專利名稱：用于發(fā)送端的可變增益放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于模擬信號處理和通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及適合于無線收發(fā)器和聲頻/視頻模擬信號處理電路的可變增益放大器設(shè)計。
使用在發(fā)送器中的可變增益放大器和使用在接收器中的可變增益放大器在增益的要求上有不同的地方前者需要的增益小，通常最大增益為0dB，而后者一般需要高的增益。在其他的指標上，二者是一致的。
要使得可變增益放大器的增益范圍大，一般考慮是把幾個相同的可變增益基本單元級聯(lián)起來，一個典型的可變增益放大器的連接形式如

圖1所示可變增益基本單元之間的連接可以直接耦合也可以通過電容耦合，可變增益基本單元的控制電壓輸入是由控制電壓發(fā)生器提供和分配，各個可變增益基本單元的控制電壓可以相同也可以不同，根據(jù)可變增益基本單元具體的電路結(jié)構(gòu)而定。對于可變增益基本單元而言，如果它的可變增益范圍小，就需要很多這樣的基本單元級聯(lián)，這樣就會導(dǎo)致整體的可變增益放大器的帶寬降低，而且會出現(xiàn)越來越大的直流失調(diào)，也會導(dǎo)致電路所占的版圖面積增大。所以設(shè)計者一般專注于性能好的可變增益基本單元的實現(xiàn)。
為了實現(xiàn)增益在dB上線性，傳統(tǒng)的可變增益放大器往往采用雙級型工藝，利用雙級型晶體管的特殊性質(zhì)集電極電流和基極電壓有指數(shù)關(guān)系，來實現(xiàn)增益隨控制電壓具有指數(shù)性質(zhì)，也就是在dB上和控制電壓呈線性關(guān)系。而在CMOS工藝中，MOS管不具有這樣的指數(shù)性質(zhì)，所以只能用近似的方法來逼近指數(shù)性質(zhì)，也就是dB上線性的性質(zhì)。
既然用于發(fā)送端的可變增益放大器最大增益不超過0dB，所以傳統(tǒng)的方法使用源級跟隨器來實現(xiàn)，并且使用處于線性區(qū)的MOS管作為可變電阻來實現(xiàn)增益的改變。一種典型的CMOS工藝實現(xiàn)的可變增益基本單元的電路如圖2所示，由三個MOS管M1、M2和Mc_1，兩個電流源Id1、Id2組成，其連接關(guān)系為輸入信號Vin+、Vin-分別接到MOS管M1和MOS管M2的柵級上，而MOS管M1和M2的漏級連接到電源Vdd上；MOS管M1的源級連接到提供偏置電流的電流源Id1上，MOS管M2的源級連接到提供偏置電流的電流源Id2上，同時，MOS管M1和M2的源級分別連接到一個處于線性區(qū)的MOS管Mc_1的源級和漏級。MOS管M1和M2的漏級為輸出信號端?？刂齐妷篤c接到MOS管Mc_1的柵級上。這樣通過改變MOS管的柵級電壓來改變MOS管Mc_1的等效電阻，實現(xiàn)增益的改變。
上述這個電路存在以下不足第一、增益在dB上不是線性關(guān)系，只有在很小一段范圍上才近似；第二、輸入控制電壓范圍很小，一般只有1V；第三、增益動態(tài)范圍小，有效的增益動態(tài)范圍只有15dB左右；第四、無法直接級聯(lián)幾個類似的可變增益基本單元，因為每經(jīng)過一級，其輸出點的直流電壓就會下降一個MOS管的閾值電壓Vth。這樣，級聯(lián)就只能夠通過隔直電容進行交流耦合，如果要實現(xiàn)70dB的增益變化范圍，就至少需要5級這樣的可變增益基本單元，就會至少有8個隔直電容，占用大量的芯片面積。
