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CN116979918B - 一种可变增益放大器 - Google Patents

一种可变增益放大器 Download PDF

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CN116979918B
CN116979918B CN202311001296.4A CN202311001296A CN116979918B CN 116979918 B CN116979918 B CN 116979918B CN 202311001296 A CN202311001296 A CN 202311001296A CN 116979918 B CN116979918 B CN 116979918B
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高一格
文豪
刘宇杰
陈鹏伟
曹佳
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Abstract

本发明公开了一种可变增益放大器，包括增益粗调级电路、直流偏移消除电路、增益细调级电路、偏置电路；偏置电路的输出端连接增益粗调级电路、直流偏移消除电路和增益细调级电路；增益粗调级电路的输入端作为可变增益放大器的输入端，并且与直流偏移消除电路的输出端连接；直流偏移消除电路的输入端与增益粗调级电路的输出端连接；增益细调级电路的输入端与增益粗调级电路的输出端连接，增益细调级电路的输出端作为可变增益放大器的输出端；增益粗调级电路包括依次级联的第一～第四固定增益放大器电路和与各个固定增益放大器电路对应连接的第一～第四旁路开关。本发明具有较宽的增益可调范围，并且具备直流偏移消除功能。

Description

一种可变增益放大器
技术领域
本发明涉及数模混合集成电路领域，具体涉及一种可变增益放大器。
背景技术
接收机模拟前端中的可变增益放大器用来调整信号大小，改变信号动态范围。随着无线通信系统的发展，接收机指标在不断变化，对可变增益放大器的性能要求不断提高。外界环境的变化要求可变增益放大器有较大的增益调节范围，同时能够减小输入信号的误差对其性能的影响，这是可变增益放大器的设计中亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种可变增益放大器，具有较宽的增益可调范围，并且具备直流偏移消除功能。
本发明的一个方面提供一种可变增益放大器，包括增益粗调级电路、直流偏移消除电路、增益细调级电路、偏置电路；
所述偏置电路的输出端连接所述增益粗调级电路、所述直流偏移消除电路和所述增益细调级电路；所述增益粗调级电路的输入端作为所述可变增益放大器的输入端，并且与所述直流偏移消除电路的输出端连接；所述直流偏移消除电路的输入端与所述增益粗调级电路的输出端连接；所述增益细调级电路的输入端与所述增益粗调级电路的输出端连接，所述增益细调级电路的输出端作为所述可变增益放大器的输出端；
所述增益粗调级电路包括第一～第四固定增益放大器电路和第一～第四旁路开关，所述第一～第四固定增益放大器电路依次级联；所述第一固定增益放大器电路的输入与所述第一旁路开关的一端相连，输出与所述第一旁路开关的另一端相连；所述第二固定增益放大器电路的输入与所述第二旁路开关的一端相连，输出与所述第二旁路开关的另一端相连；所述第三固定增益放大器电路的输入与所述第三旁路开关的一端相连，输出与所述第三旁路开关的另一端相连；所述第四固定增益放大器电路的输入与所述第四旁路开关的一端相连，输出与所述第四旁路开关的另一端相连。
