CN112737532B - 一种高增益精度低附加相移的可变增益放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体提供一种新型高增益精度低附加相移的可变增益放大器，用以解决传统可变增益放大器在高增益状态下附加相移大及高增益精度下高DAC位数需求的问题。本发明在差分电路结构的基础上引入非对称电容技术，一方面能够有效解决在不同偏置下差分两路寄生电容不一样导致的高增益状态下相位变化大的问题；另一方面该技术还具有增益精度调节功能，只需要合理的配置非对称电容大小，能够在不增加DAC位数的情况下，实现高增益精度控制。综上所述，本发明相较于传统的可变增益放大器结构，实现了高增益状态下的更低附加相移和相同DAC位数下的高增益精度控制。

Description

一种高增益精度低附加相移的可变增益放大器
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及无线通信***接发机中的可变增益放大器，具体提供一种新型高增益精度低附加相移的可变增益放大器。
背景技术
在无线通信***接收机中，由于不同地区与无线通讯设备的距离不同，传输过程受到噪声、损耗等影响各有不同，造成接收设备需要根据接收信号的不同而放大不同的功率。在无线通信***发射机中，为了更好地抑制旁瓣发射更高的信号质量，需要对每个通道的增益进行调节；由此，可变增益放大器(VGA)应运而生，在无线通信的收发机***前端中起着至关重要的作用。
随着通讯***不断发展，人们对通信***提出了小型化、便携及高性能的要求，为了满足这些要求，集成电路应势而生。在现有的集成电路制造技术中，硅基工艺因其低成本，低功耗以及不断提升的速度而备受瞩目。硅基工艺包括SiGe和CMOS两种工艺，目前大部分VGA设计都是采用SiGe工艺，在SiGe工艺的基础上提出了比较多的高增益精度和低附加相移技术。例如，在2016年，F.Padovan等人基于SiGe工艺，采用零极点补偿的方法实现了VGA的低附加相移(F.Padovan,M.Tiebout,A.Neviani and A.Bevilacqua,"A 15.5–39GHzBiCMOS VGA with phase shift compensation for 5G mobilecommunicationtransceivers,"ESSCIRC Conference 2016:42ndEuropean Solid-State CircuitsConference,Lausanne,2016,pp.363-366)；在2017年，B.Sadhu等人基于SiGe工艺，采用局部反馈的方法实现了VGA的低附加相移(B.Sadhu et al.,"A 28-GHz 32-Element TRXPhased-Array IC WithConcurrent Dual-Polarized Operation and Orthogonal Phaseand GainControl for 5G Communications,"in IEEE Journal of Solid-StateCircuits,vol.52,no.12,pp.3373-3391,Dec.2017)。由于SiGe工艺制造成本高于CMOS工艺，为了实现更低的制造成本，发展基于CMOS工艺的高增益精度和低相位变化的VGA十分重要；但是，由于SiGe工艺是基于异质结双极型晶体管(HBT)实现dB线性的控制，而CMOS工艺是基于金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)实现dB线性的控制，而HBT和MOSFET的工作原理不同，所以基于SiGe工艺的高增益精度和低相位变化技术并不适用在CMOS工艺中。
