一种具有前馈加速功能的自动增益控制电路

1.本发明属于自动增益控制领域，更具体地，涉及一种具有前馈加速功能的自动增益控制电路。


背景技术：

2.为保证具有可变增益的放大器在不同输入幅度下，能够维持同等的输出幅度，需要一种控制增益的方式。自动增益控制作为很多系统的基础，已经广泛应用在成熟放大器产品之中。一个较为普遍的应用场景为跨阻放大器。跨阻放大器作为光接收机中的重要组成部分，需要能够接收不同光强下的信号，并维持跨阻放大器的输出具有同等幅度。图1为常规光电接收机前端系统框图，其中包含：跨阻放大器、可变增益放大器、输出缓冲器以及自动增益控制单元。
3.现有技术中的一种采用反馈的方案如图2所示。该自动增益控制由以下模块组成：峰值探测器，跨导单元，可变增益放大器以及环路积分电容四部分组成。在采样反馈的方案中，峰值探测器将连接在vga的输出端。反馈环路将根据峰值探测结果，与参考电压vref进行比较，根据两者电压的差距，等比例注入积分电容之中。环路积分电容的一个较为简单的实现即为单个到地电容。在这一环路中，vga为模拟电压控制。
4.该自动增益控制电路的优点在于实现简单，无需进行复杂的比较器判断，仅通过跨导放大单元以及单一电容即可实现比例积分控制。然而，现有技术为了消除射频主路中的高频信号对增益控制信号的影响，通常需要很大的积分电容，通过大的积分电容，滤除峰值探测器的残余纹波对增益控制信号的影响。若不对峰值探测器输出的纹波进行处理，该纹波将通过可变增益放大器，重新调制到射频主路，造成射频信号的不稳定。
5.然而现有技术中添加的大电容往往导致反馈式增益控制需要微秒极别的响应时间，无法实现快速响应。对于一些特殊的应用，例如无源光通信网络中的接收端，需要放大器的自动增益控制收敛时间处于100ns极别，传统反馈式自动增益控制将无法满足需求。


