CN103916098A - 一种高增益精度可编程增益放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低功耗高精度的可编程增益放大器，它主要用来满足通信***对可编程增益放大器低功耗高增益精度的要求。该放大器由一个采用闭环电阻负反馈技术的增益细调级和一个采用开环负载可变共源级放大器技术的增益粗调级进行级联形成。输入信号首先通过开关控制增益粗调级确定近似增益，然后在此基础上由增益细调级进行精确增益调节，从而得到一个高精度的增益。其中增益细调级通过开关控制负反馈电阻网络的阻值来得到精确的增益，增益粗调级通过开关选择不同的负载电阻进行粗调，相比传统的固定增益级芯片面积更小，功耗更低。开环结构和闭环结构的级联，实现了两者优点的兼容。本发明具有增益精度高、线性度良好、功耗较低等优点。

Description

一种高增益精度可编程增益放大器

技术领域

本发明属于半导体集成电路设计领域，具体涉及一种低功耗高精度的可编程增益放大器。

背景技术

在无线通信***中，接受信号经过传播通道后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，需要一个自动增益控制***来调节接收信号的幅度。其中，可编程增益放大器（Programmable GainAmplifier，PGA）作为自动增益控制***的核心模块，其性能优劣对无线通信***至关重要。随着无线通信***的高速发展，***对PGA的功耗和增益精度的要求越来越高，因此，低功耗高精度的PGA逐渐成为研究热点。

通常有两种方式来实现PGA的增益调节，一种是开环工作方式，其增益一般可以表示为放大管的等效输入跨导和负载管的等效输出阻抗的乘积，通过改变跨导或者输出阻抗调节增益。这种方式结构简单，功耗较低，但增益精度叫差；另一种是闭环工作方式，其增益一般由反馈因子与输入阻抗的比值决定，通过改变反馈因子来调节增益。这种方式性能稳定，增益精度高，但功耗偏大。

图1所示为一种基于开环负载可变共源级放大器的可编程增益放大器。该可编程增益放大器选用MOS管为基础的开关电阻阵列作为其可变负载，具有占用面积小、压降小的优点，但是MOS管电阻受工艺影响较大。放大器的增益等于输入跨导与负载跨导的比值，当输入跨导保持不变时，改变负载跨导可以实现增益调节。负载跨导的改变是通过单刀双掷开关开启相应的负载MOS管来实现的，即当选择相应的MOS管工作时，通过开关的调整将该MOS管的栅极与漏极相连接，同时将其他负载MOS管的栅极与电源相连使其关断。

这种结构的可编程增益放大器通过改变负载跨导来实现增益调节，结构简单，功耗较低，但是难以精确控制增益，输出信号的动态范围也同样受限。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提出一种低功耗高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低功耗高增益精度的要求。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的低功耗高精度的可编程增益放大器由一个闭环电阻负反馈结构的增益细调级和一个开环负载可变共源级放大器结构的增益粗调级进行级联形成；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：

所述的闭环电阻负反馈结构的增益细调级中，第十一开关的两端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；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负反馈开关电阻网络，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；

所述的开环负载可变共源级放大器结构的增益粗调级中，第八一开关的两端分别接在第十二开关和第二运算放大器的反向输入端之间，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放大器的信号负输出端；反向第二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信号负输出端之间。

所述的开环负载可变共源级放大器结构的增益粗调级中，第二运算放大器的正输入端接第一NMOS管的栅极，负输入端接第二NMOS管的栅极；第一NMOS管的源极接第三NMOS管的漏极，漏极接第二运算放大器的负输出端；第二NMOS管的源极接第四NMOS管的漏极，漏极接第二运算放大器的正输出端；第三NMOS管的栅极与第四NMOS管的栅极相连，源极与第四NMOS管的源极相连接地；第一PMOS管的栅极与第二PMOS管的栅极相连，源极与第二PMOS管的源极相连接电源，漏极与第一NMOS管的漏极相连；第二PMOS管的漏极与第二NMOS管的漏极相连；第八电阻的一端接第一NMOS管的源极，另一端接第二NMOS管的源极；在第一PMOS管的栅极和漏极之间串联连接第九一开关和第十一电阻；在第九一开关的两端之间串联连接第一零一开关和第二一电阻；在第一零一开关的两端之间串联连接第二零一开关和第三一电阻；在第二零一开关的两端之间串联连接第三零一开关和第四一电阻；在第三零一开关的两端之间串联连接第四零一开关和第五一电阻；在第二PMOS管的栅极和漏极之间串联连接第九二开关和第十二电阻；在第九二开关的两端之间串联连接第一零二开关和第二二电阻；在第一零二开关的两端之间串联连接第二零二开关和第三二电阻；在第二零二开关的两端之间串联连接第三零二开关和第四二电阻；在第三零二开关的两端之间串联连接第四零二开关和第五二电阻。

