CN117713715A - 一种高集成度低直流失调的高带宽精度跨阻放大器 - Google Patents

Abstract

本发明属于射频收发电子技术领域，具体涉及了一种高集成度低直流失调的高带宽精度跨阻放大器，旨在解决现有技术中直流失调补偿电路、增益控制电路和带宽校准调谐电路分别独立工作，集成度不足的问题。本发明包括：跨阻放大器内核，实现模数转换的滤波和采样链路的带宽校准和精确调谐；量化器，在开关闭合时，量化跨阻放大器内核差分输出的单端输出电压以及差分输出电压；反馈网络，控制电流生成模块生成注入电流以及抽取电流，以及控制跨阻放大器内核；电流生成模块，生成注入电流以及抽取电流；开关，控制跨阻放大器的工作模式。本发明提供了一种利用单环反馈网络同时补偿直流失调、控制增益、校准带宽的跨阻放大器结构。

Description

一种高集成度低直流失调的高带宽精度跨阻放大器

技术领域

本发明属于射频收发电子技术领域，具体涉及了一种高集成度低直流失调的高带宽精度跨阻放大器。

背景技术

射频收发电子***的发展对射频收发通道提出了高集成度和高度灵活的需求，这要求射频通道的工作频率、信号带宽、增益、采样率能够实时调节，进而形成硬件通用的可软件定义的射频收发***。目前，业界多采用直接上/下变频(零中频)架构来实现类似的工作频率、信号带宽、增益、采样率等主要参数可调谐、可校准的宽带软件定义射频收发***。该***的接收通道一般包含低噪声放大器/衰减器、正交下变频器、跨阻放大器、低通滤波器、模数转换器；发射通道一般包含数模转换器、跨阻放大器、低通滤波器、正交上变频器和功率放大器。

对于该***中的跨阻放大器和低通滤波器，首先需要精确的控制、校准其带宽，一般通过校准跨阻放大器内核或一个低通滤波单元来实现对整个模拟基带与模数转换的滤波和采样链路的带宽校准和精确调谐。同时，对于该***中的跨阻放大器和低通滤波器，也需要通过如图2传统跨阻放大器和低通滤波器增益控制的增益控制环路的原理框图所示的检测电路来对通道增益进行精确控制。最后，由于直接上/下变频(零中频)架构收发器不可避免的存在直流失调，还需要采用专门的直流失调补偿电路来抑制直流失调。在当前技术中，上述的带宽校准调谐、增益控制和直流失调补偿电路都是独立设计、分离工作的，与***整体的架构设计相独立，集成度仍然有待提高。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即现有技术中直流失调补偿电路、增益控制电路和带宽校准调谐电路分别独立工作，集成度不足的问题，本发明提供了一种高集成度低直流失调的高带宽精度跨阻放大器，所述高带宽精度跨阻放大器包括：

跨阻放大器内核110，用于实现所述跨阻放大器中模数转换的滤波和采样链路的带宽校准和精确调谐；

量化器120，用于在开关150闭合时，量化所述跨阻放大器内核110差分输出的单端输出电压以及差分输出电压；

反馈网络130，用于控制电流生成模块140生成注入电流以及抽取电流，以及控制所述跨阻放大器内核110；

电流生成模块140，用于在所述反馈网络130的控制下生成注入电流以及抽取电流；

开关150，用于控制所述跨阻放大器的工作模式。

在一些优选的实施例中，所述高带宽精度跨阻放大器，其各部件连接关系为：

所述跨阻放大器内核110，其输入端连接至所述电流生成模块140，其输出端通过所述开关150连接至所述量化器120的输入端；

所述量化器120，其输出端连接至所述反馈网络130的输入端；

所述反馈网络130，其输出端连接至所述电流生成模块140和所述跨阻放大器内核110。

在一些优选的实施例中，所述跨阻放大器内核110为差分输入、差分输出，包括运算放大器111和电阻电容阵列112，所述运算放大器111为差分输入、差分输出器件。

在一些优选的实施例中，所述电阻电容阵列112，用于在所述反馈网络130的控制下改变电阻值和电容值，进而改变所述跨阻放大器内核110的跨阻增益和带宽。

在一些优选的实施例中，所述电阻电容阵列112跨接在所述运算放大器111的输入差分对和输出差分对之间。

在一些优选的实施例中，所述电流生成模块140包括电流注入模块141和电流抽取模块142。

在一些优选的实施例中，所述电流注入模块141，用于在所述反馈网络130的控制下向所述跨阻放大器内核110的差分输入端注入电流。

在一些优选的实施例中，所述电流抽取模块142，用于在所述反馈网络130的控制下从所述跨阻放大器内核110的差分输入端抽取电流。

在一些优选的实施例中，所述电流注入模块141和电流抽取模块142用于同时进行所述跨阻放大器内核110的差分输入端的电流注入和电流抽取。

在一些优选的实施例中，所述电流注入模块141和电流抽取模块142用于在进行所述跨阻放大器内核110的差分输入端的任意一端的电流注入的同时，进行所述跨阻放大器内核110的差分输入端的另一端的电流抽取。

