具有大增益範圍、高精度的雙控制電壓dB線性VGA電路的製作方法

2023-08-08 00:53:56

本發明涉及增益控制級電路，具體涉及基於增益衰減結構的具有大增益範圍、高精度的雙控制電壓db線性vga電路。

背景技術：

模擬電路需要對信號進行放大或衰減，這一功能由可變增益放大器實現。可變增益放大器作為模擬射頻前端不可或缺的一個模塊，廣泛應用在磁碟讀取驅動電路、磁數據存儲系統、電磁計量器、電視調諧器等許多方面。在光纖通信、微波通信、衛星通信等通信系統以及雷達、廣播電視系統中，為實現自動增益控制環路的建立時間與輸入信號的幅度無關，環路中的可變增益放大器必須具有db線性增益控制特性。隨著無線通訊市場的蓬勃發展，具有db線性增益控制特性的可變增益放大器作為系統中的關鍵模塊，正受到越來越多的關注。

在cmos工藝中，由於電流與電壓的平方律關係，不能直接得到指數關係的控制電路。因此，在可變增益放大器(vga)的設計中需要構造專門的指數控制電路，以滿足增益的db線性變化要求。採用增益衰減結構的可變增益放大器以其增益變化時恆定的帶寬、與其他結構比較相對低的增益誤差和優越的噪聲特性被廣泛應用。

現有可變增益放大器由增益控制級來控制增益變化，增益控制級的逐級增益差值越大，其增益範圍越大，但會導致增益誤差特性變差；當增益控制級的逐級增益差值較小時，增益誤差特性變好，但會導致增益範圍的減小，因此，存在增益範圍和增益誤差之間相互制約的問題，需要進行折中考慮。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決現有增益衰減結構可變增益放大器的增益範圍和增益誤差之間相互制約的問題，從而提供具有大增益範圍、高精度的雙控制電壓db線性vga電路。

本發明所述的具有大增益範圍、高精度的雙控制電壓db線性vga電路，包括預放大器、大範圍增益控制級、高精度增益控制級和固定增益放大器；

預放大器的輸出端與大範圍增益控制級的信號輸入端連接，大範圍增益控制級的輸出端與高精度增益控制級的信號輸入端連接，高精度增益控制級的輸出端與固定增益放大器的輸入端連接，第一控制電壓vctrl1由大範圍增益控制級的控制電壓輸入端輸入，第二控制電壓vctrl2由高精度增益控制級的控制電壓輸入端輸入。

優選的是，所述大範圍增益控制級的增益衰減步長範圍為10db-20db，高精度增益控制級的增益衰減步長範圍為1db-5db。

優選的是，所述大範圍增益控制級包括第一重疊高斯電流產生電路、n個第一gm級、第一衰減網絡、第一i-v轉換器、電阻rf1和電阻rf2；

第一控制電壓vctrl1由第一重疊高斯電流產生電路的輸入端輸入，第一重疊高斯電流產生電路的n個輸出端分別與n個第一gm級的尾電流端連接，第一衰減網絡的n個輸出端分別與n個第一gm級的同相輸入端連接，n個第一gm級的反相輸入端連接並與電阻rf1的一端和電阻rf2的一端連接，電阻rf2的另一端接地，電阻rf1的另一端與第一i-v轉換器的輸出端連接，並作為大範圍增益控制級的輸出端，n個第一gm級的同相輸出端連接並與第一i-v轉換器的同相輸入端連接，n個第一gm級的反相輸出端連接並與第一i-v轉換器的反相輸入端連接。

優選的是，所述第一衰減網絡由r-2r梯形電阻陣列實現，大範圍增益控制級的增益衰減步長為12db。

優選的是，高精度增益控制級包括第二重疊高斯電流產生電路、m個第二gm級、第二衰減網絡、第二i-v轉換器、電阻rf3和電阻rf4；

第二控制電壓vctrl2由第二重疊高斯電流產生電路的輸入端輸入，第二重疊高斯電流產生電路的m個輸出端分別與m個第二gm級的尾電流端連接，第二衰減網絡的m個輸出端分別與m個第二gm級的同相輸入端連接，m個第二gm級的反相輸入端連接並與電阻rf3的一端和電阻rf4的一端連接，電阻rf4的另一端接地，電阻rf3的另一端與第二i-v轉換器的輸出端連接，並作為高精度增益控制級的輸出端，m個第二gm級的同相輸出端連接並與第二i-v轉換器的同相輸入端連接，m個第二gm級的反相輸出端連接並與第二i-v轉換器的反相輸入端連接。

優選的是，第二衰減網絡由r-4r-20r的電阻網絡實現，高精度增益控制級的增益衰減步長為2db；

r-4r-20r的電阻網絡包括m-1個阻值為r的電阻、1個阻值為4r的電阻和m-2個阻值為20r的電阻；

m-1個阻值為r的電阻串聯，形成m個端點，第1端點同時作為高精度增益控制級的信號輸入端和第二衰減網絡的1個輸出端，第2至第m-1端點分別與m-2個阻值為20r的電阻的一端連接，並作為第二衰減網絡的m-2個輸出端，第m端點與阻值為4r的電阻的一端連接，並作為第二衰減網絡的1個輸出端，m-2個阻值為20r的電阻的另一端和阻值為4r的電阻的另一端均接地。

