CN101924527B

CN101924527B - 一种具有精确增益步长的宽带可编程增益放大器

Info

Publication number: CN101924527B
Application number: CN 201010285999
Authority: CN
Inventors: 方飞; 周美霞; 林楠; 谢江滨; 洪志良
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2010-09-19
Filing date: 2010-09-19
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2030-09-19
Also published as: CN101924527A

Abstract

本发明属于集成电路技术领域，具体为一种具有精确增益步长的宽带可编程增益放大器结构。该结构包括一个无源衰减网络、一个有源增益控制器和两个固定增益放大器。信号首先经过衰减网络，根据输入信号的大小选择相应的衰减强度以得到一个幅度适中的信号；信号经过第一级固定增益放大器放大后进入有源增益控制器，得到一个精确的增益；再经由第二级固定增益放大器得到最终的信号。有源增益控制器主要由两个相连的反馈环路构成，通过控制两个反馈环路的相对强度来得到精确的增益步长。本发明可以满足通信、磁盘读取等***中对VGA增益精度和平带宽度不断提高的要求。

Description

一种具有精确增益步长的宽带可编程增益放大器

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种高精度可变增益放大器。

背景技术

在无线通信、磁盘读取、医疗器械等领域，模拟***所要处理的信号具有较大的动态范围。例如，码分多址（CDMA）通信***需要大约80dB的增益变化。为了得到一个振幅相对恒定的信号，类似模拟***中一般采用一个自动增益控制（AGC）环路，它根据接收信号的幅度大小相应地调节链路的增益以使输出幅度恒定。自动增益控制环路的核心是一个可变增益放大器（VGA），自动增益控制环路通过将VGA的输出信号和参考信号比较来生成一个控制信号，控制VGA的增益使其输出信号的幅度和参考信号相等。所以，VGA的增益动态范围越大，增益随控制信号的dB线性越好或者增益步长越精细，带宽越宽，那么自动增益控制环路也就具有更好的性能。

图1所示为一种典型可变增益放大器的结构。该可变增益放大器100主要包括一个吉尔伯特单元101和一个指数函数发生器102。吉尔伯特单元的输出由两个信号的乘积决定，如果以其中一个作为输入信号，另外一个作为增益控制信号，那么就实现了增益可变的功能。指数函数发生器102产生一个与输入信号呈指数关系的输出信号，然后以该输出作为吉尔伯特单元的控制信号。所以，可变增益放大器100的增益和控制信号是指数的关系，也就是dB线性的关系。然而，CMOS器件在模拟电路中主要以平方率的关系工作，要想产生指数的关系只能依赖与一些指数的近似函数，如泰勒展式和伪指数函数。这些函数只有在一定的变量范围内才能较好的接近指数函数，当变量范围过大时，近似函数与指数函数的误差会导致运放的增益偏离dB线性。为了使VGA具有较大的动态范围和较好的dB线性，往往采用多级VGA级联的方法，但这是以牺牲噪声、线性度和功耗为代价的。

图2所示为一种基于衰减器结构的可变增益放大器。该可变增益放大器201包括一个梯形电阻网络衰减器202、一个可变跨导阵列203、一个跨阻放大器204以及增益控制电路205。首先由衰减器202对信号进行不同程度的衰减，再将衰减得到的信号分别连接到各个可变跨导模块206的正输入端。所有可变跨导模块206的输出和跨阻放大器204的输入相连，跨阻放大器204产生的电压经过电阻分压后反馈到可变跨导模块206的负输入端。增益控制电路205分别控制每个可变跨导模块206，使其跨导从零变化到最大值。如果只导通最左边的跨导模块206，那么可变跨导阵列203和跨阻放大器204就等效于一个单位增益放大器，输出Vout等于输入Vin。如果只有左边第二个跨导模块206导通，那么输出Vout经一次衰减。当最左边的两个模块同时导通时，左边第一个模块的跨导相对于左边第二个模块越大，输出Vout就越接近输入Vin。所以增益控制电路205通过控制可变跨导阵列203中两个相邻的跨导模块的相对强度就能得到一个幅度在衰减器202动态范围内的任意信号。

该结构实际上是两级增益调节机制，它先以衰减器完成一个粗调得到几个大的增益步长，然后以得到的步长为边界对它进行细调。这样一来连续增益调节的范围就被限制在一个衰减器步长以内，以保证较小的增益误差。只要衰减器的可增台阶足够多，该结构就能在很大的增益变化范围内实现一个较为精确的增益控制。然而，该结构的增益精度取决于增益控制电路205，只有增益控制电路205满足所要求的函数关系，才能得到dB线性的增益控制。另外，可变跨导模块206在关断和跨导最大的状态下MOS器件处于不同的偏置，其特性也相差很大。尤其在接近关断时，MOS器件处于亚阈值，不满足典型的平方率关系。所以增益在接近衰减器202步长时，会出现较为严重的误差。而且，任何时刻可变跨导阵列203中只有两个可变跨导模块206工作，重复的多个可变跨导模块206浪费了面积，限制了带宽。

