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(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可變增益控制領(lǐng)域，尤其涉及一種無線通信發(fā)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(shù)：
隨著無線通訊技術(shù)的進步，無線通訊系統(tǒng)對功率控制，也即增益控制范圍的要求日益提高。為實現(xiàn)增益控制功能，無線通信發(fā)射機一般使用VGA控制電路，以提供可調(diào)節(jié)的增益。
現(xiàn)有的實現(xiàn)增益控制功能的方法通常有兩種A)將VGA控制電路集成于基帶部分。該方法的優(yōu)點在于基帶信號的頻率低，實現(xiàn)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。缺點在于整個發(fā)射機的發(fā)射通道的載波泄漏嚴重，需要設(shè)計復雜的調(diào)整電路以減少載波泄漏。
B)將VGA控制電路集成于射頻部分。該方法的優(yōu)點在于載波泄漏是固定值，且滿足發(fā)射機的載波泄漏參數(shù)要求，避免了嚴重的載波泄漏。缺點在于射頻部分的可變增益控制電路復雜；增益控制和增益步進不精確；一級電路的增益控制范圍小，需要多級電路串聯(lián)實現(xiàn)，因而功耗大，線性度差。
目前，無線通信發(fā)射機一般將兩種方法結(jié)合運用，其典型結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。無線通信發(fā)射機至少包括基帶濾波器及VGA控制電路模塊1，工作于基帶部分，對輸入的基帶信號I、Q作濾波和增益控制，能精確地調(diào)整增益和增益步進，實現(xiàn)增益的細調(diào)，其細調(diào)的增益控制范圍由載波泄漏的系統(tǒng)參數(shù)要求決定；正交分頻器8，用于對輸入的本振信號A作二分頻；IQ正交調(diào)制上變頻器2，用于將基帶濾波器及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，工作于射頻部分，能粗略地調(diào)整增益控制范圍和增益步進；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，用于對射頻濾波器4的輸出信號作功率放大；雙工器6和天線7，用于切換接收模式或發(fā)送模式。
現(xiàn)有的一級射頻VGA控制電路3的增益控制范圍一般不超過20dB，并且無法提供多級增益步進。因此，為達到無線通訊系統(tǒng)的增益控制范圍需求，需串聯(lián)多級射頻VGA控制電路3，導致無線通訊系統(tǒng)的功耗大，線性度低。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種無線通信發(fā)射機的射頻VGA控制電路及增益控制方法，實現(xiàn)一級電路的增益控制范圍大于40dB，并且提供一定的增益步進，不需再多級串聯(lián)，從而降低了無線通訊系統(tǒng)的功耗，提高了線性度。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種射頻可變增益放大器控制電路，其特征在于，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(zhuǎn)換為電流信號；增益控制單元，由第二控制信號控制，提供增益控制范圍和增益步進；負載單元，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，輸入電壓信號依次經(jīng)跨導級單元、增益控制單元和負載單元處理后，輸出增益控制后的電壓信號。
進一步地，所述第一控制信號通過切換不同的跨導，實現(xiàn)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(guān)斷。
進一步地，所述第二控制信號是數(shù)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晶體管陣列組成，上述兩晶體管陣列的柵極的數(shù)字控制信號互補。
進一步地，所述晶體管陣列里的每一晶體管的尺寸依次呈2的指數(shù)級增長，其中，指數(shù)從0開始，依次加1。
進一步地，所述晶體管陣列由五個晶體管組成，設(shè)第一晶體管的尺寸是K，則其他四個晶體管的尺寸依次是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(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的另一技術(shù)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(jīng)跨導級單元作增益切換，并將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號；A2、電流信號經(jīng)增益控制單元作增益控制；A3、經(jīng)負載單元將電流信號轉(zhuǎn)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(xiàn)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晶體管陣列組成，上述兩晶體管陣列的柵極的數(shù)字控制信號互補。
進一步地，所述晶體管陣列里的每一晶體管的尺寸依次呈2的指數(shù)級增長，其中，指數(shù)從0開始，依次加1。
