（电路与系统专业论文）wsn节点射频芯片中pga电路设计与实现.pdf

d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f p g af o r r fs o ci nw s nn o d e ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y f e n gy a n g y a n g s u p e r v i s e db y p r o f e s s o rf a nx i a n g n i n g 一一 i n s t i t u t eo fr f & o e i c s s c h o o l o fi n f o r m a t i o ns c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y n a n j i n g ，p r c h i n a j a n 2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南大学或其他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。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：三：曼盘查导师签名：e l 期：丝f ! ：! ：p 摘要 摘要 可编程增益放大器是自动增益控制环路的重要组成单元。自动增益控制环路常被用于现代无线 通信系统中以增加其接收信号的动态范围。本文基于s m i c0 1 8 9 mc m o s 工艺设计了一种应用于无 线传感器网络节点射频收发s o c 芯片的可编程增益放大器。 一个设计良好的可编程增益放大器必须具有宽的可变增益范围、精细的增益变化步长、高线性 度和低噪声。在对现有可编程增益放大器调研和分析的基础上，结合无线传感器网络节点射频收发 单元的要求，本文采用了一种全差分闭环反馈结构的可编程增益放大器。通过开关控制的电阻网络 实现电路的增益可变。由于具有反馈系统的优点，这种结构的可编程增益放大器可以实现准确的增 益值和较好的线性度。虽然带宽受限，但是足够系统的需要。本文通过可变增益级和固定增益级级 联的方式来获得较宽的可变增益范围。当电路的增益很高时，一个很小的直流偏移量就会使电路自 身或者后续电路饱和。本文采用一种直流负反馈技术来消除系统的直流偏移，并阐述了该直流偏移 消除电路的设计要点。电阻网络的版图布局是可编程增益放大器版图设计的重要组成部分。电阻网 络的匹配对可编程增益放大器增益的准确度和单调性具有重要影响。本文采用局部共质心对称和全 局共质心对称的布局方式来保证反馈电阻和输入电阻之间的匹配以及全差分电路的电阻对之间的匹 配。后仿真结果表明：可编程增益放大器具有0 d b - - 6 0 d b 的增益变化范围，增益变化步长为l d b ；各增 益组态下对直流的最小衰减量约为2 0 d b ；l d b 增益组态下增益下降小于0 5 d b 的通带范围为 1 0 8 h z - 2 0 1 5 m h z ，6 0 d b 增益组态下增益下降小于0 5 d b 的通带范围为7 9 4 h z 5 2 m h z ：输出摆幅约为 1 4 v 。整个电路消耗的电流为3 7 m a 。芯片的测试结果表明，可编程增益放大器的可变增益范围为 2 2 3 d b 5 6 6 6 d b ，消耗电流为5 2 m a 。 本文设计的可编程增益放大器基本满足无线传感器网络节点射频收发单元的指标要求，经过进 一步的优化以后可集成到射频s o c 芯片。 关键词：无线传感器网络；自动增益控制环路；可编程增益放大器；直流偏移消除电路： 开关控制电阻网络 a b s t m e t a b s t r 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 ( p g a ) i sab a s i cb u i l d i n gb l o c ko fa u t o m a t i cg a i nc o n t r o l ( a g c ) l o o p a g c l o o p sa r ew i d e l yu s e di nm o d e m w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m st ob o o s tt h ed y n a m i cr a n g eo ft h e r e c e i v e ds i g n a lw h i c ht