具有大增益范围、高精度的双控制电压dB线性VGA电路的制作方法

本发明涉及增益控制级电路，具体涉及基于增益衰减结构的具有大增益范围、高精度的双控制电压db线性vga电路。

背景技术：

模拟电路需要对信号进行放大或衰减，这一功能由可变增益放大器实现。可变增益放大器作为模拟射频前端不可或缺的一个模块，广泛应用在磁盘读取驱动电路、磁数据存储系统、电磁计量器、电视调谐器等许多方面。在光纤通信、微波通信、卫星通信等通信系统以及雷达、广播电视系统中，为实现自动增益控制环路的建立时间与输入信号的幅度无关，环路中的可变增益放大器必须具有db线性增益控制特性。随着无线通讯市场的蓬勃发展，具有db线性增益控制特性的可变增益放大器作为系统中的关键模块，正受到越来越多的关注。

在cmos工艺中，由于电流与电压的平方律关系，不能直接得到指数关系的控制电路。因此，在可变增益放大器(vga)的设计中需要构造专门的指数控制电路，以满足增益的db线性变化要求。采用增益衰减结构的可变增益放大器以其增益变化时恒定的带宽、与其他结构比较相对低的增益误差和优越的噪声特性被广泛应用。

现有可变增益放大器由增益控制级来控制增益变化，增益控制级的逐级增益差值越大，其增益范围越大，但会导致增益误差特性变差；当增益控制级的逐级增益差值较小时，增益误差特性变好，但会导致增益范围的减小，因此，存在增益范围和增益误差之间相互制约的问题，需要进行折中考虑。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有增益衰减结构可变增益放大器的增益范围和增益误差之间相互制约的问题，从而提供具有大增益范围、高精度的双控制电压db线性vga电路。

本发明所述的具有大增益范围、高精度的双控制电压db线性vga电路，包括预放大器、大范围增益控制级、高精度增益控制级和固定增益放大器；

预放大器的输出端与大范围增益控制级的信号输入端连接，大范围增益控制级的输出端与高精度增益控制级的信号输入端连接，高精度增益控制级的输出端与固定增益放大器的输入端连接，第一控制电压vctrl1由大范围增益控制级的控制电压输入端输入，第二控制电压vctrl2由高精度增益控制级的控制电压输入端输入。

优选的是，所述大范围增益控制级的增益衰减步长范围为10db-20db，高精度增益控制级的增益衰减步长范围为1db-5db。

优选的是，所述大范围增益控制级包括第一重叠高斯电流产生电路、n个第一gm级、第一衰减网络、第一i-v转换器、电阻rf1和电阻rf2；

第一控制电压vctrl1由第一重叠高斯电流产生电路的输入端输入，第一重叠高斯电流产生电路的n个输出端分别与n个第一gm级的尾电流端连接，第一衰减网络的n个输出端分别与n个第一gm级的同相输入端连接，n个第一gm级的反相输入端连接并与电阻rf1的一端和电阻rf2的一端连接，电阻rf2的另一端接地，电阻rf1的另一端与第一i-v转换器的输出端连接，并作为大范围增益控制级的输出端，n个第一gm级的同相输出端连接并与第一i-v转换器的同相输入端连接，n个第一gm级的反相输出端连接并与第一i-v转换器的反相输入端连接。

优选的是，所述第一衰减网络由r-2r梯形电阻阵列实现，大范围增益控制级的增益衰减步长为12db。

优选的是，高精度增益控制级包括第二重叠高斯电流产生电路、m个第二gm级、第二衰减网络、第二i-v转换器、电阻rf3和电阻rf4；

第二控制电压vctrl2由第二重叠高斯电流产生电路的输入端输入，第二重叠高斯电流产生电路的m个输出端分别与m个第二gm级的尾电流端连接，第二衰减网络的m个输出端分别与m个第二gm级的同相输入端连接，m个第二gm级的反相输入端连接并与电阻rf3的一端和电阻rf4的一端连接，电阻rf4的另一端接地，电阻rf3的另一端与第二i-v转换器的输出端连接，并作为高精度增益控制级的输出端，m个第二gm级的同相输出端连接并与第二i-v转换器的同相输入端连接，m个第二gm级的反相输出端连接并与第二i-v转换器的反相输入端连接。

