（微电子学与固体电子学专业论文）无线接收机cmos可变增益放大器的设计.pdf

摘要 可变增益放大器在目前最常用的混合信号大规模集成屯路中有着重要的作 用，它广泛应用于医疗设备，助听器，磁盘驱动，和无线通讯等领域之中。随着 通讯领域的快速发展，对可变增益放大器的设计提出了更高的要求，那就是宽的 动态范围，高的线性度，低电压低功耗和小的芯片面积。然而，采用c m o s 技术来 实现可变增益放大器存在着许多难点，因此也就成为一项人1 f 1 1 1 1 常关注的课题。 在介绍了可变增益放大器的工作原理、应用背景、发展状况的基础上，根据 工程的需要，采用s t l l co 1 8 u mc m 0 s 工艺技术，设计了应用于无线通讯接收机中 的中频可变增益放大器，基本实现了其对低功耗，宽的动态范围，商的线性范围， 小的增益误差，和占有小的芯片面积的设计要求和指标。这对目前无线通讯接收 机的可变增益放大器设计具有很高的参考价值。 关键词：可变增益放大器；接收机；自动增益控制；d b 线性；增益范围 a b s t r a c t t h ev a r i a b l eg a i na m p l i f i e r ( v g a ) p l a y sc r i t i c a lr o l e si no r d e rt om a x i m i z et h e d y n a m i cr a n g eo f t h eo v e r a l ls y s t e mi nm a n ya p p l i c a t i o n sf o rm i x t u r es i g n a lv l s i ，s u c h 镐t e l e c o m m u n i c a t i o n sa p p l i c a t i o n s ，m e d i c a le q u i p m e n t s ，h e a r i n ga i d s ，d i s kd r i v e r sa n d s oo n w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to ft e l e c o m m u n i c a t i o n ，t h eh i g h l yi m p r o v e d p e r f o r m a n c eo fv g ae m b e d d e di nr e c e i v e rt y p i c a l l yo p e r a t e da ts m a l ls i g n a lr a d i o f r e q u e n c yi sr e q u i r e d , f o re x a m p l e s ，谢d ed y n a m i cr a n g e ，h i g hi i n e a r i t y , l o wp o w e r c o n s u m p t i o n , a n dl e s so c c u p i e dc h i pa r e a h o w e v e r , i ti sn o te a s yt oa c h i e v e t h i sk i n do f h i 曲p e r f o r m a n c ev g a w i t hc m o st e c h n o l o g yc u r r e n t l y s oi tb e c o m e sac h a l l e n g eo f a n a l o gc i r c u i td e s i g n b a s e do nt h e o p e r a t i o n a lp r i n c i p l e ，t h eb a c k g r o u n d o fa p p l i c a t i o n sa n d d e v e l o p m e n to ft h ev g a ，ac m o sv g a h a v eb e e nd e s i g n e du s i n gan e we x p o n e n t i a l a p p r o x i m a t i o na p p r o a c hw i t hs m i c0 18 u mc m o st e c h n o l o g ya c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n t so ft h ee n g i n e e r i n gp r o j e c t t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t 9 0 0 d p e f f o r m a n c eh a so b t a i n e db yp r e s e n t e dd e s i g na n dt h em a i np a r a m e t e r sf i tt h e s p e c i f i c a t i o n sw e l