一种带宽可切换的直流失调消除电路的制作方法

1.本发明属于直流失调消除电路技术领域，更具体地，涉及一种带宽可切换的直流失调消除电路。


背景技术：

2.放大器作为一个基础模块，如今已是各种功能电路的基础。对于多级差分放大器来说，若由于制造工艺偏差，会使得其在输入端或第一级输出端引入了一个直流偏差，该偏差将被后续多级放大器进一步放大，导致输出直流电发生偏离。另外，由于部分放大器的特性，在单端输入，差分输出的情况下，若输入幅度发生改变，此时放大器也有进入饱和的可能。传统解决方案是采用直流失调消除电路，以此消除由于工艺偏差或输入端直流电平失调引起的输出端直流电的偏离。
3.图1是现有技术中一种通用的直流失调消除电路的电路原理示意图，该直流失调消除电路由低通滤波器、运算放大器及反馈单元组成。其中，电阻r3、电阻r4以及电容c3组成了低通滤波器；晶体管m3与电阻r5组成了反馈单元。电阻r3的一端接射频主路，用于采集射频主路中的直流信号，并将采集后的直流信号通过运算放大器u1进行放大，并通过晶体管m3以相反的形式反馈至射频主路，抵消射频主路的直流偏差，由于整个环路形成负反馈，最终稳定时射频主路上的直流偏差为0。图1所示的直流失调消除电路虽能实现对射频主路中直流偏差的消除，但是由电阻r3、电阻r4以及电容c3构成的低通滤波电路带宽较低，会造成该低通滤波电路具有非常大的时间常数，影响直流失调消除电路消除射频主路中直流偏差的速度。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种带宽可切换的直流失调消除电路，可根据外部射频主路中信号幅度的变化情况切换低通滤波电路的带宽，使当外部射频主路中的信号幅度发生改变时将低通滤波电路的带宽从低截止状态切换至高截止状态，加快消除射频主路中直流偏差的速度。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种带宽可切换的直流失调消除电路，包括峰值脉冲产生电路、低通滤波电路、运算放大器和直流失调反馈电路，其中，
6.所述峰值脉冲产生电路，用于检测外部射频主路中一节点处的信号幅度，并当所述信号幅度发生改变时输出脉冲信号；
7.所述低通滤波电路，包括提取单元和前馈开关单元，所述提取单元用于提取外部射频主路中一射频放大器输出端输出的射频信号中的直流信号，所述前馈开关单元用于根据所述脉冲信号将所述低通滤波电路的带宽从低截止状态切换至高截止状态，并将所述直流信号发送至所述运算放大器进行放大处理后输出；
8.所述直流失调反馈电路，用于将放大后的所述直流信号以反相的形式反馈至外部射频主路中一射频放大器的输入端，抵消外部射频主路的直流偏差，直到所述低通滤波电
路提取到的直流信号平衡为止。
9.本发明提供的带宽可切换的直流失调消除电路由于在反馈环路中引入了峰值脉冲产生电路和前馈开关单元，因此当射频主路的信号幅度发生改变时，峰值脉冲产生电路将生成短暂的脉冲，改变低通滤波电路的带宽，加快时域信号收敛速度，即加快消除直流偏差的速度；并且由于脉冲宽度有限，因此低通滤波电路的带宽将仅在输入改变的时候发生，保证了在稳定状态下能够维持较低的截止频率。
10.在其中一个实施例中，所述峰值脉冲产生电路与所述外部射频主路中靠近其输入端的一节点相连，所述直流失调反馈电路与所述外部射频主路中除第一级射频放大器外的其余射频放大器的输入端相连。
11.在其中一个实施例中，所述峰值脉冲产生电路还用于将所述脉冲信号幅度放大为0-vdd的脉冲信号，并将所述0-vdd的脉冲信号的宽度进行延长处理后输出至所述前馈开关单元。