优选地，所述第一～第四固定增益放大器电路具有相同的电路结构，该电路结构包括第一～第六晶体管、第一～第四电阻以及第一反馈电阻和第二反馈电阻，第一晶体管的栅极连接该电路结构的输入信号的正极，第二晶体管的栅极连接该电路结构的输入信号的负极，第一晶体管、第二晶体管的源极与第五晶体管的漏极相连，第五晶体管的栅极连接所述偏置电路提供的第一偏置电压，第五晶体管的源极接地，第三晶体管的栅极连接第一晶体管的漏极，第四晶体管的栅极连接第二晶体管的漏极，第三晶体管、第四晶体管的源极与第六晶体管的漏极相连，第六晶体管的栅极连接所述偏置电路提供的第一偏置电压，第六晶体管的源极接地；
第一晶体管的漏极与第一电阻一端相连，第一电阻另一端与电源相连；第二晶体管的漏极与第二电阻一端相连，第二电阻另一端与电源相连；第三晶体管的漏极与第三电阻一端相连，第三电阻另一端与电源相连；第四晶体管的漏极与第四电阻一端相连，第四电阻另一端与电源相连；第一反馈电阻一端与第一晶体管的漏极相连，另一端与第三晶体管的漏极相连；第二反馈电阻一端与第二晶体管的漏极相连，另一端与第四晶体管的漏极相连；第三晶体管的漏极连接该电路结构的正输出，第四晶体管的漏极连接该电路结构的负输出。
优选地，上述第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管都是NMOS晶体管，且均工作在饱和区。
优选地，所述直流偏移消除电路包括第七晶体管～第十一晶体管、第五电阻和第六电阻以及第一电容和第二电容，
所述直流偏移消除电路的第一输入连接第五电阻一端，第五电阻另一端与第七晶体管的栅极、第一电容一端相连，第一电容的另一端与地相连；直流偏移消除电路的第二输入连接第六电阻一端，第六电阻另一端与第八晶体管的栅极、第二电容一端相连，第二电容另一端与地相连；第七晶体管、第八晶体管的源极与第十一晶体管的漏极相连，第十一晶体管的栅极连接所述偏置电路提供的第二偏置电压，第十一晶体管的源极接地；第七晶体管的漏极与第九晶体管的源极、所述直流偏移消除电路的第一输出相连，第八晶体管的漏极与第十晶体管的源极、所述直流偏移消除电路的第二输出相连，第九晶体管、第十晶体管的源极与电源相连，第九晶体管、第十晶体管的栅极连接所述偏置电路提供的第三偏置电压。
优选地，上述第七晶体管、第八晶体管、第十一晶体管都是NMOS晶体管，第九晶体管、第十晶体管都是PMOS晶体管，且这些晶体管均工作在饱和区。
优选地，所述增益细调级电路包括第一输入电阻和第二输入电阻、第一可调反馈电阻和第二可调反馈电阻以及运算放大器，
所述增益细调级电路的第一输入与第一输入电阻一端相连，第一输入电阻另一端与运算放大器一端输入和第一可调反馈电阻一端相连，第一可调反馈电阻另一端与运算放大器一端输出相连，作为所述增益细调级电路的第一输出；所述增益细调级电路的第二输入与第二输入电阻一端相连，第二输入电阻另一端与运算放大器另一端输入和第二可调反馈电阻一端相连，第二可调反馈电阻另一端与运算放大器另一端输出相连，作为所述增益细调级电路的第二输出。
优选地，所述第一可调反馈电阻和第二可调反馈电阻通过开关电阻阵列实现，所述开关电阻阵列包括多个晶体管开关以及与所述多个晶体管开关对应连接的多个开关电阻。
根据本发明上述方面的可变增益放大器，具有较宽的增益可调范围，并且具备直流偏移消除功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1为本发明一种实施方式的可变增益放大器的原理框图。
图2为图1中的第一～第四固定增益放大器电路的原理图。
图3为图1中的直流偏移消除电路的原理图。
图4为图1中的增益细调级电路的原理图。
图5为图4中的第一和第二可调反馈电阻的电路原理图。
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，下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的实施方式提供一种可变增益放大器，图1是本发明一种实施方式的可变增益放大器的原理框图。如图1所示，本发明实施方式的可变增益放大器包括增益粗调级电路、直流偏移消除电路、增益细调级电路和偏置电路。