h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sc a l lh a n d l e i nt h i sp a p e r , ap g ai si m p l e m e n t e da sp a r t o ft h er fs y s t e mo nac h i p ( s o c ) f o rt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) n o d eu s i n g0 18 r u nc m o s t e c h n o l o g y aw e l l - d e s i g n e dp g as h o u l dh a v ew i d ev a r i a b l eg a i nr a n g e ，f i n eg a i nr e s o l u t i o n ，h i g hl i n e a r i t ya n dl o w n o i s e b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i so ft h es t a t eo ft h ea r to fp g a ，ac l o s e d 1 0 0 pf u l l y d i f f e r e n t i a l a m p l i f i e ri sa d o p t e dt om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ew s nr fs o c t h ev a r i a t i o no fg a i ni sa c h i e v e db y s w i t c h - c o n t r o l l e dr e s i s t o r ( s c r ) n e t w o r k t h i sa r c h i t e c t u r eh a sv e r ya c c u r a t eg a i nv a l u ea n dh i g hl i n e a r i t y d u et ot h eb e n e f i to fn e g a t i v ef e e d b a c k n o u 曲t h eb a n d w i d t hi sl i m i t e d ，i tc a ns t i l ls a t i s f yt h es y s t e m r e q u i r e m e n tw i t hp r o p e rd e s i g n aw i d ev a r i a b l eg a i nr a n g ei so b t a i n e db yc a s c a d i n gd i f f e r e n tv a r i a b l ea n d f i x e dg a i ns t a g e s w h e nt h eg a i no fac i r c u i ti sv e r yh i g h ，as m a l ld c - o f f s e tc a ne a s i l ys a t u r a t et h ec i r c u i t i t s e l fa n dt h es u b s e q u e n tc i r c u i t s ad c - o f f s e tc a n c e l l e r ( d o c ) i sp r o p o s e di nt h i sp a p e rt or e m o v et h e d c o f f s e to ft h ep g a u s i n gd cf e e d b a c kt e c h n i q u e k e yp o i n t sa r ee l a b o r a t e dc o n c e r n i n gt h ed o cd e s i g n b a s e do ns y s t e ms i m u l a t i o n t h er e q u i r e m e n to fh i l g ha c c u r a c ya n dm o n o t o n o u sg a i nv a l u eo ft h ep g a m a n d a t e sc a r e f u la n dh i g h l ys y m m e t r i c a ls c rl a y o u t l o c a la n dg l o b a lc o m m o nc e n t r o i ds y m m e t r i cl