技术实现要素：

6.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种具有前馈加速功能的自动增益控制电路，旨在解决现有的反馈式自动增益控制中收敛速度慢且控制信号纹波大的技术问题。
7.本发明提供了一种具有前馈加速功能的自动增益控制电路，包括：前馈产生电路、前馈电流注入电路、环路积分电容、跨导单元和峰值探测器；所述前馈产生电路的输入端用于连接射频放大器的输入端，用于探测信号的改变并生成前馈电压信号；所述前馈电流注入电路的输入端连接至所述前馈产生电路的输出端，所述前馈电流注入电路的输出端连接至所述环路积分电容的第一输入端，所述前馈电流注入电路用于将所述前馈电压信号转化为第一电流信号，并将所述第一电流信号注入到所述环路积分电容中实现积分过程的加速；所述峰值探测器的输入端用于连接射频放大器的输出端，用于探测射频主路信号的峰
值包络，并生成与幅度等比例的电压信号；所述跨导单元的输入端连接至所述峰值探测器的输出端，所述跨导单元的输出端连接至所述环路积分电容的第二输入端，所述环路积分电容的输出端用于连接至所述射频放大器的控制端，所述跨导单元用于将峰值探测器输出的电压信号等比例转化为第二电流信号，并将所述第二电流信号注入到所述环路积分电容中实现自动增益控制。
8.更进一步地，前馈产生电路包括：运算放大器op、电阻r5和电容c1；所述运算放大器op的第一输入端作为所述前馈产生电路的输入端用于连接射频放大器的输入端v
rf
，所述运算放大器op的第二输入端连接至其输出端，所述运算放大器op的输出端通过依次串联连接的电阻r5和电容c1接地，所述运算放大器op的输出端以及所述电阻r5与所述电容c1的串联连接端作为所述前馈产生电路的输出端。
9.其中，运算放大器op的响应速度大于等于3000v/us。
10.更进一步地，前馈电流注入电路包括：第一mos管m23、第二mos管m24、第三mos管m25、第四mos管m26、第五mos管m27、第六mos管m28、第七mos管m29、第八mos管m30和第九mos管m31；所述第一mos管m23的源极、所述第二mos管m24的源极、所述第三mos管m25的源极和所述第四mos管m26的源极均与电源vdd相连，所述第一mos管m23的漏极与所述第五mos管m27的漏极均作为所述前馈电流注入电路的输出端用于与环路积分电容的输入端相连；所述第一mos管m23的栅极与所述第二mos管m24的栅极连接在一起并与所述第二mos管m24的漏极相连；所述第五mos管m27的源极接地；所述第三mos管m25的栅极与所述第四mos管m26的栅极连接在一起并与所述第三mos管m25的漏极相连；第四mos管m26的漏极与第六mos管m28的漏极连接，第六mos管m28的源极接地，第六mos管m28的栅极与漏极连接并与第五mos管m27的栅极连接；所述第八mos管m30的漏极与所述第一mos管m23的栅极相连，所述第八mos管m30的源极与第七mos管m29的漏极相连，所述第九mos管m31的漏极与所述第三mos管m25的漏极相连；所述第八mos管m30的栅极与第九mos管m31的栅极分别连接至所述前馈产生电路中电阻r5的两端；第七mos管m29的源极接地，第七mos管m29的栅极连接外部电流产生的偏置电压。
11.其中，环路积分电容的容值为皮法量级。
12.在本发明实施例中，跨导单元的结构与前馈电流注入电路的结构相同。其中，跨导单元中mos管尺寸为所述前馈电流注入电路中mos管尺寸的1/2。
13.通过本发明所构思的以上技术方案，打破了现有技术中存在的控制电压纹波与自动增益控制收敛时间中的折中。通过额外引入前馈模块，在探测到输入信号有改变时产生脉冲，生成前馈加速电流，加速环路积分电容的积分过程。在本发明所构思的技术方案中，对环路积分电容无任何限制，因此可以使用大的积分电容，在维持快速自动增益控制收敛的同时，环路积分电容仍然可以有效滤除峰值探测器的残余纹波，为可变增益放大器提供纯净的控制信号。通过对发明实例进行仿真，在同样的环路积分电容下，采用本发明中的技术可使得增益控制收敛时间减小60％。
附图说明
14.图1是现有技术提供的传统自动增益控制架构示意图；
15.图2是现有技术提供的传统反馈自动增益控制架构示意图；
16.图3是本发明实施例提供的自动增益控制电路的原理框图；
17.图4是本发明实施例提供的自动增益控制电路的电路结构示意图；
18.图5是本发明实施例提供的自动增益控制电路的应用实例的结构示意图；
19.图6是本发明实施例提供的时域仿真结果。
具体实施方式
20.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
21.本发明分析了传统反馈式自动增益控制中控制电平纹波与自动增益控制收敛时间的折中，通过在传统自动增益控制环路外额外引入一个前馈注入加速环路，使得自动增益控制的收敛时间不必完全依赖环路积分电容。因此，采用本发明的技术可以在维持低控制电平纹波的同时，具有更快的自动增益控制收敛时间，使得自动增益控制环路能够满足特定通信系统的需求。
