射頻可變增益放大器控制電路及增益控制方法
2023-10-25 04:38:42 1
專利名稱：射頻可變增益放大器控制電路及增益控制方法
技術領域：
本發明涉及可變增益控制領域，尤其涉及一種無線通信發射機的射頻可變增益放大器(VGA，Variable Gain Amplifier)控制電路及增益控制方法。
背景技術：
隨著無線通訊技術的進步，無線通訊系統對功率控制，也即增益控制範圍的要求日益提高。為實現增益控制功能，無線通信發射機一般使用VGA控制電路，以提供可調節的增益。
現有的實現增益控制功能的方法通常有兩種A)將VGA控制電路集成於基帶部分。該方法的優點在於基帶信號的頻率低，實現增益控制比較容易；增益控制和增益步進精確；電路簡單；功耗小。缺點在於整個發射機的發射通道的載波洩漏嚴重，需要設計複雜的調整電路以減少載波洩漏。
B)將VGA控制電路集成於射頻部分。該方法的優點在於載波洩漏是固定值，且滿足發射機的載波洩漏參數要求，避免了嚴重的載波洩漏。缺點在於射頻部分的可變增益控制電路複雜；增益控制和增益步進不精確；一級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，無線通信發射機一般將兩種方法結合運用，其典型結構框圖如圖1所示。無線通信發射機至少包括基帶濾波器及VGA控制電路模塊1，工作於基帶部分，對輸入的基帶信號I、Q作濾波和增益控制，能精確地調整增益和增益步進，實現增益的細調，其細調的增益控制範圍由載波洩漏的系統參數要求決定；正交分頻器8，用於對輸入的本振信號A作二分頻；IQ正交調製上變頻器2，用於將基帶濾波器及VGA控制電路模塊1的輸出信號和正交分頻器8的輸出信號作混頻，由基帶信號上變頻為射頻信號；射頻VGA控制電路3，工作於射頻部分，能粗略地調整增益控制範圍和增益步進；射頻濾波器4，是帶通濾波器，在指定的頻帶上對射頻VGA控制電路3的輸出信號作濾波；功放5，用於對射頻濾波器4的輸出信號作功率放大；雙工器6和天線7，用於切換接收模式或發送模式。
現有的一級射頻VGA控制電路3的增益控制範圍一般不超過20dB，並且無法提供多級增益步進。因此，為達到無線通訊系統的增益控制範圍需求，需串聯多級射頻VGA控制電路3，導致無線通訊系統的功耗大，線性度低。
發明內容
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種無線通信發射機的射頻VGA控制電路及增益控制方法，實現一級電路的增益控制範圍大於40dB，並且提供一定的增益步進，不需再多級串聯，從而降低了無線通訊系統的功耗，提高了線性度。
本發明是通過以下技術方案實現的一種射頻可變增益放大器控制電路，其特徵在於，至少包括跨導級單元，由第一控制信號控制作高低增益切換，將輸入的電壓信號轉換為電流信號；增益控制單元，由第二控制信號控制，提供增益控制範圍和增益步進；負載單元，將電流信號轉換為電壓信號輸出，輸入電壓信號依次經跨導級單元、增益控制單元和負載單元處理後，輸出增益控制後的電壓信號。
進一步地，所述第一控制信號通過切換不同的跨導，實現高低增益的切換。
進一步地，所述第一控制信號是電流源的接通或關斷。
進一步地，所述第二控制信號是數字控制信號。
進一步地，所述增益控制單元由兩組尺寸對應相同的電晶體陣列組成，上述兩電晶體陣列的柵極的數字控制信號互補。
進一步地，所述電晶體陣列裡的每一電晶體的尺寸依次呈2的指數級增長，其中，指數從0開始，依次加1。
進一步地，所述電晶體陣列由五個電晶體組成，設第一電晶體的尺寸是K，則其他四個電晶體的尺寸依次是2K、4K、8K、16K。
進一步地，所述射頻可變增益放大器控制電路是差分拓撲結構。
本發明的另一技術方案為一種射頻可變增益放大器的增益控制方法，包括以下步驟A1、經跨導級單元作增益切換，並將輸入的電壓信號轉換為電流信號；A2、電流信號經增益控制單元作增益控制；A3、經負載單元將電流信號轉換為電壓信號。
