CN113098402B - 一种中心频率自校准的低功耗带通放大电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中心频率自校准的低功耗带通放大电路，包括依次电连接的前向放大模块、输出反馈模块及校准模块；所述前向放大模块呈低通特性，用于对输入信号进行放大；所述输出反馈模块呈高通特性，用于对低频信号进行抑制；所述前向放大模块与所述输出反馈模块构成带通放大电路，所述校准模块用于对所述带通放大电路工作时的中心频率进行校正。本发明中前向放大电路和输出反馈电路的输入级独立，输出级共享，电路结构简单，功耗低；电阻和电容的串联网络作为放大器的输出负载，并将电容上的信号反馈到输入级，形成高通网络；RC校准电路可以保证带通放大电路的中心频率不随工艺偏差而偏移，满足了实际应用需求。

Description

一种中心频率自校准的低功耗带通放大电路

技术领域

本发明涉及集成电路设计技术领域，特别是涉及一种中心频率自校准的低功耗带通放大电路。

背景技术

在多数通信***或信号处理***中，需要对特定频率的信号进行放大，并且要求极低的功耗。为了达到最佳的通信效果和信号处理效果，放大器只放大有用信号，而对直流失调、低频噪声和高频噪声则进行有效抑制。即放大器整体需要呈现带通特性，而且中心频率需要能够稳定控制，不随工艺偏差而产生大的偏移。

现有的带通滤波器或放大器一般基于运算放大器。通过低通滤波和高通滤波的组合构成带通滤波结构。其增益、带宽和中心频率由外部的R、C参数决定。

然而，由于现有的带通滤波器或放大器一般基于运算放大器，因此电路结构相对比较复杂，功耗也比较高，且R、C参数的偏移会给增益、带宽和中心频率带来偏差。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单、功耗低、且中心频率具有很高的稳定性的中心频率自校准的低功耗带通放大电路。

一种中心频率自校准的低功耗带通放大电路，包括依次电连接的前向放大模块、输出反馈模块及校准模块；所述前向放大模块呈低通特性，用于对输入信号进行放大；所述输出反馈模块呈高通特性，用于对低频信号进行抑制；所述前向放大模块与所述输出反馈模块构成带通放大电路，所述校准模块用于对所述带通放大电路工作时的中心频率进行校正。

另外，根据本发明提供的中心频率自校准的低功耗带通放大电路，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，所述电路还包括一供电模块，所述供电模块包括分别与电源输出端电连接的第一电流镜及第二电流镜。

进一步地，所述第一电流镜包括通过栅极连接的第一MOS管、第二MOS管及第三MOS管；所述第二电流镜包括通过栅极连接的第八MOS管及第九MOS管；其中，所述第一MOS管、第二MOS管及第三MOS管均为NMOS管，所述第八MOS管及第九MOS管均为PMOS管。

进一步地，所述前向放大模块包括第四MOS管及第五MOS管；所述第四MOS管的栅极与差分输入的正极电连接，所述第五MOS管的栅极与差分输入的负极电连接，所述第四MOS管的源极与所述第五MOS管的源极电连接，所述第四MOS管的漏极与第八MOS管的漏极电连接，所述第五MOS管的漏极与第九MOS管的漏极电连接。

进一步地，所述输出反馈模块包括第六MOS管及第七MOS管；所述第六MOS管的栅极与参考电压输入端电连接，所述第七MOS管的栅极与差分输出的负极电连接，所述第六MOS管及第七MOS管的源极均与所述第三MOS管的漏极电连接，所述第六MOS管的漏极与所述第八MOS管的漏极电连接，所述第七MOS管的漏极与所述第九MOS管的漏极电连接。

进一步地，所述电路还包括与差分输出正极电连接的输出负载，所述输出负载包括相串联的第一电阻及第一电容。

进一步地，差分输入至差分输出的增益为：

其中，gm1为第四MOS管/第五MOS管的跨导，gm2为第六MOS管/第七MOS管的跨导，s＝j2πf，Cm为第一电容，R1为第一电阻。

进一步地，所述校准模块包括与逐次逼近逻辑控制单元电连接的比较器及RC校准单元，以及用于向所述校准模块供电的恒流源。

进一步地，所述RC校准单元包括第二电阻及与所述第二电阻并联的第二电容，所述第二电容由二进制电容阵列构成。

进一步地，所述校准模块在第一时刻时，恒流源对第二电容进行充电，比较器的斜坡电压从零开始线性增加；所述校准模块在第二时刻时，所述比较器的斜坡电压上升至基准电压，且校准时通过二进制搜索法进行校准。