本發(fā)明提出的一種用于發(fā)送端的可變增益放大器，包括多個相同的級聯(lián)的可變增益基本單元和控制電壓發(fā)生器兩部分，所說的各可變增益基本單元的輸出端與控制電壓發(fā)生器相連，其特征在于，所說的可變增益基本單元由多個可變增益的源級跟隨器直接級聯(lián)而成，其中最后一級的源級跟隨器包括MOS管M1、M2，以及作為可變電阻的MOS管Mc_1，作為偏置的電阻R1和R2；其連接關(guān)系為前一級的輸出信號輸入到M1的柵級上，前一級的另一個輸出信號輸入到M2的柵級上，M1、M2的漏級都接到電源Vdd上；M1和M2的源級分別連接Mc_1管的源級和漏級，同時分別連接R1和R2的一端上；R1和R2的另一端連接到地；Mc_1的柵級是控制電壓輸入信號Vc2的輸入端，M1和M2的源級端為該級信號的輸出端；次末級源級跟隨器的構(gòu)成是在最后一級源級跟隨器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了一對偏置電阻R3、R4和作為可變電阻的MOS管Mc_2，其中，R3連接R1的一端，R3的另一端接地，R4連接R2的一端，R4的另一端接地，Mc_2的源、漏極分別連接R1和R2的一端，同時也是R3和R4的一端；而Mc_2的柵級和Mc_1的柵級連接在一起是控制電壓輸入信號Vc1的輸入端；以此類推，前一級源級跟隨器的構(gòu)成均是在其后一級源級跟隨器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了一對偏置電阻和作為可變電阻的MOS管。
本發(fā)明的CMOS可變增益放大器的設(shè)計方案與傳統(tǒng)設(shè)計方案相比具有以下幾個明顯的優(yōu)點1)該可變增益放大器具有增益隨控制電壓在輸入控制電壓的范圍上、在dB上呈近似的線性關(guān)系；2)增大了控制電壓輸入范圍大，可以達到0～Vdd；3)增益的動態(tài)范圍大，有效增益動態(tài)范圍可以達到70dB；
4)輸入信號的動態(tài)范圍大，可以達到70dB；5)隔直電容數(shù)目少，一般只需要2個電容就可以了；6)適合工作的頻率高；7)功耗低。
圖2為傳統(tǒng)的CMOS可變增益放大器的可變增益基本單元的拓撲結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明的CMOS可變增益放大器的框圖。
圖4為本發(fā)明的CMOS可變增益放大器的可變增益基本單元的拓撲結(jié)構(gòu)示意圖。
最后一級的源級跟隨器包括MOS管M1、M2，以及作為可變電阻的MOS管Mc_1，作為偏置的電阻R1和R2。其連接關(guān)系為前一級的輸出信號輸入到M1的柵級上，前一級的另一個輸出信號輸入到M2的柵級上，M1、M2的漏級都接到電源Vdd上。M1和M2的源級分別連接Mc_1管的源級和漏級，同時分別連接R1和R2的一端上；R1和R2的另一端連接到地。Mc_1的柵級是控制電壓輸入信號Vc2的輸入端。該級的輸出信號端是M1和M2的源級端。
次末級源級跟隨器的構(gòu)成是在最后一級源級跟隨器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了一對偏置電阻R3、R4和作為可變電阻的MOS管Mc_2。其中，R3連接R1的一端，R3的另一端接地，R4連接R2的一端，R4的另一端接地，Mc_2的源、漏極分別連接R1和R2的一端，同時也是R3和R4的一端。而Mc_2的柵級和Mc_1的柵級連接在一起是控制電壓輸入信號Vc1的輸入端。
第一級源級跟隨器的構(gòu)成又比次末級源級跟隨器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上又增加了一對偏置電阻R5、R6和作為可變電阻的MOS管Mc_3。R5連接R3的一端，R5的另一端接地，R6連接R4的一端，R6的另一端接地，Mc_3的源、漏極分別連接R3和R4的一端，同時也是R5和R6的一端。而Mc_3的柵級、Mc_2的柵級和Mc_1的柵級連接在一起是控制電壓輸入信號Vc0的輸入端。
可變增益基本單元電路中所有MOS管的襯底接地。
本實施例的電路的工作原理為參考附圖3，每一個可變增益基本單元的控制電壓都一樣，是由控制電壓發(fā)生器產(chǎn)生的一組控制電壓信號Vc0、Vc1和Vc2，它們之間的關(guān)系為Vc0＝Vcon；Vc1＝Vcon+Δ；Vc2＝Vcon+2*Δ；Δ典型值為0.4V。
