅结构，使电路增益接近四个晶体管放大能力的同时，功耗仅等于两个晶体管，而且有效地拓展了工作带宽。由于电路采用增强型晶体管并结合有效的匹配电路，同时将直流馈电放在负反馈结构中，使本电路具有理想的低噪声特性且减小了芯片面积。

附图说明

图1为本发明提供的带连续衰减功能的低功耗放大器的电路框图。

图2为本发明提供的带连续衰减功能的低功耗放大器的电路原理图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

本发明实施例提供了一种带连续衰减功能的低功耗放大器，如图1所示，包括电流复用负反馈网络、有源衰减网络、共源共栅网络以及负压兼控正负压网络；

电流复用负反馈网络的第一输入端作为低功耗放大器芯片的射频输入端，电流复用负反馈网络的第一输出端与有源衰减网络的第一输入端连接，有源衰减网络的输出端与共源共栅网络的第一输入端连接，共源共栅网络的输出端作为低功耗放大器芯片的射频输出端；

负压兼控正负压网络的第一输出端与电流复用负反馈网络的第二输入端连接，负压兼控正负压网络的第二输出端与有源衰减网络的第二输入端连接，负压兼控正负压网络的第三输出端与共源共栅网络的第二输入端连接。

如图2所示，本发明实施例中的电流复用负反馈网络包括电容C1；

电容C1的一端作为电流复用负反馈网络的第一输入端，电容C1另一端分别与电阻R1的一端和晶体管M1的栅极连接，电阻R1的另一端作为电流复用负反馈网络的第二输入端，晶体管M1的源极接地，晶体管M1的漏极分别与电感L1的一端和电容C3的一端连接，电感L1的另一端分别与晶体管M2的源极和接地电容C5连接，电容C3的另一端分别与电阻R2的一端和晶体管M2的栅极连接，晶体管M2的漏极分别与电容C2的一端、电感L2的一端以及电感L3的一端连接，电容C2的另一端作为电流复用负反馈网络的输出端，电感L3的另一端与电容C4的一端连接，电容C4的另一端分别与电阻R2的另一端和电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端分别与接地电阻R5和电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端分别与电感L2的另一端和电源VD连接。

如图2所示，本发明实施例中的有源衰减网络包括电阻R19；

电阻R19的一端作为有源衰减网络的第一输入端，并分别与接地电阻R9和晶体管M3的源极连接，电阻R19的另一端作为有源衰减网络的输出端，并分别与接地电阻R10和晶体管M3的漏极连接，晶体管M3的栅极与电阻R11的一端连接，电阻R11的另一端分别与接地电阻R21和电阻R20的一端连接，电阻R20的另一端作为有源衰减网络的第二输入端。

如图2所示，本发明实施例中的共源共栅网络包括电容C9；

电容C9的一端作为共源共栅网络的第一输入端，电容C9的另一端分别与电阻R15的一端和晶体管M5的栅极连接，电阻R15的另一端作为共源共栅网络的第二输入端，晶体管M5的源极接地，晶体管M5的漏极与晶体管M4的源极连接，晶体管M4的栅极分别与接地电容C13和电阻R16的一端连接，电阻R16的另一端分别与接地电阻R17和电阻R18的一端连接，电阻R18的另一端与电源VD连接，晶体管M4的漏极分别与电容C10的一端和电感L4的一端连接，电感L4的另一端分别与接地电容C12和电源VD连接，电容C10的另一端与接地电容C11连接，并作为共源共栅网络的输出端。

如图2所示，本发明实施例中的负压兼控正负压网络包括晶体管M6和晶体管M7；

晶体管M6的源极与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端作为负压兼控正负压网络的第二输出端与控制电压Vcon连接，并通过电阻R12与晶体管M7的源极连接，晶体管M6的栅极分别与接地电容C7和电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端作为负压兼控正负压网络的第一输出端，并分别与晶体管M6的漏极和电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端分别与接地电容C6和电源VD连接；

晶体管M7的栅极分别与接地电容C8和电阻R13的一端连接，电阻R13的另一端作为负压兼控正负压网络的第三输出端，并分别与晶体管M7的漏极和电阻R14的一端连接，电阻R14的另一端与电源VD连接。

在本发明的一个实施例中，提供了本发明中的低功耗放大器的工作原理：

信号从RFin进入，到达电流复用负反馈网络，在该网络中，射频信号经过晶体管M1和M2两级放大，但是通过M1的电流同时通过了M2，即电流进行了复用，所以功耗只相当于一个管子的功耗，电流复用结构由于包含了两级放大管，所以其具有较高的隔离度，同时其还能很好的拓展工作带宽。同时，在M2管子的输出和输入之间加入了一个负反馈结构（由L3、C4和R2组成），负反馈结构可以很好的减小增益波动。M2漏压由电源电压VD经L2获得，栅压通过电源VD经电阻R4、R5分压获得，并通过R3结合负反馈电阻R2给到M2栅极，M1的漏压由M2的源极电位获得，M1的栅压由负压兼控正负压网络供给并控制。

信号在共源共栅网络中做进一步放大，M5为共源管，M4为共栅管。共源共栅结构由于降低了米勒效应，使在电流相同的前提下增益可以比单个晶体管做的更高，且能有效提高输出阻抗，增大隔离度，拓展电路的带宽。M4的漏压由VD经电感L4获得，栅压由VD经R17和R18分压获得，M5源极接地，漏极接M4的源极，M5的栅压由负压兼控正负压网络供给并控制。电容C13用于射频到地。C10为隔值电容，并和到地电容C11组成输出匹配网络。