l ，s u c h 船l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，w i d e rd y n a m i cr a n g e ，h i g h e r l i n e a r i t y , l e s sg a i ne r r o r , a n dl e s so c c u p i e dc h i pa r e a t h e s er e s u l t sa r er e l a t i v e l y s a t i s f a c t o r yc o m p a r e dt ot h ec o n v e n t i o n a lv g ad e s i g n t h i sp r o v i d e sav e r yg o o d r e f e r e n c ef o rt h ec u r r e n tv g a d e s i g ni 1 1w i r e l e s sr e c e i v e r k e y w o r d s ：v g a ；r e c e i v e r ；a g c ；d e c i b e ll i n e a r , g a i nr a n g e 创新性声明 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中所罗列的内容以外，论文中不 包括其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 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做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：堆 日期：! 翌业 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或者使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存沧文。 本人签名：羔丝 导师签名：互笙釜塑 导师签名：2 垒釜竺 日期：幽= f ：! ? 第一章引言 第一章引言 1 1 历史背景 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( h i g h i n p u ti m p e d a n c e ) ，极低的开关偏移误差( 1 0 w o f f s e ts w i t c h e s ) ， 高的集成密度( h i g h - p a c k i n gd e n s i t y ) ，低的开关功率损耗( 1 0 w s w i t c h i n gp o w e r c o n s u m p t i o n ) 等特征，但最重要的足，它们的尺寸能按比例下降( s c a l i n gd o w n ) 。 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 的击穿和确保晶体管的可靠性，电路的电源电压( p o w e rs u p p l y ) 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( m i x e ds i g n a l ) v l s i 电路中，可变增益放大器 ( v a r i a b l eg a i na m p l i f i e r ) 发挥着巨大的作用，它广泛应用于医疗设备，助听 器( h e a r i n ga i d s ) ，磁盘驱动( d i s kd r i v e ) ，和无线通讯( t e l e c o m m u n i c a t i o n ) 等之中。可变增益放大器的主要特征是在其中有指数函数发生电路，这个电路在 c m o s 技术中是不易实现的，因为c m o s 晶体管在强反型区呈平方律的特性。但是， 该电路采用双极( b i p o l a r ) 技术是很容易实现的。不幸的是，双极工艺和单片的 低电压c m o s 模拟和混合信号电路是不兼容的。在传统的工艺技术条件下，要实现 与锄o s 兼容的高性能的双极晶体管是困难的，b i c m o s 技术又没有很有效的解决办 法。 因为工作在饱和区的m o s 器件没有固有的指数函数关系的特性，所以指数的 特性可以通过伪指数( p s e u d o - e x p o n e n t i a l ) 发生电路，或者泰勒级数( t a y l o r s e r i e se x p a n s i o n ) 电路来实现。然而，用以上这些方法得到的可变增益放大器 的d b 线性输出范围太小，一般不超过2 0 d b 。在论文中介绍的用伪指数函数实现的 可变增益放大器具有更高的d b 线性范围，它的范围也只为3 0 d b ，这个d b 线性范 围仍然是相当有限的。