专利名称：可调增益放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及信号处理技术，尤其涉及用于射频接收电路的放大器。
背景技术：
常用的射频接收电路，如图1所示，天线接收到的射频信号通过低噪声放大器放 大，再经过混频器混频输出中频信号，中频信号再经过一级中频放大器放大、中频带通滤波 器滤波和二级中频放大器放大后，最后由检波解调出被调制在射频上的信号。为了优化射频接收电路的性能，通常引入自动增益控制环路，如图2所示，自动增 益控制模块反馈增益控制信号VCTRL，增益控制信号VCTRL根据二级中频放大器输出信号 VOUTl和V0UT2的大小自动控制低噪声放大器、混频器、一级中频放大器和二级中频放大器 的增益，从而保证二级中频放大器输出信号VOUTl和V0UT2大小的恒定。图2所示的增益 控制信号VCTRL与各级放大器的增益成正比关系，即增益控制信号VCTRL升高时，表示将放 大器增益增大，增益控制信号VCTRL降低时，表示将放大器的增益减小当天线接收到的信 号由大信号变小信号时，由于射频接收电路的输入变小了，需要增大射频接收电路的增益 才能使二级中频放大器输出VOUTl和V0UT2大小基本恒定，此时自动增益控制模块会使增 益控制信号VCTRL逐渐上升，为了达到性能最优化，随着增益控制信号VCTRL增大，先增大 低噪声放大器的增益，再依次增大后续的混频器、一级中频放大器和二级中频放大器的增 益；当天线接收到的信号由小信号变大信号时，由于射频接收电路的输入变大了，需要减小 射频接收电路的增益才能维持二级中频放大器输出VOUTl和V0UT2大小基本恒定，此时自 动增益控制模块会使增益控制信号VCTRL逐渐下降，为了达到性能最优化，随着增益控制 信号VCTRL下降，先减小二级中频放大器的增益，再依次减小一级中频放大器、混频器和低 噪声放大器的增益。因此增益控制信号VCTRL调节各级增益有先后次序要求，并且每个放 大器模块的增益相对于增益控制信号VCTRL的变化会有一个区间，如图5所示，在此区间里 面各个模块的增益应该是随增益控制信号VCTRL单调变化，当增益控制信号VCTRL超出该 模块的区间范围后，该模块的增益应该是维持最大增益值或者最小增益值。需要说明的是， 5 ^(^ ^ Α1ΜΑΧλΑ2ΜΑΧΛΑ3ΜΑΧΛΑ4ΜΑΧΛAiminΛA2minΛA3minΛA4min 的大小根据实际情况 设定。图3所示的传统可调增益放大器具有最大增益控制，最大增益大小为if!
Smm
(gmll、gmll3分别是晶体管M11、M113的跨导，k为M13/M14到M15/M16的镜像系数)，随着增益 控制信号VCTRL的减小，可调增益放大器增益逐渐减小，甚至其输出信号可能达到零，此时 可调增益放大器的增益为0 (即-⑴dB)，不能实现最小增益控制；随着增益控制信号VCTRL 继续减小，可调增益放大器的输出相位反相且增益逐渐增大，如图4所示。图3所示的传统 可调增益放大器，有最大增益控制，但不能实现最小增益的控制，且可调增益放大器的增益 相对于增益控制信号VCTRL变化不是单调的，无法实现如图5所示的增益控制信号VCTRL 和增益(iain的关系，因此不能在射频接收电路的自动增益控制环路中实现最优控制。
发明内容
本发明旨在解决现有可调增益放大器的不足，提供一种具有最大增益控制和最小 增益控制的连续时间可调增益放大器。可调增益放大器，包括Gm输入级模块、1 :m镜像模块、增益控制模块和输出负载模 块，差分输入信号一 Vmi和差分输入信号二 VIN2通过Gm输入级模块转化成第一电流信号 Il和第二电流信号12，第一电流信号Il和第二电流信号12通过l:m电流镜像模块输出到 增益控制模块，所述增益控制模块在增益控制信号VCTRL、第一电压偏置信号VREFl和第二 电压偏置信号VREF2的控制下，通过输出负载模块输出差分输出电压一 VOUTl和差分输出 电压二 V0UT2，所述Gm输入级模块和输出负载模块和电源相连，1 :m镜像模块接地，所述增 益控制信号VCTRL可在GND 电源电压VDD范围里变化，当增益控制信号VCTRL较高时，可 调增益放大器增益达到最大，当增益控制信号VCTRL低于第一电压偏置信号VREFl时，可调 增益放大器增益为最小，可调增益放大器最小增益由第一电压偏置信号VREFl和第二电压 偏置信号VREF2的电压差决定。