可编程增益控制放大器和导航接收机的制作方法

本发明涉及导航接收机技术领域，尤其是涉及一种可编程增益控制放大器和导航接收机。

背景技术：

在导航接收机领域，增益控制放大器是不可或缺的一部分。增益控制放大器通常分为模拟控制增益放大器(vga)和可编程增益控制放大器(pga)。与vga相比，pga包括控制精准，省去滤波电容，工艺一致性更好等诸多优点，最重要的是随着芯片发展，增益控制放大器也朝着大规模集成和深亚微米的方向发展。

当前，数字化成为趋势，可编程增益控制放大器得到广泛应用，但在功耗面积和精度上常常不能兼顾，顾此失彼，不能同时满足动态范围、带宽、功耗、噪声等多方面的应用要求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供可编程增益控制放大器和导航接收机，通过对差分增益控制单元的拆分与合并，实现高精度、高动态及高性价比，满足应用要求。

第一方面，本发明实施例提供了一种可编程增益控制放大器，包括相级联的多个差分增益控制单元，所述差分增益控制单元的增益步长不同；

所述差分增益控制单元按照所述增益步长的大小进行分级和/或合并，以达到预设增益值和预设动态范围值，其中，按照所述增益步长从大到小的顺序，将分级或合并后的所述差分增益控制单元进行前后级分配。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述预设增益值为0.5db，预设动态范围值为63db。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，经合并，相级联的所述差分增益控制单元的所述增益步长包括32db、16db、8db、4db、2db、1db和0.5db。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述增益步长为32db的所述差分增益控制单元拆分成四个相级联的所述增益步长为8db的差分增益控制单元；所述增益步长为16db的所述差分增益控制单元拆分成两个相级联的所述增益步长为8db的差分增益控制单元。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述增益步长为2db的所述差分增益控制单元拆分成两个相级联的所述增益步长为1db的差分增益控制单元。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，经合并和分级，相级联的所述差分增益控制单元的所述增益步长包括8db、4db、1db和0.5db。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，通过控制字控制所述差分增益控制单元，所述控制字控制至少一个差分增益控制单元。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述差分增益控制单元，包括：控制开关、差分放大模块、电流源和输出负载；

所述差分放大模块的一端与所述输出负载的一端相连接，所述输出负载的另一端接电源，所述差分放大模块的另一端与所述控制开关的一端相连接，所述控制开关的另一端与所述电流源的一端相连接，所述电流源的另一端接地，其中，所述差分放大模块包括两个差分放大电路；

在保持所述输出负载，所述电流源不变的情况下，通过所述控制开关的开关状态，控制所述差分放大模块中所述差分放大电路的导通状态，以达到所述增益步长。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述控制开关包括第一控制开关和第二控制开关；

通过所述第一控制开关和所述第二控制开关分别控制所述差分放大电路进行导通断开，形成第一导通电路和第二导通电路，以达到所述增益步长。

第二方面，本发明实施例还提供一种导航接收机，包括如上所述的可编程增益控制放大器。

本发明实施例提供了一种可编程增益控制放大器和导航接收机，涉及导航接收机的技术领域，为了达到预设增益值和预设动态范围值，将不同增益步长的差分增益单元进行拆分分级和/或合并，多个差分增益控制单元按照增益步长从大到小的顺序相级联，将增益步长较大的差分增益单元分配在前级，增益步长较小的差分增益单元分配在后级，通过上述方案实现高精度、高动态及高性价比，满足应用要求。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统的可编程增益控制放大器结构示意图；

图2为本发明实施例提供的差分增益控制单元结构示意图；

图3为本发明实施例提供的由单一0.5db精度差分增益控制单元实现的可编程控制放大器级联架构图；

图4为本发明实施例提供的由不同增益步长差分增益控制单元实现的可编程控制放大器级联架构图之一；

图5为本发明实施例提供的由不同增益步长差分增益控制单元实现的可编程控制放大器级联架构图之二；

图6为本发明实施例提供的可编程增益控制放大器的增益仿真波形图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

当前，数字化成为趋势，可编程增益控制放大器得到广泛应用，但在功耗面积和精度上常常不能兼顾，顾此失彼，不能同时满足动态范围、带宽、功耗、噪声等多方面的应用要求，如图1所示。

图1为传统的可编程增益控制放大器结构示意图，由左至右分别为(a)通过开关控制的电阻负反馈式pga(可编程增益控制放大器)、(b)通过数字控制的源级退化pga和(c)通过调节跨导实现的pga。

