具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。虽然本文可提供包含特定值的参数的示范,但应了解,参数无需确切等于相应的值,而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
本发明采用反馈机制,通过对比增益放大后的I路和Q路输出信号的幅度差,产生不同的控制电压,返回控制Q路(或I路)可变增益放大器的增益,使得I路输出信号和Q路输出信号幅度一致,实现幅度平衡。
在本发明的一个示例性实施例中,提出了一种可变增益放大器***。图2A为本发明实施例一可变增益放大器***的结构示意图。如图2A所示,本实施例可变增益放大器***包括:
I路可变增益放大器100,其输入端输入I路信号,其输出端输出增益放大后的I路信号,用于根据第一增益调整信号对I路信号进行增益放大;
Q路可变增益放大器200,其输入端输入Q路信号,其输出端输出增益放大后的Q路信号,用于根据第一增益调整信号和第二增益调整信号对Q路信号进行增益放大;
自动增益控制电路300,其输入端连接至I路可变增益放大器100的输出端,其输出端连接至I路可变增益放大器100的控制端和Q路可变增益放大器的第一控制端,用于检测增益放大后的I路信号幅度,由预设的输出信号幅度和该检测的I路信号幅度的差值生成第一增益调整信号,以调整I路可变增益放大器和Q路可变增益放大器的增益;
IQ幅度平衡电路400,其两输入端分别连接至I路可变增益放大器的输出端和Q路可变增益放大器的输出端,其输出端连接至Q路可变增益放大器的第二控制端,用于通过对比增益放大后的Q路信号和I路信号的幅度差值,生成第二增益调整信号,以调整Q路可变增益放大器的增益,使得增益放大后的Q路信号和I路信号输出信号幅度一致。
本实施例中,对于I路可变增益放大器100,由于自动增益控制电路300根据其输出端的增益放大后的I路信号所生成的第一增益调整信号进行增益调整。因此,对于I路可变增益放大器100,采用自动增益控制电路300单独控制,就能够准确达到预期增益放大的效果。而对于Q路可变增益放大器200,由于其接收的第一增益调整信号并不是根据自身增益放大后的Q路信号生成的,因此,该增益调整会有误差,即省去一个自动增益控制电路后引入的误差,称为第一误差。此外,I、Q两个信号通路本身也会有幅度不匹配,即电路自身存在的误差,称为第二误差。因此,对于Q路可变增益放大器200,采用自动增益控制电路300和IQ幅度平衡电路400共同控制,从而同时消除误差一和误差二,实现幅度平衡。也就是说,I路可变增益放大器增益仅受自动增益控制电路控制,Q路可变增益放大器增益受自动增益控制电路和IQ幅度平衡电路同时控制。
根据上述的原理分析,本领域技术人员应当明白,还可以存在第二种连接方式,即自动增益放大电路300的输入端连接至Q路可变增益放大器200的输出端,其输出端连接至I路可变增益放大器100的控制端和Q路可变增益放大器200,IQ幅度平衡电路400的输入端连接至I路可变增益放大器100的输出端和Q路可变增益放大器200的输出端,其输出端连接至I路可变增益放大器的第二控制端(I路可变增益放大器的与自动增益控制电路的输出端连接的控制端作为第一控制端),如图2B所示。此种连接方式与上面的连接方式的原理相同,能够同时消除第一误差和第二误差,实现幅度平衡。以下对实施例一可变增益放大器***中的各组成部分进行详细说明。实施例二中的相关部件与此相同,不再重述。
本实施例中,I路可变增益放大器100和Q路可变增益放大器200均为现有技术中已有的器件,其变形也有很多种。典型地,I、Q两路可变增益放大器分别由串行的一个滤波器前可变增益级和一个滤波器后可变增益级构成。自动增益控制电路300与现有技术中的自动增益控制电路也相同,为便于说明,以下给出其中的一种部件的结构。图3为本发明实施例一可变增益放大器***中自动增益控制电路的结构示意图。如图3所示,自动增益控制电路300包括:功率统计模块302,其输入端连接至I路可变增益放大器100的输出端,用于获取预设时间内增益放大后的I路信号的平均功率;增益控制模块301,其输入端连接至功率统计模块302的输出端,其输出端连接至I路可变增益放大器100的控制端和Q路可变增益放大器200的第一控制端,用于由I路信号的平均功率生成第一增益调整信号,并将该第一增益调整信号输出至I路可变增益放大器100的控制端和Q路可变增益放大器的第一控制端,以调整I路可变增益放大器和Q路可变增益放大器的增益。例如,增益控制模块301根据功率统计模块302的输出值计算出信号幅度不够大,说明可变增益放大器当前增益偏小,需要增加增益,则增益控制模块301会输出修改后的控制字,该控制字经过解码器后生成第一增益调整信号,并将其输出至I路可变增益放大器100的控制端和Q路可变增益放大器的第一控制端,实现增益调整。
