專利名稱：一種比較器和數(shù)字邏輯作反饋環(huán)的閉環(huán)可控增益放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于模數(shù)混合集成電路技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種比較器和數(shù)字邏輯作反饋環(huán)的閉環(huán)可控增益放大器。
背景技術(shù)：
在無線通信系統(tǒng)中的信號接收機信道內(nèi)廣泛地使用著可控增益放大器VGA(Variable Gain Amplifier)。一方面，VGA實現(xiàn)對信道信號的放大；另一方面，VGA實現(xiàn)對天線信號強弱突然變化的緩沖，這使得接收機系統(tǒng)在天線信號很強時不至于飽和溢出，在天線信號很弱時仍然能滿足靈敏度指標的要求，從而保證了接收機的正常工作。因此，VGA是無線通信信號接收機中的關(guān)鍵部件。
VGA在系統(tǒng)中是以閉環(huán)方式工作的，也就是說，要有一個信號反饋通路存在，從而產(chǎn)生一個增益控制信號確定VGA的增益，隨著此控制信號的變化，VGA的增益隨之變化，保證信號在合適的動態(tài)范圍內(nèi)。因此，閉環(huán)VGA由主放大器通路和自動增益控制電路AGC(Automatic GainControl Circuits)構(gòu)成，主放大器通路又稱開環(huán)VGA。閉環(huán)VGA框圖如圖1所示。
閉環(huán)VGA的實現(xiàn)目前有三種方式。
一、模擬電路AGC方式這種方式實現(xiàn)的閉環(huán)VGA的特征是，反饋回路AGC是用模擬電路實現(xiàn)的。模擬電路AGC是最早出現(xiàn)的AGC電路，由模擬電路獨自完成了反饋控制環(huán)路的功能，通常包括峰值檢波器、模擬積分器、模擬比較器、模擬濾波器、電荷泵或D/A電路。這種方式模塊獨立性強，相關(guān)性弱，有利于電路移植，但是，由于模擬電路本身屬性的制約，這種AGC實現(xiàn)起來比較復雜，其控制精度差，引入的噪聲大，寬帶高增益時不易實現(xiàn)。
二、數(shù)字電路AGC方式這種方式實現(xiàn)的閉環(huán)VGA的特征是，反饋回路AGC是用數(shù)字電路實現(xiàn)的。數(shù)字電路AGC是隨著數(shù)字電路技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)的，它取代一部分模擬電路完成反饋控制環(huán)路的功能，通常以數(shù)字積分器等運算部件取代模擬電路的相應(yīng)部分，它繼承了模擬電路AGC的優(yōu)點，實現(xiàn)起來相對容易，其控制精度好，引入的噪聲小。缺點在于要設(shè)計運算部件和運算控制器。
三、基帶DSP實現(xiàn)AGC的方式這種方式實現(xiàn)的閉環(huán)VGA的特征是，反饋回路AGC是由后端的基帶DSP芯片實現(xiàn)的。DSP AGC是由基帶DSP分出一部分精力參與VGA反饋回路的控制工作，其控制精度高，引入的噪聲小，易于實現(xiàn)單片集成并且減少了系統(tǒng)的硬件開銷，所以，在現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)中已經(jīng)完全取代了模擬電路AGC，但是，這樣的AGC是綁定于一個應(yīng)用系統(tǒng)的，難以被移植和重復使用于另一個應(yīng)用系統(tǒng)，另外，由于基帶DSP參與AGC的控制，這要占用DSP相當一部分資源，而且也存在與模擬部分的接口問題。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于，提供一種比較器和數(shù)字邏輯作反饋環(huán)的閉環(huán)可控增益放大器，其具有AGC實現(xiàn)簡單、輸出可編程和寬帶高增益的優(yōu)點。
本實用新型是指無線通信系統(tǒng)信號接收機中的中頻段可控增益放大器電路結(jié)構(gòu)。
本實用新型是一種比較器和數(shù)字邏輯作反饋環(huán)的閉環(huán)可控增益放大器，如圖2所示。它包括主放大器通路和自動增益控制反饋通路，所述主放大器通路包括(1)兩級可變增益放大器單元，每單元提供0dB～15dB的增益，兩級合計提供0dB～30dB的增益。(2)兩級固定增益放大器單元，每單元提供30dB的增益，兩級合計提供60dB的增益。(3)緩沖放大器單元0dB增益。總計主放大器通路增益為60dB～90dB，帶寬30MHz。主放大器通路每級有級間偶合電容。所述自動增益控制反饋通路包括；(4)一對預放大器單元，完成主放大器輸出和標準參考直流電平Vref1/Vref2的差值放大，以推動后級動態(tài)比較器的翻轉(zhuǎn)，預放大器增益30dB，一對預放大器中一個負責主放大器輸出與上限電平Vref1的差值放大，即，當主放大器輸出峰值大于該上限電平時，觸發(fā)AGC工作，降低增益。