進一步地，所述跨導級單元由不同的跨導組成，通過切換跨導，實現高低增益的切換。
進一步地，所述增益控制單元由兩組尺寸對應相同的電晶體陣列組成，上述兩電晶體陣列的柵極的數字控制信號互補。
進一步地，所述電晶體陣列裡的每一電晶體的尺寸依次呈2的指數級增長，其中，指數從0開始，依次加1。
進一步地，所述電晶體陣列由五個電晶體組成，設第一電晶體的尺寸是K，則其他四個電晶體的尺寸依次是2K、4K、8K、16K。
進一步地，所述射頻可變增益放大器的控制電路是差分拓撲結構。
本發明通過跨導級單元的高低增益狀態的切換，可以提供10dB～20dB的增益控制範圍；同時，增益控制單元還可以提供遠大於20dB的增益控制範圍和增益步進。因此，整個射頻VGA控制電路可以提供大於40db的增益控制範圍和一定的增益步進。由於一級電路的增益控制範圍即可大於40db，故不需再串聯多級射頻VGA控制電路，從而可極大地降低無線通訊系統的功耗，並提升其線性度。
圖1是典型的無線通信系統發射機的結構框圖；圖2是本發明的射頻VGA控制電路的原理框圖；圖3是本發明的射頻VGA的增益控制方法的流程圖；圖4是本發明的具體實施例的射頻VGA控制電路圖；圖5是本發明的具體實施例的增益控制單元的電路圖；圖6是本發明的具體實施例的增益控制範圍和增益步進的測試圖；圖7是TD-SCDMA雙模射頻收發晶片的發射機通道的結構框圖。
具體實施例方式
以下結合附圖和具體實施例對本發明作詳細描述。
圖2是本發明的射頻VGA控制電路的原理框圖。本發明的射頻VGA控制電路至少包括跨導級單元、增益控制單元和負載單元。從IQ正交調製上變頻器輸出的電壓信號B輸入射頻VGA控制電路，也即輸入跨導級單元。所述電壓信號B經跨導級單元轉變為電流信號C。所述跨導級單元可通過控制信號D1選擇跨導GM1或者跨導GM2，設GM1＞GM2，通過切換跨導實現高低增益的切換，選擇跨導GM1或者跨導GM2相差10dB～20dB，也即提供了10dB～20dB的增益控制範圍。同時，通過切換跨導實現增益控制，也即控制功率的大小。射頻VGA控制電路在低增益模式(選擇跨導GM2)下，工作電流小，即可減小無線通信系統的功耗。
所述電流信號C輸入增益控制單元。所述增益控制單元通過控制信號D2調控，可以提供大於20db的增益控制範圍和增益步進。電流信號輸入增益控制單元後，進行分流。一部分電流信號輸入交流信號地，例如直流電壓；一部分電流信號輸入至負載單元，將電流信號C1轉變成電壓信號B2，驅動後一級電路。其中，電流信號的分流比例由控制信號D2調控。例如，如果輸入信號通道的電流信號和輸入交流信號地的電流比例是1∶1，則射頻VGA控制電路的輸出比最大輸出信號低6dB；如果電流比例是1∶3，則低12dB；如果電流比例是1∶7，則低18dB，以此類推。增益控制單元對增益進行步進調節，提供大於20dB的增益控制範圍。
由以上分析可知，本發明的射頻VGA的增益控制方法的流程如圖3所示，包括以下步驟步驟401、經跨導級單元作增益切換，並將輸入的電壓信號B轉換為電流信號C；步驟402、電流信號C經增益控制單元作增益控制，輸出增益控制後的電流信號C1；步驟403、經負載單元將電流信號C1轉換為電壓信號B2。
通過在跨導級單元切換高低增益狀態獲得的增益控制範圍，以及增益控制單元提供的增益控制範圍，兩者相加之和，即為整個射頻VGA控制電路的總增益控制範圍，由上可知，該總增益控制範圍大於40db。而增益控制單元提供的增益步進即為整個VGA控制電路的增益步進。
圖4是本發明的具體實施例的射頻VGA控制電路圖。本具體實施例應用差分拓撲結構電路，電路呈左右對稱結構。本發明的具體實施例由跨導級單元、增益控制單元、負載單元組成。
