CN104270110A - 基于压控感性负载的可变增益放大器 - Google Patents

基于压控感性负载的可变增益放大器 Download PDF

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庄奕琪
李振荣
张岩龙
靳刚
汤华莲
李小明
李聪
刘伟峰
曾志斌
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本发明公开了一种基于压控感性负载的可变增益放大器，全差分跨导放大器Gm，其正相电压输入端Vin1和负相电压输入端Vin2共同接收输入的电压信号，经全差分跨导放大器Gm进行放大并转化为电流信号，从其负相输出端Vout2与正相输出端Vout1输出；两个压控有源电感L1、L2，分别连接全差分跨导放大器Gm的负相输出端Vout2与正相输出端Vout1，由控制电压VC对两个压控有源电感L1、L2的阻抗进行调整，改变负相输出端Vout2与正相输出端Vout1处的电压信号的幅度值。本发明采用基于压控感性负载实现放大器的可变增益，大大减小整体可变增益放大器的芯片面积，提高无线通信接收机***的集成度，采用电压控制负载变化来实现输出信号增益的变化，电路结构简单，功耗较低。

Description

基于压控感性负载的可变增益放大器
技术领域
本发明涉及可变增益放大器，特别涉及一种基于压控感性负载的可变增益放大器。
背景技术
无线通信***中接收的信号的幅度会随着接收机与信号源距离的变化而改变。当接收机与信号源距离较远时，接收信号幅度较小，会导致信号处理模块无法正常对其进行处理；当接收机与信号源距离较近时，接收信号幅度较大，会导致信号处理模块饱和，引起信号失真。此外，不断变化的信号幅度对信号处理模块能够稳定有效的完成信号处理功能，也是一个挑战。为了使接收信号幅度的变化不影响信号处理模块的正常工作，需要根据接收信号幅度的不同进行不同增益的放大，为信号处理模块提供等幅度的待处理信号。因此，收发机中需要添加具有增益可变的增益控制模块。
增益控制模块通常可以通过无源数控衰减器来实现，但是无源数控衰减器会引起***损耗，因而需要前一级提供较大的信号幅度增益，这会增加前一级电路设计的设计难度。不仅如此，无源数控衰减器对控制开关进行的相移补偿和相邻模块之间的匹配时，通常会采用较多片上无源电感，而片上无源电感通常占用较大的芯片面积，因此无源数控衰减器通常整体面积比较大，这一点不利于在高集成的无线通信***中应用。可变增益放大器克服了无源数控衰减器的不足，不仅自身能够提供增益，而且可以在占用较小芯片面积的前提下实现增益控制功能。
由于元器件本身的性质，采用互补金属氧化物半导体(CMOS)场效应晶体管实现的可变增益放大器通常工作频率范围较小，不能够满足当今超宽带无线通信技术发展的要求。而且，CMOS场效应晶体管的噪声性能较差，不利于对接受信号进行低噪声处理。此外，可变增益放大器中采用的片上无源电感会占用较大面积，因而不利于高集成度可变增益放大器的设计。
专利文件“可变增益放大器”(申请公布号CN102104367A，申请号201110053476.8，申请日期2011.06.22)中公开了一种可变增益放大器。该可变增益放大器采用CMOS技术，包括差分电路，该差分电路包括第一负载电流、第二负载电流和源简并电路，该差分电路还包括第一射随器电路和第二射随器电路，其中第一射随器电路的栅极与所述的差分电路的正向电压输入端相连，漏极与所述的第一负载电路相连；所述的第二射随器地电路的栅极与所述的差分电路的负向电压输入端相连，漏极与所述的第二负载电路相连；所述的两个射随器电路的源极分别链接到所述源简并电路的两端。虽然该技术采用CMOS技术可以有效的减小整体可变增益放大器的芯片占用面积，但是由于MOS晶体管本身特征频率不高和噪声较大的缘故，使其工作频率范围大大受限，而且不能实现较小噪声条件下的可变增益放大。