12.在其中一个实施例中，所述峰值脉冲产生电路包括隔直电容、多级放大器和偶数个第一反相器，所述隔直电容的一端与所述外部射频主路中的一节点相连，所述隔直电容的另一端依次通过串联连接的各放大器、串联连接的各反相器与所述前馈开关单元相连；且每级放大器均包括第二反相器和负载电阻，所述负载电阻的一端分别与所述第二反相器中nmos管的栅极、pmos管的栅极相连，所述负载电阻的另一端分别与所述第二反相器中nmos管的漏极、所述pmos管的漏极相连。
13.在其中一个实施例中，所述前馈开关单元包括晶体管m1，所述提取单元包括电阻r1、电阻r2和电容c1，所述电阻r1的一端与所述外部射频主路中一射频放大器的输出端相连，所述电阻r1的另一端分别与所述电阻r2的一端、所述晶体管m1的漏极相连，所述电阻r2的另一端分别与所述晶体管m1的源极、所述电容c1的一端、所述运算放大器的输入端相连，所述晶体管m1的栅极与所述峰值脉冲产生电路的输出端相连，所述电容c1的另一端与所述运算放大器的输出端相连。
14.在其中一个实施例中，所述电阻r1采用千欧级别的电阻。
15.在其中一个实施例中，所述直流失调反馈电路包括晶体管m2，所述晶体管m2的栅极与所述运算放大器的输出端相连，所述晶体管m2的源极接地，所述晶体管m2的漏极与所述外部射频主路中一射频放大器的输入端相连。
附图说明
16.图1是现有技术中直流失调消除电路的电路原理示意图；
17.图2是本发明一实施例中带宽可切换的直流失调消除电路的架构图；
18.图3是本发明一实施例中峰值脉冲产生电路的电路原理示意图；
19.图4是本发明提供的带宽可切换的直流失调消除电路应用于光电接收机前端系统的原理框图；
20.图5是本发明一实施例中带宽可切换的直流失调消除电路的电路原理示意图；
21.图6是本发明实施例提供不同状态下的系统频率响应曲线关系；
22.图7是现有技术下的时域仿真结果；
23.图8是本发明实施例提供的时域仿真结果。
具体实施方式
24.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
25.图2是本发明一实施例提供的带宽可切换的直流失调消除电路中的架构图，如图2所示，该直流失调消除电路包括峰值脉冲产生电路100、低通滤波电路200、运算放大器300和直流失调反馈电路400。
26.其中，峰值脉冲产生电路100，用于检测外部射频主路中一节点处的信号幅度，并当信号幅度发生改变时输出脉冲信号。由于射频主路产生的直流失调通常是在射频主路的输入端或其中第一级射频放大器的输出端产生，为提高检测的准确度，峰值脉冲产生电路100优选与射频主路中靠近其输入端的一节点相连。
27.低通滤波电路200，包括提取单元210和前馈开关单元220，提取单元210用于提取外部射频主路中任一射频放大器输出端输出的射频信号中的直流信号；前馈开关单元220用于根据峰值脉冲产生电路100输出的脉冲信号，将低通滤波电路200的带宽从低截止状态切换至高截止状态，并将提取单元210提取到的直流信号发送至运算放大器300进行放大处理后输出。为更好地驱动低通滤波电路200中的前馈开关单元220完成宽带切换，本实施例提供的峰值脉冲产生电路100还可用于将脉冲信号幅度放大为0-vdd的脉冲信号，并将幅度放大的脉冲信号的宽度进行延长处理后输出至前馈开关单元220。
28.直流失调反馈电路400，用于将运算放大器300放大处理后的直流信号以反相的形式反馈至外部射频主路中一射频放大器的输入端，抵消射频主路的直流偏差，直到低通滤波电路200提取到的直流信号平衡为止。为达到更好的直流偏差抑制效果，优选将直流失调反馈电路400与外部射频主路中除第一级射频放大器外的其余射频放大器的输入端相连。
