（微电子学与固体电子学专业论文）可编程增益控制放大器的研究与实现.pdf

摘要 摘要 在许多应用中，为了优化整个系统的动态范围，可编程增益放大器是最基本 的模块。幅度均衡是线性信号处理系统中一个必需的部分。一个可编程增益放大 器通常被放在模数转换器的前面，以适应传输信道的损失变化从而减轻对模数转 换器动态范围的要求。可编程增益放大器的增益是通过一个自动增益控制环路由 数字信号控制的。为了使自动增益控制环路的稳定时间是一个常数，可编程增益 放大器的增益必须是以分贝为单位线性变化。 本文重点研究了可编程增益放大器的结构和实现方法，结构的选择取决于可 编程增益放大器的性能指标，实现方法需要对功耗和面积综合考虑。最常用的开 环结构主要是基于简单的差分对或伪差分对、源极负反馈、模拟乘法器和二极管 的负载等，它的难点在于提高线性度和谐波失真，闭环结构主要有电阻或电容反 馈，它的难点在于增大带宽和降低功耗。通过对这两种结构的研究，进一步提高 可编程增益放大器的性能需要在最基本的电路结构和实现反馈的方法上进行创 新。 在对可编程增益放大器地结构和实现方法深入分析研究的基础上，根据深圳 r i s e c o m 公司的一款以电力线为传输媒介的收发机芯片设计的指标要求，设计 了一个低频可编程增益放大器，测试结果表明性能指标可以满足系统的要求。同 时介绍了设计和分析电路时的方法和一些注意事项。 关键词开环；闭环；超源极跟随器；共模反馈；输出直流偏压 a b s tr a c t p r o g r a m m a b l eg a i na m p l i f i e r s ( p g a ) a r eb a s i cb u i l d i n gb l o c k se m p l o y e di n m a n ya p p l i c a t i o n si no r d e rt oo p t i m i z et h ed y n a m i cr a n g eo ft h eo v e r a l ls y s t e m a m p l i t u d ee q u a l i z a t i o n i sa ne s s e n t i a lp a r to ft h el i n e a rs i g n a l p r o c e s s i n g a p r o g r a m m a b l e - g a i na m p l i f i e r ( p g a ) i su s u a l l yp l a c e di nf r o n to ft h ea d c ，a d a p t i n g t h el o s sv a r i a t i o no ft h et r a n s m i s s i o nc h a n n e li no r d e rt oe a s et h ed y n a m i cr a n g e r e q u i r e m e n tf o rt h ea d c t h eg a i no ft h ep g a i sd i g i t a l l yc o n t r o l l e db ya na u t o m a t i c g a i nc o n t r o l ( a g c ) l o o p t h el i n e a r - i n - d bg a i nc o n t r o lf o r t h ep g ai su s u a l l y r e q u i r e dt oa c h i e v ec o n s t a n ts e t t l i n gt i m eo ft h ea g cl o o p t h ep a p e rm a i n l yd e a l sw i t ht h es t r u c t u r ea n dt h ed e s i g nm e t h o do ft h e p r o g r a m m a b l eg a i na m p l i f i e r ( p g a ) 1 i l ec h o i c eo ft h e 灿c t u r ei sd e t e r m i n e db y t h es p e c i f i c a t i o no ft h ep g a ；t h er e a l i z a t i o nn e e d sc o n s i d e r i n gb o t ht h ep o w e ra n d a r e a t h em a j o r i t yo fo p e nl o o pv a r i a b l eg a i na m p l i f i e r sa r eb a s e do ns i m p l e d i f f e r e n t i a lo r p s e u d o d i f f e r e n t i a lp a i r s ，s o u r c ed e g e n e r a t i o nt e c h n i q u e s ，a n a l o g m u l t i p l i e r s a n dd i f f e r e n t i a lp a i r sw i t hd i o d ec o n n e c t e d l o a d s ；i t sd i f f i c u l t y i s i m p r o v i n gt h el i n e a r i t ya n dt o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n 。