低功耗、高線性CMOS可編程放大器

摘  要：針對接收機(jī)前端中可變增益放大器需要高線性處理大信號的問題。分析了使用源極退化電阻以及跨導(dǎo)增強(qiáng)電路的放大器線性度；設(shè)計了使用改進(jìn)型跨導(dǎo)增強(qiáng)電路的放大器。它具有更強(qiáng)的跨導(dǎo)增強(qiáng)能力，同時減小了輸入MOS管跨導(dǎo)由于漏源電壓變化產(chǎn)生的非線性失真。提出了一種對稱的可變電阻結(jié)構(gòu)，它降低了MOS管開關(guān)帶來的非線性。仿真結(jié)果表明，放大器在3．3V電源電壓下直流功耗為1．5mW。在1～lOMHz帶寬、3～24dB增益范圍內(nèi)，差分輸出信號峰峰值為3．3V時，總諧波失真低于-60dB。
關(guān)鍵詞：可變增益放大器;可編程增益放大器; CMOS高線性

    接收機(jī)模擬前端(以下簡稱接收機(jī))中的可變增益放大器用來調(diào)整信號大小，改變信號動態(tài)范圍。在一條接收鏈路上通常存在幾個可變增益放大器，它們共同作用，使得接收機(jī)前端能輸出滿足信噪比要求，并且具有較大功率的信號。
    隨著無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，接收機(jī)的指標(biāo)在不斷變化，對中頻可變增益放大器的性能要求不斷提高。首先通信系統(tǒng)使用寬帶調(diào)制，要求放大器具有足夠高的帶寬，通常在1～10 MHz左右。其次通信系統(tǒng)使用復(fù)雜的編碼，要求輸出信號具有較高的信噪比，意味著放大器具有很好的線性度。最后無線接收機(jī)應(yīng)該盡量降低功耗，那么放大器在實現(xiàn)大信號輸出的前提下必須減小偏置電流。以上這些條件對中頻可變增益放大器的設(shè)計提出了苛刻的要求。
    文使用跨導(dǎo)增強(qiáng)電路減小放大器輸入管跨導(dǎo)帶來的非線性失真，不過其功耗很大，線性度不高；文的輸出差分電壓幅度有限，大約為電源電壓的一半；文使用運放加可變電阻的閉環(huán)電路結(jié)構(gòu)，放大器的工作帶寬較?。晃牡目勺冊鲆娣糯笃骶哂懈呔€性度和大帶寬，不過由于采用電流運放，其輸入阻抗對前級電路構(gòu)成較重的負(fù)載，需要在放大器前插入緩沖器，因此功耗較大；文的輸入采用源極跟隨器的形式，限制了輸入信號范圍?？偟膩碚f，這些可變增益放大器的線性輸入、輸出范圍有限。
    本文設(shè)計的可變增益放大器工作帶寬在l～10MHz，可以放大寬帶信號；輸出信號幅度可以達(dá)到差分峰峰值3．3V，而總諧波失真低于-60dB，具有較高的線性度。整個放大器的靜態(tài)功耗為1．5mW。

1 放大器線性分析
    圖1是使用源極負(fù)反饋電阻的共源放大器電路圖。根據(jù)差分電路的對稱性，可以對半邊電路進(jìn)行分析。在忽略電流源和MOS管輸出電阻的前提下，放大器的增益為

    當(dāng)負(fù)反饋電阻Rdeg遠(yuǎn)大于輸入管跨導(dǎo)gm倒數(shù)的時候，放大器的增益近似等于負(fù)載電阻RLoad和Rdeg的比值。因為增益取決于兩個電阻的比值，所以放大器具有較好的線性度。但在實際應(yīng)用中，該電路的線性度受到很多因素的影響。
    最大的影響來源于跨導(dǎo)的非線性。為了使電路具有高線性度，必須增大gm或增大Rdeg。增大gm意味著增大電流，功耗上升；或者增大MOS管的尺寸，帶寬下降。增大Rdeg則會增加噪聲；而且如果用MOS管做電流源，其非線性的輸出電阻和Rdeg并聯(lián)，因此也不能無限增大Rdeg?？偟膩碚f，這個放大器的線性度、帶寬、增益和功耗等參數(shù)之間存在折衷，很難同時達(dá)到要求。
    圖2是使用跨導(dǎo)增強(qiáng)電路的可變增益放大器。觀察左半邊電路，M2管構(gòu)成接地的跨導(dǎo)增強(qiáng)放大器，它和M1、I1、I2構(gòu)成負(fù)反饋環(huán)路。設(shè)M1、Mz管的跨導(dǎo)分別為gml、gm2，A點到地的電阻為RA，那么放大器的增益為，

