本发明涉及增益放大器，特别涉及一种新型的连续可调分贝线性可变增益电路结构。
背景技术：
可变增益放大电路广泛应用于通信电路系统中，例如自动增益控制等，以提高系统的动态范围。通常这种增益控制要求电路增益随着线性控制电压的变化而指数变化，即分贝线性(db-linear)变化。也就是说，控制电压是线性的，而增益是分贝线性的(指数变化)。实现这一功能有两大类方法，一类是基于离散的可编程分步数字增益控制机制，另一类是纯模拟的连续可调增益控制机制。在很多应用中，要求采用纯模拟的连续可调分贝线性控制以避免数字增益控制中所出现的毛刺现象。
纯模拟的连续可调分贝线性连续增益电路主要有以下几类实现方法，第一种是采用基于泰勒级数逼近的伪指数(pseudo-exponential)控制电路结构，这一种结构的缺点在于增益和电压之间的指数关系精度不高；第二种则是精确的分贝线性控制电路，通常是以三级管为核心，通过一系列转换电路以获得大范围的精确分贝线性增益控制关系，这一类电路应用范围广，但其难点在于大范围的精确分贝线性增益控制电路的设计，通常此类电路的分贝线性控制结构极为复杂。
技术实现要素：
为此本发明提出连续可调分贝线性控制线路，通过提出一种新型指数电流产生和复制结构，以达到简化电路结构的目的。
本发明目的：在于提供一种新型的连续可调分贝线性可变增益电路结构，其电路结构简单，且实现的放大电路还具有可以控制的恒定共模输出电压的优点。
为实现上述目的，本发明的采用如下技术方案：
一种连续可调分贝线性可变增益电路结构，包括：放大器核心电路、共模输出偏置电路、指数比例电流产生电路、指数比例电流偏置电路；
所述放大器核心电路为差分对电流舵结构，包括场效应管m1、m2组成的差分对m1/m2、场效应管m3、m4组成的差分对m3/m4，一对差分负载电阻r1/r2，以及尾电流偏置晶体管m13，输入差分信号为vin+/vin-，分别连接差分对m1/m2的栅极，输出差分信号为vout+/vout-，vout+连接m2/m4的漏极，vout-连接m1/m3的漏极，差分对m1/m2的漏极分别通过电阻r1/r2连接高电平vdd，两对差分对m1/m2、m3/m4的源极分别连接到晶体管m13的漏极，m13的源极接地；
所述共模输出偏置电路生成电压vb1加载在m13栅极；
所述指数比例电流产生电路和指数比例电流偏置电路依次连接，生成电压vb2加载在m3/m4栅极；通过电压vb1和电压vb2的联合作用，使得尾电流晶体管m13中的偏置电流为i0恒定可控，同时流过m1的沟道电流i1与i0呈指数关系，从而使增益呈分贝线性变化。
优选的，所述共模输出偏置电路，包括场效应管m5、m6组成的差分对m5/m6，场效应管m7、m8组成的差分对m7/m8，一对差分负载电阻r3/r4，以及尾电流偏置晶体管m14；差分对m5/m6栅极接外接共模电压vcm，m7/m8栅极上加的电压来自于指数比例电流偏置电路所产生的偏置电压vb2，差分负载电阻r3/r4的输出端短接在一起并连接到运算放大器op1的正输入端，op1的负输入端接共模参考电压vcm，op1的输出端电压vb1接m14的栅极，形成负反馈回路。
优选的，所述共模输出偏置电路与放大器核心电路形成的负反馈回路，迫使共模输出偏置电路中的负载电阻r3/r4的输出端电压vx1等于vcm，则vdd-1/2*i0*r＝vcm，i0由此公式决定，即i0＝2*(vdd-vcm)/r。
优选的，所述指数比例电流产生电路包括三极管q1、q2组成的差分结构三极管q1/q2，一对差分电阻r5/r6，尾电流晶体管m16及运算放大器op2；运算放大器op2的正输入端接q2支路负载电阻r的输出端vx3，负输入端接外加共模电压vcm，op2的输出端接的m16栅极，和m16及q2形成负反馈回路。
