數(shù)字VGA可簡(jiǎn)化無線收發(fā)器設(shè)計(jì)

　　【提要】在高頻無線通信中，信號(hào)放大是一個(gè)關(guān)鍵功能。許多最新的無線通訊系統(tǒng)在無線通信下變頻電路中依靠保持穩(wěn)定的幅度，即使是面對(duì)大范圍的輸入信號(hào)水平。

　　正因?yàn)槿绱?，在許多無線射頻收發(fā)器中，可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)已經(jīng)成為基本的組成模塊。傳統(tǒng)的VGA通過改變DC電壓來設(shè)定放大器的增益，盡管為了提供高精度的控制電壓，需要額外的電路及印制電路板(PCB)面積來設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路。Hittite Microwave已研制出一種替代方案：數(shù)字VGA(DVGA)(圖1)。其特點(diǎn)是具有傳統(tǒng)模擬VGA的性能，簡(jiǎn)單的數(shù)字控制接口和寬帶寬、需要極少的額外器件以及需要極少的PCB空間等其他優(yōu)勢(shì)。

　　新的DVGA出現(xiàn)是由于市場(chǎng)需要在更寬的頻率范圍內(nèi)精細(xì)控制增益的遞增，并保持其穩(wěn)定增加。重要設(shè)計(jì)要求包括具有高輸出第三階截距點(diǎn)(OIP3)低噪聲系數(shù)的寬動(dòng)態(tài)范圍，而且還需要具有高分辨率步長的寬增益控制范圍，在頻率和不同增益水平范圍內(nèi)性能的一致性，以及在寬工作帶寬內(nèi)增益調(diào)整的單調(diào)性。所得到的HMC625LP5E、HMC626LP5E和HMC627LP5E 型DVGA(見表)，是設(shè)計(jì)用于涵蓋所有主要無線標(biāo)準(zhǔn)/頻帶，其中包括了全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)、碼分多址訪問(CDMA)手機(jī)、寬帶CDMA(WCDMA)、通用移動(dòng)通信服務(wù)(UMTS)、無線局域網(wǎng)(WLAN)以及WiMAX等應(yīng)用。所有這三個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃鞣庋b在微小的5×5mm塑料QFN無鉛表面貼裝封裝中(所有型號(hào)也有LP5E含鉛版)，以便用戶可以靈活地為特定系統(tǒng)的需求而互換器件。所有這三個(gè)DVGA提供了31.5dB的總增益控制范圍，獲得了信號(hào)衰減與正增益的結(jié)合。

　　例如，HMC625LP5型在直流到6GHz內(nèi)提供了最寬的帶寬，從直流到3GHz的典型增益為18dB，從3至6GHz的最大增益設(shè)置為13dB。6-b DVGA提供了-13.5dB到18dB步長0.5dB的增益設(shè)置。當(dāng)設(shè)定為最大增益時(shí)，HMC625LP5達(dá)到了極大的動(dòng)態(tài)范圍，從直流到6GHz只有6dB的噪聲系數(shù)和+33dBm的OIP3。HMC625LP5E型還具有最值得夸耀的15dB的典型輸入回波損耗和12dB的典型輸出回波損耗。從直流到3GHz在1dB壓縮的輸出功率通常為+19dBm，而從3到6GHz通常為+16dBm。

　　DVGA的數(shù)字控制特性既靈活又精確，允許串行或并行接口以及選擇合適的上電狀態(tài)。通常，在收發(fā)器前端達(dá)到特定的增益水平涉及到將多個(gè)放大器設(shè)置為高或低增益狀態(tài)，然后將其級(jí)聯(lián)起來實(shí)現(xiàn)增益變化的精確增加?？梢圆捎靡粋€(gè)DVGA來實(shí)現(xiàn)同樣的增益控制水平和范圍。

　　對(duì)前端設(shè)計(jì)師而言，采用DVGA而不是采用模擬VGA，這樣做具有一定顯著的優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)樗试S在恒定增益狀態(tài)靈活的操作集成了放大器的DVGA，從而限制了它的非線性行為，與此同時(shí)在DVGA內(nèi)采用其他電路控制了增益輸出。因此，將集成放大器失真或OIP3的非線性貢獻(xiàn)最小化，并擴(kuò)展了可用動(dòng)態(tài)范圍的上限。動(dòng)態(tài)范圍的另一端，DVGA的噪聲系數(shù)隨頻率變化是非常穩(wěn)定的，還由于在恒定增益狀態(tài)操作每個(gè)DVGA的集成放大器，并通過額外的電路來調(diào)整增益。相比之下，傳統(tǒng)模擬VGA的噪音系數(shù)往往跨越不同頻率并隨增益設(shè)置而變化。

