CN116155212B - 一种改善可变增益放大器dB线性的调节方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改善可变增益放大器dB线性的调节方法，涉及放大器调节方法，针对现有技术中db线性增益误差较大的问题提出本方案。包括以下步骤：S1.将负载级、跨导级和偏置电路依次设置在VDD和地之间；S2.初始化配置MOS管M2和MOS管M1的尺寸比值、MOS管M1的最小控制电压；S3.调节偏置电压令MOS管M4和MOS管M5工作于饱和区，从而确定MOS管M5的初始尺寸；S4.扫描控制电压观察增益调节曲线并调整所述MOS管M5的尺寸实现当前偏置情况下的最优补偿；S5.迭代调整MOS管M2和MOS管M1的尺寸比值、MOS管M5的尺寸及偏置电压，使最大补偿范围达到预设范围。优点在于，实现高精度连续db线性增益调节，不需要指数生成器和复杂的电路结构，也不消耗额外功耗。

Description

一种改善可变增益放大器dB线性的调节方法
技术领域
本发明涉及一种改善可变增益放大器dB线性的调节方法。
背景技术
自动增益控制环路常用于接收机，由于接收机接收到的信号受距离和环境的影响，强度会发生显著变化，因此为了使系统的动态范围最大化，接收机需要具有处理较大的信号幅度变化的能力，通常需要自动增益控制环路起到自动调节的作用，使模数转换器的输入信号是一个恒定的水平，而可变增益放大器是其核心模块，其可调范围直接决定了控制环路可锁定的输入幅度范围。不仅如此，对于高精度反馈式自动控制环路，可变增益放大器需要具有db线性特性才能使其建立时间不随输入信号变化，从而使环路获得最大带宽，且精确的db线性控制特性有利于精确的信号强度指示。
对于CMOS工艺，可变增益放大器实现db线性增益调节的方法及存在的问题如下：1、借助CMOS工艺下寄生的双极性晶体管(BJT管)或工作在亚阈值区的MOS管进行改善。然而采用寄生BJT管的方案功耗高、可靠性差；而采用亚阈值区MOS管，其栅极控制电压的变化范围有限，限制了增益调节范围。2、将负载电阻、电流源或跨导器件构成的数控阵列按指数递增接入电路，这种方法增益范围和步进直接决定阵列规模，占用面积较大功耗较高。3、利用电路结构构造伪指数函数，通常db线性度受限于近似函数和电路的寄生效应，db线性增益误差较大。4、设计指数生成器构造指数控制电压或电流，这种方式通常结构复杂功耗较高。
因此，当下需解决的技术问题是设计一种结构简单低功耗的高精度db线性增益调节电路。
发明内容
本发明目的在于提供一种改善可变增益放大器dB线性的调节方法，以解决上述现有技术存在的问题。
本发明中所述一种改善可变增益放大器dB线性的调节方法，包括以下步骤：
S1.将负载级、跨导级和偏置电路依次设置在VDD和地之间；
所述负载级采用有源电感特性的MOS管M2作为负载；所述跨导级包括工作于三极管区的MOS管M1以及工作于饱和区的MOS管M3；所述偏置电路通过MOS管M4对所述MOS管M3提供偏置电流，以及通过MOS管M5调整补偿效果；
S2.初始化配置MOS管M2和MOS管M1的尺寸比值、MOS管M1的最小控制电压；
S3.调节偏置电压令MOS管M4和MOS管M5工作于饱和区，从而确定MOS管M5的初始尺寸；
S4.扫描控制电压观察增益调节曲线并调整所述MOS管M5的尺寸实现当前偏置情况下的最优补偿；
S5.迭代调整MOS管M2和MOS管M1的尺寸比值、MOS管M5的尺寸及偏置电压，使最大补偿范围达到预设范围。
所述步骤S4中的控制电压扫描幅度从600mV开始，步长为10mV，扫描至1V。
本发明中所述一种改善可变增益放大器dB线性的调节方法，其优点在于，1.基于放大器有源跨导器件工作特性实现高精度连续db线性增益调节，不需要指数生成器和复杂的电路结构，也不消耗额外功耗；2.采用具有面积优势的有源电感结构替代无源电感作为负载阻抗抵消输出节点的寄生电容实现大带宽以及高集成度紧凑设计。
