CN116886061A - 一种低附加相移的单端可变增益放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低附加相移的单端可变增益放大器，涉及可变增益放大器领域，包括共源单元、核心单元和放大器单元；共源单元的一端作为输入端，共源单元的另一端连接核心单元；共源单元用于产生尾电流并将其传输至核心单元；核心单元的另一端连接放大器单元；核心单元用于接收共源单元产生的尾电流，根据尾电流产生抵消附加相移的增益信号，并将抵消附加相移的增益信号传输至放大器单元；放大器单元的另一端作为输出端；放大器单元用于接收核心单元传输的抵消附加相移的增益信号，并根据抵消附加相移的增益信号输出调节功率。本发明采用单端结构实现放大器的增益调节和附加相移抵消，减小了芯片面积，降低了制作成本。
Description
技术领域
本发明涉及可变增益放大器领域，具体涉及一种低附加相移的单端可变增益放大器。
背景技术
可变增益放大器结构包括共源共栅结构和电流舵结构。这两种可变增益放大器结构的增益由偏置电流或者偏置电压决定，通过合理地控制偏置电流或者偏置电压，实现放大器的可变增益。然而，当放大器的偏置改变时，各个节点处的端口阻抗随着偏置条件的变化而变化。因此，这两种基本结构的可变增益放大器具有很大的附加相移、较小的增益调节范围和较窄的增益调节带宽。
现有技术提出了差分交叉耦合的可变增益放大器，如图1所示。输入信号经功分器分为两路信号后输入到可变增益放大器中，放大器的增益由电压V1与电压V2的差值进行调节。在差分结构下，现有技术将部分输出信号交叉耦合到相位相反的信号支路，利用信号相位相反进行部分信号抵消，实现增益的变化。另外，尾电流源的偏置电压Vb始终保持不变，使得可变增益放大器的各节点的阻抗几乎保持不变，进而降低了可变增益放大器的附加相移变化。但现有技术提供的差分结构，需要两级结构抵消附加相移，所以存在芯片面积大、制作成本高的问题。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种低附加相移的单端可变增益放大器，采用单端结构实现放大器的增益调节和附加相移抵消，减小了芯片面积，降低了制作成本。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种低附加相移的单端可变增益放大器，包括共源单元、核心单元和放大器单元；
共源单元的一端作为输入端，共源单元的另一端连接核心单元；共源单元用于产生尾电流，并将尾电流传输至核心单元；
核心单元的一端连接共源单元，核心单元的另一端连接放大器单元；核心单元用于接收共源单元产生的尾电流，根据尾电流产生抵消附加相移的增益信号，并将抵消附加相移的增益信号传输至放大器单元；
放大器单元的一端连接核心单元，放大器单元的另一端作为输出；放大器单元用于接收核心单元传输的抵消附加相移的增益信号，并根据抵消附加相移的增益信号输出调节功率。
进一步地，共源单元包括电感Ld1、晶体管M1、电阻R1、电容Cby1、电感Lgg1、电感Lg1和电感Ls1；电感Ld1的一端连接核心单元，电感Ld1的另一端连接晶体管M1的漏极，晶体管M1的栅极连接电容Cby1的一端且经过电阻R1连接偏置电源VB1，电容Cby1的另一端经过电感Lgg1同时连接输入电压Vin和电感Lg1的一端，输入电压Vin作为输入端，电感Lg1的另一端接地，晶体管M1的源极经过电感Ls1接地。
进一步地，电感Lg1和电感Ls1互相耦合以实现可变增益放大器的宽带匹配。
进一步地，核心单元包括串联的第一共源共栅对模块和第二共源共栅对模块；
第一共源共栅对模块的一端连接共源单元；第一共源共栅对模块用于接收共源单元产生的尾电流，根据尾电流产生第一增益信号，并将第一增益信号传输至第二共源共栅对模块；
第二共源共栅对模块的一端连接放大器单元；第二共源共栅对模块用于接收第一共源共栅对模块产生的第一增益信号，产生第二增益信号并根据第二增益信号抵消第一增益信号的附加相移，以产生抵消附加相移的增益信号，并将抵消附加相移的增益信号传输至放大器单元。
