摘要：本文采用新型的电流模放大器和可编程的电阻反馈网络设计了一种高线性度的可编程增益放大器(PGA)，单级的电压增益范围为0～20dB，增益步长0.5dB，3dB带宽1.7MHzMHz，两个输入谐波(tone)的频率为0.2MHz和0.3MHz，输出摆幅为峰峰值1V时，IM3大于60dB。在3.3V电源电压时功耗为2.38mW。
关键词：可编程增益放大器(PGA)，增益，带宽，线性度
1前言
在无线接收机中，天线接收到的信号强度可能变化很大，接收机对于这些不同强度的信号都必须能够正确解调。如对于GSM手机来说，它所接收的最弱有用信号为-102dBm,所接收到的最强有用信号为-15dBm，信号的能量变化范围为87dB，为了正确解调强弱不同的信号，无线接收机的增益必须能够根据信号强度进行自动调节，从而就需要由自动增益控制环路(AGC)来实现。而可变增益放大器则是AGC中的核心模块[4]。
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(VGA) ,和增益步进变化的可编程增益放大器( PGA)。PGA使用数字电路控制增益,从而简化了模拟控制电路[2]。并且因为其增益值是离散的,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。PGA在接收机中主要作用是调整信号动态范围、稳定信号功率。图1是数字电视零中频接收机的结构框图。
用于数字广播的接收机模拟前端结构图中的PGA的作用包括：降低低通滤波器(LPF)的输入信号动态范围,减小滤波器噪声对接收机的影响；将输出信号放大到A /D转换器需要的幅度；改变接收机增益,调整各级信号动态范围,稳定输出信号功率[2]。
2 电路原理分析
本文中所设计的电路是以可编程反馈为基础的PGA[4]。结构如图2所示。
改变反馈网络的反馈系数可以实现可变增益。反馈元件可以是线性区工作的MOS管或者开关电阻阵列。图2中采用的是一个基于全差分运算放大器的负反馈闭环电路。运算放大器的增益可以表示为(1)式：
增益等于反馈电阻Rf和输入电阻Rin之比。改变Rf或者Rin的电阻值即可实现增益变化。如果反馈电阻可变，它会影响输入、输出节点的极点，使带宽发生变化。如果输入电阻可变它会对前级形成变化的负载效应，就需要增加缓冲级来隔离。因此，本文中采用了电流模运放，采用电流反馈型配置，这种配置在反馈系数发生变化导致放大器的增益发生变化时，放大器的带宽不会受到影响，但是电流反馈型配置通常会产生更高的噪声，因此需要一个电压到电流的转换电路将输入的电压信号转变为电流信号。并且，在电流模放大器中，由于输入和输出的都是电流信号，MOSFET转移特性非线性的影响很小，从而使电流模电路的非线性失真很小。
图3 为PGA的电路原理图。它由两个电压缓冲器和一个全差分电流模放大器组成。运用“半边电路”理论对电路进行分析，由Mb1-Mb7组成的超级源极跟随器置于开关电阻R1之前来得到一个高的输入阻抗，由Mb5和Mb7构成的电流驱动器为电流模放大器提供恒定的输入电流，由于有恒定的输出电流，Mb5的非线性被环路增益T1所抑制，其中T1可由式(2)求得
其中，gmb5 ,gmb1为Mb5，Mb1的跨导；rob7是Mb7的输出阻抗。
通过增大gmb5和rob7可以使环路增益达到最大，从而使由晶体管Mb5带来的非线性失真减到最小。
M3和M7构成的反馈使得M2的跨导得到增强，从而可以得到较宽的带宽和很好的线性度。电流模放大器的环路增益可以表示为式（3）
其中，gm1是M1的跨导，ro6是M6的输出阻抗，Cc1是补偿电容，CL为输出负载，CF为M2漏极的寄生电容。在高频时补偿电容可以增加环路增益，提高放大器的线性度。仿真结果表明当Cc1=Cc2=0.3pF和CL=2pF时，与传统的密勒补偿相比，补偿电容可以使线性度提高3dB。
为了使 图3的电流模放大器有一个稳定的输出共模电压，就需要有共模反馈电路来确定共模电压[5]，图3中共模反馈电路可以用下面的方法加入：从M1,M9的栅极检测输出共模电压；将检测值与一个参考值进行比较；根据比较结果来调节M6,M12的输出电流从而达到稳定输出共模的目的。
调节增益时将反馈电阻Rf1和Rf2的值固定，通过控制电阻R1和R2来控制增益变化。电阻R1和R2由多晶硅电阻和MOS管开关串连组成的电阻网络实现。如图4所示，采用这种结构可以消除偶次谐波提高线性度。通过调节电阻R1和R2的值就能够实现0.5dB步长的增益变化。
3 仿真结果分析
应用以上分析结果，本文中的可编程增益放大器采用SMIC（中芯国际）CMOS 0.18μm的工艺进行设计。该电路工作在电源电压3.3V时，电流为0.73mA。
图5是PGA的增益频响曲线，接收机中要求的每级PGA的增益范围是0～20dB，增益步长是0.5dB，图中给出的是增益曲线的4种典型值。由于接收机需要的信号带宽为1.5MHz，所以单级PGA的增益带宽设计为1.7MHz以防止在多级PGA级联时带宽的减小。
图6为输出峰峰值Vpp=1V时最差情况下的三阶交调失真仿真结果，其中两个输入谐波(tone)的频率分别是0.2MHz和0.3MHz。此时线性度为65.4dB。
图7是PGA的幅频和相频特性曲线，由于有共模反馈电路的存在有可能使系统变得不稳定，为了保证系统的稳定，要求带有反馈电路的系统必须有很好的相位裕度，通常相位裕度为60度被认为是最合适的数值[5]。仿真结果表明本文设计的PGA相位裕度为65.3度，比较合适。
4 结论
本文中设计的PGA采用了电流模放大器和电阻反馈网络，与采用传统的电压放大器相比，实现了恒定的增益带宽、高线性度、高精度和较低的功耗。PGA的电压增益变化可以通过数字控制的开关电阻网络来实现，适合在射频接收机的AGC环路中使用。
参考文献
[1]Sahota G S, Persico C J. High dynamic range variable gain amplifier for CDMA wireless applications. ISSCC Dig Tech Papers, 1997.374
[2] Wang Z-Q, Chi B-Y, L in M, et al. A monolithic L band DAB receiver [A ]. ASPDAC [C ]. Shanghai, China.2005. 1232-1235.
[3] Wu C-P, Tsao H-W. A 110MHz 84 dB CMOS programmable variable gain amplifier with RSSI [A ]. IEEE RFIC Digest of Paper [C ]. Philadelphia, PA, USA. 2003.639-642.
[4] 池保勇，余志平，石秉学. CMOS射频集成电路分析与设计.北京：清华大学出版社，2006.11
[5] Behzad Razavi. 模拟CMOS集成电路设计(影印版) . 北京：清华大学出版社，2005.8
作者简介
郄利波，北京交通大学电子工程系硕士研究生，主要研究方向为射频集成电路设计。
袁小龙，硕士研究生导师，副教授，主要研究方向为集成电路综合技术与理论，SoC设计。
注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
