一种多级级联宽带可变增益放大器及其带内调节方法与流程

1.本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种多级级联宽带可变增益放大器及其带内调节方法。


背景技术：

2.近年来，随着大数据分析和人工智能的发展，接收信号的带宽不断增加，对信号处理速率的要求也越来越高。这需要自动增益控制(automatic generation control,agc)放大器来适应大范围的信号带宽、工作频率和功率要求。基于不同的增益调谐机制，agc放大器中的可变增益放大器可分为模拟控制可变增益放大器和数字控制可变增益放大器。
3.现有技术中，通常采用有源反馈带宽拓展技术和二进制加权开关技术相结合的方法设计可编程增益放大器，但是这种方法设计的可编程增益放大器的品质因子q的值较大，q值的增大会导致带内的波动增大。
4.另外，若需要较大的增益控制范围，就需要级联多个可变增益放大器，这样会导致电路的带内波动进一步恶化，带内波动的恶化会严重损害放大器的性能。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种多级级联宽带可变增益放大器及其带内调节方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
6.一种多级级联宽带可变增益放大器，所述多级级联宽带可变增益放大器中级联有多个单级可变增益放大器；每个单级可变增益放大器中包括第一增益放大单元gm1、第二增益放大单元gm2、反馈放大单元gmf、第一负载电阻r
o1
、第二负载电阻r
o2
、第三负载电阻r
o3
、第四负载电阻r
o4
、第一负载电容c1，第二负载电容c2、第三负载电容c3和第四负载电容c4。
7.在本发明的一个实施例中，所述多个单级可变增益放大器中包括：精调单级可变增益放大器和粗调单级可变增益放大器。
8.在本发明的一个实施例中，所述多级级联宽带可变增益放大器中，级联中最后一级的单级可变增益放大器为精调单级可变增益放大器，其余为粗调单级可变增益放大器。
9.本发明的有益效果：
10.本发明的多级级联宽带可变增益放大器保证了较小的芯片面积，低功耗以及低的增益误差，还能够具有较高精度和较大增益范围。
11.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
12.图1是本发明实施例提供的一种三级级联宽带可编程增益放大器的电路结构示意图；
13.图2是本发明实施例提供的一种单级可变增益放大器结构示意图；
14.图3是本发明实施例提供的一种第一增益放大单元结构示意图；
15.图4是本发明实施例提供的一种反馈放大单元结构示意图；
16.图5是本发明实施例提供的一种基于传统带内调节方法效果示意图；
17.图6是本发明实施例提供的一种基于本发明带内调节方法效果示意图。
具体实施方式
18.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
19.实施例一
20.本发明实施例提供的一种多级级联宽带可编程增益放大器，所述多级级联宽带可变增益放大器中级联有多个单级可变增益放大器。
21.每个单级可变增益放大器中包括第一增益放大单元gm1、第二增益放大单元gm2、反馈放大单元gmf、第一负载电阻r
o1
、第二负载电阻r
o2
、第三负载电阻r
o3
、第四负载电阻r
o4
、第一负载电容c1，第二负载电容c2、第三负载电容c3和第四负载电容c4。
22.需要说明的是，本发明多级级联宽带可变增益放大器中级联的单级可变增益放大器个数，本发明不做限制，为了方便说明，本发明以三个单级可变增益放大器进行举例说明，即，三级级联宽带可变增益放大器。
23.参见图2，图2是本发明实施例提供的一种单级可变增益放大器结构示意图。所述单级可变增益放大器具有高精度db线性特性。