进一步地，第一共源共栅对模块包括电容Cby2、电阻R2、晶体管M2、电容Cby3、电感Lby1、晶体管M3、电阻R3和电容C1；电容Cby2的一端连接共源单元，电容Cby2的另一端同时连接电阻R2的一端和晶体管M2的栅极，电阻R2的一端连接偏置电压VB2，晶体管M2的漏极连接第二共源共栅对模块，晶体管M2的源极同时连接电容Cby3的一端和电感Lby1的一端，电容Cby3的另一端接地，电感Lby1的另一端连接共源单元，晶体管M3的源极连接共源单元，晶体管M3的栅极同时连接电阻R3的一端和电容C1的一端，电阻R3的另一端连接控制电压Vctrl1，电容C1的另一端接地，晶体管M3的漏极连接第二共源共栅对模块。
进一步地，晶体管M2和晶体管M3形成反相抵消以增加增益调节范围。
进一步地，第二共源共栅对模块包括晶体管M4、电阻R4、电容C2、电感Lby2、电容Cby5、晶体管M5、电阻R5和电容Cby4；晶体管M4的源极连接第一共源共栅对模块，晶体管M4的栅极同时连接电阻R4的一端和电容C2的一端，电阻R4的另一端连接偏置电压VB3，电容C2的另一端接地，晶体管M4的漏极连接放大器单元，电感的Lby2的一端连接第一共源共栅对模块，电感的Lby2的另一端同时连接电容Cby5的一端和晶体管M5的源极，电容Cby5的另一端接地，晶体管M5的漏极连接放大器单元，晶体管M5的栅极同时连接电阻R5的一端和电容Cby4的一端，电阻R5的另一端连接控制电压Vctrl2，电容Cby4的另一端连接第一共源共栅对模块。
进一步地，核心单元还包括反馈电路，反馈电路的一端作为核心单元的第一端口，反馈电路的另一端作为核心单元的第二端口；反馈电路用于形成负反馈以提升核心单元的稳定性，并降低核心单元的阻抗波动。
进一步地，放大器单元包括电感Ld、电感L3、电容C3和放大器AMP；电感Ld的一端连接核心单元，电感Ld的另一端连接电源VDD，电感L3的一端连接核心单元，电感L3的另一端连接电容C3的一端，电容C3的另一端连接放大器AMP的输入端口，放大器AMP的输出端口作为输出。
本发明具有以下有益效果：
（1）本发明采用单端结构即共源单元、核心单元和放大器单元，实现放大器的增益调节和附加相移抵消，减小了芯片面积，降低了制作成本；
（2）本发明通过设置的共源单元，为核心单元提供尾电流，以使得共源单元和核心单元形成电流复用，进而得以维持核心单元的总电流不变；
（3）本发明通过串联的第一共源共栅对模块和第二共源共栅对模块，形成附加相移抵消，产生抵消附加相移的增益信号；
（4）本发明通过利用并联的共源管和共栅管（并联的晶体管M2和晶体管M3以及并联的晶体管M4和晶体管M5)形成反相抵消，能增加增益调节范围；
（5）本发明通过在核心单元内设置反馈电路，能形成负反馈以提升核心单元的稳定性，并降低核心单元的阻抗波动。
附图说明
图1为差分交叉耦合的可变增益放大器结构示意图；
图2为一种低附加相移的单端可变增益放大器结构示意图；
图3为共源共栅对的小信号等效电路结构示意图；
图4为共源共栅对电路结构示意图；
图5为共源共栅对两路电流随控制电压变化趋势图；
图6为多种控制状态下增益随频率变化趋势图；
图7为附加相移随频率变化趋势图。
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。
如图2所示，一种低附加相移的单端可变增益放大器，包括共源单元、核心单元和放大器单元。
在本发明的一个可选实施例中，共源单元的一端作为输入端，共源单元的另一端连接核心单元；共源单元用于产生尾电流，并将尾电流传输至核心单元。
共源单元包括电感Ld1、晶体管M1、电阻R1、电容Cby1、电感Lgg1、电感Lg1和电感Ls1；电感Ld1的一端连接核心单元，电感Ld1的另一端连接晶体管M1的漏极，晶体管M1的栅极连接电容Cby1的一端且经过电阻R1连接电源VB1，电容Cby1的另一端经过电感Lgg1同时连接电源Vin和电感Lg1的一端，电感Lg1的另一端接地，晶体管M1的源极经过电感Ls1接地。
