第35卷第6期2005年12月
文章编号:1004-3365(2005)06-0612-06
微电子学Microelectronics
Vol.35,№6Dec.2005
CMOS可变增益放大器设计概述
王自强,池保勇,王志华
1
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2
(1.清华大学电子工程系,北京 100084;2.清华大学微电子所,北京 100084)
摘 要: 可变增益放大器是模拟单元电路之一,起着变化增益、调整信号动态范围、稳定信号功率的作用。文章综述了CMOS集成可变增益放大器的研究情况;给出了可变增益放大器的定义、应用、分类和主要指标,描述了多种开环和闭环放大器的结构,分析了相应的增益控制方法及其优缺点;说明了在CMOS工艺下实现放大器增益按指数变化的几种途径。最后,介绍了用于无线数字通信,具有宽带、高线性、低电源电压等高性能可变增益放大器的设计实例。关键词: 放大器;可变增益放大器;可编程增益放大器;指数增益控制中图分类号: TN72;TN432文献标识码: A
AnOverviewofCMOSVariableGainAmplifiers
WANGZi-qiang,CHIBao-yong,WANGZhi-hua
Abstract: Variablegainamplifier(VGA)isananalogcircuit,whichvariesgain,adjustssignaldynamicrangeandsta-bilizessignalpower.AnoverviewofCMOSintegratedvariablegainamplifiersismade.ThedefinitionofVGAanditsfunc-tion,classificationandspecificationsareelaborated.Differentopen-andclosed-loopVGA’saredescribed,andtheadvan-tagesanddisadvantagesofgaincontrolstrategiesareanalyzed.ApproachestoachievingexponentialgaininCMOStechnolo-gyareexplained.Finally,examplesofhighperformanceVGA’susedinwirelessdigitalcommunicationareintroduced,whichmainlyfocusonbroadbandwidth,highlinearityandlowsupplypower.
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(1.Dept.ofElec.Engineer.,TsinghuaUniv.,Beijing,100084;2.Insti.ofMicroelec.,TsinghuaUniv.,Beijing,100084,P.R.China)
Keywords: Amplifier;Variablegainamplifier;Programmablegainamplifier(PGA);ExponentialgaincontrolEEACC: 1220
要的幅度。它们共同起到改变接收机增益,调整各
1 引 言
模拟电路需要对信号进行放大或衰减,这一功能由可变增益放大器(VGA)实现。可变增益放大器,顾名思义,就是增益可以变化的放大器。它广泛
[1][2]
应用在磁盘读取驱动电路、磁数据存储系统、
[3][4]
电磁计量器、电视调谐器等许多方面;在无线通信的收发信机模拟前端中,也起着至关重要的作用。图1是用于数字声广播的接收机模拟前端结构图。它采用双正交weaver结构,包含3级工作在不同频率的VGA。射频混频器后的VGA补偿无源中频混频器的增益衰减;滤波器前的VGA降低其输入信号动态范围,减小滤波器噪声对接收机的影响;滤波器后的VGA将输出信号放大到A/D转换器需
