CN208890766U - 精细增益步长控制放大器和导航接收机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种精细增益步长控制放大器和导航接收机，涉及导航接收机技术领域，包括控制开关、差分放大模块、电流源和输出负载；差分放大模块的一端与输出负载的一端相连接，输出负载的另一端接电源，差分放大模块的另一端与控制开关的一端相连接，控制开关的另一端与电流源的一端相连接，电流源的另一端接地，其中，差分放大模块包括两个差分放大电路；在保持输出负载，电流源不变的情况下，通过控制开关的开关状态，控制差分放大模块中差分放大电路的导通状态，以达到预设增益值，采用差分对的方式，实现增益精准可控。

Description

精细增益步长控制放大器和导航接收机

技术领域

本实用新型涉及导航接收机技术领域，尤其是涉及一种精细增益步长控制放大器和导航接收机。

背景技术

随着我国自主研发北斗卫星导航系统的不断发展与完善，国内市场应用于北斗卫星导航的终端射频芯片的需求越来越强烈，高性能高集成度的收发器芯片已然成为研究的热点之一。无线射频接收机主要由天线、低噪声放大器、混频器、低通滤波器、自动增益控制电路(AGC)等功能模块组成。AGC的作用是接收机系统的增益大小随着输入射频信号强度的变化能够自动调整进而接收机输出稳定功率的信号到基带。AGC的核心电路为可变增益放大器，其增益可调范围直接决定着AGC所能处理的输入信号动态范围，进一步决定着接收机的灵敏度。随着工艺和设计技艺的提高，高增益、宽带、低压、低功耗和小面积是可变增益放大器的发展趋势。

在当前新型设计方案中数字控制增益的控制放大器广泛应用，带运放的闭环放大器虽然能够获得较精准的增益，但是设计反馈电阻难匹配，且需要高增益、高带宽、高性能的运算放大器，这样的运算放大器费功耗费面积，不能满足小型化和低功耗的市场需求。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供精细增益步长控制放大器和导航接收机，采用差分对的方式，实现增益精准可控。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种精细增益步长控制放大器，包括：控制开关、差分放大模块、电流源和输出负载；

所述差分放大模块的一端与所述输出负载的一端相连接，所述输出负载的另一端接电源，所述差分放大模块的另一端与所述控制开关的一端相连接，所述控制开关的另一端与所述电流源的一端相连接，所述电流源的另一端接地，其中，所述差分放大模块包括两个差分放大电路；

在保持所述输出负载，所述电流源不变的情况下，通过所述控制开关的开关状态，控制所述差分放大模块中所述差分放大电路的导通状态，以达到预设增益值。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述预设增益值为0.5dB。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述控制开关包括第一控制开关和第二控制开关；

通过所述第一控制开关和所述第二控制开关分别控制所述差分放大电路进行导通断开，形成第一导通电路和第二导通电路，以达到所述预设增益值，其中，所述第一导通电路和所述第二导通电路的栅宽比值为1.122。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述差分放大模块包括分别与所述第一控制开关和所述第二控制开关相连接的第一差分放大电路和第二差分放大电路，其中，所述第一控制开关的开关状态与所述第二控制开关的开关状态相反；

当所述第一控制开关控制第一差分放大电路闭合时，所述第二控制开关控制所述第二差分放大电路断开，所述第一导通电路为所述第一差分放大电路；当所述第一控制开关控制第一差分放大电路断开时，所述第二控制开关控制所述第二差分放大电路闭合，所述第二导通电路为所述第二差分放大电路。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述差分放大模块包括分别与所述第一控制开关和所述第二控制开关相连接的第一差分放大电路和第二差分放大电路；

当所述第一控制开关控制第一差分放大电路闭合，所述第二控制开关控制所述第二差分放大电路闭合时，所述第一导通电路为所述第一差分放大电路和所述第二差分电路相并联；当所述第一控制开关控制第一差分放大电路闭合，所述第二控制开关控制所述第二差分放大电路断开时，所述第二导通电路为所述第一差分放大电路。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，通过所述控制开关控制所述差分放大电路进行导通断开，形成第一导通电路和第二导通电路，以达到所述预设增益值，其中，所述第一导通电路和所述第二导通电路的栅指数比值为1.122。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述差分放大模块包括第一差分放大电路和第二差分放大电路，所述控制开关与所述第二差分放大电路相连接；

