一種射頻放大器增益控制電路的製作方法
2023-06-05 05:19:01 2
專利名稱：一種射頻放大器增益控制電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種控制電路，特別是一種射頻放大器增益控制電路。
背景技術：
隨著無線通信技術的發展，第三代(3G)移動通信技術的已經逐漸走向成熟，第四代(4G)移動通信也有了很大的發展。然而，第二代(2G)移動通信系統GSM(Global System for Mobile Communication,全球移動通信系統)仍然有很大的用戶和市場。從而，無線通信用戶終端設備對多標準多頻段支持成為當前的趨勢。直接上變頻發射架構具有結構簡單、易於集成等優點，成為了無線通信發射機，特別是多標準多頻段發射機的主要選擇。直接上變頻發射機的發射信號是以本振頻率為中心，存在載波洩露的問題。無線通訊設備或終端對輸出功率控制，即發射機的增益控制範圍的有很高的要求，通常在70dB以上。無線通信發射機一般使用VGA控制電路實現增益控制功能，以提供可調節的發射功率。由於基帶信號的頻率低，發射機的VGA控制電路能夠比較容易地集成在基帶電路中，並且能夠實現精確的增益步進控制。但是如果在基帶電路中進行增益控制，載波能量並不會隨著發射信號功率的降低而減小，從而導致發射通道的載波洩漏問題更加嚴重，惡化發射信號的質量。在射頻電路中實現增益控制，能夠同步調節發射信號和載波洩漏大小，避免了嚴重的載波洩漏。然而，單級射頻電路的增益控制範圍小，需要多級電路串聯實現，因而功耗大、線性度差。目前，無線通信的發射機一般將兩種方法結合使用，其典型結構如圖1所示。模擬基帶信號I、Q從輸入埠 101輸入到無線通信發射機，基帶濾波器及基帶VGA控制電路模塊103對輸入的基帶信號進行濾波和增益控制，基帶VGA能精確地調整增益，實現增益的細調，其增益控制範圍由發射機能夠實現的載波洩漏和系統要求決定。本振信號從埠 102 輸入，控制IQ正交調製上變頻器104，把基帶信號調製成射頻信號。射頻VGA控制電路105， 工作於射頻頻率並驅動射頻濾波器106。射頻VGA實現增益的粗調，其增益控制範圍由射頻 VGA能夠實現的控制範圍決定。射頻濾波器106，在特定的頻帶上對射頻信號進行濾波，並把信號送到功放107進一步放大，最後通過雙工器108和天線109發射出去。現有的射頻VGA控制電路105，單級的增益控制範圍一般不超過36dB。因此，為了達到無線通信系統的增益控制範圍需求，需要串聯多級射頻VGA控制電路105，或者採用複雜的載波洩漏校準電路，導致無線通信系統的功耗變大，甚至發射信號質量下降。
發明內容
為了解決上述的技術問題，本發明的目的是提供一種無線通信發射機的射頻放大器增益控制電路，實現單級增益控制範圍大於60dB，提供一定的增益步進，並且驅動晶片外負載。從而，無需再使用多級串聯VGA，降低了發射機的複雜度和功耗，提高了線性度。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種射頻放大器增益控制電路，包括
衰減網絡，其輸入端連接有第一控制信號D1，對輸入射頻電壓信號B衰減成電壓信號
Bl ；
可變跨導，其輸入端連接有第二控制信號D2，對輸入的電壓信號Bl轉換成電流信號
C；
分流控制，其輸入端連接有第三控制信號D3，對輸入的電流信號C進行分流輸出電流信號Cl ；
負載單元，分流輸出電流信號Cl進入負載單元，電流信號Cl轉換成電壓信號B2作為輸出信號。進一步作為優選的實施方式，所述衰減網絡由一個電容單元組成或至少兩個電容單元級聯而成，所述電容單元包括第一電容器、第二電容器和可變增益放大器組成，第一電容器一端接地，第一電容器的另一端與第二電容器的一端、可變增益放大器的一輸入端連接，第二電容器的另一端作為電容單元的輸入端，可變增益放大器的另一輸入端連接有控制信號、輸出端作為衰減網絡的輸出端。進一步作為優選的實施方式，所述第一電容器和第二電容器的電容值均為2C。進一步作為優選的實施方式，所述可變增益放大器包括NMOS跨導管和摺疊NMOS 控制管，所述NMOS跨導管的源極接地、柵極接輸入信號、漏極與摺疊NMOS控制管的源極連接，摺疊NMOS控制管的柵極接控制信號、漏極接輸出信號。