收稿日期:2005-02-28; 定稿日期:2005-05-10
[5]
级信号动态范围,稳定输出信号功率的作用
。
图1 双正交weaver接收机框图
基金项目:国家重点基础研究发展规划资助项目(G2000036508);国家自然科学基金资助项目(编号90407006)
可变增益放大器根据增益控制方式,可分成增益连续可调的变增益放大器(VariableGainAmpli-fier),和增益步进变化的可编程增益放大器(Pro-grammableGainAmplifier)。VGA使用模拟信号控制增益,由于增益连续变化,所以,在数字通信中不会因增益突变而造成调制信号的接收解调错误。PGA使用数字电路控制增益,从而简化了模拟控制电路。因为其增益是离散的,所以能够在这些离散点上对电路进行优化,得到较好的性能。后文一般不再特意区分,统一称为可变增益放大器(VGA)。
为了实现单芯片系统,接收机中的电路需要使用CMOS工艺。因此,下面着重介绍CMOS模拟集成VGA的设计。VGA的主要功能是实现增益变化,相应指标有增益变化范围,增益变化步长和增益变化精度。此外,还包括电源电压、功耗、带宽、线性、噪声、输入输出信号动态范围等。与固定增益放大器相比,VGA设计中需要考虑增益变化对其他性能的影响。本文第2节将分析VGA的各种结构及相应增益控制方法。
无线接收机中,实时控制信号大小的功能由自动增益控制(AutomaticGainControl-AGC)环路实现。它包括信号幅度检测电路、增益控制电路和VGA。为了在不同信号功率下,AGC环路都具有相同的瞬态响应和确切的环路建立时间,VGA的增益需要按指数规律变化。对于双极工艺来说,由于其晶体管固有的基极-发射极电压与集电极电流之间的指数关系,这一电路功能很容易实现。对于CMOS工艺而言,工作在饱和区的MOS管,其沟道电流和栅极电压成平方关系(长沟),因而需要构造电路,以实现增益指数变化的功能。本文第3节给出几种常见的指数构造方法。
在接收机模拟前端中,VGA需要满足不同的要求。本文分别从带宽、线性、电源电压等指标出发,在第4节介绍高性能VGA的设计。第5节是文章的小结。
[6]、[7]的输出电阻包含串连电阻和MOS管开关,开关的通断控制了输出电阻的大小。文献[8]、[9]则采用多晶电阻和MOS管电阻并联的结构,通过控制MOS管栅极电压,改变其等效电阻,进而改变并联阻值。这种结构的VGA动态范围大,工作稳定。但由于输出节点通常是放大器的主极点,因此,输出电阻的变化将导致带宽的变化。增益越高,带宽越小。
另一种方法是改变放大器的等效跨导,或者说改变流入负载电阻的交流信号电流的大小。图2是Gilbert结构的电路。图中,M1和M2为输入管,M3～M6为耦合管,电压VC控制耦合电流的大小,起改变增益的作用。文献[10]、[11]采用的Gilbert结构能够提供较大的增益和较小的噪声,适用于小信号输入情况。但在大输入信号下,MOS管可能进入线性区,电路不能正常工作。另一方面,全差分结构的Gilbert电路叠堆了3层MOS管,限制了输出信号的动态范围
。
图2 Gilbert结构的VGA
文献[12]、[13]则直接通过控制跨导实现增益变化,如图3所示
。
2 可变增益放大器的结构
VGA主要分成开环和闭环两种结构。开环放大器的增益一般表示为等效输入跨导Gm和等效输出电阻Rout的乘积:
Gain=GmRout(1)可以通过改变跨导或输出电阻实现增益变化。直接改变输出电阻是一种简单的变增益方式。文献
图3 控制输入管跨导的VGA
图3中,M1和M2是输入管,M3和M4是Cas-code管,控制电压VC加在Cascode管的栅极。当VC较高时,M1和M2管工作在饱和区,跨导较大,放大器获得高增益;当VC较低时,M1和M2管工作在线性区,跨导较小,放大器获得低增益。这一方法实现简单,可以获得大带宽和低噪声;缺点是难以准确控制增益,输出信号动态范围同样受限。