其中，所述Gm输入级模块包括第一 PMOS晶体管Ml、第二 PMOS晶体管和电流源 Iss,电流源Iss —端连接电源，电流源Iss另一端连接第一 PMOS晶体管Ml、第二 PMOS晶体 管M2的源极，差分输入信号一 Vim和差分输入信号二 VIN2分别输入第一 PMOS晶体管Ml 和第二 PMOS晶体管M2的栅极，第一 PMOS晶体管Ml和第二 PMOS晶体管M2的的漏极输出 第一电流信号Il和第二电流信号12。其中，所述1 :m镜像模块包括第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六 晶体管M6，第三晶体管M3和第四晶体M4的漏极和栅极分别短接，第三晶体管M3、第四晶体 管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6四个晶体管的漏极接地，第三晶体管M3和第五晶体管 M5的栅极连接，第四晶体管M4和第六晶体管M6的栅极连接，第一电流由信号Il和第二电 流信号12输入到镜像模块的第三晶体管M3和第四晶体管M4的漏极，第一电流信号Il和 第二电流信号12通过l:m镜像模块乘以镜像系数m后，由第五晶体管M5、第六晶体管M6的 漏极将电流信号输出到增益控制模块。应当理解的是，本发明中所示的l:m镜像模块仅是 其中的一种实现，任何不超出本发明实质精神范围内的非实质性的替换或修改均落入本发 明保护范围之内。其中，所述增益控制模块包括第七晶体管M7、第八晶体管M8、第九晶体管M9、第十 晶体管M10、第i^一晶体管Mil、第十二晶体管M12，第七晶体管M7、第九晶体管M9、第i^一 晶体管Mll的源极连接l:m镜像模块的第五晶体管M5漏极，第八晶体管M8、第十晶体管 M10、第十二晶体管M12的源极连接l:m镜像模块的第六晶体管M6漏极，第七晶体管M7、第 十二晶体管M12、第十晶体管MlO的漏极连接并作为增益控制模块的第一输出端V0UT1，第 九晶体管M9、第十一晶体管Mil、第八晶体管M8漏极连接并作为增益控制模块的第二输出 端V0UT2，第七晶体管M7、第八晶体管M8的栅极连接第一电压偏置信号VREF1，第九晶体管 M9、第十晶体管MlO的栅极接第二电压偏置信号VREF2，第十一晶体Mil、第十二晶体管M12 的栅极接增益控制信号VCTRL，输出负载模块的第一电阻Rl，输出负载模块的第二电阻R2 ；其中，所述输出负载模块包括第一电阻Rl和第二电阻R2，第一电阻Rl和第二电阻 R2 一端接电源，另一端分别连接增益控制模块的第一输出端VOUTl和第二输出端V0UT2。
当增益控制信号VCTRL的电压比第一电压偏置信号VREFl和第二电压偏置信号 VREF2高时(即Vem-VKEF2的值远远大于第七晶体管M7的过驱动电压，如VCTRL到达电源电 压VDD)，且输出负载模块输出端的输出电流13、14仅分别流过第十二晶体管M12和第十一 晶体管M11，此时可调增益放大器的增益达到最大，记为最大增益Amax = m · gmin · R1，其中m 为电流镜像的比例系数，Sllin是第一晶体管Ml或第一晶体管M2的跨导；随着控制电压信号 VCTRL控制电压降低，第九晶体管M9、第十晶体管MlO导通，增益逐渐降低，随着控制电压信 号VCTRL控制电压进一步减小，第七晶体管M7、第八晶体管M8也导通，第十一晶体管Mil、 第十二晶体管M12关断，增益达到最小值，反之，随着控制电压信号VCTRL控制电压升高，第 九晶体管M9、第十晶体管MlO关断，增益逐渐升高，随着控制电压信号VCTRL控制电压进一 步升高，第七晶体管M7、第八晶体管M8也关断，增益达到最大值。Gm输入级模块还包括直流漂移消除电容Cl，将所述电流源Iss替换为第一电流源 ISSl和第二电流源ISS2，第一电流源ISSl和第二电流源ISS2分别连接第一晶体管Ml和 第二晶体管M2，电容Cl 一端接在Gm输入级模块的第一晶体管Ml的源极，且和第一电流偏 置信号Issl相连，电容Cl的另一端接在Gm输入级模块的第二晶体管M2的源极，且和第二 电流偏置信号Iss2相连，直流漂移消除电容Cl可以消除差分输入信号一 vmi和差分输入 信号二 VIN2本身的直流偏移量，以免输入直流偏移量被增益级放大。