刃】ef e e d b a c kn e t w o r k c o n s i s t s o fr e s i s t o ro rc a p a c i t o r , i n c r e a s i n gt h eb a n d w i d t ha n dr e d u c i n gt h ep o w e ra r em o s t d i f f i c u l t h a v i n gi n v e s t i g a t e db o t ht h es t r u c t u r e s ，i tn e e d si n n o v a t i o no nt h eb a s i c c i r c u i ta n dt h em e t h o do ff e e d b a c kt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fp g af u r t h e r b a s e do nt h ed e e p l ya n a l y s i sa n dr e s e a r c ho ft h es t r u c t u r ea n dr e a l i z a t i o no fp g a ， a c c o r d i n gt os p e c i f i c a t i o no ft h et r a n s c e i v e rc h i pt r a n s m i t t e db yt h ep o w e rl i n e s ， w h i c hi sd e s i g n e db yt h er i s e c o mc o ，s h e n z h e n ，al o wf r e q u e n c yp g ah a sb e e n d e s i g n e d ，t h et e s tr e s u l ts h o w st h ep e r f o r m a n c eo f t h ep g am e e t st h er e q u i r e m e n t so f s y s t e m t h em e t h o d so fd e s i g n i n ga n da n a l y z i n gt h ec i r c u i t s ，a n ds o m eg u i d e l i n e s h a v ea l s ob e e np r e s e n t e d k e y w o r d so p e nl o o p ；c l o s e dl o o p ；t h es u p e rs o u r c ef o l l o w e r , t h ec o m m o n - m o d e f e e d b a c k ；t h eo u t p u td co f f s e t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：垂到盘 日期：兰! 墨玺旦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 至塑殳 导师签名：1 7 1 剪1 1 ：圭! 垒玺! 旦 第l 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着c m o sv l s i 技术的集成度的不断提高和市场对便携式、可移动性电子 设备的不断增长的需求，要求集成电路朝着降低功耗的方向发展。c m o s 器件具 有高输入阻抗，极低的开关偏移误差，高的集成密度，低的开关功率损耗等特征， 但最重要的是，它们的尺寸能按比例下降。晶体管的尺寸按比例下降，导致在单 个的芯片上可以集成更多的电路元件，以便使芯片的面积和它的成本都下降。随 着集成器件的特征尺寸的减小，要求电源电压降低，降低电源电压也是降低功耗 的最有效的途径。一个m o s 晶体管的尺寸的减小，不仅意味着它的沟道长度和 宽度的下降，也要求它的栅氧化层厚度的减薄。栅氧化层厚度的减薄，器件的垂 直电场强度增大，为了避免由此而引起的晶体管得济穿和确保晶体管的可靠性， 电路的电源电压的下降也必然成为v l s i 集成电路不断发展的趋势。在目前最常 用的混合信号v l s i 电路中，可变增益放大器发挥着巨大的作用。它在诸多领域 均得到了广泛的应用。 通信系统中，信号在传输时，由于各种因素的影响，从外部接收到的信号强 弱会发生变化，表现为信号的衰减。而且由于传输信道的非线性而造成信号的多 径衰落，同时传输信号也受到各种噪声的干扰。