图4的放大器称为使用源极负反馈电阻的VGA,它也是一种改变等效跨导的电路。设输入管的跨导为gm,在源极负反馈电阻Rdeg的作用下,放大器的等效跨导变成(2)式,放大器的增益可用(3)式计算。改变负反馈电阻Rdeg的值,可以实现增益变化。不过,通常把它看成增益由电阻比值决定的放大器。
gm
Gm1+gmRdeg
RLoadRLoad
gainRdeg
+Rdeggm
(2)(3
)
器、使用电阻反馈网络的放大器。图5所示是一个基于电压运算放大器的全差分放大器。当使用理想运算放大器时,其增益等于两个电阻的比值,如
Gain=R2/R1(4)改变电阻,即可实现增益变化。如果电阻R2可变,它会影响输入、输出节点的极点,使放大器的带宽发生变化;如果电阻R1可变,它对前级将形成变化的负载效应,需要增加缓冲电路来隔离。和开环VGA相比,闭环VGA使用负反馈结构,性能稳定。它的增益取决于电阻之比,线性度较高。在适当的设计下,它可以实现端到端的输入输出,信号动态范围大。然而,对运算放大器高增益、大带宽、低噪声、低失真的要求,使得电路设计比较复杂,功耗相对较高。而且,由于运算放大器自身的限制,难以实现宽带VGA。文献[21]、[22]使用了电压运算放大器,文献[23]、[24]则使用电流放大器,构造了电流型反馈结构VGA
。
图5 闭环结构的VGA
实现可变增益还有很多种方法,如使用多输入
图4 使用源极负反馈电阻的VGA
跨导级
[25]
,构造乘法器
[26]
等。这里不再一一叙述。
文献[14]、[15]采用二极管结构的负载,输入管和负载管都工作在饱和区,其增益近似等于输入管跨导与负载管跨导之比。通过调整各管的偏置电流,可以实现跨导值的变化,从而实现变增益功能。文献[16]、[17]设计的VGA工作在低电压,输入管和负载管都偏置在线性区。这时,MOS管的跨导和其漏源电压成正比,因而放大器的增益等于输入管和负载管的漏源电压之比。这里,通过调节电压、改变跨导的方法,来控制放大器的增益。
文献[14]～[17]中,放大器都是开环结构;文献[18]～[20]则使用闭环结构,也是通过改变跨导比实现变增益。由于反馈作用,放大器的线性较好,带宽不随增益变化,温漂小。但电路比较复杂,而且由于堆叠了多层MOS管,最大输出信号受到限制。
在闭环结构VGA中,最常见的是基于运算放大
3 指数增益控制的实现
在许多场合,VGA增益需按照指数规律变化,即增益和控制电压(或电流)之间满足指数关系。双极工艺下,电路很容易实现这一功能;而在CMOS工艺下,则需要构造指数控制电路。
一个最直接的想法,就是在CMOS工艺中构造寄生双极晶体管,产生指数规律的电流-电压关系。但是,为了保证寄生晶体管正常工作,需要额外的辅助电路。由这一方法构造的电路功耗高、可靠性差。
第二个思路是让MOS管工作在亚阈值区,这时,漏极电流和栅源电压满足指数关系。这样,虽然实现了指数特性,但栅极控制电压的变化范围
[28]
[2,12,27]
有限,输出电流也较小。
在CMOS电路中,更普遍的做法是根据近似公式实现指数功能。(5)式表明,当x较小时,指数e可以用多项式近似。文献[14]～[16]的增益取决于跨导比,它们都利用(5)式构造适当的控制电流(或电压)实现指数功能。类似地,文献[24]用数控方式实现多项式对指数的近似。文献[26]、[29]则在(5)式的基础上,设计了新型的指数发生电路。
2x1+x e(5)
1-x
(5)式的近似关系只在一定范围内成立,通常x在[-0.7,0.7]之间,对应的指数变化范围大约在30dB左右。如果要扩大指数控制范围,必须采用级联电路实现。文献[30]对(5)式进行了改进,得到新的近似公式(6)。通过设置α=0.25或0.75,来增大x的负值或正值范围。采用分段函数的方式,可以将控制范围从30dB扩大到50dB。
x e1—(1—α)xe开
[31-33]
ax
2x
现变增益的功能。
PGA可以使用电阻阵列实现增益控制。例如,将电阻和MOS管开关串连,控制MOS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。因为集成电路中的电阻、MOS管开关都受到工艺、电压和温度(PVT)等因素的影响,难以实现精确的阻值,所以,PGA的增益精度有限。文献[22]～[24]使用电流分割技术实现精确的增益控制;文献[35]、[36]则对电阻网络进行了改进。
