一種高增益精度可編程增益放大器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低功耗高精度的可編程增益放大器，它主要用來滿足通信系統(tǒng)對可編程增益放大器低功耗高增益精度的要求。該放大器由一個采用閉環(huán)電阻負反饋技術(shù)的增益細調(diào)級和一個采用開環(huán)負載可變共源級放大器技術(shù)的增益粗調(diào)級進行級聯(lián)形成。輸入信號首先通過開關(guān)控制增益粗調(diào)級確定近似增益，然后在此基礎(chǔ)上由增益細調(diào)級進行精確增益調(diào)節(jié)，從而得到一個高精度的增益。其中增益細調(diào)級通過開關(guān)控制負反饋電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值來得到精確的增益，增益粗調(diào)級通過開關(guān)選擇不同的負載電阻進行粗調(diào)，相比傳統(tǒng)的固定增益級芯片面積更小，功耗更低。開環(huán)結(jié)構(gòu)和閉環(huán)結(jié)構(gòu)的級聯(lián)，實現(xiàn)了兩者優(yōu)點的兼容。本發(fā)明具有增益精度高、線性度良好、功耗較低等優(yōu)點。
【專利說明】一種高增益精度可編程增益放大器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體集成電路設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種低功耗高精度的可編程增益放大器。
【背景技術(shù)】
[0002]在無線通信系統(tǒng)中，接受信號經(jīng)過傳播通道后往往具有較大的動態(tài)范圍，例如，在GSM無線接收機中就需要大約SOdB的增益變化。為了得到一個相對恒定的信號，需要一個自動增益控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)接收信號的幅度。其中，可編程增益放大器(Progra_able GainAmplifier, PGA)作為自動增益控制系統(tǒng)的核心模塊，其性能優(yōu)劣對無線通信系統(tǒng)至關(guān)重要。隨著無線通信系統(tǒng)的高速發(fā)展，系統(tǒng)對PGA的功耗和增益精度的要求越來越高，因此，低功耗高精度的PGA逐漸成為研究熱點。
[0003]通常有兩種方式來實現(xiàn)PGA的增益調(diào)節(jié)，一種是開環(huán)工作方式，其增益一般可以表示為放大管的等效輸入跨導(dǎo)和負載管的等效輸出阻抗的乘積，通過改變跨導(dǎo)或者輸出阻抗調(diào)節(jié)增益。這種方式結(jié)構(gòu)簡單，功耗較低，但增益精度叫差；另一種是閉環(huán)工作方式，其增益一般由反饋因子與輸入阻抗的比值決定，通過改變反饋因子來調(diào)節(jié)增益。這種方式性能穩(wěn)定，增益精度高，但功耗偏大。
[0004]圖1所示為一種基于開環(huán)負載可變共源級放大器的可編程增益放大器。該可編程增益放大器選用MOS管為基礎(chǔ)的開關(guān)電阻陣列作為其可變負載，具有占用面積小、壓降小的優(yōu)點，但是MOS管電阻受工藝影響較大。放大器的增益等于輸入跨導(dǎo)與負載跨導(dǎo)的比值，當輸入跨導(dǎo)保持不變時，改變負載跨導(dǎo)可以實現(xiàn)增益調(diào)節(jié)。負載跨導(dǎo)的改變是通過單刀雙擲開關(guān)開啟相應(yīng)的負載MOS管來實現(xiàn)的，即當選擇相應(yīng)的MOS管工作時，通過開關(guān)的調(diào)整將該MOS管的柵極與漏極相連接，同時將其他負載MOS管的柵極與電源相連使其關(guān)斷。
[0005]這種結(jié)構(gòu)的可編程增益放大器通過改變負載跨導(dǎo)來實現(xiàn)增益調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡單，功耗較低，但是難以精確控制增益，輸出信號的動態(tài)范圍也同樣受限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的是提出一種低功耗高精度的可編程增益放大器，以滿足通信系統(tǒng)對可編程增益放大器的低功耗高增益精度的要求。