進一步地，所述晶體管陣列由五個晶體管組成，設(shè)第一晶體管的尺寸是K，則其他四個晶體管的尺寸依次是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(jié)構(gòu)。
本發(fā)明通過跨導級單元的高低增益狀態(tài)的切換，可以提供10dB～20dB的增益控制范圍；同時，增益控制單元還可以提供遠大于20dB的增益控制范圍和增益步進。因此，整個射頻VGA控制電路可以提供大于40db的增益控制范圍和一定的增益步進。由于一級電路的增益控制范圍即可大于40db，故不需再串聯(lián)多級射頻VGA控制電路，從而可極大地降低無線通訊系統(tǒng)的功耗，并提升其線性度。


圖1是典型的無線通信系統(tǒng)發(fā)射機的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本發(fā)明的射頻VGA控制電路的原理框圖；圖3是本發(fā)明的射頻VGA的增益控制方法的流程圖；圖4是本發(fā)明的具體實施例的射頻VGA控制電路圖；圖5是本發(fā)明的具體實施例的增益控制單元的電路圖；圖6是本發(fā)明的具體實施例的增益控制范圍和增益步進的測試圖；圖7是TD-SCDMA雙模射頻收發(fā)芯片的發(fā)射機通道的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作詳細描述。
圖2是本發(fā)明的射頻VGA控制電路的原理框圖。本發(fā)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(diào)制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(jīng)跨導級單元轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘朇。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(shè)GM1＞GM2，通過切換跨導實現(xiàn)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的增益控制范圍。同時，通過切換跨導實現(xiàn)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(tǒng)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(diào)控，可以提供大于20db的增益控制范圍和增益步進。電流信號輸入增益控制單元后，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(zhuǎn)變成電壓信號B2，驅(qū)動后一級電路。其中，電流信號的分流比例由控制信號D2調(diào)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(diào)節(jié)，提供大于20dB的增益控制范圍。
由以上分析可知，本發(fā)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(jīng)跨導級單元作增益切換，并將輸入的電壓信號B轉(zhuǎn)換為電流信號C；步驟402、電流信號C經(jīng)增益控制單元作增益控制，輸出增益控制后的電流信號C1；步驟403、經(jīng)負載單元將電流信號C1轉(zhuǎn)換為電壓信號B2。
通過在跨導級單元切換高低增益狀態(tài)獲得的增益控制范圍，以及增益控制單元提供的增益控制范圍，兩者相加之和，即為整個射頻VGA控制電路的總增益控制范圍，由上可知，該總增益控制范圍大于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(fā)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(jié)構(gòu)電路，電路呈左右對稱結(jié)構(gòu)。本發(fā)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，由晶體管M1、晶體管M2和電阻R1組成；跨導GM2，由晶體管M3、晶體管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分別為晶體管M1、晶體管M2提供工作電流，并通過電流源I1、電流源I2的接通、關(guān)斷，使能或禁止跨導GM1；電流源I3、電流源I4分別為晶體管M3、晶體管M4提供工作電流，并通過電流源I3、電流源I4的接通、關(guān)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晶體管M1、晶體管M2和晶體管M3、晶體管M4的柵極。由晶體管M1、晶體管M2和電阻R1組成跨導GM1，晶體管M1、晶體管M2的源極間連結(jié)電阻R1，晶體管M1、晶體管M2的源極還各自連結(jié)電流源I1、電流源I2的一端，電流源的另一端皆接地。晶體管M3、晶體管M4和電阻R2組成跨導GM2，晶體管M3、晶體管M4的源極間連結(jié)電阻R2，晶體管M3、晶體管M4的源極還各自連結(jié)電流源I3、電流源I4的一端，電流源的另一端皆接地?？鐚M1、跨導GM2用于將電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?，設(shè)Gm1＞Gm2。在高增益模式下，電流源I3、電流源I4關(guān)斷，跨導GM2被停用，跨導GM1產(chǎn)生的電流由晶體管M1、晶體管M2的漏極輸入晶體管M5、晶體管M6的源極；在低增益模式下，電流源I1、電流源I2關(guān)斷，跨導GM1被停用，跨導GM2產(chǎn)生的電流由晶體管M3、晶體管M4的漏極輸入晶體管M5、晶體管M6的源極?？鐚Ъ墕卧ㄟ^控制信號，也即電流源的接通、關(guān)斷，切換跨導GM1和跨導GM2，實現(xiàn)高低增益的切換，提供10db～20dB的增益控制范圍。