本实施例中的电路馈电电压采用单一的电源电压VD，电压Vcon为控制电压，范围在-2~0V。在负压兼控正负压网络中，M6和M7均为增强型晶体管用于温度调节和分压，两个管子的栅和漏之间均通过一个电阻相连，形成一个类似二极管的结构，通过调节栅漏之间的电阻可以适当调节补偿深度。M6和M7栅极通过一个电容到地，源极均通过一个电阻接控制电压Vcon，由Vcon控制其源极电位。M6和M7漏极电位获得的电压分别给电流复用负反馈网络中的M1和共源共栅网络中的M5提供正栅压，从而完成了从Vcon负压控转为正压控，进而实现增益和电流的控制。

有源衰减网络位于电流复用负反馈网络和共源共栅网络之间，放于级间的目的第一可以同时参与级间匹配，第二可以尽量减少由其带来的噪声和输出功率的恶化。M3为耗尽型晶体管，其源漏均通过电阻接地，控制电压Vcon为-2~0V，通过R20和R21分压后给M3提供栅压，使得在控制电压范围波动时，实现控制有源管不同的导通状态，并结合电阻R9、R10和R19实现衰减量的控制。此有源衰减网络结合Vcon对电路中放大管栅压的调节控制，可以使整个电路在较大的动态范围内实现增益可调功能，并能在增益衰减的同时，同步降低电流减少功耗。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。

Claims (4)

1.一种带连续衰减功能的低功耗放大器，其特征在于，包括电流复用负反馈网络、有源衰减网络、共源共栅网络以及负压兼控正负压网络；

所述电流复用负反馈网络的第一输入端作为所述低功耗放大器芯片的射频输入端，所述电流复用负反馈网络的第一输出端与所述有源衰减网络的第一输入端连接，所述有源衰减网络的输出端与所述共源共栅网络的第一输入端连接，所述共源共栅网络的输出端作为所述低功耗放大器芯片的射频输出端；

所述负压兼控正负压网络的第一输出端与电流复用负反馈网络的第二输入端连接，所述负压兼控正负压网络的第二输出端与有源衰减网络的第二输入端连接，所述负压兼控正负压网络的第三输出端与共源共栅网络的第二输入端连接；

所述电流复用负反馈网络包括电容C1；

所述电容C1的一端作为所述电流复用负反馈网络的第一输入端，所述电容C1另一端分别与电阻R1的一端和晶体管M1的栅极连接，所述电阻R1的另一端作为所述电流复用负反馈网络的第二输入端，所述晶体管M1的源极接地，所述晶体管M1的漏极分别与电感L1的一端和电容C3的一端连接，所述电感L1的另一端分别与晶体管M2的源极和接地电容C5连接，所述电容C3的另一端分别与电阻R2的一端和晶体管M2的栅极连接，所述晶体管M2的漏极分别与电容C2的一端、电感L2的一端以及电感L3的一端连接，所述电容C2的另一端作为所述电流复用负反馈网络的输出端，所述电感L3的另一端与电容C4的一端连接，所述电容C4的另一端分别与电阻R2的另一端和电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端分别与接地电阻R5和电阻R4的一端连接，所述电阻R4的另一端分别与电感L2的另一端和电源VD连接。

2.根据权利要求1所述的带连续衰减功能的低功耗放大器，其特征在于，所述有源衰减网络包括电阻R19；

所述电阻R19的一端作为所述有源衰减网络的第一输入端，并分别与接地电阻R9和晶体管M3的源极连接，所述电阻R19的另一端作为所述有源衰减网络的输出端，并分别与接地电阻R10和晶体管M3的漏极连接，所述晶体管M3的栅极与电阻R11的一端连接，所述电阻R11的另一端分别与接地电阻R21和电阻R20的一端连接，所述电阻R20的另一端作为所述有源衰减网络的第二输入端。

3.根据权利要求1所述的带连续衰减功能的低功耗放大器，其特征在于，所述共源共栅网络包括电容C9；

所述电容C9的一端作为所述共源共栅网络的第一输入端，所述电容C9的另一端分别与电阻R15的一端和晶体管M5的栅极连接，所述电阻R15的另一端作为所述共源共栅网络的第二输入端，所述晶体管M5的源极接地，所述晶体管M5的漏极与晶体管M4的源极连接，所述晶体管M4的栅极分别与接地电容C13和电阻R16的一端连接，所述电阻R16的另一端分别与接地电阻R17和电阻R18的一端连接，所述电阻R18的另一端与电源VD连接，所述晶体管M4的漏极分别与电容C10的一端和电感L4的一端连接，所述电感L4的另一端分别与接地电容C12和电源VD连接，所述电容C10的另一端与接地电容C11连接，并作为所述共源共栅网络的输出端。

4.根据权利要求1所述的带连续衰减功能的低功耗放大器，其特征在于，所述负压兼控正负压网络包括晶体管M6和晶体管M7；

所述晶体管M6的源极与电阻R6的一端连接，所述电阻R6的另一端作为所述负压兼控正负压网络的第二输出端与控制电压Vcon连接，并通过电阻R12与晶体管M7的源极连接，所述晶体管M6的栅极分别与接地电容C7和电阻R7的一端连接，所述电阻R7的另一端作为所述负压兼控正负压网络的第一输出端，并分别与晶体管M6的漏极和电阻R8的一端连接，所述电阻R8的另一端分别与接地电容C6和电源VD连接；

所述晶体管M7的栅极分别与接地电容C8和电阻R13的一端连接，所述电阻R13的另一端作为所述负压兼控正负压网络的第三输出端，并分别与晶体管M7的漏极和电阻R14的一端连接，所述电阻R14的另一端与电源VD连接。

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