[0007]技術(shù)方案:為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的低功耗高精度的可編程增益放大器由一個閉環(huán)電阻負反饋結(jié)構(gòu)的增益細調(diào)級和一個開環(huán)負載可變共源級放大器結(jié)構(gòu)的增益粗調(diào)級進行級聯(lián)形成；該放大器電路有正、負兩路輸入、輸出，該兩路電路完全對稱設(shè)計，其中負輸入、輸出信號處理電路為:
[0008]所述的閉環(huán)電阻負反饋結(jié)構(gòu)的增益細調(diào)級中，第十一開關(guān)的兩端分別接在信號負輸入端與第一電阻之間，第一電阻的另一端接第一運算放大器的反向輸入端，第一運算放大器的正輸出端接第十二開關(guān)，第十二開關(guān)的另一端是本級的輸出端；其中，在第一運算放大器的輸入端與輸出端之間并聯(lián)連接6組由開關(guān)和電阻串聯(lián)組成的負反饋開關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)，第一組由第二一開關(guān)、第二電阻、第二二開關(guān)串聯(lián)組成；第二組由第三一開關(guān)、第三電阻、第三二開關(guān)串聯(lián)組成；第三組由第四一開關(guān)、第四電阻、第四二開關(guān)串聯(lián)組成；第四組由第五一開關(guān)、第五電阻、第五二開關(guān)串聯(lián)組成；第五組由第六一開關(guān)、第六電阻、第六二開關(guān)串聯(lián)組成；第六組由第七一開關(guān)、第七電阻、第七二開關(guān)串聯(lián)組成；反向第一開關(guān)的一端接在第十一開關(guān)與信號負輸入端之間，另一端接在第十二開關(guān)與第八一開關(guān)之間；
[0009]所述的開環(huán)負載可變共源級放大器結(jié)構(gòu)的增益粗調(diào)級中，第八一開關(guān)的兩端分別接在第十二開關(guān)和第二運算放大器的反向輸入端之間，第二運算放大器正輸出端接第八二開關(guān)，第八二開關(guān)的另一端是本級放大器的信號負輸出端；反向第二開關(guān)的一端接在第十二開關(guān)與第八一開關(guān)之間，另一端接在第八二開關(guān)與信號負輸出端之間。
[0010]所述的開環(huán)負載可變共源級放大器結(jié)構(gòu)的增益粗調(diào)級中，第二運算放大器的正輸入端接第一 NMOS管的柵極，負輸入端接第二 NMOS管的柵極；第一 NMOS管的源極接第三NMOS管的漏極，漏極接第二運算放大器的負輸出端；第二 NMOS管的源極接第四NMOS管的漏極，漏極接第二運算放大器的正輸出端；第三NMOS管的柵極與第四NMOS管的柵極相連，源極與第四匪OS管的源極相連接地；第一 PMOS管的柵極與第二 PMOS管的柵極相連，源極與第二 PMOS管的源極相連接電源，漏極與第一 NMOS管的漏極相連；第二 PMOS管的漏極與第二 NMOS管的漏極相連；第八電阻的一端接第一 NMOS管的源極，另一端接第二 NMOS管的源極；在第一 PMOS管的柵極和漏極之間串聯(lián)連接第九一開關(guān)和第十一電阻；在第九一開關(guān)的兩端之間串聯(lián)連接第一零一開關(guān)和第二一電阻；在第一零一開關(guān)的兩端之間串聯(lián)連接第二零一開關(guān)和第三一電阻；在第二零一開關(guān)的兩端之間串聯(lián)連接第三零一開關(guān)和第四一電阻；在第三零一開關(guān)的兩端之間串聯(lián)連接第四零一開關(guān)和第五一電阻；在第二 PMOS管的柵極和漏極之間串聯(lián)連接第九二開關(guān)和第十二電阻；在第九二開關(guān)的兩端之間串聯(lián)連接第一零二開關(guān)和第二二電阻；在第一零二開關(guān)的兩端之間串聯(lián)連接第二零二開關(guān)和第三二電阻；在第二零二開關(guān)的兩端之間串聯(lián)連接第三零二開關(guān)和第四二電阻；在第三零二開關(guān)的兩端之間串聯(lián)連接第四零二開關(guān)和第五二電阻。
[0011]所述的第十一開關(guān)至第四零二開關(guān)都采用CMOS傳輸門電路，低電平導(dǎo)通；所述的反向第一開關(guān)和反向第二開關(guān)都米用CMOS傳輸門電路，高電平導(dǎo)通。
[0012]所述的閉環(huán)電阻負反饋結(jié)構(gòu)的增益細調(diào)級中，第一運算放大器采用兩級全差分運算放大器加共模反饋結(jié)構(gòu)。
