一种适用于高精度ADC前端的可编程增益放大器

一种适用于高精度adc前端的可编程增益放大器
技术领域
1.本发明属于模拟电路技术领域，特别涉及一种适用于高精度adc前端的可编程增益放大器。


背景技术：

2.随着集成电路技术的不断发展，可编程增益放大器(programmable gain amplifier，pga)在无线通讯和各种收发系统等方面应用广泛，主要用于优化整个系统的动态范围，可以将自然界一些微弱的信号进行放大，将输入信号根据模数转换器(analog-to-digital converter，adc)的要求自动调整到最佳的信号范围，尽量将信号向adc的满量程靠拢，提高电路的信噪比。pga设计的难点在于在处理信号的输入动态范围较大时，还可以对放大器的增益进行精确控制，要求pga具有很高的线性度，与此同时，还要保证pga的鲁棒性，受pvt的影响较小。
3.传统的pga结构如图1所示，由放大器和电阻反馈网络组成，根据需要选择反馈网络的电阻大小，从而控制pga的增益，在不同的增益的情况下，反馈网络所取的电阻不一样，会导致反馈网络对负载的加载效应不一样，从而影响电路的-3db带宽，每种增益的情况下电路能处理的最大信号频率都不一样，也就是电路的工作速度不一样，这严重影响电路的整体线性度，另外这种结构所需要的反馈电阻随着电路增益的提升呈指数增加，而电阻在芯片制作过程中会占用很大一部分面积，这严重浪费芯片的面积，增加制造成本。


技术实现要素：

4.本发明的目的，就是针对以上问题，提出一种高线性度的pga架构，根据pga的增益自适应的因调节改变电阻带来的加载效应，与此同时，采用新的反馈网络切换方式，保证增益调节范围的前提下，使得反馈电阻的数量得到减少。
5.本发明的技术方案为：
6.一种适用于高精度adc前端的可编程增益放大器，包括高增益放大器amp、第一反馈网络、第二反馈网络、第三反馈网络、负载电路和反相器电路；所述第一反馈网络位于高增益放大器amp正输入端和负输出端之间，包括第二传输门t2、第三传输门t3、第四传输门t4、第五传输门t5、第六传输门t6、第七传输门t7、第八传输门t8、第九传输门t9、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3和第四电容c4；第二传输门t2的输入端、第三传输门t3的输入端、第四传输门t4的输入端和第五传输门t5的输入端相连并接高增益放大器amp的负输出端，第二传输门t2的输出端接第二电阻r2的一端，第三传输门t3的输出端接第三电阻r3的一端，第五传输门t5的输出端接第五电阻r5的一端，第四传输门t4的输出端接第五电阻r5的另一端和第四电阻r4的一端；第四电阻r4的另一端、第三电阻r3的另一端和第二电阻r2的另一端相连并接高增益放大器amp的正输入端、第六传输门t6的输入端、第七传输门t7的输入端、第八传输门t8的输入端和第九传输门t9的输入端；第六传输门t6的输出端接第一电容c1的一端，第七传输门t7的输出端
接第二电容c2的一端，第八传输门t8的输出端接第三电容c3的一端，第九传输门t9的输出端接第四电容c4的一端，第一电容c1的另一端、第二电容c2的另一端、第三电容c3的另一端和第四电容c4的另一端相连并接高增益放大器amp的负输出端；所述第二传输门t2的控制信号为第一控制信号及其反向信号、第三传输门t3的控制信号为第二控制信号及其反向信号、第四传输门t4的控制信号为第三控制信号及其反向信号、第五传输门t5的控制信号为第四控制信号及其反向信号、第六传输门t6的控制信号为第八控制信号及其反向信号、第七传输门t7的控制信号为第七控制信号及其反向信号、第八传输门t8的控制信号为第六控制信号及其反向信号、第九传输门t9的控制信号为第五控制信号及其反向信号；