上述跨阻放大器实现低直流失调的原理是：利用量化器量化跨阻放大器输出端的直流失调，利用反馈网络控制电流生成模块的注入或抽取电流，直接进行直流失调补偿。或也可在一次直流失调补偿后再利用量化器量化跨阻放大器输出端的补偿后直流失调，利用反馈网络控制控制电流生成模块调整注入或抽取的电流值，多次迭代，直至直流失调抑制性能达到预期目标。

上述跨阻放大器实现高带宽精度和跨阻增益的原理是：通过电流生成模块生成校准信号，经跨阻放大器内核后，利用量化器量化经跨阻放大器内核放大、滤波后的输出信号，在反馈网络中运算得到跨阻放大器内核的传输函数，或提取传输函数中的带宽与增益参数，直接控制跨阻放大器内核的电阻电容阵列以精确控制其带宽和增益。或也可利用量化器量化经跨阻放大器内核放大滤波后的输出信号，得到跨阻放大器内核的当前实际带宽、增益相对于目标设置带宽、增益的关系，利用反馈网络控制跨阻放大器内核的电阻电容阵列，使其向目标带宽与增益逼进，通过多次迭代，使跨阻放大器内核的实际带宽与增益收敛至目标值。

本发明的有益效果：

(1)本发明一种高集成度低直流失调的高带宽精度跨阻放大器，通过复用量化器、反馈网络和电流生成模块构成的环路同时解决了直流失调补偿、增益控制和带宽校准调谐三种功能，不需要额外的组件，提高了跨阻放大器和射频收发***的集成度。

(2)本发明一种高集成度低直流失调的高带宽精度跨阻放大器，可以利用反馈网络的算法优化，通过灵活设计阈值、门限、迭代次数、迭代方式等参数，在直流失调补偿抑制性能和直流失调校准时间中进行灵活折衷，或在带宽校准调谐和增益控制的控制精度和调谐速度中进行灵活折衷，从而增加了跨阻放大器和射频收发***在实际应用中的灵活度。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明一种高集成度低直流失调的高带宽精度跨阻放大器的原理框图；

图2是传统跨阻放大器和低通滤波器增益控制的增益控制环路的原理框图；

图3是本发明一种高集成度低直流失调的高带宽精度跨阻放大器在集成模数转换器的射频接收器***中应用的原理框图；

图4是本发明一种高集成度低直流失调的高带宽精度跨阻放大器在集成模数转换器和处理器的射频接收器***中应用的原理框图；

图5是本发明一种高集成度低直流失调的高带宽精度跨阻放大器在集成数模模数转换器和处理器的射频收发器***中应用的原理框图；

图6是本发明一种高集成度低直流失调的高带宽精度跨阻放大器的带宽、增益与直流失调抑制工作流程示意图；

附图标记说明：

跨阻放大器内核110，运算放大器111，电阻电容阵列112，量化器120，反馈网络130，电流生成模块140，电流注入模块141，电流抽取模块142，开关150，电压生成器210，检波器220，比较器230，接收滤波器310，模数转换器320，基带数据处理模块330，接收正交无源下变频器340，低噪声跨导放大器350，处理器410，接收跨阻放大器内核510，接收跨阻放大器运放511，接收跨阻放大器电阻电容阵列512，发射跨阻放大器内核520，发射跨阻放大器运放521，发射跨阻放大器电阻电容阵列522，数模转换器530，发射滤波器540，发射正交上变频器550，功率放大器560，环路复用器570。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明的一种高集成度低直流失调的高带宽精度跨阻放大器，所述高带宽精度跨阻放大器包括：

