一种dB线性超宽带可变增益放大器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种可变增益放大器，具体涉及一种工作带宽大的dB线性可变增益放 大器。
【背景技术】
[0002] 可变增益放大器是射频收发机前端的核心组件之一。尽管发射极和接收机间通道 内的信号强度随时间变化，但是无线收发机中自动增益控制系统依旧能够为基带中的模数 转换器提供稳定强度的信号。自动增益控制系统中的可变增益放大器能够实现改变其增益 的功能，进而为基带部分提供所需的输入信号强度。通过负反馈原理，自动增益控制系统能 够保持其输出信号强度至一个预定的水平。在无线收发机中，可变增益放大器需要能达到 稳定的增益控制，保持稳定的信号功率强度提供给基带，同时其直流功耗、带宽、稳定性和 输入输出回波损耗均不改变。
[0003] 60GHz附近的开放波段为短距无线系统提供了发展的新机遇，在IEEE. 802.1 lad标 准中，无线通信系统需要有880MHz的基带信号带宽，因而可变增益放大器需要1GHz以上带 宽。
[0004] 电压增益dB线性控制特性是自动增益控制（AGC)具有稳定的建立时间的必要条 件。由于M0S器件无论是处于饱和区还是线性区都没有指数函数型的I-V特性，因而CMOS工 艺下的可变增益放大器的增益dB线性控制特性往往需要借助于CMOS工艺下寄生的双极性 晶体管或工作在亚阈值区的M0S管，或者构造出伪指数函数来实现。采用寄生晶体管的方案 需要额外的辅助电路来保证寄生晶体管的工作，功耗高、可靠性差。而采用工作在亚阈值区 的M0S管实现的可变增益放大器，会因为栅极控制电压的变化范围有限，输出电流较小。
[0005] 天津大学的中国专利申请"一种dB线性可变增益放大器"（CN103036517A)中通过 电流平方率关系构建的伪指数函数控制关系，增加了额外的电路，消耗了更多的芯片面积。
[0006] 三星电机株式会社的中国专利申请"具有宽增益变化和宽带宽的可变增益放大 器"（CN 101394157A)中构造了伪指数函数
，获得了较大的dB线性 控制增益范围，电路更加复杂，消耗过大的芯片面积和功耗。
[0007] 与M0S晶体管相比，双极性晶体管因其I-V指数关系而固有dB线性控制特性，因而 无需复杂的电路就可以获得dB线性。GaAs工艺和SiGeBiCOMS工艺均可以实现高性能双极性 晶体管。但相较之下，SiGeBiCMOS工艺具有成本较低且与成熟的CMOS工艺相兼容利于集成 的优点。
[0008] 北京工业大学的中国专利申请"超宽带可变增益放大器"中尽管使用了异质结晶 体管却没有实现dB线性，并且采用较多的无源器件使得芯片面积较大。
[0009] 因此，当下亟需解决的一个技术问题就是：如何能够创造性地设计一种具有dB线 性控制超宽带且电路简单低功耗的可变增益放大器。
【发明内容】
[0010] 针对上述现有技术，本发明提供了一种dB线性控制的超宽带可变增益放大器，电 路结构简明、功耗低，带宽特性好。
[0011] 本发明的解决方案如下：
[0012] 一种dB线性超宽带可变增益放大器，主要由差分共射极可变跨导放大器单元、差 分可变负载阻抗单元和增益控制单元组成;其中差分共射极可变跨导放大器单元将差分输 入信号转换为差分电流信号，所述差分电流信号经由差分可变负载阻抗单元转换成差分电 压信号输出；
[0013] 所述的差分共射极可变跨导放大器主要由npn晶体管Q1、Q2和起偏置作用的第一 尾电流源组成，其中npn晶体管Q1、Q2完全匹配构成信号放大管对，发射极共接所述第一尾 电流源，差分输入信号通过相等数值的隔直电容连接在所述信号放大管对的基极上，基极 还分别经由数值相等的电阻偏置于固定电压Vbias2上，集电极作为该dB线性超宽带可变增 益放大器的输出端，通过隔直电容输出差分电压信号；
[0014] 所述的差分可变负载阻抗单元主要由两对采用二极管连接的npn晶体管和起偏置 作用的第二尾电流源组成;第一对二极管连接的npn晶体管Q3、Q4的基极和集电极连接在供 电电源VDD上，发射极连接在所述信号放大管对相应的集电极上;第二对二极管连接的npn 晶体管Q5、Q6的基极和集电极也连接在所述信号放大管对相应的集电极上，发射极接所述 第二尾电流源；
[0015] 所述二极管连接是指晶体管的基极与集电极相连接；
[0016] 所述第一尾电流源和第二尾电流源的电流值由所述增益控制单元分别控制;增益 控制单元包含有一个指数关系电流发生器，指数关系电流发生器包括完全匹配的npn晶体 管Q9和npn晶体管Q10、一个固定阻值的电阻R1和产生电流控制信号lent的电流沉;npn晶体 管Q9的基极连接在电阻R1的一端和固定电压Vbiasl上，npn晶体管Q10的基极连接在电阻R1 的另一端和电流沉的正端，Q9的发射极、Q10的发射极和电流沉的负端均接地，npn晶体管Q9 的集电极电流19与npn晶体管Q10的集电极电流110之比为指数关系;通过电流镜的操作使 得大小为（19-110)即19 ? (l-exp(-Icnt ? R1))的电流复制到所述第二尾电流源，集电极电 流110放大设定倍数复制到所述第一尾电流源。
