帶有溫度補償的寬帶dB線性自動增益控制放大器的製造方法

2023-08-12 22:52:31 2

帶有溫度補償的寬帶dB線性自動增益控制放大器的製造方法
【專利摘要】本發明提供了一種帶有溫度補償的寬帶dB線性自動增益控制放大器結構，所述結構包括：前饋通路，用於對高頻信號進行放大，所述前饋通路包括可變增益放大器，直流失調抑制放大器和固定增益放大器；反饋通路，用於產生增益控制信號，所述反饋同路包括峰值檢波器，積分器指數電壓發生器和溫度補償模塊。本發明通過將溫度補償模塊獨立設計於高頻信號放大器通道之外，實現了寬帶條件下的溫度補償；同時改進了放大器系統結構設計，避免了複雜的電晶體堆疊式溫度補償方式，使其可以適應於低電源電壓環境。
【專利說明】帶有溫度補償的寬帶dB線性自動增益控制放大器
【技術領域】
[0001]本發明涉及電子【技術領域】，尤其涉及一種帶有溫度補償的新型寬帶dB線性自動增益控制放大器。
【背景技術】
[0002]在通信領域中，自動增益控制放大器是必不可少的模塊，它可以提升系統的動態範圍和線性度，對於信號發射功率控制以及接收信號正確解調都有重大意義。dB線性的自動增益控制放大器可以減小傳輸信號冗餘帶寬，增加信號帶寬，還可以通過增益控制電壓指示當前接收信號大小，為各種系統所青睞。然而，dB線性的自動增益控制放大器有一個固有溫度係數，即其控制電壓需要跟隨溫度偏移才能保證穩定的放大器增益範圍。而傳統設計中的溫度補償方式，或無法應用於低電源電壓環境中，或給放大器引入了寄生阻抗，無法實現寬帶補償。
[0003]因為dB線性自動增益控制放大器的溫度補償模式主要決定於dB線性的產生方式。傳統上dB線性主要可以由工作於亞閾值區的CMOS管近似實現，或者由BJT電晶體固有指數電流電壓特性實現。對於由亞閾值區CMOS管實現的dB線性特性溫度補償模式，需要在信號通路中採用AC耦合方式，即需要在高頻信號放大器間引入隔直電容，由此來引入與溫度無關的控制電壓。此種溫度補償模式無法應用於高頻信號，因為隔直電容的電流洩露問題會直接惡化輸出高頻信號質量。對於由BJT電晶體實現的dB線性，溫度補償方式為利用PNP電晶體與MOS管多層堆疊產生與溫度無關的控制電壓，但是此種方式無法應用於低電源電壓環境下。綜上所述，傳統的溫度補償方式無法實現高頻寬帶信號完好通過或者無法工作於低電源電壓情況下，對拓展dB線性自動增益控制放大器的溫度範圍都有所限制。
[0004]因此，需要一種可應用於高低電源電壓環境且帶有溫度補償的寬頻帶自動增益控制放大器，來保證放大器寬帶特性的同時，拓展放大器的溫度及電壓適用範圍。

【發明內容】

[0005]本發明提供了一種可以解決上述問題的帶有溫度補償的寬帶dB線性自動增益控制放大器結構，其特徵在於，所述放大器結構包括:
[0006]前饋通路，用於對高頻信號進行放大，所述前饋通路包括可變增益放大器，直流失調抑制放大器和固定增益放大器；
[0007]反饋通路，用於產生增益控制信號，所述反饋同路包括峰值檢波器，積分器指數電壓發生器和溫度補償模塊。
[0008]與現有技術相比，採用本發明提供的技術方案具有如下優點:通過將溫度補償模塊獨立設計於高頻信號放大器通道之外，實現了寬帶條件下的溫度補償；同時改進了放大器系統結構設計，避免了複雜的電晶體堆疊式溫度補償方式，使其可以適應於低電源電壓環境。在溫度補償的同時，兼顧了自動增益控制放大器輸出幅度精度，實現了在寬溫度範圍內的高精度輸出幅度。【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯。
[0010]圖1為根據本發明的實施例的帶有溫度補償的dB線性自動增益控制放大器系統結構圖；
[0011]圖2為不同溫度下增益控制電壓與可變增益放大器增益之間的dB線性關係圖；
[0012]圖3為根據本發明的實施例的積分器電路示意圖；
[0013]圖4為根據本發明的實施例的溫度補償模塊結構圖；
[0014]圖5為根據本發明的實施例的溫度感應環路I ;
[0015]圖6為根據本發明的實施例的溫度感應環路2。
【具體實施方式】
[0016]下面詳細描述本發明的實施例。