当所述控制开关控制第二差分放大电路闭合时，所述第一导通电路为所述第一差分放大电路和所述第二差分放大电路相并联；当所述控制开关控制第二差分放大电路断开时，所述第二导通电路为所述第一差分放大电路，其中，所述栅指数取整数，所述第一导通电路和所述第二导通电路的栅指数比值为9∶8。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述差分放大电路包括两个共源共输出负载的场效应管，两个所述场效应管的栅极输入信号。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述输出负载包括第一输出负载和第二输出负载，所述第一输出负载和所述第一差分放大电路相连接，所述第二输出负载和所述第二差分放大电路相连接。

第二方面，本实用新型实施例还提供一种导航接收机，包括如上所述的精细增益步长控制放大器。

本实用新型实施例提供了一种精细增益步长控制放大器和导航接收机，采用差分对控制方式，共输出负载和电流源，避免传统闭环放大器电阻难匹配，损耗面积较大的弊端，通过与差分放大电路连接的控制开关的开合状态，控制差分放大电路的导通关断，以达到预设增益值，较为简单，在不改变负载和电源的情况下，实现准确增益。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的传统闭环控制放大器结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的精细增益步长控制放大器结构示意图之一；

图3为本实用新型实施例提供的精细增益步长控制放大器结构示意图之二；

图4为本实用新型实施例提供的精细增益步长控制放大器结构示意图之三；

图5为本实用新型实施例提供的精细增益步长控制放大器结构示意图之三的仿真波形图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

当前，可变增益放大器传统的设计方案是通过控制放大器的模拟电压来控制增益(VGA，可变增益放大器)，该方案下模拟电压是随时间连续缓变，调整到所需模拟电压的时间不仅不固定而且和增益变化值有关，此外，控制端往往还需要加较大的滤波电容，电容内置则会增加芯片面积，电容外置则需要增加管脚，不适合小型化，而新型的设计方案是通过数字方式控制放大器增益(PGA)，虽然其控制字是离散跳变的，但变化时间通常是固定的，具有可控性，且数字方式控制省去滤波电容，随着芯片朝着大规模集成和深亚微米的方向发展，PGA越来越成为趋势。但因为控制字是离散的，所以对PGA的控制精度有很高的要求。

一般情况下，PGA最常用的是带运放的闭环负反馈结构，图1为带运算放大器的闭环增益结构，通过控制开关得到为了实现较为精确的增益，一方面两个阻值的尺寸差距较大，电阻不好控制且不容易匹配。另一方面需要设计一款高增益、高宽带、低噪声和低失真的高性能运算放大器，比较占面积和费功耗，这种代价会随着PGA带宽要求的提高而急剧上升，非常不适合低功耗小型化的应用市场特别是需要大带宽的 PGA时，运放的功耗和面积会更大。

数字控制增益的设计方案中，带运放的闭环放大器虽然能够获得较精准的增益，但是设计反馈电阻难匹配，且需要高增益、高带宽、高性能的运算放大器，这样的运算放大器费功耗费面积，不能满足小型化和低功耗的市场需求。

基于此，本实用新型实施例提供的一种精细增益步长控制放大器和导航接收机，可以采用差分对的方式，实现增益精准可控。

下面通过实施例进行详细描述。

图1为本实用新型实施例提供的传统闭环控制放大器结构示意图。

参照图1所示，一种带运算放大器的闭环放大器，在运算放大器(OPA) 的增益足够大的情况下，当开关闭合时，闭环增益为A_V1＝-R₂/R₁，当开关断开时，闭环增益为A_V2＝-R₂/(R₁+R₀)，增益通常情况下用dB表征，通过上述两种开关状态得到的闭环增益，计算得到若要实现本实用新型实施例提供的预设增益值0.5dB精度的VGA，那么R₀/R₁的值为0.0592。R₀和R₁的尺寸相差较大，电阻不容易匹配。运算放大器的增益要足够大，一般需要采用至少为两级的多级放大器电路实现。高增益的获得一方面使得相对应的带宽变窄，另一方面会使得最终电路的面积会变大，实际应用中不实用。