22.本发明公开了一种具有前馈加速功能的自动增益控制电路，如图3所示，可用于需要自动增益控制的放大器环路中。包括：前馈产生电路、前馈电流注入电路、环路积分电容、跨导单元以及峰值探测器。前馈产生电路一端连接在射频主路，另一端与前馈电流注入电路相连，该电路将探测信号的改变，生成前馈信号；前馈电流注入电路接收前馈产生电路的输出，另一端与环路积分电容相连，该电路主要负责将前馈产生电路的电压信号转化为电流信号，将电流注入到自动增益控制环路积分电容中，加速积分过程；跨导单元的输入与峰值探测器连接，输出与自动增益控制环路积分电容连接，用于将峰值探测器输出的电压信号等比例转化为电流信号，注入到自动增益控制环路积分电容中；峰值探测器的输入与射频主通道相连，负责探测射频主路信号的峰值包络，生成与幅度等比例的电压信号，输出信号将送给跨导单元，该电路同样是传统自动增益环路的一部分。环路积分电容与前馈电流注入电路、跨导单元以及可变增益放大器相连，是比例积分控制系统的一部分，负责对反馈信号进行积分，生成增益控制电压。
23.本发明提供了一种具有前馈加速功能的自动增益控制电路，为了说明其可能的一种实施方式，假定其在如图4所示的方案中实现。图4所示方案为一个典型的单端输入，差分输出tia，其包含了跨阻增益单元、单端转差分放大器(单转差)、可变增益放大器(vga)以及射频放大器，总共4极放大单元。通常整体系统增益s参数增益可达40db以上。
24.如图4中的框中表示agc电路的一种实现方式，其由以下几个部分组成：连接在vga的输出端的峰值探测器(peak detector)；与峰值探测器的输出相连的跨导单元，其跨导增益设置为gm1，且跨导单元的输出将直接接入自动增益控制环路积分电容器c1之上；自动增益控制环路积分电容器c1的上极板存储着vga的增益控制电压vctrl，下极板连接着地；前馈产生电路借用了原本用于抵消输入直流信号的直流电流消除电路的栅极，通过buffer进行了电压信号的提取；前馈电流注入电路则由高通滤波网络r1与c2，以及另一个跨导单元(跨导增益设置为gm2，gm2的值约为gm1的两倍)组成，该跨导单元同样直接连接在环路积分电容器c1之上。
25.前馈电流注入电路包括：第一mos管m23、第二mos管m24、第三mos管m25、第四mos管
m26、第五mos管m27、第六mos管m28、第七mos管m29、第八mos管m30和第九mos管m31；m23的源极与vdd相连，漏极与环路积分电容相连，栅极与m24的栅极连接在一起，并与m24的漏极相连；m24的源极与vdd相连，漏极与源极短接，且与m30的漏极以及m23的栅极相连；m25的源极与vdd相连，漏极与m31的漏极以及m25的栅极，m26的栅极相连；m26的源极与vdd相连，漏极与m28的栅极与漏极相连，栅极与m25的栅极相连；m27的源极与地相连，栅极与m28的栅极相连，漏极与环路积分低矮内容相连；m28的栅极与漏极短接，同时与m26的漏极相连；m29的源极与地相连，栅极接vbias2，漏极与m30、m31的源极相连；m30的漏极与m23、m24的栅极相连，源极与m29的漏极相连，栅极与电容c1的上极板，r5的下端口相连；m31的漏极与m25、m26的栅极相连，源极与m29的漏极相连，栅极与r5的上端口，运算放大器的输出端相连。
26.由于光信号的特征，pd的电流信号具有直流分量，且pd的电流直流分量的大小与光的强度相关。因此在一些特殊应用(比如burst-mode接收)下，需要tia芯片能够快速的根据输入信号的强度，调整增益，使输出幅度保持不变。对于图4所示的系统而言，当输入光强发生变化时，其直流成分将发生变化，使得信号经过缓冲器(单位增益运算放大器)，生成前馈信号。我们期望在前馈发生时，存在与输入信号变化量等比的电流注入到环路滤波器中，但经过一定时间后，不希望有额外的信号注入，影响整个反馈环路的工作。因此我们将前馈信号进行了高通滤波，并将电压信号，经过跨导单元转化为电流，加速了反馈的积分速度。
27.图5为具体agc电路的一个实施示例。前馈产生电路由运算放大器(op)以及高通滤波器(r5，c1)组成，vrf将与射频主路相连，通过高压摆率的运算放大器以及高通滤波器的共同作用，将在电阻r5的两端产生一个脉冲，该脉冲将被前馈电路注入电路捕获，并生成与脉冲大小成比例的积分电流。其中，运算放大器(op)的响应速度大于等于3000v/us。
28.前馈电流注入电路与跨到增益单元实现方式可以一致，由晶体管m23-m31实现。m29与第二偏置电压vbias2相连，为整个电路提供了偏置电流；m30与m31为主要放大单元，将根据输入信号产生等比例的电流；m23-m26以及m27，m28共同组成了电流镜。
29.为了整个自动增益控制电路实现方便，在本发明实例中跨导单元与前馈电流注入电路具有相同的电路结构，但是前馈电流注入电路中mos管的尺寸约为跨导单元中mos管尺寸的两倍。峰值探测器如图中所示，vinp与vinn代表了射频主路输入的差分信号。晶体管m1与m2偏置在亚阈值，通过晶体管在亚阈值中电压与电流的指数关系，在一定区间内实现了线性的幅度与电压的关系。峰值探测器除了输出与幅度正相关的电压vpeak之外，还需生成代表期望的rf信号幅度的电压vref。vref的生成由r3与r4进行调节，其中vcm由电阻r1与r2取得，r1与r2具有同等阻值。
30.图6为该系统的仿真结果，横轴为时间，纵轴为控制电压。该仿真基于图5所示的实例，采用cmos工艺进行仿真。在传统反馈式自动增益控制模式下，其增益控制信号如图6中灰色虚线所示，曲线符合比例积分控制模式，其上升较为缓慢；在开启前馈加速之后，由于在积分过程中有前馈的加速，极大程度上缩短了上升过程，因此可以更快的实现控制收敛。
31.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。