2019年，电子科技大学吴天军博士基于CMOS工艺，提出了一种低附加相移的VGA设计(T.Wu,C.Zhao,H.Liu,Y.Wu,Y.Yu and K.Kang,"A 20～43GHz VGA with 21.5dB GainTuning Range and Low Phase Variation for 5G Communications in 65-nm CMOS,"2019IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium(RFIC),Boston,MA,USA,2019,pp.71-74.)；该设计方案采用了寄生电容消除和版图隔离增强技术实现了低附加相移。VGA在增益变化过程中，相位变化的主要原因是寄生电容导致的，所以消除寄生电容的影响是实现VGA低附加相移的最有效方法。如图7(a)所示，该方案采用差分共源电路结构实现了VGA的低附加相移，如图7(b)展示了该差分共源电路的小信号等效模型，从该模型可以看出，由于采用了差分结构，使得两个晶体管的寄生电容的电流流向(I1、I2)是相反的，从而实现寄生电容的相消，进而实现低附加相移。但是，该方案并不能完全抵消掉寄生电容，因为晶体管在不同偏置下，其寄生电容的大小是不一样的；因此该方案虽然在一定程度上降低了由于寄生电容导致的相位变化，但是不能完全消除，使得VGA在增益变化过程中依然存在一定的附加相移；尤其在高增益状态下，由于两个晶体管的偏置相差较大，使得两个晶体管的寄生电容也相差较大，上述方案只能抵消一小部分寄生电容，导致VGA的相位在高增益状态下变化很大。进一步的，该方案为了实现低附加相移，一方面是利用了寄生电容相消技术，另一方面就是以牺牲增益换来更低的附加相移。另外，该方案的增益控制是依靠外部手动电压调解，没有集成数模转换器(DAC)控制模块，所以该方案无法实现VGA的高精度增益控制；而对于采用DAC实现VGA的增益控制的方案中，普遍是增加DAC的控制位数以实现高增益精度控制，但由于DAC位数的增加，使得设计难度、成本和功耗也大幅增加。
综上所述，现有基于CMOS工艺设计的可变增益放大器(VGA)，一方面增益控制精度低，为了实现高增益精度控制，普遍是增加模数转换器(DAC)的位数，却由于DAC位数的增加，使得设计难度、成本和功耗也大幅增加；另一方面在VGA增益变化过程中引起的附加相移大，目前所采用的低附加相移技术普遍是在牺牲增益的基础上实现的。因此，基于CMOS工艺设计的VGA在不增加DAC位数和不牺牲增益的情况下实现高增益精度控制和低附加相移是本发明所要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于在于针对上述技术问题提供一种新型高增益精度低附加相移的可变增益放大器。在本发明可变增益放大器结构中，首先在差分电路结构的基础上引入非对称电容技术；其次，匹配片上DAC控制电路，能够实现高增益精度控制；更进一步的讲，非对称电容技术的引入一方面能够有效解决在不同偏置下差分两路寄生电容不一样导致的高增益状态下相位变化大的问题；另一方面该技术还具有增益精度调节功能，只需要合理的配置非对称电容大小，能够在不增加DAC位数的情况下，实现高增益精度控制；从而使得CMOS工艺下的VGA基于非对称电容技术，完美的解决了高增益状态下附加相移大及高增益精度下高DAC位数需求的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种新型高增益精度低附加相移的可变增益放大器，包括：4个晶体管M1～M4、2个匹配电容C1、两个匹配电容C2；其特征在于，所述可变增益放大器采用差分结构，差分输入信号Vin+经过匹配电容C1后输入晶体管M1的栅极、差分输入信号Vin+经过匹配电容C2后输入晶体管M2的栅极，差分输入信号Vin-经过匹配电容C2后输入晶体管M3的栅极、差分输入信号Vin-经过匹配电容C1后输入晶体管M4的栅极，所述晶体管M1的漏极与晶体管M3的漏极相连、并输出信号Vout+，所述晶体管M2的漏极与晶体管M4的漏极相连、并输出信号Vout-，晶体管M1～M4的源极均接地；所述晶体管M1与晶体管M4的栅极串联偏置电阻后连接控制电压Va，所述晶体管M2与晶体管M3的栅极串联偏置电阻后连接控制电压Vb；所述晶体管M1～M4采用相同尺寸，所述匹配电容C1的容值小于匹配电容C2的容值。
进一步的，所述匹配电容C2的容值为≥1pF，所述匹配电容C1的容值≥200fF。
