CN103248330A

CN103248330A - 一种高增益精度的可编程增益放大器

Info

Publication number: CN103248330A
Application number: CN2013100381738A
Authority: CN
Inventors: 张长春; 王超; 商龙; 郭宇锋; 方玉明; 李卫; 刘蕾蕾
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2033-01-31
Also published as: CN103248330B

Abstract

本发明公开了一种高增益精度的可编程增益放大器，属于半导体集成电路设计领域。它主要用来满足通信***对可编程增益放大器的高增益精度要求。该结构由一个增益精确可调的可编程增益放大器级和三个用以粗调的固定增益放大器级进行级联形成。输入信号首先通过开关三级固定增益级确定近似增益，然后在此基础上由可编程增益级进行精确增益调节，从而得到一个高精度的增益。其中增益精确可调的可编程增益放大器级通过开关控制反馈电阻网络的强度来得到精确的增益，三级固定增益放大器级通过开关选通进行粗调。本发明具有增益精度高、增益控制简单、线性度良好等优点。

Description

一种高增益精度的可编程增益放大器

技术领域

本发明属于半导体集成电路设计领域，具体涉及一种高增益精度可编程增益放大器。

背景技术

在无线通信、磁盘读取、医疗器械等领域，模拟***所要处理的信号往往具有较大的动态范围。例如，在GSM无线接收机中就需要大约80dB的增益变化。为了得到一个相对恒定的信号，需要一个可变增益放大器 (Variable Gain Amplifier，VGA）来调节接收信号的幅度。具体地说，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的增益精度越高，增益动态范围越大，增益随控制信号的dB线性越好，其对接收信号的调节性能也就越好。

可变增益放大器根据增益控制方式，可以分为增益连续可调的可变增益放大器 (Variable Gain Amplifier，VGA），和增益步进变化的可编程增益放大器 (Programmable Gain Amplifier，PGA)。VGA的控制信号为模拟信号，增益连续可调，但是增益控制复杂；PGA的控制信号为数字信号，因此其增益离散变化，但是增益控制简单。

图1所示为一种基于衰减器结构的可变增益放大器。该可变增益放大器包括一个电阻网络衰减器，一个由差分对组成的可变跨导单元阵列，一个跨阻放大器以及跨导控制器。衰减器的每一级输出都接一个差分对的正输入端，所有差分对的输出接在一起，其产生的总的小信号电流送入跨阻放大器以产生一个电压信号，并反馈回每一个差分对的负输入端。跨导控制器分别控制每个可变跨导单元，使其跨导从零变化到最大值。任何时刻都只有两个可变跨导模块导通，最后的输出电压由这两个可变跨导模块的跨导比值决定。

该结构先以衰减器完成一个粗调得到几个大的增益步长，然后在该步长内进行细调，这样一来只需要在一个衰减器步长以内保持连续增益可调，因此可以得到较高的增益精度。但是该结构的增益精度取决于跨导控制器，只有跨导控制器满足所要求的函数关系，才能得到dB线性的增益控制。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提出一种高增益精度的可编程增益放大器，以满足通信***对可编程增益放大器的高增益精度要求。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的高增益精度的可编程增益放大器由一个增益精确可调的可编程增益放大器级和三个用以粗调的固定增益放大器级进行级联形成；该放大器电路有正、负两路输入、输出，该两路电路完全对称设计，其中负输入、输出信号处理电路为：

所述的增益精确可调的可编程增益放大器级中，第十一开关分别接在信号负输入端与第一电阻之间，第一电阻的另一端接第一运算放大器的反向输入端，第一运算放大器的正输出端接第十二开关，第十二开关的另一端是本级的输出端，通过第八一开关接第二运算放大器的反向输入端，第二运算放大器正输出端接第八二开关，第八二开关的另一端是本级的输出端，通过第九一开关接第三运算放大器的反向输入端，第三运算放大器的正输出端接第九二开关，第九二开关的另一端是本级的输出端，通过第一零一开关接第四运算放大器的反向输入端，第四运算放大器的正输出端接第一零二开关，第一零二开关是本放大器的输出端，接信号负输出端；

其中，在第一运算放大器的输入端与输出端之间并联连接6组由开关和电阻串联组成的反馈开关电阻网络，第一组由第二一开关、第二电阻、第二二开关串联组成；第二组由第三一开关、第三电阻、第三二开关串联组成；第三组由第四一开关、第四电阻、第四二开关串联组成；第四组由第五一开关、第五电阻、第五二开关串联组成；第五组由第六一开关、第六电阻、第六二开关串联组成；第六组由第七一开关、第七电阻、第七二开关串联组成；反向第一开关的一端接在第十一开关与信号负输入端之间，另一端接在第十二开关与第八一开关之间；反向第八开关的一端接在第十二开关与第八一开关之间，另一端接在第八二开关与第九一开关之间；反向第九开关的一端接在第八二开关与第九一开关之间，另一端接在第九二开关与第一零一开关之间；反向第十开关的一端接在第九二开关与第一零一开关之间，另一端接在第一零二开关与信号负输出端之间。