7.所述第二反馈网络位于高增益放大器amp负输入端和正输出端之间，包括第十传输门t10、第十一传输门t11、第十二传输门t12、第十三传输门t13、第十四传输门t14、第十五传输门t15、第十六传输门t16、第十七传输门t17、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9、第五电容c5、第六电容c6、第七电容c7和第八电容c8；其中第十四传输门t14的输入端、第十五传输门t15的输入端、第十六传输门t16的输入端和第十七传输门t17的输入端相连并接高增益放大器amp的正输出端；第十四传输门t14的输出端接第六电阻r6的一端，第十五传输门t15的输出端接第七电阻r7的一端，第十七传输门t17的输出端接第九电阻r9的一端，第十六传输门t16的输出端接第九电阻r9的另一端和第八电阻r8的一端；第六电阻r6的另一端、第七电阻r7的另一端和第八电阻r8的另一端相连并接高增益放大器amp的负输入端、第十传输门t10的输入端、第十一传输门t11的输入端、第十二传输门t12的输入端和第十三传输门t13的输入端；第十传输门t10的输出端接第五电容c5的一端，第十一传输门t11的输出端接第六电容c6的一端，第十二传输门t12的输出端接第七电容c7的一端，第十三传输门t13的输出端接第八电容c8的一端；所述第十四传输门t14的控制信号为第一控制信号及其反向信号、第十五传输门t15的控制信号为第二控制信号及其反向信号、第十六传输门t16的控制信号为第三控制信号及其反向信号、第十七传输门t17的控制信号为第四控制信号及其反向信号、第十传输门t10的控制信号为第五控制信号及其反向信号、第十一传输门t11的控制信号为第六控制信号及其反向信号、第十二传输门t12的控制信号为第七控制信号及其反向信号、第十三传输门t13的控制信号为第八控制信号及其反向信号；
8.所述第三反馈网络包括第一传输门t1、第十八传输门t18、第一电阻r1和第十电阻r10；第一电阻r1的一端接差分输入信号vin，其另一端接第一传输门t1的输入端，第一传输门t1的输出端接高增益放大器amp的负输入端；第十电阻r10的一端接差分输入信号vpn，其另一端接第十八传输门t18的输入端，第十八传输门t18的输出端接高增益放大器amp的正输入端；所述第一传输门t1和第十八传输门t18的控制信号均为使能信号及其反向信号；
9.所述负载电路包括以并联形式连接在负输出端的第一负载电阻rl1和第一负载电容cl1，以及以并联形式连接在正输出端的第二负载电阻rl2和第二负载电容cl2；
10.所述反相器电路包括第一反相器inv1、第二反相器inv2和第三反相器inv3，其中第一反相器inv1的输入端接由第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号构成的第一控制信号序列，第一反相器inv1的输出端输出第一控制信号序列的反向信号；第二反相器inv2的输入端接由第五控制信号、第六控制信号、第七控制信号和第八控制信号构成的第二控制信号序列，第二反相器inv2的输出端输出第二控制信号序列的反向信
号；第三反相器inv3的输入端输入使能信号，第三反相器inv3的输出端输出使能信号的反向信号。
11.进一步的，当使能信号为高，并且第一控制信号为高、第二控制信号为高、第三控制信号为低、第四控制信号为低、第五控制信号为高、第六控制信号为高、第七控制信号为高、第八控制信号为高时可编程增益放大器实现1倍增益；
12.当使能信号为高，并且第一控制信号为低、第二控制信号为高、第三控制信号为低、第四控制信号为低、第五控制信号为高、第六控制信号为高、第七控制信号为高、第八控制信号为低时可编程增益放大器实现2倍增益；
13.当使能信号为高，并且第一控制信号为低、第二控制信号为低、第三控制信号为高、第四控制信号为低、第五控制信号为高、第六控制信号为高、第七控制信号为低、第八控制信号为低时可编程增益放大器实现4倍增益；
14.当使能信号为高，并且第一控制信号为低、第二控制信号为低、第三控制信号为低、第四控制信号为高、第五控制信号为高、第六控制信号为低、第七控制信号为低、第八控制信号为低时可编程增益放大器实现8倍增益。