所述的第十一开关至第四零二开关都采用CMOS传输门电路，低电平导通；所述的反向第一开关和反向第二开关都采用CMOS传输门电路，高电平导通。

所述的闭环电阻负反馈结构的增益细调级中，第一运算放大器采用两级全差分运算放大器加共模反馈结构。

有益效果：本发明PGA通过采用闭环电阻负反馈结构的增益细调级和开环负载可变共源级放大器结构的增益粗调级相级联的方式实现，实现了闭环和开环两者优点的兼容，增益粗调级相比传统的固定增益级节省了芯片面积，降低了功耗。该PGA具有增益精度高、功耗低、线性度良好等优点。

附图说明

图1是一种基于负载可变的开环可编程增益放大器结构；

图2是本发明提供的一种低功耗高精度的可编程增益放大器结构；

图3是图2中OP2的结构图；

图4是本发明可编程增益放大器的增益特性曲线；

图5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低功耗高精度的可编程增益放大器由一个闭环电阻负反馈结构的增益细调级和一个开环负载可变共源级放大器结构的增益粗调级进行级联形成。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：

闭环电阻负反馈结构的增益细调级中，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。

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负反馈式增益细调级，第十一开关S11、第十二开关S12和反向第一开关控制增益细调级的通断；当第十一开关S11、第十二开关S12导通时，增益细调级的增益表达式如下：

$A_v=-\frac{R_f}{R_1}$

这里A_v是增益细调级的电压放大倍数，R_f是反馈开关电阻网络的阻值，R₁是第一电阻R1的阻值。由上式可见，当R₁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。

开环负载可变共源级放大器结构的增益粗调级中，第八一开关S81分别接在第十二开关S12和第二运算放大器OP2的反向输入端之间，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的另一端是本放大器的输出端，接信号负输出端Von；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。

其中如图3所示，第二运算放大器OP2的正输入端Vi+接第一NMOS管NM1的栅极，负输入端Vi-接第二NMOS管NM2的栅极；第一NMOS管NM1的源极接第三NMOS管NM3的漏极，漏极接第二运算放大器OP2的负输出端Vo-；第二NMOS管NM2的源极接第四NMOS管NM4的漏极，漏极接第二运算放大器OP2的正输出端Vo+；第三NMOS管NM3的栅极与第四NMOS管NM4的栅极相连，源极与第四NMOS管NM4的源极相连接地；第一PMOS管PM1的栅极与第二PMOS管PM2的栅极相连，源极与第二PMOS管PM2的源极相连接电源，漏极与第一NMOS管NM1的漏极相连；第二PMOS管PM2的漏极与第二NMOS管NM2的漏极相连；第八电阻R8的一端接第一NMOS管NM1的源极，另一端接第二NMOS管NM2的源极；在第一PMOS管PM1的栅极和漏极之间串联连接第九一开关S91和第十一电阻R11；在第九一开关S91的两端之间串联连接第一零一开关S101和第二一电阻R21；在第一零一开关S101的两端之间串联连接第二零一开关S201和第三一电阻R31；在第二零一开关S201的两端之间串联连接第三零一开关S301和第四一电阻R41；在第三零一开关S301的两端之间串联连接第四零一开关S401和第五一电阻R51；在第二PMOS管PM2的栅极和漏极之间串联连接第九二开关S92和第十二电阻R12；在第九二开关S92的两端之间串联连接第一零二开关S102和第二二电阻R22；在第一零二开关S102的两端之间串联连接第二零二开关S202和第三二电阻R32；在第二零二开关S202的两端之间串联连接第三零二开关S302和第四二电阻R42；在第三零二开关S302的两端之间串联连接第四零二开关S402和第五二电阻R52。其增益表达式如下：