a y o u t t e c h n i q u e sa r ea p p l i e di nt h j sp 叩e rt oe n s u r et h em a t c h i n go ft h er e s i s t o r si ns c rn e t w o r k p o s t - s i m u l a t i o n s h o w st h ep g ah a s0 d b 一6 0 d bv a r i a b l eg a i nr a n g ea n dld bg a i nr e s o l u t i o n ；t h em i n i m u md ca t t e n u a t i o n i sa b o u t2 0 d bo v e rt h ew h o l eg a i nr a n g e ；t h ep a s s b a n dr a n g eo v e rw h i c ht h eg a i nd r o po ft h ep g a i sl e s s t h a no 5 d bi s1 0 8 h z 一2 0 1 5 m h zu n d e rl d bg a i nc o n f i g u r a t i o n , a n di s7 9 4 h z 一5 2 m h zu n d e r6 0 d bg a i n c o n f i g u r a t i o n ；o u t p u ts w i n go ft h ep g ai sa b o u t1 4 v n ep g ac o n s u m e s3 7 m ac u r r e n tu n d e r1 8 v s u p p l yv o l t a g e c h i pt e s tr e s u l t ss h o wt h ep g ac a na c h i e v e2 2 3 d b 一5 6 6 6 d bv a r i a b l eg a i nr a n g ea f t e r m i n o rb i a sv o l t a g ea d j u s t m e n t t h et o t a lc u r r e n ti tc o n s u m e si sa b o u t5 2 m a a f t e rf u r t h e ro p t i m i z a t i o n ，t h ep g a p r o p o s e di nt h i sp a p e rc a nf u l f i l lt h er e q u i r e m e n t so fw s nn o d ea n d b ei n c o r p o r a t e di n t ot h er fs o c k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ；a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l ；p r o g r a m m a b l eg a i na m p l i f i e r ；d c - o f f s e t c a n c e l l e r ；s w i t c h - c o n t r o l l e dr e s i s t o rn e t w o r k i i i 缩略语 英文简称 a d c a g c b i c m o s c m o s c m f b d a c d o c d r c d s b d s p e r c j f e t l n a l p e l p f l p f l v s m a c n f o p a p a p d p d k p g a r f s c r s m l c s o c v c r v g a w s n 缩略语 英文全称 a n a l o gt od i g i t a lc o n v e n e r a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l b i p o l a rc o m p l e m e n t a r ym e t a l o ) 【i d es e m i c o n d u c t o r c o m p l e m e n t a r ym e t a l o ) 【i d es e m i c o n d u c t o r c o m m o nm o d ef e e d b a c k d i g i t a lt oa n a l o gc o n v e n e