CN116131777B - 一种高动态范围的可变增益放大器电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高动态范围的可变增益放大器电路，所述放大器电路包括一输入端口（Vin）、一输出端口（Vout）以及一输入晶体管（Q1），包括：所述输入端口耦接到输入晶体管的栅极，所述输入晶体管的漏极经一负载电阻接电源端，所述输入晶体管的源极通过一负反馈电阻接地，所述输入晶体管的栅极和漏极之间还通过一第一电阻连接，所述输入晶体管的漏极耦接到输出端口；所述输入晶体管的源极还通过一调节电容(Ccc)连接到一电流镜的输出端，所述电流镜上的电流受一控制电压（Vcon）线性地控制。本发明不但可以实现低功耗下的高频和高线性度指标，还可以做到较为精确的线性控制。

Description

一种高动态范围的可变增益放大器电路

技术领域

本发明涉及通信放大电路领域，尤其涉及一种高动态范围的可变增益放大器（VGA）电路。

背景技术

可变增益放大器(VGA)常用于多种远程检测和通信设备中，它能够为需要高动态范围的信号链提供出色的性能。从超声波、雷达、激光雷达、无线通信到语音分析等应用都需要利用VGA来提供杰出的性能，它是无线和有线收发系统中的一个关键模块，在通信的收发信机模拟前端中，起着至关重要的作用。

传统的VGA主要分为两类，采用闭环结构和开环结构两种。如图1所示为现有技术中一种常见的闭环结构VGA，采用运算放大器的闭环结构可以做到较为精确的线性控制，但是带宽和线性度依赖于运算放大器的性能，需要较大的功耗才能做到高频和高线性度，因此在实际使用的接收机链路中通常采用开环结构。

开环结构的线性控制较差，往往是指数控制，但是可以用较低的功耗做到宽带，另外开环结构在低增益下的线性度指标往往较差。如图2所示，为现有技术中一种开环结构VGA的示例图，其中控制电压VC利用电阻串分压来控制晶体管Q2的栅极电压，从而使得放大器可以工作在导通状态的放大模式和断开状态的衰减模式。

上述电路有如下的问题：由于晶体管的阈值电压大约在0.3到0.5V之间，因此当控制电压在晶体管的栅极变化的时候，电压增益会发生剧烈的变化，从而导致增益并非线性关系而更多的接近指数关系。另外当控制电压低于阈值电压时，晶体管关闭，此时电路工作在衰减状态，由于该区域是晶体管打开和关闭的临界状态，会导致整体电路的线性度进一步变差，从而影响整体链路的性能。

如图2给出了另一种改良后的VGA电路，其中放大电路为源极电阻负反馈结构，其中开关管QC与电阻Rs并联，控制电压加在开关管的栅极，当控制电压较高时，开关打开，此时电容Ccc短路到地，放大器为高增益模式；当控制电压较低时，开关关闭，此时电容为断路，放大器为源极电阻负反馈的衰减模式。但上述电路的控制电压直接加到开关管栅极，增益仍然不是线性关系，动态效能欠佳。

因此，需要对现有VGA的结构给出更优的解决方案，提高其线性度和动态范围。

发明内容

为了克服现有技术中的上述缺陷，本发明提出了一种改进后的可变增益放大器及控制电路结构，不但可以实现低功耗下的高频和高线性度指标，还可以做到较为精确的线性控制。

为了达到本发明目的，本发明提供了一种高动态范围的可变增益放大器电路，所述放大器电路包括一输入端口（Vin）、一输出端口（Vout）以及一输入晶体管（Q1），包括：所述输入端口耦接到输入晶体管的栅极，所述输入晶体管的漏极经一负载电阻接电源端，所述输入晶体管的源极通过一负反馈电阻接地，所述输入晶体管的栅极和漏极之间还通过一第一电阻连接，所述输入晶体管的漏极耦接到输出端口；

所述输入晶体管的源极还通过一调节电容(Ccc)连接到一电流镜的输出端，所述电流镜上的电流受一控制电压（Vcon）控制实现可变增益。

进一步的，所述输入端口和输出端口分别通过电容与输入晶体管连接，所述输出端口还通过一电阻接地，所述负载电阻还并联有一电感和/或电容元件，所述负反馈电阻可以为一数控电位器。

进一步的，所述电流镜包括第一开关管和第二开关管，第一开关管的第一端通过调节电容与输入晶体管的源极连接，第一开关管的控制端与第二开关管的控制端和第二开关管的第一端连接，第一开关管和第二开关管的第二端均接地，第二开关管的第一端还通过一调节电阻（RT）连接所述控制电压。

其中，流经第一开关管的电流为流经第二开关管的电流的比例范围为0.7~10。

本发明还提供了一种射频收发芯片，集成有一个或多个上述的放大器电路，多个放大器电路依次级联。

本发明还提供了一种通信模块，其包括有一个或多个上述的射频收发芯片。

本发明所提供的技术方案，基于电流型控制电路结构，不但可以实现低功耗下的高频和高线性度指标，还可以做到较为精确的线性控制，其有益效果例举如下：

(1) 本发明采用自偏置的电流型结构提高了电路在衰减状态时的线性度，且电流型放大器的工艺离散型较小；

(2) 本发明采用电流型控制电路结构实现了近似线性增益控制，且整体范围内实现了较高的线性度指标，动态范围好。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为现有技术中的闭环结构VGA的示意图；

图2为现有技术中的一开环结构VGA的的示意图；

图3为现有技术中的另一开环结构VGA的的示意图；

图4为本发明一实施例提供的射频放大器电路的示意图；

图5为本发明一实施例提供大的VGA增益和控制电压Vcon的关系示意图；

图6为本发明一实施例提供的接收机模拟前端电路的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。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任意组合。