24.由于可编程增益放大器所要求的带宽较宽、增益调谐范围较大、工艺较为精细，因此在设计时对参数的精度要求较高。
25.可选的，所述多个单级可变增益放大器中包括：精调单级可变增益放大器和粗调单级可变增益放大器。
26.可选的，所述多级级联宽带可变增益放大器中，级联中最后一级的单级可变增益放大器为精调单级可变增益放大器，其余为粗调单级可变增益放大器。
27.参见图1，图1是本发明实施例提供的一种三级级联宽带可编程增益放大器的电路结构示意图。包括第一级可变增益放大器pga1，第二级可变增益放大器pga2，第三级可变增益放大器pga3，由于我们需要保证整体电路有较高的线性度，因此一般将第三级pga3设置为精调放大器，其品质因子q3的值较高，带宽ω3较宽，将其余两级放大器pga1和pga2设置为粗调放大器，其品质因子q1、q2值和带宽ω1、ω2相对较小。
28.具体的，第一级可变增益放大器pga1的差分电压正输入端v
ip1
是所述三级级联宽带可编程增益放大器总体的差分电压正输入端，所述第一级可变增益放大器pga1的差分电压负输入端v
in1
是三级级联宽带可编程增益放大器总体的差分电压负输入端，所述第一级可变增益放大器pga1的差分电压正输出端v
op1
连接所述第二级可编程增益放大器pga2的差分电压信号正输入端v
ip2
，所述第一级可变增益放大器pga1的差分电压负输出端v
on1
连接所述第二级可编程增益放大器pga2的差分电压负输入端v
in2
；
29.第二级可变增益放大器pga2的差分电压正输出端v
op2
连接所述第三级可编程增益放大器pga3的差分电压信号正输入端v
ip3
，所述第二级可变增益放大器pga2的差分电压负输出端v
on2
连接所述第三级可编程增益放大器pga3的差分电压负输入端v
in3
；
30.第三级可变增益放大器pga3的差分电压正输出端v
op3
连接所述三级级联宽带可编
程增益放大器总体的差分电压信号正输出端，所述第三级可变增益放大器pga3的差分电压负输出端v
on3
连接所述三级级联宽带可编程增益放大器总体的差分电压信号负输出端。
31.可选的，第一负载电阻r
o1
和第二负载电阻r
o2
的阻值相等，均为r
o1
；第三负载电阻r
o3
和第四负载电阻r
o4
的阻值相等，均为r
o2
；第一负载电容c1和第二负载电容c2的电容值相等，均为c1；第三负载电容c3和第四负载电容c4的电容值相等，均为c2。
32.可选的，所述第一增益放大单元gm1包括20 21 22…
2
n-1
k1个mos管差分对和n个控制开关s
0-s
n-1
；
33.其中，控制开关sn连接在2n个并联的mos管差分对的漏极与第二增益放大单元gm2的差分电压输入端之间，以控制所述2n个并联的mos管差分对的断开和闭合；n的取值范围为0≤n≤n-1。
34.控制所述2n个并联的mos管差分对的断开和闭合，从而通过n个控制开关s
0-s
n-1
控制接入电路中的mos管差分对的个数。例如，第一个控制开关s0连接在20＝1个mos管差分对的漏极与第二增益放大单元gm2的差分电压输入端之间，以控制该mos管差分对的通断，第二个控制开关s1同时连接在另外21＝2个mos管差分对的漏极与第二增益放大单元gm2的差分电压输入端之间，以控制这两个mos管差分对的通断，第三个控制开关s2同时连接在另外22个mos管差分对的漏极与第二增益放大单元gm2的差分电压输入端之间，以控制这四个mos管差分对的通断，
……
，以此类推，第n个控制开关s
n-1
同时连接在其次2
n-1
个mos管差分对的漏极与第二增益放大单元gm2的差分电压输入端之间。
35.剩余的k1个mos管差分对的漏极直接连接至第二增益放大单元gm2的差分电压输入端；
36.所有20 21 22…
2
n-1
k1个mos管差分对的栅极均连接至整个宽带可编程增益放大器的差分电压输入端v