本发明提出的可调增益放大器，具有最大增益控制和最小增益控制，实现可调增 益放大器的增益区间控制，在该区间里可调增益放大器的增益随控制电压信号VCTRL变化 而变化，该可调增益放大器可应用于射频接收电路的一级中频放大器和二级中频放大器， 这样当增益控制信号VCTRL在GND到电源电压VDD范围里变化时，一级中频放大器和二级 中频放大器的增益在增益控制信号VCTRL某一段区间可调范围内实现在最小限定增益和 最大限定增益之间可调，增益控制信号VCTRL超出该区间后，一级中频放大器和二级中频 放大器的增益不再随增益控制信号VCTRL变化，以维持最大增益或者是最小增益，进而实 现射频接收电路增益控制的性能最优，即随着增益控制信号VCTRL增大，各放大器增益增 大的顺序是先增大低噪声放大器的增益，再依次增大后续的混频器、一级中频放大器和二 级中频放大器的增益；反之亦然。同时本发明提出的可调增益放大器还适合在低电压工作。
图1传统的射频接收电路结构2传统的射频接收电路结构3传统可调增益放大器电路4传统可调增益放大器的增益相对于增益控制信号VCTRL变化示意5射频接收电路中各模块的增益最优状态下同增益控制信号VCTR的关系示意 6本发明可调增益放大器结构7本发明可调增益放大器电路8本发明可调增益放大器的增益相对于增益控制信号VCTRL变化示意9本发明可调增益放大器电路图
具体实施例方式以下结合
本发明。可调增益放大器，如图6所示，包括Gm输入级模块Ql)、l:m镜像模块(22)、增益 控制模块03)和输出负载模块(M)，差分输入信号一Vim和差分输入信号二VIN2通过Gm 输入级模块转化成第一电流信号Il和第二电流信号12，第一电流信号Il和第二电 流信号12通过l:m电流镜像模块0 输出到增益控制模块(23)，所述增益控制模块03) 在增益控制信号VCTRL、第一电压偏置信号VREFl和第二电压偏置信号VREF2的控制下，通 过输出负载模块04)输出第差分输出电压一 VOUTl和差分输出电压二 V0UT2，所述Gm输入 级模块和输出负载模块04)和电源相连，l:m镜像模块0 接地，所述增益控制信 号VCTRL可在GND 电源电压VDD范围里变化，当增益控制信号VCTRL较高时，可调增益放 大器增益达到最大，当增益控制信号VCTRL低于第一电压偏置信号VREFl时，可调增益放大 器增益为最小，可调增益放大器最小增益由第一电压偏置信号VREFl和第二电压偏置信号 VREF2的电压差决定。其中，所述Gm输入级模块(21)，如图7所示，包括第一 PMOS晶体管Ml、第二 PMOS 晶体管和电流源Iss，电流源Iss —端连接电源，电流源Iss另一端连接第一 PMOS晶体管 Ml、第二 PMOS晶体管M2的源极，差分输入信号一 Vim和差分输入信号二 VIN2分别输入第 一 PMOS晶体管Ml和第二 PMOS晶体管M2的栅极，第一 PMOS晶体管Ml和第二 PMOS晶体管 M2的的漏极输出第一电流信号Il和第二电流信号12。其中，所述l:m镜像模块02)，如图7所示，包括第三晶体管M3、第四晶体管M4、第 五晶体管M5、第六晶体管M6，第三晶体管M3和第四晶体M4的漏极和栅极分别短接，第三晶 体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6四个晶体管的漏极接地，第三晶体 管M3和第五晶体管M5的栅极连接，第四晶体管M4和第六晶体管M6的栅极连接，第一电流 由信号Il和第二电流信号12输入到镜像模块的第三晶体管M3和第四晶体管M4的漏极， 第一电流信号Il和第二电流信号12通过l:m镜像模块乘以镜像系数m后，由第五晶体管 M5、第六晶体管M6的漏极将电流信号输出到增益控制模块。应当理解的是，本实施例中所 示的l:m镜像模块仅是其中的一种实现，任何不超出本发明实质精神范围内的非实质性的 替换或修改均落入本发明保护范围之内。