[0017]所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。下文的公開提供了許多不同的實施例或例子用來實現本發明的不同結構。為了簡化本發明的公開，下文中對特定例子的部件和設置進行描述。當然，它們僅僅為示例，並且目的不在於限制本發明。此外，本發明可以在不同例子中重複參考數字和/或字母。這種重複是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實施例和/或設置之間的關係。此外，本發明提供了的各種特定的電路和參數的例子，但是本領域普通技術人員可以意識到其他工藝的可應用於性和/或其他材料的使用。
[0018]本發明提供了一種帶有溫度補償的寬帶dB線性自動增益控制放大器結構。下面，將結合圖2至圖6通過本發明的一個實施例對圖1形成帶有溫度補償的寬帶dB線性自動增益控制放大器結構進行具體描述。
[0019]如圖1所示，本發明所述放大器結構為由前饋通路和反饋通路共同組成的閉合迴路，實現增益的閉環反饋調節控制，所述閉合迴路有一個輸入端和一個輸出端，與前饋通路的輸入端和輸出端重合。前饋通路的輸出接到反饋通路的輸入端，反饋通路的輸出接到前饋通路的輸入端。
[0020]所述前饋通路從輸入端到輸出端依次包括以下結構:
[0021]可變增益放大器101，用於接受指數電壓發生器107所提供的控制電壓，並根據此控制電壓的大小調節放大器增益，前饋通路的輸入接到所述可變增益放大器的輸入端，經放大後，輸出到直流失調校正電路。
[0022]直流失調抑制放大器102，所述直流失調抑制放大器102和其它元器件構成直流失調校正電路，用於校正來自可變增益放大器101的差分輸入信號直流偏差，避免由於直流偏差引起的放大器飽和，並將結果輸出給固定增益放大器。
[0023]固定增益放大器，所述固定增益放大器包括第一固定增益放大器103和第二固定增益放大器104兩級放大器，用於拓展放大器整體帶寬，提高增益。所述固定增益放大器的輸出一方面作為閉合環路的輸出結果，一方面作為反饋通路的輸入。[0024]所述反饋通路從輸入端到輸出端依次包括以下結構:
[0025]峰值檢波器105，所述峰值檢波器105用於提取從固定增益放大器輸出的高頻信號的峰值信息Vpd。
[0026]比較器，用於比較由峰值檢波器檢測輸出的當前輸出信號的峰值信息Vpd與參考電壓的差值，並將此差值輸入給積分器106，所述參考電壓即期望輸出信號峰值。
[0027]積分器106，所述積分器106根據比較器輸出的當前輸出信號的峰值信息與參考電壓的差值和溫度補償模塊108所提供的直流偏置電壓來生成增益控制電壓Vc^1,並輸出給指數電壓發生器107。
[0028]根據本發明的實施例，所述積分器106的電路圖如圖3所示，它產生的增益控制電
壓Vetrl可用下式表不:
[0029]Vctrl=Vdc^G1(Vref-Vpd)
[0030]其中，Vdcd為積分器輸出的固有直流分量，G1為積分器的增益，Vref為參考電壓，Vpd為峰值檢波器的輸出信號。對於自動增益控制放大器來說，其穩定時期望輸出信號峰值與參考電壓值相等，即Vpd = Vref0然而由於傳統的結構中Vdcd和G1為固定值，當需要不同的增益即不同的控制電壓信號時，需要加大Vpd和Vref之間的誤差來達到預期的增益控制電壓vrtrt。這樣導致在不同增益時輸出信號峰值誤差不同，在最大和最小增益時誤差最大。特別當如圖2中溫度變化時，所需的增益控制電壓變化更為劇烈，因此在寬溫度範圍應用時，巨大的輸出誤差會導致自動增益控制放大器失效或者環路振蕩。考慮到如上因素，本發明的溫度補償模式為對積分器輸出的固有直流分量Vdcd隨溫度進行漂移，補償需要增大Vpd和Vref之間的誤差才能達到增益控制信號所需值的缺點。因此，需要通過溫度變化來調節積分器的直流分量Vdcd。
[0031]溫度補償模塊108，該模塊中複製了主環路的溫度敏感模塊，確保其溫度係數與主環路中的相同，它通過當前溫度信息以及輸入信號峰值大小預測出最優的積分器偏置電壓，反饋到主環路的積分器中，從而使得積分器產生的增益控制電壓補償溫度漂移對電路的影響。
[0032]具體的，所述溫度補償模塊108的輸入端連接主環路的輸入端，通過輸入信號峰值和環境溫度情況生成最優的積分器電流源偏置電壓供給於積分器，從而在保證放大器輸出精度的前提下，生成最優的增益控制信號Vctrl