本發明的有益效果是本發明的單級射頻可變增益放大器，能夠提供大於60dB的增益控制範圍和6dB的增益步進，並提供足夠的驅動能力驅動晶片外負載。本發明滿足了無線通信發射機對射頻增益控制的要求，能夠替代目前多級射頻可變放大器和驅動放大器，可以簡化無線通信發射機的架構，降低了功耗，有利於提高線性和節約成本。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。附圖1是典型的無線通信系統發射機的結構框圖； 附圖2是本發明的射頻增益控制方法原理附圖3是本發明的射頻可變增益放大器控制電路圖； 附圖4是射頻可變增益放大器的跨導單元電路圖； 附圖5是可變跨導增益控制電路圖； 附圖6是分流控制實現電路圖。
具體實施例方式參照圖2，一種射頻放大器增益控制電路，包括
衰減網絡201，其輸入端連接有第一控制信號Dl，對輸入射頻電壓信號B衰減成電壓信號Bl ；
可變跨導202，其輸入端連接有第二控制信號D2，對輸入的電壓信號Bl轉換成電流信號C;
分流控制203，其輸入端連接有第三控制信號D3，對輸入的電流信號C進行分流輸出電流信號Cl ；
負載單元204，分流輸出電流信號Cl進入負載單元204，電流信號Cl轉換成電壓信號 B2作為輸出信號。 進一步參照圖3，作為優選的實施方式，所述衰減網絡201由一個電容單元組成或至少兩個電容單元級聯而成，所述電容單元包括第一電容器308、第二電容器307和可變增益放大器GmO組成，第一電容器308 —端接地，第一電容器308的另一端與第二電容器307 的一端、可變增益放大器GmO的一輸入端連接，第二電容器307的另一端作為電容單元的輸入端，可變增益放大器GmO的另一輸入端連接有控制信號ki、輸出端作為衰減網絡201的輸出端。進一步作為優選的實施方式，所述第一電容器307和第二電容器308的電容值均為2C。進一步參照圖4，作為優選的實施方式，所述可變增益放大器GmO包括NMOS跨導管 Mn和摺疊NMOS控制管Mc，所述NMOS跨導管Mn的源極接地、柵極接輸入信號Vi、漏極與摺疊NMOS控制管Mc的源極連接，摺疊NMOS控制管Mc的柵極接控制信號Ki、漏極接輸出信號 ci ο為了獲得更大的射頻增益控制範圍，本發明是通過以下技術方案實現的。一種射頻增益控制方法，如圖2所示的原理框圖，至少包括衰減網絡201，由一組多個電容組成的信號衰減網絡，由第一控制信號Dl控制，對輸入射頻電壓信號B衰減成Bl ；可變跨導202， 將輸入的電壓信號Bl轉換成電流信號C，受第二控制信號D2控制；分流控制203，對電流信號C進行分流，受第三控制信號控制；分流輸出的電流信號Cl進入負載單元204，電流信號 Cl轉換成電壓信號B2作為輸出信號。本發明衰減網絡部分可以實現大於24dB的增益控制，可變跨導可以實現18dB至30dB的增益控制，分流控制可以實現6dB至12dB的增益控制。因此，整個射頻VGA電路可以提供大於60dB的增益控制範圍，和6dB左右的增益步進。 從而，發射機不需要再串聯多級射頻VGA控制電路，可以極大地簡化發射機的架構，減小功耗，並提高線性度。下面具體描述射頻增益控制的原理、方法和過程。1.圖3是電容衰減網絡控制增益的示意圖，本具體實施例應用單端拓撲電路。電容衰減網絡由一組電容值大小為C的電容302、303、306和大小為2C的電容301、303、305、 307,308串並聯組成的衰減網絡。從IQ正交調製上變頻器104輸出的射頻信號輸入到射頻 VGA後的電壓為V4，經電容衰減網絡201後得到一組不同大小的電壓，分別為V3、V2、VI、 W。由電容串聯、並聯分壓原理，可得 V1=2*V0，V2=2*V1，V3=2*V2，V4=2*V3，V4=vin 從而有V3=vin/2，V2=vin/4, Vl=vin/8, V0=vin/16。通過控制信號Dl選擇跨導模塊309 313中一個跨導開啟，將電阻衰減網絡中的其中一個電壓轉成電流信號，再經負載單元輸出電壓信號。其中負載單元由電感和可變電容組成，調節可變電容可以實現對寬帶射頻信號進行選擇和濾波，另外沒有在負載單元設計增益控制。加上匹配網絡，設計的射頻可變增益放大器可以驅動50歐姆的晶片外負載，而無需另外設計驅動放大器電路，簡化了無線通信發射機的架構，降低了功耗和成本。