其中，所述增益控制模块0；3)，如图7所示，包括第七晶体管M7、第八晶体管M8、第 九晶体管M9、第十晶体管M10、第十一晶体管Mil、第十二晶体管M12，第七晶体管M7、第九晶 体管M9、第十一晶体管Mll的源极连接l:m镜像模块0 的第五晶体管M5漏极，第八晶体 管M8、第十晶体管M10、第十二晶体管M12的源极连接l:m镜像模块0 的第六晶体管M6 漏极，第七晶体管M7、第十二晶体管M12、第十晶体管MlO的漏极连接并作为增益控制模块 的第一输出端V0UT1，第九晶体管M9、第十一晶体管Mil、第八晶体管M8漏极连接并作为增 益控制模块的第二输出端V0UT2，第七晶体管M7、第八晶体管M8的栅极连接第一电压偏置 信号VREF1，第九晶体管M9、第十晶体管MlO的栅极接第二电压偏置信号VREF2，第十一晶体 Mil、第十二晶体管M12的栅极接增益控制信号VCTRL，输出负载模块的第一电阻R1，输出负 载模块的第二电阻R2;其中，所述输出负载模块(M)，如图7所示，包括第一电阻Rl和第二电阻R2，第一 电阻Rl和第二电阻R2 —端接电源，另一端分别连接增益控制模块的第一输出端VOUTl和第二输出端V0UT2。当增益控制信号VCTRL的电压比第一电压偏置信号VREFl和第二电压偏置信号 VREF2高时(即Vem-VKEF2的值远远大于第七晶体管M7的过驱动电压，如VCTRL到达电源电 压VDD)，且输出负载模块04)输出端的输出电流13、14仅分别流过第十二晶体管M12和 第十一晶体管M11，此时可调增益放大器的增益达到最大，记为最大增益Amax = m · gmin · R1, 其中m为电流镜像的比例系数，gmin是第一晶体管Ml或第一晶体管M2的跨导；随着控制电 压信号VCTRL控制电压降低，第九晶体管M9、第十晶体管MlO导通，增益逐渐降低，随着控制 电压信号VCTRL控制电压进一步减小，第七晶体管M7、第八晶体管M8也导通，第十一晶体管 Mil、第十二晶体管M12关断，增益达到最小值，反之，随着控制电压信号VCTRL控制电压升 高，第九晶体管M9、第十晶体管MlO关断，增益逐渐升高，随着控制电压信号VCTRL控制电压 进一步升高，第七晶体管M7、第八晶体管M8也关断，增益达到最大值，本发明提出的可调增 益放大器的增益相对于增益控制信号VCTRL变化示意图如图8所示。下面计算可调增益放大器变化区间里的增益表达式，首先设负载阻抗R1/R2输出 电流变化为Δ 。，则电流变化Δι。可以推导出 差分输出电压一 VOUTl和差分输出电压 AV0 为
权利要求
1.可调增益放大器，其特征在于包括Gm输入级模块、l:m镜像模块、增益控制模块和输 出负载模块，差分输入信号一 Vim和第二差分输入信号二 VIN2通过Gm输入级模块转化成 第一电流信号Il和第二电流信号12，第一电流信号Il和第二电流信号12通过l:m的电 流镜像模块输出到增益控制模块，所述增益控制模块在增益控制信号VCTRL、第一电压偏置 信号VREFl和第二电压偏置信号VREF2的控制下，通过输出负载模块输出差分输出电压一 VOUTl和差分输出电压二 V0UT2，所述Gm输入级模块和输出负载模块和电源相连，l:m镜像 模块接地，所述增益控制信号VCTRL可在GND 电源电压VDD范围里变化，当增益控制信号 VCTRL较高时，可调增益放大器增益达到最大，当增益控制信号VCTRL低于第一电压偏置信 号VREFl时，可调增益放大器增益为最小，可调增益放大器最小增益由第一电压偏置信号 VREFl和第二电压偏置信号VREF2的电压差决定。
2.如权利要求1所述的可调增益放大器，其特征在于所述Gm输入级模块包括第一 PMOS晶体管Ml、第二PMOS晶体管和电流源Iss，电流源Iss —端连接电源，电流源Iss另一 端连接第一 PMOS晶体管Ml、第二 PMOS晶体管M2的源极，差分输入信号一 Vim和差分输入 信号二 VIN2分别输入第一 PMOS晶体管Ml和第二 PMOS晶体管M2的栅极，第一 PMOS晶体 管Ml和第二 PMOS晶体管M2的的漏极输出第一电流信号Il和第二电流信号12。