进一步的，所述匹配电容C1采用平板电容结构，以减小加工误差带来的容值偏差；所述匹配电容C2采用叉指电容结构，以节省芯片面积。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种新型高增益精度低附加相移的可变增益放大器，在差分电路结构的基础上引入非对称电容技术，即匹配电容C1的容值小于匹配电容C2的容值；非对称电容技术补偿了差分结构中由于两路偏置不同导致的非平衡问题，只需在满足匹配电容C1的容值小于匹配电容C2的容值的前提下合理的配置非对称电容C1与C2的电容值大小，就能够完全弥补差分两路在不同偏置下造成的不平衡问题，使得差分两路的寄生电容抵消的更彻底，从而实现高增益状态下低附加相移的可变增益放大器(VGA)设计；
另一方面，由于非对称电容又属于各自路的匹配电容，不同的电容值造成不同的阻抗匹配，不同的阻抗匹配又会使得晶体管的增益发生变化，所以通过在满足匹配电容C1的容值小于匹配电容C2的容值的前提下合理配置非对称电容的容值，也能够实现对VGA的增益控制，从而实现在不增加DAC位数的情况下，利用非对称电容技术实现更高增益精度控制。综上所述，本发明只需要合理的配置C1与C2的容值，相当于在不增加任何设计复杂度及成本的情况下，即可实现高增益状态下的更低附加相移和更高的增益精度控制；
综上所述，本发明相较于传统的VGA设计，实现了高增益状态下的更低附加相移和相同DAC位数下的高增益精度控制；完美的解决了传统可变增益放大器在高增益状态下附加相移大及高增益精度下高DAC位数需求的问题。
附图说明
图1为本发明新型高增益精度低附加相移的可变增益放大器的结构示意图，
图2为本发明实施例中片上DAC整体控制电路原理图。
图3为本发明实施例中电容值C1与电路稳定性关系曲线。
图4为本发明实施例中基于对称电容的可变增益放大器的仿真结果，其中，(a)为不同状态下的增益，(b)为不同增益下的相位变化。
图5为本发明实施例中基于非对称电容的可变增益放大器的仿真结果，其中，(a)为不同状态下的增益，(b)为不同增益下的相位变化。
图6为本发明实施例中基于非对称电容的可变增益放大器的Layout版图。
图7为现有差分共源极可变增益放大器的结构示意图，其中，(a)为简化电路原理图，(b)为小信号等效电路模型。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例提供一种新型高增益精度低附加相移的可变增益放大器(VGA)，所述可变增益放大器基于CMOS工艺，采用非对称电容及片上集成DAC技术实现了高增益状态下的低附加相移、低DAC位数的高增益精度控制。所述基于非对称电容技术的VGA电路原理图及片上DAC整体控制电路原理图如图1所示：
由图1可知，本实施例提出的VGA包括：M1～M4四个晶体管、C1和C2两种匹配电容、以及Va和Vb两种控制电压；所述电路采用差分结构，差分输入信号Vin+经过匹配电容C1后输入晶体管M1的栅极、差分输入信号Vin+经过匹配电容C2后输入晶体管M2的栅极，差分输入信号Vin-经过匹配电容C2后输入晶体管M3的栅极、差分输入信号Vin-经过匹配电容C1后输入晶体管M4的栅极，所述晶体管M1的漏极与晶体管M3的漏极相连、并输出信号Vout+，所述晶体管M2的漏极与晶体管M4的漏极相连、并输出信号Vout-，晶体管M1～M4的源极均接地；所述晶体管M1与晶体管M4的栅极串联偏置电阻后连接控制电压Va，所述晶体管M2与晶体管M3的栅极串联偏置电阻后连接控制电压Vb。
本实施例中，为了消除晶体管寄生电容带来的相位变化问题，实现基于CMOS工艺的低附加相移的VGA设计；一方面让M1～M4四个晶体管的采用相同的尺寸，以减小晶体管之间的寄生电容差异；另一方面采用差分结构，使得两路晶体管的寄生电容电流流向相反，实现寄生电容相消，进一步降低晶体管寄生电容，进而降低VGA的附加相移。同时，为了解决VGA的相位在高增益状态下变化大的问题，本发明提出了非对称电容技术，如图1所示，差分两路晶体管的匹配电容C1与C2不等构成非对称电容结构；非对称电容补偿了差分结构由于两路偏置不同导致的非平衡问题，只需要合理的配置非对称电容C1与C2的电容值大小，就能够完全弥补差分两路在不同偏置下造成的不平衡问题，从而实现高增益状态下低附加相移的VGA设计。对于电容C2的容值配置，为了更好地隔直效果，一般取1pF左右；对于电容C1的容值配置，一方面取决于对差分结构由于两路偏置不同导致的非平衡问题的补偿效果，合理的C1值，则会使得VGA在不同增益状态下的附加相移最小；另一方面取决于VGA的增益精度控制需求，需要的增益精度越高，C1与C2的差值越大；但是，C1的值不能无限小，还要考虑到整体电路的稳定性，如图3所示，当C1值小于200fF以后，整个电路则不稳定，该C1的值需要大于200fF；综上，对于非对称电容C1和C2的容值配置，C2为1pF左右，C1的值一方面使得VGA的附加相移最小、一方面保证电路稳定。