偏置电路的输出端连接增益粗调级电路、直流偏移消除电路、增益细调级电路。偏置电路用于为增益粗调级电路、直流偏移消除电路和增益细调级电路提供偏置电压。可变增益放大器具有输入端和输出端，增益粗调级电路的输入端作为可变增益放大器的输入端，同时和直流偏移消除电路的输出端连接，增益粗调级电路的输出端与直流偏移消除电路输入端连接。增益粗调级电路用于对放大器增益进行粗调控制，直流偏移消除电路用于消除电路的直流偏移。增益细调级电路的输入端与增益粗调级电路的输出端连接，增益细调级电路的输出端作为可变增益放大器的输出端，增益细调级电路用于对放大器增益进行细调控制。
增益粗调级电路包括4个固定增益放大器电路和4个旁路开关。所述第一、二、三、四固定增益放大器电路依次级联；所述第一固定增益放大器电路的输入与所述第一旁路开关的一端相连，输出与所述第一旁路开关的另一端相连；所述第二固定增益放大器电路的输入与所述第二旁路开关的一端相连，输出与所述第二旁路开关的另一端相连；所述第三固定增益放大器电路的输入与所述第三旁路开关的一端相连，输出与所述第三旁路开关的另一端相连；所述第四固定增益放大器电路的输入与所述第四旁路开关的一端相连，输出与所述第四旁路开关的另一端相连。
图2为图1中的第一～第四固定增益放大器电路的原理图。所述第一～第四固定增益放大器电路的电路结构相同(以下也统称为固定增益放大器电路)，采用改进的Cherry-Hooper放大器结构，包括6个晶体管(第一晶体管M1～第六晶体管M6)、6个电阻(第一电阻R1～第四电阻R4、第一反馈电阻Rf1和第二反馈电阻Rf2)。
其中，第一晶体管M1的栅极连接固定增益放大器电路的输入信号的正极Vin+，第二晶体管M2的栅极连接固定增益放大器电路的输入信号的负极Vin-，第一晶体管M1、第二晶体管M2的源极与第五晶体管M5的漏极相连，第五晶体管M5的栅极连接偏置电路提供的第一偏置电压Vb1，第五晶体管M5的源极接地。第三晶体管M3的栅极连接第一晶体管M1的漏极，第四晶体管M4的栅极连接第二晶体管M2的漏极，第三晶体管M3、第四晶体管M4的源极与第六晶体管M6的漏极相连，第六晶体管M6的栅极连接偏置电路提供的第一偏置电压Vb1，第六晶体管M6的源极接地。第一晶体管M1的漏极与第一电阻R1一端相连，第一电阻R1另一端与电源相连；第二晶体管M2的漏极与第二电阻R2一端相连，第二电阻R2另一端与电源相连。第三晶体管M3的漏极与第三电阻R3一端相连，第三电阻R3另一端与电源相连；第四晶体管M4的漏极与第四电阻R4一端相连，第四电阻R4另一端与电源相连。第一反馈电阻Rf1一端与第一晶体管M1漏极相连，另一端与第三晶体管M3的漏极相连；第二反馈电阻Rf2一端与第二晶体管M2的漏极相连，另一端与第四晶体管M4的漏极相连。第三晶体管M3的漏极连接固定增益放大器电路的正输出Vout+，第四晶体管M4的漏极连接固定增益放大器电路的负输出Vout-。
上述第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4都是NMOS晶体管，且均工作在饱和区。
在上述第一～第四固定增益放大器电路中，形成两级放大器，第一反馈电阻Rf1和第二反馈电阻Rf2在两级放大器中形成局部负反馈，减小了关键节点的等效电阻，拓展了放大器的带宽。其中，第一级放大器在带宽内的增益可以表示为：
其中，gm1、gm3分别为M1和M3的跨导，Rf是Rf1的阻值。第二级放大器同样。通过上式可知，改变Rf可以对放大器的增益进行调整。同时，可以通过开关第一、第二、第三、第四旁路开关对电路增益进行粗调控制。
图3为图1中的直流偏移消除电路的原理图。如图3所示，直流偏移消除电路包括5个晶体管(第七晶体管M7～第十一晶体管M11)、2个电阻(第五电阻R5、第六电阻R6)和2个电容(第一电容C1、第二电容C2)。