[0033]其中，積分器輸出的固有直流分量Vdcd的值，與電流源偏置電壓值Vb。成正比:
[0034]Vdc1- Vbc
[0035]根據本發明的實施例，溫度補償模塊內部結構圖如圖4所示。其中，高頻信號峰值檢波器401用於提取輸入高頻信號的峰值信息。儀表放大器402的差分輸入端分別接參考電壓信號和輸入峰值信號。由於dB線性增益控制放大器的線性特點，可以通過參考電壓信號Vref和輸入峰值信號Vinpd之間的差值來預測當前輸入情況下最優的增益控制信號Vrtrl，pre，所述放大器402的傳輸函數為:
[0036]Vctrlpre = Vl +I(Vivf - Vmpd)`
[0037]其中 '和R。為溫度敏感參數，分別產生於第一溫度敏感環路和第一溫度敏感環路；K』為常數。'為不同溫度時，增益最小情況下的增益控制信號值，Re為不同溫度時，線性傾斜度即斜率。通過上式，可以預測產生最優的增益控制信號值。將其送入比較放大器403和積分器複製電路404組成的環路中。積分器複製電路404的差分輸入端均為參考電壓信號，此處模擬自動增益控制放大器無誤差輸出時的情況。積分器複製電路404此時的輸出僅為固有直流分量Vdei，比較放大器403和積分器複製電路404組成的環路通過調節積分器複製電路404的電流源偏置電壓Vb。，實現Vdei=Vet^e的效果。至此，溫度補償模塊108即產生了隨溫度漂移的最優積分器電流源偏置電壓供給於積分器。
[0038]具體的，所述第一溫度敏感環路電路圖如圖5所示。其目的為產生一個在不同溫度時，可變增益放大器最小增益下的增益控制電壓值，為了保證最小增益的穩定，該值\隨溫度漂移。窄帶可變增益放大器501與主閉合環路中可變增益放大器101的不同為所述窄帶可變增益放大器501加入了共模電壓控制環路，即可以通過增益和共模參考電壓確定其直流輸出電壓值。此外，窄帶可變增益放大器501與主閉合環路中可變增益放大器101的增益控制電壓與增益之間的關係完全相同。窄帶可變增益放大器501的增益定為A dB，通過其正輸出端輸出與電阻分壓生成的電壓V1進行比較，環路自動調整輸入指數電壓發生器的增益控制電壓因為指數電壓發生器503隨溫度漂移的特性，為了保證相同增益值AdB，環路會生成相應的增益控制電壓
[0039]所述第二溫度敏感環路電路圖如圖6所示，其目的是根據\和參考電壓VMf，產生一個壓控電阻的控制電壓R。，通過調節該值可產生合適的增益控制電壓VK，讓可變增益放大器工作於最大增益狀態下B dB。窄帶可變增益放大器601與主閉合環路中可變增益放大器101的不同為加入了共模電壓控制環路，即可以通過增益和共模參考電壓確定其直流輸出電壓值。此外，窄帶可變增益放大器601與主閉合環路中可變增益放大器101的增益控制電壓與增益之間的關係完全相同。其中，窄帶可變增益放大器601的增益定為B dB,通過其正輸出端輸出與電阻分壓生成的電壓\進行比較，環路自動調整儀表放大器603中壓控電阻的阻值R。，從而調節輸入指數電壓發生器的增益控制電壓VK。因為指數電壓發生器604隨溫度漂移的特性，為`了保證相同增益值B dB,環路會生成相應的增益控制電壓VR。所以，也根據溫度信息生成了合適的電阻控制信號R。供給於儀表放大器402。
[0040]所述反饋通路還包括:
[0041]指數電壓發生器107，用於為可變增益放大器101提供增益控制電壓，所述指數電壓發生器107將積分器106產生的增益控制信號轉化為指數電壓形式供於可變增益放大器101作為增益控制電壓，該電路對於溫度敏感，且其溫度係數與溫度補償模塊中的溫度係數完全相同，以保證溫度補償的高精度。
[0042]本發明所述的實施例可以用CMOS多種工藝實現，可以適用於低電壓工作環境，拓展了該發明的應用範圍。