跨導單元如圖4所示，由NMOS跨導管Mn和摺疊NMOS控制管Mc組成。射頻交流電壓信號vi輸入到Mn的柵極，當控制信號Ki為高電平時輸出射頻交流電流信號ci。假設Mn管的跨導為gm，則ci=gm*vi。其中可變跨導309和帶有分流控制單元313都能夠調節到與跨導Gml相同大小的跨導值，從而通過加在Ki、KU K2、K3、Kj上的控制信號D1，選擇經過電容衰減網絡的電壓v4、v3、v2、vl、v0作為跨導輸入電壓信號，從而能夠得到相對最小輸出功率為24dB、18dB、12dB、6dB、0dB的增益變化範圍。也就是，由衰減網絡201能夠獲得 24dB增益控制範圍，6dB步進的增益控制。衰減網絡能夠獲得更大的增益控制範圍，本發明並不局限於24dB的增益控制範圍，也不局限於6dB的增益步進控制。 2.可變增益跨導309的電路如圖5所示，由一組NMOS跨導管MnO Mn5和一組摺疊NMOS控制管McO Mc5組成。其中MnO Mn5 NMOS電晶體的尺寸分別為MnO的1、1、 2、4、8、16倍，NMOS電晶體McO Mc5的尺寸也對應分別為McO電晶體尺寸的1、1、2、4、8、 16倍。另外，電晶體Mn0、Mc0的尺寸分別與圖4中電晶體MruMc的尺寸相同。通過控制信號KjO Kj5，可以實現30dB的增益控制範圍以及6dB的增益步進。具體控制過程如下
1)如果幻5幻4幻3幻2幻1幻0= 111111，此時可變跨導309開啟的跨導管尺寸為MnO 的32 (=16+8+4+2+1+1)倍，輸出電壓vout為最大可產生電壓；
2)如果Kj5Kj4Kj3Kj2KjlKjO = 011111，或者 Kj5Kj4Kj3Kj2KjlKjO = 100000，此時可變跨導309開啟的跨導管尺寸為MnO的16 (=8+4+2+1+1或=16)倍，vout為最大可產生的輸出電壓的1/2 ；
3)如果Kj5Kj4Kj3Kj2KjlKjO = 001111，或者 Kj5Kj4Kj3Kj2KjlKjO = 010000，此時可
變跨導309開啟的跨導管尺寸為MnO的8 (=4+2+1+1或=8)倍，vout為最大可產生的輸出電壓的1/4 ；
4)如果Kj5Kj4Kj3Kj2KjlKjO = 000111，或者 Kj5Kj4Kj3Kj2KjlKjO = 001000，此時可
變跨導309開啟的跨導管尺寸為MnO的4 (=2+1+1或=4)倍，vout為最大可產生的輸出電壓的1/8 ；
5)如果Kj5Kj4Kj3Kj2KjlKjO = 000011，或者 Kj5Kj4Kj3Kj2KjlKjO = 000100，此時可變跨導309開啟的跨導管尺寸為MnO的2 ( = 1+1或=2)倍，vout為最大可產生的輸出電壓的 1/16 ；
6)如果Kj5Kj4Kj3Kj2KjlKjO = 000001，或者 Kj5Kj4Kj3Kj2KjlKjO = 000010，此時可
變跨導309開啟的跨導管尺寸為MnO的1倍，vout為最大可產生的輸出電壓的1/32 ；
由於電流信號每翻一翻，增益則增加6dB，因此本具體實施例的增益控制單元實現了增益步進6dB，增益控制控制範圍30dB。當然電晶體Mnl Mn5和Mcl Mc5的尺寸不不局限於按2的指數級依次增加，控制開關的順序也不局限於上述方式，也就是增益步進不局限於6dB。同樣地，電晶體陣列的數量及尺寸會影響增益控制範圍，改增益控制範圍不局限於30dB。3.帶有分流控制的跨導單元313的電路如圖6所示。其中，NMOS跨導管Ml的尺寸與圖4中電晶體Mn的尺寸相同，NMOS摺疊管M2、M4、M6的尺寸分別為圖4中電晶體Mc 的尺寸1/4、1/4、1/2，NMOS電晶體M3、M5、M7的尺寸分別與M2、M4、M6的尺寸相同。KiOb Ki2b和KiO Ki2是一組互補的數字控制信號，分別控制分流後的電流信號到電源端和負載單元輸出端。依據跨導單元313中NMOS管的最大尺寸，通過數字控制信號KiO Ki2，可以實現6dB 12dB的增益控制。本具體實施應用單端拓撲結構電路，下面根據圖6為例， 對具體的增益控制過程進行介紹1)如果Ki2KilKi0=001 (或 010)，則對應互補控制信號 Ki2bKilbKi0b=110 (或101)。 此時，連接到輸出端電晶體大小為M2的尺寸，由Ml產生的跨導電流只有1/4輸出到負載單元，輸出端產生最小的電壓信號；