所述的第十一开关至第一零二开关都采用CMOS传输门电路，低电平导通；所述的反向开关采用CMOS传输门电路，高电平导通。

所述的第一运算放大器采用两级运算放大器加有源负反馈的结构，其中的第一级运算放大器采用折叠式共源共栅结构，第二级运算放大器采用电流源负载的共源级结构；反馈电路根据输出共模信号与输入参考电压的差值产生相应的反馈信号至第二级运算放大器的电流源负载端，从而调整输出共模信号，使其逼近输入参考电压。

所述的用以粗调的固定增益放大器级中，第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器采用带源级负反馈电阻的差分放大器，差分对输入管的源级之间通过电阻相连，输出端采用PMOS电流源负载，PMOS的栅极通过两个电阻连接到差分输出。

有益效果：本发明通过开关选通三级固定增益级中的某一级或某几级对输入信号进行放大，得到近似增益，然后在此基础上由可编程增益级进行精确增益调节，从而得到一个高精度的增益，该结构具有高增益精度、增益控制简单、线性度良好等优点。

附图说明

图1是一种基于衰减器结构的可变增益放大器结构；

图2是本发明提供的一种高增益精度的可编程增益放大器结构；

图3是本发明可编程增益放大器的增益特性曲线；

图4是本发明可编程增益放大器在不同增益下的增益误差曲线。

具体实施方式

为了进一步说明本发明的优势所在以及具体采取的技术手段，以下便结合图示详细说明本发明的具体实施方式及电路结构。

参照图2，本发明所提供的一种高增益精度的可编程增益放大器由一个增益精确可调的可编程增益放大器级和三个用以粗调的固定增益放大器级进行级联形成。该放大器电路有正、负两路输入、输出，该两路电路完全对称设计，其中负输入、输出信号处理电路为：

增益精确可调的可编程增益放大器级中，第十一开关S11分别接在信号负输入端Vin与第一电阻R1之间，第一电阻R1的另一端接第一运算放大器OP1的反向输入端，第一运算放大器OP1的正输出端接第十二开关S12，第十二开关S12的另一端是本级的输出端，通过第八一开关S81接第二运算放大器OP2的反向输入端，第二运算放大器OP2正输出端接第八二开关S82，第八二开关S82的另一端是本级的输出端，通过第九一开关S91接第三运算放大器OP3的反向输入端，第三运算放大器OP3的正输出端接第九二开关S92，第九二开关S92的另一端是本级的输出端，通过第一零一开关S101接第四运算放大器OP4的反向输入端，第四运算放大器OP4的正输出端接第一零二开关S102，第一零二开关S102是本放大器的输出端，接信号负输出端Von；

其中，在第一运算放大器OP1的输入端与输出端之间并联连接6组由开关和电阻串联组成的反馈开关电阻网络，第一组由第二一开关S21、第二电阻R2、第二二开关S22串联组成；第二组由第三一开关S31、第三电阻R3、第三二开关S32串联组成；第三组由第四一开关S41、第四电阻R4、第四二开关S42串联组成；第四组由第五一开关S51、第五电阻R5、第五二开关S52串联组成；第五组由第六一开关S61、第六电阻R6、第六二开关S62串联组成；第六组由第七一开关S71、第七电阻R7、第七二开关S72串联组成；反向第一开关

Figure 2013100381738100002DEST_PATH_IMAGE001

的一端接在第十一开关S11与信号负输入端Vin之间，另一端接在第十二开关S12与第八一开关S81之间；

第一电阻R1、第一运算放大器OP1与反馈开关电阻网络构成电阻反馈式可编程增益放大器，第十一开关S11、第十二开关S12和反向第一开关

控制可编程增益放大器的通断；当第十一开关S11、第十二开关S12导通时，可编程增益放大器的增益表达式如下：

这里

Figure 2013100381738100002DEST_PATH_IMAGE003

是可编程增益放大器的电压放大倍数，是反馈开关电阻网络的阻值，是第一电阻R1的阻值。由上式可见，当

保持不变时，只要改变反馈开关电阻网络的阻值就可以改变增益，而反馈开关电阻网络的阻值可以通过第二一开关S21、第二二开关S22、第三一开关S31、第三二开关S32、第四一开关S41、第四二开关S42、第五一开关S51、第五二开关S52、第六一开关S61、第六二开关S62、第七一开关S71、第七二开关S72控制其所对应的电阻的通断来改变。

用以粗调的固定增益放大器级包括第二运算放大器OP2、第三运算放大器OP3、第四运算放大器OP4，第八一开关S81、第八二开关S82和反向第八开关

、第九一开关S91、第九二开关S92和反向第九开关

、第一零一开关S101、第一零二开关S102和反向第十开关。

反向第八开关

的一端接在第十二开关S12与第八一开关S81之间，另一端接在第八二开关S82与第九一开关S91之间；反向第九开关

的一端接在第八二开关S82与第九一开关S91之间，另一端接在第九二开关S92与第一零一开关S101之间；反向第十开关

的一端接在第九二开关S92与第一零一开关S101之间，另一端接在第一零二开关S102与信号负输出端Von之间。

第八一开关S81、第八二开关S82和反向第八开关控制第二运算放大器OP2的通断，第九一开关S91、第九二开关S92和反向第九开关

控制第三运算放大器OP3的通断，第一零一开关S101、第一零二开关S102和反向第十开关控制第四运算放大器OP4的通断。通过对这三个固定增益放大器级中的某一级或某几级进行选通，可以得到不同的增益，达到增益粗调的目的。