Vc0、Vc1和Vc2分別連接到可變增益基本單元的個控制電壓的輸入Vc0、Vc1和Vc2上，參考附圖4所示。因為在同一個可變增益基本單元中，三個可變增益的源級跟隨器比上面一級少2電阻，所以MOS管所需要的偏置電壓分別比上一級小一定的電壓ΔV，設(shè)計電阻阻值和管子尺寸，使得ΔV等于該源級跟隨器所減小的直流電平，這樣三個可變增益的源級跟隨器就能夠直接級聯(lián)，而不需要使用隔直電容來消除對偏置電壓的要求。
眾所周知，附圖2里面的典型的可變增益單元的增益對控制電壓的曲線，不是指數(shù)形式的，但是在Mc1管剛開啟對應(yīng)的電壓V0到V0+Vth之間的時候，這個曲線段近似于指數(shù)形式。所以要在整個控制電壓的范圍0～Vdd都要近似于指數(shù)形式，只能使得附圖4中的用來作可變電阻MOS管當Vcon從0～Vdd逐步變大的時候，管子是逐步開啟，這樣在整個0～Vdd中，電路的增益才能近似指數(shù)形式，才能使得增益在dB上隨控制電壓呈線性變化。附圖4中，當Vcon從0變化到Vdd的時候，Mc_1、Mc_2、Mc_3管子逐步開啟，從而在整個控制電壓的變化范圍上，電路的增益近似指數(shù)形式。并且控制電壓的變化范圍寬。
本實施例中各元器件的參數(shù)如表1所示表1

權(quán)利要求
1.一種用于發(fā)送端的可變增益放大器，包括多個相同的級聯(lián)的可變增益基本單元和控制電壓發(fā)生器兩部分，所說的各可變增益基本單元的輸出端與控制電壓發(fā)生器相連，其特征在于，所說的可變增益基本單元由多個可變增益的源級跟隨器直接級聯(lián)而成，其中最后一級的源級跟隨器包括MOS管M1、M2，以及作為可變電阻的MOS管Mc_1，作為偏置的電阻R1和R2；其連接關(guān)系為前一級的輸出信號輸入到M1的柵級上，前一級的另一個輸出信號輸入到M2的柵級上，M1、M2的漏級都接到電源Vdd上；M1和M2的源級分別連接Mc_1管的源級和漏級，同時分別連接R1和R2的一端上；R1和R2的另一端連接到地；Mc_1的柵級是控制電壓輸入信號Vc2的輸入端，M1和M2的源級端為該級信號的輸出端；次末級源級跟隨器的構(gòu)成是在最后一級源級跟隨器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了一對偏置電阻R3、R4和作為可變電阻的MOS管Mc_2，其中，R3連接R1的一端，R3的另一端接地，R4連接R2的一端，R4的另一端接地，Mc_2的源、漏極分別連接R1和R2的一端，同時也是R3和R4的一端；而Mc_2的柵級和Mc_1的柵級連接在一起是控制電壓輸入信號Vc1的輸入端；以此類推，前一級源級跟隨器的構(gòu)成均是在其后一級源級跟隨器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了一對偏置電阻和作為可變電阻的MOS管。
全文摘要
本發(fā)明屬于模擬信號處理和通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及用于發(fā)送端的可變增益放大器。包括多個相同的級聯(lián)的可變增益基本單元和控制電壓發(fā)生器兩部分，所說的各可變增益基本單元的輸出端與控制電壓發(fā)生器相連，所說的可變增益基本單元由多個可變增益的源級跟隨器直接級聯(lián)而成，其中最后一級的源級跟隨器包括MOS管M1、M2，以及作為可變電阻的MOS管Mc_1，作為偏置的電阻R1和R2；前一級源級跟隨器的構(gòu)成均是在其后一級源級跟隨器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了一對偏置電阻和作為可變電阻的MOS管。本發(fā)明可以用CMOS工藝制備，具有控制電壓范圍大、增益在dB上線性、大的增益動態(tài)范圍、芯片面積小、低電壓、低功耗的優(yōu)點。
文檔編號H04B1/02GK1398056SQ02125449
公開日2003年2月19日 申請日期2002年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月9日
發(fā)明者李永明, 鄭吉華 申請人:清華大學(xué)