r d c - o f r s e tc a n c e l l e r d e s i g nr u l ec h e c k d o u b l es i d eb a n d d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g e l e c t r i c a lr u l ec h e c k j u n c t i o nf i e l d - e f i e c tt r a n s i s t o r l o wn o i s ea m p l i f i e r l a y o u tp a r a s i t i ce x t r a c t i o n l o o pf i l t e r l o w - p a s sf i l t e r l a y o u tv e r s i i ss c h e m a t i c m e d i aa c e s sc o n t r o l n o i s ef i g u r e o p e r a t i o n a la m p l i f i e r p o w e r a m p l i f i e r p e a kd e t e c t o r p r o c e s sd e s i g nk i t p r o g r a m m a b l eg a i na m p l i f i e r r a d i of r e q u e n c y s w i t c h - c o n t r o l l e dr e s i s t o r s e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r i n g i n t e r n a t i o n a lc o r p o r a t i o n s y s t e mo na c h i p v o l t a g ec o n t r o l l e dr e s i s t o r v a r i a b l eg a i na m p l i f i e r w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k v 中文全称 模数转换器 自动增益控制 双极性互补金属氧化物半导体 互补金属氧化物半导体 共模反馈 数模转换器 直流偏移消除电路 设计规则检查 双边带 数字信号处理 电学规则检查 结型场效应晶体管 低噪声放大器 版图寄生参数提取 环路滤波器 低通滤波器 版图原理图对照 介质访问控制 噪声系数 运算放大器 功率放大器 峰值检测器 工艺设计套件 可编程增益放大器 射频 开关控制电阻 中芯国际集成电路制造有限公司 片上系统 压控电阻 可变增益放大器 无线传感器网络 目录 目录 摘要i a b s t r a e t 1 1 1 缩略语v 目j 5 乏 第l 章绪论1 1 1 课题背景。1 1 2 国内外研究现状1 1 3 论文的主要工作和设计指标。3 1 4 论文的结构组织3 第2 章可编程增益放大器设计的基本理论5 2 1 自动增益控制简介5 2 2 可变增益放大器简介及其发展趋势6 2 3 可编程增益放大器电路设计的理论基础1 0 2 3 1 可编程增益放大器的主要性能指标1 0 2 3 2 可编程增益放大器的电路结构1 0 2 。3 3 可编程增益放大器设计的基本电路理论1 1 2 4d 、l 砉：1 3 第3 章可编程增益放大器的晶体管级电路设计2 5 3 1 放大电路设计2 5 3 1 1 折叠式共源共栅两级运放的电路设计2 5 3 1 2 共模反馈电路设计2 6 3 1 3 直流偏移消除电路设计2 7 3 1 4 偏置电路设计2 8 3 1 5 放大电路的前仿真结果。2 9 3 2p g a 各增益级的电路设计3 2 3 2 1 1 5 d b 可变增益级的电路设计3 2 3 2 26 1 2 18 d b 可变增益级的电路设计3 4 3 2 32 0 d b 固定增益级的电路设计3 5 3 3p g a 整体电路设计。3 6 3 4 ，j 、结3 8 第4 章可编程增益放大器的版图设计3 9 4 1 版图设计概要3 9 4 1 1 版图中的寄生参数3 9 4 1 2 版图的对称性设计4 0 4 1 3 版图设计中的其他注意事项4 l 4 21 - 5 d b 可变增益级电阻网络的版图布局4 2 4 36 1 2 1 8 d b 可变增益级电阻网络的版图布局4 2 4 42 0 d b 固定增益级的版图设计4 3 4 5p g a 电路的后仿真结果4 4 4 6 以、l ；4 6 第5 章 可编程增益放大器的测试4 7 5 1 测试说明4 7 5 2 测试方案和测试结果4 8 v 东南大学硕士学位论文 5 2 1 直流工作点测试 5 2 2 增益测试 5 2 3 直流偏移消除性能测试 5 3d 、结 第6 章总结与展望 致谢 参考文献 附录l ；增益控制逻辑的v e r i l o g 代码 附录2 ：可编程增益放大器的增益控制编码 附录3 ：可编程增益放大器的增益测试结果 攻读硕士学位期间发表的论文。 