ip
和v
in
。
37.参见图3，图3是本发明实施例提供的一种第一增益放大单元结构示意图。
38.可选的，所述增益放大单元gmf包括20 21 22…
2
n-1
k2个mos管差分对和多个控制开关
39.其中，控制开关连接在2n个并联的mos管差分对的漏极与第二增益放大单元gm2的差分电压输出端之间，以控制所述2n个并联的mos管差分对的断开和连接；n的取值范围为1≤n≤n-1。
40.例如，第一个控制开关连接在增益放大单元gmf中20＝1个mos管差分对的漏极与第二增益放大单元gm2的差分电压输出端之间，以控制该mos管差分对的通断，第二个控制开关同时连接在另外21＝2个mos管差分对的漏极与第二增益放大单元gm2的差分电压输出端之间，以控制这两个mos管差分对的通断，第三个控制开关同时连接在另外22个mos管差分对的漏极与第二增益放大单元gm2的差分电压输出端之间，以控制这四个mos管差分对的通断，
……
，以此类推，第n个控制开关同时连接在其次2
n-1
个mos管差分对的漏极与第二增益放大单元gm2的差分电压输出端之间。
41.参见图4，图4是本发明实施例提供的一种反馈放大单元结构示意图。
42.可选的，控制开关s
0-s
n-1
和控制开关的相位对应相反。
43.例如，当开关s0闭合，则开关断开，当开关s1闭合，则开关断开，当开关s
n-1
闭合，则开关断开。
44.在本实施例中，第一增益放大单元gm1利用二进制加权开关技术，使用二进制加权晶体管阵列同时改变放大器的输入和负载晶体管的大小和偏置电流；通过这种方法，输入和负载晶体管的电流密度是固定的，同时改变了电压增益，因此保持了恒定的过驱动电压，因此，在实际运行过程中，针对包括3个控制开关的第一增益放大单元，该第一增益放大单元gm1中3个控制开关连接的7个差分对中有b＝20s0 21s1 22s2个mos管差分对连通，控制开关的通断，即b的大小可以根据需求进行控制，此处将b称为数字控制字，具体地，当控制开关s0闭合时，s0的值为1，当控制开关s0断开时，s0的值为0；当控制开关s1闭合时，s1的值为1，当控制开关s1断开时，s1的值为0；当控制开关s2闭合时，s2的值为1，当控制开关s2断开时，s2的值为0。也就是说，此时，第一增益放大单元gm1中总共有b k1个差分对。
45.增益放大单元gm2仅有一个差分对，增益放大单元gmf利用二进制加权开关技术，由于控制开关s
0-s2和控制开关的相位对应相反，当与控制开关s
0-s2连接的7个差分对中有b个差分对连通，则增益放大单元gmf中与控制开关连接的7个差分对中有7-b个差分对连通。
46.本实施例的多级级联宽带可编程增益放大器将多级具有不同精度的db线性特性的可编程增益放大器级联组成，以获得更大的可变增益范围。示例如，三级级联宽带可编程增益放大器中，pga3为具有高精度的db线性特性可编程增益放大器，pga1和pga2为低精度，高增益控制范围的db线性特性可编程增益放大器，这样可以在保证所设计的三级级联宽带可编程增益放大器在较高精度的前提下，实现总体增益范围的拓展。
47.可选的，所述单级可变增益放大器的传递函数表示为：
[0048][0049]
其中，av0为单级可编程增益放大器的直流增益，ζ为阻尼系数，ωn为固有频率。
[0050]
本发明能够通过反馈放大单元gmf将输出信号部分反馈到第一增益放大单元gm1的输出端。
[0051]
可选的，基于所述传递函数，为了方便计算，引入带宽拓展因子n，得到：
[0052][0053][0054][0055]
n＝1 gmfgm2r1r2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0056]
当带宽拓展因子大于预设阈值时，直流增益av0可以被进一步化简为g
m1
/g
mf
；
[0057]gm1
/g
