一种PGA电路及增大PGA输入动态范围的方法与流程

一种pga电路及增大pga输入动态范围的方法
技术领域
1.本发明涉及集成传感电路驱动领域，尤其是集成传感电路中配合a/d电路使用的大动态范围输入的pga(programmable gain amplifier，可编程增益放大器)电路，以及增大pga输入动态范围的方法。


背景技术：

2.在工业控制领域，测控传感器通常需要适应很大的动态范围，从几uv到几v(甚至几十v，上百v)，动态范围超过100db。对如此大动态范围的低频模拟信号进行放大或衰减，提供给a/d电路采样，对由运算放大器构成的传统结构的pga形成了新的挑战。
3.传统结构的pga设计结构由运算放大器加反馈电阻网络构成，由于运算放大器是有源电路，工作时需要各个mos管处于饱和区，需要同时满足：vgs＞vth(导通阈值)、vgs-vth＝vdsat＞vds，在cmos工艺中nmos的过驱动电压vdsat通常需要200mv，pmos的过驱动电压通常需要300mv，当vdsat＜vds后，mos管进入线性区，输出信号会发生失真，不能输出高质量的小信号。特别是需要输入输出信号小至几uv～几十mv的范围，传统结构的pga基本丧失了信号处理能力，即使轨到轨输入输出放大器也无能为力。也就是说，在面对输入信号小至uv级时，其输出信号也已失真。
4.另外，由于工业控制领域需要测控的这类信号的频率，没有达到射频频段，也无法通过增加隔直电容(交流耦合)的方式经过射频放大器进行放大处理。


技术实现要素：

5.本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种新的pga电路设计，以实现对大动态范围输入信号的处理。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.本发明提供了一种pga电路，其包括调制器、第一级放大器和解调器，所述第一级放大器与所述调制器交流耦合，所述解调器与所述第一级放大器交流耦合；
8.所述调制器被配置为对接收的信号进行上变频；
9.所述第一级放大器被配置为对接收的信号进行放大或衰减；
10.所述解调器被配置为对接收的信号进行下变频，所述解调器设置有非零的参考电平；
11.其中，所述调制器和所述解调器的本振频率相同。
12.进一步的，所述解调器后还连接有第二级放大器，所述第二级放大器与所述解调器直流耦合；所述第二级放大器被配置为对接收的信号进行放大。
13.进一步的，所述调制器包括nmos管mn0、mn1、mn2和mn3，以及pmos管mp0、mp1、mp2和mp3；调制器的一个本振信号接入端分别连接所述mn0、mp1、mp2和mn3的栅极，调制器的另一个本振信号接入端分别连接所述mp0、mn1、mn2和mp3的栅极；调制器的一个信号输入端分别连接所述mn0和mn1的源极，以及所述mp0和mp1的漏极；调制器的另一信号输入端分别连接
所述mn2和mn3的源极，以及所述mp2和mp3的漏极；所述mn0、mn2的漏极，以及所述mp0、mp2的源极并联到调制器的一个信号输出端；所述mp1、mp3的源极，以及所述mn1、mn3的漏极并联到调制器的另一信号输出端。
14.进一步的，所述第一级放大器包括两个第一放大电路，每一个第一放大电路分别连接所述调制器的一个信号输出端，且连接所述解调器的一个信号输入端。
15.进一步的，所述第一放大电路包括电阻r0、r1、r2、r3，电容c0、c1，以及nmos管mn4和pmos管mp4；所述mp4的栅极分别连接所述r0、r1和c0的第一端，所述mn4的栅极分别连接所述r2、r3和c1的第一端，所述mp4的源极和所述r0的第二端均连接第一驱动电压vdd，所述mn4的源极和所述r3的第二端均连接第二驱动电压vss，所述c0和c1的第二端并联到第一放大电路的信号输入端，所述mn4的漏极、mp4的漏极、r1的第二端以及r2的第二端并联到第一放大电路的信号输出端。
