一种基于再生的可变增益放大器结构及其控制方法技术

本发明专利技术公开一种基于再生的可变增益放大器结构，包括2个电压跟随器、2个电容阵列、1个有源负阻抗电路及1个时钟产生电路，其中，第一电压跟随器的输入端作为放大器的输入正端，输出端经第一电容阵列连接有源负阻抗电路的一端，且有源负阻抗电路的该端作为放大器的输出正端，有源负阻抗电路的另一端作为放大器的输出负端，且有源负阻抗电路的该端经第二电容阵列连接第二电压跟随器的输出端，第二电压跟随器的输入端作为放大器的输入负端。此种放大器结构一方面具有增益的dB线性调节功能，另一方面对再生时间的要求大大降低。本发明专利技术还公开一种基于再生的可变增益放大器结构的控制方法。

A Variable Gain Amplifier Based on Regeneration and Its Control Method

The invention discloses a variable gain amplifier structure based on regeneration, which includes two voltage followers, two capacitor arrays, one active negative impedance circuit and one clock generation circuit. The input end of the first voltage follower serves as the positive input end of the amplifier, and the output end is connected with the active negative impedance circuit through the first capacitor array. One end of the active negative impedance circuit serves as the positive end of the amplifier, the other end of the active negative impedance circuit serves as the negative end of the amplifier, and the end of the active negative impedance circuit connects the output end of the second voltage follower through the second capacitor array, and the input end of the second voltage follower serves as the input of the amplifier. Negative end. On the one hand, this amplifier has the function of gain dB linear regulation, on the other hand, the requirement of regeneration time is greatly reduced. The invention also discloses a control method based on a regenerative variable gain amplifier structure.

