专利名称：用于发送端的可变增益放大器的制作方法
技术领域：
本发明属于模拟信号处理和通信技术领域，特别涉及适合于无线收发器和声频/视频模拟信号处理电路的可变增益放大器设计。
使用在发送器中的可变增益放大器和使用在接收器中的可变增益放大器在增益的要求上有不同的地方前者需要的增益小，通常最大增益为0dB，而后者一般需要高的增益。在其他的指标上，二者是一致的。
要使得可变增益放大器的增益范围大，一般考虑是把几个相同的可变增益基本单元级联起来，一个典型的可变增益放大器的连接形式如
图1所示可变增益基本单元之间的连接可以直接耦合也可以通过电容耦合，可变增益基本单元的控制电压输入是由控制电压发生器提供和分配，各个可变增益基本单元的控制电压可以相同也可以不同，根据可变增益基本单元具体的电路结构而定。对于可变增益基本单元而言，如果它的可变增益范围小，就需要很多这样的基本单元级联，这样就会导致整体的可变增益放大器的带宽降低，而且会出现越来越大的直流失调，也会导致电路所占的版图面积增大。所以设计者一般专注于性能好的可变增益基本单元的实现。
为了实现增益在dB上线性，传统的可变增益放大器往往采用双级型工艺，利用双级型晶体管的特殊性质集电极电流和基极电压有指数关系，来实现增益随控制电压具有指数性质，也就是在dB上和控制电压呈线性关系。而在CMOS工艺中，MOS管不具有这样的指数性质，所以只能用近似的方法来逼近指数性质，也就是dB上线性的性质。
既然用于发送端的可变增益放大器最大增益不超过0dB，所以传统的方法使用源级跟随器来实现，并且使用处于线性区的MOS管作为可变电阻来实现增益的改变。一种典型的CMOS工艺实现的可变增益基本单元的电路如图2所示，由三个MOS管M1、M2和Mc_1，两个电流源Id1、Id2组成，其连接关系为输入信号Vin+、Vin-分别接到MOS管M1和MOS管M2的栅级上，而MOS管M1和M2的漏级连接到电源Vdd上；MOS管M1的源级连接到提供偏置电流的电流源Id1上，MOS管M2的源级连接到提供偏置电流的电流源Id2上，同时，MOS管M1和M2的源级分别连接到一个处于线性区的MOS管Mc_1的源级和漏级。MOS管M1和M2的漏级为输出信号端。控制电压Vc接到MOS管Mc_1的栅级上。这样通过改变MOS管的栅级电压来改变MOS管Mc_1的等效电阻，实现增益的改变。
上述这个电路存在以下不足第一、增益在dB上不是线性关系，只有在很小一段范围上才近似；第二、输入控制电压范围很小，一般只有1V；第三、增益动态范围小，有效的增益动态范围只有15dB左右；第四、无法直接级联几个类似的可变增益基本单元，因为每经过一级，其输出点的直流电压就会下降一个MOS管的阈值电压Vth。这样，级联就只能够通过隔直电容进行交流耦合，如果要实现70dB的增益变化范围，就至少需要5级这样的可变增益基本单元，就会至少有8个隔直电容，占用大量的芯片面积。
本发明提出的一种用于发送端的可变增益放大器，包括多个相同的级联的可变增益基本单元和控制电压发生器两部分，所说的各可变增益基本单元的输出端与控制电压发生器相连，其特征在于，所说的可变增益基本单元由多个可变增益的源级跟随器直接级联而成，其中最后一级的源级跟随器包括MOS管M1、M2，以及作为可变电阻的MOS管Mc_1，作为偏置的电阻R1和R2；其连接关系为前一级的输出信号输入到M1的栅级上，前一级的另一个输出信号输入到M2的栅级上，M1、M2的漏级都接到电源Vdd上；M1和M2的源级分别连接Mc_1管的源级和漏级，同时分别连接R1和R2的一端上；R1和R2的另一端连接到地；Mc_1的栅级是控制电压输入信号Vc2的输入端，M1和M2的源级端为该级信号的输出端；次末级源级跟随器的构成是在最后一级源级跟随器结构的基础上增加了一对偏置电阻R3、R4和作为可变电阻的MOS管Mc_2，其中，R3连接R1的一端，R3的另一端接地，R4连接R2的一端，R4的另一端接地，Mc_2的源、漏极分别连接R1和R2的一端，同时也是R3和R4的一端；而Mc_2的栅级和Mc_1的栅级连接在一起是控制电压输入信号Vc1的输入端；以此类推，前一级源级跟随器的构成均是在其后一级源级跟随器结构的基础上增加了一对偏置电阻和作为可变电阻的MOS管。
本发明的CMOS可变增益放大器的设计方案与传统设计方案相比具有以下几个明显的优点1)该可变增益放大器具有增益随控制电压在输入控制电压的范围上、在dB上呈近似的线性关系；2)增大了控制电压输入范围大，可以达到0～Vdd；3)增益的动态范围大，有效增益动态范围可以达到70dB；
4)输入信号的动态范围大，可以达到70dB；5)隔直电容数目少，一般只需要2个电容就可以了；6)适合工作的频率高；7)功耗低。
图2为传统的CMOS可变增益放大器的可变增益基本单元的拓扑结构示意图。
图3为本发明的CMOS可变增益放大器的框图。
图4为本发明的CMOS可变增益放大器的可变增益基本单元的拓扑结构示意图。
