CN109889165A - 一种输出共模电压可调节放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输出共模电压可调节放大器，包括自适应电流偏置级、共模电压调节电路、自偏置负载放大器；自偏置负载放大器用于在两个NMOS管之间构成虚地点并为之提供栅极偏置电压，且用于提供增益；自适应电流偏置级利用放大器将电阻一端箝位到参考电压，当电源电压变化时电源电压的变化量全部体现在电阻上并转化为偏置电流变化量；参考电流源被偏置电流抽拉后所剩余电流流经共模电压调节电路中的负载电阻形成自适应压降，实现输出共模电压调节。本发明可调节输出共模电压的大小，显著提高了低电压设计下后级电路尾电流源的漏源电压，提高电路性能，适用于低电压低功耗下可编程增益放大器等应用场合。

Description

一种输出共模电压可调节放大器

技术领域

本发明涉及一种输出共模电压可调节放大器，属于可编程增益放大器技术领域。

背景技术

在射频接收***中，可编程增益放大器是无线通信模块中的重要部分，主要用于拓展接收信号的动态范围，以改善接收链路的整体性能。其根据输入信号的强度调节信号的放大增益，使得输出信号幅度恒定，以保证接收机能够正确解调接收信号。

为使输出信号幅度恒定，其中一种方法便是引入主从结构得到恒定的跨导。鉴于此，可编程增益放大器的功耗水平在接收链路中占据了可观的份额。为了实现整体接收电路的低功耗，随着工艺的进步，采取更低的电源电压进行设计。然而在低电压下，因输出共模电压过高而影响下一级电路尾电流源的性能。

传统的差分放大器在输入共模电平一定的情况下，输出共模电压无法随着电源电压变化而自适应调节。在可编程增益放大器中，为了得到随温度变化增益变化较小的目的，经常采用主从结构得到恒定跨导，这就需要对自偏置负载放大器的输出端进行误差采样。在低电压情况下，当自偏置负载放大器的输出端共模电压较高时，误差采样电路的尾电流源源漏电压小，从而无法保证电路正常工作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服低电压低功耗设计中共模电压过高的问题，提供一种输出共模电压可调节放大器，其将电源电压的变化转化为偏置电流的变化，从而自适应调节输出共模电压的大小。其适用于低电压低功耗下可编程增益放大器等应用场合。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种输出共模电压可调节放大器，包括自适应电流偏置级、共模电压调节电路以及自偏置负载放大器；所述自偏置负载放大器，用于在两个NMOS管之间构成虚地点并为之提供栅极偏置电压，同时提供增益并与共模电压调节电路复用负载电阻；所述自适应电流偏置级利用放大器将电阻一端箝位到参考电压，当电源电压变化时电源电压的变化量全部体现在电阻上并相应转化为偏置电流变化量；所述共模电压调节电路中的参考电流源被偏置电流抽拉后所剩余电流流经共模电压调节电路中的负载电阻形成自适应压降，实现输出共模电压调节。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述自适应电流偏置级包括第一放大器、第一电阻、第一NMOS管、第二NMOS管；其中，参考电压连接第一放大器的负输入端，第一放大器的正输入端连接第一电阻的负端，且第一放大器的输出端连接第一NMOS管的栅极；所述第一NMOS管的源极接地且漏极连接第一电阻的负极；所述第二NMOS管的栅极连接第一NMOS管的栅极，第二NMOS管的源极接地且漏极与参考电流源的负极相连；所述第一电阻的正极与电源相连。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述共模电压调节电路包括参考电流源、第二电阻、第三电阻；所述参考电流的正端与电源相连，参考电流的负端分别与第二电阻的负端、第三电阻的负端相连；所述第二电阻和第三电阻的正端分别连接至自偏置负载放大器。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述自偏置负载放大器包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管；其中，所述第三PMOS管的栅极连接反馈电压且源极接电源，第三PMOS管的漏极分别与第一PMOS管的源极、第二PMOS管的源极相连；所述第一PMOS管的栅极连接输入电压正端，且第一PMOS管的漏极连接第三NMOS管的漏极；所述第三NMOS管的栅极连接共模电压调节电路且源极接地；所述第二PMOS管的栅极连接输入电压负端，且第二PMOS管的漏极连接第四NMOS管的漏极；所述第四NMOS管的栅极与第三NMOS管的栅极相连，且第四NMOS管的源极接地。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明的输出共模电压可调节放大器，由于自适应电流偏置级采用放大器将电阻一端箝位到参考电压，当电源电压变化时，电源电压的变化量全部体现在电阻上，并相应转化为偏置电流变化量；参考电流源被偏置电流抽拉后所剩余电流流经放大器负载形成自适应压降，实现了输出共模电压可调节的功能。该电路利用放大器将电阻一端固定在参考电位，当电源电压变小时，电阻上的压降降低，也就意味着流经电阻的电流减小。由于放大器的虚短虚断特性，该电流无法流过放大器输入端，故全部流经偏置第一NMOS管MN1，意味着镜像偏置第二NMOS管MN2从参考电流源抽取电流减少，放大器负载电阻上有更多压降，从而实现低电源电压情况下输出共模电压更低，更易于与下级误差采样电路级联。