29.需要说明的是，本实施例提供的带宽可切换的直流失调消除电路中各单元电路需根据连接的射频主路的类型不同进行相应设计，当接入的射频主路为差分输出时，本实施例提供的各单元电路需选用差分电路；当接入的射频主路为单端输出，若该射频主路的输入为单端输入则本实施例提供的各单元电路可选用单端电路，若该射频主路的输入为差分输入则本实施例提供的各单元电路可选择差分电路，后续实施例会加以详细描述。
30.本实施例提供的带宽可切换的直流失调消除电路由于在反馈环路中引入了峰值脉冲产生电路100和前馈开关单元220，因此当射频主路的信号幅度发生改变时，峰值脉冲产生电路100将生成短暂的脉冲，改变低通滤波电路200的带宽，加快时域信号收敛速度，即加快消除直流偏差的速度；并且由于脉冲宽度有限，因此低通滤波电路200的带宽将仅在输入改变的时候发生，保证了在稳定状态下能够维持较低的截止频率。
31.在一个实施例中，如图3所示，峰值脉冲产生电路100可包括隔直电容c2、多级放大器和偶数个第一反相器，所述隔直电容c2的一端与外部射频主路中的一节点相连，隔直电容c2的另一端依次通过串联连接的各放大器、串联连接的各反相器与前馈开关单元220相连；且每级放大器均包括第二反相器和负载电阻，负载电阻的一端分别与第二反相器中nmos管的栅极、pmos管的栅极相连，负载电阻的另一端分别与第二反相器中nmos管的漏极、pmos管的漏极相连。
32.在本实施例中，隔直电容c2与后端多级放大器中的输入阻抗一同形成了高通网
络，用于检测外部射频主路中一节点处的信号幅度，并当信号幅度发生改变时产生脉冲信号；多级放大器用于将该脉冲信号幅度进行放大，将微弱的脉冲信号放大为摆幅0-vdd的脉冲信号；偶数个反相器用于在不使得信号反相的情况下，延长0-vdd的脉冲信号的宽度。具体地，多级放大器可采用三级放大器，偶数个反相器可采用2个反相器，能把高约3mv，宽度约为5ns的峰值脉冲，放大、整形至0-vdd摆幅，40ns的峰值脉冲。高输出幅度的脉冲有利于驱动低通滤波电路200中的前馈开关单元220实现带宽切换。
33.在一个实施例中，如图5所示，低通滤波电路200中的前馈开关单元220包括晶体管m1，提取单元210包括电阻r1、电阻r2和电容c1，电阻r1的一端与外部射频主路中一射频放大器输出端，电阻r1的另一端分别与电阻r2的一端、晶体管m1的漏极相连，电阻r2的另一端分别与晶体管m1的源极、电容c1的一端、运算放大器的输入端相连，晶体管m1的栅极与峰值脉冲产生电路100的输出端相连，电容c1的另一端与运算放大器的输出端相连。具体地，晶体管m1可采用mos管，当然也可以采用igbt管，本实施例不作限制。
34.在本实施例中，电阻r1用于保证对射频主路中射频信号的隔离，提取射频信号中的直流成分，为更有效地保证对射频信号的隔离，仅提取到射频信号中的直流成分，电阻r1的阻值可优选为kω级别。电阻r2与晶体管m1并联，形成了可调电阻结构，其控制端vpulse与峰值脉冲产生电路100相连，当峰值脉冲产生电路100检测到射频主路上信号幅度发生改变时，峰值脉冲产生电路100输出高电平至晶体管m1的栅极，晶体管m1导通，电阻r2短路，使得整个低通滤波电路的带宽变宽，加快后端直流失调反馈电路300对射频主路中的直流偏差抵消的速度，由于整个环路形成负反馈，最终稳定时射频主路上的直流偏差为0；当射频主路上的直流偏差为0时，峰值脉冲产生电路100输出低电平至晶体管m1的栅极，晶体管m1关断，电阻r2工作，使得低通滤波电路200的带宽变窄，使直流失调消除电路处于待机状态。