跨阻放大器内核110，用于实现所述跨阻放大器中模数转换的滤波和采样链路的带宽校准和精确调谐；

量化器120，用于在开关150闭合时，量化所述跨阻放大器内核110差分输出的单端输出电压以及差分输出电压；

反馈网络130，用于控制电流生成模块140生成注入电流以及抽取电流，以及控制所述跨阻放大器内核110；

电流生成模块140，用于在所述反馈网络130的控制下生成注入电流以及抽取电流；

开关150，用于控制所述跨阻放大器的工作模式。

为了更清晰地对本发明一种高集成度低直流失调的高带宽精度跨阻放大器进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各模块展开详述。

本发明第一实施例的一种高集成度低直流失调的高带宽精度跨阻放大器，包括跨阻放大器内核110、量化器120、反馈网络130、电流生成模块140和开关150，各模块详细描述如下：

跨阻放大器内核110，其输入端连接至所述电流生成模块140，其输出端通过所述开关150连接至所述量化器120的输入端，用于实现所述跨阻放大器中模数转换的滤波和采样链路的带宽校准和精确调谐；

量化器120，其输出端连接至所述反馈网络130的输入端，用于在开关150闭合时，量化所述跨阻放大器内核110差分输出的单端输出电压以及差分输出电压。

跨阻放大器内核110为差分输入、差分输出，包含运算放大器111和电阻电容阵列112，运算放大器(111)为差分输入、差分输出器件，电阻电容阵列(112)用于在反馈网络(130)的控制下改变电阻值和电容值，进而改变跨阻放大器内核(110)的跨阻增益和带宽，其中：电阻电容阵列112跨接在运算放大器111的输入差分对和输出差分对之间。

量化器120在开关150闭合时，可以分别量化跨阻放大器内核110差分输出的单端输出电压，也可以量化跨阻放大器内核110差分输出的差分输出电压。

反馈网络130，其输出端连接至所述电流生成模块140和所述跨阻放大器内核110，用于控制电流生成模块140生成注入电流以及抽取电流，以及控制所述跨阻放大器内核110。

反馈网络130可以分别控制电流生成模块140中电流注入模块141的注入电流和电流抽取模块142的抽取电流，并可以控制跨阻放大器内核110的电阻电容阵列112。

电流生成模块140，用于在所述反馈网络130的控制下生成注入电流以及抽取电流。

电流生成模块140包含电流注入模块141和电流抽取模块142，可以同时进行电流注入与电流抽取，其中：电流注入模块141可以向跨阻放大器内核110的差分输入端注入电流，电流抽取模块142可以从跨阻放大器内核110的差分输入端抽取电流。此外，电流生成模块140也可以在对跨阻放大器内核110的差分输入任意一端注入电流的同时，对另一端抽取电流。

开关150，用于控制所述跨阻放大器的工作模式。

在进行直流失调校准、增益控制和带宽校准调谐的过程中，开关150闭合，使跨阻放大器110、开关150、量化器120、反馈网络130和电流生成模块140形成多功能的反馈校准环路，利用反馈网络130生成直流失调校准参数，并完成增益控制和带宽校准调谐，完成以上工作后，开关150断开，跨阻放大器110进入正常工作模式，电流注入模块140依据得到的直流失调校准参数生成注入和抽取电流，对经跨阻放大器110的传输信号进行直流失调抑制。

对于采用本发明的射频收发***，其几种典型的实施例如下：

实施例1

参考图3所示的本发明一种高集成度低直流失调的高带宽精度跨阻放大器在集成模数转换器的射频接收器***中应用的原理框图，射频接收器***主要包含低噪声跨导放大器350、正交无源下变频器340、跨阻放大器内核110、接收滤波器310、模数转换器320、基带数据处理模块330、反馈网络130和电流生成模块140。

在信号通路上，接收信号首先输入低噪声跨导放大器350，经正交无源下变频器340、跨阻放大器内核110、接收滤波器310、模数转换器320、基带数据处理模块330后输出，由接收滤波器310、模数转换器320、反馈网络130和电流生成模块140构成跨阻放大器内核110的多功能校准环路，反馈网络130通过控制跨阻放大器内核110的电容电阻阵列112控制增益与带宽，控制电流注入模块140的生成电流、接收滤波器310的带宽和增益、模数转换器320的采样率。

本实施例中，复用接收器模数转换器320替代了图1中所述的量化器120功能，进一步提升了射频接收***的集成度。同时由于不需要图1中的开关150在信号接收和多功能校准的不同状态间进行切换，使射频接收器***可以持续的检测并控制跨阻放大器内核110的增益。