专利文件“可变增益RF放大器”(申请公布号CN101604962A，申请号200910134974.8，申请日期2009.04.20)中公开了一种可变增益RF放大器。该可变增益RF放大器具有：输入节点；可变电流源，包括耦合于该输入节点的控制输入端；第一和第二支路，并联耦合在第一供电端和可变电流源之间，第一和第二支路限定了被设置成由第一和第二差动增益信号来控制的差动对、且具有第二和第二输出端，输出端之一包括可变增益放大器的输出接点；以及分压器，具有耦合于第一和第二输出端的中间节点，其中该节点还通过电容器耦合输入节点。虽然该技术采用双极型晶体管构成可变增益放大器，能够有效地具有较宽的频率工作范围，但是传统工艺的晶体管的特征频率较低，不能满足当今无线通信设备中的应用的频率要求。此外，该技术中电路结构复杂，步进增加了芯片面积，而且对设计要求也较高，因而设计难度较大。
论文“一种基于SiGeHBT的宽动态范围可变增益放大器”(《微电子学》2013.12：773-776)中公开了一种基于SiGeHBT的宽动态范围可变增益放大器。放大器由三级级联结构构成，分别为输入级、增益控制级和输出级。采用新提出的增益控制结构，实现了较宽的增益动态范围。虽然该技术采用双极型晶体管构成可变增益放大器，能够有效地具有较宽的频率工作范围，但是该技术中采用无源片上电感，由于片上无源电感占用的芯片面积较大，因而导致整体可变增益放大器的面积较大，不利于高集成度的无线通信接收机的应用，也不利于降低制造成本。
发明内容
为克服上述现有技术的缺陷与不足，本发明提供一种基于压控感性负载的可变增益放大器。
本发明采用的技术方案是：
基于压控感性负载的可变增益放大器，包括：全差分跨导放大器Gm，其正相电压输入端Vin1和负相电压输入端Vin2共同接收输入的电压信号，经全差分跨导放大器Gm进行放大并转化为电流信号，从其负相输出端Vout2与正相输出端Vout1输出；两个压控有源电感L1、L2，分别连接全差分跨导放大器Gm的负相输出端Vout2与正相输出端Vout1，由控制电压VC对两个压控有源电感L1、L2的阻抗进行调整，改变负相输出端Vout2与正相输出端Vout1处的电压信号的幅度值。
优选的，所述两个压控有源电感L1、L2由同时由控制电压Vc进行控制。
具体的，流经压控有源电感L1的电流信号在负相输出端Vout2处产生与输入信号相位相反的输出电压信号，流经压控有源电感L2的电流信号在正相输出端Vout1处产生与输入信号相位相同的输出电压信号。
所述全差分跨导放大器Gm由两个NPN结构的SiGe异质结双极型晶体管Q1、Q2和一个输出恒定电流的偏置电流源Ibias构成，所述双极型晶体管Q1和Q2的基极分别与全差分跨导放大器Gm的正相电压输入端Vin1和负相电压输入端Vin2相连，双极型晶体管Q1和Q2的发射极均与偏置电流源Ibias的一端相连，偏置电流源Ibias的另一端与电源地相连；双极型晶体管Q1和Q2的集电极分别连接到负相电流输出端Iout1和正相电流输出端Iout2。
所述压控有源电感由一个NPN结构的SiGe异质结双极型晶体管Q3和四个NMOS场效应晶体管M1、M2、M3、M4构成；双极型晶体管Q3的发射极与电流信号输入端Iin连接，该管的集电极与电源VDD连接；四个NMOS场效应晶体管M1、M2、M3、M4的栅极均连接电压控制输入端Vc，衬底端均与自身源极连接；NMOS场效应晶体管M1的源极与双极型晶体管Q3的基极连接，NMOS场效应晶体管M1的漏极与NMOS场效应晶体管M2的源极连接，NMOS场效应晶体管M2的漏极与NMOS场效应晶体管M3的源极连接，NMOS场效应晶体管M3的漏极与NMOS场效应晶体管M4的源极连接，NMOS场效应晶体管M4的漏极连接到电源VDD。