因此，本发明的放大器可将电源电压的变化转化为偏置电流的变化，从而调节输出共模电压的大小，显著提高了低电压设计下后级电路尾电流源的漏源电压，提高电路的性能；本发明解决了在低电压低功耗可编程增益放大器PGA链路，主从结构中主级自偏置负载放大器输出共模电压过高使得误差采样电路尾电流源无法正常工作的问题，因此本发明适用于低电压低功耗下可编程增益放大器等应用场合。

附图说明

图1为本发明输出共模电压可调节放大器的电路图。

图2为本发明的放大器应用于可编程增益放大器中增益随温度变化的曲线图。

图3为本发明应用于可编程增益放大器链增益随温度变化的曲线图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

如图1所示，本发明设计了一种输出共模电压可调节放大器，包括自适应电流偏置级、共模电压调节电路以及自偏置负载放大器；所述自适应电流偏置级负责将电源电压变化转化为偏置电流变化；所述共模电压调节电路间接对该偏置电流做电流和电压变换；所述自偏置负载放大器则负责提供增益。具体地，所述自偏置负载放大器，用于在两个NMOS管之间构成虚地点并为之提供栅极偏置电压，同时提供增益并与共模电压调节电路复用负载电阻；所述自适应电流偏置级利用放大器将电阻一端箝位到参考电压，当电源电压变化时电源电压的变化量全部体现在电阻上并相应转化为偏置电流变化量；所述共模电压调节电路中的参考电流源被偏置电流抽拉后所剩余电流流经共模电压调节电路中的负载电阻形成自适应压降，实现输出共模电压调节。

具体地，所述自适应电流偏置级包括第一放大器A1、第一电阻R1、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2；其中，参考电压连接第一放大器A1的负输入端，第一放大器A1的正输入端连接第一电阻R1的负端，且第一放大器A1的输出端连接第一NMOS管MN1的栅极；所述第一NMOS管MN1的源极接地且漏极连接第一电阻R1的负极；所述第二NMOS管MN2的栅极连接第一NMOS管MN1的栅极，第二NMOS管MN2的源极接地且漏极与参考电流源的负极相连；所述第一电阻R1的正极与电源相连。

所述共模电压调节电路包括参考电流源、第二电阻R2、第三电阻R3；所述参考电流的正端与电源相连，参考电流的负端分别与第二电阻R2的负端、第三电阻R3的负端相连；所述第二电阻R2和第三电阻R3的正端分别连接至自偏置负载放大器，即所述第二电阻R2的正端连接自偏置负载放大器中第一PMOS管MP1的漏极；第三电阻R3的正端连接自偏置负载放大器中第二PMOS管MP2的漏极。

所述自偏置负载放大器包括第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4；其中，所述第三PMOS管MP3的栅极连接反馈电压且源极接电源，第三PMOS管MP3的漏极分别与第一PMOS管MP1的源极、第二PMOS管MP2的源极相连；所述第一PMOS管MP1的栅极连接输入电压正端，且第一PMOS管MP1的漏极连接第三NMOS管MN3的漏极，所述第二电阻R2的正端与第三NMOS管MN3的漏极以及第一PMOS管MP1的漏极相连；所述第三NMOS管MN3的栅极连接共模电压调节电路中第二电阻R2的负端，且第三NMOS管MN3的源极接地；所述第二PMOS管MP2的栅极连接输入电压负端，且第二PMOS管MP2的漏极连接第四NMOS管MN4的漏极，所述第三电阻R3的正端与第四NMOS管MN4的漏极以及第二PMOS管MP2的漏极相连，而第三电阻R3的负端与第二电阻R2的负端相连；所述第四NMOS管MN4的栅极与第三NMOS管MN3的栅极相连，且第四NMOS管MN4的源极接地。

本发明的放大器，工作原理是：所述自偏置负载放大器，在第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4之间构成了虚地点并为之提供栅极偏置电压，与此同时还提供增益并与共模电压调节电路复用负载的第二电阻R2、第三电阻R3；所述自适应电流偏置级利用第一放大器A1的虚短虚断特性将第一电阻R1的一端箝位到参考电压，当电源电压变化时，电源电压的变化量全部体现在第一电阻R1上，并相应转化为偏置电流变化量；鉴于放大器输入阻抗极大，该偏置电流全部流过第一NMOS管MN1。第一第二NMOS管MN1、MN2是电流镜镜像接法，故偏置电流最终也体现在第二NMOS管MN2上。共模电压调节电路中参考电流源被偏置电流抽拉后所剩余电流流经共模电压调节电路中负载电阻R2、R3形成自适应压降。如电源电压较高，则负载电阻R2、R3上压降较小，输出共模电压较高；如电源电压较低，则负载电阻R2、R3上压降较大，输出共模电压较低，从而实现了输出共模电压可调节的功能。