优选的，所述指数比例电流偏置电路包括场效应管m9、m10组成的差分对m9/m10，场效应管m11、m12组成的差分对m11/m12，一对差分电阻对r7/r8，尾电流晶体管m15,以及运算放大器op3，差分对m9/m10连接差分电阻对r7/r8，m11/m12直接连接到电源电压；尾电流晶体管m15栅极加载由共模输出偏置电路中产生的偏置电压vb1，电阻对r7/r8的输出端短接并连接到运算放大器op3的负输入端，op3的正输入端接指数比例电流产生电路产生的电压vy1，op3的输出端产生偏置电压vb2，并加载到差分对m11/m12的栅极，构成负反馈回路。
优选的，所述差分对m1/m2栅极加载的差分信号vin+/vin-的共模电压在工作时也设置为vcm，由于复制偏置vb1的关系，m14的栅极偏压和m13的栅极偏压都等于vb1，m13的尾电流等于m14的尾电流i0，即i0＝2*(vdd-vcm)/r，并且vx2＝vx1＝vcm；差分对m1/m2的电流设为i1，差分对m3/m4的电流设为i2，在i1和i2的分配关系中，i1在恒定的i0总电流中所占的比例由m3栅极的偏置电压vb2确定。
优选的，所述指数比例电流产生电路形成的负反馈回路，使得vx3＝vx2＝vcm，q2支路的电流ib2等于放大器核心电路中m1支路的电流，即ib2＝i0/2＝(vdd-vcm)/r，这是一个恒定可控的值；同时q2基极上加载的电压vr是一个参考电压，q1基极上加载的电压是一个线性控制电压vc。
优选的，q1和q2两个支路的电流ib1和ib2有如下关系式成立：
公式(1)中vt＝kt/q，k是玻尔兹曼常数，q是电子电量，t是绝对温度，也就是说ib1和ib2呈指数关系，或者说ib1和i0呈指数关系；ib1这个指数电流在q1支路的电阻r上产生了一个电压vy1，该电压连接到指数比例电流偏置电路的运算放大器op3的正输入端上，通过负反馈产生偏置电压vb2。
优选的，所述指数比例电流偏置电路构成负反馈回路，使得电压vy2和vy1相等，m9/m10支路上流过电阻r的电流i1/2等于ib1：
因此，i1和i0呈指数关系，其中i0恒定可控。
优选的，连续可调分贝线性可变增益电路结构的增益表达式为：
其中cox是晶体管栅氧化层单位面积电容，
本发明的优点：
本发明提出的连续可调的精确分贝线性可变增益放大结构，通过三组负反馈结构，两组偏置复制结构和一个电流分流结构差分对的巧妙系统性设计，在一个电流舵结构的差分放大晶体管对中，在保证总电流不变即输出共模电压不变的情况下，简单有效且精确的实现了一个随着外加控制电压线性变化而呈指数变化的晶体管沟道电流，该电流决定了该晶体管的跨导也随着控制电压线性变化而呈指数变化，进而实现了一个满足分贝线性增益控制的连续可调可变增益放大器结构。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的连续可调分贝线性可变增益电路结构的原理图；
图2表1参数实现的分贝线性可变增益电路的增益与控制电压的关系。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括四个部分，左上角电路模块1放大电路核心部分、右上角电路模块2共模输出偏置电路、左下角电路模块3指数比例电流产生电路和右下角电路模块4指数比例电流偏置电路。下面将依据这四部分对整个发明作详细介绍。