3.如权利要求1所述的可调增益放大器，其特征在于所述l:m镜像模块包括第三晶体 管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6，第三晶体管M3和第四晶体M4的漏极 和栅极分别短接，第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6四个晶体管 的漏极接地，第三晶体管M3和第五晶体管M5的栅极连接，第四晶体管M4和第六晶体管M6 的栅极连接，第一电流由信号Il和第二电流信号12输入到镜像模块的第三晶体管M3和第 四晶体管M4的漏极，第一电流信号Il和第二电流信号12通过l:m镜像模块乘以镜像系数 m后，由第五晶体管M5、第六晶体管M6的漏极将电流信号输出到增益控制模块。应当理解 的是，本实施例中所示的l:m镜像模块仅是其中的一种实现，任何不超出本发明实质精神 范围内的非实质性的替换或修改均落入本发明保护范围之内。
4.如权利要求1所述的可调增益放大器，其特征在于所述增益控制模块包括第七晶 体管M7、第八晶体管M8、第九晶体管M9、第十晶体管M10、第十一晶体管Mil、第十二晶体管 M12，第七晶体管M7、第九晶体管M9、第十一晶体管Mll的源极连接1 :m镜像模块的第五晶 体管M5漏极，第八晶体管M8、第十晶体管M10、第十二晶体管M12的源极连接l:m镜像模块 的第六晶体管M6漏极，第七晶体管M7、第十二晶体管M12、第十晶体管MlO的漏极连接并作 为增益控制模块的第一输出端V0UT1，第九晶体管M9、第十一晶体管Mil、第八晶体管M8漏 极连接并作为增益控制模块的第二输出端V0UT2，第七晶体管M7、第八晶体管M8的栅极连 接第一电压偏置信号VREF1，第九晶体管M9、第十晶体管MlO的栅极接第二电压偏置信号 VREF2，第十一晶体Mil、第十二晶体管M12的栅极接增益控制信号VCTRL，输出负载模块的 第一电阻Rl，输出负载模块的第二电阻R2。
5.如权利要求1所述的可调增益放大器，其特征在于所述输出负载模块包括第一电阻 Rl和第二电阻R2，第一电阻Rl和第二电阻R2 —端接电源，另一端分别连接增益控制模块 的第一输出端VOUTl和第二输出端V0UT2。
6.如权利要求4所述的可调增益放大器，其特征在于当增益控制信号VCTRL的电压 比偏置电压VREFl和VREF2高时，且输出负载模块输出端的输出电流13、14仅分别流过第十二晶体管M12和第十一晶体管M11，此时可调增益放大器的增益达到最大，随着控制电压 信号VCTRL控制电压降低，第九晶体管M9、第十晶体管MlO导通，增益逐渐降低，随着控制电 压信号VCTRL控制电压进一步减小，第七晶体管M7、第八晶体管M8也导通，第十一晶体管 Mil、第十二晶体管M12关断，增益达到最小值，反之，随着控制电压信号VCTRL控制电压升 高，第九晶体管M9、第十晶体管MlO关断，增益逐渐升高，随着控制电压信号VCTRL控制电压 进一步升高，第七晶体管M7、第八晶体管M8也关断，增益达到最大值。
7.如权利要求1所述的可调增益放大器，其特征在于所述Gm输入级模块还包括直流漂 移消除电容Cl，将所述电流源Iss替换为第一电流源ISSl和第二电流源ISS2，所述第一电 流源ISSl和第二电流源ISS2分别连接第一晶体管Ml和第二晶体管M2，电容Cl 一端接在 Gm输入级模块的第一晶体管Ml的源极，且和第一电流偏置信号Issl相连，电容Cl的另一 端接在Gm输入级模块的第二晶体管M2的源极，且和第二电流偏置信号Iss2相连，直流漂 移消除电容Cl可以消除差分输入信号一 Vim和差分输入信号二 VIN2本身的直流偏移量， 以免输入直流偏移量被增益级放大。
全文摘要
本发明提供了可调增益放大器，差分输入信号VIN1和VIN2通过Gm输入级模块转化成第一电流信号和第二电流信号，第一电流信号和第二电流信号通过电流镜像模块输出到增益控制模块，增益控制模块在增益控制信号、第一、第二电压偏置信号的控制下，通过输出负载模块输出差分输出电压VOUT1和VOUT2，当增益控制信号较高时，可调增益放大器增益达到最大，当增益控制信号低于第一电压偏置信号时，可调增益放大器增益为最小，可调增益放大器最小增益由第一电压偏置信号和第二电压偏置信号的电压差决定。本发明提出的可调增益放大器，具有最大增益控制和最小增益控制，可应用于射频接收电路的一级中频放大器和二级中频放大器。
文档编号H03F3/45GK102064778SQ20091015384
公开日2011年5月18日 申请日期2009年11月16日 优先权日2009年11月16日
发明者潘华兵, 胡铁刚 申请人:杭州士兰微电子股份有限公司