CN115913129A - 一种低附加相移可变增益放大器 - Google Patents

一种低附加相移可变增益放大器 Download PDF

Info

Publication number
CN115913129A
CN115913129A CN202310006756.6A CN202310006756A CN115913129A CN 115913129 A CN115913129 A CN 115913129A CN 202310006756 A CN202310006756 A CN 202310006756A CN 115913129 A CN115913129 A CN 115913129A
Authority
CN
China
Prior art keywords
capacitor
electrode
inductor
gsg
mos tube
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310006756.6A
Other languages
English (en)
Inventor
彭思睿
唐攀
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chengdu Tongliang Technology Co ltd
Original Assignee
Chengdu Tongliang Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chengdu Tongliang Technology Co ltd filed Critical Chengdu Tongliang Technology Co ltd
Priority to CN202310006756.6A priority Critical patent/CN115913129A/zh
Publication of CN115913129A publication Critical patent/CN115913129A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Amplifiers (AREA)

Abstract

本发明公开了一种低附加相移可变增益放大器,属于可变增益放大器设计技术领域,包括第一GSG电极变压模块、共源交叉耦合VGA模块、第一补偿晶体管电容Ccomp1、第二补偿晶体管电容Ccomp2和第二GSG电极变压模块;所述第一GSG变压模块与共源交叉耦合VGA模块连接;所述第一补偿晶体管电容Ccomp1和第二补偿晶体管电容Ccomp2均与共源交叉耦合VGA模块连接;所述共源交叉耦合VGA模块与第二GSG电极变压连接;本发明解决了难以将附加相移维持在很低水平的问题,且基于本发明提出的电容补偿交叉耦合VGA实现了高动态范围和低附加相移。

