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[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[9]使用電流分割技術(shù)，實現(xiàn)了精確的增益控制，文獻[10]對電阻網(wǎng)絡(luò)進行了改進，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。