一种具有高精度dB线性特性的宽带可编程增益放大器

一种具有高精度db线性特性的宽带可编程增益放大器
技术领域
1.本发明属于射频接收机技术领域，具体涉及一种具有高精度db-线性特性的宽带可编程增益放大器。


背景技术：

2.近年来，随着大数据分析和人工智能的发展，对信号处理速率的要求迅速提高，接收信号的带宽不断增加。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。agc放大器广泛用于现代通信和信号处理系统，可用于软件定义无线电或最新的汽车雷达系统、毫米波成像、局域网(lan)和宽动态范围光接收器。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，实现模拟控制可变增益放大器和数字控制可变增益放大器的方法和技术，不仅可以获得精确的分贝线性(db-linear)增益控制，而且支持超过数百甚至数千兆赫兹的宽带宽，已成为一种研究热点。
3.由于模拟控制可变增益放大器需要额外的指数函数生成电路，且还需要将模拟信号转换为数字形式的接口电路，增加了芯片面积和功耗，因此在考虑到芯片面积和复杂性，数字控制可变增益放大器更适合于高频应用。目前，一些数字控制可变增益放大器电路也在文献中进行了讨论，但是都没有在达到很高带宽的同时实现高精度的db线性增益控制。传统的基于闭环的数字控制可变增益放大器因为需要消耗较大的电流并具有足够的电阻负载进行驱动，因此在高频应用中具有严重的局限性。由可变跨导控制的数字控制可变增益放大器在高频应用中更为流行，但工艺-电压-温度的变化会导致其步长不均匀，增加了增益误差。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种具有高精度db线性特性的宽带可编程增益放大器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
5.本发明提供了一种具有高精度db线性特性的宽带可编程增益放大器，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、mos管差分对m3、mos管差分对m4、mos管差分对m5、mos管差分对m6、mos管差分对m7、共模反馈电路cmfb1、共模反馈电路cmfb2，其中，
6.所述第一增益放大单元gm1的差分电压正输入端v
ip_1
为所述宽带可编程增益放大器总体的差分电压正输入端，所述第一增益放大单元gm1的差分电压负输入端v
in_1
为所述宽带可编程增益放大器总体的差分电压负输入端，所述第一增益放大单元gm1的差分电压正输出端v
op_1
连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压正输入端v
ip_2
，所述第一增益放大单元gm1的差分电压负输出端v
on_1
连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压负输入端v
in_2
；
7.所述第四mos管差分对m4连接在电源电压v
dd
与所述第一增益放大单元gm1的差分电压负输出端v
on_1
之间，所述第五mos管差分对m5连接在电源电压v
dd
与所述第一增益放大
单元gm1的差分电压正输出端v
op_1
之间，所述共模反馈电路cmfb1连接在所述第四、第五mos管差分对m4、m5与所述第一增益放大单元gm1的差分电压输出端v
op_1
和v
on_1
之间；
8.所述第二增益放大单元gm2的差分电压正输出端v
op_2
连接至所述第三mos管差分对m3的差分电压正输入端v
ip_3
，所述第二增益放大单元gm2的差分电压负输出端v
on_2
连接至所述第三mos管差分对m3的差分电压负输入端v
in_3
；
9.所述第六mos管差分对m6连接在电源电压v
dd
与所述第二增益放大单元gm2的差分电压负输出端v
op_2
之间，所述第七mos管差分对m7连接在电源电压v
dd
与所述第二增益放大单元gm2的差分电压正输出端v
on_2
之间，所述共模反馈电路cmfb2连接在所述第六、第七mos管差分对m6、m7与所述第二增益放大单元gm2的差分电压输出端v
op_1
和v
on_1
之间；
10.所述反馈放大单元gmf的差分电压正输入端v
ip_f
连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压正输出端v
op_2
，所述反馈放大单元gmf的差分电压负输入端v
in_f
连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压负输出端v
on_2
，所述反馈放大单元gmf的差分电压正输出端v
op_f
连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压负输入端v
in_2
，所述反馈放大单元gmf的差分电压负输出端v
on_f
连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压正输入端v
ip_2
；
11.所述第三mos管差分对m3的差分电压正输入端v
ip_3
连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压正输出端v
op_2
，所述第三mos管差分对m3的差分电压负输入端v
in_3
连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压负输出端v