优选的是，第二衰减网络由r-4r-20r的电阻网络实现，高精度增益控制级的增益衰减步长为2db；

r-4r-20r的电阻网络包括m-1个阻值为r的电阻、1个阻值为4r的电阻和m-2个阻值为20r的电阻；

m-1个阻值为r的电阻串联，形成m个端点，第1端点同时作为高精度增益控制级的信号输入端和第二衰减网络的1个输出端，第2至第m-1端点分别与m-2个阻值为20r的电阻的一端连接，并作为第二衰减网络的m-2个输出端，第m端点与阻值为4r的电阻的一端连接，并作为第二衰减网络的1个输出端，m-2个阻值为20r的电阻的另一端和阻值为4r的电阻的另一端均接地。

本发明将原结构中的增益控制替换为大范围增益控制级和高精度增益控制级，分别由控制电压vctrl1和vctrl2控制，通过大范围增益控制级提高增益范围，通过高精度增益控制级改善增益误差，从而达到可变增益放大器在高增益范围下具有小增益误差的目的。

本发明通过大范围增益控制级和高精度增益控制级实现的增益控制级，分别提高增益范围、减小增益误差，解决了现有增益衰减结构可变增益放大器增益范围和增益误差之间相互制约的问题。现有的db线性可变增益放大器，当增益范围大于50db时，增益误差在±0.5db以上，本发明的增益范围可达到100db以上，增益误差值在±0.15db以内。

附图说明

图1是具体实施方式一所述的具有大增益范围、高精度的双控制电压db线性vga电路图；

图2是具体实施方式二中的第一衰减网络的电路图；

图3是具体实施方式三中的第二衰减网络的电路图；

图4是具体实施方式三中的增益范围图；

图5是具体实施方式三中的增益误差曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的具有大增益范围、高精度的双控制电压db线性vga电路，包括预放大器1、大范围增益控制级2、高精度增益控制级3和固定增益放大器4；

预放大器1有两个输入端分别为vin1和vin2，预放大器1的输出端与大范围增益控制级2的信号输入端连接，大范围增益控制级2的输出端与高精度增益控制级3的信号输入端连接，高精度增益控制级3的输出端与固定增益放大器3的输入端连接，第一控制电压vctrl1由大范围增益控制级2的控制电压输入端输入，第二控制电压vctrl2由高精度增益控制级3的控制电压输入端输入。

本实施方式中，大范围增益控制级2的增益衰减步长范围为10db-20db，高精度增益控制级3的增益衰减步长范围为1db-5db。

本实施方式中，大范围增益控制级2包括第一重叠高斯电流产生电路2-1、n个第一gm级2-2、第一衰减网络2-3、第一i-v转换器2-4、电阻rf1和电阻rf2；

第一控制电压vctrl1由第一重叠高斯电流产生电路2-1的输入端输入，第一重叠高斯电流产生电路2-1的n个输出端i1～in分别与n个第一gm级2-2的尾电流端i1～in连接，第一重叠高斯电流产生电路2-1产生的n路电流分别作为n个第一gm级2-2的尾电流，第一控制电压vctrl1控制第一重叠高斯电流产生电路2-1产生的n路电流值，进而控制第一gm级的开启、关断，第一衰减网络2-3对输入信号进行逐级衰减的n个输出端分别与n个第一gm级2-2的同相输入端连接，n个第一gm级2-2的反相输入端连接并与电阻rf1的一端和电阻rf2的一端连接，电阻rf2的另一端接地，电阻rf1的另一端与第一i-v转换器2-4的输出端连接，并作为大范围增益控制级2的输出端，n个第一gm级2-2的同相输出端连接并与第一i-v转换器2-4的同相输入端连接，n个第一gm级2-2的反相输出端连接并与第一i-v转换器2-4的反相输入端连接。

本实施方式中，，高精度增益控制级3包括第二重叠高斯电流产生电路3-1、m个第二gm级3-2、第二衰减网络3-3、第二i-v转换器3-4、电阻rf3和电阻rf4；

第二控制电压vctrl2由第二重叠高斯电流产生电路3-1的输入端输入，第二重叠高斯电流产生电路3-1的m个输出端i1～im分别与m个第二gm级3-2的尾电流端i1～im连接，第二重叠高斯电流产生电路3-1产生的m路电流分别作为m个第二gm级3-2的尾电流，第二控制电压vctrl2控制第二重叠高斯电流产生电路3-1产生的m路电流值，进而控制gm级的开启、关断。第二衰减网络3-3对输入信号进行逐级衰减的m个输出端分别与m个第二gm级3-2的同相输入端连接，m个第二gm级3-2的反相输入端连接并与电阻rf3的一端和电阻rf4的一端连接，电阻rf4的另一端接地，电阻rf3的另一端与第二i-v转换器3-4的输出端连接，并作为高精度增益控制级3的输出端，m个第二gm级3-2的同相输出端连接并与第二i-v转换器3-4的同相输入端连接，m个第二gm级3-2的反相输出端连接并与第二i-v转换器3-4的反相输入端连接。