附图说明
图1是本发明中应用所述调节方法的可变增益放大器结构示意图。
图2是本发明中所述可变增益放大器在补偿前后的db线性特性曲线图。
图3是本发明中所述可变增益放大器在补偿后的增益误差曲线图。
图4是本发明中所述可变增益放大器在相同控制电压下，使用有源电感负载和纯电阻负载的频率响应曲线图。
图5是本发明中所述可变增益放大器在不同控制电压下进行扫描得到的频率响应曲线图。
附图标记：
M1-跨导级中工作于三极管状态的MOS管、M2-负载级中作为有源负载的MOS管、M3-跨导级中工作于饱和状态的MOS管、M4-偏置电路中用于对跨导级偏置的MOS管、M5-偏置电路中用于调整补偿效果的MOS管。
具体实施方式
本发明中所述一种改善可变增益放大器dB线性的调节方法应用于图1所示的可变增益放大器中。负载级、跨导级和偏置电路依次设置在VDD和地之间；所述负载级采用有源电感特性的MOS管M2作为负载；所述跨导级包括工作于三极管区的MOS管M1以及工作于饱和区的MOS管M3；所述偏置电路通过MOS管M4对所述MOS管M3提供偏置电流，以及通过MOS管M5调整补偿效果。
工作原理说明：
首先分析偏置在三极管区的MOS管M1工作特性，根据三极管区电流表达式其中K＝μCoxW/L，μ是载流子有效迁移率；Cox是单位面积的栅极氧化物电容；W是栅极宽度；L是栅极长度，VTH是阈值电压，VGS是栅源电压，VDS是漏源电压。可得/>则放大器等效跨导为
其中根据泰勒展开可得gm1与栅极偏置电压呈近似指数关系/>其中C1为常数，Vctrl是栅极的控制电压。而其输出阻抗为MOS管M1的导通电阻并联/>
基于上述公式可得输出阻抗与栅极控制电压呈反函数关系因此三极管区MOS管M1作为放大器跨导器件得到的增益与栅极电压的关系存在较大误差，误差来源于输出阻抗。
再分析偏置在饱和区的MOS管M3，这里为了扩大补偿范围利用了吉尔伯特结构，Gm3＝C3(VBias-VCtrl)，其中为常数，考虑用此线性关系补偿上述增益误差，常数项直接影响补偿效果。
具体步骤如下：
初始化设置MOS管M2和MOS管M1尺寸的比值；设置好M2和M1尺寸比值即确定了反函数Rout的常数项和最小控制电压。根据最小控制电压设置的初始值保证MOS管M4和MOS管M5工作在饱和区，此时Gm3和Rout的常数项都已知，从而可以确定MOS管M5的初始尺寸。
考虑电路的非理想效应，扫描控制电压观察增益调节曲线并调整MOS管M5的尺寸实现当前偏置情况下的最优补偿。此时db线性范围受限通常是因为Rout常数项的补偿需求超出了当前MOS管M5的工作极限，工作区发生了改变。因此需要迭代调整MOS管M2和MOS管M1的尺寸比，MOS管M5的尺寸和偏置电压的值，这些因素的匹配程度直接影响最大补偿范围。
最终实现的补偿结果如图2及图3所示，通过dB线性拟合仿真曲线，可以看出增益在-60.76dB-10.73dB之间，即71dB范围内，db线性误差不超过±0.5dB，相比于单独使用三极管区跨导器件，dB线性范围和精度都有了显著提升。另外本发明利用具有电感特性的有源负载抵消输出节点的寄生电容，如图4和图5所示，相比直接用电阻作负载，同样的增益条件下带宽可以提高1GHz，最终实现4.71GHz的宽带效果。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种改善可变增益放大器dB线性的调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将负载级、跨导级和偏置电路依次设置在VDD和地之间；