15.本发明的有益效果为，本发明提出了一种适用于高精度adc前端的可编程增益放大器，可编程增益放大器整体采用全差分的结构，包括全差分放大器，放大器完成信号放大的功能，具有高增益高线性度的特性；切换反馈电阻和电容的网络的开关全部采用传输门开关，减少开关的沟道电荷注入效应和开关导通电阻的非线性；可编程增益放大器的反馈网络通过传输门和电阻电容组合达到改变反馈电阻和电容的大小，从而实现增益的控制，输入信号被精确放大倍数进行放大，同时还将反馈电阻和电容的大小进行阻抗匹配，保证整个可编程增益放大器的-3db带宽保持基本不变，使得在可编程增益放大器在不同的增益情况下的工作速度保持一致，大大提高线性度；本发明提出的可编程增益放大器具有很强的抵制共模干扰的特性，可以通过编程控制实现1、2、4、8倍的精确放大倍数，相对于传统的控制方式使用了更少的单位电阻，节省芯片面积，具有很强的鲁棒性。
附图说明
16.图1为传统pga的结构；
17.图2为传输门的电路图；
18.图3为本发明的适用于高精度adc前端的可编程放大器结构；
19.图4位四种增益控制状态下可编程增益放大器的输出频率响应曲线。
具体实施方式
20.下面结合附图对本发明进行详细的描述
21.如图3所示，本发明主要包含有高增益放大器amp，反馈网络100，反馈网络101，反馈网络120，负载电路121，反相器电路110。
22.反馈网络100包括第二传输门t2，第三传输门t3，第四传输门t4，第五传输门t5，第六传输门t6，第七传输门t7，第八传输门t8，第九传输门t9，第二电阻r2，第三电阻r3，第四电阻r4，第五电阻r5，第一电容c1，第二电容c2，第三电容c3，第四电容c4；反馈网络101包括第十传输门t10，第十一传输门t11，第十二传输门t12，第十三传输门t13，第十四传输门
t14，第十五传输门t15，第十六传输门t16，第十七传输门t17，第六电阻r6，第七电阻r7，第八电阻r8，第九电阻r9，第五电容c5，第六电容c6，第七电容c7，第八电容c8；反馈网络120包括第一传输门t1，第十八传输门t18，第一电阻r1，第十电阻r10；负载电路121包括第一负载电阻rl1，第一负载电容cl1，第二负载电阻rl2，第二负载电容cl2；所述反相器电路包括第一反相器inv1，第二反相器inv2，第三反相器inv3；所用传输门的电路图如图2所示。
23.本发明的可编程增益放大器通过编程改变放大器amp输入和输出端的反馈电阻和电容精确控制电路的增益大小，下面对可编程增益放大器的四种增益控制进行详细说明：
24.1倍增益：r《0》，r《1》为高，r《2》，r《3》为低，传输门t2，t3，t14，t15导通，传输门t4，t5，t16，t17断开，c《0》，c《1》，c《2》，c《3》为高，传输门t6，t7，t8，t9，t10，t11，t12，t13导通，反馈网络100和101接入的总电阻都为r，总电容都为8c。
25.2倍增益：r《1》为高，r《0》，r《2》，r《3》为低，传输门t3，t15导通，传输门t2，t4，t5，t14，t16，t17断开，c《0》，c《1》，c《2》为高，c《3》为低，传输门t7，t8，t9，t10，t11，t12导通，传输门t6，t13断开反馈网络100和101接入的总电阻都为2r，总电容都为4c。
26.4倍增益：r《2》高，r《0》，r《1》，r《3》为低，传输门t4，t16导通，传输门t2，t3，t5，t14，t15，t17断开，c《0》，c《1》为高，c《2》，c《3》为低，传输门t8，t9，t10，t11导通，t6，t7，t12，t13断开，反馈网络(100)和(101)接入的总电阻都为4r，总电容都为2c。8倍增益：r《3》为高，r《0》，r《1》，r《2》为低，传输门t5，t17导通，传输门t2，t3，t4，t14，t15，t16断开，c《0》为高c《1》，c《2》，c《3》为低，传输门t9，t10，导通，t6，t7，t8，t11，t12，t13断开，反馈网络100和101接入的总电阻都为8r，总电容都为c。