综上所述，需要一种电路和方法克服增益在接近接近衰减器202步长时出现的误差，对模块进行复用减少芯片面积，增加带宽。如果能将增益控制改成数字控制，还能省去数模转换器，方便数字***对其进行控制。

发明内容

本发明的目的在于提出一种具有精确增益步长的宽带可编程增益放大器结构，以满足通信、磁盘读取等***中对VGA增益精度和平带宽度不断提高的要求。

本发明提出的具有精确增益步长的宽带可编程增益放大器，是基于CMOS工艺中器件间的相对误差较小，利用匹配器件间的参数之比实现精确的增益控制。其结构如附图3所示，该可编程增益放大器（300）主要包括一个无源网络衰减器（301）、一个有源增益控制器（303）、一个前级固定增益放大器（302）和一个后级固定增益放大器（304）；信号首先经过所述无源网络衰减器（301），无源网络衰减器（301）根据输入信号的大小选择相应的衰减强度，对信号进行初调，以得到一个幅度适中的信号；然后，经过所述前级固定增益放大器（302）放大后进入所述有源增益控制器（303），有源增益控制器（303）基于两个相连的反馈环路，通过控制两个反馈环路的相对强度得到精确的增益步长；最后，再经由所述后级固定增益放大器（304）得到最终的信号。

本发明中，所述的无源网络衰减器（301），采用的是由一组大小完全相同的电阻构成的R-2R结构，每级信号幅度衰减一半，通过选通开关来选择不同的衰减档。其结构如附图4所示。

本发明中，所述的前级固定增益放大器（302），采用的是两级运放加有源负反馈的结构。两个单级放大器（501）级联，反馈电路（502）根据输出信号产生相应的反馈信号至两单级放大器（501）的中间。电路的整体增益由第一级运放和有源负反馈的等效跨导之比决定，电路参数的比值容易产生较高的精度。电路输出节点和中间节点的等效电阻都比未加反馈时减小一个单级放大器增益的倍数。其结构如附图5所示。

本发明中，所述的有源增益控制器（303）如附图6所示，包括：一个单级电阻衰减器（601），两个完全相同的可变跨导模块（602），一个cascode结构的有源负载（603）和一个调节频率响应的电容阵列（604）。单级电阻衰减器（601）将输入的信号在幅度上减半，得到两个相位相同且幅度比值恒定的信号，用于后级的精细增益控制。两个相同的可变跨导模块（602）的输出连在一起且连接到有源负载（603）上，有源负载（603）的输出连到两个可变跨导（602）的负输入端，两个可变跨导（602）的正输入端分别连接单级衰减器（601）的两个输出，最终形成了两个互连的反馈环路。电容阵列（604）一端连接有源增益控制器（303）的输出，一端连接有源增益控制器（303）的输入，该交流通路在高频下补偿了信号的衰减，增加了带宽。

本发明中，所述的可变跨导模块（602）如附图7所示，由六个并联的差分输入对构成，相邻两个差分对的MOS管宽长比相差一倍，第二个差分对MOS管宽长比是第一个的二倍，第六个差分对MOS管宽长比是第一个的三十二倍，每个差分对的尾电流源独立，通过控制尾电流源的导通与否来决定打开哪些差分对，从而决定可变跨导模块的等效跨导。

本发明提出的宽带可编程增益放大器结构，具有精确增益步长，可以满足通信、磁盘读取等***中对VGA增益精度和平带宽度不断提高的要求。

附图说明

图1. 为现有技术的可变增益放大器的一种典型结构。

图2. 为一种基于衰减器的可变增益放大器结构。

图3. 为本发明提供的一种精确增益步长的宽带可编程增益放大器结构图。

图4. 为图3中衰减器的示意图。

图5. 为图3中前级固定增益放大器的结构图。

图6. 为图3中有源增益控制器的结构图。

图7. 为图6中可变跨导模块的示意图。

图8 宽带可编程增益放大器在几种增益下的频带响应特性。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的说明。

如图3所示为本发明提出的一种具有精确增益步长的宽带可编程增益放大器（300）结构图，该电路包括：无源网络衰减器(301)、前级固定增益放大器（302）、有源增益控制器（303）、后级固定增益放大器（304）。

如图4所示的无源网络衰减器（301）采用完全相同的电阻构成R-2R网络，其衰减步长为-6.02dB/step。然后通过选通开关，选择将某级衰减信号输出。因为后级是电容负载，所以MOS开关的导通电阻在低频的时候并不会影响衰减的精度，在高频下由于电容阻抗的减小，信号会出现更大的衰减。