on_2
，所述第三mos管差分对m3的差分电压正输出端为所述宽带可编程增益放大器总体的差分电压正输出端v
op
，所述第三mos管差分对m3的差分电压负输出端为所述宽带可编程增益放大器总体的差分电压负输出端v
on
。
12.在本发明的一个实施例中，所述宽带可编程增益放大器的第一差分电压输入端v
ip
和第二差分电压输入端v
in
的输入电压相位相差180
°
。
13.在本发明的一个实施例中，所述第四mos管差分对m4和所述第五mos管差分对m5的尺寸相等，所述第六mos管差分对m6和所述第七mos管差分对m7的尺寸相等。
14.在本发明的一个实施例中，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
，其中，控制开关sn连接在2n个并联的mos管差分对的漏极与所述第二增益放大单元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，1≤n≤n-1；
15.剩余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；
16.所有20+21+22…
+2
n-1
+k1个mos管差分对的栅极均连接至所述宽带可编程增益放大器的差分电压输入端。
17.在本发明的一个实施例中，所述第一增益放大单元gm1中的每个mos管差分对包括mos管m
1p
、mos管m
1n
和尾电流源i1，其中，
18.所述mos管m
1p
的栅极连接所述宽带可编程增益放大器的第一差分电压输入端v
ip
，所述mos管m
1n
的栅极连接所述宽带可编程增益放大器的第二差分电压输入端v
in
，所述尾电流源i1的一端连接接地端，另一端同时连接所述mos管m
1p
的源极和所述mos管m
1n
的源极；所述mos管m
1p
的漏极连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压正输入端v
in_2
，所述mos管m
1n
的漏极连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压负输入端v
ip_2
。
19.在本发明的一个实施例中，所述第二增益放大单元gm2包括一个mos管差分对，其
栅极连接所述第一增益放大单元gm1的差分电压输出端，漏极连接所述第三mos管差分对m3的差分电压输入端，源极连接尾电流源i2。
20.在本发明的一个实施例中，所述反馈放大单元gmf包括20+21+22…
+2
n-1
+k2个mos管差分对和多个控制开关其中，控制开关连接在所述增益放大单元gmf中2n个并联的mos管差分对的漏极与所述第二增益放大单元gm2的差分电压输出端之间，以控制所述增益放大单元gmf中2n个并联的mos管差分对的断开和闭合，其中，1≤n≤n；
21.剩余k2个mos管差分对的漏极直接连接至所述第二增益放大单元gm2的差分电压输入端之间；
22.所有20+21+22…
+2
n-1
+k2个mos管差分对的栅极均连接至所述第二增益放大单元gm2的差分电压输出端。
23.在本发明的一个实施例中，所述反馈放大单元gmf中的每个mos管差分对包括mos管m
fp
、mos管m
fn
和尾电流源if，其中，
24.所述mos管m
fp
的栅极连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压正输出端v
op_2
，所述mos管m
fn
的栅极连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压负输出端v
on_2
，所述尾电流源if的一端连接接地端，另一端同时连接所述mos管m
fp
的源极和所述mos管m
fn
的源极；所述mos管m
fp
的漏极连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压正输入端v
ip_2
，所述mos管m
fn
的漏极连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压负输入端v
in_2
。
25.在本发明的一个实施例中，所述控制开关s
0-s
n-1
和所述控制开关和所述控制开关的相位对应相反。
26.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
27.本发明提供可一种具有高精度db线性特性的宽带可编程增益放大器，利用二进制加权开关技术通过接近伪指数函数来实现精确的db线性增益控制，不需要额外的指数生成电路；此外，因为电压增益的变化由相同类型的mos晶体管的跨导值之间的比率决定，保证了该电路的增益对pvt(工艺、电压和温度)变化不敏感；该宽带可编程增益放大器电路可以实现较宽的-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。
28.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
29.图1是本发明实施例提供的一种具有高精度db线性特性的宽带可编程增益放大器的电路结构示意图；
30.图2是本发明实施例提供的一种第一增益放大单元的结构示意图；
31.图3是本发明实施例提供的一种mos管差分对的结构示意图；
32.图4是本发明实施例提供的一种反馈放大单元的结构示意图；
33.图5是本发明实施例提供的一种宽带可编程增益放大器的电压增益随b和k的值变化而改变的理论结果；