为解决现有放大器电路存在的上述问题，本发明提出了一种创新的放大器电路，基于电流型控制电路结构，不但可以实现低功耗下的高频和高线性度指标，还可以做到较为精确的线性控制。

如图4所示，其示出了本发明实施例提供的改进后的高动态范围的可变增益放大器电路的示意图，如图所示：所述VGA放大器电路包括一输入端口（Vin）、一输出端口（Vout）以及一输入晶体管（Q1），包括：

输入端口通过第一电容C接晶体管Q1的栅极，并提供输入信号Vin给晶体管Q1，晶体管的漏极经一负载电阻RD 接电源端Vd，电源供电电压为VDD，晶体管的源极通过一负反馈电阻Rs接地，晶体管的栅极和漏极之间还通过一第一电阻连接，晶体管的漏极通过一输出电容CP2连接到输出端口。

由于VGA放大器采用自偏置的电流型结构，因此电路的电流约等于(VDD-vth)/(RD+RS)，其中Vth为晶体管的阈值电压，RD为负载电阻，RS为源极负反馈电阻。也就是说，放大器的偏置电流主要由负载电阻和源极负反馈电阻决定，提高了电路在衰减状态时的线性度，且电流型放大器的工艺离散型较小。

进一步的，控制部分由开关管Qc1和Qc2决定，并且Qc1和Qc2为电流镜结构，尺寸比值为N：1，优选的，N的取值区间为0.7-10。开关管QC1的第一端通过一电容Ccc与晶体管Q1的源极连接，Qc1的控制端与Qc2的控制端和Qc2的第一端连接，Qc1和Qc2的第二端均接地，Qc2的第一端还通过一电阻T连接一控制电压Vcon。

根据电流镜的工作原理可知，流经Qc1的电流约等于N*(Vcon-Vth)/RT，Vth为晶体管的阈值电压。由于Qc1的等效电阻反比于电流，因此放大器的增益G=gm*RD/(1+gm*Rs//Rsw)，其中gm为晶体管Q1的跨导，Rsw为开关管QC1的导通电阻，当开关管Qc1处于关闭状态时，增益G~RD/RS，为衰减状态；而当开关Qc1打开时，电容Ccc短路到地，增益逐渐增大至接近gm*RD；在开关逐渐打开时，增益G~RD/Rsw~RD/RT*N*(Vcon-Vth)，由此可见增益跟Vcon基本呈线性关系，如图5结果所示。

图5示出了改良后的VGA增益在宽范围的控制电压内呈现良好的线性关系，且由于开关管Qc1始终处于电流型工作方式，其线性度指标较好。

其中，电阻Rs还可以为一数控电位器，Vout还通过一第二电阻RL接地。

结合图4，Vout还连接到一后级放大电路，所述后级放大电路包括依次串联在Vd和地之间的第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、电阻R3，第二晶体管和第三晶体管的连接点作为射频信号输出端RFout，Vout连接到第二晶体管Q2的控制端，第三晶体管Q的控制端接一个接地电阻R4。

进一步的，所述负载电阻RD还可以并联有电感和/或电容组件。

如图6，还示例出了本发明VGA的一种应用场景示意图，主要用于 GPS全球导航系统、移动通信等接收机模拟前端，其中处于基频频率的 VGA 补偿射频模块和中频模块的增益衰减；所述VGA 将输出信号放大到模数转换器需要的幅度。AGC 环路用于改变接收机的增益，调整各级信号动态范围，起到稳定输出信号功率的作用。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种高动态范围的可变增益放大器电路，所述放大器电路包括一输入端口（Vin）、一输出端口（Vout）以及一输入晶体管（Q1），其特征在于：

所述输入端口耦接到输入晶体管的栅极，所述输入晶体管的漏极经一负载电阻接电源端，所述输入晶体管的源极通过一负反馈电阻接地，所述输入晶体管的栅极和漏极之间还通过一第一电阻连接，所述输入晶体管的漏极耦接到输出端口；

所述输入晶体管的源极还通过一调节电容(Ccc)连接到一电流镜的输出端，所述电流镜上的电流受一控制电压（Vcon）线性地控制

所述电流镜包括第一开关管和第二开关管，第一开关管的第一端通过调节电容与输入晶体管的源极连接，第一开关管的控制端与第二开关管的控制端和第二开关管的第一端连接，第一开关管和第二开关管的第二端均接地，第二开关管的第一端还通过一调节电阻（RT）连接所述控制电压；

当第一开关管处于关闭状态时，为衰减状态；而当第一开关管打开时，所述调节电容短路到地，电路增益逐渐增大；根据电流镜的工作原理可知，流经第一开关管的电流正比于控制电压，而第一开关管的等效电阻反比于电流，因此在第一开关管逐渐打开时，电路增益跟所述控制电压呈线性关系。

2.如权利要求1所述的放大器电路，其特征在于，所述输入端口和输出端口分别通过电容与输入晶体管连接。

3.如权利要求2所述的放大器电路，其特征在于，所述输出端口还通过一电阻接地。

4.如权利要求1所述的放大器电路，其特征在于，所述负载电阻还并联有一电感和/或电容元件。

5.如权利要求1所述的放大器电路，其特征在于，所述负反馈电阻为一数控电位器。

6.如权利要求1所述的放大器电路，其特征在于，流经第一开关管的电流为流经第二开关管的电流的比例范围为0.7~10。

7.一种射频收发芯片，其特征在于，集成有一个或多个如权利要求1-6任一项所述的放大器电路，多个放大器电路依次级联。

8.一种通信模块，其包括有一个或多个如权利要求7所述的射频收发芯片。