增益精确的可变增益放大器

1、增益精确的可变增益放大器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、变增益放大器是GPS接收机中的一个关键模块，它与反馈 环路组成的自动增益控制电路为模 /数转换器（ADC）提供恒定的 信号功率。模拟信号控制增益的 VGA曾益连续变化，但是线性度 较差。这里采用电阻形式的负反馈的放大器来设计一个030 dB增益变化的中频可变增益放大器，VGA的增益精度并不取决于工艺、 电压和温度等因素对电阻、MOST开关的影响，增益误差在各个工艺角下都小于 5%。1 可变增益放大器原理模拟电路需要对信号进行放大或衰减 , 这一功能可由可变增 益放大器（VGA）实现。它在无线通信的收/发信机模拟前端中，起 着至关重要的作用。图1是用于GPS的接收机模拟前端图。处于 基波频率的V

6、GA补偿射频模块和中频模块的增益衰减;VGA将输 出信号放大到A/D转换器需要的幅度。AGC环路改变接收机的增 益, 调整各级信号动态范围 , 稳定输出信号功率的作用。图1 GPS的接收机模拟前端图对于VGA电路,IIP3和THD是重要的指标，因为它的输出信 号幅度很大。 其次, 为了实现宽增益范围调节 , 同时保持不同增益 输入功率下恒定的输出建立时间,要求VGA的增益与控制电压成 dB线性。VGA增益步长越小越精确，则对ADC的要求越降低。在 文中，数字控制的VGA电路提供了 30 dB的增益控制范围，使用7 b 精确控制增益大小 , 所耗面积和功耗小。2 可变增益放大器结构与性能比较VG

7、A主要分为开环和闭环两种结构。一种常见的开环结构是 文献1采用的Gilbert结构，如图2所示电路。M5上加一个基 准电压，电压Vc控制耦合电流的大小，起到改变增益的作用。但 是此结构电路堆叠了四层电路 , 限制了输出电压的摆幅 , 而且此 电路不能实现指数增益的控制。这些运用最广泛的开环结构中 , 可变增益放大器主要基于简单差分 2, 或者是伪差分对 3, 使 用源极反馈技术 4,5, 模拟乘法器 6,7 和使用二极管连接的 MOS管作为负载8等技术。这些结构最大的问题就是线性度和 失真度的问题。图2 VGA系统框图因为负反馈电路具有稳定输出 , 降低非线性失真的作用 , 所 以闭环结构呈现

8、更好的线性度。常见的闭环电路结构中的 VGA使用电阻阵列实现增益控制，例如将电阻和MOS管串联,控制MO管 开关的通断状态实现阻值的变化 , 进而改变放大器的增益。因为 继承电路中的电阻、MOS管开关都受到工艺、电压、温度的影响， 难以实现精确的阻值，所以PGA的增益精度有限。文献9使用电 流分割技术 , 实现了精确的增益控制 , 文献 10 对电阻网络进行 了改进 , 但是这些电路复杂 , 额外电路也增加了功耗。 这里在没有 增加任何设计复杂性的情况下 , 实现了较为精确的增益控制。3高性能VGA结构和实现为了达到要求的增益控制范围和步长 , 使用两个级联的 VGA。 第一个部分的VGA实现6 dB步长的增益控制，另一个部分实现精 准的0.5 dB步长，因此整个VGA实现了粗调和细调（见图2）。当运算放大器的增益足够大时，闭环VGA的增益等于两个电 阻的比值 :Gain=-Rf/Rs, 改变电阻可以实现增益的变化。粗调的 阻值变化很大 , 改变反馈 Rf, 会影响粗调输出节点的极点 ; 电阻 Rs可变,它对前级将形成变化的负载效应。选择改变Rs,在前级增加缓冲电