mf
值仅由gm1和gmf的跨导值之比决定，因此我们可以通过设计g
m1
和g
mf
的值来确定单级可编程增益放大器的增益。
[0058]
品质因子q由阻尼系数表示为：
[0059][0060]
在设计单级可编程增益放大器时，我们可以通过设计通频带内平坦的放大器所要求的固有频率ωn和品质因子q，完成对各级可编程增益放大器参数的确定。我们在设计时保证了r1＝r2＝r，因为这比较符合我们所设计电路的特性，由于g
mf
和g
m2
的值为常数值，因此我们可以通过(5)计算得到所需要的阻值。
[0061]
计算得到阻值，表示为：
[0062][0063]
将进一步表示为：
[0064][0065]
将品质因子q进一步表示为：
[0066][0067]
我们可以通过(8)和(9)计算得到所需要负载电容c1和c2的值。需要注意的是，我们可以通过调节带宽拓展因子n的值以保证c1和c2一定有解。通过同样的方式，我们可以设计出各级可编程增益放大器的具体参数。
[0068]
至此，多级级联宽带可编程增益放大器的各个参数都已确定，可以通过设定这些参数以设计得到想要的带宽、增益控制范围和增益控制精度。
[0069]
综上，本发明设计的多级级联宽带可变增益放大器保证了较小的芯片面积，低功耗以及低的增益误差，还能够具有较高精度和较大增益范围。
[0070]
实施例二
[0071]
本发明实施例提供一种多级级联宽带可变增益放大器的带内调节方法，应用于上述多级级联宽带可变增益放大器，所述方法包括：
[0072]
步骤1：确定多级级联宽带可变增益放大器中单级可变增益放大器的数目。
[0073]
步骤2：确定每个单级可变增益放大器对应的最大宽拓展倍数和最大品质因子q值。
[0074]
所述最大宽拓展倍数和最大品质因子q值根据本领域技术人员业务需要进行设置。
[0075]
步骤3：对所述最大宽拓展倍数和最大品质因子q值进行优化处理，以实现带内调节。
[0076]
根据增益控制范围和增益控制精度等性能要求，本发明首先确定多级放大器的级
联数目，进而先确定单级放大器最大的带宽拓展倍数和最大品质因子q值，因为它作为精调放大器对整体放大电路的调谐精度影响较大，然后对每一级放大器的设计带宽和q值进行设计优化，最终将整体电路的带内波动控制到最小。
[0077]
基于本发明所设计的多级级联宽带可编程增益放大器可以实现较宽的-3db带宽，精确的db线性特性和宽的增益调整范围，同时保证了较小的芯片面积，低功耗以及低的增益误差；并且本发明所提出的具有精确db-线性特性的宽带可编程增益放大器由于带宽较宽，可用于较多的接收机，适用范围广。
[0078]
参见图5，图5是基于传统的带内平坦度调节方法调节所得到的多级级联宽带可变增益放大器的频率响应曲线。图5左图中的曲线为各级增益放大器的带内波动曲线，右图中曲线为整体电路的带内波动曲线。
[0079]
由图5可知，在单级放大器的品质因子q和带宽相同的情况下，在级联多级之后会导致总体电路的品质因子q值的增加，增大了放大器的带内波动，严重损害了放大器的性能。
[0080]
为了解决上述问题，本发明通过对基于有源反馈带宽拓展技术和二进制加权开关技术所设计的高精度db线性特性的宽带可编程放大器的深入研究，创新性的提出了针对在级联多级高精度db线性特性的宽带可编程放大器的情况下，可以大幅度优化带内平坦度的带内调节方法。
[0081]
参见图6，如图6所示，其中左图中曲线为各级增益放大器的带内波动曲线，右图中曲线为整体电路的带内波动曲线。如图2所示，带内波动性较小，平坦度很好。然后根据计算出每一级电路的参数可以精确计算出各个单级可编程增益放大器内负载电阻和电容的大小，便可以完成最终的设计，得到一个具有较高精度和较大增益范围的多级级联宽带可编程增益放大器
[0082]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。