高带宽线性可变增益放大器
阅读说明：本技术 高带宽线性可变增益放大器 (High bandwidth linear variable gain amplifier ) 是由 陈莹梅 庞淦 朱恩 于 2021-05-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有带宽拓展功能的线性可变增益放大器,该放大器采用吉尔伯特放大器做主体放大单元,另外引入Cherry-Hooper结构的负载以及电容退化技术来拓展放大器的带宽。首先采用Cherry-Hooper结构通过电压-电流负反馈来减小节点的阻抗,提高电路的主极点频率；其次放大器主放大管的发射极引入退化电容生成一个零点频率,通过该零点抵消原来的主极点,可以进一步拓展放大器带宽。该线性可变增益放大器具有高增益,高带宽和低功耗的优点；由于没有采用传统的电感峰化技术来拓展带宽,节省了芯片面积,降低了成本。(The invention discloses a linear variable gain amplifier with a bandwidth expanding function, which adopts a Gilbert amplifier as a main body amplifying unit and introduces load of a Cherry-Hooper structure and a capacitance degradation technology to expand the bandwidth of the amplifier. Firstly, reducing the impedance of a node by adopting a Cherry-Hooper structure through voltage-current negative feedback, and improving the dominant pole frequency of a circuit; and secondly, a degraded capacitor is introduced into an emitter of a main amplifying tube of the amplifier to generate a zero frequency, and the original dominant pole is offset through the zero frequency, so that the bandwidth of the amplifier can be further expanded. The linear variable gain amplifier has the advantages of high gain, high bandwidth and low power consumption; because the traditional inductance peaking technology is not adopted to expand the bandwidth, the chip area is saved, and the cost is reduced.)
技术领域
本发明涉及光纤通信等系统中的接收机部分电路，具体涉及一种高带宽线性可变增益放大器。
背景技术
光接收机前端放大电路一般包括跨阻放大器(TIA)、可变增益放大器(VGA)、输出缓冲器(Buffer)等。光信号被光电探测器所接收后，产生一个与接收光强度成正比的光电流。跨阻放大器将光电流放大并转化为电压信号，再经过VGA进一步放大，最后通过输出缓冲器输出，使其可以被后级电路进行处理。
作为接收机中的不可或缺的模块，可变增益放大器有着极其重要的作用：信号在传输的过程中，由于经过不同的传输路径，接收机接收到的信号功率在某一范围内不断变化，为了使后级电路系统具有较高的分辨率和信噪比，其输出信号必须先定个在稳定的小范围变化。通常接收机前端往往只能提供固定的或小范围可变的增益，这就要求在前端放大电路中必须加入可变增益放大器。
近年来随着无线信号传输系统性能的不断提高，对可变增益放大器的要求也越来越高，信号频率的增加导致可变增益放大器带宽需求增加；为实现大的输出信号摆幅，还要求放大器保持一定的线性度，实现不同格式信号的线性传输。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了克服现有技术中带宽和线性度的不足，本发明提供一种利用Cherry-Hooper电路做负载的线性可变增益放大器，实现更高带宽要求的光接收机系统。