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(wǎng)絡(luò)，和后一級電路的輸入阻抗一起，作為射頻VGA控制電路的負載。所述負載單元用于將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過輸出端Outp、Outn輸出，驅(qū)動后一級電路。輸出端Outp、Outn各自接有耦合電容C3、耦合電容C4，用于隔除輸出端的直流信號。
圖5是本發(fā)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晶體管陣列，其柵極的數(shù)字控制信號分別為K1～K5；另一組晶體管陣列，其柵極的數(shù)字控制信號分別為K1b～K5b。其中，數(shù)字控制信號由基帶部分提供。K1b～K5b取K1～K5的相反值。數(shù)字控制信號為K1b～K5b的晶體管陣列的漏極并聯(lián)連接管腳2，數(shù)字控制信號為K1～K5的漏極并聯(lián)連接管腳1，所述兩晶體管陣列的源極并聯(lián)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(shù)字控制信號，也即圖2所指的控制信號D2。分流后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(shù)字控制信號為K1～K5的晶體管陣列和數(shù)字控制信號為K1b～K5b的晶體管陣列的尺寸分別是晶體管M5的1、2、4、8、16倍。在本具體實施例中，晶體管陣列中的晶體管的尺寸依次呈2的指數(shù)級增長，其中，指數(shù)從0開始，依次加1。當然，本發(fā)明的增益控制單元并不局限于2的指數(shù)級，晶體管的尺寸倍數(shù)可依據(jù)所需達到的增益控制范圍和增益步進選擇。
通過控制數(shù)字信號K1～K5，可以實現(xiàn)30dB的增益控制范圍以及6dB的增益步進。其中，晶體管M5由電壓Vg驅(qū)動，其尺寸和晶體管陣列中的晶體管的最小尺寸一致。
由于本具體實施例應用差分拓撲結(jié)構(gòu)電路，則以圖4中左側(cè)的增益控制單元為例，對具體的實現(xiàn)過程進行介紹B1)如果K5K4K3K2K1＝00000，由于K5bK4bK3bK2bK1b取K5K4K3K2K1的相反值，則K5bK4bK3bK2bK1b＝11111。此時，連接輸出端Outp的晶體管尺寸為1倍的M5；連接到電源端VDD的晶體管尺寸為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(chǎn)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的晶體管尺寸為2倍的M5，連接到電源端VDD的晶體管尺寸為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(chǎn)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的晶體管尺寸為4倍的M5，連接到電源端VDD的晶體管尺寸為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(chǎn)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的晶體管尺寸為8倍的M5，連接到電源端VDD的晶體管尺寸為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(chǎn)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的晶體管尺寸為16倍的M5，連接到電源端VDD的晶體管尺寸為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(chǎn)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的晶體管尺寸為32倍的M5，由此，輸出端Outp的電壓信號即為最大可產(chǎn)生的電壓信號。
由于電流信號每增加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(xiàn)了增益步進6dB，增益控制范圍30dB。當然，本發(fā)明不局限于僅實現(xiàn)6dB的增益步進，根據(jù)K1～K5取0或取1，可實現(xiàn)不同的增益步進。例如，增益步進是3dB等。同樣地，本發(fā)明不局限于僅實現(xiàn)30db的增益控制范圍，晶體管陣列的數(shù)量及尺寸皆會影響增益控制范圍，該增益控制范圍可大于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的增益控制范圍，再加上增益控制單元提供的約30dB的增益控制范圍，本具體實施例的一級射頻VGA控制電路可以實現(xiàn)大于40dB的增益控制范圍，并同時提供約6dB的增益步進。
圖6是本具體實施例的VGA增益控制范圍和增益步進的測試圖。如圖所示，增益控制范圍為2.54-(-38.6)＝41.14db，可實現(xiàn)大于40dB的控制范圍。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，但由于實際電路的誤差，使該值有一定的偏差，但約等于6db。
本發(fā)明的具體實施例為差分拓撲結(jié)構(gòu)電路，但本發(fā)明并不局限于此，單端的電路同樣適用。另外，本發(fā)明也并不局限于集成電路設(shè)計，分立電路也同樣適用。