采用c m o s 技术来实现高增益线性范围的可变增益放大器就 引起人们的极大兴趣 2无线接收机c m o s 可变增蕴放大嚣的设计 1 2 项目来源及概述 根据调查报告数据显示，2 0 0 3 年到2 0 0 6 年，无线局域网( w l a n ) 市场将保持 年平均4 0 左右的持续增长，2 0 0 6 年，全球无线局域网市场想值将突破1 0 0 亿美 元。作为有线网络的延伸和一种补充，无线局域网被认为是下一代i t 产业发展的 最大推动力之一。i e e e 8 0 2 1 l g 作为种领先于现有无线局域网标准8 0 2 1 l a 和 8 0 2 1 l b 的技术标准，被大多数企业，个人和研究单位看好 随着市场和技术的不断成熟，w l a n 中的关键模块一射频集成电路( r f i c ) 成 为目前研究和应用的热点。无线通讯系统对设计低电压，低功耗的射频集成电路 设计提出了更高的要求。 根据中芯国际设计服务处射频小组的项目要求，我的任务要实现w l a n r e c e i v e r 中v g a 的基于s m i c0 1 8 u mc m o s 工艺的设计，使其在低功耗，动态增益 范围，线性度，芯片面积及低噪声等方面有很大的提高，最终实现成功流片。我 的论文工作要完成r e c e i v e r 中v g a 的基于s m i c0 1 8 u mc m o s 制程的设计，指标： 增益动态范围6 0 d b 以上，增益线性度好，误差小，噪声系数小于。并且最终在中 芯国际流片。 1 3 论文的主要内容和结构 本论文第一章首先介绍历史背景，项目来源，及本论文的主要内容和结构； 第二章介绍可变增益放大器的基本原理，及它在传统的磁盘驱动和现今不断发展 的无线通讯领域的应用介绍；第三章讲述可交增益放大器基本的设计要求、指标 参数，可变增益放大器的类型，可变增益放大器传统的一些电路结构的发展介绍 和如今一些高性能的，结构新颖的可变增益放大器的介绍和可变增益放大器今后 发展的展望：第四章讨论例o s 可变增益放大器的发展历程，其中包括吉尔伯特 ( g i l b e r t ) 增益单元，具有压控衰减器的运算放大器，先进的射频c m o s 可变增益 放大器( r fc m o sv g a ) ，伪指数( p s u e d o - - e x p o n e n t i a l ) 的电压发生电路，第五 章叙述c m o s 可变增益放大器近年来的发展，其中包括实现增益的指数函数新的近 似方式，数字化的增益控制算法( d i g i t a lv g a ) ，高的增益带宽积：第六章描述 在w i r e l e s sl a n ( l o c a la r e an e t w o r k ) 的接收机( r e c e i v e r ) 系统中，结合s m i c 0 1 8 u mc m o s 工艺实现中频宽带的，宽的d b 线性范围，高的输入信号动态范围的 可变增益放大器，一种新的指数函数的近似方程被采用到该可变增益放大器，该 可变增益放大器的拓扑结构实现了低功耗，小芯片尺寸，和宽的增益控制范围 该可变增益放大器采用s m i c0 1 8 u mc m o s 技术，通过e d a 工具仿真该放大器两级 第一章引言 3 级联具有8 4 d b 的增益变化，并且在8 4 d b 的范围里增益误差在l d b 的范围里。其 输入l d b 压缩点从- - 4 2 d p 帅到一2 2 d b m ，功率损耗小于3 6 m a 1 8 v ，占有芯片面积 大约0 4 m m 2 。 第二章可变增益放大器的介绍和应用 5 第二章可变增益放大器的介绍和应用 这一章主要介绍什么是可变增益放大器，它在自动增益控制中的作用，工作 原理，它的主要类型，以及在过去1 5 年里可变增益放大器在两个主要领域的应用， 即磁盘数据存储系统和无线通信系统。 2 1 可变增益放大器( v g a ) 的工作原理 2 1 1 什么是可变增益放大器 可变增益放大器，它的英文缩写是：v g a ，全称是v a r i a b l eg a i np a n p l i f i e r ， 顾名思义，这个放大器的增益是可调节变化的。它是用一个直流偏置的控制电压 ( 电流) 来控制该放大器的增益，达到使增益随着控制电压而变化。用函数表示 即为： g a i n = ，( k ) 或厂( i c ) ( 2 1 ) 这里，k 和厶为控制电压和电流。 可变增益放大器一般应用在自动增益控制( a u t o m a t i cg a i nc o n t r 0 1 ) 环路 中。在许多系统的自动增益控制中，比如通讯接收机，接收机的输出信号被检测 到以后，产生一个控制信号，它是关于输出信号强度的函数，这个信号反馈到可 交增益放大器来改变它的增益，使接收机的输出幅度保持为常数。 2 1 2 可变增益放大器的工作原理 下面以射频通讯系统中的可变增益放大器为例来说明它的工作原理。 由于障碍物，大气等给通讯接收机带来的接收信号的减弱，衰减等的影响， 这些影响是不可预料的。所以无线通信工程设计的挑战之一便是面临接收信号数 据的最大动态范围。在射频前端必须一个强有力的，可调节的自动增益控制部分。 