CN102891658A - 一种带正交相位校正的可编程增益放大器电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带正交相位校正的可编程增益放大器电路。本电路由两路差分放大器即I路差分放大器、Q路差分放大器以及一个IQ相位校正电路组成，通过改变电阻的比值，可以控制增益的大小，通过改变I、Q两路的电阻交互关系，可以控制信号的相位关系，从而可以实现两路正交差分信号的可编程放大，且可以控制IQ信号的相位差增大或减小。

Description

一种带正交相位校正的可编程增益放大器电路

技术领域

本发明主要涉及可编程增益放大器的设计领域，特指一种带正交相位校正的可编程增益放大器电路。

背景技术

在目前的模拟CMOS集成电路设计中，特别是射频信号接收器中，由于需要对微弱的射频信号进行量化，通常用高精度ADC将其量化成数字信号，由于射频信号的变化范围通常较大，为了射频前端信号满足ADC动态范围，通常在ADC的前端都会增加一个可编程增益放大器，其目的是根据射频信号的幅度控制其增益，使得ADC的输入落在其动态范围之内，从而降低对ADC的动态范围要求，减轻高精度ADC的设计压力；另外射频信号在接收解调时会存在一个问题，即镜像抑制，为了提高接收器的镜像抑制能力，通常都会采用正交量化、解调的方式，即在信号量化之前，先将信号变化成正交信号，这个功能通常由混频器完成，然而由于混频器在将信号转换成正交信号时会存在误差，加上可编程增益放大器以及信号传输路径引入的误差，信号到达ADC时其幅度并非完全相同，其相位也并非完全正交，且相位误差对接收器的影响要远大于幅度误差对接收器性能的影响，所以为了提高接收器镜像抑制能力而引入正交解调，而如何解决正交信号的相位误差成为一个关键问题和难点。

发明内容

本发明要解决的问题在于：针对现有技术存在的问题，提出一种带正交相位校正的可编程增益放大器电路。

本发明提出的解决方案为：在增益控制方面，利用运放加电阻方式，通过控制电阻的比值而控制增益变化；对于相位校正，在IQ两路信号正交信号放大时引入了4个电阻进行反馈，通过控制这4个电阻的连接关系即可控制两路正交信号的相位差变大、变小或者不变。

附图说明

图1是本发明的电路原理示意图；

图2是图1中开关K1闭合、K2断开时的简化图；

图3是图2从全差分形式转化为单端输出形式后简化图；

图4是图1中开关K2闭合、K1断开时的简化图；

图5是图4从全差分形式转化为单端输出形式后简化图；

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本电路由两路差分放大器即I路差分放大器、Q路差分放大器以及一个IQ相位校正电路组成，通过改变电阻的比值，从而改变增益的大小，通过控制I、Q两路的电阻交互关系，即改变电阻R9、R10、R11、R12来改变IQ信号的相位关系，从而可以实现两路正交差分信号的可编程放大，且可以控制IQ信号的相位差增大、减小，或者不变。

此电路有三种工作模式，第一种情况是开关K1闭合，K2断开；第二种情况是开关K2闭合，K1断开；第三种情况是开关K1、K2都断开。下面分别予以说明：

(1)开关K1闭合，K2断开

如图1所示，因为IQ两路的电路参数完全相同的，即R₁＝R₃＝R₅＝R₇，R₂＝R₄＝R₆＝R₈，R₉＝R_10＝R₁₁＝R₁2，如图2所示是开关K1闭合，K2断开时的工作模式，其中的电容C1、C2、C3、C4是起通道滤波作用的，其通道带宽大于信号带宽，不会影响通带的增益和相位，为了便于分析，将图2简化成如图3所示的单端形式，则有：

$\frac{V_{\mathrm{in}2}}{R_1}+\frac{V_{\mathrm{in}2}-V_{o3}}{R_{10}}+\frac{V_{\mathrm{in}2}-V_{o1}}{R_2}=0---\left(1\right)$

$\frac{V_{\mathrm{in}4}}{R_5}+\frac{V_{\mathrm{in}4}-V_{o1}}{R_{12}}+\frac{V_{\mathrm{in}4}-V_{o3}}{R_6}=0---\left(2\right)$

如图1所示的IN1、IN2是一对差分信号，IN3、IN4是一对差分信号，且这两队差分信号是正交关系，现假设V_in1=Asinωt，V_in2=Asin(ωt+π)，V_in3=Asin(ωt+π/2)，V_in4=Asin(ωt+3π/2)，即V_in1=Asinωt，V_in2=-Asinωt，V_in3＝Acosωt，V_in4=-Acosωt。

通过式(1)、式(2)可得：

$(\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_{10}}+\frac{1}{R_2})\·V_{\mathrm{in}2}=\frac{V_{o3}}{R_{10}}+\frac{V_{o1}}{R_2}---\left(2\right)$