根据本发明提出的中心频率自校准的低功耗带通放大电路，包括依次电连接的前向放大模块、输出反馈模块及校准模块；所述前向放大模块呈低通特性，用于对输入信号进行放大；所述输出反馈模块呈高通特性，用于对低频信号进行抑制；所述前向放大模块与所述输出反馈模块构成带通放大电路，所述校准模块用于对所述带通放大电路工作时的中心频率进行校正。本发明含有前向放大电路和输出反馈电路；前向放大电路和输出反馈电路的输入级独立，输出级共享，电路结构简单，功耗低；电阻和电容的串联网络作为放大器的输出负载，并将电容上的信号反馈到输入级，形成高通网络；RC校准电路可以保证带通放大电路的中心频率不随工艺偏差而偏移，满足了实际应用需求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的中心频率自校准的低功耗带通放大电路的结构框图；

图2为本发明实施例提供的中心频率自校准的低功耗带通放大电路的电路图；

图3为本发明实施例提供的中心频率自校准的低功耗带通放大电路的幅频特图；

图4为本发明实施例提供的中心频率自校准的低功耗带通放大电路中校准模块的电路图；

图5为图4中二进制的电容阵列的电路结构图；

图6为本发明实施例提供的中心频率自校准的低功耗带通放大电路中校准模块工作过程示意图。

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1至图3所示，基于上述问题，本发明实施例公开了一种中心频率自校准的低功耗带通放大电路，包括依次电连接的前向放大模块10、输出反馈模块20及校准模块30。

具体的，所述前向放大模块30呈低通特性，用于对输入信号进行放大。所述输出反馈模块20呈高通特性，用于对低频信号进行抑制。所述前向放大模块10与所述输出反馈模块20构成带通放大电路，所述校准模块30用于对所述带通放大电路工作时的中心频率进行校正。

进一步地，所述电路还包括一供电模块，所述供电模块包括分别与电源输出端电连接的第一电流镜及第二电流镜。

所述第一电流镜包括通过栅极连接的第一MOS管M1、第二MOS管M2及第三MOS管M3；所述第二电流镜包括通过栅极连接的第八MOS管M8及第九MOS管M9。所述第一MOS管M1、第二MOS管M2及第三MOS管M3的源极接地。所述第八MOS管M8及第九MOS管M9的漏极接地。其中，所述第一MOS管M1、第二MOS管M2及第三MOS管M3均为NMOS管，所述第八MOS管M8及第九MOS管M9均为PMOS管。

进一步地，所述前向放大模块10包括第四MOS管M4及第五MOS管M5。所述第四MOS管M4的栅极与差分输入的正极VIP电连接，所述第五MOS管M5的栅极与差分输入的负极VIN电连接，所述第四MOS管M4的源极与所述第五MOS管M5的源极电连接，所述第四MOS管M4的漏极与第八MOS管的漏极电连接，所述第五MOS管M5的漏极与第九MOS管M9的漏极电连接。可以理解的，M2的输出给M4、M5构成的差分输入对提供电流偏置，M3的输出给M7、M6构成的差分输入对提供电流偏置，M4、M5构成的差分输入对是前向放大电路的输入级。M6、M7构成的差分输入对是输出反馈电路的输入级。

进一步地，所述输出反馈模块20包括第六MOS管M6及第七MOS管M7。所述第六MOS管M6的栅极与参考电压输入端VREF电连接，所述第七MOS管M7的栅极与差分输出的负极VON电连接，所述第六MOS管M6及第七MOS管M7的源极均与所述第三MOS管M3的漏极电连接，所述第六MOS管M6的漏极与所述第八MOS管M8的漏极电连接，所述第七MOS管M7的漏极与所述第九MOS管M9的漏极电连接。

所述电路还包括与差分输出正极VOP电连接的输出负载，所述输出负载包括相串联的第一电阻R1及第一电容Cm。

差分输入至差分输出的增益为：

其中，gm1为第四MOS管/第五MOS管的跨导，gm2为第六MOS管/第七MOS管的跨导，s＝j2πf，Cm为第一电容，R1为第一电阻。

可以理解的，放大器的增益呈现带通特性，其中心频率由RC乘积决定，其增益的幅频特性如图3所示。

进一步地，请参阅图4至图6，所述校准模块30包括与逐次逼近逻辑控制单元sar_logic电连接的比较器comp及RC校准单元，以及用于向所述校准模块供电的恒流源I。其中，所述RC校准单元包括第二电阻R2及与所述第二电阻R2并联的第二电容Cn，所述第二电容Cn由二进制电容阵列构成。所述校准模块在第一时刻时，恒流源对第二电容进行充电，比较器的斜坡电压从零开始线性增加；所述校准模块在第二时刻时，所述比较器的斜坡电压上升至基准电压，且校准时通过二进制搜索法进行校准。