电感Lg1和电感Ls1互相耦合以实现可变增益放大器的宽带匹配。电感耦合形成高阶谐振腔，输入阻抗有多个极点，因此能实现可变增益放大器（包括共源单元、核心单元和放大器单元的整个电路）的宽带匹配。并且电感Ls1能起到增强稳定性的作用。
共源单元为核心单元提供尾电流，以使得共源单元和核心单元形成电流复用，进而得以维持核心单元的总电流不变。电流复用即晶体管M1的电流与核心单元中的第一共源共栅对模块和第一共源共栅对模块的电流为同一个电流。晶体管M1的偏置不变，晶体管M1的电流则不变，进而维持第一共源共栅对模块和第一共源共栅对模块的电流不变。
在本发明的一个可选实施例中，核心单元的一端连接共源单元，核心单元的另一端连接放大器单元；核心单元用于接收共源单元产生的尾电流，根据尾电流产生抵消附加相移的增益信号，并将抵消附加相移的增益信号传输至放大器单元。
核心单元包括串联的第一共源共栅对模块和第二共源共栅对模块。本发明通过串联的第一共源共栅对模块和第二共源共栅对模块，能形成附加相移抵消。附加相移抵消的具体过程为：如图2所示，控制电压Vctrl1控制第一共源共栅对模块的晶体管M3，控制电压Vctrl2控制第二共源共栅对模块的晶体管M5。当电控制压Vctrl1和控制电压Vctrl2增大时，第一共源共栅对模块的晶体管M3的电流和第二共源共栅对模块的晶体管M5的电流同时增大，进而带来整体相位的变化，产生附加相移。
如图3所示，共源共栅对模块电路的传输函数表示为：
其中：为共源共栅电路的传输函数，/>为输出电流，/>为输入电压，/>为共栅管的漏源电容，晶体管M3和晶体管M4为共栅管，/>为共栅管的跨导，/>为共源管的栅漏电容，晶体管M2和晶体管M5为共源管，/>为复变量，/>，/>为虚数单位，/>为角频率，/>为共源管的跨导。
当电压Vctl1控制第一共源共栅对模块的晶体管M3时，产生第一附加相移，表示为：
其中：为第一附加相移，/>为共源共栅电路的传输函数的相位，，/>。
当控制电压Vctrl2控制第二共源共栅对模块的晶体管M5时，产生第二附加相移，表示为：
其中：为第二附加相移。
根据上述推论可知，第一附加相移和第二附加相移符号相反。因此，本发明通过串联的第一共源共栅对模块和第二共源共栅对模块，能形成附加相移抵消，进而产生抵消附加相移的增益信号。
第一共源共栅对模块的一端连接共源单元；第一共源共栅对模块用于接收共源单元产生的尾电流，根据尾电流产生第一增益信号，并将第一增益信号传输至第二共源共栅对模块。
第一共源共栅对模块包括电容Cby2、电阻R2、晶体管M2、电容Cby3、电感Lby1、晶体管M3、电阻R3和电容C1；电容Cby2的一端连接共源单元，电容Cby2的另一端同时连接电阻R2的一端和晶体管M2的栅极，电阻R2的一端连接偏置电压VB2，晶体管M2的漏极连接第二共源共栅对模块，晶体管M2的源极同时连接电容Cby3的一端和电感Lby1的一端，电容Cby3的另一端接地，电感Lby1的另一端连接共源单元，晶体管M3的源极连接共源单元，晶体管M3的栅极同时连接电阻R3的一端和电容C1的一端，电阻R3的另一端连接控制电压Vctrl1，电容C1的另一端接地，晶体管M3的漏极连接第二共源共栅对模块。
电感Lby1和电容Cby3形成低通网络以阻止射频信号通过。低通网络选择直流附近的低频信号使其通过，并使工作频带的毫米波信号不能通过（阻止射频信号通过），并且电容Cby3的值需使晶体管M2的源极接近交流地，因为电容越大容抗越小，交流则越接近交流地。
晶体管M2和晶体管M3形成反相抵消以增加增益调节范围。反相抵消的具体过程为：如图4所示，为晶体管M3和晶体管M4的跨导，晶体管M3和晶体管M4为共栅管，/>为晶体管M2和晶体管M5的跨导，晶体管M2和晶体管M5为共源管，一个共源共栅对由一个共源管和一个共栅管并联组成，尾电流源维持共源管和共栅这两路电流之和不变，控制电压Vc调节共栅管的电流。如图5所示，共源管的偏置固定，控制电压Vc控制共栅管的偏压。共栅管开启之前，共源管的电流ICS不变且与尾电流源的电流相等，共栅管的电流ICG为0。随着控制电压Vc的增大，共栅管开启后，其电流ICG增大，由于两路电流之和等于尾电流源的电流且维持不变，因此共源管的电流ICS会减小。而且由于共栅管的电流ICG与共源管的电流ICS反相，整体增益可实现从大到小再变大的变化。在两路电流的相交点，即当同相与反向信号幅度相等时，可以使得输出的增益信号为 0，即理论上本结构增益调节范围为无穷大。因此，本发明通过利用并联的晶体管M2和晶体管M3形成反相抵消，能增加增益调节范围。