4 高性能VGA
在无线数字通信中,信号带宽越来越宽,要求增大VGA带宽;信号调制方式越来越复杂,要求提高VGA线性度;通信持续时间越来越长,要求降低VGA功耗。随着CMOS工艺的发展,MOS管沟道长度缩小,要求VGA电源电压下降。同时,若保持VGA动态范围不变,则要求VGA噪声减小。因此,当前VGA的设计正朝着宽带、高线性、低噪声、低压、低功耗的方向发展。这一节对各种高性能VGA的设计进行了讨论。
当接收机前端采用多级下变频结构时,第一级中频频率可能在百MHz以上。这对VGA的设计是一种挑战。闭环结构的VGA由于难以实现高增益、大带宽的运算放大器,它们的带宽较窄。一般使用开环电路来设计宽带VGA。为了提高带宽,可以减小负载电阻或电容,这意味着需要大偏置电流,或降低VGA带负载能力。文献[6]、[12]、[19]、[37]等设计的VGA带宽都在200MHz以上,但它们的功耗都超过了20mW,基本上是用功耗换取带宽。文献[13]用MOS管、电容和电流源构造了有源负载,它在高频下等效为感性阻抗,从而增大了带宽。文献[38]分析了共源共栅结构放大器的高频特性,并采用有源反馈的方法,使得CascodeMOS管从共栅形式转化为准共源形式,补偿了高频下阻抗的下降,在低功耗下增加了带宽。
在接收机后级,VGA处理大信号,提高信号线性,降低失真是主要目标。公式(1)是开环放大器增益的基本表达式,由于跨导Gm的非线性,输出信号失真较大。为了提高输出信号的线性,要尽量使增益和跨导的绝对值无关。
图4使用源极负反馈电阻的VGA,其增益近似等于负载电阻和源极负反馈电阻的比值。因为非线性跨导相对较小,所以,输出信号的线性度大大提
(6)
对指数表达式的另一种近似是Taylor级数展,其展开公式为x2
e≈1+xx+…
2
[34]
(7)
当x在[-0.575,0.815]范围内时,Taylor级数和指数式的误差在5%以内。
文献[8]提出了一种新的指数发生电路。设放大器的增益为:
R-2R
≈gmR exp)(8)1+R/rr
式中,gm是输入管跨导,R是固定电阻,r是 gain=gm
MOS管构成的压控电阻。通过变化电阻r,可以实现对增益的指数控制。
采用公式,近似实现指数功能的最大问题是控制范围和精度有限。文献[34]提出数字域解决方法。文章使用DSP合成指数信号,当使用10位数据逼近时,其误差在0.05%以内,动态范围达60dB。
VGA实现增益按指数规律变化是客观应用的需要。作为VGA的重要组成部分之一,指数发生电路有多种结构,这里不再一一列举。
随着数模混合电路的发展,越来越多的VGA使用数字信号控制增益的变化(也称为PGA)。同模拟AGC环路相比,数控方式易于实现,控制精度高,节省了模拟电路的面积和功耗。数字控制通常产生若干字节的控制码,通过控制模拟电路中的开关,实
高。这一结构适合处理大信号,具有较高的线性。但从公式(3)看到,为了减小跨导的影响,源极负反馈电阻要足够大,而为了获得高增益,相应的负载电阻就要更大。这样,造成电路噪声增加,带宽下降。文献[35]采用跨导增强技术提高输入管的跨导,减小它在(3)式中的影响,达到提高线性的目的。文献[36]则使用正反馈环路,同样通过增大跨导来改善放大器的线性。
再从另一个角度分析(1)式的增益表达式。尽管输入管跨导绝对值的线性度差,但是,如果增益能表示为输入管跨导与负载管跨导的比值,那么,输出信号的线性同样可得到提高。文献[14]～[20]的电路设计基于这一原理,它们都具有较好的线性。
另外,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,使用负反馈的VGA,其线性度都比较高。一般来说,提高VGA线性度的基本思路是使放大器的增益和非线性参数(如跨导)无关,由线性元件(如电阻、电容)的比值决定。