[0013]有益效果:本發(fā)明PGA通過采用閉環(huán)電阻負反饋結(jié)構(gòu)的增益細調(diào)級和開環(huán)負載可變共源級放大器結(jié)構(gòu)的增益粗調(diào)級相級聯(lián)的方式實現(xiàn)，實現(xiàn)了閉環(huán)和開環(huán)兩者優(yōu)點的兼容，增益粗調(diào)級相比傳統(tǒng)的固定增益級節(jié)省了芯片面積，降低了功耗。該PGA具有增益精度高、功耗低、線性度良好等優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是一種基于負載可變的開環(huán)可編程增益放大器結(jié)構(gòu)；
[0015]圖2是本發(fā)明提供的一種低功耗高精度的可編程增益放大器結(jié)構(gòu)；
[0016]圖3是圖2中0P2的結(jié)構(gòu)圖；
[0017]圖4是本發(fā)明可編程增益放大器的增益特性曲線；
[0018]圖5是本發(fā)明可編程增益放大器在不同增益下的增益誤差曲線?！揪唧w實施方式】
[0019]為了進一步說明本發(fā)明的優(yōu)勢所在以及具體采取的技術(shù)手段，以下便結(jié)合圖示詳細說明本發(fā)明的【具體實施方式】及電路結(jié)構(gòu)。
[0020]參照圖2，本發(fā)明所提供的一種低功耗高精度的可編程增益放大器由一個閉環(huán)電阻負反饋結(jié)構(gòu)的增益細調(diào)級和一個開環(huán)負載可變共源級放大器結(jié)構(gòu)的增益粗調(diào)級進行級聯(lián)形成。該放大器電路有正、負兩路輸入、輸出，該兩路電路完全對稱設(shè)計，其中負輸入、輸出信號處理電路為:
[0021]閉環(huán)電阻負反饋結(jié)構(gòu)的增益細調(diào)級中，第十一開關(guān)Sll分別接在信號負輸入端Vin與第一電阻Rl之間,第一電阻Rl的另一端接第一運算放大器OPl的反向輸入端,第一運算放大器OPl的正輸出端接第十二開關(guān)S12,第十二開關(guān)S12的另一端是本級的輸出端。
[0022]其中，在第一運算放大器OPl的輸入端與輸出端之間并聯(lián)連接6組由開關(guān)和電阻串聯(lián)組成的反饋開關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)，第一組由第二一開關(guān)S21、第二電阻R2、第二二開關(guān)S22串聯(lián)組成；第二組由第三一開關(guān)S31、第三電阻R3、第三二開關(guān)S32串聯(lián)組成；第三組由第四一開關(guān)S41、第四電阻R4、第四二開關(guān)S42串聯(lián)組成；第四組由第五一開關(guān)S51、第五電阻R5、第五二開關(guān)S52串聯(lián)組成；第五組由第六一開關(guān)S61、第六電阻R6、第六二開關(guān)S62串聯(lián)組成；第六組由第七一開關(guān)S71、第七電阻R7、第七二開關(guān)S72串聯(lián)組成；反向第一開關(guān)SI的一端接在第i 開關(guān)Sll與信號負輸入端Vin之間，另一端接在第十二開關(guān)S12與第八一開關(guān)S81之間。
[0023]第一電阻R1、第一運算放大器OPl與反饋開關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成電阻負反饋式增益細調(diào)級，第十一開關(guān)S11、第十二開關(guān)S12和反向第一開關(guān)釘控制增益細調(diào)級的通斷；當?shù)谑婚_關(guān)S11、第十二開關(guān)S12導(dǎo)通時，增益細調(diào)級的增益表達式如下:
[0024]Ay=Rf/R1
[0025]這里Av是增益細調(diào)級的電壓放大倍數(shù)，Rf是反饋開關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值，R1是第一電阻Rl的阻值。由上式可見，當R1保持不變時，只要改變反饋開關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值就可以改變增益，而反饋開關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值可以通過第二一開關(guān)S21、第二二開關(guān)S22、第三一開關(guān)S31、第三二開關(guān)S32、第四一開關(guān)S41、第四二開關(guān)S42、第五一開關(guān)S51、第五二開關(guān)S52、第六一開關(guān)S61、第六二開關(guān)S62、第七一開關(guān)S71、第七二開關(guān)S72控制其所對應(yīng)的電阻的通斷來改變。