实施例2

参考图4所示的本发明一种高集成度低直流失调的高带宽精度跨阻放大器在集成模数转换器和处理器的射频接收器***中应用的原理框图，在射频接收器***集成模数转换器的基础上进一步集成了处理器410，并将图3中基带处理模块330和反馈网络130的功能集成在处理器410中。处理器410的输入端连接至模数转换器320的输出端、输出端连接至***外部，并可以通过控制跨阻放大器内核110的电容电阻阵列112控制增益与带宽，控制电流注入模块140的生成电流、接收滤波器310的带宽和增益、模数转换器320的采样率。

本实施例中，由于处理器410上的基带算法、校准算法和控制流程均可以通过软件进行编程定义，本实施例中跨阻放大器内核110的直流失调补偿、带宽校准调谐和增益控制能够依据具体的应用需要，灵活的设置阈值、门限、迭代次数和迭代方式等参数，极大的增强了不同应用对跨阻放大器内核110校准时间和校准性能折中的灵活性。

实施例3

参考图5所示的本发明一种高集成度低直流失调的高带宽精度跨阻放大器在集成数模模数转换器和处理器的射频收发器***中应用的原理框图，射频接收器***主要包含低噪声跨导放大器350、正交无源下变频器340、接收跨阻放大器510、接收滤波器310、模数转换器320；射频发射器***主要包含数模转换器530、发射跨阻放大器520、发射滤波器540、正交上变频器550和功率放大器560；***还包含处理器410、电流生成模块140和环路复用器570。

本实施例将图3中基带处理模块330和反馈网络130的功能集成在处理器410中。在作为射频接收器使用时，处理器410的输入端连接至模数转换器320的输出端，并可以控制接收跨阻放大器510的带宽和增益、电流注入模块140的生成电流、接收滤波器310的带宽和增益、模数转换器320的采样率；在作为射频发射器使用时，处理器410的输入端连接至***外部、输出端连接至数模转换器530的输入端，并可以控制发射跨阻放大器520的带宽和增益、发射滤波器540的带宽和增益、数模转换器530的采样率。本实施例也可同时作为射频接收器和射频发射器使用。

在本实施例中，进行接收跨阻滤波器510校准时，处理器410控制环路复用器570断开射频接收器和射频发射器之间的连接，形成独立的射频接收器。此时，射频接收通道的连接关系与实施例2相同。

在本实施例中，进行发射跨阻滤波器520校准时，处理器410控制环路复用器570在射频接收器和射频发射器之间形成信号通道。该状态下发射信号由处理器410生成，经过数模转换器530、发射跨阻放大器520、发射滤波器540、正交上变频器550和功率放大器560后，通过环路复用器570，再通过射频接收器进入处理器410。此时，复用整个射频接收器替代了图1中所述的量化器120功能，复用数模转换器530代替了图1中的电流注入模块140功能。进一步提升了射频收发***的集成度。同实施例2，由于处理器410上的基带算法、校准算法和控制流程均可以通过软件进行编程定义，本实施例中接收跨阻放大器510和发射跨阻放大器520的直流失调补偿、带宽校准调谐和增益控制也能够依据具体的应用需要灵活的设置阈值、门限、迭代次数、迭代方式等参数，极大的增强了不同应用对接收跨阻放大器510和发射跨阻放大器520校准时间和校准性能折中的灵活性。

本发明第二实施例的一种高集成度低直流失调的高带宽精度跨阻放大器的带宽、增益与直流失调抑制方法，其工作流程示意图如图6所示：

使能跨阻放大器直流失调抑制、带宽校准调谐和增益控制功能601；使能接收通道和电流生成模块602，将射频收发器配置为接收跨阻放大器校准模式，开启接收多功能校准环路；控制电流生成模块产生接收直流失调补偿信号603；利用模数转换器模块检测并量化接收直流失调的抑制结果604；使用处理器判断检测结果是否满足接收直流失调抑制阈值或门限605，若不满足抑制门限则返回603，若满足则进入606；控制电流生成模块持续产生接收直流失调抑制信号606；在产生接收直流失调抑制信号的同时，利用电流生成模块生成接收带宽校准信号607；处理器依据模数转换器的量化结果，判断当前接收带宽设置与预期接收带宽目标的关系608；依据当前接收带宽设置与预期接收带宽目标的关系调节接收跨阻放大器带宽、接收滤波器带宽和模数转换器采样率609；处理器判断接收带宽校准是否迭代完成610，若未迭代完成则返回607，若迭代完成则进入611；使能接收通道、发射通道，并打开环路复用器611，将射频收发器配置为发射跨阻放大器校准模式，使射频发射器通过环路复用器、射频接收器和处理器构成发射多功能校准环路；利用数模转换器产生发射直流失调补偿信号612；通过射频发射器、环路复用器和射频接收器组成的环路，利用模数转换器模块检测并量化发射直流失调抑制结果613；使用处理器判断检测结果是否满足发射直流失调抑制阈值或门限614，若不满足抑制门限则返回612，若满足则进入615；控制数模转换器持续产生发射直流失调抑制信号615；在产生发射直流失调抑制信号的同时，利用数模转换器生成发射带宽校准信号616；通过射频发射器、环路复用器和射频接收器组成的环路，处理器依据模数转换器的量化结果，判断当前发射带宽设置与预期发射带宽目标的关系617；依据当前发射带宽设置与预期发射带宽目标的关系调节发射跨阻放大器带宽、发射滤波器带宽和数模转换器采样率618；处理器判断发射带宽校准是否迭代完成619，若未迭代完成则返回616，若迭代完成则进入620；完成收发直流失调校准和带宽校准调谐，设置发射跨阻放大器增益并持续进行接收跨阻放大器增益控制620。