与现有技术相比，本发明技术方案带来的有益效果有：
(1)本发明采用NPN结构的SiGe异质结双极型晶体管来构成可变增益放大器的跨导放大器，这种晶体管具有较高的特征频率，能够在不采用反馈结构的情况下实现较宽频率范围的可变增益信号幅度放大。此外，双极型晶体管本身的低噪声优势使得其可以用于低噪声可变增益信号幅度放大；
(2)本发明采用有源电感作为负载，对输出端的寄生电容进行补偿，提高工作频率范围。由于有源器件的尺寸远小于无源电感，因此采用有源电感可以大大减小整体可变增益放大器芯片面积，提高无线通信接收机***的集成度，降低接收机芯片的加工制造成本；
(3)本发明采用电压控制负载变化来实现输出信号增益的变化，电路结构简单，易于设计，并且整体功耗较低。
附图说明
图1是本发明所述基于压控感性负载的可变增益放大器的原理图；
图2是本发明所述的全差分跨导放大器Gm的原理图；
图3是本发明所述的压控有源电感的原理图。
具体实施方式
下面通过实施例及附图对本发明做进一步详细说明，这些实施例仅用来说明本发明，并不限制本发明的范围。
如图1所示，本发明“基于压控感性负载的可变增益放大器”由一个全差分跨导放大器Gm和两个压控有源电感L1、L2构成。该可变增益放大器由一个正相电压输入端Vin1和一个负相电压输入端Vin2共同接收输入电压信号，输入电压信号经全差分跨导放大器Gm进行放大并转化为电流信号，该电流信号通过两个压控有源电感在相应的输出端产生输出电压信号。其中，流经压控有源电感L1的电流信号在负相输出端Vout2处产生与输入信号相位相反的输出电压信号，流经压控有源电感L2的电流信号在正相输出端Vout1处产生与输入信号相位相同的输出电压信号。两个压控有源电感L1、L2同时由控制电压Vc进行控制，对其阻抗进行调整，改变输出电压信号的幅度值，从而实现输出电压幅度对输入电压幅度增益可控制的调整，实现可变增益放大的功能。
如图2所示，本发明“基于压控感性负载的可变增益放大器”的全差分跨导放大器Gm由两个NPN结构的SiGe异质结高电子迁移率双极型晶体管Q1、Q2和一个与温度无关的恒定电流输出的偏置电流源Ibias构成。SiGe异质结高电子迁移率双极型晶体管Q1和Q2的基极分别与全差分跨导放大器Gm的正相电压输入端Vin1和负相电压输入端Vin2相连。SiGe异质结高电子迁移率双极型晶体管Q1和Q2的发射极均与偏置电流源Ibias的一端相连，偏置电流源Ibias的另一端与电源地相连。SiGe异质结高电子迁移率双极型晶体管Q1和Q2的集电极分别与负相电流输出端Iout1和正相电流输出端Iout2相连。输入信号通过SiGe异质结高电子迁移率双极型晶体管Q1和Q2的基极进入全差分跨导放大器Gm后，转化成幅度与输入电压信号幅度成正比的电流信号，分别在电流输出端Iout1和Iout2输出。图2中箭头方向表示输出电流的方向。
