本發(fā)明涉及一種集成電路的設(shè)計,尤其涉及一種可變增益放大器的設(shè)計。
背景技術(shù):
在無線通信系統(tǒng)中,由于信道衰落現(xiàn)象,導(dǎo)致接收機(jī)輸入信號的幅值范圍變化很大(高達(dá)幾十個dB)。為了減小誤碼率,接收機(jī)通常設(shè)置有自動增益控制電路(Automatic Gain Control,AGC),而可變增益放大器則是AGC系統(tǒng)的主要部分。目前可變增益放大器的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)主要體現(xiàn)為:寬帶寬、高增益動態(tài)范圍和高線性度。大部分設(shè)計者在實(shí)現(xiàn)寬帶寬和高增益的范圍內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)高線性度,而實(shí)現(xiàn)高線性度則可能犧牲了可帶寬和增益。
現(xiàn)有技術(shù)中,可變增益放大器分為開環(huán)和閉環(huán)兩種形式。開環(huán)可變增益放大器可以實(shí)現(xiàn)增益的連續(xù)可調(diào),但穩(wěn)定性較差,線性度較低,信號的動態(tài)范圍較??;閉環(huán)結(jié)構(gòu)的可變增益放大器使用負(fù)反饋的形式,性能較為穩(wěn)定,其增益取決于電阻之比,線性度較高,但是難以實(shí)現(xiàn)增益的連續(xù)可調(diào)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題,本發(fā)明提供一種高線性度可變增益放大器,可提高放大器的線性度,以及實(shí)現(xiàn)增益的連續(xù)可調(diào)。
為了解決上述問題,本發(fā)明提出的一種高線性度可變增益放大器,包括用以對信號進(jìn)行放大或衰減的可變增益放大器,所述可變增益放大器采用閉環(huán)負(fù)反饋結(jié)構(gòu),同時還采用產(chǎn)生增益控制電壓的指數(shù)增益控制電路,從而實(shí)現(xiàn)可變增益放大器的增益呈dB線性連續(xù)變化;所述可變增益放大器由全差分運(yùn)算放大器A和第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第三PMOS管M3和第四PMOS管M4構(gòu)成,所述第一PMOS管M1和第三PMOS管M3為輸入PMOS管,所述第二PMOS管M2和第四PMOS管M4為反饋PMOS管;所述第一PMOS管M1的源端連接至第一輸入信號VIP,所述第一PMOS管M1的漏端與所述全差分運(yùn)算放大器A的正輸入端相連;所述第二PMOS管M2的源端連接至第二輸入信號VIN,所述第二PMOS管M2的漏端與所述全差分運(yùn)算放大器A的負(fù)輸入端相連;所述第三PMOS管M3的漏端與全差分運(yùn)算放大器A的正輸入端相連,所述第三PMOS管M3的源端與全差分運(yùn)算放大器A的負(fù)輸出端VON相連;所述第四PMOS M4的漏端與全差分運(yùn)算放大器A的負(fù)輸入端相連,所述第四PMOS管M4的源端與全差分運(yùn)算放大器A的正輸出端VOP相連;所述第一PMOS管M1和所述第三PMOS管M3的柵極均與第一增益控制電壓Vc1相連,第二PMOS管M2和第四PMOS管M4的柵極均與第二增益控制電壓Vc2相連;所述全差分運(yùn)算放大器A包括第一級和第二級兩級結(jié)構(gòu)及偏置電路和共模反饋電路,其中,第一級為套筒式共源共柵結(jié)構(gòu),第二級為共源級;所述可變增益放大器中的第一PMOS管M1、第三PMOS管M3、第二PMOS管M2、第四PMOS管M4均工作在線性區(qū),其中,第一PMOS管M1和第二PMOS管M2的等效電阻為Rin:
式(1)中,μP為PMOS的空穴遷移率,單位為cm2/V-s;Cox為單位面積的柵氧化層電容,單位為F/cm2;為PMOS的寬長比;VTHP為PMOS的閾值電壓,單位為V;第三PMOS管M3和第四PMOS管M4的等效電阻為Rf:
式(2)中,式(1)中,μP為PMOS的空穴遷移率,單位為cm2/V-s;Cox為單位面積的柵氧化層電容,單位為F/cm2;為PMOS的寬長比;VTHP為PMOS的閾值電壓,單位為V;所述可変增益放大器A的增益為A:
所述指數(shù)增益控制電路用于產(chǎn)生兩個所述的第一增益控制電壓Vc1和第二Vc2增益控制電壓,所述指數(shù)增益控制電路的輸入為外部控制信號Vc,其中,第一PMOS管M1、第三PMOS管M3的柵極與第一增益控制電壓Vc1相連,第二PMOS管M2、第四PMOS管M4的柵極與第二增益控制電壓Vc2相連;所述指數(shù)增益控制電路的外部基準(zhǔn)電流為I0;所述指數(shù)增益控制電路包括17個MOS管和兩個電阻,17個MOS管分別記作MOS管M5、MOS管M6、MOS管M7、MOS管M8、MOS管M9、MOS管M10、MOS管M 11、MOS管M12、MOS管M13、MOS管M14、MOS管M15、MOS管M16、MOS管M17、MOS管M18、MOS管M19、MOS管M20和MOS管M21,兩個電阻為電阻R1和電阻R2;外部控制信號Vc與所述MOS管M5和所述MOS管M6的柵極相連;通過電流鏡形式,所述MOS管M14和MOS管M15將外部基準(zhǔn)電流I0鏡像給所述MOS管M11和MOS管M12,則流過所述MOS管M8的電流為所述MOS管M5和MOS管M12的電流之和,然后,通過所述MOS管M10的漏電流鏡像給所述MOS管M9,然后,鏡像給MOS管M21;同時,所述MOS管M9鏡像得到外部基準(zhǔn)電流I0與所述MOS管M6的電流之和流過所述MOS管M7,然后,鏡像給所述MOS管M20;電阻R1的一端與所述MOS管M20的漏端相連,電阻R1的另一端接地Vss;電阻R2的一端與M21的漏端相連,電阻R2的另一端接地Vss,從而,流經(jīng)電阻R1的電流Ic1和流經(jīng)電阻R2的電流Ic2分別為:
式(4)中,μN為NMOS的空穴遷移率,單位為cm2/V-s;為NMOS的寬長比;VTHN為NMOS的閾值電壓,單位V;
式(5)中,第一增益控制電壓Vc1和第二增益控制電壓Vc2分別為:
VC1=IC1·R1 (6)
VC2=IC2·R2 (7)
令:電阻R1和電阻R2的阻值相等,設(shè)KN=KP=K,VTHN=|VTHP|=VTH,VDD=-VSS,則第一增益控制電壓Vc1和第二增益控制電壓Vc2的比值為:
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明提供的可變增益放大器采用閉環(huán)負(fù)反饋結(jié)構(gòu),在提高線性度的同時,實(shí)現(xiàn)了增益以指數(shù)形式連續(xù)可調(diào)。
附圖說明
圖1是本發(fā)明高線性度可変增益放大器的整體架構(gòu)圖;
圖2是本發(fā)明中的指數(shù)增益控制電路結(jié)構(gòu)圖;
圖3是本發(fā)明中可變增益放大器的控制信號VC和輸入1dB壓縮點(diǎn)(P1dB)的關(guān)系圖;
圖4是本發(fā)明中可變增益放大器的控制信號VC和增益的dB值之間關(guān)系圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述,所描述的具體實(shí)施例僅對本發(fā)明進(jìn)行解釋說明,并不用以限制本發(fā)明。
如圖1所示,本發(fā)明一種高線性度可變增益放大器,包括用以對信號進(jìn)行放大或衰減的可變增益放大器,其特征在于:所述可變增益放大器采用閉環(huán)負(fù)反饋結(jié)構(gòu),同時還采用產(chǎn)生增益控制電壓的指數(shù)增益控制電路,從而實(shí)現(xiàn)可變增益放大器的增益呈dB線性連續(xù)變化。