其中，直流偏移消除电路的第一输入VINP连接第五电阻R5一端，第五电阻R5另一端与第七晶体管M7的栅极、第一电容C1一端相连，第一电容C1的另一端与地相连；直流偏移消除电路的第二输入VINN连接第六电阻R6一端，第六电阻R6另一端与第八晶体管M8的栅极、第二电容C2一端相连，第二电容C2的另一端与地相连。第七晶体管M7、第八晶体管M8的源极与第十一晶体管M11的漏极相连，第十一晶体管M11的栅极连接偏置电路提供的第二偏置电压Vb2，第十一晶体管M11的源极接地。第七晶体管M7的漏极与第九晶体管M9的源极、直流偏移消除电路的第一输出VOUTN相连，第八晶体管M8的漏极与第十晶体管M10的源极、直流偏移消除电路的第二输出VOUTP相连，第九晶体管M9、第十晶体管M10的源极与电源相连，第九晶体管M9、第十晶体管M10的栅极连接偏置电路提供的第三偏置电压Vb3。
上述第七晶体管M7、第八晶体管M8、第十一晶体管M11都是NMOS晶体管，第九晶体管M9、第十晶体管M10都是PMOS晶体管，且上述晶体管均工作在饱和区。
采用上述直流偏移消除电路，使电路整体呈现高通特性，具备直流偏移消除功能。
图4为图1中的增益细调级电路的原理图。如图4所示，所述增益细调级电路采用带有负载反馈功能的闭环电路放大器结构，包括2个输入电阻(第一输入电阻Rinp、第二输入电阻Rinn)、2个开关电阻阵列(第一可调反馈电阻RFp和第二可调反馈电阻RFn)和一个差分输入输出结构的运算放大器(运算放大器OPA)。
其中，增益细调级电路的第一输入VPin与第一输入电阻Rinp一端相连，第一输入电阻Rinp另一端与运算放大器OPA一端输入和第一可调反馈电阻RFp一端相连，第一可调反馈电阻RFp另一端与运算放大器OPA一端输出相连，作为增益细调级电路的第一输出VPout；增益细调级电路的第二输入VNin与第二输入电阻Rinn一端相连，第二输入电阻Rinn另一端与运算放大器OPA另一端输入和第二可调反馈电阻RFn一端相连，第二可调反馈电阻RFn另一端与运算放大器OPA另一端输出相连，作为增益细调级电路的第二输出VNout。
第一和第二可调反馈电阻RFp和RFn通过开关电阻阵列实现，所述开关电阻阵列包括多个晶体管开关以及与所述多个晶体管开关对应连接的多个开关电阻。图5为图4中的第一和第二可调反馈电阻的电路原理图。在图5的实施例中，16个开关C[0]、C[1]、…、C[15]为工作在深线性区的NMOS晶体管，通过该16个NMOS开关的信号选择与其连接的16个开关电阻RF1、RF2、…、RF16，从而决定第一和第二可调反馈电阻RFp、RFn的阻值。
理想情况下，增益细调级电路的闭环电路放大器的增益为：
其中，RF是RFp和RFn的阻值，Rin是Rinp和Rinn的阻值。通过上式可知，可以通过控制开关电阻阵列，调节可调反馈电阻RF的阻值，从而对增益细调级电路的增益进行调整。
所述偏置电路为增益粗调级电路、直流偏移消除电路、增益细调级电路提供上述的第一～第三偏置电压。所述偏置电路的结构不做特别限定，只要能够实现上述目的即可，例如可以采用包括带隙基准电路和多路电流镜电路等的结构。
综上所述，本发明实施方式的可变增益放大器具有如下有益效果：
1、采用改进的Cherry-Hooper放大器结构实现四级可旁路选择的固定增益放大器电路，实现了较宽的增益可调范围；
2、采用直流偏移消除电路，使电路整体呈现高通特性，具备直流偏移消除功能；
3、增益细调级电路采用有负载反馈功能的闭环电路放大器结构，在较宽的增益可调范围内实现增益细调节功能。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (1)

1.一种可变增益放大器，其特征在于，包括增益粗调级电路、直流偏移消除电路、增益细调级电路、偏置电路；
所述偏置电路的输出端连接所述增益粗调级电路、所述直流偏移消除电路和所述增益细调级电路；所述增益粗调级电路的输入端作为所述可变增益放大器的输入端，并且与所述直流偏移消除电路的输出端连接；所述直流偏移消除电路的输入端与所述增益粗调级电路的输出端连接；所述增益细调级电路的输入端与所述增益粗调级电路的输出端连接，所述增益细调级电路的输出端作为所述可变增益放大器的输出端；