另一個預放大器負責下限電平Vref2差值放大，即，當主放大器輸出峰值小于該下限電平時，觸發(fā)AGC工作，升高增益。上限電平和下限電平可編程，從而決定了主放大器輸出也是可編程的。上限電平比下限電平高25mV。(5)一對動態(tài)比較器器單元，完成瞬時電平大小的邏輯裁決，相當于模擬整流電橋中的二極管。動態(tài)比較器器在60MHz時鐘驅(qū)動下工作。(6)一對移位寄存器單元，完成比較器輸出結(jié)果的存儲。由于動態(tài)比較器以奈奎斯特方式采樣主放大器的輸出，不能每個時鐘周期都采樣到主放大器輸出的峰值，即，有的時鐘周期采樣到峰值，有的時鐘周期采樣到非峰值，故，使用移位寄存器把采樣結(jié)果保存下來，使得峰值得以接續(xù)，這相當于模擬整流電橋中的電解電容器。移位寄存器在60MHz時鐘驅(qū)動下工作。(7)一對或非門單元。把移位寄存器每一觸發(fā)器的輸出接到或非門輸入，捕獲和跟蹤峰值，并最終做出峰值與上下限電平的穩(wěn)定裁決。同時，移位寄存器和或非門的組合起到了濾除干擾的作用，即，對于一個突發(fā)的干擾信號引起比較器誤判，這一誤判結(jié)論由于得不到接續(xù)，只能在移位寄存器存活m個時鐘周期，m是移位寄存器的長度。(8)一個電荷泵單元，負責提供控制增益變化的控制電壓，當電荷泵充電時，可變增益放大器單元增益增大，當電荷泵放電時，可變增益放大器單元增益減小，電荷泵的充放電受控于或非門輸出。(9)一個低通濾波器單元。將電荷泵的輸出經(jīng)過低通濾波后送給可變增益放大器單元的增益控制端，最終閉合整個環(huán)路。
其中，(1)兩級可變增益放大器單元，(2)兩級固定增益放大器單元，(3)緩沖放大器單元，依次順序通過偶合電容連接；(4)一對預放大器單元，(5)一對動態(tài)比較器器單元，(6)一對移位寄存器單元，(7)一對或非門單元，(8)一個電荷泵單元，(9)一個低通濾波器單元，依次順序直接連接；并且，(1)兩級可變增益放大器單元的第一級的輸入端做為整個閉環(huán)可控增益放大器的總輸入端，(3)緩沖放大器單元的輸出端做為整個閉環(huán)可控增益放大器的總輸出端；(3)緩沖放大器單元的輸出端通過偶合電容連接到(4)一對預放大器單元的輸入端，單端連接，(9)一個低通濾波器單元的輸出直接連接到(1)兩級可變增益放大器單元的增益控制端。
所述的比較器和數(shù)字邏輯作反饋環(huán)的閉環(huán)可控增益放大器，其中所述的主放大器通路放大器級數(shù)、級次和總增益范圍可再劃分和分配。
所述的比較器和數(shù)字邏輯作反饋環(huán)的閉環(huán)可控增益放大器，其中所述的自動增益控制反饋通路中，預放大器的級數(shù)、級次和總增益范圍可再劃分和分配，移位寄存器長度可縮短或加長，或非門扇入可隨移位寄存器長度的變化而相應(yīng)改變。
本實用新型的有益效果是本實用新型的一種比較器和數(shù)字邏輯作反饋環(huán)的閉環(huán)可控增益放大器，其具有AGC實現(xiàn)簡單、輸出可編程和寬帶高增益的優(yōu)點。


圖1是閉環(huán)VGA的框圖；圖2是本實用新型的比較器和數(shù)字邏輯作反饋環(huán)的閉環(huán)可控增益放大器框圖；圖3是實施實例的仿真波形圖。
具體實施方式
參閱圖2，用物理電路實施主放大器通路和自動增益控制反饋通路。以下介紹的實施實例利用SMIC0.18μm CMOS混合工藝，單電源3.3V。主放大器通路，(1)兩級可變增益放大器單元電路完全相同。對于每一級，使用帶源級負反饋的全差分共源級放大器電路，其中負載使用電流源，源級負反饋電阻用NMOS晶體管代替，控制該晶體管的柵級電壓改變溝道導通電阻，實現(xiàn)放大器增益控制，控制電壓范圍1.6V～3.3V，-3dB帶寬30MHz，增益變化范圍0dB～15dB，負載驅(qū)動能力1p，級間偶合電容3p。(2)兩級固定增益放大器單元電路完全相同。對于每一級，使用全差分共源共柵放大器電路，其中負載使用電流源，共模反饋電路使用電阻網(wǎng)絡(luò)，-3dB帶寬30MHz，增益30dB，負載驅(qū)動能力1p。級間偶合電容3p。(3)一級緩沖放大器，使用全差分射隨器電路，-3dB帶寬30MHz，無增益，負載驅(qū)動能力12p，與上一級的級間偶合電容3p，它的輸出是整個主放大器的輸出，通過偶合電容10p送到輸出端。自動增益控制反饋通路，(4)一對預放大器電路完全相同。對每一個，均可采用與主放大器通路中的固定增益放大器相同的電路，上限電平可按所要求得到的交流信號峰峰值進行換算，比如，峰峰值是200mV，上限電平＝預放大器偏置電平+(200mV/2)-5(mV)，下限電平＝上限電平-25(mV)(5)一對動態(tài)比較器完全相同。對于每一個，采用具備60MHz時鐘的全差分動態(tài)比較器即可。(6)一對移位寄存器完全相同。對于每一個，采用一般觸發(fā)器構(gòu)成移位寄存器即可，具備60MHz時鐘。長度8位。(7)一對或非門，完全相同。對于每一個，扇入能力為8，速度60MHz以上。(8)一個電荷泵和(9)一個低通濾波器，充放電回路電流1mA，電阻3kΩ，對地接3n電容，其中充電開關(guān)的控制端接Vref2對應(yīng)的或非門輸出，放電開關(guān)的控制端接Vref1對應(yīng)的或非門輸出。3n電容同時接到主放大器通路中兩級可變增益放大器的增益控制端。