如圖4所示，所述跨導級單元包括跨導GM1，由電晶體M1、電晶體M2和電阻R1組成；跨導GM2，由電晶體M3、電晶體M4和電阻R2組成；電流源I1、電流源I2、電流源I3、電流源I4。其中，電流源I1、電流源I2分別為電晶體M1、電晶體M2提供工作電流，並通過電流源I1、電流源I2的接通、關斷，使能或禁止跨導GM1；電流源I3、電流源I4分別為電晶體M3、電晶體M4提供工作電流，並通過電流源I3、電流源I4的接通、關斷，使能或禁止跨導GM2。
射頻VGA控制電路的輸入，也即跨導級單元的輸入為一組互補的電壓信號，分別為正電壓Inp、負電壓Inn。上述互補的電壓信號分別輸入電晶體M1、電晶體M2和電晶體M3、電晶體M4的柵極。由電晶體M1、電晶體M2和電阻R1組成跨導GM1，電晶體M1、電晶體M2的源極間連結電阻R1，電晶體M1、電晶體M2的源極還各自連結電流源I1、電流源I2的一端，電流源的另一端皆接地。電晶體M3、電晶體M4和電阻R2組成跨導GM2，電晶體M3、電晶體M4的源極間連結電阻R2，電晶體M3、電晶體M4的源極還各自連結電流源I3、電流源I4的一端，電流源的另一端皆接地。跨導GM1、跨導GM2用於將電壓信號轉變為電流信號，設Gm1＞Gm2。在高增益模式下，電流源I3、電流源I4關斷，跨導GM2被停用，跨導GM1產生的電流由電晶體M1、電晶體M2的漏極輸入電晶體M5、電晶體M6的源極；在低增益模式下，電流源I1、電流源I2關斷，跨導GM1被停用，跨導GM2產生的電流由電晶體M3、電晶體M4的漏極輸入電晶體M5、電晶體M6的源極。跨導級單元通過控制信號，也即電流源的接通、關斷，切換跨導GM1和跨導GM2，實現高低增益的切換，提供10db～20dB的增益控制範圍。
所述負載單元包括電感L1、電感L2、電容C1、電容C2，共同形成諧振網絡，和後一級電路的輸入阻抗一起，作為射頻VGA控制電路的負載。所述負載單元用於將電流信號轉換為電壓信號，通過輸出端Outp、Outn輸出，驅動後一級電路。輸出端Outp、Outn各自接有耦合電容C3、耦合電容C4，用於隔除輸出端的直流信號。
圖5是本發明的具體實施例的增益控制單元的電路圖。所述增益控制單元包括一組電晶體陣列，其柵極的數字控制信號分別為K1～K5；另一組電晶體陣列，其柵極的數字控制信號分別為K1b～K5b。其中，數字控制信號由基帶部分提供。K1b～K5b取K1～K5的相反值。數字控制信號為K1b～K5b的電晶體陣列的漏極並聯連接管腳2，數字控制信號為K1～K5的漏極並聯連接管腳1，所述兩電晶體陣列的源極並聯連接管腳3。
請參閱圖4和圖5，K1～K5和K1b～K5b是一組互補的數字控制信號，也即圖2所指的控制信號D2。分流後的電流信號一路連接電源端VDD，一路連接射頻VGA控制電路的輸出端Outp、Outn。數字控制信號為K1～K5的電晶體陣列和數字控制信號為K1b～K5b的電晶體陣列的尺寸分別是電晶體M5的1、2、4、8、16倍。在本具體實施例中，電晶體陣列中的電晶體的尺寸依次呈2的指數級增長，其中，指數從0開始，依次加1。當然，本發明的增益控制單元並不局限於2的指數級，電晶體的尺寸倍數可依據所需達到的增益控制範圍和增益步進選擇。
通過控制數位訊號K1～K5，可以實現30dB的增益控制範圍以及6dB的增益步進。其中，電晶體M5由電壓Vg驅動，其尺寸和電晶體陣列中的電晶體的最小尺寸一致。