Description

一种低附加相移可变增益放大器
技术领域
本发明属于可变增益放大器设计技术领域,尤其涉及一种低附加相移可变增益放大器。
背景技术
可变增益放大器和衰减器是两种常用的幅度控制电路。衰减器采用无源结构一般来说有更好的线性度,但插入损耗需要额外的增益级进行补偿。相比于无源结构,有源放大器具有增益,能作为电路的信号放大单元,因此某些场景下,有源结构比无源结构更受青睐。幅度控制电路也可以分为连续可调和数字控制的,前者通常是通过直接调节偏置电路实现,而后者通常是使用开关或者DAC电路进行控制。
有源电路的幅度控制通常是通过直接调节放大器的偏置实现,如共源或共栅放大器的栅极电压,由于晶体管的跨导与偏置有关,降低晶体管的栅压会使增益降低,以此实现增益控制;另外一个常用电路为电流舵结构,在共源共栅放大电路中间加入一个晶体管,由于共源管的栅极电压固定,电流也为恒定值,因此改变M3管的偏置电压会使得一部分放大电流从共栅管流向M3,最终输出增益也减小。
共源级和电流舵结构虽然可以实现对增益的调节,但是由于以下几点原因,这两种结构在相控阵系统中无法满足某些指标要求,原因如下:
(1)、简单调节偏置虽然能实现增益调节,但是在改变栅极电压的同时,晶体管的工作状态也会改变,寄生参数改变会使输入输出阻抗都发生变化,引起较大的附加相移,除此之外,由栅漏电容构成的反馈回路不仅会引起电路增益的变化,还将产生相位的波动,某些设计会通过级联不同相位变化趋势的可变增益级来抵消相位变化,但这需要多级串联,增加了功耗和面积,因此这种方案不适合大规模相控阵系统;
(2)、电流舵结构的优点是,由于输入共源管偏置不变,工作状态也保持不变,但输入阻抗变化较小,输出阻抗变化较大,除此之外,可能导致共栅管的工作状态发生改变,以及附加相移增大,因此电流舵结构为了维持低的附加相移,通常会牺牲其增益调节范围。
发明内容
针对现有技术中的上述不足,本发明提供的一种低附加相移可变增益放大器,在交叉耦合寄生电容消除技术的基础上,采用了一种新的交叉电容补偿结构,解决了难以将附加相移维持在很低水平的问题。
为了达到上述发明目的,本发明采用的技术方案为:
本发明提供一种低附加相移可变增益放大器,包括第一GSG电极变压模块、共源交叉耦合VGA模块、第一补偿晶体管电容Ccomp1、第二补偿晶体管电容Ccomp2和第二GSG电极变压模块;
所述第一GSG变压模块与共源交叉耦合VGA模块连接;所述第一补偿晶体管电容Ccomp1和第二补偿晶体管电容Ccomp2均与共源交叉耦合VGA模块连接;所述共源交叉耦合VGA模块与第二GSG电极变压连接。
本发明的有益效果为:本发明提供的一种低附加相移可变增益放大器,不需要额外的控制电路,利用放大晶体管本身栅极的电压来偏置补偿电路,简化了相位补偿控制逻辑,增强了电路在复杂系统中的可用性;利用电流抵消的方法,采用单级增益控制电路就实现了较大的增益调节范围和低附加相移,相比于多级的增益可变放大器的设计来说,节省了功耗和芯片面积。
进一步地,所述第一GSG电极变压模块包括第一GSG电极、接地电感L1、接地电感L2、电感L3和电感L4;
所述第一GSG电极的第一接地端分别与第二接地端和电感L3的一端连接,并接地;所述第一GSG电极的信号端与电感L3的另一端连接;所述电感L3作为第一变压原边与作为第一变压副边的电感L4连接;所述电感L4的一端分别与接地电感L1和共源交叉耦合VGA模块连接;所述电感L4的另一端分别与接地电感L2和共源交叉耦合VGA模块连接。
进一步地,所述共源交叉耦合VGA模块包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3和MOS管M4;
所述电容C1的一端分别与电容C2的一端、电感L4的一端和接地电感L1连接;所述电容C1的另一端分别与电阻R1的一端、MOS管M1的栅极和第一补偿晶体管电容Ccomp1的栅极连接;所述电阻R1的另一端外接电源Va;所述电容C2的另一端分别与电阻R2的一端、电容C3的一端、MOS管M2的栅极、MOS管M3的栅极、第一补偿晶体管电容Ccomp1的源极和漏极和第二补偿晶体管电容Ccomp2的栅极连接;所述电阻R2的另一端外接电源Vb;所述电容C3的另一端分别与电容C4的一端和接地电感L2连接;所述电容C4的另一端分别与电阻R3的一端、第二补偿晶体管电容Ccomp2的漏极和源极、MOS管M4的栅极连接;所述电阻R3的另一端外接电源Va;所述MOS管M1的漏极分别与MOS管M3的漏极和第二GSG电极变压模块连接;所述MOS管M1的源极与MOS管M2的源极连接,并接地;所述MOS管M2的漏极分别与MOS管M4的漏极和第二GSG电极变压模块连接;所述MOS管M3的源极与MOS关M4的源极连接,并接地。
采用上述进一步方案的有益效果为:本发明提出的VGA结构在传统交叉耦合VGA结构的基础上,加入了晶体管电容,补偿了由于栅元电容Cgs变化带来的附加相移,使得VGA在大增益调节范围下,插入相位基本保持不变,并且由于补偿了晶体管寄生,增益调解时输入输出阻抗变化很小,优化了VGA调节增益时对前后级的电路的影响。
进一步地,所述第一GSG电极变压模块包括电感L5、电感L6和第二GSG电极;
所述电感L5的第1端分别与MOS管M1的漏极和MOS管M2的漏极连接;所述电感L5的第2端外接电源VDD;所述电感L5的第3端分别与MOS管M2的漏极和MOS管M4的漏极连接;所述电感L5作为第二变压原边与作为第二变压副边的电感L6连接;所述电感L6的一端分别与第二GSG电极的第一接地端和第二接地端连接;所述电感L6的另一端与第二GSG电极的信号端连接。
附图说明
图1为本发明实施例中一种低附加相移可变增益放大器的电路原理图。
图2为本发明实施例中低附加相移可变增益放大器的等效电路示意图。
图3为本发明实施例中低附加相移可变增益放大器的核心版图设计示意图。
图4(a)为本发明实施例中补偿前相位随频率变化图。
图4(b)为本发明实施例中补偿后相位随频率变化图。
图4(c)为本发明实施例中补偿前相位随增益变化趋势图。
图4(d)为本发明实施例中补偿后相位随增益变化趋势图。
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。
EVM:误差矢量幅度;
VGA:可变增益放大器;
CMOS:互补金属氧化物半导体;
DAC:数字模拟转换器。
如图1所示,在本发明的一个实施例中,本发明提供一种低附加相移可变增益放大器,包括第一GSG电极变压模块、共源交叉耦合VGA模块、第一补偿晶体管电容Ccomp1、第二补偿晶体管电容Ccomp2和第二GSG电极变压模块;