v i 绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着信息产业的飞速发展，新的信息技术层出不穷，并且有与其他领域技术相融合的趋势。综 合了传感器技术，嵌入式计算技术，无线通信技术和分布式信息处理的无线传感器网络( w s n ： w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 正是这样一种多学科高度交融的当前热点前沿研究技术。无线传感器网络 以其广阔的应用前景和巨大的潜在市场价值而备受关注，被很多国家称为信息技术革命的第三次浪 潮，将极大程度地影响和改变人们的工作和生活方式。2 0 0 9 年8 月7 日，国务院总理温家宝视察了 中科院无锡微纳传感网工程技术研发中心，提出尽快建立中国的传感信息中心，并形象地称为“感知 中国”中心。目前国家把无线传感器网络明确列入国家中长期科学技术发展规划( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 和2 0 5 0 年国家产业路线图。 1 2 国f 勾# l - 研究现状1 1 , 2 , 3 j 无线传感器网络是典型的军民两用战略高技术，可以广泛应用于军事、国家安全、环境科学、 交通管理、灾害预测、医疗卫生、制造业和城市信息化建设等领域，因而世界各国都投入大量的人 力物力对其进行研究。无线传感器网络的构想最初是由美国军方提出的，美国国防部高级研究计划 署( d a r p a ) 于1 9 7 8 年开始资助卡耐基梅隆大学进行分布式传感器网络的研究，这被看成是无线 传感器网络的雏形。从那以后，类似的项目在全美高校问广泛展开，著名的有u cb e r k e l e y 的s m a r t d u s t 项目，u c l a 的w i n s 项目，以及多所机构联合攻关的s e n s l t 计划等。我国现代意义的无线传 感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，1 9 9 9 年首次正式出现于中国科学院知识创新工 程试点领域方向研究的信息与自动化领域研究报告中，作为该领域提出的五个重大项目之一。2 0 0 1 年中科院依托上海微系统研究所成立微系统研究与发展中心，引领院内的相关工作，并通过该中心 在无线传感器网络方向陆续部署了若干重大研究项目，初步建立传感网络系统平台。无线传感器网 络已被纳入2 0 1 0 年上海世博会的应用计划。无线传感器网络具有的低功耗、分布广、抗干扰、便于 布设和可双向通信实现自动化控制等特性，将被应用于世博会园区的防入侵、防毒、防爆、检票和 道路监测等系统中。目前，中科院上海微系统所与无锡新区合作共建无锡高新微纳传感网工程技术 中心，正推动着无线传感器网络产业的快速发展。 无线传感器网络是由大量随机部署在被监测区域内的节点通过自组织的方式构成的，因此节点 设计的好坏将直接影响整个网络的质量。在不同的应用中，无线传感器网络节点不尽相同，但一般 都是由传感器模块、数据处理模块、无线通讯模块和电源模块组成。对各个模块的优化设计是实现 性能优良的无线传感器网络节点的关键。一个典型的无线传感器节点框图如图1 1 所示。 传感器模块处理器模块无线通信模块 图1 1 典型的无线传感器网络节点结构框图 无线通信模块是无线传感器网络的重要组成部分，它包括实现无线通信技术的协议标准，例如 目前被广泛采用的z i g b e e 刑技术，以及实现无线信号接收和发送功能的射频收发单元，例如c h i p c o n l 东南大学硕士学位论文 公司推出的符合i e e e s 0 2 1 5 4 规范的2 4 g h z 射频芯片c c 2 4 x x 系列芯片。本论文研究的可编程增益 放大器( p g a ：p r o g r a m m a b l eg a i na m p l i f i e r ) 属于无线通信模块中的射频收发单元。它在射频收发 单元中的位置如图1 2 所示。 自动增益控制 。一。一擞一 i i 防豳诊 ( a d c i r 、 i丫l 划节一 i l n a 、 l ，、f = 防：广1 i 厂_ i隧轸 a d c i r 收发控制、乙y l ! 