正是基于这样的考虑，自动增益控制的首要功能是在输出级保持一个稳定的信号 电平的输出，而不管接收机前端的接收信号强弱有如何大的变化i 自动增益控制的主要部分是可变增益放大器，它的增益能够根据反馈信号而 动态的变化如图2 1 所示， 6 无线接收机c m o s 可变增益放大器的设计 图2 1 自动增益控制方框图 这样，在所有的射频通信领域，可变增益放大器成为不可缺少的功能模块 对于一个自动增益系统来说，可变增益放大器的高性能的设计成为关键因素。在 一些应用中，比如在c d m a 的移动终端的发射部分，可变增益放大器使移动终端的 每个用户单元保持相同的发射功率，使基站保持最佳的系统容量。而且，在混合 信号的时代，模拟电路具有数字电路不可替代的作用。这是因为数字电路通常成 为技术优化的瓶颈，而模拟电路不是。这就是为什么近些年来大动态范围的模拟 集成电路得到如此大的关注的原因，特别是在低电压，低功耗的应用中。 在认识到可变增益放大器的重要性的同时，下面主要介绍可变增益放大器的 背景，以及它们在射频通信领域近些年的发展。而且，特别关注的是c m o s 可变增 益放大器，因为c 1 4 0 s 技术为片上系统( s o c ) 提供了高集成度的解决方案。一些 实用的c m o s 可变增益放大器电路将被提到，并分析比较。 2 2 可变增益放大器的两个主要的应用领域 这一节主要概括介绍在过去2 0 年里可变增益放大器两个主要应用，即磁盘数 据储存系统和通信领域。 2 2 i 磁盘数据存储系统 通信的发展起步于二十世纪九十年代中期，而在这之前的八十年代，可变增 益放大器主要应用于磁性数据存储系统。那时，数据率为2 0 - - 4 0 m b p s 的磁盘驱动 系统重要应用于视频的模拟和数字集成电路中，因此这形成了一个很大的市场需 求。可变增益放大器的作用是为了使读回脉冲的平均幅度达到稳定的值。这个读 回脉冲幅度包含着磁性煤质的各种信息成分，并且这个脉冲幅度要求被放大的增 益在3 0 d b 的范围，达到一个参考的电平值，然后送到峰值检波器中。这样的目的 第二章可变增益放大器的介绍和l 应用 7 是为了最佳的信号检波效果。在这个过程中，自动增益控制系统通过一个包络检 波器来检测平均脉冲幅度，然后给可变增益放大器设置一个合适的增益值。这样 的可交增益放大器的设计重要有三个重要方面的性能指标要求：一个是3 0 d b 的可 控增益的范围：二是线性的相频特性；三是低的噪声系数，这可以阻止输出信噪 比的下降。 图2 2 所示为这样的可变增益放大器的c m o s 电路结构， 图2 2 磁性数据存储系统的c m o s 可变增益放大器的电路图 在这个电路结构中，通过改变输入差分对m 1 的负载，即晶体管m 3 的电阻值 来提供一个可变化的增益，而m 3 的电阻值随着它的偏置电流t ，而变化，然后经过 输入级放大的信号被后面的差分对m 2 再次放大。值得注意的是。在大的增益变化 的情况下，输入级的偏置电流l 控制着两级放大电路的总增益。电路的其余部分 提供了一个额外的增益级，它的增益是固定的。另外对电路加补偿电容，增大了 整个电路的带宽。 8无线接收机c m o s 可变增益放大器的设计 2 2 2 通信系统中的应用 由于近些年来射频通信系统的高速发展，高选择性和良好的输出信号电平的 控制的需要成为任何通信系统的众多焦点之一。因为从任何可能方向传来的不可 预知的输入信号幅度电平进入接收机，因此大多射频收发机中都有自动增益控制 系统。在接收机中可变增益放大器无疑是必需的，它的输出电平标准化，为了下 一步的数字信号处理。在一些特别的应用中，可变增益放大器的动态范围和带宽 分别为5 0 d b l o o d b ，5 0 m h z - - 2 0 0 m h z 。几个这样的电路结构将在第三章讨论。值 得注意的是现今通信的迅速发展越来越成为高性能可变增益放大器的主要驱动 力。 第三章可变增益放大器的基本设计要求和指标 9 第三章可变增益放大器的基本设计要求和指标 在通过几个典型的电路结构讨论高性能的可变增益放大器之前，先来讨论一 下可变增益放大器的基本设计要求无疑是有益的。这将帮助我们理解集成电路设 计者在设计电路时遇到的限制力和挑战性。 3 1 增益变化的途径 传统意义上，可变增益放大器的增益变化主要通过两种方式来获得的，一是 改变工作在饱和区的m o s 器件的跨导，二是改变工作在线性区的m ( ) s 器件的沟道 电阻来达到。前种方法需要变化的是偏置电流，而这通常是不能满足的，因为m o s 器件的跨导和它的偏罨电流的之间是平方根关系： g a i n a g m = s q r t ( 2 + k p ( w l ) + 厶hl(3-1) 例如，增益要达3 0 d b 的变化范围预示偏置电流l 倍到1 0 0 0 倍的变化。这么大的 电流变化成为设计高输出动态范围的可变增益放大器的主要障碍，因为这将带来 极大的功率损耗。而且，工作在饱和区的m o s 管不能足够大的输出摆幅，这是因 为电源电压很小。后一种方法，只需要栅压的变化来调制m o s 管的沟道电阻。然 而，它的缺点是m o s 电阻的信号处理能力很差，将在一个很大的动态范围里导致 严重的失真。