这将使得接收的信号时强时弱。 其输入信号变化范围往往很大，信号弱时可以是一微伏或几十微伏，信号强时可 达几百毫伏。最强信号和最弱信号相差可达几十分贝。这个变化范围称为接收机 的动态范围。为了尽可能可靠地接收微弱信号，接收机通常都设置有自动增益控 制电路( a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l ，简称a g c ) ，其目的是使接收机的增益能够随输 入信号的强弱而自动调整。自动增益控制的主要功能是在输入信号幅度变化较大 的情况下，使输出信号幅度保持恒定或在特定的范围内变化。它能够保证在接收 弱信号时，接收机的增益高，而接收强信号时则增益低。使输出信号保持适当的 电平，不至于因为输入信号太小而无法正常工作，也不至于因为输入信号太大而 使接收机发生饱和或堵塞。在自动增益控制电路的控制下，整个系统的性能才能 得到保证，使得下一级电路能够在正常的状态下工作。自动增益控制电路在光纤 通信、微波通信、卫星通信等通信系统以及雷达、广播电视系统中得到了广泛的 应用，在接收机中具有相当重要的地位。 可编程增益放大器( p r o g r a m m a b l eg a i na m p l i f i e r ) 是a g c 电路中的核心模 块，a g c 系统的稳定性和对输入信号的响应灵敏度在很大程度上取决于可变增 北京t 业大学t 学硕f ? 掌位论文 益放大器的设计性能，因此，在所有输入端为变化范围不可预知的信号，而在输 出端期望得到稳定信号的系统中都采用了可变增益放大器模块。为了不限制整个 系统的谐波失真，对可变增益放大器的线性度的要求通常是非常高的。要求以分 贝为单位的增益控制是线性的，从而达到一个很大的动态范围和保持自动增益控 制环的稳定时间与输入信号无关。在复杂的混合信号系统中，数字的可编程性将 成为一个必要的特征。如图0 - 1 所示。为了重新配置模拟部分，固定的数字信 号处理器可以准确地算出控制信号，这样可以减轻对不同的增益和不同的带宽进 行操作。因此，数字控制的可变增益放大器，也就是可编程增益放大器 ( p r o g r a m m a b l eg a i na m p l i f i e r ) ，在简化芯片的模拟和数字部分的接口时非常有 用。 图0 1 通信系统接收机中的自动增益控制器 f i g u r e0 - 1a g ci nr e c e i v e r 可编程增益放大器有广泛的应用领域，其中一个非常重要的应用是听力辅助 系统，它可以调整和配置听力辅助信号处理的功能【l 】。可编程增益放大器在硬盘 驱动的读通道【2 叫上是必须的，它有助于稳定输入到读通道的检测器和滤波器部 分的电压。随着在移动环境下看电视兴趣的提高，将电视集成到一个小的手持设 备( 如移动电话或个人数字助理) 上成为必要。对于移动的可调谐集成电路而言， c m o s 是一个最有前景的技术，但将它集成在一个单独的c m o s 衬底上仍有很 大挑战【_ 7 。8 1 。调谐器需要有一个高精度且大增益范围、数字可编程的射频增益放 大器 9 - 1 0 l 。最近几年由于网络的迅速普及，数字用户环路技术【1 1 。1 5 】得到了很大的 关注。基于无载波幅度相位甚高速数字用户环路接收器也要用到可编程增益放大 器。其它的模拟基带电路，如多种标准的接收器、测试仪器电路、或者d v d 的 读通道，也都需要可编程增益放大器。 1 2 研究现状及存在的主要问题 运算放大器是p g a 乃至整个模拟电路的核心模块。它非常广泛的应用于开 2 第1 章绪论 关电容滤波器、调制解调器、整流器、峰峰探测器、模数转换器( d ) 和数模转 换器( d a ) 等模块中。它的性能直接影响着整个电路的动态范围和高频的应用。 已经有很多文献对这方面进行研究，它的设计目前己经非常成熟。 但是，对于可变增益放大器的设计有几个指标是至关重要的： 增益范围：由于可编程增益放大器是可编程的，它的增益范围是可以变化的。 因此增益是以d b 为单位有一个变化范围，通常是几到几十d b 。 增益步长：增益每变化一次的最小间隔，通常是几d b 。 工作频率：它可以应用在射频、中频、和基带等不同的电路里。所以信号的 带宽通常就是它要工作的频率范围。 增益线性度：输出的增益变化随控制字的变化线性增长。这是自动增益控制 电路所要求的。一般要求它小于最小步长的1 2 。 失真：对于线性信号处理系统而言，谐波失真会影响后面模数转换器的精度， 所以不同的系统对信号的失真度有一定的要求。通常要求它大于模数转换的信噪 比。 动态范围：它是指信号的变化范围。衡量信号线性度最常用的指标有l d b 压缩点和三阶交调。 输出直流失调：它是指输出的差分信号共模电平不相等。 这几个方面又是互相联系互相制约的。而设计的目标通常是要求系统达到高 的控制范围、高线性度、低失真、低直流失调以及大的动态范围。怎样设计好电 路，处理好这几个方面之间的关系就成为p g a 设计的主要问题。对这些问题的 研究和解决，将极大地提高电路的性能。 1 3 课题的来源及研究内容 在当今市场的推动下，通信技术飞速发展。但是在偏远农村或者人口稀少的 地区，由于种种条件的限制，网络接入是一个很大的难点。