阅读说明：本技术 一种高低频增益可调的模拟均衡器 (High-low frequency gain-adjustable analog equalizer ) 是由 段吉海 朱岛 韦保林 徐卫林 韦雪明 岳宏卫 于 2020-07-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种高低频增益可调的模拟均衡器,由2个有源负载网络、3个均衡电路和1个有源反馈电路组成；2个有源负载网络包括第一有源负载网络和第二有源负载网络；3个均衡电路包括第一低频细调均衡电路、第二低频细调均衡电路和低频粗调均衡电路。第一低频细调均衡电路和第二低频细调均衡电路的输入端形成本模拟均衡器的输入端。第一有源负载网络、第一低频细调均衡电路、第二低频细调均衡电路和有源反馈电路的输出端与低频粗调均衡电路的输入端连接；第二有源负载网络的输出端、低频粗调均衡电路的输出端和有源反馈电路的输入端形成本模拟均衡器的输出端。本发明能够提升整体均衡能力,增加了低频细调的可调范围,降低版图面积。(The invention discloses a high-low frequency gain-adjustable analog equalizer, which consists of 2 active load networks, 3 equalizing circuits and 1 active feedback circuit; the 2 active load networks comprise a first active load network and a second active load network; the 3 equalizing circuits comprise a first low-frequency fine-tuning equalizing circuit, a second low-frequency fine-tuning equalizing circuit and a low-frequency coarse-tuning equalizing circuit. The input terminals of the first low-frequency fine tuning equalizing circuit and the second low-frequency fine tuning equalizing circuit form the input terminals of the analog equalizer. The output ends of the first active load network, the first low-frequency fine tuning and balancing circuit, the second low-frequency fine tuning and balancing circuit and the active feedback circuit are connected with the input end of the low-frequency coarse tuning and balancing circuit; the output end of the second active load network, the output end of the low-frequency coarse tuning balancing circuit and the input end of the active feedback circuit form the output end of the analog equalizer. The invention can improve the integral balance capability, increase the adjustable range of low-frequency fine adjustment and reduce the layout area.)

一种高低频增益可调的模拟均衡器

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种高低频增益可调的模拟均衡器。

背景技术

由于数据的大量产生，人们对传输数据速率的要求也越来越高。但是在串行通信系统中，由于传输线、同轴电缆等有线信道存在介质损耗、趋肤效应等非理想因素，这些非理想因素会使信号发生衰减，并且数据速率越高衰减幅度越大。越是严重的衰减越是影响信号的完整性，影响接收端电路的正常判决，导致系统的误码率上升。

为了减小高速串行通信系统中的误码率，通常会在接收端添加一个对高频信号有补偿作用的均衡器，达到削弱有限信道对信号的衰减的效果，获得一个相对平坦总体的频率响应。在串行通信系统的传输中不同的有线信道，其衰减是不同的；相同的有线信道、但不同的信道长度，其衰减是不同的；相同的有线信道、相同的信道长度、但不同的数据速率，其衰减也是不同的。因为信道的衰减是不可预知和时变的，所以就要求均衡器的增益是可调的，来应对不同的信道衰减。但是现有均衡器在面对强衰减信道均衡时，却存在低频可调范围低、高频峰值增益不可调和版图面积过大的问题。

发明内容

本发明所要解决的是现有均衡器对强衰减信道均衡时低频可调范围低，高频峰值增益不可调和版图面积过大的问题，提供一种高低频增益可调的模拟均衡器。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种高低频增益可调的模拟均衡器，由2个有源负载网络、3个均衡电路和1个有源反馈电路组成。2个有源负载网络包括第一有源负载网络和第二有源负载网络。3个均衡电路包括第一低频细调均衡电路、第二低频细调均衡电路和低频粗调均衡电路。第一低频细调均衡电路的输入端vin和第二低频细调均衡电路的输入端vin相连后，形成本模拟均衡器的输入端VIN。第一低频细调均衡电路的输入端vip和第二低频细调均衡电路的输入端vip相连后，形成本模拟均衡器的输入端VIP。第一有源负载网络的输出端vonr与第一低频细调均衡电路的输出端von、第二低频细调均衡电路的输出端von、有源反馈电路的输出端vonfb和低频粗调均衡电路的输入端vin连接。第一有源负载网络的输出端vopr与第一低频细调均衡电路的输出端vop、第二低频细调均衡电路的输出端vop、有源反馈电路的输出端vopfb和低频粗调均衡电路的输入端vip连接。第二有源负载网络的输出端vonr、低频粗调均衡电路的输出端von和有源反馈电路的输入端vipfb相连后，形成本模拟均衡器的输出端VON。第二有源负载网络的输出端vopr、低频粗调均衡电路的输出端vop和有源反馈电路的输入端vinfb相连后，形成本模拟均衡器的输出端VOP。