第二共源共栅对模块包括晶体管M4、电阻R4、电容C2、电感Lby2、电容Cby5、晶体管M5、电阻R5和电容Cby4；晶体管M4的源极连接第一共源共栅对模块，晶体管M4的栅极同时连接电阻R4的一端和电容C2的一端，电阻R4的另一端连接偏置电压VB3，电容C2的另一端接地，晶体管M4的漏极连接放大器单元，电感的Lby2的一端连接第一共源共栅对模块，电感的Lby2的另一端同时连接电容Cby5的一端和晶体管M5的源极，电容Cby5的另一端接地，晶体管M5的漏极连接放大器单元，晶体管M5的栅极同时连接电阻R5的一端和电容Cby4的一端，电阻R5的另一端连接控制电压Vctrl2，电容Cby4的另一端连接第一共源共栅对模块。
电感Lby2和电容Cby5形成低通网络以阻止射频信号通过。电感Lby2等于电感Lby1的值，电容Cby5等于电容Cby3的值。电感Lby2和电容Cby5形成的低通网络与电感Lby1和电容Cby3形成的低通网络相同。
晶体管M4和晶体管M5形成反相抵消以增加增益调节范围。反相抵消的具体过程已在上文进行论述，因此本发明通过利用并联的晶体管M4和晶体管M5形成反相抵消，能增加增益调节范围。
核心单元还包括反馈电路，反馈电路的一端作为核心单元的第一端口，反馈电路的另一端作为核心单元的第二端口；反馈电路用于形成负反馈以提升核心单元的稳定性，并降低核心单元的阻抗波动。
反馈电路包括电容Cf和电阻Rf，电容Cf的一端连接共源单元，电容Cf的另一端连接电阻Rf的一端，电阻Rf的另一端放大器单元。
第二共源共栅对模块的一端连接放大器单元；第二共源共栅对模块用于接收第一共源共栅对模块产生的第一增益信号，产生第二增益信号并根据第二增益信号抵消第一增益信号的附加相移，以产生抵消附加相移的增益信号，并将抵消附加相移的增益信号传输至放大器单元。
在本发明的一个可选实施例中，放大器单元的一端连接核心单元，放大器单元的另一端作为输出；放大器单元用于接收核心单元传输的抵消附加相移的增益信号，并根据抵消附加相移的增益信号输出调节功率。
放大器单元包括电感Ld、电感L3、电容C3和放大器AMP；电感Ld的一端连接核心单元，电感Ld的另一端连接电源VDD，电感L3的一端连接核心单元，电感L3的另一端连接电容C3的一端，电容C3的另一端连接放大器AMP的输入端口，放大器AMP的输出端口作为输出。
综上所述，本发明通过上述设计能实现放大器的增益调节和附加相移抵消，减小了芯片面积，降低了制作成本。本发明提供以下验证过程：
本发明采用65nmCMOS（互补金属氧化物半导体）工艺对本发明所提出的单端可变增益放大器进行了流片验证，芯片核心面积仅约为0.1mm2。本发明提供了所提出的单端可变增益放大器的测试结果。如图6所示，该单端可变增益放大器的小信号增益带宽为22.6-37GHz，增益的相对带宽为48.3%，增益调节范围为12.8dB（增益最小为1.6dB，最大为14.4dB）。如图7所示，附加相移为2.6~4.8°。因此，本发明不仅实现了较大的增益调节范围、较低的附加相移，而且芯片面积非常小。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种低附加相移的单端可变增益放大器，其特征在于，包括共源单元、核心单元和放大器单元；
共源单元的一端作为输入端，共源单元的另一端连接核心单元；共源单元用于产生尾电流，并将尾电流传输至核心单元；
核心单元的一端连接共源单元，核心单元的另一端连接放大器单元；核心单元用于接收共源单元产生的尾电流，根据尾电流产生抵消附加相移的增益信号，并将抵消附加相移的增益信号传输至放大器单元；
