一种增益连续可调的可变增益放大器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及集成电路设计领域，尤其设及一种开关电容可变增益放大器，其具有 增益连续可调、全片上集成W及消耗娃片面积小等优点。
【背景技术】
[0002] 在微弱信号（如生物电信号检测、电流检测W及惯性传感器等）检测领域，通常采 用多级放大器对微弱的被测信号进行放大，并且具备增益可调节和带宽可调节的功能，W 适应不同频率和幅度范围的检测要求，如图1所示。其中增益可调节的功能，一般采用可变 增益放大器（Vari油IeGainAmplifier,VGA)来实现；带宽可调节的功能，一般采用低通滤 波器实现。在传统的VGA实现电路中，通常用数字编程的方式实现，如图2所示，如果放大 器的增益为无穷大，那么VGA的增益表达式可表示为Rp/Rp，其中Rp为输入电阻，反馈电阻Rp =Si*Rfi+S2*Rf2+...+S(ni)*Rf(ni)+Rfn，如果Si断开，则Si= 1，反之Si= 0(i= 1，2...N-1)。 通过控制开关SI~S(N-I)可W控制反馈电阻Rp的大小，从而控制VGA的增益。
[0003] 运种结构的缺点在于，只能调节离散、有限的增益值，如果要增加增益值的个数， 必须要增加控制开关的数量。然而，实际的控制开关的导通电阻不是0,而且不完全相等， 将会导致放大器OP两边的反馈电阻大小不相等，即失配。如果控制开关的数量增加，反馈 电阻的失配将更加严重。电阻失配带来的问题是VGA的共模抑制比下降、线性度降低。同 时，由于Rp对OP的负载效应，为了保证RP不会降低OP本身的开环增益，RP要大于OP的输 出电阻。因此Rp的数值通常都在MQ量级，在集成电路应用中，尤其在多通道检测电路中， 如果每个通道都需要一个VGA,将会占用大量的忍片面积。
【发明内容】
[0004] 本发明提供一种增益连续可调的可变增益放大器，它采用开关电容电路作为放大 器的负载，通过一个阻控振荡器巧esistorControlledOscillator,RC0)产生频率连续可 调的方波信号，对开关电容负载进行控制，实现VGA增益的连续调节。 阳0化]根据本发明，其提供了一种增益连续可调的可变增益放大器，包括：
[0006] 运算跨导放大器，用于将输入信号转换为电流信号；
[0007] 开关电容负载，连接在所述运算跨导放大器的输出端，用于将所述运算跨导放大 器输出的电流信号转换为电压信号并放大，其中，所述电压信号的放大倍数取决于所述开 关电容负载的等效阻抗；
[0008] 阻控振荡器，用于产生控制所述开关电容负载等效阻抗大小的控制时钟信号；所 述控制时钟信号可通过连接至所述阻控振荡器的片外可调电阻进行调节。
[0009] 本发明公开的开关电容可变增益放大器（VGA)电路，仅用一个片外可调电阻即可 实现对阻控振荡器的频率调节，阻控振荡器对开关电容负载进行调节，即可实现对VGA增 益的连续调节功能。同时VGA电路中不包含大电阻和大电容，节省了VGA电路的娃片面积。
【附图说明】
[0010] 图1是微弱信号检测通路的多级放大结构示意图； W11] 图2是传统的可变增益放大器（VGA)电路结构示意图；
[0012] 图3是本发明的开关电容VGA电路结构示意图；
[0013] 图4是图3中开关电容负载201电路结构示意图；
[0014] 图5是图4中非交叠时钟发生器的输入输出特性示意图；
[0015] 图6是图3中阻控振荡器202的电路结构示意图；
[0016] 图7是图6所示电路的关键结点的波形示意图；
[0017] 图8是图6中固定延时电路420的电路结构示意图；
[0018] 图9是本发明的开关电容VGA电路的增益与片外可调电阻的仿真曲线示意图；
[0019] 图10是本发明的开关电容VGA电路的传递函数与片外可调电阻的仿真曲线示意 图。
【具体实施方式】
[0020] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，W下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0021] 如图3所示，本发明提出了一种增益连续可调的可变增益放大器（VGA)200,其包 括一个运算跨导放大器（OperationalTransconductanceAmplifier, 0TA)，一个开关电容 负载201和一个阻控振荡器202。
[0022] 运算跨导放大器，用于将输入电压信号（Vip与VIW电压之差）转化为电流信号。运 算跨导放大器的特点是自身的输出阻抗很大，理想情况是无穷大。
[0023] 开关电容负载，放置于运算跨导放大器的输出端，用于将运算跨导放大器的输出 电流信号转换为电压信号。开关电容负载的等效阻抗远小于运算跨导放大器自身的输出阻 抗，于是运算跨导放大器的输出电流将全部流向开关电容负载。因此将开关电容负载置于 运算跨导放大器的输出端，即可实现将输入电压信号（Vip与VIW电压之差）进行放大，变为 输出电压信号（Vw与Vw之差）。同时，开关电容负载的等效阻抗与控制时钟的频率（fJ 成反比关系，即可W通过控制时钟的大小调节开关电容负载的等效阻抗，进而调节运算跨 导放大器的输出电压与输入电压之间的放大倍数。