按照上述實施的實例，仿真波形如圖3所示。
在圖3中，V(in1+)是整個閉環(huán)VGA的輸入波形，此處為幅度調(diào)制的正弦波。V(in2+)是主放大器通路中第1級可變增益放大器的輸出，也是第2級可變增益放大器的輸入波形。V(in5a+)是整閉環(huán)VGA的輸出波形。V(con)是增益控制端的波形。
權(quán)利要求1.一種比較器和數(shù)字邏輯作反饋環(huán)的閉環(huán)可控增益放大器，其特征在于，其中包括主放大器通路和自動增益控制反饋通路，所述主放大器通路包括(1)兩級可變增益放大器單元，(2)兩級固定增益放大器單元，(3)緩沖放大器單元；主放大器通路每級有級間偶合電容；所述自動增益控制反饋通路包括(4)一對預放大器單元，(5)一對動態(tài)比較器器單元，(6)一對移位寄存器單元，(7)一對或非門單元，(8)一個電荷泵單元，(9)一個低通濾波器單元；其中，(1)兩級可變增益放大器單元，(2)兩級固定增益放大器單元，(3)緩沖放大器單元，依次順序通過偶合電容連接；(4)一對預放大器單元，(5)一對動態(tài)比較器器單元，(6)一對移位寄存器單元，(7)一對或非門單元，(8)一個電荷泵單元，(9)一個低通濾波器單元，依次順序直接連接；并且，(1)兩級可變增益放大器單元的第一級的輸入端做為整個閉環(huán)可控增益放大器的總輸入端，(3)緩沖放大器單元的輸出端做為整個閉環(huán)可控增益放大器的總輸出端；(3)緩沖放大器單元的輸出端通過偶合電容連接到(4)一對預放大器單元的輸入端，單端連接，(9)一個低通濾波器單元的輸出直接連接到(1)兩級可變增益放大器單元的增益控制端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的比較器和數(shù)字邏輯作反饋環(huán)的閉環(huán)可控增益放大器，其特征在于，其中所述的主放大器通路放大器級數(shù)、級次和總增益范圍可再劃分和分配。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的比較器和數(shù)字邏輯作反饋環(huán)的閉環(huán)可控增益放大器，其特征在于，其中所述的自動增益控制反饋通路中，預放大器的級數(shù)、級次和總增益范圍可再劃分和分配，移位寄存器長度可縮短或加長，或非門扇入可隨移位寄存器長度的變化而相應(yīng)改變。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的比較器和數(shù)字邏輯作反饋環(huán)的閉環(huán)可控增益放大器，其特征在于，所述主放大器通路包括(1)兩級可變增益放大器單元，每單元提供0dB～15dB的增益，兩級合計提供0dB～30dB的增益；(2)兩級固定增益放大器單元，每單元提供30dB的增益，兩級合計提供60dB的增益；(3)緩沖放大器單元0dB增益，總計主放大器通路增益為60dB～90dB，帶寬30MHz。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的比較器和數(shù)字邏輯作反饋環(huán)的閉環(huán)可控增益放大器，其特征在于，所述自動增益控制反饋通路包括(4)一對預放大器單元，增益為30dB，帶寬30MHz。
專利摘要一種比較器和數(shù)字邏輯作反饋環(huán)的閉環(huán)可控增益放大器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括主放大器通路和自動增益控制反饋通路，所述主放大器通路包括可變增益放大器單元、固定增益放大器單元和緩沖放大器單元，所述自動增益控制反饋通路包括預放大器單元、動態(tài)比較器單元、移位寄存器單元、或非門單元、電荷泵單元和低通濾波器單元。采用該結(jié)構(gòu)設(shè)計的閉環(huán)可控增益放大器獨立性強、適用范圍寬、接口簡單、容易實現(xiàn)系統(tǒng)集成。
文檔編號H03G3/20GK2901698SQ200520129718
公開日2007年5月16日 申請日期2005年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月13日
發(fā)明者高大明, 葉青, 葉甜春, 黃驚濤, 范軍 申請人:中國科學院微電子研究所