34.图6是本发明实施例提供的一种宽带可编程增益放大器的增益误差随b和k的值变
化而改变的理论结果；
35.图7是本发明实施例提供的一种宽带可编程增益放大器电压增益及增益误差的仿真结果；
36.图8是本发明实施例提供的一种宽带可编程增益放大器频率响应的仿真结果。
具体实施方式
37.为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种具有高精度db线性特性的宽带可编程增益放大器进行详细说明。
38.有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
39.应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
40.请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种具有高精度db线性特性的宽带可编程增益放大器的电路结构示意图。该宽带可编程增益放大器电路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、mos管差分对m3、mos管差分对m4、mos管差分对m5、mos管差分对m6、mos管差分对m7、共模反馈电路cmfb1、共模反馈电路cmfb2，其中，
41.所述第一增益放大单元gm1的差分电压正输入端v
ip_1
为所述宽带可编程增益放大器总体的差分电压正输入端，所述第一增益放大单元gm1的差分电压负输入端v
in_1
为所述宽带可编程增益放大器总体的差分电压负输入端，所述第一增益放大单元gm1的差分电压正输出端v
op_1
连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压正输入端v
ip_2
，所述第一增益放大单元gm1的差分电压负输出端v
on_1
连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压负输入端v
in_2
；
42.所述第四mos管差分对m4连接在电源电压v
dd
与所述第一增益放大单元gm1的差分电压负输出端v
on_1
之间，所述第五mos管差分对m5连接在电源电压v
dd
与所述第一增益放大单元gm1的差分电压正输出端v
op_1
之间，所述共模反馈电路cmfb1连接在所述第四、第五mos管差分对m4、m5与所述第一增益放大单元gm1的差分电压输出端v
op_1
和v
on_1
之间；
43.所述第二增益放大单元gm2的差分电压正输出端v
op_2
连接至所述第三mos管差分对m3的差分电压正输入端v
ip_3
，所述第二增益放大单元gm2的差分电压负输出端v
on_2
连接至所述第三mos管差分对m3的差分电压负输入端v
in_3
；
44.所述第六mos管差分对m6连接在电源电压v
dd
与所述第二增益放大单元gm2的差分电压负输出端v
op_2
之间，所述第七mos管差分对m7连接在电源电压v
dd
与所述第二增益放大单元gm2的差分电压正输出端v
on_2
之间，所述共模反馈电路cmfb2连接在所述第六、第七mos管差分对m6、m7与所述第二增益放大单元gm2的差分电压输出端v
op_1
和v
on_1
之间；
45.所述反馈放大单元gmf的差分电压正输入端v
ip_f
连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压正输出端v
op_2
，所述反馈放大单元gmf的差分电压负输入端v
in_f
连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压负输出端v
on_2
，所述反馈放大单元gmf的差分电压正输出端v
op_f
连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压负输入端v
in_2
，所述反馈放大单元gmf的差分电压负输出端v
on_f
连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压正输入端v
ip_2
；
46.所述第三mos管差分对m3的差分电压正输入端v
ip_3
连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压正输出端v
op_2
，所述第三mos管差分对m3的差分电压负输入端v
in_3
连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压负输出端v
on_2
，所述第三mos管差分对m3的差分电压正输出端为所述宽带可编程增益放大器总体的差分电压正输出端v
op
，所述第三mos管差分对m3的差分电压负输出端为所述宽带可编程增益放大器总体的差分电压负输出端v
on
。
47.在本实施例中，所述宽带可编程增益放大器的第一差分电压输入端v
ip
与第二差分电压输入端v
in
的输入电压相位相差180
°
。
48.在本发明的一个实施例中，所述第四mos管差分对m4和所述第五mos管差分对m5的尺寸相等，所述第六mos管差分对m6和所述第七mos管差分对m7的尺寸相等。
49.进一步地，请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种第一增益放大单元的结构示意图。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
