增益精确的可变增益放大器

李 丹,闫涛涛,陈东坡,周健军

摘 要:可变增益放大器是GPS接收机中的一个关键模块,它与反馈环路组成的自动增益控制电路为模/数转换器(ADC)提供恒定的信号功率。模拟信号控制增益的VGA增益连续变化,但是线性度较差。这里采用电阻形式的负反馈的放大器来设计一个0~30 dB增益变化的中频可变增益放大器,VGA的增益精度并不取决于工艺、电压和温度等因素对电阻、MOS管开关的影响,增益误差在各个工艺角下都小于5%。基于0.18 μm CMOS工艺的测试结果表明,带内纹波小于0.1 dB,IIP3达到31 dBm@0 dB,功耗为3 mA,其中包括直流偏移消除模块和CMOS源极跟随缓冲电路。因此,该放大器适合在接收机模拟前端使用。

关键词:可变增益放大器;电阻形式负反馈;增益精确;带内纹波

中图分类号:TN432文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2009)12-004-03

Variable Gain Amplifier with Accurate Gain

LI Dan,YAN Taotao,CHEN Dongpo,ZHOU Jianjun

(Center for Analog RFIC,School of Microelectronics,Shanghai Jiaotong University,Shanghai,200240,China)

Abstract:The variable gain amplifier embedded in an automatic gain control loop is an essential component of GPS receiver.With the feedback loop,it constitutes the automatic gain control circuit for ADC to provide constant power signal.VGA gain controlled by analog signal has continuous change,but poor linearity.Resistive negative feedback amplifier is proposed to design a gain range of 0~30 dB intermediate frequency variable gain amplifier.Its gain accuracy nearly does not depend on factors of process,voltage and temperature influence on resistor and MOS switch,gain error less than 0.5% under all corners.Testing results based on 0.18 μm CMOS technical indicates that in-band ripple is less than 0.1 dB,IIP3 is 31 dBm@0 dB,while dissipating 3 mA(containing DC-offset cancellation circuit and CMOS Source-Follower Buffer Circuit).As a result,this amplifier is suitable for the use in analog front-end receiver.

Keywords:variable gain amplifier;resistive negative feedback;accurate gain;low in-band ripple

0 引 言

可变增益放大器是GPS接收机中的一个关键模块,它与反馈环路组成的自动增益控制电路为模/数转换器(ADC)提供恒定的信号功率。模拟信号控制增益的VGA增益连续变化,但是线性度较差。

这里采用电阻形式的负反馈的放大器来设计一个0~30 dB增益变化的中频可变增益放大器,VGA的增益精度并不取决于工艺、电压和温度等因素对电阻、MOS管开关的影响,增益误差在各个工艺角下都小于5%。

1 可变增益放大器原理

模拟电路需要对信号进行放大或衰减,这一功能可由可变增益放大器(VGA)实现。它在无线通信的收/发信机模拟前端中,起着至关重要的作用。图1是用于GPS的接收机模拟前端图。处于基波频率的VGA补偿射频模块和中频模块的增益衰减;VGA将输出信号放大到A/D转换器需要的幅度。AGC环路改变接收机的增益,调整各级信号动态范围,稳定输出信号功率的作用。

图1 GPS的接收机模拟前端图

对于VGA电路,IIP3和THD是重要的指标,因为它的输出信号幅度很大。其次,为了实现宽增益范围调节,同时保持不同增益输入功率下恒定的输出建立时间,要求VGA的增益与控制电压成dB线性。VGA增益步长越小越精确,则对ADC的要求越降低。在文中,数字控制的VGA电路提供了30 dB的增益控制范围,使用7 b精确控制增益大小,所耗面积和功耗小。

2 可变增益放大器结构与性能比较

VGA主要分为开环和闭环两种结构。一种常见的开环结构是文献[1]采用的Gilbert结构,如图2所示电路。M5上加一个基准电压,电压Vc控制耦合电流的大小,起到改变增益的作用。但是此结构电路堆叠了四层电路,限制了输出电压的摆幅,而且此电路不能实现指数增益的控制。这些运用最广泛的开环结构中,可变增益放大器主要基于简单差分[2],或者是伪差分对[3],使用源极反馈技术[4,5],模拟乘法器[6,7]和使用二极管连接的MOS管作为负载[8]等技术。这些结构最大的问题就是线性度和失真度的问题。

图2 VGA系统框图

因为负反馈电路具有稳定输出,降低非线性失真的作用,所以闭环结构呈现更好的线性度。常见的闭环电路结构中的VGA使用电阻阵列实现增益控制,例如将电阻和MOS管串联,控制MOS管开关的通断状态实现阻值的变化,进而改变放大器的增益。因为继承电路中的电阻、MOS管开关都受到工艺、电压、温度的影响,难以实现精确的阻值,所以PGA的增益精度有限。文献[9]使用电流分割技术,实现了精确的增益控制,文献[10]对电阻网络进行了改进,但是这些电路复杂,额外电路也增加了功耗。这里在没有增加任何设计复杂性的情况下,实现了较为精确的增益控制。