需要说明的是，上述实施例提供的一种高集成度低直流失调的高带宽精度跨阻放大器，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。

术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高集成度低直流失调的高带宽精度跨阻放大器，其特征在于，所述高带宽精度跨阻放大器包括：

跨阻放大器内核(110)，用于实现所述跨阻放大器中模数转换的滤波和采样链路的带宽校准和精确调谐；

量化器(120)，用于在开关(150)闭合时，量化所述跨阻放大器内核(110)差分输出的单端输出电压以及差分输出电压；

反馈网络(130)，用于控制电流生成模块(140)生成注入电流以及抽取电流，以及控制所述跨阻放大器内核(110)；

电流生成模块(140)，用于在所述反馈网络(130)的控制下生成注入电流以及抽取电流；

开关(150)，用于控制所述跨阻放大器的工作模式。

2.根据权利要求1所述的一种高集成度低直流失调的高带宽精度跨阻放大器，其特征在于，所述高带宽精度跨阻放大器，其各部件连接关系为：

所述跨阻放大器内核(110)，其输入端连接至所述电流生成模块(140)，其输出端通过所述开关(150)连接至所述量化器(120)的输入端；

所述量化器(120)，其输出端连接至所述反馈网络(130)的输入端；

所述反馈网络(130)，其输出端连接至所述电流生成模块(140)和所述跨阻放大器内核(110)。

3.根据权利要求1或2所述的一种高集成度低直流失调的高带宽精度跨阻放大器，其特征在于，所述跨阻放大器内核(110)为差分输入、差分输出，包括运算放大器(111)和电阻电容阵列(112)，所述运算放大器(111)为差分输入、差分输出器件。

4.根据权利要求3所述的一种高集成度低直流失调的高带宽精度跨阻放大器，其特征在于，所述电阻电容阵列(112)，用于在所述反馈网络(130)的控制下改变电阻值和电容值，进而改变所述跨阻放大器内核(110)的跨阻增益和带宽。

5.根据权利要求4所述的一种高集成度低直流失调的高带宽精度跨阻放大器，其特征在于，所述电阻电容阵列(112)跨接在所述运算放大器(111)的输入差分对和输出差分对之间。

6.根据权利要求1或2所述的一种高集成度低直流失调的高带宽精度跨阻放大器，其特征在于，所述电流生成模块(140)包括电流注入模块(141)和电流抽取模块(142)。

7.根据权利要求6所述的一种高集成度低直流失调的高带宽精度跨阻放大器，其特征在于，所述电流注入模块(141)，用于在所述反馈网络(130)的控制下向所述跨阻放大器内核(110)的差分输入端注入电流。

8.根据权利要求7所述的一种高集成度低直流失调的高带宽精度跨阻放大器，其特征在于，所述电流抽取模块(142)，用于在所述反馈网络(130)的控制下从所述跨阻放大器内核(110)的差分输入端抽取电流。

9.根据权利要求8所述的一种高集成度低直流失调的高带宽精度跨阻放大器，其特征在于，所述电流注入模块(141)和电流抽取模块(142)用于同时进行所述跨阻放大器内核(110)的差分输入端的电流注入和电流抽取。

10.根据权利要求8所述的一种高集成度低直流失调的高带宽精度跨阻放大器，其特征在于，所述电流注入模块(141)和电流抽取模块(142)用于在进行所述跨阻放大器内核(110)的差分输入端的任意一端的电流注入的同时，进行所述跨阻放大器内核(110)的差分输入端的另一端的电流抽取。