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1、(10)申请公布号 CN 102857183 A (43)申请公布日 2013.01.02 C N 1 0 2 8 5 7 1 8 3 A *CN102857183A* (21)申请号 201210352741.7 (22)申请日 2012.09.21 H03G 3/20(2006.01) (71)申请人复旦大学 地址 200433 上海市杨浦区邯郸路220号 (72)发明人林楠 沈楚 方飞 洪志良 (74)专利代理机构上海正旦专利代理有限公司 31200 代理人陆飞 盛志范 (54) 发明名称 一种超宽带高精度可变增益放大器 (57) 摘要 发明属于集成电路技术领域，具体为一种超 宽带高精度。
2、可变增益放大器。该结构包括一个无 缘电阻衰减器、一个高精度增益控制单元和一个 固定增益放大器。信号先通过无缘电阻衰减器进 行第一级增益控制，然后经过高精度增益控制单 元进行第二级增益控制，最后通过固定增益放大 器将信号放大到所需的幅度。本发明中，由于采用 了开环结构和两级增益控制，大大提高了可变增 益放大器的带宽和增益控制精度。本发明可适用 于硬盘读写通道和光盘读写通道中。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 1/1页 2 1. 一种超宽带高精度可变增益放大器。
3、，其特征在于：该放大器为开环结构，由一个无 缘电阻衰减器（201）、一个高精度增益控制单元（202）和一个固定增益放大器（203）组成； 信号依次通过无缘电阻衰减器（201）和高精度增益控制单元（202）进行两级增益控制，然 后通过固定增益放大器（203）将信号放大到所需的幅度。 2. 根据权利要求1所述的超宽带高精度可变增益放大器，其特征在于：所述的无缘电 阻衰减器（201）采用梯形电阻网络结构；组成该梯形电阻网络的电阻值一共有三种，其衰 减步长由这三种电阻值的比值所决定，通过选通不同的开关来选择不同的衰减档位。 3. 根据权利要求1所述的超宽带高精度可变增益放大器的结构，其特征在于：所述的。
4、 高精度增益控制单元包括一个Cherry-Hooper宽带放大器和数字控制的可变跨导阵列，高 精度增益控制单元通过在Cherry-Hooper放大器的第一级并联一个数字控制的可变跨导 阵列来实现精确的增益控制；所述可变跨到阵列为二进制权重结构，每一位控制位对应控 制的跨导值都为低一位控制位对应控制跨导值的两倍。 4. 根据权利要求1所述的超宽带高精度可变增益放大器的结构，其特征在于：所述的 固定增益放大器采用差分螺旋电感作为负载，并采用反相密勒补偿电容消除输入差分对的 寄生电容，从而实现了大带宽。 权 利 要 求 书CN 102857183 A 1/4页 3 一种超宽带高精度可变增益放大器 技。
5、术领域 0001 本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种超宽带高精度可变增益放大器，该 可变增益放大器可以同时提供大带宽和高精度增益控制。 背景技术 0002 可变增益放大器(VGA)在许多通讯系统和信号处理系统中都是不可或缺的重要 组成部分。它作为自动增益控制环路(AGC)的核心部分，可以通过调整输入信号的增益来 改善整个系统的动态范围。宽带信号处理系统，例如磁盘读写通道的结构如附图1所示。该 系统一般包括可变增益放大器（101）、滤波器（102）、模数转换器（103）、数字信号处理模块 （104）和自动增益控制模块（105）。宽带高精度可变增益放大器作为的增益由自动增益控 制模块控制，用。