在无线通信中,降低移动设备的功耗是一个关键问题。对接收机而言,面临低压低功耗电路的设计。文献[16]和[17]分别设计了0.35μm、1.5V和0.8μm、1.8V的低压VGA。它们的共同点是让输入管和负载管都工作在线性区,从而可以在低电源电压下正常工作。文献[39]采用“准悬浮栅”技术,在输入管的栅极接大电阻,使其直流电平接近电源电压或地,实现端到端输入、输出的目的。
此外,文献[28]、[37]设计的VGA具有温度补偿功能,文献[10]、[21]、[40]在消除直流失调方面进行了创新,这里不再一一叙述。
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5 结 论
可变增益放大器是十分重要的模拟电路之一。它在模拟前端中起着调节增益,稳定输出,降低后级电路输入信号动态范围的作用。它在不同应用场合需要满足大带宽、高线性、低压低功耗等不同要求。因此,研究可变增益放大器的设计具有十分重要的意义。
本文概述了CMOS模拟集成可变增益放大器的设计,分析了可变增益放大器的各种结构及相应的增益控制方法,说明了增益指数变化的几种途径,介绍了宽带、高线性、低电源电压等多种高性能可变增益放大器。
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作者简介:王自强(1975-),男,北京市人,博士研究生,1999年于清华大学电子工程系获学士学位,主要研究方向为模拟集成电路设计。
第35卷第6期2005年12月
文章编号:1004-3365(2005)06-0612-06
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Vol.35,№6Dec.2005
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应用在磁盘读取驱动电路、磁数据存储系统、
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电磁计量器、电视调谐器等许多方面;在无线通信的收发信机模拟前端中,也起着至关重要的作用。图1是用于数字声广播的接收机模拟前端结构图。它采用双正交weaver结构,包含3级工作在不同频率的VGA。射频混频器后的VGA补偿无源中频混频器的增益衰减;滤波器前的VGA降低其输入信号动态范围,减小滤波器噪声对接收机的影响;滤波器后的VGA将输出信号放大到A/D转换器需
收稿日期:2005-02-28; 定稿日期:2005-05-10
[5]
级信号动态范围,稳定输出信号功率的作用
。
图1 双正交weaver接收机框图
基金项目:国家重点基础研究发展规划资助项目(G2000036508);国家自然科学基金资助项目(编号90407006)
可变增益放大器根据增益控制方式,可分成增益连续可调的变增益放大器(VariableGainAmpli-fier),和增益步进变化的可编程增益放大器(Pro-grammableGainAmplifier)。VGA使用模拟信号控制增益,由于增益连续变化,所以,在数字通信中不会因增益突变而造成调制信号的接收解调错误。PGA使用数字电路控制增益,从而简化了模拟控制电路。因为其增益是离散的,所以能够在这些离散点上对电路进行优化,得到较好的性能。后文一般不再特意区分,统一称为可变增益放大器(VGA)。
为了实现单芯片系统,接收机中的电路需要使用CMOS工艺。因此,下面着重介绍CMOS模拟集成VGA的设计。VGA的主要功能是实现增益变化,相应指标有增益变化范围,增益变化步长和增益变化精度。此外,还包括电源电压、功耗、带宽、线性、噪声、输入输出信号动态范围等。与固定增益放大器相比,VGA设计中需要考虑增益变化对其他性能的影响。本文第2节将分析VGA的各种结构及相应增益控制方法。