　　在6GHz下的HMC625LP5型以及1GHz下的HMC627LP5型DVGA，其集成的數(shù)字控制功能包括了CMOS和TTL兼容的雙模接口并接受三線串行接口(SPI)或6-b并行字。用戶選擇上電狀態(tài)以及串行輸出端口來為臺(tái)式評(píng)估以及其他采用串行控制的級(jí)聯(lián)設(shè)備提供額外的靈活性。

　　圖2表示了主要控制狀態(tài)下HMC625LP5 DVGA的最大增益與頻率的關(guān)系。在圖3中，將主要增益狀態(tài)與頻率歸一化作為最大增益狀態(tài)的參考，來突出在6-GHz寬帶寬范圍內(nèi)所有增益(和衰減)狀態(tài)下性能的一致性。

　　圖3不僅表明了頻率范圍以上的相對(duì)狀態(tài)均勻性，而且指出了可以實(shí)現(xiàn)的全部動(dòng)態(tài)范圍。圖4給出了HMC625LP5 DVGA位誤差數(shù)據(jù)與主要增益狀態(tài)頻率之間的關(guān)系。如圖所示，位誤差在頻率和32-dB動(dòng)態(tài)范圍上從未產(chǎn)生超過+0.6dB幅度偏差。在6-GHz頻率范圍內(nèi)其一般具有0.25dB的增益步長誤差。

　　為了應(yīng)用在1GHz下對(duì)性能進(jìn)行優(yōu)化是最為重要的，低頻型號(hào)HMC627LP5從直流到1GHz提供了通常具有+36dBm和僅僅4.3dB噪聲系數(shù)的寬動(dòng)態(tài)范圍。在6-b數(shù)字控制下，它提供了31.5dB的增益控制范圍，從直流到500MHz在最大增益設(shè)置下具有20dB的典型增益，而且從500到1000MHz在最大增益設(shè)置下通常為17.5dB。在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，在1dB壓縮下輸出功率一般為+20dBm。輸入回波損耗一般是17dB，而輸出回波損耗一般是12dB。HMC627LP5型在單一的+5V直流電源下電流為90mA。

　　新DVGA系列中的其余器件HMC626LP5是三個(gè)高增益器件之一。它提供了其他型號(hào)兩倍的增益，而且保持了6-b可控的32dB動(dòng)態(tài)范圍。與HMC627LP5一樣，其涵蓋直流至1GHz，能提供從8至42.5dB的增益且僅有2.8dB的噪音系數(shù)。HMC626LP5在整個(gè)頻率范圍內(nèi)達(dá)到了+36dBm的OIP3且在1dB壓縮下具有+20dBm的典型輸出功率。正如它DVGA對(duì)應(yīng)物一樣，其保證每個(gè)數(shù)字增益設(shè)置增益精度在0.25dB內(nèi)。它工作在單一的+5-VDC電源下僅需176mA電流。

　　對(duì)大部分DVGA供應(yīng)商而言，一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)就是在整個(gè)頻帶內(nèi)保持單調(diào)性(增益狀態(tài)在頻率上不重疊)和一致性(增益狀態(tài)在頻率上不能單獨(dú)變得很大)狀態(tài)關(guān)系的能力。圖5表明，新的DVGA保持了具有數(shù)字增益設(shè)置的精確增益水平，并且對(duì)任何放大器模型在整個(gè)頻率范圍內(nèi)具有從未超過+0.5dB最低有效位(LSB)的最高步長誤差。這保證了不同增益狀態(tài)之間的單調(diào)關(guān)系。在另一方面，保持一致性就是使得步長誤差不超過大于LSB或-0.5dB的負(fù)水平。DVGA在其工作帶寬內(nèi)保持單調(diào)狀態(tài)關(guān)系，否則增益狀態(tài)將重疊并且數(shù)字邏輯輸入可能不會(huì)導(dǎo)致預(yù)期的增益輸出，這是極為重要的。正如圖5所示，HMC625LP5 DVGA中，通用放大器在寬頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出一致的性能

　　圖6表示了基站收發(fā)器的模塊圖，突出位置表示DVGA。三個(gè)DVGA采用了32引腳5×5mm的表面貼裝技術(shù)(SMT)封裝。采用使用簡(jiǎn)單的50Ω放大器，無需外部匹配元件。