图4为本发明实施例一可变增益放大器***中IQ幅度平衡电路的结构示意图。如图4所示,IQ幅度平衡电路包括:
第一峰值检测电路403,其输入端连接至I路可变增益放大器的输出端,用于检测增益放大后的I路信号的幅度;
第二峰值检测电路403’,其输入端连接至Q路可变增益放大器的输出端,用于检测增益放大后的Q路信号的幅度;
误差放大器电路402,其两输入端分别连接至第一峰值检测电路403和第二峰值检测电路403’的输出端,用于获取I路信号与Q路信号的幅度差,并将该幅度差放大;
电荷泵电路401,其输入端连接至误差放大器电路的输出端,其输出端连接至Q路可变增益放大器的第二控制端,用于利用放大后的幅度差进行充/放电,输出第二增益调整信号,以控制Q路可变增益放大器的增益。
该IQ幅度平衡电路中,通过峰值检测电路检测出IQ两路可变增益放大器的输出信号峰值,通过误差放大器比较并放大上述峰值误差,电荷泵电路利用放大后的误差控制电荷泵输出电压,该输出电压通过控制Q路可变增益放大器中若干源极负反馈晶体管实现单独控制Q路可变增益放大器增益,最终使IQ两路可变增益放大器输出信号幅度一致。例如,假设I路输出信号幅度小于Q路输出信号幅度,则第一、第二峰值检测电路(403,403’)的输出出现差值,误差放大器402将上述差值放大后输出,其值为高电压,误差放大器402的输出同时连接至电荷泵电路401的H控制端和L控制端,因为该输出电压值为高电压,所以H所控制的第三PMOS晶体管PMOS3关断,L所控制的第三NMOS晶体管NMOS3导通,第一电容C1经过第三NMOS晶体管NMOS3放电,第一电容C1上的电压下降,该电压连接至Q路可变增益放大器第二控制端,从而控制Q路可变增益放大器增益下降,使Q路输出信号幅度减小,趋同于I路输出信号幅度。反之同理,假设I路输出信号幅度大于Q路输出信号幅度,则误差放大器402输出电压值为低电压,从而使第三PMOS晶体管PMOS3导通,使第三NMOS晶体管NMOS3关断,从而使第一电容C1通过第三PMOS晶体管充电,第一电容C1上电压提高,通过Q路可变增益放大器的第二控制端控制Q路可变增益放大器增益提升,使Q路输出信号幅度增加,趋同于I路输出信号幅度。
本发明中,第一峰值检测电路403和第二峰值检测电路403’的结构相同。图5为本发明实施例一可变增益放大器***中峰值检测电路的结构示意图。如图5所示,该峰值检测电路由第一NMOS晶体管NMOS1,第二NMOS晶体管NMOS2、第三NMOS晶体管NMOS3,第一PMOS晶体管PMOS1、第二PMOS晶体管PMOS2、第三PMOS晶体管PMOS3、第四PMOS晶体管PMOS4、第一电阻R1和第一电容构成C1,其中:
第一NMOS晶体管NMOS1的栅极接偏置电压,源极接地,漏极连接至第二NMOS晶体管NMOS2和第三NMOS晶体管NMOS3的源极;
第二NMOS晶体管NMOS2与第三NMOS晶体管NMOS3构成差分对,两个晶体管源极相连,第二NMOS晶体管NMOS2的栅极连接至峰值检测电路的输出端(OUT),漏极连接至第一PMOS晶体管PMOS1的漏极;第三NMOS晶体管NMOS3的栅极连接至峰值检测电路的输入端(I路可变增益放大器或Q路可变增益放大器的输出端),接收输入信号(增益放大后的I路信号或Q路信号),漏极连接至第二PMOS晶体管PMOS2的漏极;
第一PMOS晶体管PMOS1和第二PMOS晶体管PMOS2构成电流镜,两个晶体管源极相连并连接至电源电压,其栅极也相连并接第一PMOS晶体管PMOS1的漏极;
第三PMOS晶体管PMOS3与第四PMOS晶体管PMOS4构成电流镜,等效为二极管使用,两个晶体管源极相连并接电源电压,栅极相连并接第三PMOS晶体管PMOS3的漏极,第三PMOS晶体管PMOS3的漏极连接至第二PMOS晶体管PMOS2的漏极,第四PMOS晶体管PMOS4漏极连接至峰值检测电路的输出端(OUT,该OUT端与上述的第二NMOS晶体管NMOS2的栅极端相连接);
第一电阻R1与第一电容C1并联,两者的一端接输峰值检测电路的输出端(OUT),另一端接地,在第一电容C1上能反映出输入信号的峰值大小。
需要说明的是,此处给出的峰值检测电路为一优选的峰值检测电路,也可以采取其他的峰值检测电路,而其他峰值检测电路根据实际使用情况结构会有所变化,例如由一个二极管和一个电容构成,二极管正向导通输入端接信号输入,正向导通输出端接信号输出,电容一端接信号输出,一端接地,输出端可以输出输入信号的峰值。