无线接收机中,实时控制信号大小的功能由自动增益控制(AutomaticGainControl-AGC)环路实现。它包括信号幅度检测电路、增益控制电路和VGA。为了在不同信号功率下,AGC环路都具有相同的瞬态响应和确切的环路建立时间,VGA的增益需要按指数规律变化。对于双极工艺来说,由于其晶体管固有的基极-发射极电压与集电极电流之间的指数关系,这一电路功能很容易实现。对于CMOS工艺而言,工作在饱和区的MOS管,其沟道电流和栅极电压成平方关系(长沟),因而需要构造电路,以实现增益指数变化的功能。本文第3节给出几种常见的指数构造方法。
在接收机模拟前端中,VGA需要满足不同的要求。本文分别从带宽、线性、电源电压等指标出发,在第4节介绍高性能VGA的设计。第5节是文章的小结。
[6]、[7]的输出电阻包含串连电阻和MOS管开关,开关的通断控制了输出电阻的大小。文献[8]、[9]则采用多晶电阻和MOS管电阻并联的结构,通过控制MOS管栅极电压,改变其等效电阻,进而改变并联阻值。这种结构的VGA动态范围大,工作稳定。但由于输出节点通常是放大器的主极点,因此,输出电阻的变化将导致带宽的变化。增益越高,带宽越小。
另一种方法是改变放大器的等效跨导,或者说改变流入负载电阻的交流信号电流的大小。图2是Gilbert结构的电路。图中,M1和M2为输入管,M3～M6为耦合管,电压VC控制耦合电流的大小,起改变增益的作用。文献[10]、[11]采用的Gilbert结构能够提供较大的增益和较小的噪声,适用于小信号输入情况。但在大输入信号下,MOS管可能进入线性区,电路不能正常工作。另一方面,全差分结构的Gilbert电路叠堆了3层MOS管,限制了输出信号的动态范围
。
图2 Gilbert结构的VGA
文献[12]、[13]则直接通过控制跨导实现增益变化,如图3所示
。
2 可变增益放大器的结构
VGA主要分成开环和闭环两种结构。开环放大器的增益一般表示为等效输入跨导Gm和等效输出电阻Rout的乘积:
Gain=GmRout(1)可以通过改变跨导或输出电阻实现增益变化。直接改变输出电阻是一种简单的变增益方式。文献
图3 控制输入管跨导的VGA
图3中,M1和M2是输入管,M3和M4是Cas-code管,控制电压VC加在Cascode管的栅极。当VC较高时,M1和M2管工作在饱和区,跨导较大,放大器获得高增益;当VC较低时,M1和M2管工作在线性区,跨导较小,放大器获得低增益。这一方法实现简单,可以获得大带宽和低噪声;缺点是难以准确控制增益,输出信号动态范围同样受限。
图4的放大器称为使用源极负反馈电阻的VGA,它也是一种改变等效跨导的电路。设输入管的跨导为gm,在源极负反馈电阻Rdeg的作用下,放大器的等效跨导变成(2)式,放大器的增益可用(3)式计算。改变负反馈电阻Rdeg的值,可以实现增益变化。不过,通常把它看成增益由电阻比值决定的放大器。
gm
Gm1+gmRdeg
RLoadRLoad
gainRdeg
+Rdeggm
(2)(3
)
器、使用电阻反馈网络的放大器。图5所示是一个基于电压运算放大器的全差分放大器。当使用理想运算放大器时,其增益等于两个电阻的比值,如
Gain=R2/R1(4)改变电阻,即可实现增益变化。如果电阻R2可变,它会影响输入、输出节点的极点,使放大器的带宽发生变化;如果电阻R1可变,它对前级将形成变化的负载效应,需要增加缓冲电路来隔离。和开环VGA相比,闭环VGA使用负反馈结构,性能稳定。它的增益取决于电阻之比,线性度较高。在适当的设计下,它可以实现端到端的输入输出,信号动态范围大。然而,对运算放大器高增益、大带宽、低噪声、低失真的要求,使得电路设计比较复杂,功耗相对较高。而且,由于运算放大器自身的限制,难以实现宽带VGA。文献[21]、[22]使用了电压运算放大器,文献[23]、[24]则使用电流放大器,构造了电流型反馈结构VGA
。
图5 闭环结构的VGA
实现可变增益还有很多种方法,如使用多输入
图4 使用源极负反馈电阻的VGA
跨导级
[25]
,构造乘法器
[26]
等。这里不再一一叙述。
