增益精確的可變增益放大器
引 言
可變增益放大器是GPS接收機中的一個關(guān)鍵模塊,它與反饋環(huán)路組成的自動增益控制電路為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)提供恒定的信號功率。模擬信號控制增益的VGA增益連續(xù)變化,但是線性度較差。
這里采用電阻形式的負(fù)反饋的放大器來設(shè)計一個0~30 dB增益變化的中頻可變增益放大器,VGA的增益精度并不取決于工藝、電壓和溫度等因素對電阻、MOS管開關(guān)的影響,增益誤差在各個工藝角下都小于5%。
1 可變增益放大器原理
模擬電路需要對信號進(jìn)行放大或衰減,這一功能可由可變增益放大器(VGA)實現(xiàn)。它在無線通信的收/發(fā)信機模擬前端中,起著至關(guān)重要的作用。圖1是用于GPS的接收機模擬前端圖。處于基波頻率的VGA補償射頻模塊和中頻模塊的增益衰減;VGA將輸出信號放大到A/D轉(zhuǎn)換器需要的幅度。AGC環(huán)路改變接收機的增益,調(diào)整各級信號動態(tài)范圍,穩(wěn)定輸出信號功率的作用。
對于VGA電路,IIP3和THD是重要的指標(biāo),因為它的輸出信號幅度很大。其次,為了實現(xiàn)寬增益范圍調(diào)節(jié),同時保持不同增益輸入功率下恒定的輸出建立時間,要求VGA的增益與控制電壓成dB線性。VGA增益步長越小越精確,則對ADC的要求越降低。在文中,數(shù)字控制的VGA電路提供了30 dB的增益控制范圍,使用7b精確控制增益大小,所耗面積和功耗小。
2 可變增益放大器結(jié)構(gòu)與性能比較
VGA主要分為開環(huán)和閉環(huán)兩種結(jié)構(gòu)。一種常見的開環(huán)結(jié)構(gòu)是文獻(xiàn)[1]采用的Gilbert結(jié)構(gòu),如圖2所示電路。Ms上加一個基準(zhǔn)電壓,電壓Vc控制耦合電流的大小,起到改變增益的作用。但是此結(jié)構(gòu)電路堆疊了四層電路,限制了輸出電壓的擺幅,而且此電路不能實現(xiàn)指數(shù)增益的控制。這些運用最廣泛的開環(huán)結(jié)構(gòu)中,可變增益放大器主要基于簡單差分,或者是偽差分對,使用源極反饋技術(shù),模擬乘法器和使用二極管連接的MOS管作為負(fù)載等技術(shù)。這些結(jié)構(gòu)最大的問題就是線性度和失真度的問題。
因為負(fù)反饋電路具有穩(wěn)定輸出,降低非線性失真的作用,所以閉環(huán)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)更好的線性度。常見的閉環(huán)電路結(jié)構(gòu)中的VGA使用電阻陣列實現(xiàn)增益控制,例如將電阻和MOS管串聯(lián),控制MOS管開關(guān)的通斷狀態(tài)實現(xiàn)阻值的變化,進(jìn)而改變放大器的增益。因為繼承電路中的電阻、MOS管開關(guān)都受到工藝、電壓、溫度的影響,難以實現(xiàn)精確的阻值,所以PGA的增益精度有限。文獻(xiàn)[9]使用電流分割技術(shù),實現(xiàn)了精確的增益控制,文獻(xiàn)[10]對電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了改進(jìn),但是這些電路復(fù)雜,額外電路也增加了功耗。這里在沒有增加任何設(shè)計復(fù)雜性的情況下,實現(xiàn)了較為精確的增益控制。
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