一般情况下，放大器的增益(Gain)可以表示为：Gain＝g_mR；

其中，这里g_m表示为增益放大量，即，增益一般用dB来衡量，因此增益还可以表示为 A_v＝20log₁₀(g_mR)，得到从该表达式可以看出增益受很多参数的影响，包括电子迁移率μ_n，电容C_ox，电流I，栅长L，栅宽 W和负载R，由于这些参数随工艺和温度变化，无法被精确控制；

这里，负载R根据开关的闭合和关断状态表示不同的阻值，包括R₁、 R₀+R₁；

为了解决上述问题，提供一种采用差分对的方式，实现增益精准可控的精细增益步长控制放大器；

本实用新型实施例提供的精细增益步长控制放大器，包括：控制开关、差分放大模块、电流源和输出负载；

差分放大模块的一端与输出负载的一端相连接，输出负载的另一端接电源VDD，差分放大模块的另一端与控制开关的一端相连接，控制开关的另一端与电流源的一端相连接，电流源的另一端接地，其中，差分放大模块包括两个差分放大电路；

在保持输出负载，电流源不变的情况下，通过控制开关的开关状态，控制差分放大模块中差分放大电路的导通状态，以达到预设增益值。

具体地，本实用新型实施例采用差分对控制方式，共输出负载和电流源，避免传统闭环放大器电阻难匹配，损耗面积较大的弊端，通过与差分放大电路连接的控制开关的开合状态，控制差分放大电路的导通关断，以达到预设增益值，较为简单，在不改变负载和电源的情况下，实现准确增益；

进一步的，为了实现预设增益值为0.5dB，通过本实用新型实施例的电路结构，将差分放大电路预先进行电阻值的设置、固定电流大小，通过栅宽的调节，控制增益值的改变，只考虑单个参数，进一步实现了增益值的精确性。

其中，控制开关包括第一控制开关和第二控制开关；通过第一控制开关和第二控制开关分别控制差分放大电路进行导通断开，形成第一导通电路和第二导通电路，以达到预设增益值，其中，第一导通电路和第二导通电路的栅宽比值为1.122；

图2和图3为本实用新型实施例精细增益步长控制放大器架构示意图，采用两组差分对共享电流源和负载，在保持电源I和负载R不变的基础上，通过调节W栅宽的方法来控制增益值。为了实现精确的步进，假设两个工作状态下的栅宽分别为W₁和W₂，那么得到该增益公式和相比大大简化，只包含栅宽参数，在工艺制造和版图的合理设计的情况下可以做到W₁和W₂的匹配，从而可以精准的控制 W₁/W₂，进而实现精准的增益控制。

本实用新型实施例采用两组差分对，在开关控制的两种状态下栅宽分别为W₁和W₂最终得到可以看出电流源I和负载R的绝对误差不会影响ΔA_v，实际制作时，W₁和W₂两组放大管会存在μ_n和C_ox的失配，给ΔA_v引入误差，因此在设计中尽量避免或者减小这种误差；

进一步的，如图2所示，差分放大模块包括分别与第一控制开关和第二控制开关相连接的第一差分放大电路和第二差分放大电路，其中，第一控制开关的开关状态与第二控制开关的开关状态相反；

当第一控制开关控制第一差分放大电路闭合时，第二控制开关控制第二差分放大电路断开，第一导通电路为第一差分放大电路；当第一控制开关控制第一差分放大电路断开时，第二控制开关控制第二差分放大电路闭合，第二导通电路为第二差分放大电路。

具体地，包含两组差分对放大器、一个电流源I0、输出负载R₁和两个控制开关！S和S，其中！S和S互为相反。两组差分放大器共享一个电流源和输出负载，左侧差分对的栅宽用W₁表示，右侧差分对的栅宽用W₂表示。每组差分对分别由一个开关控制，电路上电后，任何时刻有且只有一组差分对工作。当左侧的开关闭合！S＝1，右侧的开关断开S＝0，那么系统电路的总栅宽Wtotal为W₁；当左侧的开关断开！S＝0，右侧的开关闭合S＝1，那么系统电路的总栅宽Wtotal为W₂，因此，为实现步进为 0.5dB的可变增益放大器，那么W₁/W₂＝1.122，栅宽尺寸比较接近，易匹配。