所述第一GSG变压模块与共源交叉耦合VGA模块连接;所述第一补偿晶体管电容Ccomp1和第二补偿晶体管电容Ccomp2均与共源交叉耦合VGA模块连接;所述共源交叉耦合VGA模块与第二GSG电极变压连接;
所述第一GSG电极变压模块包括第一GSG电极、接地电感L1、接地电感L2、电感L3和电感L4;
所述第一GSG电极的第一接地端分别与第二接地端和电感L3的一端连接,并接地;所述第一GSG电极的信号端与电感L3的另一端连接;所述电感L3作为第一变压原边与作为第一变压副边的电感L4连接;所述电感L4的一端分别与接地电感L1和共源交叉耦合VGA模块连接;所述电感L4的另一端分别与接地电感L2和共源交叉耦合VGA模块连接;
所述共源交叉耦合VGA模块包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3和MOS管M4;
所述电容C1的一端分别与电容C2的一端、电感L4的一端和接地电感L1连接;所述电容C1的另一端分别与电阻R1的一端、MOS管M1的栅极和第一补偿晶体管电容Ccomp1的栅极连接;所述电阻R1的另一端外接电源Va;所述电容C2的另一端分别与电阻R2的一端、电容C3的一端、MOS管M2的栅极、MOS管M3的栅极、第一补偿晶体管电容Ccomp1的源极和漏极和第二补偿晶体管电容Ccomp2的栅极连接;所述电阻R2的另一端外接电源Vb;所述电容C3的另一端分别与电容C4的一端和接地电感L2连接;所述电容C4的另一端分别与电阻R3的一端、第二补偿晶体管电容Ccomp2的漏极和源极、MOS管M4的栅极连接;所述电阻R3的另一端外接电源Va;所述MOS管M1的漏极分别与MOS管M3的漏极和第二GSG电极变压模块连接;所述MOS管M1的源极与MOS管M2的源极连接,并接地;所述MOS管M2的漏极分别与MOS管M4的漏极和第二GSG电极变压模块连接;所述MOS管M3的源极与MOS关M4的源极连接,并接地;
所述第一GSG电极变压模块包括电感L5、电感L6和第二GSG电极;
所述电感L5的第1端分别与MOS管M1的漏极和MOS管M2的漏极连接;所述电感L5的第2端外接电源VDD;所述电感L5的第3端分别与MOS管M2的漏极和MOS管M4的漏极连接;所述电感L5作为第二变压原边与作为第二变压副边的电感L6连接;所述电感L6的一端分别与第二GSG电极的第一接地端和第二接地端连接;所述电感L6的另一端与第二GSG电极的信号端连接;
本发明的工作原理为:
本发明的共源交叉耦合VGA模块中,通过MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3和MOS管M4组成了交叉耦合结构,其中,MOS管M1和MOS管M4采用偏置电压Va控制,MOS管M2和MOS管M3采用偏置电压Vb控制,MOS管M1(MOS管M2)与MOS管M3(MOS管M4)的输入电压反相,且输出端连接;
针对Va电压较高,Vb电压较低,且MOS管M1和MOS管M4均工作在饱和区,MOS管M2和MOS管M3均工作在亚阈值区时,交叉耦合结构等同于一个差分共源放大器,此时电路有最大的增益;
针对Va电压逐渐降低且Vb电压逐渐上升,直至两者相等时,MOS管M1和MOS管M3输出的电流反相抵消,MOS管M2和MOS管M4输出的电流反相抵消,此时电路增益为0;因此通过调节两个偏置电压,就能在理论上实现无穷大的增益调节范围;通过共源交叉耦合VGA模块还能够实现抵消晶体管的栅漏寄生电容Cgd;
交叉耦合结构在调节晶体管栅压时,虽然Cgd变化很小,但是栅源电容Cgs却是一个变化的量;根据栅源电容Cgs的大小与控制偏置时的关系,在高增益状态时,有MOS管M2和MOS管M3的栅源电容Cgs会低于低增益状态时的值,这会导致实际输入到栅极的电压相位发生改变,泄露电流的抵消效果也会变差,因此解决这个变化是实现交叉耦合VGA低附加相移性能的关键;
而本发明中在MOS管M1和MOS管M3之间设置了第一补偿晶体管电容Ccomp1,在MOS管M2和MOS管M4之间设置了第二补偿晶体管电容Ccomp2;晶体管电容的容值会随着两端电压的增大而增大,当改变电路偏置电压调节增益的时候,补偿电容值也会随之改变;
如图2所示,为本发明提供的低附加相移可变增益放大器的等效电路图,从小信号模型可以看出,补偿电容两端是差分的电压信号,因此该电容可以等效为输入电容与晶体管的栅源电容Cgs并联;总的输入电容约等于栅源电容Cgs与等效补偿电容的容值之和;随着Va和Vb之间电压差增大,具有交叉耦合结构的VGA增益升高,栅源电容Cgs减小,但是补偿电容容值增大,总的输入电容维持恒定值;所以由Cgs变化引起的附加相移能被补偿,相位随增益变化的趋势被抑制;
如图3所示,出于减小附加相移的考虑,输入到各MOS管的栅极电压需要保证严格差分,这样才能使得通过栅漏寄生电容Cgd的泄露电流完全抵消;除此之外,补偿晶体管两端输入电压完全差分还能使得等效的输入电容没有其他分量,有更好的相位补偿效果,因此,本方案版图设计上采用了完全对称的结构,输入MOS管M2和输出Metal-9线使用接地金属Metal-4隔开,补偿电容的连接也与所有走线没有交叉,减小了非对称的耦合,采用这种布局还有利于补偿电容的走线,加入补偿电容之后版图也完全对称;
本发明利用电流抵消的技术,采用单级增益控制电路就实现了较大的增益调节范围和低附加相移,相比于多级的增益可变放大器的设计来说,节省了功耗和芯片面积;本发明采用CMOS工艺,VGA可以与控制的数字以及模拟电路集成,其高集成度,低成本的特性也有利于实现大规模阵列小型化集成;
采用低附加相移可变增益放大器的核心版图设计后进行仿真,得到了在64种增益调节状态下,相位的变化情况;如图4(a)所示,为补偿前相位随频率变化,如图4(b)所示,为补偿后相位随频率变化,如图4(c)所示,为补偿前相位随增益变化趋势,如图4(c)所示,为补偿后相位随增益变化趋势;根据补偿前后的相位随频率变化区别和补偿前后的相位随增益变化趋势区别,能够得到在设置第一补偿晶体管电容Ccomp1和第二补偿晶体管电容Ccomp2后,由于晶体管电容有损耗,最大增益有所下降,但是增益调节范围不变,仍然大于30dB,但是相位随增益变化的趋势被明显抑制,在30dB的增益动态范围下,相位变化在宽带内都是小于5°,相比于补偿前30°的附加相移,有了极大改善,此仿真结果能够证明本发明提出的电容补偿交叉耦合VGA实现了高动态范围和低附加相移。