上述方案中，第一低频细调均衡电路、第二低频细调均衡电路和低频粗调均衡电路的结构相同。

上述方案中，每个均衡电路包括MOS管NM1-5、反馈电阻R1和反馈电容C1。其中MOS管NM1-5为NMOS管。MOS管NM1的漏极形成均衡电路的输出端von。MOS管NM1的栅极形成均衡电路的输入端vin。MOS管NM1的源极、反馈电阻R1的一端、反馈电容C1的一端、MOS管NM3的漏极和MOS管NM4的漏极相连。MOS管NM2的漏极形成均衡电路的输出端vop。MOS管NM2的栅极形成均衡电路的输入端vip。MOS管NM2的源极、反馈电阻R1的另一端、反馈电容C1的另一端、MOS管NM3的源极和MOS管NM5的漏极相连。MOS管NM3的栅极接控制电压VCL。MOS管NM4的源极和MOS管NM5的源极接地。MOS管NM4的栅极和MOS管NM5的栅极接控制电压vb。

上述方案中，第一有源负载网络和第二有源负载网络的结构相同。

上述方案中，每个有源负载网络包含MOS管PM1-4、MOS管NM20-23和负载电阻R4-5。其中MOS管PM1-4为PMOS管，MOS管NM20-23为NMOS管。MOS管PM1的源极接电源VDD。MOS管PM1的栅极接MOS管PM3的漏极和MOS管NM21的漏极，MOS管PM1的漏极接MOS管PM3的源极和电阻R4的一端。电阻R4的另一端形成有源负载网络的输出端vonr。MOS管PM3的栅极接高频控制电压VC。MOS管NM21的栅极、MOS管NM20的栅极和MOS管NM20的漏极接控制电流IC。MOS管NM20和MOS管NM21的源极接地。MOS管PM2的源极接电源VDD。MOS管PM2的栅极接MOS管PM4的漏极和MOS管NM23的漏极，MOS管PM2的漏极接MOS管PM4的源极和电阻R5的一端。电阻R5的另一端形成有源负载网络的输出端vopr。MOS管PM4的栅极接高频控制电压VC。MOS管NM23的栅极、MOS管NM22的栅极和MOS管NM22的漏极接控制电流IC。MOS管NM22和MOS管NM23的源极接地。

上述方案中，有源反馈电路包含MOS管NM11-14。其中MOS管NM11-14为NMOS管。MOS管NM11的栅极形成有源反馈电路的输入端vinfb。MOS管NM11的漏极形成有源反馈电路的输出端vonfb。MOS管NM11的源极接MOS管NM13的漏极。MOS管NM13的栅极接控制电压vb，MOS管NM13的源极接地。MOS管NM12的栅极形成有源反馈电路的输入端vipfb。MOS管NM12的漏极形成有源反馈电路的输出端vopfb。MOS管NM12的源极接MOS管NM14的漏极。MOS管NM14的栅极接控制电压vb，MOS管NM14的源极接地。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、均衡电路的输入采用并联结构，提升整体均衡能力的同时，增加了低频细调的可调范围。