该电路利用第一放大器A1将电阻第一电阻R1的一端固定在参考电位，当电源电压变小时，电阻上的压降降低，也就意味着流经电阻的电流减小。由于放大器的虚短虚断特性，该电流无法流过放大器输入端，故全部流经偏置第一NMOS管MN1，意味着镜像偏置第二NMOS管MN2从参考电流源抽取电流减少，放大器负载电阻R2、R3上有更多压降，从而实现低电源电压情况下输出共模电压更低，更易于与下级误差采样电路级联。

如图2所示，为本实施例的低电压低功耗输出共模电压可调节放大器应用于可编程增益放大器中增益随温度变化的曲线图，其电源电压为700mv；从图中可以看出，在-40℃~80℃的温度范围内，单级运放增益变化量仅为0.1dB。

如图3所示，为本实施例的放大器应用于可编程增益放大器链增益随温度变化的曲线图，在700mv电源电压下，整个可编程增益放大器链路的增益变化量也仅为0.5dB多。

由上述可知，本发明的创新之处主要体现在自适应电流偏置级与共模电压调节上。本发明提出的输出共模电压可调节放大器，将电源电压的变化转化为偏置电流的变化，从而调节输出共模电压的大小，显著提高了低电压设计下后级电路尾电流源的漏源电压，提高电路的性能。故本发明适用于低电压低功耗下可编程增益放大器等应用场合。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (4)

1.一种输出共模电压可调节放大器，其特征在于，包括自适应电流偏置级、共模电压调节电路以及自偏置负载放大器；所述自偏置负载放大器，用于在两个NMOS管之间构成虚地点并为之提供栅极偏置电压，同时提供增益并与共模电压调节电路复用负载电阻；所述自适应电流偏置级利用放大器将电阻一端箝位到参考电压，当电源电压变化时电源电压的变化量全部体现在电阻上并相应转化为偏置电流变化量；所述共模电压调节电路中的参考电流源被偏置电流抽拉后所剩余电流流经共模电压调节电路中的负载电阻形成自适应压降，实现输出共模电压调节。

2.根据权利要求1所述输出共模电压可调节放大器，其特征在于：所述自适应电流偏置级包括第一放大器（A1）、第一电阻（R1）、第一NMOS管（MN1）、第二NMOS管（MN2）；其中，参考电压连接第一放大器（A1）的负输入端，第一放大器（A1）的正输入端连接第一电阻（R1）的负端，且第一放大器（A1）的输出端连接第一NMOS管（MN1）的栅极；所述第一NMOS管（MN1）的源极接地且漏极连接第一电阻（R1）的负极；所述第二NMOS管（MN2）的栅极连接第一NMOS管（MN1）的栅极，第二NMOS管（MN2）的源极接地且漏极与参考电流源的负极相连；所述第一电阻（R1）的正极与电源相连。

3.根据权利要求1所述输出共模电压可调节放大器，其特征在于：所述共模电压调节电路包括参考电流源、第二电阻（R2）、第三电阻（R3）；所述参考电流的正端与电源相连，参考电流的负端分别与第二电阻（R2）的负端、第三电阻（R3）的负端相连；所述第二电阻（R2）和第三电阻（R3）的正端分别连接至自偏置负载放大器。

4.根据权利要求1所述输出共模电压可调节放大器，其特征在于：所述自偏置负载放大器包括第一PMOS管（MP1）、第二PMOS管（MP2）、第三PMOS管（MP3）、第三NMOS管（MN3）、第四NMOS管（MN4）；其中，所述第三PMOS管（MP3）的栅极连接反馈电压且源极接电源，第三PMOS管（MP3）的漏极分别与第一PMOS管（MP1）的源极、第二PMOS管（MP2）的源极相连；所述第一PMOS管（MP1）的栅极连接输入电压正端，且第一PMOS管（MP1）的漏极连接第三NMOS管（MN3）的漏极；所述第三NMOS管（MN3）的栅极连接共模电压调节电路且源极接地；所述第二PMOS管（MP2）的栅极连接输入电压负端，且第二PMOS管（MP2）的漏极连接第四NMOS管（MN4）的漏极；所述第四NMOS管（MN4）的栅极与第三NMOS管（MN3）的栅极相连，且第四NMOS管（MN4）的源极接地。