【技术实现步骤摘要】
一种基于再生的可变增益放大器结构及其控制方法
本专利技术属于模拟电路
，涉及一种开环可变增益放大器技术，特别涉及一种基于再生的可变增益放大器结构及其控制方法。
技术介绍
可变增益放大器大量应用于通讯领域，传统可变增益放大器通常消耗较大的电流，同时使用运放构成的电阻阵列限制了可变增益放大器的带宽。近年来，随着模拟电路技术的不断发展，低功耗可变增益放大器逐渐成为发展趋势。当前针对低功耗可变增益放大器的研究集中于电路结构的优化及电路中的电流复用。电流复用的技术通常需要较高的电压，并不能适应当前模拟电路降低电源电压的主流方向。对电路结构的优化则催生了再生技术在可变增益放大器中的应用。这种技术大大提高了电流效率，同时降低了电路结构对带宽的限制。但是当前的再生结构可变增益放大器需要严格控制再生时间，并且由再生时间控制增益倍数并不能获得大的调节范围。
技术实现思路
本专利技术的目的，在于提供一种基于再生的可变增益放大器结构及其控制方法，其一方面具有增益的dB线性调节功能，另一方面对再生时间的要求大大降低。为了达成上述目的，本专利技术的解决方案是：一种基于再生的可变增益放大器结构，包括2个电压跟随器、2个电容阵列、1个有源负阻抗电路及1个时钟产生电路，其中，第一电压跟随器的输入端作为放大器的输入正端，输出端经第一电容阵列连接有源负阻抗电路的一端，且有源负阻抗电路的该端作为放大器的输出正端，有源负阻抗电路的另一端作为放大器的输出负端，且有源负阻抗电路的该端经第二电容阵列连接第二电压跟随器的输出端，第二电压跟随器的输入端作为放大器的输入负端。上述电压跟随器包括两个PMOS管和一个电流源，第一PMOS管的源极连接电源VDD，栅极连接第二PMOS管的漏极，然后经电流源接地，第二PMOS管的栅极作为电压跟随器的输入端，第一PMOS管的漏极与第二PMOS管的源极连接，并作为电压跟随器的输出端。上述有源负阻抗电路包括两个PMOS管、两个NMOS管和第五开关，其中，第三、第四PMOS管的源极相连接，第一、第二NMOS管的源极相连接；第三PMOS管的漏极、第四PMOS管的栅极、第一NMOS管的漏极、第二NMOS管的栅极、第五开关的一端相连接，且作为有源负阻抗电路的一端；第三PMOS管的栅极、第四PMOS管的漏极、第一NMOS管的栅极、第二NMOS管的漏极、第五开关的另一端相连接，且作为有源负阻抗电路的另一端。上述时钟产生电路包括D触发器、3个反相器、第三NMOS管、1个电容、电流控制模块CTL和电流源，D触发器的复位端连接第一反相器的输出端，第一反相器的输入端连接第三NMOS管的漏极，D触发器的正输出端连接第二反相器的输入端，第二反相器的输出端连接第三反相器的输入端，第三反相器的输出端连接第三NMOS管的栅极，第三NMOS管的源极接地；电容的两端分别连接第三NMOS管的漏极和地；第三NMOS管的漏极经CTL连接电流源的一端，电流源的另一端接地；其中，CTL由不同宽长比的电流镜构成，由开关控制。一种如前所述的基于再生的可变增益放大器结构的控制方法，采用时钟对电容阵列上的信号进行再生，每个信号周期内包含多个再生周期，在一个再生周期内的工作分为如下4个阶段：①置位阶段，连通带有差分信号的电容使电容阵列上的差分电压信号为0；②跟随阶段，将所有电容阵列中的电容连接到电压跟随器输出端，实现电容电压对输入电压的跟随；③再生阶段，将电容与电压跟随器的连接断开，并将电容接到负阻抗电路上，打开负阻抗电路与电源和地的连接，开始电压的再生；④保持阶段，断开所有开关，使电容处于悬空状态，则在短时间内电容上的电压保持不变，直至下一周期的置位阶段。采用上述方案后，本专利技术通过交叉耦合结构构造负阻抗并与电容阵列一起组成再生系统，实现了电压幅度随时间的指数变化。通过时序调节重置再生系统并进行下一周期的再生，通过调节电容阵列的容值能够调节可变增益放大器的放大倍数。在节省大量功耗的同时减小了晶体管性能对可变增益放大器的增益带宽积的制约，使得可变增益放大器能够获得较大的带宽，调节电容的方法使得再生的幅度不再完全依赖再生时间，减小了时序产生电路的设计难度。本专利技术提供的基于再生的可变增益放大器设计方案相对于现有设计具有如下优点：(1)不需要特殊的电路设计就能实现增益的dB线性调节；(2)使用电压跟随器提供了电路对前级的隔离作用；(3)需要的再生时间调节范围大大降低，时钟电路的设计也更加简单。附图说明图1是本专利技术的总体结构框架图；图2是本专利技术中电压跟随器的原理图；图3是本专利技术中有源负阻抗电路的原理图；图4是本专利技术中时钟产生电路的结构框架图；图5是本专利技术的时序操作示意图；图6是仿真结果示意图。具体实施方式以下将结合附图，对本专利技术的技术方案及有益效果进行详细说明。如图1所示，本专利技术提供一种基于再生的可变增益放大器结构，包括2个电压跟随器、2个电容阵列、1个有源负阻抗电路及1个时钟产生电路，其中，电容阵列中的电容值均相同，2个电压跟随器采用图2所示的结构，当输入信号由前级产生时，信号首先进入电压跟随器，在电压跟随器中形成负反馈，实现对输入信号的超级跟随，同时提供驱动功能，能够快速对电容阵列进行充电。有源负阻抗电路如图3所示，其中MP1、MP2为PMOS管，MN1、MN2为NMOS管。对NMOS管部分进行分析(PMOS管部分原理相同)。当存在输入差分信号Vin时，由于是差分信号，故假设MN1管漏极信号幅度为Vin/2，MN2管漏极信号幅度为-Vin/2，此时由于MN2管漏极信号直接作用于MN1管栅极，因此MN1管产生的电流，其中gm为NMOS管的跨导。根据输入阻抗定义可知两个NMOS管一起提供了(-1/gm)的输入阻抗。图4为时钟产生电路框架图。其中D触发器为上升沿触发，时钟clk由外部给入。当电路工作时，将持续对电容C充电，其电流由控制字决定。当电容C充电至高电平时触发置位功能，产生图中所示的高电平脉冲。由于本实施例中使用电容阵列控制增益，因此对电流的控制字只有1位，大大降低了设计难度。本专利技术还提供一种基于再生的可变增益放大器结构的控制方法，通过将各组件接入电路或断开电路实现控制，实现控制的开关均使用传输门，对输入频率较低的输入信号，使用电压跟随器驱动电容阵列，采用较高频率的时钟对电容阵列上的信号进行再生。每个信号周期内包含多个再生周期。对于N种增益调节倍数，共有N个电容供增益调节。在一个再生周期内通过切换电容的方法调节增益倍数。图5为本专利技术放大器在一个再生周期内工作时的时序图。在一个再生周期内的工作将分为如下4个阶段：①置位阶段，断开除了图3中的S5以外的所有开关，并接通S5，将原本带有差分信号的电容上的差分信号通过正负短接的方式去除，同时留下其共模信号。②跟随阶段，接通所有电容阵列的开关，同时接通电压跟随器与电源、地和电容阵列之间的开关，断开有源负阻抗电路与电源、地以及电容阵列之间的开关，实现电容电压对输入电压的跟随。此时电容上的电压信号与输入电压仅有相位的差别，在幅度上是一致的。③再生阶段，断开电压跟随器与电源、地和电容阵列之间的开关，接通有源负阻抗电路与电源、地以及电容阵列之间的开关，即将电容与电压跟随器的连接断开，并将电容接到负阻抗电路上，同时打开负阻抗电路与电源和地的连接本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于再生的可变增益放大器结构，其特征在于：包括2个电压跟随器、2个电容阵列、1个有源负阻抗电路及1个时钟产生电路，其中，第一电压跟随器的输入端作为放大器的输入正端，输出端经第一电容阵列连接有源负阻抗电路的一端，且有源负阻抗电路的该端作为放大器的输出正端，有源负阻抗电路的另一端作为放大器的输出负端，且有源负阻抗电路的该端经第二电容阵列连接第二电压跟随器的输出端，第二电压跟随器的输入端作为放大器的输入负端。

