一种可编程增益放大器的制作方法

本发明实施例涉及电子电路及半导体领域，尤其涉及一种可编程增益放大器。

背景技术：

在信号采集系统中，由于模数转换器(adc，analogtodigitalconverter)需要接收来自采集模块输出的电压信号，解码成数字信号进行处理。然而由于原始信号的强弱不同，会导致信号采集模块输出的电压信号幅度大小不同。为了保证adc能够接收到幅度大小相对稳定的电压信号，往往需要在接收端设置具有增益调节功能的可编程增益放大器(pga，programmablegainamplifier)。通常原始信号经过信号采集系统转化而成的电压信号往往会以差分对的形式出现。然而近年来，为了减少芯片管脚、降低芯片的成本，越来越多的信号采集模块采用单端的形式来输出电压信号。这就要求pga在支持差分电压输入的同时，也能够兼容单端电压的输入。

现在主流的可编程放大器如图(1)所示，由一个全差分可编程放大器与共模反馈环路组成，该结构如果想兼容单端电压输入，就需要将输入一端接共模电平，然而此时差分对两端的负载并不相同，这将恶化运算放大器的线性度，设计过程中不得不牺牲电流以提高线性度。另外该结构存在共模反馈环路，其与运算放大器的反馈环路共同决定了输出差分对的共模电平，这将增加了电路的复杂程度以及不确定性

技术实现要素：

本发明实施例提供一种可编程增益放大器，用以解决同时兼容单端输入以及差分输入模式的问题。

本发明提供一种可编程增益放大器，包括：

运算放大模块，第一输入电阻，第一反馈电阻，第二输入电阻，第二反馈电阻，第一开关，第二开关，共模电平信号输入端；

所述运算放大模块具有第一输入端，第二输入端，第一输出端，第二输出端；

所述第一输入电阻的第一端连接第一信号输入端，所述第一输入电阻的第二端和所述第一反馈电阻的第一端均与所述运算放大模块的第一输入端连接，所述第一反馈电阻的第二端与所述运算放大模块的第一输出端连接；

所述第一开关的第一端连接共模电平信号输入端，所述第一开关的第二端连接所述运算放大模块的第二输入端；

所述第二输入电阻的第一端连接第二信号输入端，所述第二输入电阻的第二端和所述第二反馈电阻的第一端均与所述第二开关的第一端连接，所述第二反馈电阻的第二端与所述运算放大模块的第二输出端连接，所述第二开关的第二端连接所述运算放大模块的第二输入端。

在一种可能的设计中，所述运算放大模块具有第三输入端，所述运算放大模块的第三输入端连接共模电平信号输入端。

在一种可能的设计中，所述运算放大模块包括第一运算放大器，第三反馈电阻，第二运算放大器和第四反馈电阻；

所述第一运算放大器的第一输入端形成所述运算放大模块的第一输入端，所述第一运算放大器的第二输入端形成所述运算放大模块的第二输入端；所述第一运算放大器的输出端形成所述运算放大模块的第一输出端；

所述第三反馈电阻的第一端与所述第一运算放大器的输出端连接，所述第三反馈电阻的第二端和所述第四反馈电阻的第一端均与所述第二运算放大器的第一输入端连接；所述第二运算放大器的输出端形成所述运算放大模块第二输出端；

所述第二运算放大器的第二输入端形成运算放大模块的第三输入端连接共模电平信号输入端连接端。

在一种可能的设计中，所述可编程增益放大器还包括，假性负载；所述假性负载具有第三开关和假性负载电阻；所述第三开关的第一端与所述运算放大模块的第二输出端连接，所述第三开关的第二端与所述假性负载电阻的第一端相连，所述假性负载电阻的第二端与共模电平信号输入端连接。

在一种可能的设计中，所述可编程增益放大器还包括，第一电容，所述第一电容一端连接第一输入信号端，另一端连接第一输入电阻的第一端。

在一种可能的设计中，所述的可编程增益放大器还包括，第二电容，所述第二电容的一端连接第二输入信号，另一端连接第二输入电阻的第一端。

在一种可能的设计中，所述第一反馈电阻与第二反馈电阻、所述第三反馈电阻、所述第四反馈电阻、假性负载电阻阻值均相等。

在一种可能的设计中，所述第一输入电阻阻值与第二输入电阻阻值相等。

本发明提供一种可编程增益放大器，该放大器结构通过开关的切换可以同时兼容单端输入模式和差分输入模式。而且，切换开关是在非信号通路上，避免了为减小开关导通电阻而使用大面积开关，简化了电路。同时本发明无需现有技术中的共模反馈环路，复用了全差分放大器的放大级电路来确定输出差分对的共模电平，简化了芯片的电路，降低了成本。本发明增加了假性负载，单端输入模式下，不用增大运算放大器电流，提高了增益放大器差分输出的线性度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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为现有技术中可编程增益放大器的结构示意图；