35.为更清楚地说明本方案，以下结合具体实施例进行相应说明：
36.本发明提供了一种带宽可切换的直流失调消除电路，为了说明其可能的一种实施方式，以该直流失调消除电路应用于光电接收机前端系统中为例进行相应说明。图4为本发明提供的带宽可切换的直流失调消除电路应用于光电接收机前端系统的原理框图，由图4可知，该光电接收机前端系统为单端输入、差分输出，其包含了跨阻增益单元、可变增益放大器vga1、可变增益放大器vga2、均衡器以及缓冲器，总共5级放大单元，可使整体系统增益s参数增益达到40db以上。
37.为更好地消除该系统中的直流偏差，可将本发明提供的直流失调消除电路中的峰值脉冲产生电路100的输入端连接可变增益放大器vga1中的一节点处，将低通滤波电路200的输入端连接在可变增益放大器vga1的输出端，将直流失调反馈电路400的输出端连接在缓冲器的输出端。
38.图5是本发明一实施例提供的带宽可切换的直流失调消除电路的电路原理图，如图5所示，电阻r1与射频主路相连，采用kω级别的电阻r1可有效保证直流失调消除电路对射频信号的隔离，仅提取直流成分；电阻r2与晶体管m1并联，形成了可调电阻结构，其控制端vpulse将与峰值脉冲产生电路100相连；电容c1横跨在全差分运算放大器opamp的输入与输出端，与电阻r1、电阻r2和晶体管m1一同构成了低通滤波电路200；直流失调反馈电路400包括晶体管m2，晶体管m2将全差分运算放大器opamp输出的模拟电压转化为电流，馈入射频主路。
39.其工作原理为：由电阻r1、电阻r2、电容c1和晶体管m1构成的低通滤波电路200，可提取射频信号主路中的直流信号；当射频主路信号中的直流成分发生偏移时，该偏移值将被全差分运算放大器opamp放大，并将该误差通过晶体管m2，以相反的形式反馈至射频主路，抵消射频主路的直流偏移，直到低通滤波电路200提取到的直流信号平衡为止。
40.相比于传统架构，本发明中将低通滤波电路200中的电容c1横跨在全差分运算放大器opamp的输入与输出端，假设该全差分运算放大器opamp的增益为a(通常为100以上)，电容c1的容值为c，那么根据密勒定理，等效在全差分运算放大器opamp输入端的有效容值为c(1 a)，因此，在片上的电容c1可以仅使用pf级的电容容值，实现原本需要更大电容(约百倍)下的同等滤波效果，大大减小了实现的成本。
41.图6为利用本发明提供的直流失调消除电路的频率响应曲线关系。可以看到，在本发明提供的直流失调消除电路作用下，系统的低截止频率可以在15khz与30mhz之间切换。
42.图7为具有15khz的低截止频率的传统直流失调消除电路的系统的时域响应波形。由图7可知，在400us时，输入端发生突变，此时由于较大的时间常数，将使得系统在几十微秒后才能使得p端输出与n端输出重合(此时实现dc平衡)。
43.图8为利用本发明的带宽可切换的直流失调消除电路的系统的时域响应波形。同样的，将在400us时输入变化。当发生变化时，前馈脉冲将生成，使得可变带宽的直流失调消除电路中的开关切换，将直流失调消除电路的带宽切换至高截止状态(图6中黑色实线)，此时虽然有较快的响应速度(p端输出与n端输出能够更快实现dc平衡)，但有较多的低频信号将被抑制，且收敛精度不高。因此，在完全平衡后，前馈脉冲将复位，使得直流失调消除电路的带宽重新切换至低截止状态(图6中虚线)。
44.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。