整个电路的输入端为vin+/vin-，输出为vout+/vout-，外加共模电压为vcm，外加参考电压vr，外加线性增益控制电压vc。放大器的增益即输出信号和输入信号的比值随着控制电压vc的线性变化而呈分贝线性变化(指数变化)。
放大器核心电路为传统的差分对电流舵结构，如图1的左上角所示，由两对差分对m1/m2，m3/m4，一对差分负载电阻r1/r2(阻值均为r)，以及尾电流偏置晶体管m13组成，输入差分信号为vin+/vin-，输出差分信号为vout+/vout-，设尾电流晶体管m13中的偏置电流为i0，输出差分信号vout+/vout-的共模电压由电源电压vdd减去电阻r上的电压降1/2*i0*r，而放大器的增益为av＝gm1*r，其中gm1是晶体管m1的跨导，要使得放大器的增益随着vc的线性变化而表现出分贝线性变化(指数变化)，就需要使得晶体管m1的跨导呈指数变化，或者说使得晶体管m1的沟道电流i1呈指数变化。在本设计中，我们通过复制偏置技术，使得m13的尾电流i0保持恒定，同时通过巧妙的指数电流复制技术，使得m1的沟道电流i1随着控制电压vc的线性变化而呈现出指数变化。本发明中左上角放大器核心电路的电路结构尽管表面上看是传统的电流舵差分对结构，但其发明核心是加载在m13栅极的电压vb1，和加载在m3/m4栅极的电压vb2，这两个电压分别由本发明图1中的第二部分共模输出偏置电路和第三、第四部分指数比例电流产生和偏置电路生成，通过vb1和vb2的联合作用，一方面使得放大器的输出共模电压vx2等于外加的共模偏置电压vcm，这意味着流过放大器负载电阻的电流i0恒定可控，另一方面使得流过m1的沟道电流i1与总电流i0呈指数关系，从而达到增益呈分贝线性变化的设计目的。
实现m13尾电流i0恒定的方法如下所述，如图1右上角的共模输出偏置电路所示，该部分电路中的两对差分对m5/m6，m7/m8，差分负载电阻r3/r4，以及尾电流偏置晶体管m14和图1中的左上角电路1放大器核心电路m1/m2，m3/m4，差分负载电阻r1/r2，尾电流偏置晶体管m13完全一致，图1右上角电路2中的差分对m5/m6栅极接外接共模电压vcm，m7/m8栅极上加的电压来自于图1右下角电路4所产生的偏置电压vb2，图1右上角电路2中的一对差分负载电阻的输出端短接在一起并连接到运算放大器op1的正输入端，op1的负输入端接共模参考电压vcm，op1的输出端接m14的栅极，形成负反馈回路，该负反馈回路迫使图1右上角电路2中的负载电阻r3/r4的输出端电压vx1等于vcm，这意味着如下公式成立vdd-1/2*i0*r＝vcm，i0可以由此公式决定即i0＝2*(vdd-vcm)/r。图1左上角电路1中的差分输入对m1/m2栅极加载的差分信号vin+/vin-的共模电压在工作时也设置为vcm，由于复制偏置vb1的关系，即图1中电路1和电路2主体结构相同，m14的栅极偏压和m13的栅极偏压都等于vb1，图1左上角电路1中的电流分配关系和右上角的电路2完全一致，即m13的尾电流等于m14的尾电流i0即i0＝2*(vdd-vcm)/r，并且vx2＝vx1＝vcm，而i1和i2的分配关系或者说i1在恒定的i0总电流中所占的比例由m3栅极的偏置电压vb2确定，图1中左下角电路3和右下角的电路4合作产生偏置电压vb2，使得i1的值作为i0的一部分并呈指数变化，具体发明实现方法描述如下。