2)如果Ki2KilKi0=100(或 011)，則對應互補控制信號 Ki2bKilbKi0b=011 (或100)。 此時，連接到輸出端電晶體大小為M2的尺寸的2倍，由Ml產生的跨導電流有1/2輸出到負載單元，輸出端產生最小的電壓信號的2倍；
2)如果Ki2KilKiO=lll，則對應互補控制信號Ki2bKilbKi0b=000。此時，連接到輸出端電晶體大小為M2的尺寸的4倍，由Ml產生的跨導電流全部輸出到負載單元，輸出端產生最小的電壓信號的4倍；
由於電流每增加1倍，增益則增加6dB，因此本具體實施例的增益控制單元實現了增益步進6dB，增益控制範圍12dB。同樣地，本發明不局限於6dB的增益步進和12dB的增益控制範圍。本發明的射頻增益控制方法，通過衰減網絡可提供大於24dB的增益控制範圍，力口上可變跨導實現的ISdB 30dB的增益控制範圍，再加上分流控制提供的6dB 12dB的增益控制範圍，由單級射頻可變增益放大器控制電路可以實現大於60dB的增益控制範圍，並同時提供約6dB的增益步進。以上是對本發明的較佳實施進行了具體說明，但本發明創造並不限於所述實施例，熟悉本領域的技術人員在不違背本發明精神的前提下還可作出種種的等同變形或替換，這些等同的變型或替換均包含在本申請權利要求所限定的範圍內。
權利要求
1.一種射頻放大器增益控制電路，其特徵在於包括衰減網絡(201)，其輸入端連接有第一控制信號D1，對輸入射頻電壓信號B衰減成電壓信號Bl ；可變跨導(202)，其輸入端連接有第二控制信號D2，對輸入的電壓信號Bl轉換成電流信號C;分流控制(203)，其輸入端連接有第三控制信號D3，對輸入的電流信號C進行分流輸出電流信號Cl ；負載單元(204)，分流輸出電流信號Cl進入負載單元(204)，電流信號Cl轉換成電壓信號B2作為輸出信號。
2.根據權利要求1所述的一種射頻放大器增益控制電路，其特徵在於所述衰減網絡 (201)由一個電容單元組成或至少兩個電容單元級聯而成，所述電容單元包括第一電容器 (308)、第二電容器(307)和可變增益放大器(GmO)組成，第一電容器(308) —端接地，第一電容器(308)的另一端與第二電容器(307)的一端、可變增益放大器(GmO)的一輸入端連接，第二電容器(307)的另一端作為電容單元的輸入端，可變增益放大器(GmO)的另一輸入端連接有控制信號(ki)、輸出端作為衰減網絡(201)的輸出端。
3.根據權利要求2所述的一種射頻放大器增益控制電路，其特徵在於所述第一電容器(307)和第二電容器(308)的電容值均為2C。
4.根據權利要求2所述的一種射頻放大器增益控制電路，其特徵在於所述可變增益放大器(GmO)包括NMOS跨導管(Mn)和摺疊NMOS控制管(Mc)，所述NMOS跨導管(Mn)的源極接地、柵極接輸入信號(Vi )、漏極與摺疊NMOS控制管(Mc)的源極連接，摺疊NMOS控制管 (Mc)的柵極接控制信號(Ki)、漏極接輸出信號(ci)。
全文摘要
本發明公開了一種射頻放大器增益控制電路，包括衰減網絡，其輸入端連接有第一控制信號D1，對輸入射頻電壓信號B衰減成電壓信號B1；可變跨導，其輸入端連接有第二控制信號D2，對輸入的電壓信號B1轉換成電流信號C；分流控制，其輸入端連接有第三控制信號D3，對輸入的電流信號C進行分流輸出電流信號C1；負載單元，分流輸出電流信號C1進入負載單元，電流信號C1轉換成電壓信號B2作為輸出信號。本發明滿足了無線通信發射機對射頻增益控制的要求，能夠替代目前多級射頻可變放大器和驅動放大器，可以簡化無線通信發射機的架構，降低了功耗，有利於提高線性和節約成本。本發明作為一種射頻放大器增益控制電路廣泛應用於無線通信中。
文檔編號H03G3/20GK102158191SQ201110075368
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月28日 優先權日2011年3月28日
發明者王日炎 申請人:廣州潤芯信息技術有限公司