，其中，控制开关sn(0≤n≤n-1)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，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。
50.剩余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；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
。
51.在本实施例中，该20+21+22…
+2
n-1
+k1个mos管差分对的结构均相同，请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种mos管差分对的结构示意图。每个mos管差分对包括mos管m
1p
、mos管m
1n
和尾电流源i1，其中，
52.所述mos管m
1p
的栅极连接所述宽带可编程增益放大器的第一差分电压输入端v
ip
，所述mos管m
1n
的栅极连接所述宽带可编程增益放大器的第二差分电压输入端v
in
，所述尾电流源i1的一端连接接地端，另一端同时连接所述mos管m
1p
的源极和所述mos管m
1n
的源极；所述mos管m
1p
的漏极连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压正输入端v
in_2
，所述mos管m
1n
的漏极连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压负输入端v
ip_2
。
53.在本实施例中，如图2所示，第一增益放大单元gm1共包括20+21+22+k1＝7+k1个mos管差分对和3个控制开关s
0-s2，其中，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同时连接在其次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同时连接在其次22＝4个mos管差分对的漏极与增益放大单元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。剩余k1个mos管差分对的漏极不通过控制开关而直接连接至增益放大单元gm2的差分电压输入端。
54.在本实施例中，所述控制开关由晶体管组成，可以根据需求向所述控制电压输入不同的电压，以控制开关的断开和闭合，当向开关晶体管开关输入低电压时，该开关晶体管关断，当向开关晶体管开关输入高电压时，该开关晶体管闭合。
55.进一步地，本实施例的增益放大单元gm2包括一个mos管差分对，该mos管差分对的栅极连接第一增益放大单元gm1的差分电压输出端，漏极连接整个宽带可编程增益放大器的差分电压输出端。具体地，增益放大单元gm2中的mos管差分对包括mos管m
2p
、mos管m
2n
和尾电流源i2，其中，mos管m
2p
的栅极连接第一增益放大单元gm1的差分电压正输出端v
op_1
，mos管m
2n
的栅极连接第一增益放大单元gm1的差分电压负输出端v
on_1
，尾电流源i2的一端连接接地端，另一端同时连接第一mos管m
2p
的源极和mos管m
2n
的源极；mos管m
2p
的漏极连接第三mos管差分对m3的差分电压正输入端v
ip_3
，mos管m
2n
的漏极连接第三mos管差分对m3的差分电压负输入端v
in_3
。
56.请参见图4，图4是本发明实施例提供的一种反馈放大单元的结构示意图。该增益放大单元gmf包括20+21+22…
+2
n-1
+k2个mos管差分对和多个控制开关其中，控制开关(1≤n≤n-1)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。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。
57.进一步地，反馈放大单元gmf中的每个mos管差分对包括mos管m
fp
、mos管m
fn
和尾电流源if，其中，所述mos管m
fp
的栅极连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压正输出端v
op_2
，所述mos管m
fn
的栅极连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压负输出端v
on_2
，所述尾电流源if的一端连接接地端，另一端同时连接所述mos管m
fp
的源极和所述mos管m
fn
的源极；所述mos管m
fp
的漏极连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压正输入端v
ip_2
，所述mos管m
fn
的漏极连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压负输入端v
in_2
。
58.需要说明的是，控制开关s
0-s
n-1
和控制开关的相位对应相反，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。
59.如图4所示，本实施例的增益放大单元gmf包括20+21+22+k2个mos管差分对和3个控制开关其中，第一个控制开关连接在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其次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其次22＝4个mos管差分对的漏极与增益放大单元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。剩余k2个mos管差分对的漏极不通过控制开关而直接连接至增益放大单元gm2的差分电压输出端。