采用本發(fā)明原理設(shè)計的射頻VGA控制電路可應用于TD-SCDMA雙模射頻收發(fā)芯片。該芯片采用0.18um CMOS工藝設(shè)計，其發(fā)射機通道的框圖如圖7所示?；鶐д{(diào)制信號經(jīng)過濾波后，輸入正交上變頻器，轉(zhuǎn)換成射頻調(diào)制信號；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(qū)動放大器增加驅(qū)動能力后，驅(qū)動芯片外的功率放大器，也即功放。
當然，本發(fā)明在TD-SCDMA雙模射頻收發(fā)芯片中應用成功，但本發(fā)明并不局限于此，本發(fā)明也可廣泛應用于其他無線/有線通訊系統(tǒng)中，例如WCDMA、CDMA2000、GSM/EDGE、無繩電話、無線局域網(wǎng)、光纖系統(tǒng)等。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用于限制本發(fā)明。幾在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種射頻可變增益放大器控制電路，其特征在于，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(zhuǎn)換為電流信號；增益控制單元，由第二控制信號控制，提供增益控制范圍和增益步進；負載單元，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，輸入電壓信號依次經(jīng)跨導級單元、增益控制單元和負載單元處理后，輸出增益控制后的電壓信號。
2.如權(quán)利要求1所述的射頻可變增益放大器控制電路，其特征在于，所述第一控制信號通過切換不同的跨導，實現(xiàn)高低增益的切換。
3.如權(quán)利要求1或2所述的射頻可變增益放大器控制電路，其特征在于，所述第一控制信號是電流源的接通或關(guān)斷。
4.如權(quán)利要求1所述的射頻可變增益放大器控制電路，其特征在于，所述第二控制信號是數(shù)字控制信號。
5.如權(quán)利要求1或4所述的射頻可變增益放大器控制電路，其特征在于，所述增益控制單元由兩組尺寸對應相同的晶體管陣列組成，上述兩晶體管陣列的柵極的數(shù)字控制信號互補。
6.如權(quán)利要求5所述的射頻可變增益放大器控制電路，其特征在于，所述晶體管陣列里的每一晶體管的尺寸依次呈2的指數(shù)級增長，其中，指數(shù)從0開始，依次加1。
7.如權(quán)利要求5所述的射頻可變增益放大器控制電路，其特征在于，所述晶體管陣列由五個晶體管組成，設(shè)第一晶體管的尺寸是K，則其他四個晶體管的尺寸依次是2K、4K、8K、16K。
8.如權(quán)利要求1或7所述的射頻可變增益放大器控制電路，其特征在于，所述射頻可變增益放大器控制電路是差分拓撲結(jié)構(gòu)。
9.一種射頻可變增益放大器的增益控制方法，其特征在于，包括以下步驟A1、經(jīng)跨導級單元作增益切換，并將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號；A2、電流信號經(jīng)增益控制單元作增益控制；A3、經(jīng)負載單元將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。
10.如權(quán)利要求9所述的射頻可變增益放大器的增益控制方法，其特征在于，所述跨導級單元由不同的跨導組成，通過切換跨導，實現(xiàn)高低增益的切換。
11.如權(quán)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，其特征在于，所述增益控制單元由兩組尺寸對應相同的晶體管陣列組成，上述兩晶體管陣列的柵極的數(shù)字控制信號互補。
12.如權(quán)利要求11所述的射頻可變增益放大器的增益控制方法，其特征在于，所述晶體管陣列里的每一晶體管的尺寸依次呈2的指數(shù)級增長，其中，指數(shù)從0開始，依次加1。
13.如權(quán)利要求1 1所述的射頻可變增益放大器的增益控制方法，其特征在于，所述晶體管陣列由五個晶體管組成，設(shè)第一晶體管的尺寸是K，則其他四個晶體管的尺寸依次是2K、4K、8K、16K。
14.如權(quán)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，其特征在于，所述射頻可變增益放大器的控制電路是差分拓撲結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)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(jīng)跨導級單元、增益控制單元和負載單元處理后，輸出增益控制后的電壓信號。本發(fā)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(jīng)跨導級單元作增益切換，并將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號；A2)電流信號經(jīng)增益控制單元作增益控制；A3)經(jīng)負載單元將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。本發(fā)明使一級電路的增益控制范圍即大于40dB，并且提供一定的增益步進，不需再多級串聯(lián)，從而降低了無線通訊系統(tǒng)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(yōu)先權(quán)日2007年2月13日
發(fā)明者馬杰, 李振彪 申請人:鼎芯通訊(上海)有限公司