16.进一步的，所述解调器包括nmos管mn5、mn6、mn7和mn8，pmos管mp5、mp6、mp7和mp8，以及电阻r4和r5；解调器的的一个本振信号接入端分别连接所述mn5、mp6、mp7和mn8的栅极，调制器的的另一个本振信号接入端分别连接所述mp5、mn6、mn7和mp8的栅极；解调器的一个信号输入端分别连接所述mn5和mn6的源极，以及所述mp5和mp6的漏极；解调器的另一个信号输入端分别连接所述mn7和mn8的源极，以及所述mp7和mp8的漏极；所述mn5、mn7的漏极，以及所述mp5、mp7的源极并联到解调器的一个信号输出端；所述mp6、mp8的源极，以及所述mn6、mn8的漏极并联到解调器的另一信号输出端；所述电阻r4和r5串联后连接于输出信号的两信号输出端之间，所述电阻r4和r5之间接入参考电平v
cm
。
17.进一步的，所述第二级放大器包括电阻r6、r7、r8，以及第一运算放大器和第二运算放大器，所述电阻r6的两端分别连接所述第一运算放大器的反相输入端和第二运算放大器的反相输入端，所述电阻r7的两端分别连接所述第一运算放大器的反相输入端和输出端，所述电阻r8的两端分别连接所述第二运算放大器的反相输入端和输出端，所述第一运算放大器的同相输入端接第二级放大器的一个信号输入端，所述第二运算放大器的同相输入端接第二级放大器的另一信号输入端，所述第一运算放大器的输出端接第二级放大器的一个信号输出端，所述第二运算放大器的输出端接第二级放大器的另一信号输出端。
18.本发明还提供了一种增大pga输入动态范围的方法，该方法包括：
19.利用调制器对输入信号进行上变频；
20.将经上变频的信号通过交流耦合方式输入到第一级放大器进行放大或衰减；
21.将经放大或衰减的信号通过交流耦合方式输入到解调器进行下变频，该解调器的工作点电位不为零。
22.进一步的，方法还包括：
23.将经下变频的信号通过直流耦合方式输入到第二级放大器进行放大。
24.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
25.1、本发明的方案能够在确保输入信号不失真的情况下，实现对输入信号的电平搬移，以增大信号的动态范围。
26.2、本发明的方案还能对信号进行增益，以增大信号的功率，便于后续的采样等。
27.3、本发明可根据实际需要对电路参数进行调节，例如调节参考电平vcm、增益倍数等，从而使得本发明具备较好的普适性。
附图说明
28.本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
29.图1是pga电路的电路结构图。
30.图2是调制器的电路结构图。
31.图3是第一级放大器的电路结构图。
32.图4是解调器的电路结构图。
33.图5是第二级放大器的电路结构图。
34.图中，mixer_up为调制器，mixer_down为解调器，ap1为第一级放大器，ap2为第二级放大器，am1为第一运算放大器，am2为第二运算放大器，inn1、inp1为调制器的两信号输入端，inn2、inp2为解调器的两信号输入端，inn3、inp3为第二级放大器的两信号输入端，outn1、outp1为调制器的两信号输出端，outn2、outp2为解调器的两信号输出端，outn、outp为第二级放大器的两信号输出端，flon1、flop1为调制器的两本振信号接入端，flon2、flop2为解调器的两本振信号接入端，in为第一放大电路的信号输入端，out为第一放大电路的信号输出端。
具体实施方式
35.本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
36.本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
37.实施例一
38.如图1所示，本实施例公开了一种pga电路，其能够实现对大动态范围输入信号的处理。该pga电路包括调制器mixer_up、第一级放大器ap1以及解调器mixer_down，调制器mixer_up的两信号输入端inn1、inp1接入需要处理的信号vin，第一级放大器ap1的两信号输入端与调制器mixer_up的两输出端交流耦合，第一级放大器ap1的两信号输出端与解调器mixer_down的两输出端交流耦合，解调器mixer_down的两信号输出端向后续电路输出经处理的信号。
39.上述的调制器mixer_up和解调器mixer_down，均采用混频器来实现，混频器可以选择无源混频器，也可采用有源混频器，下面以无源互补结构的混频器为例对上述pga电路进行详细说明。
