CN116008916A - 一种增益和带宽可变的低功耗高线性度模拟基带电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种增益和带宽可变的低功耗高线性度模拟基带电路，包括内嵌有直流失调消除环路的可变增益放大器和带宽可重构的低通滤波器。其中可变增益放大器位于模拟基带的第一级、第二级和最后一级，用于对混频器的输出信号进行放大，实现了6～66dB增益控制范围。低通滤波器整体位于第三级，采用四个二阶单元实现了八阶巴特沃斯响应，用于对混频的输出信号进行滤波，通过调节电容值控制滤波器的带宽，实现500kHz、1MHz、3MHz、8MHz和15MHz这5个截止频率。本发明模拟基带电路具有低功耗、高线性度、增益控制精确的特点。
Description
技术领域
本发明属于涉及毫米波雷达技术领域，尤其是一种增益和带宽可变的低功耗高线性度模拟基带电路。
背景技术
近年来，毫米波雷达由于具有低成本和对极端恶劣天气条件的鲁棒性等优势而迅速发展。目前毫米波雷达的研究频段多集中于77GHz到太赫兹波段，更高的工作频率允许更高的分辨率和更紧凑的面积，有利于成本的降低和集成度的提高。而CMOS工艺又因其低成本、低功耗和高集成度等特点被不断应用于先进的雷达系统中。在毫米波雷达中通常采用调频连续波雷达以减小电路复杂度和功耗。
毫米波雷达接收机主要包括接收天线、低噪声放大器、混频器和模拟基带电路，其中模拟基带电路一般包括可变增益放大器和滤波器。可变增益放大器用于对不同强度的输入信号进行幅度调节，可分为开环结构和闭环结构，开环结构一般具有带宽大但线性度较差的特点，闭环结构一般具有线性度高但带宽小的特点。在信号的传输过程中，常常会产生直流失调成分，该直流失调成分主要源自发射天线泄漏的信号与本振信号发生混频以及模拟基带自身产生的失配，通常采用连续时间负反馈结构的直流失调消除电路来减小。滤波器用于滤除带外信号和干扰，具有可重构带宽以适应雷达不同的探测距离，常采用具有低功耗大带宽的Gm-C结构或者具有高线性度的有源RC结构。
在配置可变增益放大器和滤波器的级联顺序时，要权衡模拟基带的线性度和噪声性能。将增益分布在模拟基带的前级可以有效抑制噪声，但对滤波器的线性度要求较高，而将增益分布在模拟基带的后级可以缓解对滤波器线性度的要求，但对噪声的抑制较差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种增益和带宽可变的低功耗高线性度模拟基带电路，具有可重构增益和带宽、低功耗、较高线性度的特点。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种增益和带宽可变的低功耗高线性度模拟基带电路，其特征在于：包括内嵌有直流失调消除环路的可变增益放大器和可重构带宽的低通滤波器；其中，内嵌有直流失调消除环路的可变增益放大器位于第一级、第二级和最后一级，用于对混频器输出的信号进行放大并消除来自模拟基带前级和自身产生的直流失调；低通滤波器整体位于第三级，通过调节电容值控制滤波器的带宽，用于对信号进行滤波。
而且，所述内嵌有直流失调消除环路的可变增益放大器包括可变增益放大器核心电路、直流失调消除电路以及共模反馈电路；可变增益放大器核心电路为两级全差分结构，第一级输入管为PMOS对管，其源端同时连接源极负反馈电阻、PMOS电流源的漏端和二极管连接形式的PMOS管的源端，其漏端同时连接NMOS电流源、直流失调电路反馈管的漏端、局部反馈NMOS管的栅端和第二级输入管的栅端，二极管形式的PMOS管的栅端和漏端连接NMOS反馈管的漏端；第二级为电流源负载的共源极放大器，并且该电流源负载的栅端受控于共模反馈电路的输出。