图1左下角电路3由一对差分结构三极管q1和q2，一对差分电阻r5/r6，尾电流晶体管m16及运算放大器op2组成，运算放大器op2的正输入端接q2支路负载电阻r5/r6的输出端vx3，负输入端接外加共模电压vcm，op2的输出端接的m16栅极，和m16及q2形成负反馈回路，使得如下关系成立vx3＝vx2＝vcm。这意味着q2支路的电流ib2等于图1左上角电路1中m1支路的电流即ib2＝i0/2＝(vdd-vcm)/r这是一个恒定可控的值。同时q2基极上加载的电压vr是一个参考电压，q1基极上加载的电压是一个线性控制电压vc，由于三极管的特性，q1和q2两个支路的电流ib1和ib2有如下关系式成立：
公式(1)中vt＝kt/q，k是玻尔兹曼常数，q是电子电量，t是绝对温度，也就是说ib1和ib2呈指数关系，或者说ib1和i0呈指数关系。ib1这个指数电流在q1支路的电阻r5/r6上产生了一个电压vy1，该电压连接到图1右下角电路4的运算放大器op3的正输入端上，通过负反馈产生偏置电压vb2，具体设计细节如下。图1右下角电路4由差分对m9/m10，m11/m12和尾电流晶体管m15，一对差分电阻r7/r8，以及运算放大器op3组成，其晶体管和负载电阻元器件的值与图1右上角电路2中的元器件完全一致，但连接方式略有不同，在右上角电路2中，差分对m5/m6，m7/m8并联连接，两个支路的电流汇总到差分电阻上。而在右下角电路4中，差分对m9/m10连接差分电阻对r7/r8，m11/m12直接连接到电源电压，这样做的目的是形成一种电流分流结构，将m9/m10，m11/m12两个支路的电流分开，图1右下角电路4中尾电流晶体管m15栅极加载由图1右上角电路2中产生的偏置电压vb1，一对差分电阻r7/r8的输出端短接并连接到运算放大器op3的负输入端，op3的正输入端接图1左下角电路3产生的电压vy1，op3的输出端产生关键的偏置电压vb2并加载到差分对m11/m12的栅极，构成负反馈回路，使得电压vy2和vy1相等，这就意味着m9/m10支路上流过电阻r的电流i1/2等于ib1，也就是说如下等式成立：
因此，i1和i0呈指数关系且i0是一个恒定可控的值，由于复制偏置的原因，图1左上角电路1中的m1/m2支路电流i1和总的尾电流i0与电路2电路3中的相应的电流完全一致，即主放大器中的i1和i0也满足公式(2)的关系，且i0＝2*(vdd-vcm)/r，是一个可以通过控制外加共模电压vcm来控制的电流。由于i0在vcm固定的情况下是一个定值，那么i1就是一个随着控制电压vc-vr线性变化而呈指数变化的值，由于m1晶体管的跨导gm1正比于电流i1的二分之一次方，也是一个随着控制电压vc-vr线性变化而呈指数变化的值，因此图1中放大器核心电路的增益也随着控制电压vc-vr线性变化而呈指数变化，也就是说这是一个满足分贝线性控制关系的可变增益放大结构。该放大器的增益表达式为：
其中cox是晶体管栅氧化层单位面积电容，
下面给出一种基于本发明提出的基于复制偏置技术的新型分贝线性可变增益电路结构的具体实现，采用0.13umcmos工艺，实例电路中各个关键晶体管的参数如表1所示。电路中的运算放大器属于常见的电路元件，故在实施例中不作专门说明。该电路工作在1.2v的电源电压下。对该电路采用表1所示的参数实现并进行仿真。仿真结果如图2所示，结果表明，在1.2v电源电压下，采用0.8v的共模电压vcm和0.8v的参考电压vr，控制电压vc从0.8v线性变化到0.9v，电路的增益从-8db变化到10db，且其分贝值的变化是线性的，即实现了精确的连续可调分贝线性增益控制。多个同样的放大单元级联，可以实现更宽的增益控制范围，如4个同样的本发明提出放大电路级联，可以实现-32db到40db的增益控制。
表1本发明提出的新型连续可调分贝线性可变增益电路结构参数表
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。