图1(a)电阻负反馈式pga中，rin和rfb一般通过mos开关进行数字控制，由于运算放大器的增益带宽积是有限的，因此，这种结构的主要缺点是其带宽随着增益的增加而减小，非常不适合低功耗小型化的应用市场，特别是当需要应用大带宽的pga时，其运放的功耗和面积会更大。

图1(b)数字控制的源级退化pga中，通过mos开关控制rsd来实现增益控制，但需要在输入管的跨导gm-in足够大的情况下，源级退化pga的增益才可以近似为1/rsd，从而被精准控制，必然会大大增加功耗。

图1(c)调节跨导实现的pga中，通过控制输入管的工作区域来实现可编程增益，输入管工作在饱和区对应高增益，输入管工作在线性区对应低增益，因受工艺、电压和温度等因素的影响，增益变化敏感不能进行精确的控制。

以上三种传统的方案中常见的pga结构，首先在功耗面积和精度上顾此失彼，其次不能同时满足要求高精度、高动态、大带宽、低功耗，小面积，低噪声，高线性等多个要求。

基于此，本发明实施例提供的一种增益控制放大器和导航接收机，通过对差分增益控制单元的拆分与合并，实现高精度、高动态及高性价比，满足应用要求。

下面通过实施例进行详细描述。

本发明实施例提供一种可编程增益控制放大器，包括相级联的多个差分增益控制单元，差分增益控制单元的增益步长不同；

差分增益控制单元按照增益步长的大小进行分级和/或合并，以达到预设增益值和预设动态范围值，其中，按照增益步长从大到小的顺序，将分级或合并后的差分增益控制单元进行前后级分配。

具体地，为了达到预设增益值和预设动态范围值，将不同增益步长的差分增益单元进行拆分分级或合并，多个差分增益控制单元按照增益步长从大到小的顺序相级联，将增益步长较大的差分增益单元分配在前级，增益步长较小的差分增益单元分配在后级，通过上述方案实现高精度、高动态及高性价比，满足应用要求；

其中，为了满足应用于导航接收机领域的可编程增益控制放大器的使用需求，需要在较高增益精度的同时，具有较大的动态范围，因此本发明实施例选取预设增益值为0.5db，预设动态范围值为63db，保证高精度的同时，兼顾了带宽、噪声系数和线性度，实现高性价比；

具体地，能够实现上述预设增益值的差分增益控制单元，如图2所示，差分增益控制单元，包括：控制开关、差分放大模块、电流源和输出负载；差分放大模块的一端与输出负载的一端相连接，输出负载的另一端接电源，差分放大模块的另一端与控制开关的一端相连接，控制开关的另一端与电流源的一端相连接，电流源的另一端接地，其中，差分放大模块包括两个差分放大电路；在保持输出负载，电流源不变的情况下，通过控制开关的开关状态，控制差分放大模块中差分放大电路的导通状态，以达到增益步长。

进一步的，控制开关包括第一控制开关和第二控制开关；通过第一控制开关和第二控制开关分别控制差分放大电路进行导通断开，形成第一导通电路和第二导通电路，以达到增益步长。

进一步的，差分放大模块包括分别与第一控制开关和第二控制开关相连接的第一差分放大电路和第二差分放大电路，其中，第一控制开关的开关状态与第二控制开关的开关状态相反；当第一控制开关控制第一差分放大电路闭合时，第二控制开关控制第二差分放大电路断开，第一导通电路为第一差分放大电路；当第一控制开关控制第一差分放大电路断开时，第二控制开关控制第二差分放大电路闭合，第二导通电路为第二差分放大电路。

参见图2，该差分增益控制单元通过共享电流源和负载，开关切换选择不同栅宽来实现高精度的相对增益控制，例如当s1开关导通，s2关断时，第一导通电路中放大管的栅宽为w1；当s2开关关断，s2导通时，第二导通电路中放大管的栅宽为w2，如果w1:w2为9:8，则该单元可实现0.5db的高精度相对增益控制。同样地，当w1：w2为5：4时，则可以实现步进为1db的pga；w1：w2为16：8时，则可以实现步进为4db的pga，以此类推，实现增益精准可控；

如图3所示，为了实现上述预设动态范围，将增益精度为0.5db的pga进行级联，那么实现可调动态范围为63db的pga需要128级放大器单元级联，此时庞大的级数会使得电路消耗的面积和功耗都很大。此外，在级联数为n的系统中，单级带宽ω0和级联后的带宽ω，两者之间的关系满足下述公式(1)；