60.所有20+21+22…
+2
n-1
+k2个mos管差分对的栅极均连接至所述第二增益放大单元gm2的差分电压输出端。
61.在本实施例中，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中所有mos管差分对均采用0.18μm cmos工艺。
62.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。
63.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gm2中与控制开关连接的7个差分对中有7-b个差分对连通。此时，第一增益放大单元gm1中总共有7-b+k2个差分对。进一步地，流过第一增益放大单元gm1、第二增益放大单元gm2和增益放大单元gmf的电流分别为i1、i2和if。
64.本实施例的宽带可编程增益放大器在一个简单两级放大器的基础上，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。整个可编程增益放大器的传递函数由下式给出：
[0065][0066]
其中，gm1为第一增益放大单元gm1的总跨导值、gm2为第二增益放大单元gm1的总跨导值，gmf为反馈放大单元gmf的总跨导值，r
o1
为第四mos管差分对m4或第五mos管差分对m5的阻值，r
o2
为第六mos管差分对m6或第七mos管差分对m7的阻值，s为复频率，ω0是不添加反馈放大单元gmf时由增益放大单元gm1和增益放大单元gm2级联组成的放大器的-3db带宽，其值为：
[0067][0068]
其中，c1为第四mos管差分对m4和第五mos管差分对m5的寄生电容值，c2为第三mos管差分对m3、第六mos管差分对m6和第七mos管差分对m7的寄生电容值，q为该电路的品质因子，其表达式为：
[0069][0070]
由公式(1)可以计算得到加入反馈放大单元gmf后的-3db带宽ωf为：
[0071][0072]
因此，带宽拓展的倍数可以被表示为：
[0073][0074]
从公式(4)可以看出，加入有源反馈后可以通过增加gm2和gmf的值以增加gm2gmfr
o1ro2
的大小，从而提高带宽的拓展倍数。
[0075]
本实施例利用了二进制加权开关技术，使用晶体管阵列并联组成了第一增益放大单元gm1和反馈放大单元gmf。由于第一增益放大单元gm1由位于源极的数字开关s0s1s2和k1控制，反馈放大单元gmf由开关和k2控制，可以得到gm1和gmf的跨导分别为：
[0076][0077][0078]
其中，(w/l)1和i1分别表示第一增益放大单元gm1中晶体管的宽长比和漏电流，(w/l)f和if分别表示反馈放大单元gmf中晶体管的宽长比和漏电流，单个晶体管的跨导值分别为和其中，μn为电子迁移率，c
ox
为栅氧化层电容，s0、s1、s2、和分别表示对应开关的状态，开关断开时，则取值为0，开关闭合时，取值为1。数字控制字b＝20s0+21s1+22s2，即，第一增益放大单元gm1中有b+k1个mos管差分对连通，由于第一增益放大单元gm1与反馈放大单元gmf的开关相位对应相反，因此当由开关控制的mos管差分对总共有20+21+22＝7个时，反馈放大单元gmf中有7-b+k2个mos管差分对连通，其代入(6)和(7)中分别可得：gm1＝g
m1
×
(b+k1)和gmf＝g
mf
(7-b+k2)，因此整个宽带可编程增益放大器的直流增益可以被改写为：
[0079][0080]
其中，g
m1
为第一增益放大单元gm1中每个晶体管的跨导值，g
m2
为第二增益放大单元
gm2中晶体管的跨导值，g
m2
＝gm2，g
mf
为反馈放大单元gmf中每个晶体管的跨导值。
[0081]
进一步地，为了实现具有db线性特性的增益，需要将公式(8)转化为伪指函数av＝(1+t)/(1-t)≈e
2t
的形式，则可以求得:
[0082][0083]
在本实施例中，第一增益放大单元gm1中每个晶体管的跨导值g
m1
与反馈放大单元gmf中每个晶体管的跨导值g
mf
相等，则令g
m1
＝g
mf
＝gm，b与t之间呈线性关系，即直流增益av与b之间呈指数关系。若假设a＝g
mfgm2ro1ro2
，则公式(9)可以被改写为：
[0084][0085]
由于gm2gmfr
o1ro2
的大小决定了整个宽带可编程增益放大器电路的带宽，将带宽拓展为系统所要求的大小时，即a＝g
mfgm2ro1ro2
＞＞1的情况下，则公式(10)可以进一步改写为：
[0086][0087]
由公式(11)可以看出，t的值仅由b、k1和k2决定，因而第一增益放大单元gm1和第二增益放大单元gm2的跨导值之比决定的电压增益变得与工艺、电压和温度无关。由于伪指数函数在原点(t＝0)附近的变化非常接近指数函数，为了在尽可能大的增益控制范围时达到最小的增益误差，因此取t的值关于原点对称，此时t(b＝0)+t(b＝7)＝0，代入公式(10)中可得k1＝k2＝k，因此由公式(11)可得：
[0088][0089]