文献[14]、[15]采用二极管结构的负载,输入管和负载管都工作在饱和区,其增益近似等于输入管跨导与负载管跨导之比。通过调整各管的偏置电流,可以实现跨导值的变化,从而实现变增益功能。文献[16]、[17]设计的VGA工作在低电压,输入管和负载管都偏置在线性区。这时,MOS管的跨导和其漏源电压成正比,因而放大器的增益等于输入管和负载管的漏源电压之比。这里,通过调节电压、改变跨导的方法,来控制放大器的增益。
文献[14]～[17]中,放大器都是开环结构;文献[18]～[20]则使用闭环结构,也是通过改变跨导比实现变增益。由于反馈作用,放大器的线性较好,带宽不随增益变化,温漂小。但电路比较复杂,而且由于堆叠了多层MOS管,最大输出信号受到限制。
在闭环结构VGA中,最常见的是基于运算放大
3 指数增益控制的实现
在许多场合,VGA增益需按照指数规律变化,即增益和控制电压(或电流)之间满足指数关系。双极工艺下,电路很容易实现这一功能;而在CMOS工艺下,则需要构造指数控制电路。
一个最直接的想法,就是在CMOS工艺中构造寄生双极晶体管,产生指数规律的电流-电压关系。但是,为了保证寄生晶体管正常工作,需要额外的辅助电路。由这一方法构造的电路功耗高、可靠性差。
第二个思路是让MOS管工作在亚阈值区,这时,漏极电流和栅源电压满足指数关系。这样,虽然实现了指数特性,但栅极控制电压的变化范围
[28]
[2,12,27]
有限,输出电流也较小。
在CMOS电路中,更普遍的做法是根据近似公式实现指数功能。(5)式表明,当x较小时,指数e可以用多项式近似。文献[14]～[16]的增益取决于跨导比,它们都利用(5)式构造适当的控制电流(或电压)实现指数功能。类似地,文献[24]用数控方式实现多项式对指数的近似。文献[26]、[29]则在(5)式的基础上,设计了新型的指数发生电路。
2x1+x e(5)
1-x
(5)式的近似关系只在一定范围内成立,通常x在[-0.7,0.7]之间,对应的指数变化范围大约在30dB左右。如果要扩大指数控制范围,必须采用级联电路实现。文献[30]对(5)式进行了改进,得到新的近似公式(6)。通过设置α=0.25或0.75,来增大x的负值或正值范围。采用分段函数的方式,可以将控制范围从30dB扩大到50dB。
x e1—(1—α)xe开
[31-33]
ax
2x
现变增益的功能。
PGA可以使用电阻阵列实现增益控制。例如,将电阻和MOS管开关串连,控制MOS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。因为集成电路中的电阻、MOS管开关都受到工艺、电压和温度(PVT)等因素的影响,难以实现精确的阻值,所以,PGA的增益精度有限。文献[22]～[24]使用电流分割技术实现精确的增益控制;文献[35]、[36]则对电阻网络进行了改进。
4 高性能VGA
在无线数字通信中,信号带宽越来越宽,要求增大VGA带宽;信号调制方式越来越复杂,要求提高VGA线性度;通信持续时间越来越长,要求降低VGA功耗。随着CMOS工艺的发展,MOS管沟道长度缩小,要求VGA电源电压下降。同时,若保持VGA动态范围不变,则要求VGA噪声减小。因此,当前VGA的设计正朝着宽带、高线性、低噪声、低压、低功耗的方向发展。这一节对各种高性能VGA的设计进行了讨论。
当接收机前端采用多级下变频结构时,第一级中频频率可能在百MHz以上。这对VGA的设计是一种挑战。闭环结构的VGA由于难以实现高增益、大带宽的运算放大器,它们的带宽较窄。一般使用开环电路来设计宽带VGA。为了提高带宽,可以减小负载电阻或电容,这意味着需要大偏置电流,或降低VGA带负载能力。文献[6]、[12]、[19]、[37]等设计的VGA带宽都在200MHz以上,但它们的功耗都超过了20mW,基本上是用功耗换取带宽。文献[13]用MOS管、电容和电流源构造了有源负载,它在高频下等效为感性阻抗,从而增大了带宽。文献[38]分析了共源共栅结构放大器的高频特性,并采用有源反馈的方法,使得CascodeMOS管从共栅形式转化为准共源形式,补偿了高频下阻抗的下降,在低功耗下增加了带宽。