[0043]與現有技術相比，本發明具有以下優點:通過將溫度補償模塊產生的補償電壓作為積分器的偏置電壓，通過該電壓隨溫度及輸入信號大小的變化，調整積分器的輸出，從而實現溫度補償的同時保證了自動增益控制放大器的輸出精度。由於此設計將溫度補償模塊獨立設計於高頻信號放大器通道之外，實現了寬帶條件下的溫度補償；同時改進了放大器系統結構設計，避免了複雜的電晶體堆疊式溫度補償方式，使其可以適應於低電源電壓環境。在溫度補償的同時，兼顧了自動增益控制放大器輸出幅度精度，實現了在寬溫度範圍內的高精度輸出幅度。[0044]綜上所述，本發明克服了現有溫度補償模式寄生阻抗大，限制放大器帶寬；堆疊電晶體過多，只能應用於高電源電壓環境下等缺點。為寬帶dB線性自動增益控制放大器的溫度補償提供了一種解決方案，具有溫度補償範圍大、放大器帶寬寬、適用於低電源電壓情況、輸出信號峰值精確等優點，可廣泛應用於高頻信號收發系統中。
[0045]雖然關於示例實施例及其優點已經詳細說明，應當理解在不脫離本發明的精神和所附權利要求限定的保護範圍的情況下，可以對這些實施例進行各種變化、替換和修改。對於其他例子，本領域的普通技術人員應當容易理解在保持本發明保護範圍內的同時，工藝步驟的次序可以變化。
[0046]此外，本發明的應用範圍不局限於說明書中描述的特定實施例的工藝、機構、製造、物質組成、手段、方法及步驟。從本發明的公開內容，作為本領域的普通技術人員將容易地理解，對於目前已存在或者以後即將開發出的工藝、機構、製造、物質組成、手段、方法或步驟，其中它們執行與本發明描述的對應實施例大體相同的功能或者獲得大體相同的結果，依照本發明可以對它們進行應用。因此，本發明所附權利要求旨在將這些工藝、機構、製造、物質組成、手段、方法或步驟包含在其保護範圍內。
【權利要求】
1.一種帶有溫度補償的寬帶dB線性自動增益控制放大器結構，其特徵在於，所述放大器結構包括: 前饋通路，用於對高頻信號進行放大，所述前饋通路包括可變增益放大器(101)，直流失調抑制放大器(102)和固定增益放大器； 反饋通路，用於產生增益控制信號，所述反饋同路包括峰值檢波器(105)、積分器(106)、指數電壓發生器(107)和溫度補償模塊(108)。
2.根據權利要求1所述的放大器結構，其特徵為所述前饋通路和反饋通路共同組成閉合迴路。
3.根據權利要求1或權利要求2所述的放大器結構，其特徵為所述閉合迴路從可變增益放大器(101)的輸入端輸入,從兩級固定增益放大器的輸出端輸出。
4.根據權利要求1所述的放大器結構，其中所述可變增益放大器(101)用於接受指數電壓發生器(107)所提供的控制電壓，並根據此控制電壓的大小調節放大器增益。
5.根據權利要求1所述的放大器結構，其中所述直流失調抑制放大器(102)和其它元器件構成直流失調校正電路，用於校正差分輸入信號直流偏差。
6.根據權利要求1所述的放大器結構，其中所述固定增益放大器包括第一固定增益放大器(103)和第二固定增益放大器(104)。
7.根據權利要求1所述的放大器結構，其中所述峰值檢波器(105)和積分器(106)之間有比較器，用於比較由峰值檢波器檢測輸出的當前輸出信號峰值與參考電壓的差值，並將此差值輸入給積分器(106)。
8.根據權利要求1所述的放大器結構，其中所述積分器(106)根據前輸出信號峰值與參考電壓的差值和溫度補償模塊(108)所提供的直流偏置電壓來生成增益控制電壓，並輸出給指數電壓發生器(107)。
9.根據權利要求1所述的放大器結構，其中所述指數電壓發生器(107)將積分器(106)產生的增益控制信號轉化為指數電壓形式供於可變增益放大器(101)。
10.根據權利要求1所述的放大器結構，其中所述溫度補償模塊(108)獨立於前饋通路，並輸出補償電壓作為積分器(106)的直流偏置電壓。
11.根據權利要求1所述的放大器結構，其中所述溫度補償模塊(108)複製了自動增益放大器中的溫度敏感模塊，使得溫度補償模塊(108)的溫度係數與主環路中的溫度係數相同。
12.根據權利要求1所述的放大器結構，其中所述溫度補償模塊(108)包括第一溫度敏感環路和第二溫度敏感環路。
13.根據權利要求12所述的放大器結構，其中所述第一溫度敏感環路和第二溫度敏感環路分別用於為溫度補償模塊(108)提供直流偏置和增益兩個溫度敏感參數。
【文檔編號】H03F1/30GK103872995SQ201410086709
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月11日 優先權日:2014年3月11日
【發明者】劉暢, 閻躍鵬 申請人:中國科學院微電子研究所