$A\≈\frac{r_{o5}\left|\right|R_{\mathrm{of}}}{1/g_{m1}+R_8/2}$

其中，A是第二运算放大器OP2的增益，g_m1是NM1管的跨导，r_o5是PM1管的输出电阻，R₈是源极负反馈电阻R₈的阻值，R_of表示与PM1管并联的电阻的阻值，由开关控制其大小。由上式可以得出，当源极负反馈电阻R₈远大于M1管的跨导g_m1时，放大器的增益变为g_m1的弱函数，近似为等效负载电阻与源极负反馈电阻的比值，因此该结构的线性度较好。

图4所示为图2中低功耗高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-12～24dB的增益调节范围，增益步长为1dB。

图5所示为图2中低功耗高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小于0.02dB，增益精度很高。

综上所述，本发明提出的低功耗高精度的可编程增益放大器具有增益精度高、功耗低、线性度良好的优点，在无线通信***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 (4)

1.一种低功耗高精度的可编程增益放大器，其特征在于该放大器由一个闭环电阻负反馈结构的增益细调级和一个开环负载可变共源级放大器结构的增益粗调级级联形成；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：

所述的闭环电阻负反馈结构的增益细调级中，第十一开关（S11）的两端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；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负反馈开关电阻网络，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；

所述的开环负载可变共源级放大器结构的增益粗调级中，第八一开关（S81）的两端分别接在第十二开关（S12）和第二运算放大器（OP2）的反向输入端之间，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）的另一端是本级放大器的信号负输出端（Von）；反向第二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）与信号负输出端（Von）之间。

2.按照权利要求1所述的一种低功耗高精度的可编程增益放大器，其特征在于所述的开环负载可变共源级放大器结构的增益粗调级中，第二运算放大器（OP2）的正输入端（Vi+）接第一NMOS管（NM1）的栅极，负输入端（Vi-）接第二NMOS管（NM2）的栅极；第一NMOS管（NM1）的源极接第三NMOS管（NM3）的漏极，漏极接第二运算放大器（OP2）的负输出端（Vo-）；第二NMOS管（NM2）的源极接第四NMOS管（NM4）的漏极，漏极接第二运算放大器（OP2）的正输出端（Vo+）；第三NMOS管（NM3）的栅极与第四NMOS管（NM4）的栅极相连，源极与第四NMOS管（NM4）的源极相连接地；第一PMOS管（PM1）的栅极与第二PMOS管（PM2）的栅极相连，源极与第二PMOS管（PM2）的源极相连接电源，漏极与第一NMOS管（NM1）的漏极相连；第二PMOS管（PM2）的漏极与第二NMOS管（NM2）的漏极相连；第八电阻（R8）的一端接第一NMOS管（NM1）的源极，另一端接第二NMOS管（NM2）的源极；在第一PMOS管（PM1）的栅极和漏极之间串联连接第九一开关（S91）和第十一电阻（R11）；在第九一开关（S91）的两端之间串联连接第一零一开关（S101）和第二一电阻（R21）；在第一零一开关（S101）的两端之间串联连接第二零一开关（S201）和第三一电阻（R31）；在第二零一开关（S201）的两端之间串联连接第三零一开关（S301）和第四一电阻（R41）；在第三零一开关（S301）的两端之间串联连接第四零一开关（S401）和第五一电阻（R51）；在第二PMOS管（PM2）的栅极和漏极之间串联连接第九二开关（S92）和第十二电阻（R12）；在第九二开关（S92）的两端之间串联连接第一零二开关（S102）和第二二电阻（R22）；在第一零二开关（S102）的两端之间串联连接第二零二开关（S202）和第三二电阻（R32）；在第二零二开关（S202）的两端之间串联连接第三零二开关（S302）和第四二电阻（R42）；在第三零二开关（S302）的两端之间串联连接第四零二开关（S402）和第五二电阻（R52）。

3.按照权利要求1所述的一种低功耗高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）至第四零二开关（S402）都采用CMOS传输门电路，低电平导通；所述的反向第一开关和反向第二开关都采用CMOS传输门电路，高电平导通。

4.按照权利要求1所述的一种低功耗高精度的可编程增益放大器，其特征在于所述的闭环电阻负反馈结构的增益细调级中，第一运算放大器（OP1）采用两级全差分运算放大器加共模反馈结构。