27.本发明的四种增益控制状态下可编程增益放大器的输出频率响应曲线如图4所示，由图可见四种增益控制方式下，电路的低频增益分别为：7.984，3.992，1.996，0.998，与理想情况下相差最大的只有2/1000，增益非常精确，而且此时电路的-3db带宽(增益倍数下降为直流情况下的0.707倍)都为100khz左右，可编程增益放大器具有较好的线性度。
28.本发明提出的可编程增益放大器具有很强的抵制共模干扰的特性，可以通过编程控制实现1、2、4、8倍的精确放大倍数，相对于传统的控制方式使用了更少的单位电阻，节省芯片面积，可编程增益放大器的反馈网络通过传输门和电阻电容组合达到改变反馈电阻和电容的大小，从而实现增益的控制，输入信号被精确放大倍数进行放大，同时还将反馈电阻和电容的大小进行阻抗匹配，保证整个可编程增益放大器的-3db带宽保持基本不变，使得在可编程增益放大器在不同的增益情况下的工作速度保持一致，大大提高线性度。

技术特征：
1.一种适用于高精度adc前端的可编程增益放大器，其特征在于，包括高增益放大器amp、第一反馈网络、第二反馈网络、第三反馈网络、负载电路和反相器电路；所述第一反馈网络位于高增益放大器amp正输入端和负输出端之间，包括第二传输门t2、第三传输门t3、第四传输门t4、第五传输门t5、第六传输门t6、第七传输门t7、第八传输门t8、第九传输门t9、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3和第四电容c4；第二传输门t2的输入端、第三传输门t3的输入端、第四传输门t4的输入端和第五传输门t5的输入端相连并接高增益放大器amp的负输出端，第二传输门t2的输出端接第二电阻r2的一端，第三传输门t3的输出端接第三电阻r3的一端，第五传输门t5的输出端接第五电阻r5的一端，第四传输门t4的输出端接第五电阻r5的另一端和第四电阻r4的一端；第四电阻r4的另一端、第三电阻r3的另一端和第二电阻r2的另一端相连并接高增益放大器amp的正输入端、第六传输门t6的输入端、第七传输门t7的输入端、第八传输门t8的输入端和第九传输门t9的输入端；第六传输门t6的输出端接第一电容c1的一端，第七传输门t7的输出端接第二电容c2的一端，第八传输门t8的输出端接第三电容c3的一端，第九传输门t9的输出端接第四电容c4的一端，第一电容c1的另一端、第二电容c2的另一端、第三电容c3的另一端和第四电容c4的另一端相连并接高增益放大器amp的负输出端；所述第二传输门t2的控制信号为第一控制信号及其反向信号、第三传输门t3的控制信号为第二控制信号及其反向信号、第四传输门t4的控制信号为第三控制信号及其反向信号、第五传输门t5的控制信号为第四控制信号及其反向信号、第六传输门t6的控制信号为第八控制信号及其反向信号、第七传输门t7的控制信号为第七控制信号及其反向信号、第八传输门t8的控制信号为第六控制信号及其反向信号、第九传输门t9的控制信号为第五控制信号及其反向信号；所述第二反馈网络位于高增益放大器amp负输入端和正输出端之间，包括第十传输门t10、第十一传输门t11、第十二传输门t12、第十三传输门t13、第十四传输门t14、第十五传输门t15、第十六传输门t16、第十七传输门t17、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9、第五电容c5、第六电容c6、第七电容c7和第八电容c8；其中第十四传输门t14的输入端、第十五传输门t15的输入端、第十六传输门t16的输入端和第十七传输门t17的输入端相连并接高增益放大器amp的正输出端；第十四传输门t14的输出端接第六电阻r6的一端，第十五传输门t15的输出端接第七电阻r7的一端，第十七传输门t17的输出端接第九电阻r9的一端，第十六传输门t16的输出端接第九电阻r9的另一端和第八电阻r8的一端；第六电阻r6的另一端、第七电阻r7的另一端和第八电阻r8的另一端相连并接高增益放大器amp的负输入端、第十传输门t10的输入端、第十一传输门t11的输入端、第十二传输门t12的输入端和第十三传输门t13的输