一! l 矽 u 嵌入式 iw啤l i q 葡li 频率综合器i d s p 芯片 m j 一衙i馆射功塞粹制山 他肇 l 刘 、j 。t j 人r 1 1 l 图1 2 射频收发单元的电路结构框图 从图1 2 中可以看出，可编程增益放大器处于射频收发单元的后端，是自动增益控制( a g c ： a u t o m a t i cg a i nc o n t r 0 1 ) 环路的重要组成部分，起着调节信号幅度和功率控制的作用。无线传感器 网络通常被部署在户外或者环境十分苛刻的地方，电磁波信号在这些环境中传播时会经历不同程度 反射和衍射从而造成信号的衰落，因此网络节点接收到的信号幅度强弱变化很大。若接收链路的整 体增益固定，当接收的信号幅度较大时，通常会使其后端电路饱和，进而产生非线性失真，接收信 号的质量下降：当接收到的信号幅度较小时，到达a d c 的信号幅度小于量化量程电压，造成量化后 的信噪比减小也会降低后续数字信号处理( d s p ：d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 的质量。因此自动增益控 制机制是保证无线传感器网络信号质量的一个重要环节，对其中的可变增益放大器( v g a ：v a r i a b l e g a i na m p l i f i e r ) l 拘研究具有一定的理论研究和工程应用价值。表1 1 是对国内外可变增益放大器研究 动态和现状的总结。 表1 1 国内外c m o s 可变增益放大器性能参数总结 t y a m a j i c c h s u0 j e o ns c t s o h p u im a k 【4 ，2 0 0 1 【5 ，2 0 0 2 【6 ，2 0 0 6 【7 , 2 0 0 6 】【8 ，2 0 0 8 】 电源电压厂v 2 53 31 81 8l 带宽i v h z3 0 2 1 0 1 2 51 8o 5 3 01 7 8 d b8 6 3 n v h z l 27 7 5 n v h z l 211 2 n v h z l 忽8 6 n v h z l 2 等效输入噪声 ( d s b n f ) 1 9 d b 增益0 d b 增益2 0 d b 增益3 0 d b 增益 输入三阶 互调点d b m 2 8 71 2 3 5 8 4 功耗m w 2 7 52 1 1l o 42 4 3 6 8 7 9 动态范围d b3 5 5 51 1 9 8 3 21 0 2 02 2 3 0 芯片面积m m 2 0 4 9o 1 80 5 6o 30 7 2 制造工艺l a m o 2 50 3 5o 1 80 1 8o 3 5 从电路实现形式上可变增益放大器般可划分为两种结构：开环结构和闭环结构。文献 4 】采用的是开 环增益连续可调的结构：文献【5 】、 7 】和【8 】采用的是闭环增益步进变化的结构；文献【6 】采用的是开环增益 步进变化的结构。一般地，开环结构的可变增益放大器电路结构简单，且易于实现增益控制，可以实现低 功耗和大带宽。闭环结构的可变增益放大器由于采用了负反馈技术，因而线性度和增益准确度较高，且受 工艺偏差的影响相对较小。但是为了确保反馈回路的稳定性，放大器在接成负反馈之前一般需要进行频率 补偿，因而电路实现复杂，带宽较小，功耗难于降低。 2 绪论 1 3 论文的主要工作和设计指标 本论文课题来源于东南大学射频与光电集成电路研究所承担的国家8 6 3 计划目标导向类项目“无 线传感器网络嵌入式s o c 芯片及射频收发芯片设计”( 项目号：2 0 0 7 a a o i z 2 a 7 ) ，主要研究内容 是运用0 18 9 mc m o s 工艺设计可运用于无线传感器网络节点射频收发单元的可编程增益放大器，包括电 路结构的选择、电路设计与仿真以及版图设计和验证。运用s y n o p s i sh s p i c e 电路仿真工具、c a d e n c ev i r t u o s o 电路设计平台和中芯国际( s m i c ) 的工艺设计套件( p d k ：p r o c e s sd e s i g nk i t ) 最终完成整个可编程增益 放大器的设计工作。设计以多项目晶圆的形式进行流片，流片后的芯片在射频与光电集成电路研究所的测 试平台下进行测试。根据系统指标的要求，拟定可编程增益放大器的各项主要性能指标如表12 所示。表 中的各项性能指标将在后续章节进行详细的介绍。 表1 2 可编程增益放大器预期达到的性能指标 参数名称指标要求 工艺类型 o 18 1 a mr f m m c m o s 输入信号类型差分信号 输出信号摆幅 l v 输入信号频率范围 2 m h z _ - t ：1 2 m h z 增益范围6 0 d b 增益步长 ld b 增益误差 o 5 d b 消耗电流( v d d = i b y ) 2 5 m a 1 4 论文的结构组织 论文共分为六章，将从以下方面展开论文主题的研究和设计工作。 