而且，所述直流失调消除电路的输入为可变增益放大器核心电路的输出，经过电阻连接到直流失调电路放大器中PMOS输入对管的栅端，该PMOS对管的源端连接尾电流源，漏端作为直流失调电路的输出连接二极管形式的NMOS负载和交叉耦合的负阻对管，该输出连接到可变增益放大器核心电路中直流失调反馈管的栅端。
而且，所述共模反馈电路为两级结构，其输入为可变增益放大器核心电路的输出，经过电阻连接到误差放大器中一个PMOS输入管的栅端，另一个PMOS输入管的栅端接参考电平，这两个PMOS输入管的源端接尾电流源，漏端连接单端输出的NMOS电流镜负载；共模反馈电路的第二级为具有二极管MOS负载的共源极放大器，该二极管MOS负载的栅端和漏端作为第二级的输出连接到可变增益放大器核心电路中共模反馈控制管的栅端；在共模反馈电路的两级输出之间连接有串联的电阻和电容，用于产生零点以补偿可变增益放大器的共模环路稳定性。
而且，所述直流失调电路中的电阻为工作在亚阈值区的MOS管，以减小芯片面积。
而且，所述可变增益放大器通过调节源极负反馈电阻的阻值来实现增益控制。
而且，所述带宽可重构的低通滤波器具有八阶巴特沃斯响应，由四个二阶单元级联而成，用于对带外信号和干扰进行滤波；低通滤波器的输入为第二级可变增益放大器的输出，其输出连接最后一级可变增益放大器的输入。
而且，所述二阶单元是基于伪差分形式的翻转电压跟随器结构，并在此基础上引入三个控制带宽的电容、两个中和电容和电平位移电路；控制带宽的电容分别跨接在FVF输入管的源端和漏端之间以及差分输出端之间；两个MOS管作为中和电容交叉耦合在二阶单元的输入输出之间；电平位移电路包括二极管连接形式的MOS管及其偏置电流源，用于改善FVF输入管的饱和电压裕度，其中二极管连接形式的MOS管的栅端接在FVF输入管的漏端，源端接在FVF中反馈管的栅极。
而且，所述FVF结构是由三个MOS管构成：输入管、反馈管和作为偏置电流源的MOS管；其中输入管和反馈管为同类型MOS管，偏置电流源管为互补类型的MOS管；输入管的源端连接反馈管的漏端并作为输出，反馈管的栅端连接输入管的漏端和偏置电流源的漏端。
而且，所述低通滤波器的四个二阶单元按PMOS输入单元和NMOS输入单元交叉的形式放置，以实现直接耦合。
本发明的优点和积极效果是：
本发明包括内嵌有直流失调消除环路的可变增益放大器和可重构带宽的低通滤波器；其中，内嵌有直流失调消除环路的可变增益放大器位于第一级、第二级和最后一级，用于对混频器输出的信号进行放大并消除来自模拟基带前级和自身产生的直流失调；低通滤波器整体位于第三级，通过调节电容值控制滤波器的带宽，用于对信号进行滤波。本发明模拟基带电路具有低功耗、高线性度、增益控制精确的特点。
附图说明
图1为毫米波雷达接收机系统框图及本发明内容示意图；
图2为本发明内容的总体结构示意图；
图3为本发明中可变增益放大器单元的结构示意图；
图4为本发明中低通滤波器的二阶单元的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
如图1所示，接收天线将收到的射频信号传输给低噪声放大器进行初步放大，再通过混频器进行下变频产生中频信号，该中频信号即为模拟基带电路的输入信号。模拟基带电路对输入的信号进行幅度调节、滤波和直流失调消除，并将调整后的信号输送给模数转换器进行处理。
如图2所示，本发明提供了一种用于毫米波雷达的模拟基带电路，该模拟基带电路包括内嵌有直流失调消除环路的可变增益放大器和带宽可重构的低通滤波器。模拟基带电路的输入信号为混频器的输出信号，首先由两级可变增益放大器进行放大和直流失调的消除，再经由八阶低通滤波器进行滤波，最后再由一级可变增益放大器进行放大和直流失调的消除。