图2为发明实施例提供的一种可编程增益放大器的结构示意图。

图3为发明实例提供的另一种可编程增益放大器的结构示意图；

图4为发明实例提供的另一种可编程增益放大器的结构示意图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅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它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1所示，本实施例提供一种可编程增益放大器，包括：运算放大模块，第一输入电阻rin1，第一反馈电阻rf1，第二输入电阻rin2，第二反馈电阻rf2，第一开关s1，第二开关s2，共模电平信号输入端vcm；运算放大模块具有第一输入端in1，第二输入端in2，第一输出端von，第二输出端vop；

第一输入电阻rf1的第一端连接第一信号输入端vip，第一输入电阻的第二端和第一反馈电阻rf1的第一端均与运算放大模块的第一输入端in2连接，第一反馈电阻rf1的第二端与运算放大模块的第一输出端von连接；第一开关s1的第一端连接共模电平信号输入端vcm，第一开关s1的第二端连接运算放大模块的第二输入端in2；

第二输入电阻rin1的第一端连接第二信号输入端vin，第二输入电阻rin1的第二端和第二反馈电阻rf2的第一端均与第二开关s2的第一端连接，第二反馈电阻rf2的第二端与运算放大模块的第二输出端vop连接，第二开关s2的第二端连接运算放大模块的第二输入端in2；

为了滤除信号采集模块中的直流信号，在第一信号输入端和第一输入电阻第一端之间连接有第一电容，在第二信号输入端和第二输入电阻第一端之间连接有第二电容。

当信号采集模块输出为差分信号时，s1断开、s2闭合，增益放大器可作为差分输入模式接收信号采集模块的差分信号。当信号采集模块为单端输出模式时，s1闭合s2断开，增益放大器可以兼容信号采集模块单端输出模式。这样仅通过s1和s2开关的通断便可以实现兼容单端以及差分输入模式。

在s1断开、s2闭合的情况下，第一信号输入端vip和第二信号输入端vin两端的负载不同，现有技术条件下，需要运算放大模块增大驱动电流以保证增益放大器差分输出的vop与von的线性度。为了在不增大驱动电流的情况下保证增益放大器的线性度，本发明还提供了优化方案。为可编程增益放大器增加假性负载，假性负载具体包括第三开关s3、假性负载电阻rf。第三开关s3的第一端连接运算放大模块的第二输出端vop，第三开关s3的第二端连接假性负载电阻rf的第一端，假性负载电阻rf的第二端连接共模电平信号输入端vcm。需要说明的是，假性负载的实现形式有很多种，而且假性负载电阻rf的阻值与第一反馈电阻rf1、第二反馈电阻rf2的阻值相等，第一输入电阻rin1的阻值等于第二输入电阻rin2。本方案中将第三开关s3闭合，假性负载接入vop，在不增加运算放大模块驱动电流的情况下，提高了运算放大模块输出的差分信号的线性度。

运算放大模块包含多个运算放大器与电阻，其电路结构可以有多种，现在就运算放大模块中包含两个运算放大器的电路结构进行举例说明：

实施例1

如图2所示，运算放大模块包含第一运算放大器op1、第二运算放大器op2、第三反馈电阻rf3和第四反馈电阻rf4。第一运算放大器op1的反相输入端形成运算放大模块的第一输入端，同时和第一输入电阻rin1的第二端、第一反馈电阻的第一端连接；第一运算放大器op1的正向输入端形成运算放大模块的第二输入端，与第二开关的第二端连接，第一运算放大器op1输出端同时与第一反馈电阻rf1的第二端、第三反馈电阻的第一端连接形成运算放大模块的第一输出端。第二运算放大器op2的反相输入端同时连接第三反馈电阻rf3的第二端、第四反馈电阻的第一端。第二运算放大器op2的同相输入端连接共模信号输入端vcm。第二运算放大器op2的输出端与第四反馈电阻rf4的第二端、第二反馈电阻rf2的第二端连接后形成运算放大模块的第二输入出端vop，vop连接第三开关s3的第一端，第三开关s3的第二端连接假性负载电阻rf的第一端，假性负载rf的第二端连接共模电平信号输入端vcm。其中，各电阻阻值存在如下关系：

rf1＝rf2＝rf3＝rf4＝rf

rin1＝rin2

当接收到信号采集模块的信号为差分信号时，将s1、s3断开，s2闭合，增益放大器配置为全差分模式。分析该结构的共模电平，对运算放大器op1进行虚短虚断的处理，由于电容具有隔直流的作用，流过rf1以及rf2的电流均为0，因此有

voncm＝vopcm＝vfb1＝vfb2---------------(1)