可以看出，级联后的带宽ω随级数增多急剧减小。例如，一个单级带宽有200mhz的放大器单元，当级联数为128时，级联后的带宽仅为14.73mhz，若想用128级单元级联实现50mhz级联带宽，意味着每个单元的带宽要达到700mhz，此时每个单元的功耗会很大，因此，用单一的0.5db高精度的差分增益控制单元级联实现pga，在小面积、低功耗和高带宽的场合并不适用；

为了解决上述问题，使pga在级数较少的情况下，带宽较大，且能够应用于小面积、低功耗和高带宽的场合，将上述单一的0.5db高精度的差分增益控制单元进行合并，得到[32db,16db,8db,4db,2db,1db,0.5db]7个差分增益控制单元，其中，差分增益控制单元的增益步长包括32db、16db、8db、4db、2db、1db和0.5db，将上述差分增益控制单元进行级联，实现0.5db精度，63.5db动态的pga级联架构，如图4所示；

其中，gc<6:0>为控制字，通过控制字控制差分增益控制单元，控制字控制至少一个差分增益控制单元，图4中控制字gc<6:0>分别控制32db、16db、8db、4db、2db、1db和0.5db单元，与图3相比级数大大减少。

但此时，基于图2中实现pga的基本差分增益控制单元，实现32db差分增益控制，如果电流不变，则w1/w2＝1584，第一差分放大电路与第二差分放大电路的尺寸相差太大，版图设计难以实现匹配，此外尺寸相差大还会导致两种状态下的放大管工作区域有很大差异，使增益精准控制更加难以实现；同理，当实现16db差分增益控制时，如果电流不变，则w1/w2＝39.8，也会有类似的问题。因此，本发明实施例提供的上述方案虽然解决级数多带宽小的问题，但仍存在一定缺陷。

为解决上述因尺寸大而版图难匹配的问题，如图5所示，将增益步长为32db的差分增益控制单元拆分成四个相级联的增益步长为8db的差分增益控制单元；增益步长为16db的差分增益控制单元拆分成两个相级联的增益步长为8db的差分增益控制单元。

具体地，将图4中32db单元拆分成4个8db单元级联，16db单元拆分成2个8db单元级联，基于图2的方案，要实现8db差分增益控制，电流不变，则栅宽w1/w2＝6.3，该比例值与采用图4实施例实现32db、16db的栅宽比例值相比大大降低，实现难度大大降低，解决了因尺寸大而版图难匹配的问题；

为了进一步减小功耗和尺寸，在上述实施例的基础上，将增益步长为2db的差分增益控制单元拆分成两个相级联的增益步长为1db的差分增益控制单元。

具体地，将原图4中的2db单元拆分成2个1db单元级联；

经合并和分级，相级联的差分增益控制单元的增益步长包括8db、4db、1db和0.5db。

综上所述，本发明实施例与图3、图4两种pga的实现系统相比，本发明实施例在保证高精度，高动态，高带宽的前提下，做到了低功耗，小尺寸，并可操作性强。

需要说明的是，本发明实施例提供的可编程增益控制放大器遵循大增益步进分配在前级，小增益步进分配在后级的方式进行级联设置，保证了小信号时噪声系数(nf)足够小；与此同时，采取大增益步进进行分级，一方面可以有效减小尺寸，另一方面避免失调被过度放大影响电路工作，小增益步进合并，减小复杂度，同时增加尺寸提高了匹配度保证精度。

此外，在本发明实施例的基础上，合理分配各级的电流大小，在确保可编程增益控制放大器正常工作的情况下，能够进一步减小消耗的功耗。

本发明实施例采用型号smic、0.18μm工艺的芯片，进行增益-控制字的波形仿真，如图6所示，可以看出增益随gc变化的波形，当gc从0到128变化时，增益也相应的从14.5db到77.5db线性增大，实现增益可控范围达到63db达到设计要求，此外，从图6中波形斜率可观察出增益步进为0.5db，实现了精度的设计要求。与传统设计方案相比，本发明实施例通过不同步长的差分增益控制单元的巧妙组合实现了一款新型高精度高动态高性价比的可编程增益控制放大器。

本发明实施例还提供一种导航接收机，包括如上所述的可编程增益控制放大器。

本发明实施例提出一种可编程增益控制放大器，采用新型的pga多级级联架构，该架构设计了四种高精度差分增益控制单元，分别是0.5db单元，1db单元，4db单元和8db单元，并通过这四种单元的巧妙组合，实现了0.5db高精度和63.5db高动态范围的同时兼顾了带宽，噪声系数和线性度，将其应用于导航接收机，使得导航接收机的工作结果更加精确；

本发明实施例提供的导航接收机，与上述实施例提供的可编程增益控制放大器具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。