入端；第十传输门t10的输出端接第五电容c5的一端，第十一传输门t11的输出端接第六电容c6的一端，第十二传输门t12的输出端接第七电容c7的一端，第十三传输门t13的输出端接第八电容c8的一端；所述第十四传输门t14的控制信号为第一控制信号及其反向信号、第十五传输门t15的控制信号为第二控制信号及其反向信号、第十六传输门t16的控制信号为第三控制信号及其反向信号、第十七传输门t17的控制信号为第四控制信号及其反向信号、第十传输门t10的控制信号为第五控制信号及其反向信号、第十一传输门t11的控制信号为第六控制信号及其反向信号、第十二传输门t12的控制信号为第七控制信号及其反向信号、第十三传输门t13的控制信号为第八控制信号及其反向信号；
所述第三反馈网络包括第一传输门t1、第十八传输门t18、第一电阻r1和第十电阻r10；第一电阻r1的一端接差分输入信号vin，其另一端接第一传输门t1的输入端，第一传输门t1的输出端接高增益放大器amp的负输入端；第十电阻r10的一端接差分输入信号vpn，其另一端接第十八传输门t18的输入端，第十八传输门t18的输出端接高增益放大器amp的正输入端；所述第一传输门t1和第十八传输门t18的控制信号均为使能信号及其反向信号；所述负载电路包括以并联形式连接在负输出端的第一负载电阻rl1和第一负载电容cl1，以及以并联形式连接在正输出端的第二负载电阻rl2和第二负载电容cl2；所述反相器电路包括第一反相器inv1、第二反相器inv2和第三反相器inv3，其中第一反相器inv1的输入端接由第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号构成的第一控制信号序列，第一反相器inv1的输出端输出第一控制信号序列的反向信号；第二反相器inv2的输入端接由第五控制信号、第六控制信号、第七控制信号和第八控制信号构成的第二控制信号序列，第二反相器inv2的输出端输出第二控制信号序列的反向信号；第三反相器inv3的输入端输入使能信号，第三反相器inv3的输出端输出使能信号的反向信号。2.根据权利要求1所述的一种适用于高精度adc前端的可编程增益放大器，其特征在于，当使能信号为高，并且第一控制信号为高、第二控制信号为高、第三控制信号为低、第四控制信号为低、第五控制信号为高、第六控制信号为高、第七控制信号为高、第八控制信号为高时可编程增益放大器实现1倍增益；当使能信号为高，并且第一控制信号为低、第二控制信号为高、第三控制信号为低、第四控制信号为低、第五控制信号为高、第六控制信号为高、第七控制信号为高、第八控制信号为低时可编程增益放大器实现2倍增益；当使能信号为高，并且第一控制信号为低、第二控制信号为低、第三控制信号为高、第四控制信号为低、第五控制信号为高、第六控制信号为高、第七控制信号为低、第八控制信号为低时可编程增益放大器实现4倍增益；当使能信号为高，并且第一控制信号为低、第二控制信号为低、第三控制信号为低、第四控制信号为高、第五控制信号为高、第六控制信号为低、第七控制信号为低、第八控制信号为低时可编程增益放大器实现8倍增益。

技术总结
本发明属于模拟电路技术领域，特别涉及一种适用于高精度ADC前端的可编程增益放大器。本发明的可编程增益放大器整体采用全差分的结构，包括全差分放大器，放大器完成信号放大的功能，具有高增益高线性度的特性；切换反馈电阻和电容的网络的开关全部采用传输门开关，减少开关的沟道电荷注入效应和开关导通电阻的非线性；可编程增益放大器的反馈网络通过传输门和电阻电容组合达到改变反馈电阻和电容的大小，从而实现增益的控制，输入信号被精确放大倍数进行放大，同时还将反馈电阻和电容的大小进行阻抗匹配，保证整个可编程增益放大器的-3dB带宽保持基本不变，使得在可编程增益放大器在不同的增益情况下的工作速度保持一致，大大提高线性度。大大提高线性度。大大提高线性度。


技术研发人员：陈素明 唐鹤 冯玮
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/7/25