对于运算放大器op2进行虚短虚断处理，则有：

vopcm-vcm＝vcm-voncm--------------(2)

联立式子(1)、(2)，则有：

vopcm＝voncm＝vfb1＝vfb2＝vcm--------(3)

也就是说第一输出端von、第二输出端vop、第一运算放大器反相输入端、第一运算放大器同相输入端与共模电平相同。

对于该结构的交流小信号增益，当vip以及vin分别有幅度为a，相位相反的交流小信号输入，此时：

vip＝vcm+a，vin＝vcm-a，对运算放大器op1做虚短虚断分析则有von＝vcm-(rf/rin)a；同理有vop＝vcm+(rf/rin)a，因此该结构的小信号增益为反馈电阻rf与输入电阻rin的阻值比例来决定，调整rin的大小可以调整放大器的增益，从而达到增益可编程的目的。

分析运算放大器op1以及op2的输出电流，当vip＝vcm+a,vin＝vcm-a时，此时von＝vcm-(rf/rin)a，vop＝vcm+(rf/rin)a，有iop1＝-2a/rin,iop2＝2a/rin；当vip＝vcm-a,vin＝vcm+a时,有iop1＝2a/rin,iop2＝-2a/rin。可见第一运算放大器op1和第二运算放大器op2输出的电流是差分对称的。该增益放大器无共模反馈环路，复用了全差分放大器的放大级电路来确定输出差分对的共模电平，大大简化了芯片的电路。同时，输出差分对的共模电平由两个运算放大器的反馈环路单独决定，两个反馈环路相互独立，增加了设计的可靠性和灵活性。

实施例2

如图3所示，当信号采集模块为单端输出时，第一信号输入端接收来自信号采集模块的信号，第二信号输入端vin为浮空状态。第一开关s1闭合，第二开关s2断开，将可编程增益放大器配置为单端输入模式。

当第三开关s3断开时，分析该模式下的共模电平：

对于对于运算放大器op1进行虚短虚断的处理，由于电容的隔直流作用，流经rf1的直流电流为0，因此

voncm＝vcm＝vfb---------------------------(4)

对于对于运算放大器op2进行虚短虚断的处理，

vopcm-vcm＝vcm-voncm--------------(5)

分析该结构的交流小信号增益，当vip以及vin分别有幅度为a，相位相反的交流小信号输入，此时：

vip＝vcm+a，vin＝vcm-a，对运算放大器op1做虚短虚断分析则有von＝vcm-(rf/rin)a；同理有vop＝vcm+(rf/rin)a，因此该结构的小信号增益等于2rf/rin，调整rin的大小可以调整放大器的增益，实现增益的可编程。

分析该结构两个运算放大器op1以及op2的输出电流，当vip＝vcm+a,此时von＝vcm-(rf/rin)a，vop＝vcm+(rf/rin)a，有iop1＝-2a/rin,iop2＝a/rin；当vip＝vcm+a，有iop1＝2a/rin,iop2＝-a/rin。可见两个运算放大器的输入输出电流并不完全对称，op1的输入输出电流要大于op2，这样会造成增益放大器的输出线性度降低。

当第三开关s3闭合时，引入假性负载，假性负载电阻rf，假设vip的电压为vcm+a，此时von＝vcm-(rf/rin)a，vop＝vcm+(rf/rin)a，此时iop1＝-2a/rin,iop2＝2a/rin；相对称的，假设vip的电压为vcm-a，此时iop1＝2a/rin,iop2＝-2a/rin，也就是说增加了假性电流负载后，两个运算放大器的输入输出电流完全对称。仿真对比增加假性负载前后输出差分对的总谐波失真(totalharmonicdistortion)，增加了假性负载rf后的总谐波失真为增加前的50％，增加假性负载rf使得总谐波失真改善了6db。

综上，本发明通过开关的切换实现了差分输入模式和单端输入模式的兼容，而且切换开关位于非信号通道上，无需为减小开关导通电阻而使用大面积开关，使得电路结构简单成本较低。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。