40.调制器mixer_up对待处理信号vin(以下简称信号vin)进行混频处理，flon1和flop1为调制器mixer_up的两本振信号接入端，调制器mixer_up在第一本振信号flo1基础上对信号vin进行上变频。
41.第一级放大器ap1对由调制器mixer_up输出的信号进行放大或者衰减，其视信号vin的幅度而定，当信号vin的幅度过大时，第一级放大器ap1为衰减模式(负增益)，反之，当信号vin的幅度较小时，第一级放大器ap1为放大模式(正增益)。判断信号vin的幅度是否过大或较小，通过设定的阈值进行判断，其属于常规手段，具体阈值属于根据实际需要的经验值，因此，此处不进行详述。
42.解调器mixer_down同样对其接收到的信号进行混频处理，flon2和flop2为解调器mixer_down的两本振信号接入端，解调器mixer_down在第二本振信号flo2基础上对其接收到的信号进行下变频。
43.上述本振信号flo1＝flo2，这样，经解调器mixer_down下变频后的信号，其频率与输入到调制器mixer_up的信号vin的频率是一致的，而解调器mixer_down具有非零的参考电平vcm，从而实现了对信号vin电平的搬移。该参考电平vcm与后续a/d电路的工作范围相适应。通过该方式，从几uv到几十v(甚至更高的电压)的信号都能够被处理，pga电路具备对大动态范围输入信号的处理能力。
44.实施例二
45.pga电路可以应用于cmos工艺设计的soc芯片，也适用于其他工艺设计的集成电路芯片或单片电路，也可用分立器件搭建电路实现。本实施例以cmos_55nm工艺为例对本发明的设计电路进行介绍。
46.仍然如图1所示，信号vin由调制器mixer_up的两信号输入端inn1、inp1输入调制器mixer_up，信号vin的范围为-0.5v～3.3v。flon1和flop1为调制器mixer_up的两本振信号接入端，调制器mixer_up的两本振信号接入端flon1、flop1连接第一本地振荡器，接入本振信号flo1。flon2和flop2为解调器mixer_down的两本振信号接入端，解调器mixer_down的两本振信号接入端flon2、flop2连接第二本地振荡器，接入本振信号flo2，本振信号flo1的频率与本振信号flo2的频率相同。调制器mixer_up基于本振信号flo1对信号vin和上变频，解调器mixer_down基于本振信号flo2对其接收到的信号(即经第一级放大器ap1增益处理后的信号)进行下变频。
47.第一级放大器ap1的两信号输入端与调制器mixer_up的两信号输出端交流耦合，经调制器mixer_up上变频后，第一级放大器ap1对信号进行放大或衰减处理，具体视信号vin的幅度而定，与实施例一的情况相同。第一级放大器ap1的两输出端与解调器mixer_down的两输入端交流耦合，经第一级放大器ap1进行增益处理的信号输入到解调器mixer_down进行下变频，解调器mixer_down后端连接a/d电路，解调器mixer_down的工作点(即参考电平vcm)可根据后级的a/d电路的工作范围进行设定。
48.此外，在解调器mixer_down的后端还可以连接第二级放大器ap2，该第二级放大器ap2的两信号输入端与解调器mixer_down的两信号输出端采用直流耦合，该第二级放大器ap2对经解调器mixer_down下变频的信号进行放大，提供一定的增益，加强驱动能力，以便于其后端连接的a/d电路进行采样。是否采用该第二级放大器ap2，根据后级电路的需求而定。
49.设信号vin的频率为f
in
，幅度用其自身表示，则经调制器mixer_up处理后信号的频率和幅度分别为：
50.频率：f
out_mixer_up
＝f
lo1
±fin
；
ꢀꢀꢀ
(1)
51.幅度：v
out_mixer_up
＝vin*g
mixer_up
；
ꢀꢀꢀ
(2)
52.f
out_mixer_up
表示调制器mixer_up输出信号的频率，v
out_mixer_up
表示调制器mixer_up输出信号的幅度，g
mixer_up