技术方案：一种高带宽线性可变增益放大器，电路具体包括：
晶体管Q1的基极接输入电压Vinp，晶体管Q1的发射极接电容C1的第一端和电阻R1的第一端，晶体管Q1的集电极接晶体管Q3、Q4的发射极，
晶体管Q2的基极接输入电压Vinn，晶体管Q2的发射极接电容C1的第二端和电阻R2的第一端，晶体管Q2的集电极接晶体管Q5、Q6的发射极，
晶体管Q3的基极接控制信号Vcp，晶体管Q3的发射极接晶体管Q4的发射极，晶体管Q3的集电极接电阻R5的第一端和晶体管Q5的集电极，
晶体管Q4的基极接控制信号Vcn，晶体管Q4的集电极接电阻R6的第一端和晶体管Q6的集电极，
晶体管Q5的基极接控制信号Vcn，晶体管Q6的基极接控制信号Vcp，
晶体管Q7的基极接电阻R3的第一端、电阻R5的第二端和输出Voutn，晶体管Q7的发射极接晶体管Q9的集电极和晶体管Q8的发射极，晶体管Q7的集电极接电阻R7的第一端和电阻R3的第二端，
晶体管Q8的基极接电阻R4的第一端、电阻R6的第二端和输出Voutp，晶体管Q8的集电极接电阻R8的第一端和电阻R4的第二端，
晶体管Q9的基极接偏置电压Vbias，晶体管Q9的发射极接地，
MOS管M1的漏极连接到电阻R1、R2的第二端，MOS管M1的源极接地，MOS管M1的基极连接在MOS管M2的基极，
MOS管M2的漏极连接到偏置电流Ibias，MOS管M2的源极接地，MOS管M2的基极连接M2的漏极，
电阻R7和电阻R8的第二端接电源。
进一步地，晶体管Q7、Q8、Q9，电阻R3、R4、R7、R8构成了Cherry-Hooper结构，Cherry-Hooper结构通过电压-电流负反馈来减小节点的阻抗，提高电路的主极点频率；电阻R3、R4的大小决定放大器的小信号增益，晶体管Q7、Q8的跨导决定放大器带宽。
进一步地，电阻R1和R2、电容C1和CL、晶体管Q7和Q8的取值需满足：R1,2C1＝CL/gm7,8，其中，CL为可变增益放大器输出节点的负载电容，gm7,8为晶体管Q7、Q8的跨导。
进一步地，电阻R1、R2和C1用于源极退化，退化电容C1生成一个零点频率用于抵消原来的主极点，拓展放大器带宽；电阻R1和R2用于提高可变增益放大器的线性度。
进一步地，放大器电路采用BiCMOS工艺实现
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著的优点：
(1)本发明采用吉尔伯特单元，使得放大器实现了可变增益；
(2)晶体管Q7、Q8、Q9和电阻R3、R4、R7和R8构成Cherry-Hooper结构，减小输出等效电阻，实现带宽拓展的同时保持增益近似不变；
(3)电阻R1、R2，电容C1构成电容退化结构，引入零点抵消主极点，实现了带宽的拓展；
(4)电阻R1、R2，电容C1构成电容退化结构，使得放大管的跨导变为和电阻相关的常数，提高了放大器线性度。
附图说明
图1为本发明的电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
如图1所示，本发明提供的高带宽线性可变增益放大器包括：九只NPN双极型晶体管Q1至Q9，两只MOS管M1、M2，八只电阻R1至R8以及一只电容C1。晶体管Q1、Q2的基极接差分输入信号，发射极分别接在电容C1的两端，电阻R1、R2串联再与电容C1并联构成电容退化结构。MOS管M1、M2构成电流镜为Q1、Q2提供电流。晶体管Q3与Q6的基极相连接在控制信号的正端，晶体管Q4与Q5的基极相连接在控制信号的负端，Q3与Q4的发射极相连接在晶体管Q1的集电极，晶体管Q5、Q6的发射极相连接在晶体管Q2的集电极。Q3与Q5的集电极相连接在电阻R5的第一端，Q4与Q6的集电极相连接在电阻R6的第一端。晶体管Q1～Q6构成常用于线性可变增益放大器中的吉尔伯特单元。晶体管Q7的基极与电阻R5第二端、电阻R3的第一端以及输出Voutn相连，Q8的基极与电阻R6第二端、电阻R4的第一端以及输出Voutp相连，Q7、Q8的发射极相连接在晶体管Q9的集电极，晶体管Q9基极接偏置电压，发射极接地。电阻R3的第二端连在Q7的集电极和电阻R7的第一端上，R4的第二端连在Q8的集电极和电阻R8的第一端上。电阻R7和R8的另一端接电源。晶体管Q7～Q9，电阻R3、R4、R7、R8构成了Cherry-Hooper结构。电阻R5、R6减小了原先Cherry-Hooper结构增益与输出电压幅度之间的约束，使得电路更易实现与调整。