电力线通信技术能很 好的解决这一问题。 输电网覆盖面积广大，应用领域繁多，相关应用包括用电负荷控制、电网运 行监测、集中抄表等。电力网通信技术将传统中高压电力网转变成为数据通信网， 在建设成本、运行和维护费用等方面具有天然的优势，目前在韩国、美国、西班 牙等国家已得到良好的应用，国内也开展了大量的研究和实践。在宽带网络接入 方面，电力网通信技术亦占据得天独厚的优势。由于业已存在的广泛分布，它成 为了在偏远地区实现高速网络接入的理想媒介，以缩短和消除城市地区与农村地 区，发达地区与不发达地区之间的“数字鸿沟 ，是适合国情、可行并且经济的 方案。 3 本课题来源于深圳r i s e c o m n 公司的一款以电力线为传输媒介收发机项目 的设计。根据要求，本设计采用s m i c1 p 6 m 的o 1 8 微米c m o s 混合信号工艺。 控制进入后级a d c 的信号幅度大小。要求增益的调节范围为一2 8 d b 到3 5 d b ，一 个步长大小为l d b 。同时，要求p g a 实现低功耗，高线性度，低失真等。本文 的研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 分析当前p g a 电路的各种结构，比较各种结构的优缺点，并研究各种 结构的应用范围。 ( 2 ) 选取适用于本应用的p g a 结构。并分析所选结构中各个模块的作用。 ( 3 ) 根据整体的要求，确定各个模块的指标参数，根据指标设计出实际的 管极电路。 ( 4 ) 通过仿真或者测试，验证p g a 的整体性能。 1 4 论文结构 本文共分为四章。本文第一章即绪论，介绍了可编程增益放大器的课题背景、 性能指标和研究内容。第二章介绍了可编程增益放大器的各种结构、适用场合和 实现方法。第三章根据具体的指标完成电路的设计，仿真以及优化。第四章分析 了测试结果和版图设计中的一些注意事项。 4 _ 第2 章可编程增益放大器的结构 第2 章可编程增益放大器的结构 2 1 实现方法 为了达到整体的最好性能，对可编程增益放大器的设计在带宽和失真方面要 求是非常苛刻的。首先，可编程增益放大器应具备足够的带宽而不致影响整个系 统的工作频率。其次，它的失真度必须足够低以保持良好的线性度。另外，市场 要求提高可用性和减少开发时间，推动工业界实施单片c m o s 电路。因此，低 电压电路设计技术是必需的，并且通常有低功耗的制约。应用c m o s 技术，设 计一个宽带、高线性度、且功耗可接受的低电压可编程增益放大器是一个具有挑 战性的课题。 图2 一l 表示的是四个基本的改变增益的电路结构。 + v c 1 ：f。、 v i +v i v i + l - v i i 图2 - 1 改变增益的基本结构 f i g 2 - 1b a s i ct o p o l o g i 鹤f o rg a i nv a r i a t i o n 图2 1 ( a ) 是一个电流除法器。这个除法的比率是由控制电压v c 决定的。 电流除法器的二次特性很难实现以d b 为单位线性的增益设置，需要一级对v c 北京工业大学工学硕十学位论文 的预校正。整体的线性度是由产生i i 的输入跨导所限制。 图2 1 ( b ) 所示的源极耦合对的跨导是通过改变晶体管的偏置电流而变化的。 这个电路的增益和折合到输入端的噪声分别与输入管的g m 和, i v g 成比例。当 输入信号很微弱时，需要大的偏置电流而达到高增益和低噪声的性能。相反，当 信号很大时，低的偏置电流会降低线性度。 在图2 1 ( c ) 中，源极耦合对的跨导是通过改变负反馈的电阻r s 而变化的。 当输入信号很小时，小的& 可以达到高增益和低噪声。当输入信号很大时，大 的风用于达到低增益和高的线性度。因此，不管增益的设置，对于固定的输出 电平，这种结构可以得到恒定的信号与噪声和失真的比率。 图2 1 ( d ) 表示的是一个有电阻反馈网络的高增益放大器。它的电压增益是 通过改变r n r l 与r f 2 r 1 比值而变化的。如果环路增益很大和电阻网络是线性的， 那么可以达到较高的线性度。然而，如果采用常规的放大器，那么反馈因子的改 变会导致带宽的变化和谐波失真。在整个增益范围，当电路设计成涵盖最坏的情 况时，功耗不是最优的。 实现可编程增益电路的方法主要有两种：负反馈闭环结构和开环放大器。一 个闭环结构具有较好的线性度和对增益准确度有较好的控制。然而，尤其是在带 宽方面，对于一个可接受的放大器的性能，通常需要有很大的功耗。选择这种结 构需要在增益范围、带宽、线性度、和功耗之间进行取舍。相反，开环放大器适 合于低功耗和宽带的应用，但是电路的开环特性使其线性度很大程度上依赖于输 入级的固有的线性度。因此，经常需要线性化的方法。 2 2 开环结构 2 2 1 基本形式 最常用的开环可变增益放大器都是基于简单的差分或伪差分对、源极负反馈 技术、模拟乘法器、和以二极管为负载的差分对。 2 2 1 1 差分对和伪差分结构 开环结构适合于宽带的应用，比如中频可变增益放大器，最简单是采用差分 对和伪差分对的结构，下面详细介绍一个增益范围是3 5 d b 4 5 d b 、带宽是 3 0 - - , 2 1 0 m 的可变增益放大器【1 6 1 ，它巧妙应用了上述两种结构。 