为调制器mixer_up的增益倍数。此处是说明调制器mixer_up进行混频处理后的结果，通过控制flo1和fin之间的频率差来实现上变频或下变频，解调器mixer_down同理。
53.第一级放大器ap1对上变频后的信号进行增益处理(放大或衰减)，当输入信号的幅度vin过大时，对信号进行负增益处理，反之，输入信号的幅度vin较小时，对信号进行正增益处理。经调制器mixer_up上变频后的信号的频率f
out_mixer_up
已经达到在集成电路中增加隔直电容的频率，第一级放大器ap1与调制器mixer_up交流耦合，对上变频后的信号进行放大/衰减处理，其输出信号的频率f
ap1
较调制器mixer_up输出的频率f
out_mixer_up
保持不变，输出信号的幅度为：
54.幅度：v
out_ap1
＝v
out_mixer_up
*g
ap1
＝vin*g
mixer_up
*g
ap1
；
ꢀꢀꢀ
(3)
[0055]vout_ap1
为第一级放大器ap1输出信号的幅度，g
ap1
为第一级放大器ap1的增益倍数。
[0056]
解调器mixer_down与第一级放大器ap1间采用交流耦合，其输出信号的频率和幅度为：
[0057]
频率：f
out_mixer_down
＝f
lo2
±fap1
；
ꢀꢀꢀ
(4)
[0058]
幅度：v
out_mixer_down
＝v
cm
+v
out_ap1
*g
mixer_down
；
ꢀꢀꢀ
(5)
[0059]fout_mixer_down
为解调器mixer_down输出信号的频率，v
out_mixer_down
为解调器mixer_down输出信号的幅度，v
cm
为参考电平，g
mixer_down
为解调器mixer_down的增益倍数。
[0060]
综合上式(1)-(5)，有：
[0061]
频率：f
out_mixer_down
＝f
in
；
ꢀꢀꢀ
(6)
[0062]
幅度：v
out_mixer_down
＝v
cm
+vin*g
mixer_up
*g
ap1
*g
mixer_down
；
ꢀꢀꢀ
(7)
[0063]
至此，输入的信号vin已转换成输出信号v
out_mixer_down
，两者频率相同，但是在信号vin上叠加了一个参考电压v
cm
，并对信号进行了放大或衰减处理，因此当信号vin很小时(几mv级甚至uv级)，本实施例的电路结构依然可以有效的对信号进行处理。
[0064]
进一步的，在解调器后还可根据需要直流耦合第二级放大器ap2，以对信号进行增益放大，加强驱动能力。该第二级放大器ap2的两信号输出端outn、outp所输出的信号的频率与其接收的不变，幅度变为：
[0065]
幅度：
[0066]vout_ap2
＝v
out_mixer_down
*g
ap2
＝(v
cm
+vin*g
mixer_up
*g
ap1
*g
mixer_down
)*g
ap2
ꢀꢀꢀ
(9)
[0067]vout_ap2
为第二级放大器输出信号的幅度，g
ap2
为第二级放大器的增益倍数。
[0068]
实施例三
[0069]
本实施例分别介绍调制器mixer_up、解调器mixer_down、第一级放大器ap1和第二级放大器ap2的电路结构。
[0070]
如图2所示，调制器mixer_up包括nmos管mn0、nmos管mn1、nmos管mn2、nmos管mn3、pmos管mp0、pmos管mp1、pmos管mp2以及pmos管mp3。本振信号接入端flon1分别连接mn0、mp1、mp2和mn3的栅极，本振信号接入端flop1分别连接mp0、mn1、mn2和mp3的栅极；用于接收输入的信号vin的两信号输入端inn1、inp1中，一个信号输入端inn1分别连接mn0和mn1的源极，以及mp0和mp1的漏极，另一信号输入端inp1分别连接mn2和mn3的源极，以及mp2和mp3的漏极。mn0的漏极、mp0的源极、mn2的漏极以及mp2的源极并联到一个信号输出端outn1，mp1的源极、mn1的漏极、mp3的源极以及mn3的漏极并联到另一个信号输出端outp1。
[0071]
通过上述电路结构的调制器mixer_up设计，实现对输入信号vin的与第一本振信号flo1的混频，对于上变频的设计，则是将两信号的相位设置为相同即可。