[0026]開環(huán)負載可變共源級放大器結(jié)構(gòu)的增益粗調(diào)級中，第八一開關(guān)S81分別接在第十二開關(guān)S12和第二運算放大器0Ρ2的反向輸入端之間，第二運算放大器0Ρ2正輸出端接第八二開關(guān)S82,第八二開關(guān)S82的另一端是本放大器的輸出端,接信號負輸出端Von ;反向第八開關(guān)痛的一端接在第十二開關(guān)S12與第八一開關(guān)S81之間，另一端接在第八二開關(guān)S82與信號負輸出端Von之間；第八一開關(guān)S81、第八二開關(guān)S82和反向第八開關(guān)蘇控制第二運算放大器0Ρ2的通斷。
[0027]其中如圖3所示，第二運算放大器0Ρ2的正輸入端Vi+接第一 NMOS管匪I的柵極，負輸入端V1-接第二 NMOS管ΝΜ2的柵極；第一 NMOS管NMl的源極接第三NMOS管ΝΜ3的漏極，漏極接第二運算放大器0P2的負輸出端Vo-;第二 NMOS管匪2的源極接第四NMOS管NM4的漏極，漏極接第二運算放大器0P2的正輸出端Vo+ ;第三NMOS管匪3的柵極與第四NMOS管NM4的柵極相連，源極與第四NMOS管NM4的源極相連接地?’第一 PMOS管PMl的柵極與第二 PMOS管PM2的柵極相連，源極與第二 PMOS管PM2的源極相連接電源，漏極與第一NMOS管NMl的漏極相連；第二 PMOS管PM2的漏極與第二 NMOS管NM2的漏極相連；第八電阻R8的一端接第一 NMOS管匪1的源極，另一端接第二 NMOS管匪2的源極；在第一 PMOS管PMl的柵極和漏極之間串聯(lián)連接第九一開關(guān)S91和第十一電阻Rll ;在第九一開關(guān)S91的兩端之間串聯(lián)連接第一零一開關(guān)SlOl和第二一電阻R21 ;在第一零一開關(guān)SlOl的兩端之間串聯(lián)連接第二零一開關(guān)S201和第三一電阻R31 ;在第二零一開關(guān)S201的兩端之間串聯(lián)連接第三零一開關(guān)S301和第四一電阻R41 ;在第三零一開關(guān)S301的兩端之間串聯(lián)連接第四零一開關(guān)S401和第五一電阻R51 ;在第二PMOS管PM2的柵極和漏極之間串聯(lián)連接第九二開關(guān)S92和第十二電阻R12 ;在第九二開關(guān)S92的兩端之間串聯(lián)連接第一零二開關(guān)S102和第二二電阻R22 ;在第一零二開關(guān)S102的兩端之間串聯(lián)連接第二零二開關(guān)S202和第三二電阻R32 ;在第二零二開關(guān)S202的兩端之間串聯(lián)連接第三零二開關(guān)S302和第四二電阻R42 ；在第三零二開關(guān)S302的兩端之間串聯(lián)連接第四零二開關(guān)S402和第五二電阻R52。其增益表達式如下:
[0028]
【權(quán)利要求】
1.一種低功耗高精度的可編程增益放大器，其特征在于該放大器由一個閉環(huán)電阻負反饋結(jié)構(gòu)的增益細調(diào)級和一個開環(huán)負載可變共源級放大器結(jié)構(gòu)的增益粗調(diào)級級聯(lián)形成；該放大器電路有正、負兩路輸入、輸出，該兩路電路完全對稱設(shè)計；其中負輸入、輸出信號處理電路為: 所述的閉環(huán)電阻負反饋結(jié)構(gòu)的增益細調(diào)級中，第十一開關(guān)(Sll)的兩端分別接在信號負輸入端(Vin)與第一電阻(Rl)之間，第一電阻(Rl)的另一端接第一運算放大器(OPl)的反向輸入端，第一運算放大器(OPl)的正輸出端接第十二開關(guān)(S12)，第十二開關(guān)(S12)的另一端是本級的輸出端；其中，在第一運算放大器(OPl)的輸入端與輸出端之間并聯(lián)連接6組由開關(guān)和電阻串聯(lián)組成的負反饋開關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)，第一組由第二一開關(guān)(S21)、第二電阻(R2)、第二二開關(guān)(S22)串聯(lián)組成；第二組由第三一開關(guān)(S31)、第三電阻(R3)、第三二開關(guān)(S32)串聯(lián)組成；第三組由第四一開關(guān)(S41)、第四電阻(R4)、第四二開關(guān)(S42)串聯(lián)組成；第四組由第五一開關(guān)(S51)、第五電阻(R5)、第五二開關(guān)(S52)串聯(lián)組成；第五組由第六一開關(guān)(S61)、第六電阻(R6)、第六二開關(guān)(S62)串聯(lián)組成；第六組由第七一開關(guān)(S71)、第七電阻(R7)、第七二開關(guān)(S72)串聯(lián)組成；反向第一開關(guān)(釘)的一端接在第十一開關(guān)(Sll)與信號負輸入端(Vin)之間，另一端接在第十二開關(guān)(S12)與第八一開關(guān)(S81)之間； 