第一章即绪论介绍了论文的课题背景、国内外研究现状并给出了论文的主要研究内容和预期达 到的目标。 第二章论述可变增益放大器的基本原理和性能指标，给出论文采用的可编程增益放大器的基本 结构并对其设计要点进行详细的阐述。 第三章介绍可编程增益放大器具体电路设计和前仿真工作，并给出主要的仿真结果。 第四章介绍可编程增益放大器的版图设计和后仿真工作，并给出相应的仿真结果。 第五章提出可编程增益放大器芯片的测试方案，给出主要的测试结果，并对结果进行分析，为 下一步的优化设计提供现实依据。 第六章是全文的总结和展望。 3 可编程增益放大器设计的基本理论 第2 章可编程增益放大器设计的基本理论 2 1 自动增益控制简介 自动增益控制是一种使放大电路的增益随信号强度变化而变化的自动控制方法。实现这一功能的电路 是一种闭环负反馈系统：自动增益控制环路。目前自动增益控制环路被广泛运用于无线通信系统、磁盘数 据读取系统和电子测量仪器等领域。在这些应用场合，接收或被测信号幅度的动态范围通常都很大，如果 放大电路的增益固定不变，则当输入信号幅度很大时，有可能使某些电路单元饱和，从而使电路产生较大 的非线性失真。因此必须在信号链路中引入一种增益调节机制以保证信号被正确地处理。自动增益控制环 路的作用正是为了解决这一问题。自动增益控制环路能够根据输入信号幅度的大小自动调节整个信号链路 的增益从而使输出信号的幅度保持在一个相对稳定的数值上。因此整个信号链路中6 4 节点的信号幅度可 以保持在电路能够处理的最优动态范围之内，从而提高电路的信号处理性能。 传统的自动增益控制环路由可变增益放大器，峰值检测器o ) d ：p e a kd e t e c t o r ) 和环路滤波器c l , p f ：l o o p f i l t e r ) 组成，如图2 1 所示，其基本电路结构单元都是模拟电路。控制环路的工作原理如下：可变增益放大 器的增益g 由控制电压k 决定；峰值检测器检测输出电压p 的幅值大小并将之与参考电压皿相比较 得到个误差信号圪，k 经过环路滤波器的滤波作用产生控制电压k 。当输入信号的幅值发生变化时， 控制环路的反馈机制将产生相应的控制电压来调节可变增益放大器的增益使输出信号的幅度稳定在参考 电平附近，从而达到自动增益控制的目的。理想自动增益控制环路的传输特性如图2 2 所示。当输入信号 很小时，自动增益控制环路不工作，输出信号与输入信号是普通的线性关系。当输入信号的幅值在和 班之间变化时，自动增益控制环路开始起作用使输出信号幅值保持在参考电平上。当输入信号幅度继续增 加时，输出信号与输入信号又恢复到原来的线性关系，以保证环路稳刘川。 图2 1 模拟自动增益控制环路电路结构框图 t ok圪k 。 图2 2 理想自动增益控制环路的电压传输特性 当输入信号的幅度发生变化时，自动增益控制环路将根据幅度变化的大小调节可变增益放大器的增益 使输出信号的幅度稳定在参考电平附近。和其他反馈系统一样，这一增益调节过程需要一定的时间，即系 统的瞬态响应时间，主要由环路滤波器的传输特性决定。环路从响应输入信号变化到输出稳定的参考电平 5 数字控制方式的固有缺陷，但是可以通过增加数字控制编码，即增加更多的增益值，来减小增益步长，从 而使环路的增益控制精度满足系统的要求。随着片上系统集成( s o c ：s y s t e mo nac h i p ) 的大趋势，更多 的自动增益控制环路将采用实现更为简单的数字增益控制方式。 本文设计的可编程增益放大器就是用于数字增益控制的自动增益控制环路，该环路是射频收发芯片的 重要组成部分。 2 2 可变增益放大器简介及其发展趋势1 1 5 1 1 1 6 1 1 1 7 l 可变增益放大器是自动增益控制环路的重要组成单元。本节将撇开自动增益控制环路，详细介绍可变 增益放大器的电路结构和工作原理。 可变增益放大器是一种特殊的放大器，其增益可在某种控制机制的作用下发生变化，但是其核心仍然 是具有放大功能的电路。 根据增益控制机制的不同，可变增益放大器有多种实现方式，下面以具体的电路结构来介绍不同增益 6 可编程增益放大器设计的基本理论 控制机制下的可变增益放大器的工作原理。 工作在低频条件下的可变增益放大器可由个普通的单级放大器和个压控衰减器组成，如图2 4 所 示。一个简单的压控衰减器包含一个工作在线性区的n m o s 场效应晶体管和一个与之串联的固定电阻。 