具体的，由于电容Cn由二进制的电容阵列构成，默认的控制字RC<4:0>＝10000，且RC乘积刚好等于Ton，即电路在设计时要满足以下条件：

t1时刻，恒流源I对电容Cm进行充电，Vramp电压从零开始线性增加；

t2时刻，Vramp电压刚好达到VREF，即

I*Ton＝Cm*VREF＝Cm*R*I R*Cm＝Ton

CLK和SW两个时钟是由晶振时钟源分频得到，Ton是一个稳定的量，不随工艺、温度而改变。

在实际工作中，RC乘积都会因为工艺偏差而不同程度地偏离设计值。此时需要通过自动校准将RC乘积调节到设计值附近，校准的范围和精度理论上由可调节的电容大小和控制字位数决定，但实际中还受控制电路和最小电容的精度限制。

实际校准过程通过二进制搜索法进行：如果RC乘积小于设计值(Ton)，Vramp在t2时刻之前就达到了VREF，sar_logic模块在CLK上升沿(即t2时刻)处检测到比较器输出CO为高，则sar_logic会把控制字加上01000，反之则减去01000。新的控制字送入Cm之后，在t3时刻重新开始下一次的比较过程。如此经过4次比较之后，RC乘积就校准到了目标值附近，如果控制字有N bit，则整个校准过程需要N次比较。

本发明提出的一种中心频率自校准的低功耗带通放大电路，包括依次电连接的前向放大模块、输出反馈模块及校准模块；所述前向放大模块呈低通特性，用于对输入信号进行放大；所述输出反馈模块呈高通特性，用于对低频信号进行抑制；所述前向放大模块与所述输出反馈模块构成带通放大电路，所述校准模块用于对所述带通放大电路工作时的中心频率进行校正。本发明含有前向放大电路和输出反馈电路；前向放大电路和输出反馈电路的输入级独立，输出级共享，电路结构简单，功耗低；电阻和电容的串联网络作为放大器的输出负载，并将电容上的信号反馈到输入级，形成高通网络；RC校准电路可以保证带通放大电路的中心频率不随工艺偏差而偏移，满足了实际应用需求。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种中心频率自校准的低功耗带通放大电路，其特征在于，包括依次电连接的前向放大模块、输出反馈模块及校准模块；所述前向放大模块呈低通特性，用于对输入信号进行放大；所述输出反馈模块呈高通特性，用于对低频信号进行抑制；所述前向放大模块与所述输出反馈模块构成带通放大电路，所述校准模块用于对所述带通放大电路工作时的中心频率进行校正；

所述校准模块包括与逐次逼近逻辑控制单元电连接的比较器及RC校准单元，以及用于向所述校准模块供电的恒流源；所述校准模块在第一时刻时，恒流源对第二电容进行充电，比较器的斜坡电压从零开始线性增加；所述校准模块在第二时刻时，所述比较器的斜坡电压上升至基准电压，且校准时通过二进制搜索法进行校准；

其中，所述RC校准单元包括第二电阻及与所述第二电阻并联的第二电容，所述第二电容由二进制电容阵列构成。

2.根据权利要求1所述的中心频率自校准的低功耗带通放大电路，其特征在于，所述电路还包括一供电模块，所述供电模块包括分别与电源输出端电连接的第一电流镜及第二电流镜。

3.根据权利要求2所述的中心频率自校准的低功耗带通放大电路，其特征在于，所述第一电流镜包括通过栅极连接的第一MOS管、第二MOS管及第三MOS管；所述第二电流镜包括通过栅极连接的第八MOS管及第九MOS管；其中，所述第一MOS管、第二MOS管及第三MOS管均为NMOS管，所述第八MOS管及第九MOS管均为PMOS管。

4.根据权利要求3所述的中心频率自校准的低功耗带通放大电路，其特征在于，所述前向放大模块包括第四MOS管及第五MOS管；所述第四MOS管的栅极与差分输入的正极电连接，所述第五MOS管的栅极与差分输入的负极电连接，所述第四MOS管的源极与所述第五MOS管的源极电连接，所述第四MOS管的漏极与第八MOS管的漏极电连接，所述第五MOS管的漏极与第九MOS管的漏极电连接。

5.根据权利要求4所述的中心频率自校准的低功耗带通放大电路，其特征在于，所述输出反馈模块包括第六MOS管及第七MOS管；所述第六MOS管的栅极与参考电压输入端电连接，所述第七MOS管的栅极与差分输出的负极电连接，所述第六MOS管及第七MOS管的源极均与所述第三MOS管的漏极电连接，所述第六MOS管的漏极与所述第八MOS管的漏极电连接，所述第七MOS管的漏极与所述第九MOS管的漏极电连接。

6.根据权利要求5所述的中心频率自校准的低功耗带通放大电路，其特征在于，所述电路还包括与差分输出正极电连接的输出负载，所述输出负载包括相串联的第一电阻及第一电容。

7.根据权利要求6所述的中心频率自校准的低功耗带通放大电路，其特征在于，差分输入至差分输出的增益为：

其中，gm1为第四MOS管/第五MOS管的跨导，gm2为第六MOS管/第七MOS管的跨导，s＝j2πf，Cm为第一电容，R1为第一电阻。

Images