增益精確的可變增益放大器

1、增益精確的可變增益放大器Variable Gain Amplifier with Accurate GainLI Dan,YAN Taotao,CHEN Dongpo,ZHOU Jianjun(Center for Analog RFIC,School of Microelectronics,Shanghai Jiaotong University,Shanghai,200240,China):The variable gain amplifier embedded in an automatic gain control loop is an essential component of G

2、PS receiver.With the feedback loop,it constitutes the automatic gain control circuit for ADCto 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 030 dB intermediate f

3、requency 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 allcorners.Testing results based on 0.18卩 m CMOS technicalindicates that in-band ripple is less than 0.1 dB,IIP

4、3 is 31 dBm0 dB,while dissipating 3 mA(containing DC-offset cancellation circuit and CMOS Source-Follower BufferCircuit).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 ripple0 引 言可

5、變增益放大器是GPS接收機中的一個關鍵模塊，它與反饋 環(huán)路組成的自動增益控制電路為模 /數(shù)轉換器（ADC）提供恒定的 信號功率。模擬信號控制增益的 VGA曾益連續(xù)變化，但是線性度 較差。這里采用電阻形式的負反饋的放大器來設計一個030 dB增益變化的中頻可變增益放大器，VGA的增益精度并不取決于工藝、 電壓和溫度等因素對電阻、MOST開關的影響，增益誤差在各個工藝角下都小于 5%。1 可變增益放大器原理模擬電路需要對信號進行放大或衰減 , 這一功能可由可變增 益放大器（VGA）實現(xiàn)。它在無線通信的收/發(fā)信機模擬前端中，起 著至關重要的作用。圖1是用于GPS的接收機模擬前端圖。處于 基波頻率的V

6、GA補償射頻模塊和中頻模塊的增益衰減;VGA將輸 出信號放大到A/D轉換器需要的幅度。AGC環(huán)路改變接收機的增 益, 調整各級信號動態(tài)范圍 , 穩(wěn)定輸出信號功率的作用。圖1 GPS的接收機模擬前端圖對于VGA電路,IIP3和THD是重要的指標，因為它的輸出信 號幅度很大。 其次, 為了實現(xiàn)寬增益范圍調節(jié) , 同時保持不同增益 輸入功率下恒定的輸出建立時間,要求VGA的增益與控制電壓成 dB線性。VGA增益步長越小越精確，則對ADC的要求越降低。在 文中，數(shù)字控制的VGA電路提供了 30 dB的增益控制范圍，使用7 b 精確控制增益大小 , 所耗面積和功耗小。2 可變增益放大器結構與性能比較VG

7、A主要分為開環(huán)和閉環(huán)兩種結構。一種常見的開環(huán)結構是 文獻1采用的Gilbert結構，如圖2所示電路。M5上加一個基 準電壓，電壓Vc控制耦合電流的大小，起到改變增益的作用。但 是此結構電路堆疊了四層電路 , 限制了輸出電壓的擺幅 , 而且此 電路不能實現(xiàn)指數(shù)增益的控制。這些運用最廣泛的開環(huán)結構中 , 可變增益放大器主要基于簡單差分 2, 或者是偽差分對 3, 使 用源極反饋技術 4,5, 模擬乘法器 6,7 和使用二極管連接的 MOS管作為負載8等技術。這些結構最大的問題就是線性度和 失真度的問題。圖2 VGA系統(tǒng)框圖因為負反饋電路具有穩(wěn)定輸出 , 降低非線性失真的作用 , 所 以閉環(huán)結構呈現(xiàn)

8、更好的線性度。常見的閉環(huán)電路結構中的 VGA使用電阻陣列實現(xiàn)增益控制，例如將電阻和MOS管串聯(lián),控制MO管 開關的通斷狀態(tài)實現(xiàn)阻值的變化 , 進而改變放大器的增益。因為 繼承電路中的電阻、MOS管開關都受到工藝、電壓、溫度的影響， 難以實現(xiàn)精確的阻值，所以PGA的增益精度有限。文獻9使用電 流分割技術 , 實現(xiàn)了精確的增益控制 , 文獻 10 對電阻網(wǎng)絡進行 了改進 , 但是這些電路復雜 , 額外電路也增加了功耗。 這里在沒有 增加任何設計復雜性的情況下 , 實現(xiàn)了較為精確的增益控制。3高性能VGA結構和實現(xiàn)為了達到要求的增益控制范圍和步長 , 使用兩個級聯(lián)的 VGA。 第一個部分的VGA實現(xiàn)6 dB步長的增益控制，另一個部分實現(xiàn)精 準的0.5 dB步長，因此整個VGA實現(xiàn)了粗調和細調（見圖2）。當運算放大器的增益足夠大時，閉環(huán)VGA的增益等于兩個電 阻的比值 :Gain=-Rf/Rs, 改變電阻可以實現(xiàn)增益的變化。粗調的 阻值變化很大 , 改變反饋 Rf, 會影響粗調輸出節(jié)點的極點 ; 電阻 Rs可變,它對前級將形成變化的負載效應。選擇改變Rs,在前級增加緩沖電