一种三堆叠结构的可变增益放大器制造技术

本发明专利技术公开了一种三堆叠结构的可变增益放大器，属于射频集成电路领域，用于解决现有可变增益放大器动态范围小、增益变化指数特性难以实现的问题。本发明专利技术包括M1、M2、M0、R1、R2构成的差分共源放大部分以及M3～M8、R3～R8、C1～C6构成的差分三堆叠可变增益部分。输入对M1/M2决定了动态范围变化的最大值，可变控制电压V

【技术实现步骤摘要】
一种三堆叠结构的可变增益放大器


[0001]本专利技术属于射频集成电路领域，涉及一种三堆叠结构的可变增益放大器。

技术介绍

[0002]动态范围是通信系统的重要指标，它决定了收发机处理和处理信号的能力，也就是对输入功率变化的容忍度，因此，增大动态范围是十分重要的，可使系统不受干扰和多标准应用的限制。为了使通信系统的动态范围最大化，可通过不同的模块实现增益调谐，如低噪声放大器，功率放大器等，但加入可变增益放大器仍然是提高动态范围的最有效的方法。
[0003]为了实现恒定的环路稳定时间和宽范围增益调节，可变增益放大器要求具有指数增益特性，从而可实现增益线性变化。随着半导体技术的发展，CMOS工艺成为低成本、易集成的主流工艺，而在MOS管中，由于漏源电流与栅源电压的平方律关系，难以实现指数增益特性。添加额外的指数型控制电路可以实现精确的增益线性变化性能，但这会使整个可变增益放大器电路结构复杂且功耗增加。

