一种高线性度宽带可编程增益放大器设计

吴 进, 李春妮, 吴汉宁, 李 聪

(西安邮电大学 电子工程学院， 陕西 西安 710121)

通过软硬件结合，满足多频段收发的软件无线电传输模式，是无线射频收发系统的研究热点[1]。对于无线射频接收机而言，高性能可编程增益放大器电路是处理混频器降频后中频信号不可缺少的重要模块之一[2-3]。通过增益调节功能可有效控制接收机的动态范围，决定接收机的灵敏度[4]。

可编程增益放大器电路通常采用调节反馈电阻网路阻值的方式，实现增益dB线性变化[5]。由于该方式采用闭环结构，在一定程度上限制了电路的工作带宽，同时电阻匹配网络会引入热噪声恶化噪声系数指标[6]。因此，本文设计一款高线性度宽带可编程增益放大器，通过负电容电路扩展电路的工作带宽[7]，添加具有四阶巴特沃斯滤波器的直流失调消除模块[8]，抑制带外噪声并提取有用信号，以期改善可编程增益放大器电路性能。

1 电路结构

可编程增益放大器主要由差分运算放大器、无源电阻电容网络、直流失调消除电路、逻辑控制单元、负电容电路以及巴特沃斯滤波器组成，整体结构如图1所示。利用具有高增益运算放大器的负反馈无源电阻电容网路结构可实现增益控制。

图1 可编程增益放大器整体结构

电路采用闭环负反馈结构,提高线性度及拓展工作带宽。在根电阻Rc不变的情况下，通过改变无源电阻电容网络中电阻阻值的大小，可实现增益步进1 dB变化；添加负电容电路扩展差分运算放大器的-3 dB带宽；添加直流失调消除电路(DC offset suppression circuit，DCOC)[9]抑制外界环境干扰造成的输入直流失调。译码器电路通过数字控制字控制开关导通选择接入反馈网络的电阻的大小，调节增益档位。

1.1 差分运算放大器

差分运算放大器可划分为提供偏置电流的电流镜电路(IBIAS)、第一级自偏置差分放大电路(OPA-1st)、第二级共源差分放大器(OPA-2nd)以及稳定PGA输出静态工作点的共模反馈电路(CMFB)4部分。电路结构如图2所示。采用二级运算放大器级联结构，能够提高差分运算放大器低频的开环增益，从而改善PGA电路的增益精度。

图2 差分运算放大器电路结构

第一级运算放大器采用具有自偏置的差分放大器电路。稳定电路静态工作点工作的同时，减少整体差分运算放大器电路中的环路个数以及闭环中系统中的零极点个数，有利于达到高增益带宽积的指标需求。

在第一级运算放大器输出端及第二级运算放大器的输入端之间添加调零电阻以及密勒补偿电容，分离两级运算放大器的两个输出极点，改变整体差分运算放大器的主极点位置，能够使电路稳定工作。但同时会导致整体差分运算放大器的-3 dB带宽减小。为了提高整体差分运算放大器的带宽，在第一级运算放大器的输出端添加负电容电路补偿带宽[12]。

如图3所示，对于采用自偏置结构的运算放大器电路，其中NMOS晶体管(M1和M2)偏置在亚阈值区域中以获得dB线性特性，而其他MOS管工作在饱和状态。

图3 自偏置差分电路

在亚阈值区域，电流ID和电压VGS的指数关系表示式为

(1)

其中ID0为MOS管工作在饱和区的漏端电流，W、L分别表示MOS管沟道长度和宽度，n是理想因子，VT为kT/q,VT温度的电压当量，其中k为波耳兹曼常数(1.38×10-23J/K)，T为热力学温度，即绝对温度(300 K)，q为电子电荷(1.6×10-19C)。所以，主晶体管的跨导可表示为

(2)

由于M1、M2管具有相同的尺寸且流过管子的电流大小相同，因此用gm1,2表示MOS管的跨导，ID1,2表示流过MOS管的漏电流大小。

忽略体效应，可以得到输出增益

(3)

其中rO7,8为MOS管M7、M8等效线性导通电阻，gm7,8表示MOS管M7、M8的跨导。

如图4(a)所示，通过两个交叉耦合的MOS晶体管会产生负阻抗。图4(b)中，电容C为MOS管栅源寄生电容CGS等效转换得到的负电容，与MOS管产生的负电阻串联[13]。

图4 负电容补偿电路

假设M1和M2工作在饱和区，从漏极看进去得到的等效电阻等效阻抗通过拉普拉斯变换可得

(4)

当MOS管子工作频率小于截止频率时，产生电容-C，又有串联电阻值为

(5)

负电容电路与其输出节点集成在一起有效扩展差分运算放大器第一级的-3 dB带宽。该单元的主导极点是与其输出节点相关联，负电容(NC)电路可以帮助提供更高的GBW[14]。

1.2 直流偏移抑制电路

低通滤波器是一个四阶的巴特沃斯滤波器，由两个二阶的巴特沃斯滤波器组成，用于抑制带外噪声并提取有用信号。低通滤波器的截止频率由开关电阻阵列控制[16]。电阻R1及R2采用阈值电阻，Cc为外接负载电容能够减小芯片面积节约成本。