现在有很多的方法来解决这些固有的问题，比如用工作在线性区的 m o s 管，或者几级增益级联，每级增益变化范围很小。一个典型的方框图如图3 3 ， 图3 3 两级可变增益放大器结构 3 ，2 增益的指数变化 可变增益放大器一个重要的特性是增益随着控制电压( 电流) 信号呈指数的 1 0 无线接收机c m o s 可变增益放大嚣的设计 变化，即 g a i n = a e x p ( a v c ) ，这里，口和口均为常数。 1 口 一 等 a 一一 ，4 0 ，一 3 0 一 一 * 一 2 0 。一 0 - z 一一彳 ： 啪 。一m _ 。： 转换成分贝 坐标，则是随 着电压的线 性变化，如图 3 4 所示， d _ f f e r e n t | a lc o n t r o lv o l t a g e ( v 图3 ，4 增益v s 差分控制电压的半对数曲线 可变增益放大器的增益和控制电压的函数关系应该使自动增益控制环路的环 路增益在控制信号的整个工作范围保持常数。这个特性使增益控制环路保持一个 均匀的环路瞬态响应和保证的环路稳定时白j ，而不管输入信号如何变化。这就要 求放大器有大的动态范围，并且使自动增益控制环路的稳定时间保持常数。这二 点在无线接收机的设计中是必需的。 双极结晶体管关于输入电压固有的指数函数特性为此提供了一个可行的方 案。这就是为什么在过去的可变增益放大器通常都用双极管实现。然而，随着片 上系统技术的不断需求，c m o s 的高集成度，低成本就显示出极大的优点当m o s 晶体管应用到可变增益放大器时，它的一个很重要的缺点是其增益被限制在2 0 倍 左右，因为它的电流服从平方律的关系，所以相当有限。而当电流很小时，器件 又进入亚阈区；另一个方面，当流过m o s 管的电流太大时，m o s 管又将背离理想的 电流平方律的特性。这是因为高的电场强度和寄生的沟道电阻所导致的迁移率下 降。这样，在认识到m o s 器件物理上的局限性以后，在二十世纪九十年代初出现 了用c m o s 工艺的寄生的双极晶体管来代替m o s 器件。然而，双极管的频率特性又 不能满足设计的需要。因此，现今更多的电路设计者发明和创造了许多新颖的电 路结构，如吉尔伯特乘法单元就是其中一种n 。 3 3 高的动态范围 增益控制的动态范围，也即增益变化的范围，是可变增益放大器另一个重要 第二章可变增益放大器的基本设计要求和指标 “ 的参数。这个参数的典型值可以从5 0 d b 最高到1 0 0 d b 。为什么增益的动态范围这 么大呢? 主要原因是为了实现系统低的噪声系数和低的三阶互调失真( i m 3 ) 。 如图3 5 所示， 皂 拿 6 菩 d e i 掣开a u 孔舶久 一i 萋 f i e ( p l e n c y 图3 5 邻近信道对有用信号的影响 当邻近信道的信号的强度和有用信号相当时，可变增益放大器必须呈现大的 增益，并且低的噪声系数，来抑制对有用信号有影响的交叉信道调制的干扰。 最后，大的输入信号动态范围也是设计可变增益放大器的重要的指标。这是 因为接收机接收到的输入信号强弱变化，并且可变增益放大器对此要线性放大， 不能产生信号失真。 第四章传统的c ( s 可变增益放大器的发展 1 3 第四章传统的c m o s 可变增益放大器的发展 4 1 吉尔伯特( g i l b e r t ) 增益单元 早在1 9 6 8 年，b g i l b e r t 提出了一个四象限的乘法器，它是一种多功能的模 拟电路模块，即g i l b e r t 单元“”。这个具有创造才能的创新利用了差分放大器的 两个重要的特性： 1 ) 电路的小信号增益随尾电流变化； 2 ) 差分对的两个输入管为控制尾电流在两个支路的流动提供了一个简便的 方法。 如图4 1 ，是g i l b e r t 单元，由三个差分对组成，输入和控制信号均为差分形 式，它的增益能够连续地从负值到正值变化。 i o l 十 。t i 面 一5屿士甲 屿警 一卜1 i i 丑 一一 iii 一 专 士i i 越i： i 。 l 广 - ，i ，l 1 ii k 胍一 埘2 一l l 一 () k + 吒 - - + 一 v 嚣 图4 1c u o s 实现的吉尔伯特乘法器单元 通过对该电路仔细地研究，我们发现吉尔伯特单元的输入端( ) 由两个输 入交叉耦合的差分对组成，起到掌控、分配电流的目的。而底端的差分对，由控 制信号p 么控制，它可以把电流从差分对的一个晶体管分配到另一个晶体管。假定 输入端的两个差分对是匹配的，那么， 如果厶= o ，则 1 4无线接收机c m o s 可变增蔬放大器的设计 圪。= ( v o + ) 一( 圪。一) = - g 。r 。( ) ( 4 一1 ) 并且，如果厶，= 0 ，则 p ，掰= + 冠。( ) ( 4 2 ) 对于厶。= ，3 ：= l 2 ，那么= 0 根据以上我们可以概括出：当控制信号l p 乙i 很大时，该电路的增益或者最正， 或者最负：当p 2 偏置到晶体管m l 和m 2 的输入端时，电路的增益为零。因此， 该电路可以被用作模拟乘法器，它的输出电压的表达式是一个线性的函数： = 阳r f ( 墨一) ( 战) ( w o 。