放大器单元的一端连接核心单元，放大器单元的另一端作为输出；放大器单元用于接收核心单元传输的抵消附加相移的增益信号，并根据抵消附加相移的增益信号输出调节功率。
2.根据权利要求1所述的一种低附加相移的单端可变增益放大器，其特征在于，共源单元包括电感Ld1、晶体管M1、电阻R1、电容Cby1、电感Lgg1、电感Lg1和电感Ls1；电感Ld1的一端连接核心单元，电感Ld1的另一端连接晶体管M1的漏极，晶体管M1的栅极连接电容Cby1的一端且经过电阻R1连接偏置电源VB1，电容Cby1的另一端经过电感Lgg1同时连接输入电压Vin和电感Lg1的一端，输入电压Vin作为输入端，电感Lg1的另一端接地，晶体管M1的源极经过电感Ls1接地。
3.根据权利要求2所述的一种低附加相移的单端可变增益放大器，其特征在于，电感Lg1和电感Ls1互相耦合以实现可变增益放大器的宽带匹配。
4.根据权利要求1所述的一种低附加相移的单端可变增益放大器，其特征在于，核心单元包括串联的第一共源共栅对模块和第二共源共栅对模块；
第一共源共栅对模块的一端连接共源单元；第一共源共栅对模块用于接收共源单元产生的尾电流，根据尾电流产生第一增益信号，并将第一增益信号传输至第二共源共栅对模块；
第二共源共栅对模块的一端连接放大器单元；第二共源共栅对模块用于接收第一共源共栅对模块产生的第一增益信号，产生第二增益信号并根据第二增益信号抵消第一增益信号的附加相移，以产生抵消附加相移的增益信号，并将抵消附加相移的增益信号传输至放大器单元。
5.根据权利要求4所述的一种低附加相移的单端可变增益放大器，其特征在于，第一共源共栅对模块包括电容Cby2、电阻R2、晶体管M2、电容Cby3、电感Lby1、晶体管M3、电阻R3和电容C1；电容Cby2的一端连接共源单元，电容Cby2的另一端同时连接电阻R2的一端和晶体管M2的栅极，电阻R2的一端连接偏置电压VB2，晶体管M2的漏极连接第二共源共栅对模块，晶体管M2的源极同时连接电容Cby3的一端和电感Lby1的一端，电容Cby3的另一端接地，电感Lby1的另一端连接共源单元，晶体管M3的源极连接共源单元，晶体管M3的栅极同时连接电阻R3的一端和电容C1的一端，电阻R3的另一端连接控制电压Vctrl1，电容C1的另一端接地，晶体管M3的漏极连接第二共源共栅对模块。
6.根据权利要求5所述的一种低附加相移的单端可变增益放大器，其特征在于，晶体管M2和晶体管M3形成反相抵消以增加增益调节范围。
7.根据权利要求4所述的一种低附加相移的单端可变增益放大器，其特征在于，第二共源共栅对模块包括晶体管M4、电阻R4、电容C2、电感Lby2、电容Cby5、晶体管M5、电阻R5和电容Cby4；晶体管M4的源极连接第一共源共栅对模块，晶体管M4的栅极同时连接电阻R4的一端和电容C2的一端，电阻R4的另一端连接偏置电压VB3，电容C2的另一端接地，晶体管M4的漏极连接放大器单元，电感的Lby2的一端连接第一共源共栅对模块，电感的Lby2的另一端同时连接电容Cby5的一端和晶体管M5的源极，电容Cby5的另一端接地，晶体管M5的漏极连接放大器单元，晶体管M5的栅极同时连接电阻R5的一端和电容Cby4的一端，电阻R5的另一端连接控制电压Vctrl2，电容Cby4的另一端连接第一共源共栅对模块。
8.根据权利要求2所述的一种低附加相移的单端可变增益放大器，其特征在于，核心单元还包括反馈电路，反馈电路的一端作为核心单元的第一端口，反馈电路的另一端作为核心单元的第二端口；反馈电路用于形成负反馈以提升核心单元的稳定性，并降低核心单元的阻抗波动。
9.根据权利要求1所述的一种低附加相移的单端可变增益放大器，其特征在于，放大器单元包括电感Ld、电感L3、电容C3和放大器AMP；电感Ld的一端连接核心单元，电感Ld的另一端连接电源VDD，电感L3的一端连接核心单元，电感L3的另一端连接电容C3的一端，电容C3的另一端连接放大器AMP的输入端口，放大器AMP的输出端口作为输出。
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