技术实现思路

[0004]本专利技术的技术解决问题是：提供了一种三堆叠结构的可变增益放大器，提高了可变增益放大器的动态范围，在不额外添加指数型控制电路的情况下使增益变化具有指数特性，解决了电路功耗大、结构复杂的问题。
[0005]本专利技术采用的技术解决方案是：
[0006]一种三堆叠结构的可变增益放大器，包括共源NMOS管M0、差分输入的NMOS管M1～M2、组成差分三堆叠控制对的NMOS管M3～M8、负载电阻R1～R2、偏置电阻R3～R8、电容C1～C6；
[0007]其中，共源NMOS管M0栅极接固定偏置电压V
B
，源极接地，漏极接M1、M2、M3、M4的源极；
[0008]在差分输入的NMOS管M1～M2中，M1栅极接输入信号V
in+
，漏极接电阻R1的一端、输出V
out
‑
和M7的漏极；M2栅极接输入信号V
in
‑
，漏极接电阻R2的一端、输出V
out+
和M8的漏极；
[0009]在差分三堆叠控制对M3～M8中，M3栅极并联电容C1到地，后通过R3连接到可变控制电压V
ctrl
，漏极连接M5源极；M4栅极并联电容C2到地，后通过R4连接到可变控制电压V
ctrl
，漏极连接M6源极；M5栅极并联电容C3到地，后通过R5连接到可变控制电压V
ctrl
，漏极连接M7源极；M6栅极并联电容C4到地，后通过R6连接到可变控制电压V
ctrl
，漏极连接M8源极；M7栅极并联C5到地，后通过R7连接到可变控制电压V
ctrl
；M8栅极并联C6到地，后通过R8连接到可变控制电压V
ctrl
；负载电阻R1和R2的另一端均接电源V
CC
。
[0010]进一步的，共源NMOS管M0为大尺寸晶体管，差分输入对NMOS管M1和M2的栅长与栅宽尺寸相同，差分三堆叠控制对NMOS管M3～M8的栅长与栅宽尺寸相同，偏置电阻R3和R4阻值相同、R5和R6阻值相同、R7和R8阻值相同，并联电容C1～C6容值相同且容值较小，负载电阻R1和R2阻值相同。
[0011]进一步的，所述大尺寸晶体管是指栅长与栅宽为μm级的晶体管，并联电容C1～C6电容容值为pF级。
[0012]进一步的，Vin+/Vin
‑
为差分输入信号，Vout+/Vout
‑
为差分输出信号，V
B
为固定偏置电压，V
ctrl
为可变控制电压。
[0013]进一步的，当控制电压V
ctrl
远低于输入信号V
in+
/V
in
‑
的共模电压V
CM
时，使得分压到M3/M4、M5/M6、M7/M8上的栅极偏置电压很小，此时三堆叠控制对M3/M4、M5/M6、M7/M8关闭，放大器的增益固定在其最大值。
[0014]进一步的，随着V
ctrl
在共模电压V
CM
附近逐渐增大，三堆叠控制对M3/M4、M5/M6、M7/M8开始打开并工作在亚阈值区，输入对M1/M2工作在饱和区，少量电流被三堆叠控制对避开。
[0015]进一步的，当V
ctrl
提高到超过共模电压V
CM
时，三堆叠管控制对避开了大电流，仍然工作在亚阈值区域；同时，输入对M1/M2工作状态从饱和区到亚阈值区，直至到截止区，输入对的跨导不断缩小，整个放大器的增益越来越低。
[0016]进一步的，当输入对晶体管M1/M2和三堆叠控制对晶体管M3/M4、M5/M6、M7/M8都工作在亚阈值区时，其电流表达式如下：
[0017][0018][0019][0020]其中，I1为流过晶体管M1的总电流，I
D0
为晶体管M0的漏极电流，W1为晶体管M1的栅宽，L1为晶体管M1的栅长，V
G
为晶体管M1的栅极电压，V
S
为晶体管M1和晶体管M3的源极电压，V
th1
为晶体管M1的阈值电压，n为与制造工艺有关的常数，V
T
为电压常数，V
DS1
为晶体管M1的源漏电压；I3为流过晶体管M3的总电流，V
ctrl
为控制电压，W3为晶体管M3的栅宽，L3为晶体管M3的栅长，V
th3
为晶体管M3的阈值电压，V
DS3
为晶体管M3的源漏电压；I0为流过晶体管M0的总电流；R3、R5、R7均为电阻。
[0021]进一步的，根据电流表达式(2)到(4)可得到：
[0022][0023]其中，n为与制造工艺有关的常数，V
T
为电压常数，V
G
为晶体管M1的栅极电压，V
th1
为晶体管M1的阈值电压，V
th3
为晶体管M3的阈值电压，W1为晶体管M1的栅宽，L1为晶体管M1的栅长，W3为晶体管M3的栅宽，L3为晶体管M3的栅长，R3、R5、R7均为电阻，I
D0
为晶体管M0的漏极电流，I0为流过晶体管M0的总电流。
[0024]进一步的，可变增益放大器的跨导如下：
[0025][0026]其中，G
m
为该可变增益放大器的跨导，I
D0
为晶体管M0的漏极电流，V
G
为晶体管M1的栅极电压，V
S
为晶体管M1和晶体管M3的源极电压，V
th1
为晶体管M1的阈值电压，n为与制造工艺有关的常数，V
T
为电压常数。
[0027]本专利技术与现有技术相比带来的有益效果为：
[0028]本专利技术的一种三堆叠结构的可变增益放大器，利用可变控制电压V
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三堆叠结构的可变增益放大器，其特征在于：包括共源NMOS管M0、差分输入的NMOS管M1～M2、组成差分三堆叠控制对的NMOS管M3～M8、负载电阻R1～R2、偏置电阻R3～R8、电容C1～C6；其中，共源NMOS管M0栅极接固定偏置电压V
B
，源极接地，漏极接M1、M2、M3、M4的源极；在差分输入的NMOS管M1～M2中，M1栅极接输入信号V
in+
，漏极接电阻R1的一端、输出V
out
‑
和M7的漏极；M2栅极接输入信号V
in
‑
，漏极接电阻R2的一端、输出V
out+
和M8的漏极；在差分三堆叠控制对M3～M8中，M3栅极并联电容C1到地，后通过R3连接到可变控制电压V
ctrl
，漏极连接M5源极；M4栅极并联电容C2到地，后通过R4连接到可变控制电压V
ctrl
，漏极连接M6源极；M5栅极并联电容C3到地，后通过R5连接到可变控制电压V
ctrl
，漏极连接M7源极；M6栅极并联电容C4到地，后通过R6连接到可变控制电压V
ctrl
，漏极连接M8源极；M7栅极并联C5到地，后通过R7连接到可变控制电压V
ctrl
；M8栅极并联C6到地，后通过R8连接到可变控制电压V
ctrl
；负载电阻R1和R2的另一端均接电源V
CC
。2.根据权利要求1所述的一种三堆叠可变增益放大器，其特征在于：共源NMOS管M0为大尺寸晶体管，差分输入对NMOS管M1和M2的栅长与栅宽尺寸相同，差分三堆叠控制对NMOS管M3～M8的栅长与栅宽尺寸相同，偏置电阻R3和R4阻值相同、R5和R6阻值相同、R7和R8阻值相同，并联电容C1～C6容值相同且容值较小，负载电阻R1和R2阻值相同。3.根据权利要求2所述的一种三堆叠可变增益放大器，其特征在于：所述大尺寸晶体管是指栅长与栅宽为μm级的晶体管，并联电容C1～C6电容容值为pF级。4.根据权利要求1所述的一种三堆叠可变增益放大器，其特征在于：Vin+/Vin
‑
为差分输入信号，Vout+/Vout
‑
为差分输出信号，V
B
为固定偏置电压，V
ctrl
为可变控制电压。5.根据权利要求1所述的一种三堆叠可变增益放大器，其特征在于：当控制电压V
ctrl
远低于输入信号V
in+
/V
in
‑
的共模电压V
CM
时，使得分压到M3/M4、M5/M6、M7/M8上的栅极偏置电压很小，此时三堆叠控制对M3/M4、M5/M6、M7/M8关闭，放大器的增益固定在其最大值。6.根据权利要求5所述的一种三堆...

【专利技术属性】
技术研发人员：佟玲，张佃伟，文武，杨立，张娜娜，孙欢聚，严畅，石苑辰，程泽，梁佳琦，段冲，张思佳，魏慧婷，王跃昌，崔旭彤，
申请(专利权)人：北京微电子技术研究所，
类型：发明
国别省市：