如图3所示，差分放大模块包括分别与第一控制开关和第二控制开关相连接的第一差分放大电路和第二差分放大电路；

当第一控制开关控制第一差分放大电路闭合，第二控制开关控制第二差分放大电路闭合时，第一导通电路为第一差分放大电路和第二差分放大电路相并联；当第一控制开关控制第一差分放大电路闭合，第二控制开关控制第二差分放大电路断开时，第二导通电路为第一差分放大电路。

图3所示，包含两组差分对放大器、一个电流源I0、输出负载R₁和两个控制开关S0和S，两组差分放大器共享一个电流源和输出负载。左侧差分对的栅宽用W表示，右侧差分对的栅宽用ΔW表示。每组差分对分别由一个开关控制，电路上电后，当左侧的开关闭合S0＝1，右侧的开关闭合S＝1，那么系统电路的总栅宽Wtotal为W+ΔW；左侧的开关闭合S0＝1，右侧的开关断开S＝0，那么系统电路的总栅宽Wtotal为W，因此，为实现步进为0.5dB的可变增益放大器，那么(W+ ΔW)/W＝1.122，本实用新型实施例和图2实施例相比，该方案节省了版图的面积。

参照图4，通过控制开关控制差分放大电路进行导通断开，形成第一导通电路和第二导通电路，以达到预设增益值，其中，第一导通电路和第二导通电路的栅指数比值为1.122。

其中，差分放大模块包括第一差分放大电路和第二差分放大电路，控制开关与第二差分放大电路相连接；

当控制开关控制第二差分放大电路闭合时，第一导通电路为第一差分放大电路和第二差分放大电路相并联；当控制开关控制第二差分放大电路断开时，第二导通电路为第一差分放大电路，其中，栅指数取整数，第一导通电路和第二导通电路的栅指数比值为9∶8。

图4具体采用两组差分对管、一个电流源、输出负载R₁和控制开关GC，两组差分放大器共享一个电流源和输出负载。由上述，在电流不变的情况下，栅宽比值为1.122，如果栅宽固定，通过改变栅指数来实现增益控制的话，栅指数取整数，则栅指数比值为9：8，因此，该电路的工作模式是，左侧差分对始终工作，当GC开关闭合GC＝1，那么系统电路的总栅指数 Finger为9；当GC开关断开GC＝0，那么系统电路的总栅指数Finger为8，由此实现的增益步长(Gstep)＝0.51dB，比设计目标偏差0.01dB，与预设增益值偏差较上述实施例更小，在精度方面由于前述实施例。

此外，在图4实施例的基础上，谨慎选择适合的电流源大小，既要确保电路在该电流下能够正常工作又要尽量使可变增益放大器拥有较小的功耗；选择合适的输出负载值，既要确保电路在该负载下能够正常工作又要尽量使可变增益放大器拥有较佳的面积。

当本实用新型实施例采用SMIC 0.18μm工艺，电源电压1.8V，电流源为20μA，栅宽指数通过Finger设置比值为9：8时，对其波形进行仿真，如图5所示，开关GC＝0时的增益频响曲线，M0(240.6MHz,-6.527dB)，开关GC＝1时的增益频响曲线M1(240.6MHz,-6.023dB)，M2纵坐标表示两者的差值，该差值为0.503dB，与设计目标0.5dB误差0.003dB，在图4实施例的基础上，经电流源和负载值的优选，实现了更加精确的增益值。相较带运放闭环放大器实现的自动增益放大器，本实用新型的方案结构更加简单，不需要额外的附加电路，最终电路获得较低的功耗、较小的面积和较高的带宽。

上述图2、图3、图4中，差分放大电路包括两个共源共输出负载的场效应管，两个场效应管的栅极输入信号vip和vin，输出负载R₁包括第一输出负载和第二输出负载，第一输出负载和第一差分放大电路相连接，第二输出负载和第二差分放大电路相连接。