由於本具體實施例應用差分拓撲結構電路，則以圖4中左側的增益控制單元為例，對具體的實現過程進行介紹B1)如果K5K4K3K2K1＝00000，由於K5bK4bK3bK2bK1b取K5K4K3K2K1的相反值，則K5bK4bK3bK2bK1b＝11111。此時，連接輸出端Outp的電晶體尺寸為1倍的M5；連接到電源端VDD的電晶體尺寸為M5尺寸的(16+8+4+2+1)倍，即為31倍的M5，由此，輸出端Outp的電壓信號為最大可產生的電壓信號的1/32；B2)如果K5K4K3K2K1＝00001，則K5bK4bK3bK2bK1b＝11110。此時，連接輸出端Outp的電晶體尺寸為2倍的M5，連接到電源端VDD的電晶體尺寸為M5尺寸的(16+8+4+2)倍，即為30倍的M5，由此，輸出端Outp的電壓信號為最大可產生的電壓信號的1/16；B3)如果K5K4K3K2K1＝00011，則K5bK4bK3bK2bK1b＝11100。此時，接連接輸出端Outp的電晶體尺寸為4倍的M5，連接到電源端VDD的電晶體尺寸為M5尺寸的(16+8+4)倍，即為28倍的M5，由此，輸出端Outp的電壓信號為最大可產生的電壓信號的1/8；B4)如果K5K4K3K2K1＝00111，則K5bK4bK3bK2bK1b＝11000。此時，接連接輸出端Outp的電晶體尺寸為8倍的M5，連接到電源端VDD的電晶體尺寸為M5尺寸的(16+8)倍，即為24倍的M5，由此，輸出端Outp的電壓信號為最大可產生的電壓信號的1/4；B5)如果K5K4K3K2K1＝01111，則K5bK4bK3bK2bK1b＝10000。此時，接連接輸出端Outp的電晶體尺寸為16倍的M5，連接到電源端VDD的電晶體尺寸為M5尺寸的16倍，即為16倍的M5，由此，輸出端Outp的電壓信號為最大可產生的電壓信號的1/2；B6)如果K5K4K3K2K1＝11111，則K5bK4bK3bK2bK1b＝00000。此時，接連接輸出端Outp的電晶體尺寸為32倍的M5，由此，輸出端Outp的電壓信號即為最大可產生的電壓信號。
由於電流信號每增加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30dB。當然，本發明不局限於僅實現6dB的增益步進，根據K1～K5取0或取1，可實現不同的增益步進。例如，增益步進是3dB等。同樣地，本發明不局限於僅實現30db的增益控制範圍，電晶體陣列的數量及尺寸皆會影響增益控制範圍，該增益控制範圍可大於30db。
本具體實施例的射頻VGA控制電路通過切換跨導級單元的跨導GM1和跨導GM2，可提供10dB～20dB的增益控制範圍，再加上增益控制單元提供的約30dB的增益控制範圍，本具體實施例的一級射頻VGA控制電路可以實現大於40dB的增益控制範圍，並同時提供約6dB的增益步進。
圖6是本具體實施例的VGA增益控制範圍和增益步進的測試圖。如圖所示，增益控制範圍為2.54-(-38.6)＝41.14db，可實現大於40dB的控制範圍。增益步進值分別為2.54-(-4.3)＝6.84db；(-4.3)-(-9.59)＝5.29db；(-9.59)-(-15.27)＝5.68db；(-15.27)-(-20.98)＝5.71db；(-20.98)-(-26.63)＝5.65db；(-26.63)-(-33.6)＝6.97db；(-33.6-)-(38.6)＝5db，取平均值可得5.87db，本具體實施例的增益步進的理論值是6db，但由於實際電路的誤差，使該值有一定的偏差，但約等於6db。
本發明的具體實施例為差分拓撲結構電路，但本發明並不局限於此，單端的電路同樣適用。另外，本發明也並不局限於集成電路設計，分立電路也同樣適用。
採用本發明原理設計的射頻VGA控制電路可應用於TD-SCDMA雙模射頻收發晶片。該晶片採用0.18um CMOS工藝設計，其發射機通道的框圖如圖7所示。基帶調製信號經過濾波後，輸入正交上變頻器，轉換成射頻調製信號；輸入射頻VGA控制電路對增益，也即信號功率進行控制；輸入驅動放大器增加驅動能力後，驅動晶片外的功率放大器，也即功放。