6、于将合适的信号幅度送入后续的电路模块中。 0003 传统的闭环可变增益放大器可以实现高增益精度，但是闭环结构会严重限制可变 增益放大器的带宽，从而使其不适用于现代的高速磁盘读写通道。运用了指数近似函数的 开环可变增益放大器可以提供比较大的带宽，但是指数近似函数本身造成的系统误差限制 了这类可变增益放大器的增益精度。 0004 本发明提出了一种新型可变增益放大器，该可变增益放大器采用了两级增益控制 来保证小增益步长和低增益误差，开环结构则保证了高带宽。 发明内容 0005 本发明的目的在于提出一种超宽带高精度可变增益放大器，以满足高速通信系统 和信号处理系统对可变增益放大器带宽、增益步长和增益误。
7、差的要求。 0006 本发明提出的超宽带高精度可变增益放大器，由三部分组成：(1)一个无缘电阻 衰减器，该无缘衰减器根据输入信号强度选择合适的衰减强度，相当于将可变增益放大器 的增益控制范围分割为几个连续的段落，从而实现对信号增益进行第一级控制；（2）一个 高精度增益控制单元，该增益控制单元采用数字控制的可变跨导阵列和Charry-Hooper宽 带放大器，通过控制该增益控制单元的跨导使可变增益放大器的增益在增益控制范围的某 个段落内变化，从而实现第二级增益控制；（3）一个固定增益放大器，信号通过该放大器放 大到合适的强度，从而得到所需的信号。 0007 这三个部分均为开环结构，即本发明的可变。
8、增益放大器为开环结构。信号依次通 过无缘电阻衰减器和高精度增益控制单元进行两级增益控制，然后通过固定增益放大器将 信号放大到所需的幅度。 0008 本发明所述的超宽带高精度可变增益放大器，其中所述的无缘电阻衰减器采用梯 形电阻网络结构；组成该梯形电阻网络的电阻值一共有三种，其衰减步长由这三种电阻值 的比值所决定，通过选通不同的开关来选择不同的衰减档位。由于没有有源器件的寄生参 数影响，衰减器具有很高的带宽。所述的高精度增益控制单元包括一个Cherry-Hooper宽 带放大器和数字控制的可变跨导阵列，高精度增益控制单元通过在Cherry-Hooper放大器 说 明 书CN 102857183 。
9、A 2/4页 4 的第一级并联一个数字控制的可变跨导阵列来实现精确的增益控制。该可变跨到阵列为 二进制权重结构，每一位控制位对应控制的跨导值都为低一位控制位对应控制跨导值的两 倍；增益控制位由查找表所决定，从而实现精确的增益控制。所述的固定增益放大器采用所 述的固定增益放大器采用差分螺旋电感作为负载，并采用反相密勒补偿电容消除输入差分 对的寄生电容，从而实现了大带宽。 0009 因此本发明所述的超宽带高精度可变增益放大器具有大带宽的特性，能够处理高 速的信号。 0010 本发明所述的无缘电阻衰减器，其具有固定的衰减步长，通过切换开关改变电阻 分压来实现信号衰减。该衰减器的衰减步长由电阻之间的比。
10、值所决定，因此不随着工艺和 温度的变化而变化，具有很高的增益控制精度。 0011 本发明所述的高精度增益控制单元，其通过在Cherry-Hooper放大器的第一级并 联一个可变跨导阵列来实现增益控制。可变跨导阵列的控制位通过查找表而不是指数近似 函数来确定，从而实现指数线性增益控制和高增益控制精度。 附图说明 0012 图1为简化的磁盘读写通道的结构示意图。 0013 图2为本发明的可变增益放大器的结构图。 0014 图3为图2中无缘电阻衰减器的电路图。 0015 图4为图2中高精度增益控制单元的结构图。 0016 图5为图2中高精度增益控制单元的电路图。 0017 图6为图2固定增益放大器的。
11、电路图。 具体实施方式 0018 本发明提出的超宽带高精度可变增益放大器，其结构如附图2所示。该可变增益 放大器（200）包括一个无缘电阻衰减器（201）、一个高精度增益控制单元（202）和一个固定 增益放大器（203）。信号首先经过所述无缘衰减器（201）， 本发明中，所述的无缘电阻衰减器（201），为一个梯形结构的电阻网络衰减器。其电路 如附图3所示。根据图3，电阻网络衰减器由三种不同阻值的电阻构成一个梯形网络，在梯 形的每一对节点上连接着一对开关，开关的另一端连接着输出端。在工作的时候，衰减器的 开关（301-314）只有一对（例如（301）和（302）处于导通状态，其余开关均关闭。信号。