[0072]
如图3所示为第一放大电路的电路结构图。第一级放大器ap1包括两个第一放大电
路，采用两个第一放大电路实现对调制器mixer_up两端输出信号的增益处理。
[0073]
第一放大电路包括电阻r0、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电容c0、电容c1，以及nmos管mn4和pmos管mp4。mp4的栅极分别连接r0、r1和c0的第一端，mn4的栅极分别连接r2、r3和c1的第一端，mp4的源极和r0的第二端均连接第一驱动电压vdd，mn4的源极和r3的第二端均连接第二驱动电压vss，c0和c1的第二端并联到信号输入端in，该信号输入端用于连接调制器mixer_up的信号输出端outn1或outp1，mn4的漏极、mp4的漏极、r1的第二端以及r2的第二端并联到信号输出端out，该信号输出端out用于连接解调器mixer_down的一个信号输入端(inn2或inp2)。
[0074]
如图4所示为解调器mixer_down的电路结构图，其与调制器mixer_up的电路结构相似，区别在于，其在两输出端之间还配置了参考电平电路，该参考电平电路通过电阻r4和电阻r5接入。具体而言：
[0075]
解调器mixer_down包括nmos管mn5、nmos管mn6、nmos管mn7、nmos管mn8、pmos管mp5、pmos管mp6、pmos管mp7、pmos管mp8、电阻r4和电阻r5。本振信号接入端flon2分别连接mn5、mp6、mp7和mn8的栅极，本振信号接入端flop2分别连接mp5、mn6、mn7和mp8的栅极。用于接收信号的两个信号输入端inn2、inp2中，一个信号输入端inn2分别连接mn5和mn6的源极，以及mp5和mp6的漏极，另一信号输入端inp2分别连接mn7和mn8的源极，以及所述mp7和mp8的漏极。mn5的漏极、mp5的源极、mn7的漏极，以及mp7的源极并联到一个信号输出端outn2；mp6的源极、mp8的源极、mn6的漏极以及mn8的漏极并联到另一信号输出端outp2。参考电平vcm经电阻r4连接到outn2端，经电阻r5连接到outp2端，电阻r4和r5的阻值相等。
[0076]
如图5所示，第二级放大器ap2包括电阻r6、电阻r7、电阻r8、第一运算放大器am1和第二运算放大器am2。一个信号输入端inn3连接第一运算放大器am1的同相输入端，另一个信号输入端inp3连接第二运算放大器am2的同相输入端。电阻r6的两端分别连接第一运算放大器am1的反相输入端和第二运算放大器am2的反相输入端。电阻r7的两端分别连接第一运算放大电路am1的反相输入端和输出端，电阻r8的两端分别连接第二运算放大电路am2的反相输入端和输出端；两运算放大电路的输出端作为第二级放大器ap2的两信号输出端，具体的，第一运算放大电路am1的输出端连接到第二级放大器ap2的一个信号输出端outn，第二运算放大电路am2的输出端连接到第二级放大器ap2的另一个信号输出端outp。
[0077]
需要说明的是，上述的放大器中的各电阻(r0～r3、r6～r8)均设计为可调电阻，以便能够实现电路参数(如增益倍数等)的调整。
[0078]
实施例四
[0079]
本实施例公开了一种增大pga输入动态范围的方法，该方法包括：
[0080]
利用调制器对输入信号进行上变频。
[0081]
将经上变频的信号通过交流耦合方式输入到第一级放大器进行放大或衰减。具体是放大还是衰减，视输入信号的幅度而定，当输入信号幅度过大时，则进行衰减处理(负增益)，反之，当输入信号幅度较小时，则进行放大处理(正增益)，过大或较小通过相应的阈值判断。
[0082]
将经放大或衰减的信号通过交流耦合方式输入到解调器进行下变频，该解调器的工作点电位不为零。
[0083]
还可以包括：将经下变频的信号通过直流耦合方式输入到第二级放大器进行放
大。
[0084]
上述方法所用到的调制器、解调器、第一级放大器、第二级放大器，可采用前述实施例中的电路结构。
[0085]
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。