本發明將原結構中的增益控制替換為大範圍增益控制級和高精度增益控制級，分別由控制電壓vctrl1和vctrl2控制，通過大範圍增益控制級提高增益範圍，通過高精度增益控制級改善增益誤差，從而達到可變增益放大器在高增益範圍下具有小增益誤差的目的。

本發明通過大範圍增益控制級和高精度增益控制級實現的增益控制級，分別提高增益範圍、減小增益誤差，解決了現有增益衰減結構可變增益放大器增益範圍和增益誤差之間相互制約的問題。現有的db線性可變增益放大器，當增益範圍大於50db時，增益誤差在±0.5db以上，本發明的增益範圍可達到100db以上，增益誤差值在±0.15db以內。

附圖說明

圖1是具體實施方式一所述的具有大增益範圍、高精度的雙控制電壓db線性vga電路圖；

圖2是具體實施方式二中的第一衰減網絡的電路圖；

圖3是具體實施方式三中的第二衰減網絡的電路圖；

圖4是具體實施方式三中的增益範圍圖；

圖5是具體實施方式三中的增益誤差曲線圖。

具體實施方式

具體實施方式一：結合圖1具體說明本實施方式，本實施方式所述的具有大增益範圍、高精度的雙控制電壓db線性vga電路，包括預放大器1、大範圍增益控制級2、高精度增益控制級3和固定增益放大器4；

預放大器1有兩個輸入端分別為vin1和vin2，預放大器1的輸出端與大範圍增益控制級2的信號輸入端連接，大範圍增益控制級2的輸出端與高精度增益控制級3的信號輸入端連接，高精度增益控制級3的輸出端與固定增益放大器3的輸入端連接，第一控制電壓vctrl1由大範圍增益控制級2的控制電壓輸入端輸入，第二控制電壓vctrl2由高精度增益控制級3的控制電壓輸入端輸入。

本實施方式中，大範圍增益控制級2的增益衰減步長範圍為10db-20db，高精度增益控制級3的增益衰減步長範圍為1db-5db。

本實施方式中，大範圍增益控制級2包括第一重疊高斯電流產生電路2-1、n個第一gm級2-2、第一衰減網絡2-3、第一i-v轉換器2-4、電阻rf1和電阻rf2；

第一控制電壓vctrl1由第一重疊高斯電流產生電路2-1的輸入端輸入，第一重疊高斯電流產生電路2-1的n個輸出端i1～in分別與n個第一gm級2-2的尾電流端i1～in連接，第一重疊高斯電流產生電路2-1產生的n路電流分別作為n個第一gm級2-2的尾電流，第一控制電壓vctrl1控制第一重疊高斯電流產生電路2-1產生的n路電流值，進而控制第一gm級的開啟、關斷，第一衰減網絡2-3對輸入信號進行逐級衰減的n個輸出端分別與n個第一gm級2-2的同相輸入端連接，n個第一gm級2-2的反相輸入端連接並與電阻rf1的一端和電阻rf2的一端連接，電阻rf2的另一端接地，電阻rf1的另一端與第一i-v轉換器2-4的輸出端連接，並作為大範圍增益控制級2的輸出端，n個第一gm級2-2的同相輸出端連接並與第一i-v轉換器2-4的同相輸入端連接，n個第一gm級2-2的反相輸出端連接並與第一i-v轉換器2-4的反相輸入端連接。

本實施方式中，，高精度增益控制級3包括第二重疊高斯電流產生電路3-1、m個第二gm級3-2、第二衰減網絡3-3、第二i-v轉換器3-4、電阻rf3和電阻rf4；

第二控制電壓vctrl2由第二重疊高斯電流產生電路3-1的輸入端輸入，第二重疊高斯電流產生電路3-1的m個輸出端i1～im分別與m個第二gm級3-2的尾電流端i1～im連接，第二重疊高斯電流產生電路3-1產生的m路電流分別作為m個第二gm級3-2的尾電流，第二控制電壓vctrl2控制第二重疊高斯電流產生電路3-1產生的m路電流值，進而控制gm級的開啟、關斷。第二衰減網絡3-3對輸入信號進行逐級衰減的m個輸出端分別與m個第二gm級3-2的同相輸入端連接，m個第二gm級3-2的反相輸入端連接並與電阻rf3的一端和電阻rf4的一端連接，電阻rf4的另一端接地，電阻rf3的另一端與第二i-v轉換器3-4的輸出端連接，並作為高精度增益控制級3的輸出端，m個第二gm級3-2的同相輸出端連接並與第二i-v轉換器3-4的同相輸入端連接，m個第二gm級3-2的反相輸出端連接並與第二i-v轉換器3-4的反相輸入端連接。

