[发明专利]可变增益放大器

说明书

本发明涉及集成电路设计领域，尤其涉及一种可变增益放大器。本发明的可变增益放大器包括：电阻衰减网络、第一跨导级、第二跨导级和控制电路，其中，电阻衰减网络用于设置离散的增益点；第一跨导级和所述第二跨导级用于接收衰减网络出来的信号并进行叠加；控制电路控制电阻衰减网络的输出和跨导级的输出；电阻衰减网络每一级的输出端分别通过开关间隔地与所述第一跨导级或所述第二跨导级的输入端连接，控制电路的输出端分别与所述电阻衰减网络、所述第一跨导级和所述第二跨导级电连接。本发明实现了宽增益范围内的高线性度。

技术领域

本发明涉及集成电路设计领域，尤其涉及一种可变增益放大器。

背景技术

可变增益放大器(VGA，Variable Gain Amplifier)应用在各种遥感设备，无线通信设备，雷达设备，便携式超声波，助听器等医疗设备以及工业扫描等工业成像设备中。随着设备性能的逐步提升，对可变增益放大器的性能要求也随着升高，可变增益放大器的研究正朝着高带宽、高线性度、高动态范围、低噪声、低电源电压、低功耗等方向发展。一个通道中的信号经过调制由于非线性往往会产生不需要的谐波，这些谐波会干扰其它通道的信号，导致通道的信噪比降低。这就对射频前端的线性度设计，如IP3和IP2提出了很高的要求。因此，在射频前端通常设计有高线性度的VGA，根据输入信号的功率大小来调整放大增益，将信号放大到后继电路可以接受的范围。这种VGA对线性度的要求很高，随着增益的减小，线性度需要线性地增大，因此设计具有很大的挑战性。

已经有多种结构的VGA得以应用，现简要介绍如下。

(1)电流舵结构VGA(Current-steered VGA)

这种结构的VGA如图1所示。该结构有6级，6个堆栈跨导级(Gm)并联在一起作为输出电阻。首先，输入管把输入电压信号转换为电流。然后通过控制电压将电流导向不同的跨导级，改变输出电阻以控制增益的大小。每个跨导级都是差分偏置，当增益最小时达到最大的线性度，增益最大时达到最小的噪声系数(NF)。这种结构的缺点是：(1)实现每个增益点需要有多个增益级打开，这样具有最小偏置电流的那一级贡献了最大的非线性，这会使IIP3/IIP2的曲线难以实现线性，而是会起伏不平。(2)对于那些跨导小的增益级需要贡献更高的线性度，因而源极的退化电阻必须多个并联以避免直流电压下降太大。但这会增大源极到地的寄生，尾电流源不再是接到虚拟地上，导致线性度降低，尤其是高频的IIP2。

(2)电阻可变VGA

图2所示的VGA包括一个可变电阻和驱动可变电阻的buffer。可变电阻是用一组MOSFET实现的，当可变电阻的从开路变化到某个电阻值，VGA的增益相应从0dB变化到某个负值。这种结构的缺点是：(1)IIP2易受到输入信号不平衡的影响(2)因为MOSFET从关闭到开启的区域IIP3最小，所以IIP3与增益的曲线上总会有出现一个极小值点。(3)该结构实际上是一个衰减器，并没有正的增益。

(3)吉尔伯特VGA(Gilbert’s VGA)

图3是由B.Gilbert提出的著名的VGA结构，称为吉尔伯特VGA。这种结构主要由三部分组成：电阻衰减网络，可以在很宽范围内设置衰减系数的跨导级和一个固定增益放大器接收衰减后的信号并产生最终的输出。其中衰减网络是由多级R-2R梯形网络构成，梯形网络逐级对输入信号进行衰减，因而在梯形网络的每个节点都产生一个递减的衰减信号。可变跨导级连接到每个梯形网络节点上，再相加输出到固定增益放大器。控制电路通过控制不同跨导级的偏置电流来调节跨导级的跨导，从而得到不同的增益。但是当跨导的偏置电流较小时，线性度会快速恶化。所以，这种结构的缺点是线性度非常有限。且该结构需要多个跨导级，在面积和功耗上没有优势。

发明内容