其中，为了保证带宽的拓展，Q9提供的电流必须使得晶体管Q7与Q8的跨导足够大，保证主极点频率gm7,8/CL所处位置满足系统速率对带宽的需求，其中CL为可变增益放大器输出节点的负载电容。
具体地，各元器件的详细连接方式如下：
晶体管Q1的基极接输入电压Vinp，晶体管Q1的发射极接电容C1的第一端和电阻R1的第一端，晶体管Q1的集电极接晶体管Q3、Q4的发射极；
晶体管Q2的基极接输入电压Vinn，晶体管Q2的发射极接电容C1的第二端和电阻R2的第一端，晶体管Q2的集电极接晶体管Q5、Q6的发射极；
晶体管Q3的基极接控制信号Vcp，晶体管Q3的发射极接晶体管Q1的集电极和晶体管Q4的发射极，晶体管Q3的集电极接电阻R5的第一端和晶体管Q5的集电极；
晶体管Q4的基极接控制信号Vcn，晶体管Q4的发射极接晶体管Q1的集电极和Q3的发射极，Q4的集电极接电阻R6的第一端和晶体管Q6的集电极；
晶体管Q5的基极接控制信号Vcn，晶体管Q5的发射极接晶体管Q2的集电极和Q6的发射极，Q5的集电极接电阻R5的第一端和晶体管Q3的集电极；
晶体管Q6的基极接控制信号Vcp，晶体管Q6的发射极接晶体管Q2的集电极和Q5的发射极，Q6的集电极接电阻R6的第一端和晶体管Q4的集电极；
晶体管Q7的基极接电阻R3的第一端，电阻R5的第二端和输出Voutn，晶体管Q7的发射极接晶体管Q9的集电极和晶体管Q8的发射极，Q7的集电极接电阻R7的第一端和电阻R3的第二端；
晶体管Q8的基极接电阻R4的第一端，电阻R6的第二端和输出Voutp，晶体管Q8的发射极接晶体管Q9的集电极和晶体管Q7的发射极，Q8的集电极接电阻R8的第一端和电阻R4的第二端；
晶体管Q9的基极接偏置电压Vbias，Q9的发射极接地，晶体管Q9的集电极接晶体管Q7和Q8的发射极；
MOS管M1的漏极连接到电阻R1、R2的另一端，MOS管M1的源极接地，MOS管M1的基极连接在MOS管M2的基极；
MOS管M2的漏极连接到偏置电流Ibias，MOS管M2的源极接地，MOS管M2的基极连接M2的漏极；
电阻R1的第一端接晶体管Q1的发射极，R1的第二端接电阻R2和MOS管M1的漏极；
电阻R2的第一端接晶体管Q2的发射极，R2的第二端接电阻R1和MOS管M1的漏极；
电阻R3的第一端接电阻R5的第二端，晶体管Q7的基极和输出Voutn，电阻R3的第二端接晶体管Q7的集电极和电阻R7的第一端；
电阻R4的第一端接电阻R6的第二端，晶体管Q8的基极和输出Voutp，电阻R3的第二端接晶体管Q7的集电极和电阻R7的第一端；
电阻R5第一端接晶体管Q3、Q5的集电极，R5第二端接电阻R3的第一端，晶体管Q7的基极和输出Voutn；
电阻R6第一端接晶体管Q4、Q6的集电极，R6第二端接电阻R4的第一端，晶体管Q8的基极和输出Voutp；
电阻R7的第一端接晶体管Q7的集电极和电阻R3的第二端，R7的第二端接电源；
电阻R8的第一端接晶体管Q8的集电极和电阻R4的第二端，R8的第二端接电源；
电容C1的第一端接晶体管Q1的发射极和电阻R1的第一端，电容C1的第二端接晶体管Q2的发射极和电阻R2的第一端。
该可变增益放大器的工作原理是：
首先，吉尔伯特放大器单元实现了最基本的可变增益放大器的功能。主放大对管Q1、Q2将电压转换为电流，控制信号决定晶体管Q3、Q4、Q5、Q6的导通程度，从而将不同大小的电流送到输出端。当差分控制信号为很大的正值时，晶体管Q3和Q6完全导通，从而输出电压为Vout＝gm1,2RLVin，当差分控制信号为很大的负值时，晶体管Q3和Q6完全导通，从而输出电压为Vout＝-gm1,2RLVin。其中RL为负载电阻，gm1,2为晶体管Q1和Q2的跨导，Vin为差分输入信号。
其次，晶体管Q7、Q8、Q9，电阻R3、R4、R7和R8构成了Cherry-Hooper结构的负载实现了带宽的拓展。考虑半边电路，电阻R3连接在晶体管Q7的基极和集电极之间，建立了电压-电流反馈。对于可变增益放大器来说，电路主极点位于电路输出端，Cherry-Hooper结构降低了输出电阻，将主极点频率提高，另外加入Cherry-Hooper结构的放大器的电压增益保持不变。
最后，电阻R1、R2，电容C1构成电容退化结构，进一步拓展带宽并提高线性度。位于发射极的电阻R1，R2与电容C1在电路中引入了零点实现带宽拓展。此外，引入退化电阻R1、R2后，放大管的跨导变为和电阻相关的常数，从而提高了放大器的线性度。
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