所述的開環(huán)負載可變共源級放大器結(jié)構(gòu)的增益粗調(diào)級中，第八一開關(guān)(S81)的兩端分別接在第十二開關(guān)(S12)和第二運算放大器(0P2)的反向輸入端之間，第二運算放大器(0P2)正輸出端接第八二開關(guān)(S82),第八二開關(guān)(S82)的另一端是本級放大器的信號負輸出端(Von);反向第二開關(guān)(亞)的一端接在第十二開關(guān)(S12)與第八一開關(guān)(S81)之間，另 一端接在第八二開關(guān)(S82)與信號負輸出端(Von)之間。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種低功耗高精度的可編程增益放大器，其特征在于所述的開環(huán)負載可變共源級放大器結(jié)構(gòu)的增益粗調(diào)級中，第二運算放大器(0P2)的正輸入端(Vi+)接第一 NMOS管(匪I)的柵極，負輸入端(V1-)接第二 NMOS管(匪2)的柵極?’第一NMOS管(匪I)的源極接第三NMOS管(匪3)的漏極，漏極接第二運算放大器(0P2)的負輸出端(Vo-);第二 NMOS管(NM2)的源極接第四NMOS管(NM4)的漏極，漏極接第二運算放大器(0P2)的正輸出端(Vo+);第三NMOS管(NM3)的柵極與第四NMOS管(NM4)的柵極相連，源極與第四NMOS管(NM4)的源極相連接地；第一 PMOS管(PMl)的柵極與第二 PMOS管(PM2)的柵極相連，源極與第二 PMOS管(PM2)的源極相連接電源，漏極與第一 NMOS管(匪I)的漏極相連?’第二 PMOS管(PM2)的漏極與第二 NMOS管(匪2)的漏極相連；第八電阻(R8)的一端接第一 NMOS管(匪I)的源極，另一端接第二 NMOS管(匪2)的源極；在第一 PMOS管(PMl)的柵極和漏極之間串聯(lián)連接第九一開關(guān)(S91)和第十一電阻(R11);在第九一開關(guān)(S91)的兩端之間串聯(lián)連接第一零一開關(guān)(SlOl)和第二一電阻(R21);在第一零一開關(guān)(SlOl)的兩端之間串聯(lián)連接第二零一開關(guān)(S201)和第三一電阻(R31);在第二零一開關(guān)(S201)的兩端之間串聯(lián)連接第三零一開關(guān)(S301)和第四一電阻(R41);在第三零一開關(guān)(S301)的兩端之間串聯(lián)連接第四零一開關(guān)(S401)和第五一電阻(R51);在第二 PMOS管(PM2)的柵極和漏極之間串聯(lián)連接第九二開關(guān)(S92)和第十二電阻(R12);在第九二開關(guān)(S92)的兩端之間串聯(lián)連接第一零二開關(guān)(S102)和第二二電阻(R22);在第一零二開關(guān)(S102)的兩端之間串聯(lián)連接第二零二開關(guān)(S202)和第三二電阻(R32);在第二零二開關(guān)(S202)的兩端之間串聯(lián)連接第三零二開關(guān)(S302)和第四二電阻(R42);在第三零二開關(guān)(S302)的兩端之間串聯(lián)連接第四零二開關(guān)(S402)和第五二電阻(R52)。
3.按照權(quán)利要求1所述的一種低功耗高精度的可編程增益放大器，其特征在于所述的第十一開關(guān)(Sll)至第四零二開關(guān)(S402)都采用CMOS傳輸門電路，低電平導(dǎo)通；所述的反向第一開關(guān)(S1 )和反向第二開關(guān)(S2 )都米用CMOS傳輸門電路，高電平導(dǎo)通。
4.按照權(quán)利要求1所述的一種低功耗高精度的可編程增益放大器，其特征在于所述的閉環(huán)電阻負反饋結(jié)構(gòu)的增益細調(diào)級中，第一運算放大器(OPl)采用兩級全差分運算放大器加共模反饋結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】H03G3/20GK103916098SQ201410124331
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】張長春, 商龍, 尹奎英, 劉蕾蕾, 郭宇鋒 申請人:南京郵電大學(xué)