[0024]阻控振荡器，用于产生所述开关电容负载的控制时钟信号，其特点在于通过一片 外可调电阻即可W调整输出的时钟信号频率。
[00巧]综上所述，通过运算跨导放大器、开关电容负载W及阻控振荡器的联合作用，即可W实现通过一片外可调电阻实现可变增益放大器的增益连续可调的功能。
[00%] 运算跨导放大器OTA的反相输出端、开关电容负载201的第一输入端Nl相连，作 为VGA的反相输出端V。,。OTA的同相输出端、开关电容负载201的第二输入端N2相连，作 为VGA的同相输出端Vw。阻控振荡器202的第一输出端N。与片外可调电阻R的一端相 连，阻控振荡器202的输入端Vref与片上基准电压源的输出端VB加连，阻控振荡器202的 第二输出端clk_sc与开关电容负载201的第S输入端clk_in相连。片外可调电阻Rusc的 另一端接地。OTA的同相输入端和反相输入端分别作为VGA的同相输入端Vip和反相输入 端ViN。
[0027] 如图3所示，所述开关电容负载201包括一个非交叠时钟发生器301，两个开关 (Sw，S^), -个电容C。。非交叠时钟发生器301的输入端作为开关电容负载201的第S输 入端clk_in，用于接收阻控振荡器输出的控制时钟信号。非交叠时钟发生器301的输出端 C化与第一开关（Sw)的控制端地1相连。非交叠时钟发生器301的输出端clk_b与第二 开关（SJ的控制端地2相连。第一开关（Sw)的一端作为开关电容负载201的第一输入端 NI,用于接收运算跨导放大器OTA反相输出端输出的电流信号，第二开关（SJ的一端作为 开关电容负载201的第二输入端N2,用于接收运算跨导放大器OTA同相输出端输出的电流 信号。第一开关（Sw)的另一端、第二开关（SJ的另一端与第一电容（C。）的上极板相连。 第一电容（C。）的下极板接地。
[0028] 所述非交叠时钟发生器301具有如下输入输出特性：非交叠时钟发生器301的输 入信号dk_in和两个输出信号C化和dk_b均为方波信号，并且频率相同。所述C化信号 与所述dk_in信号同相，所述dk_b信号与所述dk_in信号反相。所述C化信号的上升 沿比所述dk_b信号的下降沿延迟Td的时间间隔，所述C化_b信号的上升沿比C化信号的 下降沿延迟Td的时间间隔，如图5所示。所述时间间隔Td的作用是保证第一开关（Sw)和 第二开关（SJ不能同时导通。Td的大小设计的比第一开关（Sw)和第二开关（SJ与第一 电容（C。）的时间常数大两倍W上。
[0029] 如图4所示，所述阻控振荡器202由一个阻控延时电路410、固定延时电路420和 一个D触发器430组成。阻控延时电路410由一个运算放大器（OP)，一个比较器411，3个 PMOS管（PM1，PM2,PM3)，2 个NMOS管（NM1，NM2)，一个电容（Cdsc)组成。
[0030] 所述阻控振荡器202的连接关系为：运算放大器OP的同相输入端与比较器的反 相输入端相连，并作为阻控振荡器202的VfW输入端。运算放大器OP的反相输入端与第一 NMOS管（醒1)的源极相连，并作为阻控振荡器202的第一输出端Nc。运算放大器OP的输 出端与第一NMOS管（NMl)的栅极相连。第一PMOS管（PMl)的栅极和漏极、第一NMOS管 (醒1)的漏极、与第二PMOS管（PM2)的栅极相连。第二PMOS管（PM2)的漏极与第SPMOS 管（PM^的源极相连。第^PMOS管（PM^的漏极、第二NMOS管（MG)的漏极、第二电容 Ccsc的上极板与比较器411的反相输入端相连。比较器411的输出端Vc。。与固定延时电路 420的输入端Vdi相连。固定延时电路420的输出端VD2、第二PMOS管（PM2)的栅极与第S PMOS管（PM3)的栅极与D触发器430的时钟输入端C化相连。D触发器430的数据输入端 D与反相输出端邮相连。D触发器430的同相输出端Q作为阻控振荡器202的第二输出端 clk_sc，用于输出占空比为50%的方波信号，即控制时钟信号。
[0031] 如图8所示，所述固定延时电路420由n个相同的反相器级联组成，n为偶数。第 一反相器（Invl)的输入端作为固定延时电路420输入端Vdi,第一反相器（Invl)的输出端 与第二反相器（Inv2)的输入端相连，第二反相器（Inv2)的输出端与第S反相器（Inv3)的 输入端相连。W此类推，直到第n反相器（Invn)。第n反相器（Invn)的输出端作为固定延 时电路420输出端Vd2。所述固定延时电路420的延时是反相器延时的n倍。
[0032] 如图3所示，本发明中所述OTA是一种输出阻抗较高的放大器，并具备较为恒定的 跨导值，其输出电阻和跨导值分别为R。。,和Gm。开关电容负载201的输入端口Nl和N2两 端的等效电阻