为了实现VGA的高增益精度控制，本实施例还提供了与上述可变增益放大器(VGA)匹配的控制电路，将DAC集成在了片上，DAC整体控制电路如图2所示，包括：内置模拟电流源偏置电路(实现恒流源)和电流镜DAC电路；电流镜总电流Itotal一定，PMOS电流镜DAC通过开关控制，分配不同的Ia和Ib对应产生控制电压Va和Vb，从而实现对VGA的增益控制；恒流源Iref及偏置VBIAS均采用模拟电路在片内实现。非对称电容技术一方面解决了上述的差分两路在不同偏置下的不平衡问题，另一方面，由于非对称电容又属于各自路的匹配电容，不同的电容值，造成不同的阻抗匹配，不同的阻抗匹配又会使得晶体管的增益发生变化，所以通过合理的配置非对称电容的容值，也可以实现对VGA的增益控制，从而实现在不增加DAC位数的情况下，利用非对称电容技术实现更高增益精度控制。
下面结合仿真结果说明本发明的有益效果：
如图4所示为采用对称电容(C1＝C2＝1pF)设计的传统VGA的增益及相位仿真结果，在27GHz下，该VGA实现了最高增益25.2dB、最大附加相移12.2°、增益精度0.5dB；如图5所述为本实施例提供的非对称电容(C1＝200fF、C2＝1pF)设计的新型VGA的增益及相位仿真结果，本实施例的新型VGA采用与传统VGA相同的电路结构及相同的晶体管尺寸，同样在27GHz下，本发明的新型VGA实现了最高增益25.5dB，最大附加相移只有4.3°、相比传统VGA的附加相移降低了65％；相同DAC控制位数下，实现了增益精度0.2dB、相比传统VGA的增益精度提升了60％。
综上所述，相比传统的基于对称电容的VGA设计，本发明所提出的基于非对称电容技术的新型VGA，在不增加任何设计复杂度及成本的情况下实现了高增益状态下的更低附加相移，在不增加DAC位数的情况下的更高增益精度控制，完美的解决了高增益状态下附加相移大及高增益精度下高DAC位数需求问题。
如图6所示为本实施例提供的新型高增益精度低附加相移VGA的版图，其中，以M3层、M4层作为地平面；晶体管的栅极和漏极分别通过过孔打到M9层，其中，栅极以M8层金属引出，漏极以M9层金属引出；电容C1容值较小，为了减小加工误差带来的容值偏差采用平板电容结构；电容C2容值较大，为了节省芯片面积采用叉指电容结构。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (4)

1.一种高增益精度低附加相移的可变增益放大器，包括：4个晶体管M1～M4、2个匹配电容C1、2个匹配电容C2；其特征在于，差分输入信号Vin+经过匹配电容C1后输入晶体管M1的栅极、差分输入信号Vin+经过匹配电容C2后输入晶体管M2的栅极，差分输入信号Vin-经过匹配电容C2后输入晶体管M3的栅极、差分输入信号Vin-经过匹配电容C1后输入晶体管M4的栅极，所述晶体管M1的漏极与晶体管M3的漏极相连、并输出信号Vout+，所述晶体管M2的漏极与晶体管M4的漏极相连、并输出信号Vout-，晶体管M1～M4的源极均接地；所述晶体管M1与晶体管M4的栅极串联偏置电阻后连接控制电压Va，所述晶体管M2与晶体管M3的栅极串联偏置电阻后连接控制电压Vb；所述匹配电容C1的容值小于匹配电容C2的容值。
2.按权利要求1所述高增益精度低附加相移的可变增益放大器，其特征在于，所述晶体管M1～M4采用相同尺寸。
3.按权利要求1所述高增益精度低附加相移的可变增益放大器，其特征在于，所述匹配电容C2的容值为≥1pF，所述匹配电容C1的容值≥200fF。
4.按权利要求1所述高增益精度低附加相移的可变增益放大器，其特征在于，所述匹配电容C1采用平板电容结构，所述匹配电容C2采用叉指电容结构。
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硅基毫米波放大器集成电路研究与设计;张青风;《电子科技大学博士学位论文》;20220829;1-155 *

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