控制电压vctrl1、vctrl2分别控制大范围增益控制级2和高精度增益控制级3。在应用基于增益衰减结构的双精度双控制电压db线性vga电路时，首先调整控制电压vctrl1，确定可变增益放大器的大致增益值，然后调整控制电压vctrl2，减小可变增益放大器的增益误差。

具体实施方式二：结合图2具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的作进一步说明，本实施方式中，所述第一衰减网络2-3由r-2r梯形电阻阵列实现，大范围增益控制级2的增益衰减步长为12db。

r-2r梯形电阻阵列包括2n个阻值为r的电阻和2n-1个阻值为2r的电阻，2n个阻值为r的电阻的串联，形成2n+1个端点，第1端点同时作为大范围增益控制级2的信号输入端和第一衰减网络2-3的1个输出端，第3、5、......、2n-1端点作为第一衰减网络2-3的n-1个输出端，2n+1个端点接地，第2至第2n-1端点分别与2n-1个阻值为2r的电阻的一端连接，2n-1个阻值为2r的电阻的另一端接地。

具体实施方式三：结合图3至5具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的作进一步说明，本实施方式中，优选的是，第二衰减网络3-3由r-4r-20r的电阻网络实现，通过选择输出结点，使高精度增益控制级3的增益衰减步长为2db；

r-4r-20r的电阻网络包括m-1个阻值为r的电阻、1个阻值为4r的电阻和m-2个阻值为20r的电阻；

m-1个阻值为r的电阻串联，形成m个端点，第1端点同时作为高精度增益控制级3的信号输入端和第二衰减网络3-3的1个输出端，第2至第m-1端点分别与m-2个阻值为20r的电阻的一端连接，并作为第二衰减网络3-3的m-2个输出端，第m端点与阻值为4r的电阻的一端连接，并作为第二衰减网络3-3的1个输出端，m-2个阻值为20r的电阻的另一端和阻值为4r的电阻的另一端均接地。

本实施方式中m为9。

增益衰减结构可变增益放大器由增益控制级来控制增益变化，增益控制级的逐级增益差值越大，其增益范围越大，但会导致增益误差特性变差；当增益控制级的逐级增益差值较小时，增益误差特性好，但会导致增益范围的减小，因此，存在增益范围和增益误差之间相互制约的问题，对于一般的db线性可变增益放大器，当增益范围大于50db时，增益误差在±0.5db以上。

考虑上述问题，本发明的增益控制由大范围增益控制级和高精度增益控制级组成，分别由控制电压vctrl1和vctrl2控制。

当控制电压变化时，重叠高斯电流产生电路的电流值发生变化，使得某个gm级或者相邻的两个gm级导通，其余gm级关断，由于gm级的输入信号为衰减网络的输出，所以控制电压的连续变化可以控制增益的连续变化，且衰减步长越大，增益范围越大。

大范围增益控制级的目的为了提高增益范围，所以要尽量提高衰减网络的步长，r-2r电阻衰减网络，衰减增益步长为6db，取每两个衰减步长作为本增益控制级的输出点，则增益控制级的衰减增益步长为12db，选取此衰减网络(如图2)作为大范围增益控制级的衰减网络。本发明取gm级的个数为10个，图4的仿真结果表明，其增益范围可达到100db以上，相比其它可变增益放大器有很大提高。高精度增益控制级的目的为了减小增益误差，而衰减网络的步长越小，增益误差值也越小，选取高精度增益控制级的衰减网络为r-4r-20r的电阻网络，如图3，由电阻分压原理可知，后一个输出端的电压值为前一个输出端的4/5，即增益衰减步长为2db(20lg4/5)。图5的仿真结果表明，其增益误差值在±0.15db以内。结合大范围增益控制级和高精度增益控制级的优点，采用大范围高精度双控制电压的增益控制级可在高增益范围的情况下仍然保持很小的增益误差。有效解决增益衰减结构可变增益放大器增益范围和增益误差之间相互制约的问题。适用于对增益范围和增益误差指标要求严格的db线性的可变增益放大器。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。