( 州三) ，6 2 ( 4 _ 3 ) 这里，墨一和恐。分别是晶体管q j 。和g 。的工艺跨导 但是，吉尔伯特乘法器有两个主要的缺点，这就导致了它在被用在自动增益 控制( a g c ) 系统中的可变增益放大器( v g a ) 之前，必须有其他的电路来调整。 第一个闯题是增益和控制电压之问没有呈现指数关系，丽它们之间的指数关系对 于在自动增益控制系统中实现宽的动态范围和稳定的瞬态响应的可变增益放大器 来说，无疑是必需的。而且，该单元结构呈两级电路堆叠，所以和单一的差分对 相比，其耗费了两倍的有效电压余度。这样在低电压的设计中，例如1 5 v ，两倍 的过驱动电压相当予超过2 5 的电源电压。 对于宽带设计来说，这个简单的乘法器的频率响应在特定的应用中可以达到 几十兆赫兹以上。现今，一个高性能的集成吉尔伯特单元的增益带宽积可以达到 1 0 g 赫兹以上，例如，i n t e s i l 公司的器件型号b f a 3 1 0 “”。 这样，如果典型的吉尔伯特单元没有改进避免以上的问题，那么它的基本结 构在任何模拟集成电路设计中都不可能单独使用。实际上，在许多模拟电路设计 中，吉尔伯特单元的改进结构得到了广泛的应用。因此，讨论吉尔伯特单元这个 基本模拟电路模块的原理，对于理解其他更高的改进形式的电路结构是有好处的 其他改进的电路结构我们将在后面讨论。 4 2 具有压控衰减器的运算放大器 除了吉尔伯特单元，另一种在可交增益放大器中最一般的电路结构形式由运 算放大器和压控衰减器组成”，如图4 2 ( 仅衰减器) 第四章传统的c l i i ) s 可变增益放大器的发展 1 5 r 图4 2 基本的压控衰减器 这个衰减器部分由一个偏置在三极管区的场效应管和与它串连的固定电阻组 成。因此，该场效应管等效为一个可变的电阻，其阻值被栅电压k 所控制。根据 电阻分压规则，我们可以很容易得到输出电压的表达式为： = 也( 1 + g 。r l ) i r + 墨( 1 + g d , r l ) - 1 ( 4 4 ) 如果吃的值远远大于k = l g 。和r ，则上面的方程可以简化为： = 【l + 町1 ( 4 5 ) 因此，在这个衰减器之前接运算放大器，我们就可以得到压控增益放大器， 其增益随着控制电压变化，这个控制电压偏置在晶体管的栅极来调制工作在三极 管区的场效应管的沟道电阻。 这个简单的拓扑结构又有两个严重的缺点，即高的谐波失真和有限的信号处 理能力。但是通过将漏源电压的一半反馈到栅极，它们能够很好地被解决。而且， 这个电路系统不能提供增益和控制信号之间的d b 线性关系。并且该电路具有相当 窄的带宽，因此在射频系统中的自动增益环路中该结构通常不被采用。 4 3 在c m o s 中的寄生双极晶体管 正如在前面提到的那样，可变增益放大器的一个重要的特征是变化的增益和 控制信号之间的指数关系，控制信号可以是电压或者电流。在过去的1 0 到1 5 年， 基于二象限和更高级的四象限的吉尔伯特乘法单元，且具有宽的动态范围和宽带 的可变增益放大器已经采用双极集成工艺技术实现“”。这种类型的电路，被叫作 跨线性电路( t r a n s l i n e a r ) 。它是完全利用了双极晶体管的i v 指数特性，这个 指数关系暗示了双极晶体管的偏置电流和跨导之间的d b 线性关系。 而s 晶体管没有这样的特性。在认识到这点后，t z u w a n gp a n 和 a s a d a b i d i 在1 9 8 9 年用c m o s 工艺中的寄生双极晶体管实现了5 0 d b 的可变增益 放大器“”。这种方法表明了双极晶体管可以用传统的c m o s 集成工艺来实现。该可 1 6无线接收机c m o s 可变增益放大器的设计 变增益放大器的核心部分如图4 3 所示。 + i x 图4 3 吉尔伯特增益单元的变型 图4 3 由两个差分对级联而成，和以前描述的传统的吉尔伯特单元相比有微 小的变化。但是它们的工作方式相似。值得注意的是，整个电路的构成都是基于 寄生的双极晶体管。 这个电路结构表示了与两个控制电流有关的放大器的特性( 电压或电流) 。晶 体管q 1 和q 2 的基极偏置于一个固定的电压。当差分输入信号i ，分别输入到q 1 和 q 2 的发射极时，放大器的输出差分电流，即q 1 和q 2 的集电极电流。可以表示为： l 2 一l l = 2 i , 【厶2 + 1 ) ( 4 - 6 ) 由上式可见，放大器的电流增益与两个偏置电流l & 的比有关。更有趣的是， 最大的可获得的电流增益限制于晶体管q 3 和q 4 的值，这是因为q 3 和q 4 的基 极电流流过q l 和q 2 ，而与电流五无关。而且只要晶体管满足指数关系特性，即使 对大信号来说转移方程依然保持线性。 然而，这个电路结构在射频领域不能被广泛地接受，是因为晶体管的寄生特 性不能满足很好的频率特性( 最大1 0 m h z ) 。这是由于共存的m o s f e t 的沟道漏电流 过大造成的。随着过去几年器件工艺技术的不断提高，这个电路结构被证明是正 确和可实现的。