2、采用低频粗调均衡电路和低频细调均衡电路串联的结构，提升了对高衰减信道均衡的能力。

3、能够均衡高传输速率的数据，可以为传输速率15Gbps的数据提供峰值为16dB的增益。

4、采用有源电感为均衡器提供感应峰化的能力，提升均衡能力的同时，降低版图面积，并且因为有源电感的感值可调，所以均衡器的高频峰值增益可调。

附图说明

图1为高低频增益可调模拟均衡器的电路原理图。

图2为本发明的幅频特性曲线仿真结果。

图3为不同的VCL控制电压幅频特性曲线仿真结果。

图4为不同的VCH控制电压幅频特性曲线仿真结果。

图5为不同的VCH和VCL控制电压幅频特性曲线仿真结果。

图6为不同的VC控制电压情况下第一有源负载网络中有源电感的感值变化情况。

图7为不同的VC控制电压情况下第二有源负载网络中有源电感的感值变化情况。

图8为不同的VC、VCH和VCL控制电压幅频特性曲线仿真结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

一种高低频增益可调的模拟均衡器，如图1所示，由2个有源负载网络、3个均衡电路和1个有源反馈电路组成。2个有源负载网络包括第一有源负载网络和第二有源负载网络。3个均衡电路包括第一低频细调均衡电路、第二低频细调均衡电路和低频粗调均衡电路。第一低频细调均衡电路的输入端vin和第二低频细调均衡电路的输入端vin相连后，形成本模拟均衡器的输入端VIN。第一低频细调均衡电路的输入端vip和第二低频细调均衡电路的输入端vip相连后，形成本模拟均衡器的输入端VIP。第一有源负载网络的输出端vonr与第一低频细调均衡电路的输出端von、第二低频细调均衡电路的输出端von、有源反馈电路的输出端vonfb和低频粗调均衡电路的输入端vin连接。第一有源负载网络的输出端vopr与第一低频细调均衡电路的输出端vop、第二低频细调均衡电路的输出端vop、有源反馈电路的输出端vopfb和低频粗调均衡电路的输入端vip连接。第二有源负载网络的输出端vonr、低频粗调均衡电路的输出端von和有源反馈电路的输入端vipfb相连后，形成本模拟均衡器的输出端VON。第二有源负载网络的输出端vopr、低频粗调均衡电路的输出端vop和有源反馈电路的输入端vinfb相连后，形成本模拟均衡器的输出端VOP。

第一低频细调均衡电路包括NMOS管NM1-5、反馈电阻R1和反馈电容C1。MOS管NM1和MOS管NM2为差分对放大管，反馈电阻R1、反馈电容C1和MOS管NM3构成的并联网络为差分对的源极负反馈网络。MOS管NM4和MOS管NM5为差分对的尾电流管。MOS管NM1的漏极形成第一低频细调均衡电路的输出端von1，MOS管NM1的栅极形成第一低频细调均衡电路的输入端vin1，MOS管NM1的源极、反馈电阻R1的一端、反馈电容C1的一端、MOS管NM3的漏极和MOS管NM4的漏极相连。MOS管NM2的漏极形成第一低频细调均衡电路的输出端vop1，MOS管NM2的栅极形成第一低频细调均衡电路的输入端vip1，MOS管NM2的源极、反馈电阻R1的另一端、反馈电容C1的另一端、MOS管NM3的源极和MOS管NM5的漏极相连。MOS管NM3的栅极接控制电压VCL。MOS管NM4的源极和MOS管NM5的源极接地，MOS管NM4的栅极和MOS管NM5的栅极接控制电压vb。

第二低频细调均衡电路包括NMOS管NM6-10、反馈电阻R2和反馈电容2。MOS管NM6和MOS管NM7为差分对放大管，反馈电阻R2、反馈电容C2和MOS管NM8构成的并联网络为差分对的源极负反馈网络。MOS管NM9和MOS管NM10为差分对的尾电流管。MOS管NM6的漏极形成第二低频细调均衡电路的输出端von2，MOS管NM6的栅极形成第二低频细调均衡电路的输入端vin2，MOS管NM6的源极、反馈电阻R2的一端、反馈电容C2的一端、MOS管NM8的漏极和MOS管NM9的漏极相连。MOS管NM7的漏极形成第二低频细调均衡电路的输出端vop2，MOS管NM7的栅极形成第二低频细调均衡电路的输入端vip2，MOS管NM7的源极、反馈电阻R2的另一端、反馈电容C2的另一端、MOS管NM8的源极和MOS管NM10的漏极相连。MOS管NM8的栅极接控制电压VCL。MOS管NM9的源极和MOS管NM10的源极接地，MOS管NM9的栅极和MOS管NM10的栅极接控制电压vb。