场效应晶体管等效于一个压控电阻( v c r ：v o l t a g ec o n t r o l l e dr e s i s t o r ) ，从图中分析可得电路的增益为： 图2 4 简单的压控衰减器 g ：堡：鱼(2-1) r + ( 1 + g d s r ) 月l 式中，g 凼是压控电导即场效应晶体管的小信号输出电导。g 出和栅极控制电压v c 有如下函数关系： g d s 。c “7 w ( k 一s 一_ 涨) ，其中鳓是电子迁移率，c | o x 是n m o s 管单位面积的栅电容， 是n m o s 管的漏源电压，玢洲是n m o s 管的阈值电压。 如果负载电阻r l 远大于r 出和r ，式( 2 。1 ) 可以化简为： g = 等 ( 1 慨盯l + a 巳警( 吨一一 ( 2 2 ) 由( 2 2 ) 式可见，通过改变场效应管的栅极电压v c 的大小就可以改变压控衰减器的增益，因此简单的 压控衰减器就可以构成一个可变增益放大器。9 , ( 2 - 2 ) 式可以看出，这种简单的结构具有几个严重的缺点： 首先，放大器的增益也是输出电压的函数，因而电路的谐波失真比较高；其次为了保证场效应晶体管工作 在线性区，输出电压的摆幅不能太大，这就限制了电路的信号处理能力：第三，增益和控制电压之间不是 指数函数关系，因而电路不能直接应用于自动增益控制环路。该电路结构的带宽比较低，很少应用到射频 通信系统中的自动增益环路。 另外个结构简单的可变增益放大器是双栅晶体管放大截i u a l - g a t e sm o s f e t ) 。如图2 5 所示，双栅 晶体管可以用两个晶体管m l 和m 2 来等效，m 2 工作在饱和区，m 1 工作在线性区1 1 6 】。个粗略的近似是 把m 2 看做是源极跟随器，则有： 形 g g 。l r l p 。c a x ( ) l ( 一s 2 ) 皿( 2 - 3 ) l 其中、r g s 2 是m 2 管的栅源电压，由( 2 3 ) 式可知，改变m 2 管的栅极电压v c 就可以改变电路的增益。 该电路存在和压控衰减器同样的问题，但是性能要优于压控衰减器。例如其线性度一般会高于压控衰减器。 这种电路结构虽然适合高频电路，但缺少精确的模型且性能较差，因此应用不是很广。 吉尔伯特单元电路是一种常用的可变增益放大器结构，它是一种多功能的模拟电路模块，在射频电路 中常用作混频电路。该电路在1 9 6 8 年由b g i l b e r t 首先提出。为了便于讨论，现以双极性工艺下的吉尔伯 特电路结构为例简述其工作原理，如图2 6 所示。 吉尔伯特单元主要由三组差分对构成，其中上层是两对交叉耦合的差分对，根据实际电路的需要，控 制电压和输入信号可加在上层差分对的基极或下层差分对的基极。吉尔伯特单元利用了差分对的两个重要 特性： ( 1 ) 差分对的尾电流决定其增益； ( 2 ) 差分对的基极电压决定尾电流在两个晶体管中的分配。 7 东南大学硕士学位论文 v c v c v c 坩 图2 5 双栅晶体管放大器 v c c 图2 6 吉尔伯特单兀电路 假设电路中的元件是完全匹配的，电路的电压传输特性推导如下： l 毗= ( k 3 + k 5 ) 一( ，“+ k ) = ( 如，一c 4 ) 一( 丘。一k ，) = i c lt a 】m ( ( 2 ) ) 一i c 2t a n h ( v m ( 2 k ) ) = ( 厶l i c 2 ) t a r m ( k 。( 2 ) ) = k t a i l l l ( 圪( 2 v t ) 】 t a r l l l ( 圪( 2 v t ) 】 = k 盈= k 噩 t a r m ( v c ( 2 ) 】 t a l l l l ( ( 2 珞) 】 当珞，2 v t 很小时，t a n h ( v j 2 v r ) v j 2 v r ，吉尔伯特单元电路的增益为： g = 圪，e e r l 【( 2 咋) 】【a n h ( “2 ) 】 ( 2 柳 = ，旺【t a n h ( ( 2 ) 】r ( 2 ) 。 由式( 2 - 4 ) 可知，改变控制电压v c 的大小就可改变电路的增益，但是增益和制电压之间也不是指数 的关系。所幸的是在双极性工艺下，三极管的集电极电流和基射电压之间是指数函数的关系，因而指数函 数生成电路在双极性工艺下很容易实现。 调研发现，很多文献提出的可变增益放大器都是在吉尔伯特单元电路基础上的改造。文献 1 7 】提出了 8 可编程增益放大器设计的基本理论 种基于吉尔伯特单元的可变增益放大器结构，电路能够工作到1 g h z ，增益的动态范围为3 0 d b 。由于采 用双极性工艺，因而指数函数控制关系很容易实现。电路的结构框图如图2 7 所示。 图2 7 一种采用吉尔伯特单元的可变增益放大器结构 文献【1 8 】在文献【1 7 】的基础上，采用b i c m o s