信号在经过衰减器的初步调节后，进入图5所示的固定增益放大器。信号先衰减再放大是因为固定增益放大器的增益要能满足幅度较小信号的放大需求，而对于幅度较大的信号也会放大同样的倍数，使其输出信号幅度过大。这时就需要先经衰减器衰减，得到幅度适中的信号。

如图6所示的有源增益控制器（303）是实现精确增益控制的关键模块。它先将输入信号Vin衰减，得到一个相位相同，幅度不同的信号Va。Vin和Va接到分别接到两个可变跨导模块（602）的正输入端，令它们的等效跨导为Gm1、Gm2。 Vin和Va经可变跨导模块（602）产生的两个小信号电流同时流入cascode结构的有源负载（603），令其跨阻为R。小信号电流经跨阻放大器产生的电压被反馈到可变跨导模块（602）的负输入端，如此形成了连个相连的反馈环路。根据如图6所示的结构图，可以得到如下的式子：

Figure 2010102859990100002DEST_PATH_IMAGE002

由上式可知，通过改变Gm2/Gm1的值就能得到幅度介于Va和Vb之间的任何Vout的信号。这就是通过改变两个反馈环路强度来得到不同增益的原理。

如图7所示的可变跨导模块（602）由一系列二进制权重的差分对并联而成，差分对的尾电流也是二进制权重关系。根据如下式子：

电流和宽长比都为两倍关系，那么它们的乘积开根号后得到的跨导值也是两倍关系。因此得到一个等效跨导为二进制权重的可变跨导模块。令最小的跨导为单位跨导，最大的就是32倍单位跨导。如果将它们组合就能得到从1到63个单位的任意整数倍跨导。再假设Va的幅度是Vin的一半，那么根据上述Vout的等式就能计算出某个Vout幅度所对应的Gm比值。比如，希望Vout相对Vin衰减1.2dB，也就是Vout等于0.871Vin，那么只要设Gm1为46倍单位跨导，Gm2为16倍单位跨导。

由于增益的调节都是以衰减的形式实现的，所以固定增益的运放也是必不可少的。信号经过无源网络衰减器(301)的粗调和有源增益控制器（303）的细调后，再经后级固定增益放大器的放大后输出。如图8所示为宽带可编程增益放大器（300）在6~12dB增益范围内几种增益下的频带响应。

Claims

1.一种具有精确增益步长的宽带可编程增益放大器结构，其特征在于包括一个无源网络衰减器（301）、一个有源增益控制器（303）、一个前级固定增益放大器（302）和一个后级固定增益放大器（304）；信号首先经过所述无源网络衰减器（301），无源网络衰减器（301）根据输入信号的大小选择相应的衰减强度，对信号进行初调，得到一个幅度适中的信号；然后，该信号经过所述前级固定增益放大器（302）放大后进入所述有源增益控制器（303），有源增益控制器（303）基于两个相连的反馈环路，通过控制两个反馈环路的相对强度得到精确的增益步长；最后，再经由所述后级固定增益放大器（304）得到最终的信号；

所述的无源网络衰减器（301）采用由一组大小完全相同的电阻构成的R-2R结构，每级信号幅度衰减一半，通过选通开关来选择不同的衰减档；

所述的前级固定增益放大器（302）采用两级运放加有源负反馈的结构；两个单级放大器（501）级联，反馈电路（502）根据输出信号产生相应的反馈信号至两单级放大器（501）的中间；

所述的有源增益控制器（303）包括：一个单级电阻衰减器（601），两个完全相同的可变跨导模块（602），一个cascode结构的有源负载（603）和一个调节频率响应的电容阵列（604）；其中，所述单级电阻衰减器（601）将输入的信号在幅度上减半，得到两个相位相同且幅度比值恒定的信号，用于后级的精细增益控制；两个相同的可变跨导模块（602）的输出连在一起且连接到有源负载（603）上，有源负载（603）的输出连到两个可变跨导模块（602）的负输入端，两个可变跨导模块（602）的正输入端分别连接单级电阻衰减器（601）的两个输出，最终形成了两个互连的反馈环路；电容阵列（604）一端连接有源增益控制器（303）的输出，一端连接有源增益控制器（303）的输入。

2.根据权利要求1所述的具有精确增益步长的宽带可编程增益放大器结构，其特征在于所述的可变跨导模块（602）由六个并联的差分输入对构成，相邻两个差分对的MOS管宽长比相差一倍，第二个差分对MOS管宽长比是第一个的二倍，第六个差分对MOS管宽长比是第一个的三十二倍，每个差分对的尾电流源独立，通过控制尾电流源的导通与否来决定打开哪些差分对，从而决定可变跨导模块（602）的等效跨导。