0 引言

    在無線通信系統(tǒng)中，由于信號多徑衰落,，接收機(jī)接收到的信號強(qiáng)度變化很大,，為了使整個系統(tǒng)的動態(tài)范圍最大化，需要一個自動增益控制(Automatic Gain Control,，AGC)電路根據(jù)輸入信號的大小,，通過反饋回路自動控制放大器增益的大小，保證輸出信號穩(wěn)定^[1-2],。為了獲得寬的動態(tài)范圍和穩(wěn)定的AGC環(huán)路建立時(shí)間,，可編程增益放大器（Programmable Gain Amplifier，PGA）需要dB線性的特點(diǎn)^[3],?？删幊淘鲆娣糯笃髯鳛樽詣釉鲆婵刂齐娐返闹匾M成部分，廣泛用于無線通信,、圖像傳感,、電視調(diào)諧器等領(lǐng)域。

    本文設(shè)計(jì)的可編程增益放大器應(yīng)用于超寬帶無線接收機(jī),，如圖1所示,，為了實(shí)現(xiàn)高線性度、大帶寬,、低噪聲等最優(yōu)的性能,，接收機(jī)采用零中頻結(jié)構(gòu)^[4]，射頻信號被下變頻至低頻后先經(jīng)過PGA,，然后再經(jīng)過LPF,，最后再經(jīng)過ADC輸出給數(shù)字信號處理（DSP）部分。本文設(shè)計(jì)的可編程增益放大器采用線性度增強(qiáng)型源簡并結(jié)構(gòu)的放大器加電阻衰減網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu),，增益的調(diào)節(jié)分兩步完成,，PGA Core實(shí)現(xiàn)6 dB增益調(diào)節(jié)步長，電阻衰減網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)1 dB增益調(diào)節(jié)步長，PGA Core電路采用線性度增強(qiáng)型源簡并結(jié)構(gòu)放大器,，提高PGA的線性度,。

1 可編程增益放大器整體結(jié)構(gòu)

    根據(jù)超寬帶無線接收機(jī)的系統(tǒng)要求確定設(shè)計(jì)方案，由于動態(tài)范圍不大,，可以只采用單級PGA,，不需要多級級聯(lián)；對于大帶寬的指標(biāo)要求,，可以采用電流模式的放大器實(shí)現(xiàn),；而對于高線性度的指標(biāo)要求，可以采用線性度增強(qiáng)型源簡并結(jié)構(gòu)的放大器來實(shí)現(xiàn),；最后對于小噪聲系數(shù)的指標(biāo)要求,，可以從整體PGA的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行折中設(shè)計(jì)。

    綜合以上分析,，最終確定可編程增益放大器的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示,，采用PGA Core與電阻衰減網(wǎng)絡(luò)(Attenuator)級聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)，PGA Core用來粗調(diào),，調(diào)節(jié)步長為6 dB/step,，調(diào)節(jié)范圍為-2～28 dB，電阻衰減網(wǎng)絡(luò)用來細(xì)調(diào),，調(diào)節(jié)步長為1 dB/step,，調(diào)節(jié)范圍為0～6 dB，中間的Buffer用于驅(qū)動電阻衰減網(wǎng)絡(luò),。

2 PGA Core電路設(shè)計(jì)

2.1 PGA Core電路結(jié)構(gòu)

    為了實(shí)現(xiàn)高線性度和大帶寬,，PGA Core采用線性度增強(qiáng)型源簡并技術(shù)和電流模式相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)。PGA Core電路結(jié)構(gòu)如圖3所示,，由一個跨導(dǎo)放大器和一個具有反饋電阻的閉環(huán)電流放大器組成,。輸入電壓信號經(jīng)過跨導(dǎo)放大器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鳎俳?jīng)過具有反饋電阻的電流放大器,，轉(zhuǎn)變成電壓輸出,。具有反饋電阻的閉環(huán)電流放大器結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是當(dāng)增益變化時(shí)具有恒定的帶寬，實(shí)質(zhì)相當(dāng)于一個跨阻放大器^[5],，設(shè)它的增益為R_m,，可表示為：

2.2 PGA Core電路原理

    PGA Core電路是可編程增益放大器的核心部分，它將決定PGA的性能,，本設(shè)計(jì)的PGA Core電路原理圖如圖4所示,，第一級為線性度增強(qiáng)型源簡并跨導(dǎo)放大器,，第二級為反饋電阻電流放大器,。

    第一級源簡并跨導(dǎo)放大器線性度的增強(qiáng)可以通過增大輸入管的跨導(dǎo)g_m1來實(shí)現(xiàn)，這可以通過負(fù)反饋來完成^[6]。圖4中通過M₂形成的負(fù)反饋迫使流過M₁的電流為一個常數(shù),，這樣差分輸入電壓只體現(xiàn)在源簡并電阻的兩端,，差分輸出電流流入M₂。由于負(fù)反饋的作用,，從M₁的源極看進(jìn)去的電阻可近似表示為：

    在沒引入負(fù)反饋之前,，從M₁的源極看進(jìn)去的電阻Rs1約為1/g_m1，因此,，從式(4)可以看出,，負(fù)反饋使R_s1減小了g_m2/g_o1倍，即相當(dāng)于等效輸入管的跨導(dǎo)g_m1增大了g_m2/g_o1倍,。因此,，在R_s相同的條件下，圖4所示的電路結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的源簡并電路結(jié)構(gòu)具有更高的線性度,。此外,，該電路中不存在高阻節(jié)點(diǎn)，因此還適用于寬帶寬情況^[7],。