12、在梯 形结构的一端输入，通过开关控制在梯形结构的某一个节点输出，不同的输出节点对应不 同的衰减幅度。该无缘衰减器通过电阻分压来实现衰减，其衰减幅度由电阻值的比值决定。 电阻值的比值由下面的公式决定： (1) (2) 其中0.63对应4dB的衰减步长，即衰减器将可变增益放大器的增益控制范围分割为 4dB每段的连续几个段落。衰减器的输出由下面的公式决定： 说 明 书CN 102857183 A 3/4页 5 (3) 其中a 0 -a 6 为如图3所示的衰减器控制信号（0或者1）。由于在工作状态下衰减器的开 关只有一对处于导通状态，因此在工作状态下a 0 -a 6 只有一位为1，其他位皆为0。 00。
13、19 本发明中，所述的高精度增益控制单元（202）是基于Cherry-Hooper结构的宽带 放大器实现的。其结构图如附图4所示。其中g m1 和g m2 分别为前后两级的跨导，C 1 和C 2 分 别为对应节点上的总寄生电容，R 1 和R 2 为前后两级的负载电阻，R f 为反馈电阻。其传递函 数如下所示： (3) 其中，A vo 为直流增益，为阻尼系数， n 为自然频率 直流增益为： (4) 阻尼系数为： (5) 自然频率为 (7) 该高精度增益控制单元（202）通过在Cherry-Hooper放大器的第一级并联一个数字控 制的可变跨导阵列（501）来实现精确的增益控制。其电路图如附图5所。
14、示。根据该图，可 变跨到阵列（501）的每一个单元由一个可关断的电流源和一对输入差分对所组成。该可变 跨到阵列为二进制权重结构，每一位控制位对应控制的跨导值都为低一位控制位对应控制 跨导值的两倍。因此有限的控制位和阵列面积就能实现较大的跨导变化范围，从而使高精 度增益控制单元（202）的增益控制范围覆盖无缘电阻衰减器（201）的步长，也就是衰减器 所分割的增益控制范围段落。 0020 根据附图5，(2)式中的g m1 由下面的公式决定： (8) 其中b 0 -b 6 为可变跨导阵列（501）的控制信号（0或者1）。k为高精度增益控制单元 说 明 书CN 102857183 A 4/4页 6 （。
15、202）第一级中固定跨导部分输入差分对和电流源尺寸与可变跨导阵列单元尺寸之比。 0021 可变跨导阵列（501）的控制位由查找表决定。该查找表使可变跨导阵列（501）的 跨导在指数上线性变化，从而保证了高精度增益控制单元（202）的增益在指数上线性变化。 在传统的利用指数近似函数达到增益指数线性变化的可变增益放大器中，函数本身的系统 误差决定了可变增益放大器的最小增益误差，而该误差不小于0.5dB。通过查找表控制增益 可以尽可能地逼近理想的指数线性曲线，避免了指数近似函数所带来的系统误差，从而使 增益误差降低到0.05dB。 0022 本发明中，所述的固定增益放大器（203）为一个单级全差分放。
16、大器。其电路图如 附图6所示。该放大器包括：反相密勒补偿电容（601，602），共模反馈电路（603）。其中反 相密勒补偿电容（601，,602）连接在差分输入的一端以及差分输入另一端对应的输出端之 间。共模反馈电路（603）的输入为固定增益放大器的输出，其输出连接在固定增益放大器 的电流源晶体管栅极。该固定增益放大器（203）的负载由电阻和差分螺旋电感组成。电感 用于增大放大器的带宽。反相密勒补偿电容（601，602）用于补偿输入差分对的寄生电容， 从而改善放大器的频率响应。共模反馈电路（603）用于稳定放大器的输出共模电压。 说 明 书CN 102857183 A 1/3页 7 图1 图2 图3 说 明 书 附 图CN 102857183 A 2/3页 8 图4 图5 说 明 书 附 图CN 102857183 A 3/3页 9 图6 说 明 书 附 图CN 102857183 A 。