控制電壓vctrl1、vctrl2分別控制大範圍增益控制級2和高精度增益控制級3。在應用基於增益衰減結構的雙精度雙控制電壓db線性vga電路時，首先調整控制電壓vctrl1，確定可變增益放大器的大致增益值，然後調整控制電壓vctrl2，減小可變增益放大器的增益誤差。

具體實施方式二：結合圖2具體說明本實施方式，本實施方式是對具體實施方式一所述的作進一步說明，本實施方式中，所述第一衰減網絡2-3由r-2r梯形電阻陣列實現，大範圍增益控制級2的增益衰減步長為12db。

r-2r梯形電阻陣列包括2n個阻值為r的電阻和2n-1個阻值為2r的電阻，2n個阻值為r的電阻的串聯，形成2n+1個端點，第1端點同時作為大範圍增益控制級2的信號輸入端和第一衰減網絡2-3的1個輸出端，第3、5、......、2n-1端點作為第一衰減網絡2-3的n-1個輸出端，2n+1個端點接地，第2至第2n-1端點分別與2n-1個阻值為2r的電阻的一端連接，2n-1個阻值為2r的電阻的另一端接地。

具體實施方式三：結合圖3至5具體說明本實施方式，本實施方式是對具體實施方式一所述的作進一步說明，本實施方式中，優選的是，第二衰減網絡3-3由r-4r-20r的電阻網絡實現，通過選擇輸出結點，使高精度增益控制級3的增益衰減步長為2db；

r-4r-20r的電阻網絡包括m-1個阻值為r的電阻、1個阻值為4r的電阻和m-2個阻值為20r的電阻；

m-1個阻值為r的電阻串聯，形成m個端點，第1端點同時作為高精度增益控制級3的信號輸入端和第二衰減網絡3-3的1個輸出端，第2至第m-1端點分別與m-2個阻值為20r的電阻的一端連接，並作為第二衰減網絡3-3的m-2個輸出端，第m端點與阻值為4r的電阻的一端連接，並作為第二衰減網絡3-3的1個輸出端，m-2個阻值為20r的電阻的另一端和阻值為4r的電阻的另一端均接地。

本實施方式中m為9。

增益衰減結構可變增益放大器由增益控制級來控制增益變化，增益控制級的逐級增益差值越大，其增益範圍越大，但會導致增益誤差特性變差；當增益控制級的逐級增益差值較小時，增益誤差特性好，但會導致增益範圍的減小，因此，存在增益範圍和增益誤差之間相互制約的問題，對於一般的db線性可變增益放大器，當增益範圍大於50db時，增益誤差在±0.5db以上。

考慮上述問題，本發明的增益控制由大範圍增益控制級和高精度增益控制級組成，分別由控制電壓vctrl1和vctrl2控制。

當控制電壓變化時，重疊高斯電流產生電路的電流值發生變化，使得某個gm級或者相鄰的兩個gm級導通，其餘gm級關斷，由於gm級的輸入信號為衰減網絡的輸出，所以控制電壓的連續變化可以控制增益的連續變化，且衰減步長越大，增益範圍越大。

大範圍增益控制級的目的為了提高增益範圍，所以要儘量提高衰減網絡的步長，r-2r電阻衰減網絡，衰減增益步長為6db，取每兩個衰減步長作為本增益控制級的輸出點，則增益控制級的衰減增益步長為12db，選取此衰減網絡(如圖2)作為大範圍增益控制級的衰減網絡。本發明取gm級的個數為10個，圖4的仿真結果表明，其增益範圍可達到100db以上，相比其它可變增益放大器有很大提高。高精度增益控制級的目的為了減小增益誤差，而衰減網絡的步長越小，增益誤差值也越小，選取高精度增益控制級的衰減網絡為r-4r-20r的電阻網絡，如圖3，由電阻分壓原理可知，後一個輸出端的電壓值為前一個輸出端的4/5，即增益衰減步長為2db(20lg4/5)。圖5的仿真結果表明，其增益誤差值在±0.15db以內。結合大範圍增益控制級和高精度增益控制級的優點，採用大範圍高精度雙控制電壓的增益控制級可在高增益範圍的情況下仍然保持很小的增益誤差。有效解決增益衰減結構可變增益放大器增益範圍和增益誤差之間相互制約的問題。適用於對增益範圍和增益誤差指標要求嚴格的db線性的可變增益放大器。

雖然在本文中參照了特定的實施方式來描述本發明，但是應該理解的是，這些實施例僅僅是本發明的原理和應用的示例。因此應該理解的是，可以對示例性的實施例進行許多修改，並且可以設計出其他的布置，只要不偏離所附權利要求所限定的本發明的精神和範圍。應該理解的是，可以通過不同於原始權利要求所描述的方式來結合不同的從屬權利要求和本文中所述的特徵。還可以理解的是，結合單獨實施例所描述的特徵可以使用在其他所述實施例中。