根据成本、芯片面积、和性能等各方面的考虑，现今b i c m o s 技术 利用了在i c 设计中和c m o st 艺共存的特点，已经能够克服以上周有的问题。 4 4 先进的射频c m o s 可变增益放大器( r fc m o sv g a ) 目前最先进的射频c m o s 可变增益放大器的研究主要集中于两个方面，一是为 获得传统m o s f e t 指数特性的指数的电流一电压转换电路；二是可变增益放大单元 第四章传统的c i l 0 s 可变增益放人器的发展 1 7 电路。 4 4 1 伪指数( p s u e d o - - e x p o n e n t i a l ) 的电压发生电路 在过去的几年里，为了设计高性能的自动增益控制电路系统，用传统的m o s 工艺实现指数函数功能的电路是一个重要的研究领域。但这个方面也经常成为设 计高性能的可变增益放大器的技术瓶颈。因此，在介绍整个可变增益放大器电路 结构之前，我们首先研究针对这个问题的近年来的一些解决方案。 虽然偏置电流或电压的线性变化不能提供输出电压的指数变化，但是通过让 控制信号以指数地方式变化，这个问题能够被很好地解决。基于这个理论，1 9 9 8 年首先设计了一种新的c m o s 伪指数电压发生器“”。图4 4 的方框图表示了用这样 的电压发生器和吉尔伯特乘法器实现了增益的指数变化。 l ? v 2 、，3 v 4 - i c r v c 图4 4 指数增益控制的可变增益放大器的方框图 1 8无线接收机c m o s 可变增益放大器的设计 p 2 i l ； 1 2l n 2 、1 ) i ) v s ：| ； 图4 5 电流一电压转换电路“ 回想四象限的模拟乘法器的输出电流的表达式为： l o = 口( k 一) ( 巧一k ) ( 4 7 ) 这里，口是常数。 信号k & 巧以差分的形式输入，如果嵋& k 能够以指数的形式变化，那么乘 法器的输出也以指数的形式变化。这个电路的主要优点是直流偏置电流是固定的， 不被用作增益控制。这个电流与电压的指数转换器的实际电路实现如图4 5 所示， 它是两个电流镜背对背的连接形式。增益控制信号l 的方向为如图所示的方向。 现假定 k 一= = 巧- = 巧：， 那么 = 衫2 ( 一圪一i n 且 厶= 叫2 ( 屹一陈1 ) 2 而且，因为，2 = - i , ，所以 k = ( 一i l + ) 2 一坝k ( 一一l i ) ) ( 4 8 ) 综合以上三个方程，得到 ，i = ( k 2 ) + ( 一i l + ) 2 + t ( k ( 一一i 1 ) ) z ( 4 - 9 ) 2 = ( k 2 ) ( 一i l + ) 2 一硝k ( 一一i i ) ) 2 ( 4 一l o ) 第四章传统的o i o s 可变增益放大器的发展 1 9 这两个电流的比可以写为： 厂( y ) = ，2 = l - o + y ) l o - y ) “ ( 4 1 1 ) 在这里，n = 2 ，y = i d e x b 2 ，并且6 = ( 一一l i ) 2 我们可以看出，函数厂( y ) 是指数函数e x p ( 2 缈) 的近似函数，其近似误差大约 为5 。厅越大，则近似函数( y 、的近似范围越大。图3 6 描述了输出电流随着 控制电流c 变化的趋势。我们应该知道，这个电路拓扑结构只是为吉尔伯特乘法 器提供了产生指数控制信号的典型的解决方案。另外，还有好多结构能够提供更 宽的动态范围和更高的工作频率。 。4- 1。1 2 船埘3 。， 图3 8 输出电流v s 输入控制电流 4 4 2 可变增益放大器单元 在这里，将以目前无线宽带g s i 4 接收机中最先进的c m o s 可变增益放大器为例 来说明，如图4 6 所示。 善g p u = a 2 0 无线接收机c m o s 可变增益放大器的设计 图4 6 无线宽带g s m 接收机的基本的可变增益放大器单元” 这个电路特别地应用在下变频之后的中低频接收机中。在实际应用中，五个 这样的单元级联在一起能够实现增益的o 一7 0 d b 的变化范围，来抑制噪声电平， 并且提供电压余度来实现信号的摆幅和偏置。 如图4 6 所示，这个全差分的结构能够抑制共模噪声，也能够提高增益的线 性度。这个电路拓扑结构利用了两种途径来改变m o s 差分对的跨导：调节负反馈 电阻( 左边的差分对) 和改变偏置电流( 右边的差分对) 。前者能够没有损失地处 理大信号。但是这是以牺牲噪声系数为代价的。另一方面，当输入信号为小信号 时，后者通过大的增益来补偿噪声系数的恶化。由此可见，这个电路结构是改变 跨导的两种途径的混合电路。电路的工作原理如下： 当输入信号为大信号时，只是负反馈级被激活，实现低的噪声电平和小的增 益，这时偏置为零，而屹被偏置于一个适当的值。当低的输入信号电平输入时， 需要大的信号放大倍数，这是屹，保持最大的电压值( 为了提供较低的电阻) ，而屹： 增大为从乘法器级得到个需要的增益值。因此，这两级电路为实现最大的增益 共同贡献总的输出电流。长沟道的p m o s 晶体管是作为负载，相对于短沟道晶体管 来说。其提供了一个更线性的电阻j 乙。而且，因为受限于电源电压的3 3 v ，一 个这样的单元可得到增益的最大范围o 1 5 d b 。