在接收机后级,VGA处理大信号,提高信号线性,降低失真是主要目标。公式(1)是开环放大器增益的基本表达式,由于跨导Gm的非线性,输出信号失真较大。为了提高输出信号的线性,要尽量使增益和跨导的绝对值无关。
图4使用源极负反馈电阻的VGA,其增益近似等于负载电阻和源极负反馈电阻的比值。因为非线性跨导相对较小,所以,输出信号的线性度大大提
(6)
对指数表达式的另一种近似是Taylor级数展,其展开公式为x2
e≈1+xx+…
2
[34]
(7)
当x在[-0.575,0.815]范围内时,Taylor级数和指数式的误差在5%以内。
文献[8]提出了一种新的指数发生电路。设放大器的增益为:
R-2R
≈gmR exp)(8)1+R/rr
式中,gm是输入管跨导,R是固定电阻,r是 gain=gm
MOS管构成的压控电阻。通过变化电阻r,可以实现对增益的指数控制。
采用公式,近似实现指数功能的最大问题是控制范围和精度有限。文献[34]提出数字域解决方法。文章使用DSP合成指数信号,当使用10位数据逼近时,其误差在0.05%以内,动态范围达60dB。
VGA实现增益按指数规律变化是客观应用的需要。作为VGA的重要组成部分之一,指数发生电路有多种结构,这里不再一一列举。
随着数模混合电路的发展,越来越多的VGA使用数字信号控制增益的变化(也称为PGA)。同模拟AGC环路相比,数控方式易于实现,控制精度高,节省了模拟电路的面积和功耗。数字控制通常产生若干字节的控制码,通过控制模拟电路中的开关,实
高。这一结构适合处理大信号,具有较高的线性。但从公式(3)看到,为了减小跨导的影响,源极负反馈电阻要足够大,而为了获得高增益,相应的负载电阻就要更大。这样,造成电路噪声增加,带宽下降。文献[35]采用跨导增强技术提高输入管的跨导,减小它在(3)式中的影响,达到提高线性的目的。文献[36]则使用正反馈环路,同样通过增大跨导来改善放大器的线性。
再从另一个角度分析(1)式的增益表达式。尽管输入管跨导绝对值的线性度差,但是,如果增益能表示为输入管跨导与负载管跨导的比值,那么,输出信号的线性同样可得到提高。文献[14]～[20]的电路设计基于这一原理,它们都具有较好的线性。
另外,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,使用负反馈的VGA,其线性度都比较高。一般来说,提高VGA线性度的基本思路是使放大器的增益和非线性参数(如跨导)无关,由线性元件(如电阻、电容)的比值决定。
在无线通信中,降低移动设备的功耗是一个关键问题。对接收机而言,面临低压低功耗电路的设计。文献[16]和[17]分别设计了0.35μm、1.5V和0.8μm、1.8V的低压VGA。它们的共同点是让输入管和负载管都工作在线性区,从而可以在低电源电压下正常工作。文献[39]采用“准悬浮栅”技术,在输入管的栅极接大电阻,使其直流电平接近电源电压或地,实现端到端输入、输出的目的。
此外,文献[28]、[37]设计的VGA具有温度补偿功能,文献[10]、[21]、[40]在消除直流失调方面进行了创新,这里不再一一叙述。
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5 结 论
可变增益放大器是十分重要的模拟电路之一。它在模拟前端中起着调节增益,稳定输出,降低后级电路输入信号动态范围的作用。它在不同应用场合需要满足大带宽、高线性、低压低功耗等不同要求。因此,研究可变增益放大器的设计具有十分重要的意义。
本文概述了CMOS模拟集成可变增益放大器的设计,分析了可变增益放大器的各种结构及相应的增益控制方法,说明了增益指数变化的几种途径,介绍了宽带、高线性、低电源电压等多种高性能可变增益放大器。
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作者简介:王自强(1975-),男,北京市人,博士研究生,1999年于清华大学电子工程系获学士学位,主要研究方向为模拟集成电路设计。