如图5所示，由R1，R2，C，Cc组成的四阶巴特沃斯滤波器以及DCOC电路，能够有效抑制由于接收机其他模块以及工艺误差等因素导致输入信号直流漂移。其中放大器模块可以为该负反馈环路提供足够高的增益，放大反馈直流信号。通过调整C和R1的值可以得到满足截止频率的低通滤波器。通过调整R2及根电阻Rc的值可以调整正向增益[15]。

图5 直流失调电路结构

当输入存在直流偏移时，经过DCOC电路的负反馈放大器以及低通滤波器，通过并联在主运放输入对管上的调节管，可以有效消除直流偏移引入的误差，稳定输出的静态工作点，改善电路的增益精度[17]。

1.3 无源电阻电容网络与逻辑控制单元

PGA电路通过切换接入的反馈电阻阻值大小，实现增益调节。无源电阻电容反馈网络主要由NMOS开关以及电阻、电容构成，电路结构如图6所示。

图6 无源反馈网络电路结构

该可变增益放大器的精确度与(1+Rc/Rf)项密切相关，Rf为反馈电阻。Rc直接串接入在运算放大器的输入端，因此根电阻Rc的具体值由PGA可接收的最大噪声系数确定。

假设PGA的输入根电阻为2 KΩ时，最低增益取值约为500 Ω。由于该PGA电路的增益步进仅为1 dB，因此随着增益逐渐降低，反馈电阻的阻值也越来越接近。采用部分电阻复用的方式进行优化，提高增益进度，减小由于电阻阻值比例近似造成的误差，减小版图面积，减少过长走线寄生参数产生的误差。

在高增益状态下，输出电阻阻值相对较大，该闭环负反馈系统的相位裕度能够满足要求，电路工作在稳定的状态下。随着增益降低，输出外接的负载电阻逐渐减小,差分运算放大器输入端接入的根电阻与输入对管的寄生电容VGS形成反馈环路的第三极点，将会严重影响PGA电路的相位裕度，在增益曲线上出现尖峰。当PGA的输出增益为负时尤其明显。为了消除该极点对增益平坦度的影响，需要在差分运算放大器的输入输出之间并联补偿电容[18]。

逻辑控制单元采用5-32位译码器实现，通过控制开关的导通关断，接入不同的反馈电阻进行增益调节。

该译码器由4个3-8译码器组成，具体的电路结构如图7所示。其中从D0～D4为增益控制端口，EN为使能端。

图7 译码器控制电路

2 版图设计

电路采用TSMC 0.18 μm CMOS工艺实现，利用Cadence Virtuoso作为电路设计工具， 采用Cadence Spectre作为仿真工具。PGA电路版图如图8所示。

图8 PGA电路版图

在版图设计过程中需要注意：(1)由于电路增益精度主要由电阻比例确定，因此根电阻Rc以及反馈电阻Rf需要具有良好的匹配性，采用蛇形叉指结构进行电阻匹配模块的版图设计，同时保证根电阻均匀分布在电阻匹配网络中；(2)为了满足高线性度、宽带宽的指标需求，差分运算放大器的输入差分对管采用叉指结构进行高精度匹配，并需要添加dummy管保证MOS的物理环境一致；(3)对电路各个模块的布局布线进行优化，保证差分信号线到各个模块的距离最近，同时优化电阻电容网络的走线，减小寄生电容及电阻，保证电路能够正常工作。版图尺寸为341 μm×465 μm。

3 仿真结果及分析

利用Cadence软件进行仿真验证，设置仿真温度为27℃，工艺角为TT,电源电压为1.8 V。通过瞬态仿真验证电路工作的稳定性，仿真结果如图9所示。利用交流小信号验证电路的增益控制及工作带宽，仿真结果如图10所示。根据线性度和噪声系数，验证电路的高线性度及根电阻和反馈电阻对接收机系统的噪声恶化程度。仿真结果如图11所示。

图9 瞬态仿真结果

由图9可知，当输入为共模电位0.9 V的交流小信号时，通过PGA电路的高增益档位调节，能够有效调节输出信号的幅值，实现高增益调节，并且电路工作状态稳定。

图10 增益仿真曲线

由图10可见， PGA的工作带宽能满足100 MHz的应用需求，且实现增益调节范围为-11 ～ -20 dB，步进为1 dB。

如图11所示，在输入信号为60 MHz，输出为高增益20 dB状态下，PGA的P1dB压缩点为14.8 dBm，噪声系数为23 dB。

(a) P1dB压缩点仿真结果

(b) 噪声系数曲线仿真结果

仿真结果表明，该PGA电路具有100 MHz的工作带宽以及高线性度和低噪声系数的特点，能够满足无线射频系统的应用需求。

4 结语

采用TSMC 0.18 μm CMOS工艺,设计了一款应用于SDR射频收发系统高线性度宽带可编程增益放大器电路。采用闭环负反馈结构，提高线性度并添加负电容电路优化差分运算放大器带宽。仿真结果表明，在电源电压为1.8 V时，该PGA的增益动态范围为-11～20 dB，步长为1 dB，工作带宽为0～100 MHz，输出1 dB压缩点为14.8 dBm，噪声系数为23 dB，能够满足系统的指标需求。