Claims (4)

1.一种低附加相移可变增益放大器,其特征在于,包括第一GSG电极变压模块、共源交叉耦合VGA模块、第一补偿晶体管电容Ccomp1、第二补偿晶体管电容Ccomp2和第二GSG电极变压模块;
所述第一GSG变压模块与共源交叉耦合VGA模块连接;所述第一补偿晶体管电容Ccomp1和第二补偿晶体管电容Ccomp2均与共源交叉耦合VGA模块连接;所述共源交叉耦合VGA模块与第二GSG电极变压连接。
2.根据权利要求1所述的低附加相移可变增益放大器,其特征在于,所述第一GSG电极变压模块包括第一GSG电极、接地电感L1、接地电感L2、电感L3和电感L4;
所述第一GSG电极的第一接地端分别与第二接地端和电感L3的一端连接,并接地;所述第一GSG电极的信号端与电感L3的另一端连接;所述电感L3作为第一变压原边与作为第一变压副边的电感L4连接;所述电感L4的一端分别与接地电感L1和共源交叉耦合VGA模块连接;所述电感L4的另一端分别与接地电感L2和共源交叉耦合VGA模块连接。
3.根据权利要求2所述的低附加相移可变增益放大器,其特征在于,所述共源交叉耦合VGA模块包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3和MOS管M4;
所述电容C1的一端分别与电容C2的一端、电感L4的一端和接地电感L1连接;所述电容C1的另一端分别与电阻R1的一端、MOS管M1的栅极和第一补偿晶体管电容Ccomp1的栅极连接;所述电阻R1的另一端外接电源Va;所述电容C2的另一端分别与电阻R2的一端、电容C3的一端、MOS管M2的栅极、MOS管M3的栅极、第一补偿晶体管电容Ccomp1的源极和漏极和第二补偿晶体管电容Ccomp2的栅极连接;所述电阻R2的另一端外接电源Vb;所述电容C3的另一端分别与电容C4的一端和接地电感L2连接;所述电容C4的另一端分别与电阻R3的一端、第二补偿晶体管电容Ccomp2的漏极和源极、MOS管M4的栅极连接;所述电阻R3的另一端外接电源Va;所述MOS管M1的漏极分别与MOS管M3的漏极和第二GSG电极变压模块连接;所述MOS管M1的源极与MOS管M2的源极连接,并接地;所述MOS管M2的漏极分别与MOS管M4的漏极和第二GSG电极变压模块连接;所述MOS管M3的源极与MOS关M4的源极连接,并接地。
4.根据权利要求3所述的低附加相移可变增益放大器,其特征在于,所述第一GSG电极变压模块包括电感L5、电感L6和第二GSG电极;
所述电感L5的第1端分别与MOS管M1的漏极和MOS管M2的漏极连接;所述电感L5的第2端外接电源VDD;所述电感L5的第3端分别与MOS管M2的漏极和MOS管M4的漏极连接;所述电感L5作为第二变压原边与作为第二变压副边的电感L6连接;所述电感L6的一端分别与第二GSG电极的第一接地端和第二接地端连接;所述电感L6的另一端与第二GSG电极的信号端连接。
CN202310006756.6A 2023-01-04 2023-01-04 一种低附加相移可变增益放大器 Pending CN115913129A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310006756.6A CN115913129A (zh) 2023-01-04 2023-01-04 一种低附加相移可变增益放大器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310006756.6A CN115913129A (zh) 2023-01-04 2023-01-04 一种低附加相移可变增益放大器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115913129A true CN115913129A (zh) 2023-04-04