图3所示为图2中高增益精度的可编程增益放大器的增益特性曲线。可以看出，本发明可编程增益放大器可以实现0~48dB的增益调节范围，增益步长为1dB。

图4所示为图2中高增益精度的可编程增益放大器在不同增益下的增益误差曲线。可以看出，图2所示的可编程增益放大器在不同增益下的增益误差很小，即增益精度很高。

综上所述，本发明提出的高增益精度的可编程增益放大器具有增益精度高、增益控制简单的优点，在通信***中具有广阔的应用前景。

以上仅是本发明的实例，不构成对本发明的任何限制，显然，在本发明的思想下，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，可利用上述揭示的技术内容对电路结构及元器件尺寸进行适当调整或优化，依据本发明的技术是指对以上实施例所作的任何简单修改、等同变换与修饰，均属于本发明技术方案的范围。

Claims

1.一种高增益精度的可编程增益放大器，其特征在于该放大器由一个增益精确可调的可编程增益放大器级和三个用以粗调的固定增益放大器级进行级联形成；该放大器电路有正、负两路输入、输出，该两路电路完全对称设计，其中负输入、输出信号处理电路为：

所述的增益精确可调的可编程增益放大器级中，第十一开关（S11）分别接在信号负输入端（Vin）与第一电阻（R1）之间，第一电阻（R1）的另一端接第一运算放大器（OP1）的反向输入端，第一运算放大器（OP1）的正输出端接第十二开关（S12），第十二开关（S12）的另一端是本级的输出端，通过第八一开关（S81）接第二运算放大器（OP2）的反向输入端，第二运算放大器（OP2）正输出端接第八二开关（S82），第八二开关（S82）的另一端是本级的输出端，通过第九一开关（S91）接第三运算放大器（OP3）的反向输入端，第三运算放大器（OP3）的正输出端接第九二开关（S92），第九二开关（S92）的另一端是本级的输出端，通过第一零一开关（S101）接第四运算放大器（OP4）的反向输入端，第四运算放大器（OP4）的正输出端接第一零二开关（S102），第一零二开关（S102）是本放大器的输出端，接信号负输出端（Von）；

其中，在第一运算放大器（OP1）的输入端与输出端之间并联连接6组由开关和电阻串联组成的反馈开关电阻网络，第一组由第二一开关（S21）、第二电阻（R2）、第二二开关（S22）串联组成；第二组由第三一开关（S31）、第三电阻（R3）、第三二开关（S32）串联组成；第三组由第四一开关（S41）、第四电阻（R4）、第四二开关（S42）串联组成；第四组由第五一开关（S51）、第五电阻（R5）、第五二开关（S52）串联组成；第五组由第六一开关（S61）、第六电阻（R6）、第六二开关（S62）串联组成；第六组由第七一开关（S71）、第七电阻（R7）、第七二开关（S72）串联组成；反向第一开关（

Figure 2013100381738100001DEST_PATH_IMAGE001

）的一端接在第十一开关（S11）与信号负输入端（Vin）之间，另一端接在第十二开关（S12）与第八一开关（S81）之间；反向第八开关（

）的一端接在第十二开关（S12）与第八一开关（S81）之间，另一端接在第八二开关（S82）与第九一开关（S91）之间；反向第九开关（

）的一端接在第八二开关（S82）与第九一开关（S91）之间，另一端接在第九二开关（S92）与第一零一开关（S101）之间；反向第十开关（

）的一端接在第九二开关（S92）与第一零一开关（S101）之间，另一端接在第一零二开关（S102）与信号负输出端（Von）之间。

2.按照权利要求1所述的一种高增益精度的可编程增益放大器，其特征在于所述的第十一开关（S11）至第一零二开关（S102）都采用CMOS传输门电路，低电平导通；所述的反向开关采用CMOS传输门电路，高电平导通。

3.按照权利要求1所述的高增益精度的可编程增益放大器，其特征在于所述的第一运算放大器（OP1）采用两级运算放大器加有源负反馈的结构，其中的第一级运算放大器采用折叠式共源共栅结构，第二级运算放大器采用电流源负载的共源级结构；反馈电路根据输出共模信号与输入参考电压的差值产生相应的反馈信号至第二级运算放大器的电流源负载端，从而调整输出共模信号，使其逼近输入参考电压。

4.按照权利要求1所述的高增益精度的可编程增益放大器，其特征在于所述的用以粗调的固定增益放大器级中，第二运算放大器（OP2）、第三运算放大器（OP3）、第四运算放大器（OP4）采用带源级负反馈电阻的差分放大器，差分对输入管的源级之间通过电阻相连，输出端采用PMOS电流源负载，PMOS的栅极通过两个电阻连接到差分输出。