如圖1所示,所述可變增益放大器由全差分運(yùn)算放大器A和第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第三PMOS管M3和第四PMOS管M4構(gòu)成,所述第一PMOS管M1和第三PMOS管M3為輸入PMOS管,所述第二PMOS管M2和第四PMOS管M4為反饋PMOS管;所述第一PMOS管M1的源端連接至第一輸入信號VIP,所述第一PMOS管M1的漏端與所述全差分運(yùn)算放大器A的正輸入端相連;所述第二PMOS管M2的源端連接至第二輸入信號VIN,所述第二PMOS管M2的漏端與所述全差分運(yùn)算放大器A的負(fù)輸入端相連;所述第三PMOS管M3的漏端與全差分運(yùn)算放大器A的正輸入端相連,所述第三PMOS管M3的源端與全差分運(yùn)算放大器A的負(fù)輸出端VON相連;所述第四PMOS M4的漏端與全差分運(yùn)算放大器A的負(fù)輸入端相連,所述第四PMOS管M4的源端與全差分運(yùn)算放大器A的正輸出端VOP相連;所述第一PMOS管M1和所述第三PMOS管M3的柵極均與第一增益控制電壓Vc1相連,第二PMOS管M2和第四PMOS管M4的柵極均與第二增益控制電壓Vc2相連。
所述全差分運(yùn)算放大器A包括第一級和第二級兩級結(jié)構(gòu)及偏置電路和共模反饋電路,其中,第一級為套筒式共源共柵結(jié)構(gòu),第二級為共源級;加入了偏置電路和共模反饋電路,采用了共源共柵補(bǔ)償技術(shù),以獲得足夠的相位裕度,保證反饋環(huán)路的穩(wěn)定性。
所述可變增益放大器中的輸入PMOS即第一PMOS管M1和第三PMOS管M3,及反饋PMOS即第二PMOS管M2、第四PMOS管M4均工作在線性區(qū),其中,第一PMOS管M1和第二PMOS管M2的等效電阻為Rin:
式(1)中,μP為PMOS的空穴遷移率,單位為cm2/V-s;Cox為單位面積的柵氧化層電容,單位為F/cm2;為PMOS的寬長比;VTHP為PMOS的閾值電壓,單位為V;
第三PMOS管M3和第四PMOS管M4的等效電阻為Rf:
式(2)中,式(1)中,μP為PMOS的空穴遷移率,單位為cm2/V-s;Cox為單位面積的柵氧化層電容,單位為F/cm2;為PMOS的寬長比;VTHP為PMOS的閾值電壓,單位為V;
所述可変增益放大器A的增益為A:
如圖2所示,本發(fā)明中所述指數(shù)增益控制電路的輸入為外部控制信號Vc,通過所述指數(shù)增益控制電路產(chǎn)生兩個增益控制電壓,即第一增益控制電壓Vc1和第二增益控制電壓Vc2,其中,第一PMOS管M1、第三PMOS管M3的柵極與第一增益控制電壓Vc1相連,第二PMOS管M2、第四PMOS管M4的柵極與第二增益控制電壓Vc2相連。所述指數(shù)增益控制電路的外部基準(zhǔn)電流為I0;所述指數(shù)增益控制電路包括17個MOS管和兩個電阻,其中,17個MOS管分別記作MOS管M5、MOS管M6、MOS管M7、MOS管M8、MOS管M9、MOS管M10、MOS管M 11、MOS管M12、MOS管M13、MOS管M14、MOS管M15、MOS管M16、MOS管M17、MOS管M18、MOS管M19、MOS管M20和MOS管M21,兩個電阻為電阻R1和電阻R2;各器件的連接關(guān)系如圖2所示,其中,MOS管M5、MOS管M7、MOS管M9、MOS管M11、MOS管M14、MOS管M17、MOS管M20、MOS管M21的源端接電源電壓VDD;MOS管M6、MOS管M8、MOS管M10、MOS管M13、MOS管M16、MOS管M18、MOS管M19的源端接地Vss;MOS管M5的柵極接外部控制信號VC,MOS管M6的漏端與MOS管M8的柵漏、MOS管M12的漏端相連;MOS管M6的柵極接外部控制信號VC,MOS管M6的漏端與MOS管M7的柵漏、MOS管M13的漏端相連;MOS管M7的柵漏短接,與MOS管M6的漏端、MOS管M13的漏端、MOS管M20的柵極相連;MOS管M8的柵漏短接,與MOS管M5的漏端、MOS管M10的柵極、MOS管M12的漏端相連;MOS管M9的柵漏短接與MOS管M10的漏端、MOS管M21的柵極相連;MOS管M10的柵極與MOS管M8的柵極相連,MOS管M10的漏端與MOS管M9的漏端相連;MOS管M11的柵極與MOS管M14的柵極、MOS管M15的漏端相連,MOS管M11的漏端與MOS管M12的源端相連;MOS管M12的源端與MOS管M11的漏端相連,MOS管M12的柵極與MOS管M15的柵極、MOS管M17的柵漏相連,MOS管M12的漏端與MOS管M5的漏端、MOS管M8的漏端相連;MOS管M13的漏端與MOS管M6的漏端、MOS管M7的漏端相連,MOS管M13的柵極與MOS管M16的柵極、MOS管M18的柵極、MOS管M19的柵極相連;MOS管M14的柵極與MOS管M11的柵極、MOS管M15的漏端相連,MOS管M14的漏端與MOS管M15的源端相連;MOS管M15的源端與MOS管M14的漏端相連,MOS管M15的漏端與MOS管M11的柵極、MOS管M14的柵極、MOS管M16的漏端相連,MOS管M15的柵極與MOS管M12的柵極、MOS管M17的柵漏相連;MOS管M16的漏端與MOS管M15的漏端相連,MOS管M16的柵極與MOS管M13的柵極、MOS管M18的柵極、MOS管M19的柵極相連;MOS管M17的柵漏短接與MOS管M12的柵極、MOS管M15的柵極、MOS管M18的漏端相連;MOS管M18的漏端與MOS管M17的漏端相連,MOS管M18的柵極與MOS管M13的柵極、MOS管M16的柵極、MOS管M19的柵極相連;MOS管M19的柵漏短接,與外部電流基準(zhǔn)源相連;MOS管M20的柵極與MOS管M7的柵極相連,MOS管M20的漏端與電阻R1的一端相連,接到輸出控制電壓Vc1;MOS管M21的柵極與MOS管M9的柵極相連,MOS管M21的漏端與電阻R2的一端相連,接到輸出控制電壓Vc2;電阻R1和電阻R2的另一端接地Vss。本發(fā)明的外部控制信號Vc與所述MOS管M5和所述MOS管M6的柵極相連;通過電流鏡形式,所述MOS管M14和MOS管M15將外部基準(zhǔn)電流I0鏡像給所述MOS管M11和MOS管M12,則流過所述MOS管M8的電流為所述MOS管M5和MOS管M12的電流之和,然后,通過所述MOS管M10的漏電流鏡像給所述MOS管M9,然后,鏡像給MOS管M21;同時,所述MOS管M9鏡像得到外部基準(zhǔn)電流I0與所述MOS管M6的電流之和流過所述MOS管M7,然后,鏡像給所述MOS管M20;從而,流經(jīng)電阻R1的電流Ic1和流經(jīng)電阻R2的電流Ic2分別為:
式(4)中,μN為NMOS的空穴遷移率,單位為cm2/V-s;為NMOS的寬長比;VTHN為NMOS的閾值電壓,單位V;
式(5)中,第一增益控制電壓Vc1和第二增益控制電壓Vc2分別為:
VC1=IC1·R1 (6)
VC2=IC2·R2 (7)
令:電阻R1和電阻R2的阻值相等,設(shè)KN=KP=K,VTHN=|VTHP|=VTH,VDD=-VSS,則第一增益控制電壓Vc1和第二增益控制電壓Vc2的比值為:
公式(8)是指數(shù)函數(shù)的一種近似表達(dá)式,因此本發(fā)明提供的可變增益放大器可以實(shí)現(xiàn)增益指數(shù)形式連續(xù)可調(diào)。
圖3示出了本發(fā)明高線性度可變增益放大器的外部控制信號VC和輸入1dB壓縮點(diǎn)(P1dB)的關(guān)系,可以看出該可變增益放大器實(shí)現(xiàn)了較高的線性度。
圖4示出了本發(fā)明高線性度可變增益放大器的外部控制信號VC和增益的dB值之間關(guān)系圖,可以看出該可變增益放大器實(shí)現(xiàn)了很好的dB線性關(guān)系,并獲得了22dB的連續(xù)增益范圍。
盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行了描述,但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式,上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的,而不是限制性的,本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下,在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下,還可以做出很多變形,這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。