【技术特征摘要】
1.一种基于再生的可变增益放大器结构，其特征在于：包括2个电压跟随器、2个电容阵列、1个有源负阻抗电路及1个时钟产生电路，其中，第一电压跟随器的输入端作为放大器的输入正端，输出端经第一电容阵列连接有源负阻抗电路的一端，且有源负阻抗电路的该端作为放大器的输出正端，有源负阻抗电路的另一端作为放大器的输出负端，且有源负阻抗电路的该端经第二电容阵列连接第二电压跟随器的输出端，第二电压跟随器的输入端作为放大器的输入负端。2.如权利要求1所述的一种基于再生的可变增益放大器结构，其特征在于：所述电压跟随器包括两个PMOS管和一个电流源，第一PMOS管的源极连接电源VDD，栅极连接第二PMOS管的漏极，然后经电流源接地，第二PMOS管的栅极作为电压跟随器的输入端，第一PMOS管的漏极与第二PMOS管的源极连接，并作为电压跟随器的输出端。3.如权利要求1所述的一种基于再生的可变增益放大器结构，其特征在于：所述有源负阻抗电路包括两个PMOS管、两个NMOS管和第五开关，其中，第三、第四PMOS管的源极相连接，第一、第二NMOS管的源极相连接；第三PMOS管的漏极、第四PMOS管的栅极、第一NMOS管的漏极、第二NMOS管的栅极、第五开关的一端相连接，且作为有源负阻抗电路的一端；第三PMOS管的栅极、第四PMOS管的漏极、第一NMOS管的栅极、第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴建辉，侯冠男，陈超，李红，冯世雄，伍绍君，仝飞，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32