3 高性能VGA结构和实现

为了达到要求的增益控制范围和步长,使用两个级联的VGA。第一个部分的VGA实现6 dB步长的增益控制,另一个部分实现精准的0.5 dB步长,因此整个VGA实现了粗调和细调(见图2)。

当运算放大器的增益足够大时,闭环VGA的增益等于两个电阻的比值:Gain=-Rf/Rs,改变电阻可以实现增益的变化。粗调的阻值变化很大,改变反馈Rf,会影响粗调输出节点的极点;电阻Rs可变,它对前级将形成变化的负载效应。选择改变Rs,在前级增加缓冲电路进行隔离。

首先进行第一级6 dB步长增益的考虑:取Rf=R0,Rs=R1,实现3 dB的增益,那么Rf不变,Rs=2R1,则实现9 dB的增益。同理:当Rs=4R1,实现15 dB增益;当Rs=8R1,实现21 dB增益;当Rs=16R1,实现27 dB增益。

为了更好地匹配,对与电阻串联的MOS管开关尺寸按图3比例设计,Rs等于MOS管的导通电阻和多晶硅电阻,MOS导通电阻与W/L成反比。

图3 第一级VGA电路实现

再考虑第二级0.5 dB步长增益可以发现,0.95转化为dB值等于-0.445 5 dB。0.9为-0.915 dB,0.85为-1.412 dB,0.8为-1.938 dB,0.75为-2.499 dB,0.7为-3.098 dB。1~0.7之间0.05的间隔对应于dB中基本接近于0.5 dB的间隔。使用这个规律,设计可以如下:

Rs=1.00R0 Rf=R0 0 dB

Rs=0.95R0 Rf=R00.5 dB

Rs=0.90R0 Rf=R01.0 dB

Rs=0.85R0 Rf=R01.5 dB

Rs=0.80R0 Rf=R02.0 dB

Rs=0.75R0 Rf=R02.5 dB

Rs=R0Rf=0.95R0 -0.5 dB

Rs=R0Rf=0.90R0 -1.0 dB

Rs=R0Rf=0.85R0 -1.5 dB

Rs=R0Rf=0.80R0 -2.0 dB

Rs=R0Rf=0.75R0 -2.5 dB

Rs=R0Rf=0.70R0 -3.0 dB

两级VGA就可以实现0~29.5 dB(2.5 dB+27 dB = 29.5 dB)增益控制,且步长可以比较精准地达到0.5 dB。由于设计中用的都是电阻的相对值,所以电阻、MOS管开关都受到工艺电压和温度等因素VGA的增益精度的影响会很小。

如图4所示,可变电阻R1是用多晶硅电阻和工作在晶体管区的MOS开关来实现的。

开关电阻通常被用在低失真可调模拟模块。MOS晶体管的非线性将产生谐波以及交调失真,这将会降低整个电路的线性度。

在文献[11]中,推导出一个近似的公式来接近开关管的非线性特性。

图4 开关电阻在开启状态时的简单模型

输入电压Vin被转换成非线性电流Iin流入电流模式的VGA放大器。在弱非线性网络中,已经使用Volterra级数推导出非线性谐波失真(HD2 和HD3)。

HD2 =-Vin2G21/2(G1 +Gds)2Gds

HD3 =-V2in3/4R1G4ds+V2in22/2R41G1礕5ds

式中:Vin是输入的电压的峰值;R1等于R1+Rds的总和;2,3是二次、三次非线性系数。因此如果把开关管放置在运放的虚地端(即运放的输入端),则HD2和HD3近似等于0。

4 版图与后仿真结果

图5是用SMIC 0.18 μm CMOS工艺实现的VGA版图,芯片面积为:510 μm×160 μm,整个版图包括VGA核心部分,直流偏移消除模块,和CMOS源极跟随缓冲电路,恒定Gm的偏置电路。

图5 VGA版图

图6~图8给出了VGA在Candence环境下用Spectre工具模拟得到的后仿真结果。图6为输入阶越跳变,得到的输出瞬态响应曲线。

图7为不同的数字增益设置对应的VGA 增益。图8是放大器不同增益的频域响应。其增益从0 dB变化到29.5 dB,其中0.5 dB一档。

图6 VGA阶越响应

图7 VGA电路的增益特性

图8 各个增益下VGA的频率响应

5 结 语

本文介绍一种0.18 μm CMOS工艺实现,应用于GPS全球定位系统得可变增益放大器。文中巧妙地应用反馈系统中环路稳定性理论设计放大器;在增益步长的控制上,增益随bit线性化,并保证增益精度不受工艺角偏差影响。仿真结果表明,该放大器适合在接收机模拟前端中使用。

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作者简介 李 丹 女,1982年出生,浙江杭州人,硕士研究生。研究方向为模拟射频集成电路设计。

闫涛涛 男,1983年出生,博士研究生。研究方向为模拟射频集成电路设计。

陈东坡 男,1979年出生,上海交通大学微电子学院射频集成电路中心讲师。研究方向为模拟射频集成电路设计。

周健军 男,1970年出生,教授,博士生导师,上海交通大学微电子学院射频集成电路中心主任。研究方向为模拟射频集成电路设计、混合集成电路设计。