當然，本發明在TD-SCDMA雙模射頻收發晶片中應用成功，但本發明並不局限於此，本發明也可廣泛應用於其他無線/有線通訊系統中，例如WCDMA、CDMA2000、GSM/EDGE、無繩電話、無線區域網、光纖系統等。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用於限制本發明。幾在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種射頻可變增益放大器控制電路，其特徵在於，至少包括跨導級單元，由第一控制信號控制作高低增益切換，將輸入的電壓信號轉換為電流信號；增益控制單元，由第二控制信號控制，提供增益控制範圍和增益步進；負載單元，將電流信號轉換為電壓信號輸出，輸入電壓信號依次經跨導級單元、增益控制單元和負載單元處理後，輸出增益控制後的電壓信號。
2.如權利要求1所述的射頻可變增益放大器控制電路，其特徵在於，所述第一控制信號通過切換不同的跨導，實現高低增益的切換。
3.如權利要求1或2所述的射頻可變增益放大器控制電路，其特徵在於，所述第一控制信號是電流源的接通或關斷。
4.如權利要求1所述的射頻可變增益放大器控制電路，其特徵在於，所述第二控制信號是數字控制信號。
5.如權利要求1或4所述的射頻可變增益放大器控制電路，其特徵在於，所述增益控制單元由兩組尺寸對應相同的電晶體陣列組成，上述兩電晶體陣列的柵極的數字控制信號互補。
6.如權利要求5所述的射頻可變增益放大器控制電路，其特徵在於，所述電晶體陣列裡的每一電晶體的尺寸依次呈2的指數級增長，其中，指數從0開始，依次加1。
7.如權利要求5所述的射頻可變增益放大器控制電路，其特徵在於，所述電晶體陣列由五個電晶體組成，設第一電晶體的尺寸是K，則其他四個電晶體的尺寸依次是2K、4K、8K、16K。
8.如權利要求1或7所述的射頻可變增益放大器控制電路，其特徵在於，所述射頻可變增益放大器控制電路是差分拓撲結構。
9.一種射頻可變增益放大器的增益控制方法，其特徵在於，包括以下步驟A1、經跨導級單元作增益切換，並將輸入的電壓信號轉換為電流信號；A2、電流信號經增益控制單元作增益控制；A3、經負載單元將電流信號轉換為電壓信號。
10.如權利要求9所述的射頻可變增益放大器的增益控制方法，其特徵在於，所述跨導級單元由不同的跨導組成，通過切換跨導，實現高低增益的切換。
11.如權利要求9或10所述的射頻可變增益放大器的增益控制方法，其特徵在於，所述增益控制單元由兩組尺寸對應相同的電晶體陣列組成，上述兩電晶體陣列的柵極的數字控制信號互補。
12.如權利要求11所述的射頻可變增益放大器的增益控制方法，其特徵在於，所述電晶體陣列裡的每一電晶體的尺寸依次呈2的指數級增長，其中，指數從0開始，依次加1。
13.如權利要求1 1所述的射頻可變增益放大器的增益控制方法，其特徵在於，所述電晶體陣列由五個電晶體組成，設第一電晶體的尺寸是K，則其他四個電晶體的尺寸依次是2K、4K、8K、16K。
14.如權利要求9或13所述的射頻可變增益放大器的增益控制方法，其特徵在於，所述射頻可變增益放大器的控制電路是差分拓撲結構。
全文摘要
本發明公開了一種射頻可變增益放大器控制電路，至少包括跨導級單元、增益控制單元、負載單元，輸入電壓信號依次經跨導級單元、增益控制單元和負載單元處理後，輸出增益控制後的電壓信號。本發明還公開了一種射頻可變增益放大器的增益控制方法，包括以下步驟A1)經跨導級單元作增益切換，並將輸入的電壓信號轉換為電流信號；A2)電流信號經增益控制單元作增益控制；A3)經負載單元將電流信號轉換為電壓信號。本發明使一級電路的增益控制範圍即大於40dB，並且提供一定的增益步進，不需再多級串聯，從而降低了無線通訊系統的功耗，提高了線性度。
文檔編號H03F1/02GK101013911SQ200710037470
公開日2007年8月8日 申請日期2007年2月13日 優先權日2007年2月13日
發明者馬傑, 李振彪 申請人:鼎芯通訊(上海)有限公司