    由式(2)可見，輸入管M1的跨導(dǎo)被增大了gm2RA倍，gml對增益的影響減弱，放大器的線性度提高。再來考慮A、B兩點的電壓對輸入電壓的增益。對于M1、M2、I1和I2構(gòu)成的電路，如果把B點作為輸出節(jié)點，那么它也叫做超級源極跟隨器，因此B點電壓和輸入電壓之間是跟隨關(guān)系，增益近似為1。而A點電壓對輸入電壓的增益為

2 電路設(shè)計
    圖3是使用改進(jìn)型跨導(dǎo)增強(qiáng)電路的可變增益放大器。為了穩(wěn)定電路的直流工作點，在輸入管漏極和跨導(dǎo)增強(qiáng)電路放大管柵極之間插入了隔直電容，這兩級電路各自偏置，獲得穩(wěn)定的直流工作點。通過適當(dāng)設(shè)計可以使隔直電容對電路的交流信號基本不產(chǎn)生影響。設(shè)Mi管的跨導(dǎo)為gmi(i=1，2，3)，A、B、C各節(jié)點到地的電阻分別為RA、RB、Rc，那么通過推導(dǎo)可以得出放大器的增益近似為

   
    比較式(5)和式(3)，A點電壓對輸入電壓的增益更低，這意味著A點電壓變化幅度更小，輸入管M1的漏源電壓變化幅度更小，gml由于漏源電壓變化產(chǎn)生的非線性更小，電路的線性度更好。以上的分析證明，使用改進(jìn)型跨導(dǎo)增強(qiáng)電路的可變增益放大
器能進(jìn)一步增大跨導(dǎo)，提高電路的線性度。
    對于使用源極負(fù)反饋電阻的開環(huán)可變增益放大器來說，除了輸入管跨導(dǎo)產(chǎn)生的非線性外，源極負(fù)反饋電阻的非線性也有重要影響。本電路設(shè)計增益范圖3～24dB，每3dB一檔，使用3b字符控制。每一檔對應(yīng)的負(fù)反饋電阻用多晶電阻和MOS管開關(guān)串連實現(xiàn)。圖4是兩種實現(xiàn)方法。第二種方法將一個電阻拆成相等的兩個，對稱放置在MOS管開關(guān)兩側(cè)，這樣MOS管的源漏級關(guān)于襯底完全對稱。流過MOS管開關(guān)的電流是奇諧波函數(shù)，其周期是正弦輸入信號周期的一半。這樣MOS管開關(guān)只產(chǎn)生奇次諧波，從而提高了等效源級負(fù)反饋電阻的線性度。

3 仿真結(jié)果
    本文設(shè)計的可變增益放大器使用TSMCO．25μm CMOS工藝，以廠家提供的工藝模型文件為基礎(chǔ)進(jìn)行了仿真。根據(jù)要求，因為電路的電源電壓為3．3V，所以可使用的NMOS管和PMOS管最小溝道長度分別是0．35μm和0．3μm。放大器的靜態(tài)功耗為1．5 mW。圖5是放大器不同增益的頻域響應(yīng)。其增益從3 dB變化到24dB，3dB一檔。在24dB增益時，3dB帶寬是100MHz。圖6是放大器
在24dB增益時等效輸入噪聲隨頻率的變化關(guān)系。

    1 MHz和10 MHz放大器的等效輸入噪聲分別是。當(dāng)輸入信號頻率為1MHz時，在24、12、3dB增益下，輸出信號總諧波失真分別是-67．3、-70．9、-73．4dB。當(dāng)輸入信號頻率為10MHz時，在24、12、3 dB增益下，輸出信號總諧波失真分別是-65．5、-72．1、-68．1 dB。此時放大器輸出差分峰峰值電壓均為3．3V。仿真詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1。

    表2列出了設(shè)計的放大器和幾種已有放大器性能的比較(文[1，3，5]為測試結(jié)果)。可看出本文的放大器具有最小的功耗，能夠高線性輸出最大幅度的信號。此外還具有較低的噪聲和較寬的頻帶。說明該放大器適宜作為需要輸出大信號的接收機(jī)末級放大器。

4 結(jié)  論
    本文提出了使用改進(jìn)型跨導(dǎo)增強(qiáng)電路的可變增益放大器，它具有更強(qiáng)的跨導(dǎo)增強(qiáng)能力，同時減小了MOS漏源電壓變化對跨導(dǎo)線性的影響。此外，本文分析并提出一種對稱的可變電阻結(jié)構(gòu)，可以降低MOS管開關(guān)帶來的非線性。
    應(yīng)用以上結(jié)果，本文用CMOS 0．25,μm工藝設(shè)計了可編程增益放大器。該放大器工作在3．3V，功耗為1．5 mW，增益范圍3～24 dB，在各級增益下3 dB帶寬均大于100 MHz。在輸出信號峰峰值為3．3V時，總諧波失真低于-60dB。仿真結(jié)果表明，該放大器適于在接收機(jī)模擬前端中使用。