低频粗调均衡电路包含NMOS管NM15-19、反馈电容C3和反馈电阻R3。MOS管NM15和MOS管NM16为差分对放大管，反馈电阻R3、反馈电容C3和MOS管NM17构成的并联网络为差分对的源极负反馈网络。MOS管NM18和MOS管NM19为差分对的尾电流管。MOS管NM15的栅极形成低频粗调均衡电路的输入端vin3，MOS管NM15的漏极形成低频粗调均衡电路的输出端von3，MOS管NM15的源极、反馈电容C3的一端、反馈电阻R3的一端、MOS管NM17和MOS管NM18的漏极相连。MOS管NM18的栅极接控制电压vb，MOS管NM18的源极接地。MOS管NM16的栅极形成低频粗调均衡电路的输入端vip3，MOS管NM16的漏极形成低频粗调均衡电路的输出端vop3，MOS管NM16的源极、反馈电容C3的另一端、反馈电阻R3的另一端、MOS管NM17的源极、MOS管NM19的漏极相连。MOS管NM19的栅极接控制电压vb，MOS管NM19的源极接地，MOS管NM17的栅极接外部控制电压VCH。

第一有源负载网络包含PMOS管PM1-4、NMOS管NM20-23，负载电阻R4-5。MOS管PM1的源极接电源VDD，MOS管PM1的栅极接MOS管PM3的漏极和MOS管NM21的漏极，MOS管PM1的漏极接MOS管PM3的源极和电阻R4的一端。电阻R4的另一端形成第一有源负载网络的输出端vonr1，并连接第一低频细调均衡电路的输出端von1和第二低频细调均衡电路的输出端von2。MOS管PM3的栅极接高频控制电压VC。MOS管NM21的源极接地，MOS管NM21的栅极、MOS管NM20的栅极、MOS管NM20的漏极和控制电流IC相连，MOS管NM20的源极接地。MOS管PM2的源极接电源VDD，MOS管PM2的栅极接MOS管PM4的漏极和MOS管NM23的漏极，MOS管PM2的漏极接MOS管PM4的源极和电阻R5的一端。电阻R5的另一端形成第一有源负载网络的输出端vop1，并连接第一低频细调均衡电路的输出端vopr1和第二低频细调均衡电路的输出端vop2。MOS管PM4的栅极接高频控制电压VC。MOS管NM23的源极接地，MOS管NM23的栅极、MOS管NM22的栅极、MOS管NM22的漏极和控制电流IC相连，MOS管NM22的源极接地。

第二有源负载网络包含PMOS管PM5-8、NMOS管NM24-27、负载电阻R6-7。MOS管PM5的源极接电源VDD，MOS管PM5的栅极接MOS管PM7的漏极和MOS管NM25的漏极，MOS管PM5的漏极接MOS管PM7的源极和电阻R6的一端。电阻R6的另一端形成第二有源负载网络的输出端vonr2，并连接低频粗调均衡电路的输出端von3。MOS管PM7的栅极接高频控制电压VC。MOS管NM25的源极接地，MOS管NM25的栅极、MOS管NM24的栅极、MOS管NM24的漏极和控制电流IC相连，MOS管NM24的源极接地。MOS管PM6的源极接电源VDD，MOS管PM6的栅极接MOS管PM8的漏极和MOS管NM27的漏极，MOS管PM6的漏极接MOS管PM8的源极和电阻R7的一端。电阻R7的另一端形成第二有源负载网络的输出端vopr2，并连接低频粗调均衡电路的输出vop3。MOS管PM8的栅极接高频控制电压VC。MOS管NM27的源极接地，MOS管NM27的栅极、MOS管NM26的栅极、MOS管NM26的漏极和控制电流IC相连，MOS管NM26的源极接地。