所述负载级采用有源电感特性的第二MOS管和第三MOS管作为负载；所述跨导级包括工作于三极管区的第五MOS管、第十MOS管，以及工作于饱和区的第六MOS管、第七MOS管、第八MOS管、第九MOS管；所述偏置电路通过第十二MOS管对所述第六MOS管和第九MOS管提供偏置电流，通过第十四MOS管对所述第七MOS管和第八MOS管提供偏置电流，以及通过第十三MOS管调整补偿效果；
S2.初始化配置第二MOS管和第五MOS管的尺寸比值、第三MOS管和第十MOS管的尺寸比值、第五MOS管和第十MOS管的最小控制电压；
S3.调节偏置电压令第十二MOS管、第十四MOS管和第十三MOS管工作于饱和区，从而确定第十三MOS管的初始尺寸；
S4.扫描控制电压观察增益调节曲线并调整所述第十三MOS管的尺寸实现当前偏置情况下的最优补偿；
S5.迭代调整第二MOS管和第五MOS管的尺寸比值、第三MOS管和第十MOS管的尺寸比值、第十三MOS管的尺寸及偏置电压，使最大补偿范围达到预设范围；
所述负载级包括设置在输入侧的第二MOS管和设置在输出侧的第三MOS管；第二MOS管的漏极连接VDD，第二MOS管的栅极通过第二电阻连接VDD，第二MOS管的源极连接跨导级输入侧的第五MOS管漏极；第三MOS管的漏极连接VDD，第三MOS管的栅极通过第五电阻连接VDD，第三MOS管的源极连接跨导级输出侧的第十MOS管漏极；
所述跨导级包括分别设置在输入侧的第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管和分别设置在输出侧的第十MOS管、第八MOS管、第九MOS管；第五MOS管的漏极连接第二MOS管的源极，第五MOS管的栅极通过第一电阻外接Vcrtl以及通过第一隔直电容外接VIN，第五MOS管的源极接地；第十MOS管的漏极连接第三MOS管的源极，第十MOS管的栅极通过第六电阻外接Vctrl以及通过第四隔直电容外接VIP，第十MOS管的源极接地；第六MOS管的栅极和第七MOS管的栅极共点后通过第二隔直电容连接第五MOS管的漏极，第六MOS管的漏极和第八MOS管的漏极共点后通过第三电阻连接VDD，第六MOS管的源极和第九MOS管的源极共点后分别连接偏置电路的第十三MOS管漏极和输入侧的第十二MOS管漏极；第八MOS管的栅极和第九MOS管的栅极共点后通过第三隔直电容连接第十MOS管的漏极，第七MOS管的漏极和第九MOS管的漏极共点后通过第四电阻连接VDD，第七MOS管的源极和第八MOS管的源极共点后连接偏置电路输出侧的第十四MOS管漏极；
所述偏置电路包括设置在输入侧的第十二MOS管和设置在输出侧的第十四MOS管，以及设置在第十二MOS管和第十四MOS管之间的第十三MOS管；第十二MOS管和第十四MOS管的源极以及第十三MOS管的源极共点后接地；第十二MOS管的栅极与第十一MOS管的栅极共点后连接第十一MOS管的漏极；第十四MOS管的栅极与第十三MOS管的栅极以及第十五MOS管的栅极共点后连接第十五MOS管的漏极；第一MOS管的栅极外接Vcrtl，第一MOS管的源极接VDD，第一MOS管的漏极连接第十一MOS管的漏极；第四MOS管的栅极外接VBias，第四MOS管的源极接VDD，第四MOS管的漏极连接第十五MOS管的漏极；第十一MOS管的源极和第十五MOS管的源极共点后接地。
2.根据权利要求1所述一种改善可变增益放大器dB线性的调节方法，其特征在于，所述步骤S4中的控制电压扫描幅度从600mV开始，步长为10mV，扫描至1V。
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基于统计模型后滤波的麦克风阵列语音增强方法;王浩;《 中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》(第第2期期);全文 *

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