如图3所示，该内嵌有直流失调消除环路的可变增益放大器包括可变增益放大器核心电路、直流失调消除电路以及共模反馈电路。可变增益放大器核心电路为两级全差分结构，输入信号连接M1管的栅端，M1管的源端同时连接源极负反馈电阻RS、M3管的源端和M4管的漏端，其漏端同时连接M5管和M6管的漏端、M2管和M7管的栅端。M3管的栅漏短接连接到M2管的漏端。上述M2管、M5管、M6管、M7管的源端都接地。M8管的漏端连接M7管的漏端作为可变增益放大器核心电路的输出，其源端连接电源。该可变增益放大器核心电路的工作原理如下：差分输入信号传输到源极负反馈电阻RS两端并产生电流信号，该电流信号流入M2反馈管，M7管按比例复制M2管的电流信号，随后M7管中的电流信号传输到共模反馈电路中的感知电阻RCM上并产生输出电压，结果可变增益放大器的增益与RS、RCM以及电流复制比例有关。虽然该结构为开环结构，但由于引入了源极负反馈电阻和局部反馈，该可变增益放大器的线性度得到了提高。
可变增益放大器中的直流失调消除电路如图3所示，其输入即为可变增益放大器核心电路的输出，经过电阻R1连接到M10管的栅端，M10管的源端连接尾电流源，漏端连接二极管连接形式的M11管和交叉耦合的负阻M12管，同时M10管的漏端作为直流失调消除电路的输出连接到可变增益核心电路中M6管的栅端。该直流失调电路的工作原理如下：电阻R1与电容C1被密勒倍增后的等效电容构成低通滤波器，以提取可变增益放大器核心电路输出信号中的低频成分。该低频成分输入直流失调消除电路中的放大器并产生差分电流，该差分电流通过M5管反馈回可变增益放大器核心电路中并调节M2管的电流，从而调节M7管的电流，最终完成直流失调的消除。
可变增益放大器中的共模反馈电路如图3所示，该共模反馈电路为两级结构，其输入为可变增益放大器核心电路的输出，经过电阻RCM连接到M14a管的栅端，M14b管的栅端连接参考电平，M14a管和M14b管的源端接尾电流源，漏端分别连接由M15对管构成的单端输出的电流镜负载，并且M15a管的漏端作为共模反馈电路第一级的输出；第一级的输出连接到M16管的栅端，M16管的漏端连接具有二极管连接形式的M17管，M17管的栅端和漏端作为共模反馈电路的输出连接到可变增益放大器核心电路中M8管的栅端。在共模反馈电路两级的输出之间连接有电阻R2和电容C2的串联，用于产生零点以补偿可变增益放大器的共模环路稳定性。
图4为本发明的带宽可重构的低通滤波器中二阶单元的结构原理图，这里以NMOS输入的二阶单元为例。如图4所示，该二阶单元是基于NMOS输入管的FVF结构，并引入三个控制带宽的电容、两个中和电容和电平位移电路。输入信号连接M1管的栅端，M1管的源端连接M2管的漏端作为该二阶单元的输出，M3管作为电流源为M1管和M2管提供偏置电流。电容C1跨接在M1管的源漏之间，电容C2连接在差分输出端之间。M6管作为MOS电容，实现中和电容的功能，以改善滤波器的阻带抑制。电平位移电路包括二极管连接形式的M5管及其偏置电流源M4管，用于改善M1管的饱和电压裕度。
带宽可重构的低通滤波器由四个二阶单元级联，如图2所示，低通滤波器的四个二阶单元按PMOS输入单元和NMOS输入单元交叉的形式放置，以实现级间直接耦合。通过改变二阶单元中的电容值来实现低通滤波器截止频率的调节。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种增益和带宽可变的低功耗高线性度模拟基带电路，其特征在于：包括内嵌有直流失调消除环路的可变增益放大器和可重构带宽的低通滤波器；其中，内嵌有直流失调消除环路的可变增益放大器位于第一级、第二级和最后一级，用于对混频器输出的信号进行放大并消除来自模拟基带前级和自身产生的直流失调；低通滤波器整体位于第三级，通过调节电容值控制滤波器的带宽，用于对信号进行滤波。