为使增益不随温度变化，它采用了一些稳定技术，首先介绍一下这个技术的 电路结构和原理。图2 2 给出了这个测试芯片的结构框图，它由一个中频可变增 第2 章可编程增益放大器的结构 益放大器和一个正交解调器构成。这个中频可变增益放大器包括四个级联的放大 器，每一级有一对可变的跨导单元。在前面的两级里，偏置在平方律区域的晶体 管被用作改变g m 的成分。偏置在亚域值指数区域的晶体管用在后面的两级和正 交解调器里混频器的输入级。 ( a ) 要求的和临近信道的能量相当( b ) 临近信道比所需要的信号能量大很多 ( a ) t h ed e s i r e da n da d j a c e n tc h a n n e l sa r eo fc o m p a r a b l es t r e n g t h ( b ) t h ea d j a c e n tc h a n n e l sa r e m u c hl a r g e rt h a nt h ed e s i r e dc h a n n e l 图2 1 5 可变增益放大器输入信号的两种可能情况 f i g 2 15t w op o s s i b l ec a q l 略o f v g ai n p u ts i g n a l s 设计可变增益放大器有两种可能的方法。第一种是一个固定增益的放大器接 一个可编程的衰减器，比如一个有抽头的r - 2 r 的阶梯，如图2 1 6 ( a ) 所示。 这种方法的优点是放大器可以在高增益和低噪声之间得到最优，这个衰减器通过 增加阶梯可以产生任意宽的范围。另一方面，它在整个增益、噪声系数和输出失 真强加了一个基本的关系，如图2 1 6 ( b ) 所示。在整个增益范围，可变增益放 大器的噪声系数跟踪衰减损耗。此外，由于衰减器被认为是完美的线性，这个固 定增益放大器决定了交调失真。因此，不管可变增益放大器的增益是多少，放大 器的输入都是相同的电平，并且输出的三阶交调失真也是恒定的。这两种特性对 于图2 1 5 ( b ) 所示的最坏的具体情况是不适合的。 ( a ) 图2 1 6 ( a ) 由可编程衰减器与一个固定增益放大器组成的可变增益放大器( b ) 增益、失 真和噪声之间的关系 f i g 2 - 16 ( a ) s i m p l ev g a b a s e do np r o g r a m m a b l ea t t e n u a t o rf o l l o w e db yaf i x e dg a i na m p l i f i e r ( b ) r e l a t i o n s h i pb e t w e e ng a i n ，d i s t o r t i o n ，a n dn o i s e 1 9 - 北京t 业大学t 学硕十学位论文 设计可变增益放大器的第二种方法是可变互导放大器的级联。一个m o s 差 分对的互导可以通过偏置电流或一个可调的源极反馈电阻来改变。尽管一个单独 的短沟道场效应管的g m 对电流的依赖很微弱，像希尔伯特乘法器结构的净互导 可以从零变化到很大值。这种电路对于小的输入信号提供大的增益很适合，并且 可以设计成低噪声。另一方面，一个接有m o s f e t 电阻源极负反馈的差分对可 以处理较大的信号，因为源极负反馈不会像一个简单的差分对的偏置v o s - v 。对 电压摆幅造成影响。然而，源极负反馈的噪声系数较差。 如图2 1 7 所示，由这两种类型混合组成的可变互导可以解决在一个可变增益 单元里各种各样的冲突要求。当输入信号较大可变增益放大器的增益较低时，通 过选择合适的v c l 只有源极负反馈被使能。尽管另一级两个交叉耦合的差分对也 被偏置开启，v c 2 被设置成0 v 可以抵消信号电流。当输入信号较小增益较大时， v c l 设置成一个可能的最大值，v c 2 被增大以至于耦合差分对向负载输出电流。通 过设置一个差分对的互导这个电流可以达到最大值，把它设计成比源极负反馈的 峰值互导大2 2 倍。把信号输入到像希尔伯特乘法器电路的上面的差分对是有特 殊原因的。如果把信号输入到下面的差分对，它和上面的差分对都要传输信号电 流，为了线性工作它们都需要一个较大的偏置v g s v t 。现在由于下面的差分对只 传输一个直流电流，它们的v g s v t 可以很小，节省了宝贵的摆幅。由于v c l 受电 源电压3 3 v 的限制，在这样的单元里可以达到0 1 5 d b 可变增益。长沟道的p f e t 负载与短沟道的f e t 相比能提供一个更为线性的r d s 。有相同栅极偏置的长沟道 n f e t 的源极负反馈在进入饱和区之前比短沟道能容忍更大的摆幅。在这个可变 增益放大器的模型里，5 个这样的单元直接耦合可以达到0 , - , 7 0 d b 的增益范围。 因此在这里输入和输出的偏置点都是相同的2 2 v 。另外，在0 d b 增益的情况下， 在差分对n f e t 的栅极和漏极的摆幅是相同且相反的。在这种情况下，为了保证 工作在饱和区一个f e t 可以达到的最大摆幅受到1 2 v t 的限制，也就是相当于差 分电路的峰峰值摆幅是1 6 v 。