当五个这样的单元级联在一起时， 就可以实现最大的增益范围o - - 7 0 d b 。这个电路最大的输出摆幅大约为1 6 珞一， 目的是为了确保所有的m o s 管都工作在饱和状态。 控制电压和k ：根据输出信号的振幅变化来获得整个可变增益放大器的最 第四章传统的c m o s 可变增益放大器的发展 2 1 佳的总输出信噪比。这种增益控制方式可以通过两种典型的方法来实现：用伪指 数电压发生器来获得指数控制电压的变化：用一个数字的自动增益控制环路实现 增益控制算法来控制可变增益放大器。并且这样的增益控制算法典型地使用在自 动增益控制系统中。这个环路的本质是动态地检测控制电压，以便整个自动增益 控制环路的增益在整个工作范围里保持常数。正是以上所述的特性，实现了均匀 的环路瞬态响应，并且保持环路的稳定时问为常数，而不管输入信号的电平高低 如何变化。 最后，这个电路拓扑结构的带宽可以达到几个g i g a 赫兹。然而，它依然能够 应用在无线g s m 接收机中，因为该可变增益放大器是用在把接收的射频信号下变 到低中频信号的下变频之后。 第五章c l l 舔可变增益放大器近年来的发展方向 2 3 第五章c m o s 可变增益放大器近年来的发展方向 在近几年中，铡o s 可变增益放大器的研究和发展方向主要在三个主要的方面。 它们是： ( 1 ) 用c m o s 技术实现增益的指数函数新的近似方式； ( 2 ) 数字化的增益控制算法和实现； ( 3 ) 更高的增益带宽积。 5 1 实现增益的指数函数新的近似方式 正如我们在前面部分讨论的那样，所有的c m o s 可变增益放大器都是实现增益 和控制信号之间的指数关系。而这一关系是双极型晶体管所固有的特性。除了前 面部分介绍的翎0 s 工艺下寄生的双极晶体管和伪指数电压发生器，为了开发出更 近似指数函数的电路，近些年来已经有一些重大的成果，其中包括泰勒级数近似， 一个具有代表性的例子就是2 0 0 2 年9 月k h a l e dm h b d e l f a t t a h 和a h m e dm s o l i m a n 提出了这种新的近似方式“”。他们的想法是基于下面的近似表达式： g = e x p ( x ) 2 ：满2 i i 二( 1 丽+ t r x ) ，- 1 4 x 1 4 ( 5 1 ) 控制盯的值，可以控制函数零极点的位置，我们的目的是要让函数零极点的1 值远离原点，使其和理想指数函数的近似范圉扩大，不幸的是，没有一个口值既 可以扩大x 取正值的范围，也可以扩大取负值的范围。 分析结果显示，取3 4 ，1 4 分别可以扩大正，负的取值范围。 那么， 结果我们得到： g ，= g 。= = g ：= 1 + 兰 = ，工【一3 ，o 】 ( 5 3 ) l 一二x 4 生哮 无线接收机c m o s 可变增益放大器的设计 e x p ( 0 8 x ) = g 广g = = g ：= 1 + 兰 = ，x - 3 ，o 】 ( 5 5 ) 1 一二x 4 经过计算可以看出，采用这种新的近似方式之后，它的近似范围扩大到( - 3 ， 3 ) ，而它与理想指数的误差最大只有1 5 d b 。 所以这种近似方式既可以增大增益的动态范围，又可以使增益控制的误差减 小，是一种很好的近似方法。 另外，在2 0 0 3 年提出的一种电路结构使增益的动态范围达到7 3 d b “1 。如图5 1 所示， b i a sc i r e u i t 图5 1 增益控制单元电路图 上面电路图的增益可以表示为： g 口f 船互： ll l + j ，l 一 1 一上 一 = ( 警) 兰c x p ( 4 x ) 弛x = 去 这种近似方式使增益动态范围达到7 3 d b ，在此范围里增益误差保持在土2 d b 仉 生峥 第五章0 1 0 s 可变增益放大器近年米的发展方向 2 5 范围里。 5 2 数字化的增益控制算法( d i g i t a lv g a ) 在现代的接收机方案中，可变增益放大器通常位于模拟一数字转换的前面， 这是为了使数据转换的动态范围最大。在现代最先进的接收机结构的设计中，如 果有可能的话所有的功能模块都用数字电路来实现，这也是现今接收机集成电路 的发展趋势。因为这对量产来说可以节约很大的芯片面积。d s p 单元以数字化的方 式控制具有编程功能的可变增益放大器的增益。简单来说，就是对于给定的增益 控制的范围，设置一系列的二元码来代表不同的增益级，这样增益控制的算法就 能以数字化的方式实现。这种方法类似于模拟一数字转换。这种数字的方式不仅 减少了芯片面积，而且，如果为了达到更精确的增益变化，可以为更多的增益级 来设置二元码，也就是减小了增益的步长。这种以数字化方式控制的d b 线性c m o s 可变增益放大器在1 9 9 9 年首先被发明。 如图5 2 所示为两种不同类型的可变增益放大器所在的环路的方框图。图 5 2 a 为模拟信号控制的v g a 所在的自动增益控制环路，图5 2 b 为数字信号控制 的v g a 所在的环路。特别注意的是，前者需要一个d a c 转化从d s p 的数字反馈信