可见，k决定了t的取值范围，即决定了增益范围。理论的电压增益与数字控制字b和k之间的关系如图5所示，理论的增益误差与数字控制字b和k之间的关系如图6所示，可以看出，可以通过改变k的值控制增益范围，并且可以通过增加k的值来减小增益步长和增益误差。对于各种k的取值，其电压增益和增益误差之间呈负相关的关系，大的增益范围和小的增益误差无法兼得，因此我们需要在两者间进行折衷选择。
[0090]
电压增益以及增益误差仿真结果如图7所示，可以明显看出，通过利用二进制开关加权技术进行控制，电路的电压增益有db-线性特性，也即电压增益的仿真结果呈直线。频率响应的仿真结果如图8所示，通过利用有源反馈技术可以有效拓展电路的带宽，可以看出带宽可以达到1ghz，能够适用于大多数射频接受机工作。
[0091]
综上，本实施例的宽带可编程增益放大器，利用二进制加权开关技术通过接近伪指数函数来实现精确的db线性增益控制，不需要额外的指数生成电路；此外，因为电压增益的变化由相同类型的mos晶体管的跨导值之间的比率决定，保证了该电路的增益对pvt(工艺、电压和温度)变化不敏感；该宽带可编程增益放大器电路可以实现较宽的-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。
[0092]
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。

技术特征：
的差分电压输入端之间，以控制所述2
n
个并联的mos管差分对的断开和闭合，1≤n≤n-1；剩余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；所有20+21+22…
+2
n-1
+k1个mos管差分对的栅极均连接至所述宽带可编程增益放大器的差分电压输入端。5.根据权利要求5所述的具有高精度db线性特性的宽带可编程增益放大器，其特征在于，所述第一增益放大单元gm1中的每个mos管差分对包括mos管m
1p
、mos管m
1n
和尾电流源i1，其中，所述mos管m
1p
的栅极连接所述宽带可编程增益放大器的第一差分电压输入端v
ip
，所述mos管m
1n
的栅极连接所述宽带可编程增益放大器的第二差分电压输入端v
in
，所述尾电流源i1的一端连接接地端，另一端同时连接所述mos管m
1p
的源极和所述mos管m
1n
的源极；所述mos管m
1p
的漏极连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压正输入端v
in_2
，所述mos管m
1n
的漏极连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压负输入端v
ip_2
。6.根据权利要求1所述的具有高精度db线性特性的宽带可编程增益放大器，其特征在于，所述第二增益放大单元gm2包括一个mos管差分对，其栅极连接所述第一增益放大单元gm1的差分电压输出端，漏极连接所述第三mos管差分对m3的差分电压输入端，源极连接尾电流源i2。7.根据权利要求1所述的具有高精度db线性特性的宽带可编程增益放大器，其特征在于，所述第三mos管差分对m3的栅极连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压输出端，源极连接所述宽带可编程增益放大器的总体差分输出端。8.根据权利要求5所述的具有高精度db线性特性的宽带可编程增益放大器，其特征在于，所述反馈放大单元gm
f
包括20+21+22…
+2
n-1
+k2个mos管差分对和多个控制开关其中，控制开关连接在所述增益放大单元gm
f
中2
n
个并联的mos管差分对的漏极与所述第二增益放大单元gm2的差分电压输出端之间，以控制所述增益放大单元gm
f
中2
n
个并联的mos管差分对的断开和闭合，其中，1≤n≤n；剩余k2个mos管差分对的漏极直接连接至所述第二增益放大单元gm2的差分电压输入端之间；所有20+21+22…
+2
n-1
+k2个mos管差分对的栅极均连接至所述第二增益放大单元gm2的差分电压输出端。9.根据权利要求8所述的具有高精度db线性特性的宽带可编程增益放大器，其特征在于，所述反馈放大单元gm
f
中的每个mos管差分对包括mos管m
fp
、mos管m
fn
和尾电流源i
f
，其中，所述mos管m
fp
的栅极连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压正输出端v
op_2
，所述mos管m
fn
的栅极连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压负输出端v
on_2
，所述尾电流源i
f
的一端连接接地端，另一端同时连接所述mos管m
fp
的源极和所述mos管m
fn
的源极；所述mos管m
fp
的漏极连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压正输入端v
ip_2
，所述mos管m
fn
的漏极连接所述第二增益放大单元gm2的差分电压负输入端v
in_2
。10.根据权利要求8所述的具有高精度db线性特性的宽带可编程增益放大器，其特征在于，所述控制开关s
0-s
n-1
和所述控制开关的相位对应相反。

技术总结
本发明公开了一种具有高精度dB线性特性的宽带可编程增益放大器，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GM


技术研发人员：阴玥 张润寰 齐浩博
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2021.12.09
技术公布日：2022/3/8