2.根据权利要求1所述的增益和带宽可变的低功耗高线性度模拟基带电路，其特征在于：所述内嵌有直流失调消除环路的可变增益放大器包括可变增益放大器核心电路、直流失调消除电路以及共模反馈电路；可变增益放大器核心电路为两级全差分结构，第一级输入管为PMOS对管，其源端同时连接源极负反馈电阻、PMOS电流源的漏端和二极管连接形式的PMOS管的源端，其漏端同时连接NMOS电流源、直流失调电路反馈管的漏端、局部反馈NMOS管的栅端和第二级输入管的栅端，二极管形式的PMOS管的栅端和漏端连接NMOS反馈管的漏端；第二级为电流源负载的共源极放大器，并且该电流源负载的栅端受控于共模反馈电路的输出。
3.根据权利要求2所述的增益和带宽可变的低功耗高线性度模拟基带电路，其特征在于：所述直流失调消除电路的输入为可变增益放大器核心电路的输出，经过电阻连接到直流失调电路放大器中PMOS输入对管的栅端，该PMOS对管的源端连接尾电流源，漏端作为直流失调电路的输出连接二极管形式的NMOS负载和交叉耦合的负阻对管，该输出连接到可变增益放大器核心电路中直流失调反馈管的栅端。
4.根据权利要求2所述的增益和带宽可变的低功耗高线性度模拟基带电路，其特征在于：所述共模反馈电路为两级结构，其输入为可变增益放大器核心电路的输出，经过电阻连接到误差放大器中一个PMOS输入管的栅端，另一个PMOS输入管的栅端接参考电平，这两个PMOS输入管的源端接尾电流源，漏端连接单端输出的NMOS电流镜负载；共模反馈电路的第二级为具有二极管MOS负载的共源极放大器，该二极管MOS负载的栅端和漏端作为第二级的输出连接到可变增益放大器核心电路中共模反馈控制管的栅端；在共模反馈电路的两级输出之间连接有串联的电阻和电容，用于产生零点以补偿可变增益放大器的共模环路稳定性。
5.根据权利要求3所述的增益和带宽可变的低功耗高线性度模拟基带电路，其特征在于：所述直流失调电路中的电阻为工作在亚阈值区的MOS管，以减小芯片面积。
6.根据权利要求1所述的增益和带宽可变的低功耗高线性度模拟基带电路，其特征在于：所述可变增益放大器通过调节源极负反馈电阻的阻值来实现增益控制。
7.根据权利要求1所述的增益和带宽可变的低功耗高线性度模拟基带电路，其特征在于：所述带宽可重构的低通滤波器具有八阶巴特沃斯响应，由四个二阶单元级联而成，用于对带外信号和干扰进行滤波；低通滤波器的输入为第二级可变增益放大器的输出，其输出连接最后一级可变增益放大器的输入。
8.根据权利要求7所述的增益和带宽可变的低功耗高线性度模拟基带电路，其特征在于：所述二阶单元是基于伪差分形式的翻转电压跟随器结构，并在此基础上引入三个控制带宽的电容、两个中和电容和电平位移电路；控制带宽的电容分别跨接在FVF输入管的源端和漏端之间以及差分输出端之间；两个MOS管作为中和电容交叉耦合在二阶单元的输入输出之间；电平位移电路包括二极管连接形式的MOS管及其偏置电流源，用于改善FVF输入管的饱和电压裕度，其中二极管连接形式的MOS管的栅端接在FVF输入管的漏端，源端接在FVF中反馈管的栅极。
9.根据权利要求8所述的增益和带宽可变的低功耗高线性度模拟基带电路，其特征在于：所述FVF结构是由三个MOS管构成：输入管、反馈管和作为偏置电流源的MOS管；其中输入管和反馈管为同类型MOS管，偏置电流源管为互补类型的MOS管；输入管的源端连接反馈管的漏端并作为输出，反馈管的栅端连接输入管的漏端和偏置电流源的漏端。
10.根据权利要求7所述的增益和带宽可变的低功耗高线性度模拟基带电路，其特征在于：所述低通滤波器的四个二阶单元按PMOS输入单元和NMOS输入单元交叉的形式放置，以实现直接耦合。
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