如图3所示，本发明“基于压控感性负载的可变增益放大器”的压控有源电感由一个NPN结构的SiGe异质结高电子迁移率双极型晶体管Q3和四个NMOS场效应晶体管M1、M2、M3、M4构成。SiGe异质结高电子迁移率双极型晶体管Q3的发射极与电流信号输入端Iin连接，该管的集电极与电源VDD连接。NMOS场效应晶体管M1的栅极与电压控制输入端Vc连接，该管的衬底端与其源极连接，该管的源极与SiGe异质结高电子迁移率双极型晶体管Q3的基极连接。MOS场效应晶体管M2的栅极与电压控制输入端Vc连接，该管的衬底端与其源极连接，该管的源极与NMOS场效应晶体管M1的漏极连接。MOS场效应晶体管M3的栅极与电压控制输入端Vc连接，该管的衬底端与其源极连接，该管的源极与NMOS场效应晶体管M2的漏极连接。MOS场效应晶体管M4的栅极与电压控制输入端Vc连接，该管的衬底端与其源极连接，该管的源极与NMOS场效应晶体管M3的漏极连接，该管的漏极与电源VDD连接。电流输入信号从电流信号输入端Iin输入后，流经SiGe异质结高电子迁移率双极型晶体管Q3，在电流信号输入端Iin处即可得到相应的输出电压。通过电压控制输入端Vc的变化改变四个NMOS场效应晶体管M1、M2、M3、M4的导通电阻，可以改变压控有源电感的电感值，以实现输出电压大小的改变，从而完成压控可变增益的功能。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，如果采用其他结构的有源电感替换本发明中所保护的有源电感结构，以实现电压控制的可变增益放大器的替代方案，也属于本发明保护范围。

Claims (5)

1.基于压控感性负载的可变增益放大器，其特征在于，包括：
全差分跨导放大器Gm，其正相电压输入端Vin1和负相电压输入端Vin2共同接收输入的电压信号，经全差分跨导放大器Gm进行放大并转化为电流信号，从其负相输出端Vout2与正相输出端Vout1输出；
两个压控有源电感L1、L2，分别连接全差分跨导放大器Gm的负相输出端Vout2与正相输出端Vout1，由控制电压VC对两个压控有源电感L1、L2的阻抗进行调整，改变负相输出端Vout2与正相输出端Vout1处的电压信号的幅度值。
2.根据权利要求1所述的基于压控感性负载的可变增益放大器，其特征在于：所述两个压控有源电感L1、L2由同时由控制电压Vc进行控制。
3.根据权利要求1所述的基于压控感性负载的可变增益放大器，其特征在于：流经压控有源电感L1的电流信号在负相输出端Vout2处产生与输入信号相位相反的输出电压信号，流经压控有源电感L2的电流信号在正相输出端Vout1处产生与输入信号相位相同的输出电压信号。
4.根据权利要求1所述的基于压控感性负载的可变增益放大器，其特征在于：所述全差分跨导放大器Gm由两个NPN结构的SiGe异质结双极型晶体管Q1、Q2和一个输出恒定电流的偏置电流源Ibias构成，所述双极型晶体管Q1和Q2的基极分别与全差分跨导放大器Gm的正相电压输入端Vin1和负相电压输入端Vin2相连，双极型晶体管Q1和Q2的发射极均与偏置电流源Ibias的一端相连，偏置电流源Ibias的另一端与电源地相连；双极型晶体管Q1和Q2的集电极分别连接到负相电流输出端Iout1和正相电流输出端Iout2。
5.根据权利要求2所述的基于压控感性负载的可变增益放大器，其特征在于：所述压控有源电感由一个NPN结构的SiGe异质结双极型晶体管Q3和四个NMOS场效应晶体管M1、M2、M3、M4构成；双极型晶体管Q3的发射极与电流信号输入端Iin连接，该管的集电极与电源VDD连接；四个NMOS场效应晶体管M1、M2、M3、M4的栅极均连接电压控制输入端Vc，衬底端均与自身源极连接；NMOS场效应晶体管M1的源极与双极型晶体管Q3的基极连接，NMOS场效应晶体管M1的漏极与NMOS场效应晶体管M2的源极连接，NMOS场效应晶体管M2的漏极与NMOS场效应晶体管M3的源极连接，NMOS场效应晶体管M3的漏极与NMOS场效应晶体管M4的源极连接，NMOS场效应晶体管M4的漏极连接到电源VDD。
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