在可变增益放大器的所有增益设置里，它被用来 当作输出摆幅的满幅。 ( 2 ) 增益控制策略 如图2 一1 8 ( a ) 所示，为了在每个增益设置时都达到整体最好的噪声和交调 失真，两个控制电压v 。l 和v c 2 是通过响应输出信号的峰值电压来改变的。这个 增益控制算法可以通过嵌入在数字自动控制环里来控制可变增益放大器，或者通 过限幅放大器和抑制峰值检测纹波的两个极点的滤波器的模拟电路来实现，如图 2 1 8 ( b ) 所示。如图中所示，这个环驱动检测的可变增益放大器，其增益和控 制电压的依赖关系应满足在整个工作范围内这个自动增益控制的环路增益是恒 定的，不管输入信号多大，都可以使环路达到一个相同的瞬态响应和固定的稳定 时间。这可以通过可变增益放大器的增益以d b 为单位和控制电压成线性来实现。 第2 章可编程增益放大器的结构 一个c m o s 的可变增益放大器很难准确实现这种特性，但可以通过分段线性的 方式逼近。 图2 1 7 一个可变增益单元的电路图 f i g 2 - 1 7s c h e m a t i co f o n ev a r i a b l eg a i nc e l l h i n + 图2 - 1 8 ( a ) 控制电压和所设增益的函数( b ) 模拟自动增益控制环里的可变增益放大器 f i g 2 l8 ( a ) c o n t r o lv o l m g em a p sa saf u n c t i o no fd e s i r e dg a i ns e t t i n g ( b ) t l l ev ( 认i l la l la n a l o g a g c l o o p 2 1 4 负载为二极管的结构 为更好的说明这个结构，以一个应用在超外差分全球移动通信系统的中频放 北京工业大学t 学硕十学位论文 大器【2 1 】为例。它的指标是在相对较高的7 1 m h z 工作，可编程的增益范围是 2 0 6 0 d b ，增益步长是2 d b 。由于低成本的7 1 m h z 的中频滤波器不能完全抑制 干扰信号，要求可变增益放大器输出的l d b 压缩点和三阶交调点分别是8 和 2 d b m 。另外为了达到要求的噪声特性，在最大增益时要求噪声系数最大是5 d b 。 尽管一个闭环的结构对于增益和频率范围组合的精度有较好的控制，但由于 功耗较大而不适于此处的应用 2 2 1 。7 1 m h z 中频放大器的结构框图如图2 1 9 所示。 它是一个开环的三级差分放大器，级与级之间用交流耦合连接。每一级的单位增 益带宽是1 s g h z 。为了限制使放大器饱和的直流偏移的影响，每级之间采用交 流耦合的方式连接。采用差分的结构是因为它有抑制偶次谐波、抑制共模噪声， 和对于一个给定的电压可以使信号摆幅增倍的优点。它还可以通过减小由于衬底 耦合产生的放大器输出和敏感输入之间的寄生反馈来降低不稳定性的风险。另外 对于衬底每厘米5 q 的电阻可以多用一些防卫环，这样可以使衬底噪声减小一个 数量级。对于中频放大器一个重要的要求是它的输入电阻和外接的中频滤波器的 特征阻抗相匹配，为了达到阻抗匹配和一个低的噪声系数，中频放大器第一级的 输入采用共栅的结构，有一个开关选择的增益范围是0 2 0 d b ，步长是2 d b 。相 反第二和第三级的输入采用的是共源的结构，可以达到一个较大的输入阻抗。它 们可编程的增益范围是1 0 2 0 d b ，步长是2 d b 。它的增益是由两个相同电流密度 的n m o s 管的g m 的比值决定的，这样可以达到一个与工艺参数和温度、电源 电压变化都无关的一个绝对准确的增益。 图2 1 9 中频放大器的结构框图 f i g 2 - 19b l o c kd i a g r a mo ft h ei fa m p l i f i e r 中频放大器第一级简单的电路图如图2 2 0 。采用电流控制原理对增益进行编 程。通过多种并联输入级( 1 1 ；图中仅显示了其中两个) 的电流由晶体管m s w 选择到决定增益的通路或到v d d 。输入电阻由所有输入的晶体管( m l o d b ， m 1 2 d b ，- o9m 1 2 0 d b ) 并联决定。它等于信道选择滤波器的特征阻抗3 3 0 f 2 ，和所 选择的增益无关。由于共栅的结构，如果只考虑输入管产生的噪声而忽略其他噪 声，噪声系数最小可达到2 2 d b 。为了提高输出的线性度，负载晶体管m 2 通过 用电压控制的电阻m 3 构成源极负反馈来增大线性范围。为了得到最好的线性度， m 2 和m 3 宽度的比值设为6 。接入共源共栅的晶体管m 4 和m 5 是为了提高精度。 第2 章可编程增益放大器的结构 首先，他们降低了每个p 。电流源和每个输入晶体管的g d s ，因此可以抑制它们的 寄生效应。另外，m 4 和m 5 降低了主极点所在节点 的寄生电容，也保持了后 面增益选择的独立性。用于驱动下一级的源极跟随器的m 6 在节点 的负载电容 是较小的。主极点有负载电阻和节点 所有的杂散电容并联决定，它是1 5 0 m h z 。 为了达到高的精度，所有并联的输入级都有相同的电流密度。采用共模反馈来稳 定直流电压。 