最后一级的源级跟随器包括MOS管M1、M2，以及作为可变电阻的MOS管Mc_1，作为偏置的电阻R1和R2。其连接关系为前一级的输出信号输入到M1的栅级上，前一级的另一个输出信号输入到M2的栅级上，M1、M2的漏级都接到电源Vdd上。M1和M2的源级分别连接Mc_1管的源级和漏级，同时分别连接R1和R2的一端上；R1和R2的另一端连接到地。Mc_1的栅级是控制电压输入信号Vc2的输入端。该级的输出信号端是M1和M2的源级端。
次末级源级跟随器的构成是在最后一级源级跟随器结构的基础上增加了一对偏置电阻R3、R4和作为可变电阻的MOS管Mc_2。其中，R3连接R1的一端，R3的另一端接地，R4连接R2的一端，R4的另一端接地，Mc_2的源、漏极分别连接R1和R2的一端，同时也是R3和R4的一端。而Mc_2的栅级和Mc_1的栅级连接在一起是控制电压输入信号Vc1的输入端。
第一级源级跟随器的构成又比次末级源级跟随器结构的基础上又增加了一对偏置电阻R5、R6和作为可变电阻的MOS管Mc_3。R5连接R3的一端，R5的另一端接地，R6连接R4的一端，R6的另一端接地，Mc_3的源、漏极分别连接R3和R4的一端，同时也是R5和R6的一端。而Mc_3的栅级、Mc_2的栅级和Mc_1的栅级连接在一起是控制电压输入信号Vc0的输入端。
可变增益基本单元电路中所有MOS管的衬底接地。
本实施例的电路的工作原理为参考附图3，每一个可变增益基本单元的控制电压都一样，是由控制电压发生器产生的一组控制电压信号Vc0、Vc1和Vc2，它们之间的关系为Vc0＝Vcon；Vc1＝Vcon+Δ；Vc2＝Vcon+2*Δ；Δ典型值为0.4V。
Vc0、Vc1和Vc2分别连接到可变增益基本单元的个控制电压的输入Vc0、Vc1和Vc2上，参考附图4所示。因为在同一个可变增益基本单元中，三个可变增益的源级跟随器比上面一级少2电阻，所以MOS管所需要的偏置电压分别比上一级小一定的电压ΔV，设计电阻阻值和管子尺寸，使得ΔV等于该源级跟随器所减小的直流电平，这样三个可变增益的源级跟随器就能够直接级联，而不需要使用隔直电容来消除对偏置电压的要求。
众所周知，附图2里面的典型的可变增益单元的增益对控制电压的曲线，不是指数形式的，但是在Mc1管刚开启对应的电压V0到V0+Vth之间的时候，这个曲线段近似于指数形式。所以要在整个控制电压的范围0～Vdd都要近似于指数形式，只能使得附图4中的用来作可变电阻MOS管当Vcon从0～Vdd逐步变大的时候，管子是逐步开启，这样在整个0～Vdd中，电路的增益才能近似指数形式，才能使得增益在dB上随控制电压呈线性变化。附图4中，当Vcon从0变化到Vdd的时候，Mc_1、Mc_2、Mc_3管子逐步开启，从而在整个控制电压的变化范围上，电路的增益近似指数形式。并且控制电压的变化范围宽。
本实施例中各元器件的参数如表1所示表1
权利要求
1.一种用于发送端的可变增益放大器，包括多个相同的级联的可变增益基本单元和控制电压发生器两部分，所说的各可变增益基本单元的输出端与控制电压发生器相连，其特征在于，所说的可变增益基本单元由多个可变增益的源级跟随器直接级联而成，其中最后一级的源级跟随器包括MOS管M1、M2，以及作为可变电阻的MOS管Mc_1，作为偏置的电阻R1和R2；其连接关系为前一级的输出信号输入到M1的栅级上，前一级的另一个输出信号输入到M2的栅级上，M1、M2的漏级都接到电源Vdd上；M1和M2的源级分别连接Mc_1管的源级和漏级，同时分别连接R1和R2的一端上；R1和R2的另一端连接到地；Mc_1的栅级是控制电压输入信号Vc2的输入端，M1和M2的源级端为该级信号的输出端；次末级源级跟随器的构成是在最后一级源级跟随器结构的基础上增加了一对偏置电阻R3、R4和作为可变电阻的MOS管Mc_2，其中，R3连接R1的一端，R3的另一端接地，R4连接R2的一端，R4的另一端接地，Mc_2的源、漏极分别连接R1和R2的一端，同时也是R3和R4的一端；而Mc_2的栅级和Mc_1的栅级连接在一起是控制电压输入信号Vc1的输入端；以此类推，前一级源级跟随器的构成均是在其后一级源级跟随器结构的基础上增加了一对偏置电阻和作为可变电阻的MOS管。
全文摘要
本发明属于模拟信号处理和通信技术领域，涉及用于发送端的可变增益放大器。包括多个相同的级联的可变增益基本单元和控制电压发生器两部分，所说的各可变增益基本单元的输出端与控制电压发生器相连，所说的可变增益基本单元由多个可变增益的源级跟随器直接级联而成，其中最后一级的源级跟随器包括MOS管M1、M2，以及作为可变电阻的MOS管Mc_1，作为偏置的电阻R1和R2；前一级源级跟随器的构成均是在其后一级源级跟随器结构的基础上增加了一对偏置电阻和作为可变电阻的MOS管。本发明可以用CMOS工艺制备，具有控制电压范围大、增益在dB上线性、大的增益动态范围、芯片面积小、低电压、低功耗的优点。
文档编号H04B1/02GK1398056SQ02125449
公开日2003年2月19日 申请日期2002年8月9日 优先权日2002年8月9日
发明者李永明, 郑吉华 申请人:清华大学