Family

ID=86495683

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310006756.6A Pending CN115913129A (zh) 2023-01-04 2023-01-04 一种低附加相移可变增益放大器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115913129A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116886061A (zh) * 2023-09-06 2023-10-13 成都通量科技有限公司 一种低附加相移的单端可变增益放大器

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116886061A (zh) * 2023-09-06 2023-10-13 成都通量科技有限公司 一种低附加相移的单端可变增益放大器
CN116886061B (zh) * 2023-09-06 2023-11-28 成都通量科技有限公司 一种低附加相移的单端可变增益放大器

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6400227B1 (en) Stepped gain controlled RF driver amplifier in CMOS
US7649418B2 (en) Variable-gain amplifier
CN108063600B (zh) 一种低噪声放大器及射频前端集成电路
CN107248850B (zh) 一种无电感低功耗高增益高线性度宽带低噪声放大器
CN110034738B (zh) 一种基于改进型阻抗匹配网络的超宽带低噪声放大器
KR20200052696A (ko) 낮은 위상 변화를 갖는 광대역 가변 이득 증폭기
CN115913129A (zh) 一种低附加相移可变增益放大器
CN111478671B (zh) 一种应用于Sub-GHz频段的新型低噪声放大器
JP4935003B2 (ja) 可変利得増幅器及び差動増幅器
CN114362681A (zh) 两级宽带低噪声高线性放大器
CN107508563B (zh) 一种自适应线性度增强低噪声放大器
KR101590605B1 (ko) 무선 송수신기용 선형 전력증폭기
CN210745089U (zh) 射频超宽带驱动放大器芯片
CN117060868A (zh) W波段低附加相移可变增益放大器
CN111294003A (zh) 一种新型宽可变增益低相移可变增益放大器
CN110798162A (zh) 射频超宽带驱动放大器芯片
CN114978050A (zh) 一种基于可调有源电感的单端输入差分输出低噪声放大器
CN112737532B (zh) 一种高增益精度低附加相移的可变增益放大器
Adabi et al. CMOS low noise amplifier with capacitive feedback matching
CN111628738B (zh) 一种v波段cmos功率放大器
KR101350555B1 (ko) 부궤환 저잡음 증폭기
CN111917382A (zh) 一种基于具有噪声消除的有源电感的低噪声放大器
CN112821907A (zh) 输入阻抗匹配网络和射频前端模组
CN220798223U (zh) 增益可数字控制的低噪声放大器
CN117439549B (zh) 增益可调的线性低噪声放大器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB02 Change of applicant information
CB02 Change of applicant information

Address after: No. 3 and 4, 3rd Floor, Building 8, No. 2 Heshun Road, High tech Zone, Chengdu, Sichuan Province, 611731 (self numbered)

Applicant after: CHENGDU TONGLIANG TECHNOLOGY CO.,LTD.

Address before: 611731 19 / F, building 2, No.200 Tianquan Road, high tech Zone, Chengdu, Sichuan

Applicant before: CHENGDU TONGLIANG TECHNOLOGY CO.,LTD.