$(\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_{10}}+\frac{1}{R_2})\·V_{\mathrm{in}4}=\frac{V_{o1}}{R_{10}}+\frac{V_{o3}}{R_2}---\left(4\right)$

即可得到

$V_{o1}=\frac{1}{R_2}\·\frac{(\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_{10}}+\frac{1}{R_2})}{\frac{1}{{R_2}^2}-\frac{1}{{R_{10}}^2}}\·A\·(-\sin \mathrm{\ωt}+\frac{R_2}{R_{10}}\cos \mathrm{\ωt})---\left(5\right)$

$V_{o3}=\frac{1}{R_2}\·\frac{(\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_{10}}+\frac{1}{R_2})}{\frac{1}{{R_2}^2}-\frac{1}{{R_{10}}^2}}\·A\·(-\cos \mathrm{\ωt}+\frac{R_2}{R_{10}}\sin \mathrm{\ωt})---\left(6\right)$

进一步对三角函数化简可得：

$V_{o1}=\frac{1}{R_2}\·\frac{(\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_{10}}+\frac{1}{R_2})}{\frac{1}{{R_2}^2}-\frac{1}{{R_{10}}^2}}\·\sqrt{1+{\left(\frac{R_2}{R_{10}}\right)}^2}\·(-A\sin (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\θ})),$ $\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}\left(\frac{R_2}{R_{10}}\right)---\left(7\right)$

$V_{o3}=\frac{1}{R_2}\·\frac{(\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_{10}}+\frac{1}{R_2})}{\frac{1}{{R_2}^2}-\frac{1}{{R_{10}}^2}}\·\sqrt{1+{\left(\frac{R_2}{R_{10}}\right)}^2}\·(-A\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})),$ $\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}\left(\frac{R_2}{R_{10}}\right)---\left(8\right)$

通常情况下，R₁₀的值都很大，且因需要调整的相位不大，所以

都比较小，则有

$V_{o1}=(1+\frac{R_2}{R_1})\·(-A\sin (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\θ})),$ $\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}\left(\frac{R_2}{R_{10}}\right)---\left(9\right)$

$V_{o3}=(1+\frac{R_2}{R_1})\·(-A\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})),$ $\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}\left(\frac{R_2}{R_{10}}\right)---\left(10\right)$

从式(9)、式(10)可以很容易看出，R₁₀主要影响相位的变化，对增益的影响可以忽略，增益可以通过控制

来调整，而相位变化可以通过控制来调整，在这种情况下，IQ两路的相位差增大了

(2)开关K2闭合，K1断开

如图4所示是开关K2闭合，K1断开时的工作模式，同理，为了便分析，将图4简化成如图5所示的单端形式，则有：

$\frac{V_{\mathrm{in}2}}{R_1}+\frac{V_{\mathrm{in}2}-V_{o4}}{R_9}+\frac{V_{\mathrm{in}2}-V_{o1}}{R_2}=0---\left(11\right)$

$\frac{V_{\mathrm{in}3}}{R_7}+\frac{V_{\mathrm{in}3}-V_{o1}}{R_{12}}+\frac{V_{\mathrm{in}3}-V_{o4}}{R_8}=0---\left(12\right)$

同理可化解方程得到

$V_{o1}=(1+\frac{R_2}{R_1})\·(-A\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})),$ $\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}\left(\frac{R_2}{R_9}\right)---\left(13\right)$

$V_{o3}=(1+\frac{R_2}{R_1})\·(-A\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\θ})),$ $\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}\left(\frac{R_2}{R_9}\right)---\left(14\right)$

从式(13)、式(14)可以很容易看出，R₉主要影响相位的变化，对增益的影响可以忽略，

增益可以通过控制

来调整，而相位变化可以通过控制

来调整，在这种情况下，IQ两路的相位差减小了

(3)开关K1、K2都断开

这种情况下，IQ两路没有反馈，所以相位关系保持不变，增益仍然是通过控制

来调整。

综上所述，本发明可以实现一种带相位校正的可编程增益放大器，且结构简单，控制方式简单。

Claims (1)

1.一种带正交相位校正的可编程增益放大器电路，其特征在于：

由一个I路差分放大器，一个Q路差分放大器以及一个IQ相位校正电路三部分组成；I路差分放大器与Q路差分放大器结构上完全相同，其中I路差分放大器由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2以及一个全差分运放U1组成；Q路差分放大器由电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C3、电容C4以及一个全差分运放U2组成；IN1、IN2是I路差分信号输入，O1、O2为I路差分信号输出，IN3、IN4是Q路差分信号输入，O3、O4为Q路差分输出，IN1与IN2的相位是正交的，IN3与IN4的相位是正交的；IQ延时控制电路由电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12以及开关K1、开关K2组成，通过控制开关K1、开关K2就可以控制IQ两路的相位关系，通过控制电阻R1、电阻R3、电阻R5、电阻R7的阻值就可以控制其增益，从而实现一种带正交相位校正的可编程增益放大器。

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