有源反馈电路包含NMOS管NM11-14。MOS管NM11和MOS管NM12为差分对放大管。MOS管NM13和MOS管NM14为差分对的尾电流管。MOS管NM11的栅极形成有源反馈电路的输入端vinfb，MOS管NM11的漏极形成有源反馈电路的输出端vonfb，MOS管NM11的源极接MOS管NM13的漏极。MOS管NM13的栅极接控制电压vb，MOS管NM13的源极接地。MOS管NM12的栅极形成有源反馈电路的输入端vipfb，MOS管NM12的漏极形成有源反馈电路的输出端vopfb，MOS管NM12的源极接MOS管NM14的漏极。MOS管NM14的栅极接控制电压vb，MOS管NM14的源极接地。

MOS管NM1-27为标准电压是1.8V的NMOS管，MOS管PM1-8为标准电压是1.8V的PMOS管。

第一低频细调均衡电路、第二低频细调均衡电路和低频粗调均衡电路的结构相同，即均由带有电容电阻源极负反馈的差分对构成，由于电容电阻的源极负反馈作用，差分对在复频域的左边产生了一个零点，并产生了一个极点。该零点的位置与反馈电阻和反馈电容的大小有关，当增益曲线通过这个零点后，增益上升，能够对零点之后的信道衰减起到补偿作用。此外，采用第一低频细调均衡电路、第二低频细调均衡电路并联和低频粗调均衡电路串联的结构，使得整个均衡电路可以产生三个零点和五个极点，当增益曲线经过每个零点时都会以20dB/dec的斜率上升，合理的调整反馈电阻和反馈电容的值，改变零点和极点的位置关系，可以提高高频和低频之间的增益差值，增加对高损耗信道的均衡能力。

第一有源负载网络和第二有源负载网络的结构相同，均衡电路与相应的负载之间呈串联连接方式，即低频细调均衡电路与第一有源负载网络串联，低频粗调均衡电路与第二有源负载网络串联。有源负载网络可以等效成有源电感与负载电阻串联，有源电感可以为均衡器提供一个零点和一个极点，有源电感的存在会减小，会使均衡电路的负载电容减小，进而增大极点所在的频率点，增加均衡器的带宽，因此可以均衡传输速率更高的信号。反馈电路取低频粗调均衡电路的输出作为输入，输出对低频细调均衡电路的输出进行补偿，减小差分信号的零点抖动。

对于图1所示的高低频可调模拟均衡器，采用0.18μm工艺设计，通过仿真得到图2-8的仿真结果。

图2为固定控制电压VC＝0V、VCH＝0.9V和VCL＝0.9V时，电路的幅频响应，可以看到峰值为16dB，峰值对应的频率为7.7GHz。

图3为固定控制电压VC＝0V、VCH＝0.9V时，改变控制电压VCL从0V到1.8V时幅频响应的可调范围，同时也是低频细调均衡电路的可调范围，可以看到在VCL＝0V时低频增益为2dB，VCL＝1.8V时低频增益为4dB。

图4为固定控制电压VC＝0V、VCL＝0.9V时，改变控制电压VCH从0V到1.8V时幅频响应的可调范围，同时也是低频粗调均衡电路的可调范围，可以看到在VCH＝0V时低频增益为-1.6dB，VCH＝1.8V时低频增益为4.9dB。

图5为固定控制电压VC＝0V时，改变控制电压VCH和VCL从0V到1.8V时幅频响应的可调范围，同时也是低频粗调均衡电路和低频细调均衡器的整体可调范围，可以看到在VCH＝0V、VCL＝0V时低频增益为-2.7dB，VCH＝1.8V、VCL＝1.8V时低频增益为5.8dB。

图6-7为改变控制电压VC从0V到0.6V时，在有源负载中有源电感感值的变化情况，均衡器高频可调的原因也正是因为有源电感的感值是可调的。

图8为改变控制电压VC从0V到0.6V，改变控制电压VCH和VCL从0V到1.8V时幅频响应的可调范围，同时也是整体均衡器电路可调范围，可以看到低频可调范围是从-6dB到6.5dB，高频峰值的可调范围从11.1dB到16.1dB。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。