[0017] 基于以上电路结构设计，本发明还进一步作了如下优化：
[0018]第一尾电流源采用npn晶体管Q7,集电极接所述信号放大管对的发射极，发射极接 地，基极电压由所述增益控制单元控制；第二尾电流源采用npn晶体管Q8,集电极接第二对 二极管连接的npn晶体管Q5、Q6的发射极，发射极接地，基极电压由所述增益控制单元控制。 [0019]信号放大管对的小信号跨导由第一尾电流源的数值决定；第二对二极管连接的 npn晶体管的小信号跨导由第二尾电流源的数值决定;第一对二极管连接的npn晶体管的小 信号跨导由第一尾电流源与第二尾电流源数值之和决定。
[0020]增益控制单元还包括共源共栅电流镜和用作所述电流镜的采用二极管连接的npn 管Q11;所述的共源共栅电流镜由四个PM0S晶体管MP1、MP2、MP3和MP4构成，MP1与MP2共栅， MP3和MP4共栅，MP2和MP4均为二极管连接形式，MP2的漏极与MP4的源极相连接形成串联， MP2源极连接在VDD上，MP4的漏极与指数关系电流发生器中的Q9的集电极相连接;MP1的漏 极与MP3的源极相连接形成串联，MP1的源极连接在VDD上，MP3的漏极与所述采用二极管连 接的npn管Q11的集电极、指数关系电流发生器中的Q10的集电极连接，在三者连接点处实现 了 Q9集电极电流与Q10集电极电流的作差;所述采用二极管连接的npn管Q11与第二尾电流 源npn晶体管Q8构成1:1的第二电流镜;所述npn晶体管Q10的基极与第一尾电流源npn晶体 管Q7的基极连接，使得Q10与Q7构成1:2的第一电流镜。
[0021 ]可变增益放大器级联一级固定增益放大器即可实现正的增益。
[0022] 第一电流镜和第二电流镜的公共基极分别通过旁路电容C4和C5到地。
[0023] 本发明与现有技术相比，具有以下优点：
[0024] 第一、采用的是差分电路形式。差分结构电路，一方面可以抑制共模噪声，消减偶 阶次谐波，另一方面具有多个虚地点，便于dB线性增益控制的实现，而且每个差分输出所需 要的电压摆幅仅为单端输出的一半，因此可以减小失真。
[0025] 第二、结构简单，面积小。主体差分电路只采用了 15个晶体管来实现可变增益放大 器。
[0026] 第三、增益dB线性控制。电压增益dB线性控制特性是自动增益控制(AGC)系统具有 稳定的建立时间的必要条件，本发明满足自动增益控制系统对可变增益放大器增益dB线性 控制的要求。
[0027] 第四、鲁棒性好。本发明在信号通路上没有采用电阻等无源器件，故鲁棒性好，有 利于电路容忍工艺带来的偏差，可靠性高。
[0028] 第五、带宽宽。由于采用的是二极管连接的HBT异质结晶体管作为负载，阻抗小，所 以输出极点远，带宽特性好。快速数据交换是当今无线通讯的发展需求，本发明较宽的工作 带宽满足射频接收系统对数据高速传输的要求。
[0029] 第六、动态变化范围大。本发明基于SiGe BiCMOS工艺，由于SiGe HBT异质结晶体 管固有的集电极电流与发射结电压的dB线性关系，使得电路的增益动态变化范围大。
【附图说明】
[0030] 图1是根据本发明示例性实施例的可变增益放大器的电路图；
[0031] 图2是实施例中dB线性可变增益放大器的频率响应特性图；
[0032]图3是实施例中控制信号与增益之间的dB关系曲线。
【具体实施方式】
[0033]以下给出一个示例性实施例详述本发明的方案，其中采用SiGe HBT异质结晶体管 作为有源器件。
[0034] 图1是根据本发明示例性实施例的可变增益放大器的电路图。
[0035] 参考图1，根据本发明示例性实施例的可变增益放大器可以包括差分共射极可变 跨导放大器单元200、差分可变负载阻抗单元300和增益控制单元100。差分共射极可变跨导 放大器单元200，将差分输入信号转换为差分电流信号;差分可变负载阻抗单元300，将上述 的差分电流信号转换为差分电压信号输出；增益控制单元1〇〇,为上述的差分共射极可变跨 导放大器单元和差分可变负载阻抗单元提供可变电流偏置。
[0036] 差分共射极可变跨导放大器单元，由完全匹配的作为信号放大管的一对npn晶体 管Q1、Q2及作为第一尾电流源202起偏置作用的npn晶体管Q7构成。信号放大管对201采用共 射极偏置结构，发射极均连接在尾电流源晶体管Q7的集电极，基极分别经由数值相等的大 电阻R2和R3偏置于合适的固定电压Vbias2上，集电极分别连接在差分可变负载阻抗单元 300上，Vbias2在本发明示例性实施例中取值为1.8V。大电阻R2和R3与固定电压Vbias2的连 接点经旁路电容C3到地。的信号放大管对201的小信号跨导由尾电流源的数值决定。第一尾 电流源202晶体管Q7的发射极连接到地，基极电压由增益控