所述增益粗调级电路包括第一～第四固定增益放大器电路和第一～第四旁路开关，所述第一～第四固定增益放大器电路依次级联；所述第一固定增益放大器电路的输入与所述第一旁路开关的一端相连，输出与所述第一旁路开关的另一端相连；所述第二固定增益放大器电路的输入与所述第二旁路开关的一端相连，输出与所述第二旁路开关的另一端相连；所述第三固定增益放大器电路的输入与所述第三旁路开关的一端相连，输出与所述第三旁路开关的另一端相连；所述第四固定增益放大器电路的输入与所述第四旁路开关的一端相连，输出与所述第四旁路开关的另一端相连，
所述直流偏移消除电路包括第七晶体管～第十一晶体管、第五电阻和第六电阻以及第一电容和第二电容，
所述直流偏移消除电路的第一输入连接第五电阻一端，第五电阻另一端与第七晶体管的栅极、第一电容一端相连，第一电容的另一端与地相连；直流偏移消除电路的第二输入连接第六电阻一端，第六电阻另一端与第八晶体管的栅极、第二电容一端相连，第二电容另一端与地相连；第七晶体管、第八晶体管的源极与第十一晶体管的漏极相连，第十一晶体管的栅极连接所述偏置电路提供的第二偏置电压，第十一晶体管的源极接地；第七晶体管的漏极与第九晶体管的漏极、所述直流偏移消除电路的第一输出相连，第八晶体管的漏极与第十晶体管的漏极、所述直流偏移消除电路的第二输出相连，第九晶体管、第十晶体管的源极与电源相连，第九晶体管、第十晶体管的栅极连接所述偏置电路提供的第三偏置电压，
上述第七晶体管、第八晶体管、第十一晶体管都是NMOS晶体管，第九晶体管、第十晶体管都是PMOS晶体管，且这些晶体管均工作在饱和区，
所述第一～第四固定增益放大器电路具有相同的电路结构，该电路结构包括第一～第六晶体管、第一～第四电阻以及第一反馈电阻和第二反馈电阻，第一晶体管的栅极连接该电路结构的输入信号的正极，第二晶体管的栅极连接该电路结构的输入信号的负极，第一晶体管、第二晶体管的源极与第五晶体管的漏极相连，第五晶体管的栅极连接所述偏置电路提供的第一偏置电压，第五晶体管的源极接地，第三晶体管的栅极连接第一晶体管的漏极，第四晶体管的栅极连接第二晶体管的漏极，第三晶体管、第四晶体管的源极与第六晶体管的漏极相连，第六晶体管的栅极连接所述偏置电路提供的第一偏置电压，第六晶体管的源极接地；
第一晶体管的漏极与第一电阻一端相连，第一电阻另一端与电源相连；第二晶体管的漏极与第二电阻一端相连，第二电阻另一端与电源相连；第三晶体管的漏极与第三电阻一端相连，第三电阻另一端与电源相连；第四晶体管的漏极与第四电阻一端相连，第四电阻另一端与电源相连；第一反馈电阻一端与第一晶体管的漏极相连，另一端与第三晶体管的漏极相连；第二反馈电阻一端与第二晶体管的漏极相连，另一端与第四晶体管的漏极相连；第三晶体管的漏极连接该电路结构的正输出，第四晶体管的漏极连接该电路结构的负输出，
上述第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管都是NMOS晶体管，且均工作在饱和区，
所述增益细调级电路包括第一输入电阻和第二输入电阻、第一可调反馈电阻和第二可调反馈电阻以及运算放大器，
所述增益细调级电路的第一输入与第一输入电阻一端相连，第一输入电阻另一端与运算放大器一端输入和第一可调反馈电阻一端相连，第一可调反馈电阻另一端与运算放大器一端输出相连，作为所述增益细调级电路的第一输出；所述增益细调级电路的第二输入与第二输入电阻一端相连，第二输入电阻另一端与运算放大器另一端输入和第二可调反馈电阻一端相连，第二可调反馈电阻另一端与运算放大器另一端输出相连，作为所述增益细调级电路的第二输出，
所述第一可调反馈电阻和第二可调反馈电阻通过开关电阻阵列实现，所述开关电阻阵列包括多个晶体管开关以及与所述多个晶体管开关对应连接的多个开关电阻。
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