本实用新型实施例还提供一种导航接收机，包括如上所述的精细增益步长控制放大器。

上述精细增益步长控制放大器的方案的目的在于采用新型数字控制增益(PGA)的方式，放大器在开环状态下，保证尺寸易匹配，保证放大器电路良好性能的前提下实现0.5dB精度的小面积、低功耗可变增益放大器，将其应用于导航接收机，使得导航接收机的工作结果更加精确；

本实用新型实施例提供的导航接收机，与上述实施例提供的精细增益步长控制放大器具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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实用新型的限制。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。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本实用新型各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种精细增益步长控制放大器，其特征在于，包括：控制开关、差分放大模块、电流源和输出负载；

所述差分放大模块的一端与所述输出负载的一端相连接，所述输出负载的另一端接电源，所述差分放大模块的另一端与所述控制开关的一端相连接，所述控制开关的另一端与所述电流源的一端相连接，所述电流源的另一端接地，其中，所述差分放大模块包括两个差分放大电路；

在保持所述输出负载，所述电流源不变的情况下，通过所述控制开关的开关状态，控制所述差分放大模块中所述差分放大电路的导通状态，以达到预设增益值；

所述预设增益值为0.5dB；

所述控制开关包括第一控制开关和第二控制开关；

通过所述第一控制开关和所述第二控制开关分别控制所述差分放大电路进行导通断开，形成第一导通电路和第二导通电路，以达到所述预设增益值，其中，所述第一导通电路和所述第二导通电路的栅宽比值为1.122。

2.根据权利要求1所述的精细增益步长控制放大器，其特征在于，所述差分放大模块包括分别与所述第一控制开关和所述第二控制开关相连接的第一差分放大电路和第二差分放大电路，其中，所述第一控制开关的开关状态与所述第二控制开关的开关状态相反；

当所述第一控制开关控制第一差分放大电路闭合时，所述第二控制开关控制所述第二差分放大电路断开，所述第一导通电路为所述第一差分放大电路；当所述第一控制开关控制第一差分放大电路断开时，所述第二控制开关控制所述第二差分放大电路闭合，所述第二导通电路为所述第二差分放大电路。

3.根据权利要求1所述的精细增益步长控制放大器，其特征在于，所述差分放大模块包括分别与所述第一控制开关和所述第二控制开关相连接的第一差分放大电路和第二差分放大电路；

当所述第一控制开关控制第一差分放大电路闭合，所述第二控制开关控制所述第二差分放大电路闭合时，所述第一导通电路为所述第一差分放大电路和所述第二差分放大电路相并联；当所述第一控制开关控制第一差分放大电路闭合，所述第二控制开关控制所述第二差分放大电路断开时，所述第二导通电路为所述第一差分放大电路。

4.根据权利要求1所述的精细增益步长控制放大器，其特征在于，通过所述控制开关控制所述差分放大电路进行导通断开，形成第一导通电路和第二导通电路，以达到所述预设增益值，其中，所述第一导通电路和所述第二导通电路的栅指数比值为1.122。

5.根据权利要求4所述的精细增益步长控制放大器，其特征在于，所述差分放大模块包括第一差分放大电路和第二差分放大电路，所述控制开关与所述第二差分放大电路相连接；

当所述控制开关控制第二差分放大电路闭合时，所述第一导通电路为所述第一差分放大电路和所述第二差分放大电路相并联；当所述控制开关控制第二差分放大电路断开时，所述第二导通电路为所述第一差分放大电路，其中，所述栅指数取整数，所述第一导通电路和所述第二导通电路的栅指数比值为9∶8。

6.根据权利要求1所述的精细增益步长控制放大器，其特征在于，所述差分放大电路包括两个共源共输出负载的场效应管，两个所述场效应管的栅极输入信号。

7.根据权利要求2所述的精细增益步长控制放大器，其特征在于，所述输出负载包括第一输出负载和第二输出负载，所述第一输出负载和所述第一差分放大电路相连接，所述第二输出负载和所述第二差分放大电路相连接。

8.一种导航接收机，其特征在于，包括权利要求1-7中任一项所述的精细增益步长控制放大器。