z 胁= 3 3 0 2 图2 - 2 0 第一级的电路图 f i g 2 - 2 0s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ef t r s ts t a g e 第二级( 和第三级) 简单的电路图如图2 2 l 所示。在这里为了达到高的输 入阻抗，采用了共源的结构。0 2 0 d b 的增益控制是通过选择不同的并联输入级 和相应的p m o s 电流源的组合来实现的。为了达到1 0 d b 的衰减，选择一个并联 的输出级( m 2 1 伽b ，m 3 1 0 d b ) 可以降低负载的阻抗。同样在这里，精度可以通过 采用有相同电流密度的晶体管来决定增益和共源共栅的晶体管m 4 和m 5 来提 高。位于节点 的主极点设置在1 5 0 m h z 。 正如前面所讲到的那样，在输出端中频放大器必须能够处理的阻塞信号高达 一8 d b m 且不被压缩。为保持交调足够低，需要输出的三阶交调点是一2 d b m 。差分 的结构、线性的负载、高线性度的m o s 管和足够的栅源过驱动电压的组合可以 使得到的输出压缩点和输出三阶交调点比所要求的高3 d b ，且没有消耗过大的电 流。对于2 5 v 的电压源，中频放大器的第一级消耗一个恒定的电流。第二和第 三级消耗的电流依赖于所选的增益。在6 0 d b 时，消耗的总电流是2 6 m a 。当只 有第一级放大且第二和第三级的增益为0 d b 时，消耗最小的电流是1 8 m a 。 北京t q k 大学工学硕士学位论文 图2 - 2 1 第二和第三级的电路图 f i g 2 21s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h es e c o n da n dm 矾s t a g e 2 2 2 问题及解决办法 上述几种结构都存在面积大、功耗大、线性度不好、动态范围小、和随工艺 变化增益误差大等一些缺点。对于开环结构，采用一个简单的有m o s 一多晶硅电 阻网络的组合作为源极负反馈且调节范围大的差分对可以解决上述问题，它可以 在功耗、线性度、带宽和面积之间达到一个很好的取舍 2 3 】。以一个低电压低功耗 的中频可编程增益放大器为例来说明这种结构，它的增益范围是0 1 8 d b ，增益 步长是6 d b ，当驱动容性负载1 5 0 卯时，可达到一个恒定的带宽1 0 0 m 。 2 2 2 1 差分放大器的结构 差分可编程增益放大器是基于图2 - 2 2 所示的概念上的结构。它是一个g m - 增强的源极负反馈的差分对和电阻负载。关注在互导的核心上，它是一个源级跟 随器，流过晶体管m 1 的电流是恒定的【2 4 1 。晶体管m 1 m 2 组成了一个两极点负 反馈环路，它可以把输入电压缓冲器m 1 的源极电阻降为5 0 q ，它的值大约为 l ( g m i r o i 雠) ，所有的参数是它们原始的含义。因此，采用这种方法的源极负反 馈差分对的互导可以表示为a i r ，口代表m 1 栅极到漏极的直流电压增益，由于 衬底效应它总是小于l ，r 代表源极负反馈电阻的一半。修改过差分对的简单性 使它对于高频率低功耗的工作很有吸引力，这也是我们所感兴趣的。另外它可以 工作在低电压，如果我们假设m 1 、m 2 工作在饱和区，那么 v d d , m i n = v t h 2 + v d s 2 矿v b i a s i b ，v t h 是晶体管的阈值电压，v d s ，s a l 是维持晶体管在 饱和区的最小的v d s ，是偏置电流源所需要的电压。对于o 3 5 岬c m o s 第2 章可编程增益放大器的结构 的工艺，v d d 袖的值可以很容易的小于l v 。 吃 图2 - 2 2 可编程增益放大器概念上的电路图 f i g 2 - 2 2p g ac o n c e p t u a ls c h e m e 采用一个匹配的n m o s 管作为每个m 2 栅极的负载拷贝出去的线性的差分 信号电流通过负载电阻r l 被转化成电压。因此，这级的差分增益是 g a i n = t z 堕r ( 2 - 2 4 ) 这个放大器的增益可以通过一个可变的源极反馈电阻或负载电阻来选择。然 而，为了保持一个恒定的负载电阻，它较喜欢采用一个可变的源极反馈电阻来实 现。这个选择可以在可编程增益放大器的输出节点产生一个主极点 心- ( 1 r , c l ) ，因此所有的增益级都可以保持一个恒定的带宽。对于高频率的 应用，噪声的要求限制负载和源极反馈的电阻在七q 的量级上。因此选择 r l = 1 0 k q 。另外，采用多晶硅的电阻负载r l 可以不降低线性度的性能。对于可 编程增益放大器频率响应的仔细分析表明，第一个非主极点位于m 2 的栅极且在 m 1 的源极存在第二个非主极点和一个寄生零点。对于现在的设计所有的寄生效 应都在1 g h z 以上，因此可以被忽略，也不需要补偿电容。 2 2 2 2 源极负反馈的电路 最简单的源极负反馈电阻是基于一系列工作在线性区的m o s 晶体管的并 联。这种结构在硅片面积上很紧凑。但这种方法的线性度和可调节的能力受限于 现在所提供的电压源。对于低电压工作，最常用的解决办法是用一系列可编程的 无源电阻。