图6为本发明实施例一可变增益放大器***中误差放大器电路的结构示意图。如图6所示,该误差放大器电路采用两级放大器结构,将I、Q两路的幅度差放大,然后输出给下一级电荷泵电路,其电路由:四个NMOS晶体管(第四NMOS晶体管NMOS4、第五NMOS晶体管NMOS5、第六NMOS晶体管NMOS5和第七NMOS晶体管NMOS7)和三个PMOS晶体管(第五PMOS晶体管PMOS5、第六PMOS晶体管PMOS6和第七PMOS晶体管PMOS7构成,其中:
第四NMOS晶体管NMOS4的栅极接偏置电压,源极接地,漏极连接至第五NMOS晶体管NMOS5和第六NMOS晶体管NMOS6的源极;
第五NMOS晶体管NMOS5与第六NMOS晶体管NMOS5构成差分对,两个晶体管源极相连,第五NMOS晶体管NMOS5的栅极连接至误差放大器的信号正输入端(连接I路可变增益放大电路的峰值检测电路的输出端),漏极连接至第五PMOS晶体管PMOS5的漏极;第六NMOS晶体管NMOS6的栅极连接至误差放大器的信号负输入端(连接Q路可变增益放大电路的峰值检测电路的输出端),漏极连接至第六PMOS晶体管PMOS6的漏极;
第五PMOS晶体管PMOS5和第六PMOS晶体管PMOS6构成电流镜,两个晶体管源极相连并接电源电压,栅极也相连并接第五PMOS晶体管PMOS5的漏极;
第七NMOS晶体管NMOS7栅极接偏置电压,源极接地,漏极连接至误差放大器电路的输出端;第七PMOS晶体管PMOS7栅极接第六PMOS晶体管PMOS6的漏极,源极接电源电压,漏极连接至误差放大器电路的输出端。
需要说明的是,此处给出的误差放大电路为一优选的误差放大电路,当然也可以采取其他的误差放大电路,而其他误差放大电路根据实际使用情况结构会有所变化,例如在图6基础上去掉第七NMOS晶体管NMOS7和第七PMOS晶体管PMOS7,输出端接第六PMOS晶体管PMOS6的漏极,从而构成单级放大器。
图7为本发明实施例一可变增益放大器***中电荷泵电路的结构示意图。如图7所示,电荷泵电路中H和L分别控制开关MOS晶体管(PMOS10、NMOS10)的导通或关闭,从而控制对电容的充放电,实现电容上电压,也就是增益控制电压的变化,进而控制Q路可变增益放大器增益的变化。电荷泵电路由三个NMOS晶体管(第八NMOS晶体管NMOS8、第九NMOS晶体管NMOS9和第十NMOS晶体管NMOS10),三个PMOS晶体管(第八PMOS晶体管PMOS8、第九PMOS晶体管PMOS9和第十PMOS晶体管PMOS10)和第二电容C2构成,其中:
第八NMOS晶体管NMOS8与第九NMOS晶体管NMOS9构成电流镜,两个晶体管源极相连并接地,栅极也相连并接第八NMOS晶体管NMOS8漏极,第八NMOS晶体管NMOS8漏极接第八PMOS晶体管PMOS8漏极,第九NMOS晶体管NMOS9漏极接第十NMOS晶体管NMOS10源极;
第八PMOS晶体管PMOS8和第九PMOS晶体管PMOS9构成电流镜,两个晶体管源极相连并接电源电压,栅极也相连并接第八PMOS晶体管PMOS8的漏极,第八PMOS晶体管PMOS8漏极与第八NMOS晶体管NMOS8漏极相连,第九PMOS晶体管PMOS9漏极与第十PMOS晶体管PMOS10源极相连;
第十NMOS晶体管NMOS10是电荷泵开关,栅极连接至第一控制端(接收控制信号L),漏极接电荷泵电路的输出端,源极接第九NMOS晶体管NMOS9的漏极;第十PMOS晶体管PMOS10是电荷泵开关,栅极连接至第二控制端(接收控制信号H),漏极接电荷泵电路的输出端(Q路可变增益放大器的第二控制端),源极接第九PMOS晶体管PMOS9的漏极;第一控制端和第二控制端相互连接,共同连接至电荷泵电路的输入端(误差放大器电路的输出端);
第二电容C2一端连接至电荷泵电路的输出端,另一端接地。
需要说明的是,此处给出的电荷泵电路为一优选的电荷泵电路,当然也可以采取其他的电荷泵电路,而其他电荷泵电路根据实际使用情况结构会有所变化,例如在图7基础上,只由第十NMOS晶体管NMOS10,第十PMOS晶体管PMOS10和第二电容C2构成。
综上所述,本发明可变增益放大器***具有以下有益效果:
(1)本发明设计出IQ幅度平衡电路,搭配相应设计的可变增益放大器,可以使可变增益放大器同时具有IQ幅度平衡功能,而且节约一个自动增益控制电路的使用;
(2)本发明设计的IQ幅度平衡电路功耗仅为一个自动增益控制电路的五分之一,面积仅为一个自动增益控制电路的十一分之一,在实现IQ幅度平衡功能的同时提高了芯片集成度,也有效降低了芯片面积和功耗。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。