數(shù)字VGA可簡化無線收發(fā)器設計

　　【提要】在高頻無線通信中，信號放大是一個關鍵功能。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，即使是面對大范圍的輸入信號水平。

　　正因為如此，在許多無線射頻收發(fā)器中，可變增益放大器(VGA)已經成為基本的組成模塊。傳統(tǒng)的VGA通過改變DC電壓來設定放大器的增益，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)面積來設計驅動電路。Hittite Microwave已研制出一種替代方案：數(shù)字VGA(DVGA)(圖1)。其特點是具有傳統(tǒng)模擬VGA的性能，簡單的數(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。

　　新的DVGA出現(xiàn)是由于市場需要在更寬的頻率范圍內精細控制增益的遞增，并保持其穩(wěn)定增加。重要設計要求包括具有高輸出第三階截距點(OIP3)低噪聲系數(shù)的寬動態(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性能的一致性，以及在寬工作帶寬內增益調整的單調性。所得到的HMC625LP5E、HMC626LP5E和HMC627LP5E 型DVGA(見表)，是設計用于涵蓋所有主要無線標準/頻帶，其中包括了全球移動通信系統(tǒng)(GSM)、碼分多址訪問(CDMA)手機、寬帶CDMA(WCDMA)、通用移動通信服務(UMTS)、無線局域網(wǎng)(WLAN)以及WiMAX等應用。所有這三個可變增益放大器封裝在微小的5×5mm塑料QFN無鉛表面貼裝封裝中(所有型號也有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DVGA提供了31.5dB的總增益控制范圍，獲得了信號衰減與正增益的結合。

　　例如，HMC625LP5型在直流到6GHz內提供了最寬的帶寬，從直流到3GHz的典型增益為18dB，從3至6GHz的最大增益設置為13dB。6-b DVGA提供了-13.5dB到18dB步長0.5dB的增益設置。當設定為最大增益時，HMC625LP5達到了極大的動態(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)器前端達到特定的增益水平涉及到將多個放大器設置為高或低增益狀態(tài)，然后將其級聯(lián)起來實現(xiàn)增益變化的精確增加?？梢圆捎靡粋€DVGA來實現(xiàn)同樣的增益控制水平和范圍。

　　對前端設計師而言，采用DVGA而不是采用模擬VGA，這樣做具有一定顯著的優(yōu)勢，這是因為它允許在恒定增益狀態(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，與此同時在DVGA內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的非線性貢獻最小化，并擴展了可用動態(tài)范圍的上限。動態(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DVGA的集成放大器，并通過額外的電路來調整增益。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式評估以及其他采用串行控制的級聯(lián)設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狀態(tài)均勻性，而且指出了可以實現(xiàn)的全部動態(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)頻率之間的關系。如圖所示，位誤差在頻率和32-dB動態(tài)范圍上從未產生超過+0.6dB幅度偏差。在6-GHz頻率范圍內其一般具有0.25dB的增益步長誤差。

　　為了應用在1GHz下對性能進行優(yōu)化是最為重要的，低頻型號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在最大增益設置下具有20dB的典型增益，而且從500到1000MHz在最大增益設置下通常為17.5dB。在整個頻率范圍內，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是三個高增益器件之一。它提供了其他型號兩倍的增益，而且保持了6-b可控的32dB動態(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在整個頻率范圍內達到了+36dBm的OIP3且在1dB壓縮下具有+20dBm的典型輸出功率。正如它DVGA對應物一樣，其保證每個數(shù)字增益設置增益精度在0.25dB內。它工作在單一的+5-VDC電源下僅需176mA電流。

　　對大部分DVGA供應商而言，一個關鍵的設計挑戰(zhàn)就是在整個頻帶內保持單調性(增益狀態(tài)在頻率上不重疊)和一致性(增益狀態(tài)在頻率上不能單獨變得很大)狀態(tài)關系的能力。圖5表明，新的DVGA保持了具有數(shù)字增益設置的精確增益水平，并且對任何放大器模型在整個頻率范圍內具有從未超過+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)之間的單調關系。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的負水平。DVGA在其工作帶寬內保持單調狀態(tài)關系，否則增益狀態(tài)將重疊并且數(shù)字邏輯輸入可能不會導致預期的增益輸出，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DVGA采用了32引腳5×5mm的表面貼裝技術(SMT)封裝。采用使用簡單的50Ω放大器，無需外部匹配元件。