这种方法可以达到较好的线性度和动态范围。不幸的是，要保证精度 需要较大的面积，且工作频率受限于信号通路里的开关。为了保持好的线性度和 占用适度的面积，可以采用线性多晶硅电阻和工作在线性区m o s 晶体管的组合 同时作为电阻和开关。根据这个策略，提出的源极反馈电路如图2 2 3 所示。最 北京t q k 大学t 学硕士学位论文 小的增益设置是由固定的高阻抗的电阻粕决定的。增益是通过增加一个并联的 支路进行数字控制，这个支路有一个线性的电阻和两个工作在线性区的n m o s 开关组成，它的导通电阻是总电阻的一半。 叫 图2 - 2 3 可编程的源极负反馈的电阻网络结构 f i g 2 - 2 3p r o g r a m m a b l ed e g e n e r a t i o nr e s i s t o rn e t w o r kc o n f i g u r a t i o n 2 2 2 3 可编程增益放大器的实现 标明晶体管尺寸和偏置电流值的完整的可编程增益放大器的电路图如图 2 2 4 所示。它是用0 3 5 p a n c m o s 工艺设计的，用一个单独的1 8 v 电压供电。 可编程的源极负反馈的电阻由一个混合的高阻抗的多晶硅- n m o s 电阻并联组 成，通过一个温度码控制它们的取值可以得到一个对数的增益分布，范围是 0 - - , 1 8 d b ，步长是6 d b 。这个电阻按比例缩放可以得到一个特定的增益分布。作为 选择，前面一级比如一个模拟乘法器可以加进来用以提供步长较小的控制，那么 步长较大的控制比如6 d b 或更大可以用上面提到的可编程增益放大器来实现。 卜。屹 h 图2 2 4 可编程增益放大器具体的电路图：( a ) 核心和( b ) 可编程源极负反馈电阻 f i g 2 2 4p g a d e t a i l e ds c h e m a t i c ：( a ) c o r ea n d ( b ) p r o g r a m m a b l ed e g e n e r a t i o ni m p e d a n c e 0 d b 的增益设置可以由两个高阻抗多晶硅电阻的比值来实现，因此可以达到 较高的精度。对于其它的增益设置，如果有必要的话，较小的增益可以通过开关 晶体管栅极电压的变化来调节用以提高精度。尤其是，1 6 - 1 8 v 栅极电压的变化 允许增益有1 0 的微调且不影响其线性度。最后，设计的一个重要参数是共模电 压( v c m ) 。提出的电路在输入信号电压摆幅上有一定的限制，是由保持晶体管 第2 章可编程增益放大器的结构 m i 、m 2 处于饱和区施加的。因此，输入的v c m 被设置在1 3 v 可以在每个输入 得到一个最大的电压摆幅0 6 、，也就是说一个最大的差分输入电压摆幅 1 2 v 呻。这个值对于实际的硬盘驱动系统和无线通信的应用是足够大的。较大的 电压摆幅可以通过在反馈通路上加一个直流电压移位器来实现，但是需要较大的 功耗。这个选择将不被考虑，因为我们的设计目标是保持低功耗。为了产生一个 合适的共模输出电压，在输出节点上加了一个电流源。电路图中工作在线性区的 晶体管m c 是为了控制建立v c m 另外加的电流源。 2 3 闭环结构 2 3 1 反馈的基本理论 由于闭环的结构都会用到反馈，简要介绍一下反馈的基本理论【2 5 1 。 先考虑图2 2 5 所示的理想的反馈结构。在这个图里s i 和s o 是输入和输出信 号，它们可以是电压或电流。反馈网络( 通常是线性和无源的) 有一个传输函数 f 且反馈到输入端一个信号s f b 。在输入端，信号s f b 在输入差分节点上从输入信 号s i 中被减去。误差信号s 。是s i 和s o 之间的差值，s 。被送到传输函数为a 的基 本放大器。注意另一个常用的惯例是假设s i 和s f b 在虚地节点是相加的，这将导 致在分析时一些符号的变化。需要强调的是实际中的负反馈放大器有一个输入的 差分节点，因此这里假设的惯例对于放大器的分析更为方便。 n口口口 从图2 2 5 看出， 。 图2 2 5 理想的反馈结构 f i g 2 2 5i d e a lf e e d b a c kc o n f i g u r a t i o n 疋= a s , 2 7 _ s 。 ( 2 - 2 5 ) 北京t 业大学t 学硕士学位论文 似设反馈网络小影响基本放大器的负载。并且 s 角= f s o q - 2 6 ) 足= s 一 ( 2 2 7 ) 因此得到 要= 彳= 南 ( 2 - 2 8 ) sl + 矿 、。 式( 2 2 8 ) 是负反馈电路最基本的等式，其中a 有反馈的整体增益。( a 通 常被叫做闭环增益。) 定义一个环路增益的量t 是非常有用的，它是反馈环路的 整个增益。 t = a f( 2 - 2 9 ) s & o = a = l + a _ z z _ ( 2 3 0 ) 墨 l + z 、 如果d 哆l ，那么从( 2 2 8 ) 可以得到a 是下式 肚手 ( 2 - 3 1 ) 也就是说对于较大的环路增益t ，整个放大器的增益是由反馈的传输函数f 决定的。由于反馈网络通常是由稳