    第二級反饋電阻電流放大器是基于線性度增強(qiáng)型源簡并結(jié)構(gòu)的電流鏡放大器,，電流鏡的比例是α，通過反饋電阻R_f形成閉環(huán)結(jié)構(gòu),。假設(shè)晶體管的導(dǎo)通跨導(dǎo)g_o遠(yuǎn)小于其本身跨導(dǎo)g_m,，即g_o<<gm，則該閉環(huán)電流放大器的增益,，即等效跨阻Rm可表示為：

    由式(9)可以看出,，兩個極點(diǎn)都是晶體管的截止頻率，頻率較高,，因此,，該跨阻放大器的主極點(diǎn)應(yīng)該由負(fù)載電容來決定。

    綜上所述,，PGA Core電路總增益可以表示為：

    PGA Core的總增益約為反饋電阻和源簡并電阻之比,，且放大器的主極點(diǎn)位于輸出節(jié)點(diǎn)處，帶寬主要由反饋電阻R_f和負(fù)載電容決定,。

    根據(jù)帶寬要求,，選取R_f的值，Rf越小,，帶寬越寬,，本設(shè)計(jì)中取R_f=7 kΩ。根據(jù)增益變化要求,，為了保持增益變化時(shí)帶寬恒定不變,，應(yīng)保持R_f不變,，讓源簡并電阻R_s變化，即把R_s設(shè)計(jì)成開關(guān)電阻陣列形式,，共有6個開關(guān)控制6個增益檔,，分別為28 dB、22 dB,、16 dB,、10 dB、4 dB和-2 dB,，即PGA Core實(shí)現(xiàn)步長為6 dB的粗調(diào)節(jié)功能,。可以滿足高線性度,、大帶寬,、低噪聲的設(shè)計(jì)要求。

3 電阻衰減網(wǎng)絡(luò)電路

    PGA增益的精確調(diào)節(jié)由電阻衰減網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn),，電阻衰減網(wǎng)絡(luò)具有高線性度和精確增益控制的特點(diǎn),，電阻網(wǎng)絡(luò)不會引入非線性^[8]，整個可編程增益放大器的線性度由PGA Core決定,。電阻衰減網(wǎng)絡(luò)在R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改,，通過調(diào)整電阻阻值，可以實(shí)現(xiàn)任意步長的衰減,。

    采用全差分結(jié)構(gòu)的電阻衰減網(wǎng)絡(luò)如圖5所示,，共有S₀~S₅ 6個開關(guān)控制6個增益檔，衰減步長為1 dB/step,，分別實(shí)現(xiàn)0 dB,、1 dB、2 dB,、3 dB,、4 dB和5 dB的增益衰減。

4 PGA版圖和仿真結(jié)果

    本文設(shè)計(jì)的可編程增益放大器采用SMIC 0.18 μm混合信號CMOS工藝,，芯片版圖如圖6所示,，白色方框內(nèi)部分是本文設(shè)計(jì)的PGA，有效面積為700 μm×280 μm,，采用1.8 V電源電壓供電,，消耗10.4 mA電流。

    圖7(a)所示為可編程增益放大器PGA Core增益粗調(diào)節(jié)曲線,，增益范圍為-2~28 dB,，3 dB帶寬約為300 MHz，調(diào)節(jié)步長為6 dB/step,，圖7(b)所示為PGA Core在最高增益檔時(shí)電阻衰減網(wǎng)絡(luò)的增益細(xì)調(diào)節(jié)曲線,，調(diào)節(jié)步長為1 dB/step,。

    圖8(a)所示為可編程增益放大器在最小增益-4 dB時(shí)的瞬態(tài)仿真結(jié)果，此時(shí)輸入信號為-10 dBm,，50 MHz的正弦波,，可以看出此時(shí)PGA沒有波形失真,，通過PSS仿真OIP3=17.6 dBm,。圖8(b)所示為可編程增益放大器在最大增益28 dB時(shí)的瞬態(tài)仿真結(jié)果，此時(shí)輸入信號為-30 dBm,，50 MHz的正弦波,，可以看出此時(shí)PGA沒有波形失真，通過PSS仿真OIP3=25.7 dBm,。

    圖9所示為可編程增益放大器在不同增益時(shí)的OIP3曲線,，在最大增益時(shí)，在250 MHz頻率處的OIP3達(dá)到25.7 dBm,，說明PGA有很好的線性度,。

    圖10所示為可編程增益放大器的噪聲系數(shù)曲線，在最大增益時(shí),，在250 MHz頻率處的噪聲系數(shù)NF為22.24 dB,。隨著增益的減小，噪聲系數(shù)逐漸變大,，但是能夠保證噪聲系數(shù)增大的值小于增益減小的值,，即噪聲系數(shù)增大的步長小于增益衰減的步長，滿足設(shè)計(jì)要求,。

5 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于超寬帶無線接收機(jī)的高線性度寬帶可編程增益放大器,，該P(yáng)GA采用線性度增強(qiáng)型源簡并結(jié)構(gòu)的放大器加電阻衰減網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，增益的調(diào)節(jié)分兩步完成,，PGA Core實(shí)現(xiàn)增益調(diào)節(jié)6 dB/step,，電阻衰減網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)增益調(diào)節(jié)1 dB/step，增益的調(diào)節(jié)由純電阻網(wǎng)絡(luò)決定,，實(shí)現(xiàn)高精度的增益調(diào)節(jié),，PGA Core電路采用線性度增強(qiáng)型源簡并結(jié)構(gòu)放大器，提高PGA的線性度,。仿真結(jié)果表明,，本文設(shè)計(jì)的PGA具有高線性度、大帶寬,、低噪聲的特點(diǎn),，滿足超寬帶無線接收機(jī)對PGA的要求。

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