[发明专利]一种数字可变增益放大器

说明书

技术领域

本发明涉及一种数字可变增益放大器。

背景技术

可变增益放大器作为射频接收机的关键模块，其设计技术的研究一直是射频与模拟 集成电路的研究热点。可变增益放大器需要在增益控制范围、增益控制精度、带宽、线 性度、面积、功耗等性能之间进行折衷。为了在不同信号功率下，自动增益控制环路 (AGC)具有相同的瞬态响应和准确定义的建立时间，可变增益放大器都必须满足增益 相对控制信号的变化呈dB线性变化。可变增益放大器主要分为模拟可变增益放大器 (VGA)和数字可变增益放大器(PGA)。而数字可变增益放大器的数字控制方式易于 实现，增益控制精度高，结构较为简单，所以逐渐成为主流。

数字控制增益放大器主要分成两大类，即闭环结构和开环结构：闭环结构主要是通 过数字开关控制反馈网络，改变反馈因子实现增益数字控制；开环结构主要有源退化结 构、二极管负载结构、共源共栅差分对等几种形式。

一般闭环结构通过运算放大器与反馈网络组成，运算放大器可以是电压型运算放大 器也可以是电流型运算放大器，反馈网络可以是电阻反馈网络也可以是开关电容反馈网 络。通过数字开关改变反馈网络的电阻阵列或者电容阵列，从而实现增益线性dB变化。 闭环结构的增益由电阻或电容的比例决定，而工艺上比例电阻、电容的精度较高，所以 闭环结构具有增益控制精度高、线性度高等优点。但是采用闭环结构的数字可变增益放 大器也带来很多问题：采用电压运算放大器首先面积较大；基于电压型运算放大器，改 变反馈网络后，反馈因子的变化会导致带宽的变化，即增益越大，带宽越小；采用电流 型运算放大器，虽然能保证带宽基本不随增益变化，但是消耗的功耗过大；此外，采用 电阻反馈网络，芯片面试很大，同时噪声性能也会恶化；采用开关电容反馈网络，结构 复杂，芯片面积大，且需要通过离散时间分析，造成一定的难度。

开环结构采用的源退化结构，即差分输入级加上源退化电阻，跨导近似与源退化电 阻成线性关系，输出负载级也是电阻组成；为了保证输出共模电压的稳定，一般通过数 字开关改变源退化电阻网络，实现增益数字可变。这种方式虽然结构简单，面积较小， 但线性度不高，且改变源退化电阻网络时，线性度与噪声都会受到影响。

为了增大源退化开环结构的线性度，最有效的方法就是通过一个局部反馈，提高等 效的输入跨导，这时线性度虽然提高了，但是带来的问题是芯片面积变大、功耗增大。 二极管负载结构由差分输入级与二极管负载级组成，增益为差分输入跨导与输出二极管 负载的乘积。为了保证增益不受工艺角的影响(即不受电子迁移率与空穴迁移率变化的 影响)，负载二极管MOS管的类型需要与差分输入级MOS管的类型相等，这时需要电 流镜来实现。通过数字开关控制电流源或者电流镜的比例放大因子等方式，改变差分输 入级的跨导或负载二极管的跨导，从而实现增益的dB线性变化。这种方式结构简单， 面积较小，增益控制精度较高，但是控制增益的改变会引起直流静态工作点的变化，并 带来功耗过大的问题。共源共栅放大结构，由差分输入级，共栅放大级，与负载电阻组 成，通过改变共栅放大极的共栅开关网络，从而改变输入级的小信号变化电流传递到输 出负载级的比例，从而实现增益线性变化。此结构电路带宽较大，结构较为简单，噪声 较小，芯片面积较小，且改变共栅放大级的共栅开关网络，对整个电路的直流工作点未 造成任何影响。但是由于此电路结构增益是差分输入跨导与输出电阻的乘积，而差分输 入跨导容易受工艺等因素而变化，同时电阻阻值也容易受工艺变化而变化，所以增益控 制精度不高，线性度也较低。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种具有直流工作点稳定、 芯片面积少、增益控制精度高、宽带高且相对恒定、电路结构简单的数字可变增益放大 器。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种数字可变增益放大器(programmable gain amplifier)，利用MOS晶体管差分 输入端开关控制网络与MOS晶体管二极管正/负反馈开关控制网络，改变等效输入跨导 与电流镜的比例放大因子，从而实现数字可变增益放大功能，该数字可变增益放大器包 括差分输入级跨导控制网络，MOS晶体管二级管正/负反馈控制网络，输出负载级三部分：