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可變增益放大器(VGA)可以實(shí)現對不同幅度輸入信號進(jìn)行放大，廣泛適用在磁盤(pán)讀取驅動(dòng)電路，電視調諧器等寬輸入動(dòng)態(tài)范圍的系統中。在無(wú)線(xiàn)信號收發(fā)機的模擬前端和通訊AGC系統中，同樣起著(zhù)至關(guān)重要的作用。常見(jiàn)的VGA形式多樣。通過(guò)改變放大器等效跨導的方法，即改變流入負載的信號電流大小來(lái)改變增益，如Gilhert結構電路，但其全差分的電路堆疊了多層管子，限制了輸出動(dòng)態(tài)范圍�？珊�(jiǎn)單地改變輸出電阻，但此時(shí)輸出節點(diǎn)是放大器的主極點(diǎn)，輸出電阻的變化將引起帶寬大大變化。近來(lái)，有不少電路構造指數規律VGA，但電路相對復雜。本文針對某超外差電視中頻接收機芯片中的前置可變增益放大器，構造了一種由穩壓源，VGA和控制電路組成的新電路結構。該電路從電源電壓、動(dòng)態(tài)范圍、帶寬等關(guān)鍵指標出發(fā)，具有高增益，大帶寬等特點(diǎn)，并保證了良好的線(xiàn)性度，而且在控制電路設計中還考慮了噪聲分配，提高了電路信噪比。結構框圖如圖1所示。 1 電路設計與分析 1．1 穩壓電路 為了避免外界電源波動(dòng)及溫度變化對MOS管漏源兩端電壓的影響，提高增益控制的準確性，每級VGA設計配有獨立的穩壓源。穩壓過(guò)程是一個(gè)負反饋過(guò)程，利用調整管跨導的調節，使輸出維持在一定范圍內，如圖2所示。 圖2中Q1，Q2構成比較器，M3為調整管。當外界電源擾動(dòng)或負載變化使Vout增大時(shí)，Vout的增加量通過(guò)電阻R2～R4取樣得到，Vref-Vbl值下降，比較器輸出減小，跨導gm3變小，迫使Vout降低，從而輸出穩定的參考電壓。工作時(shí)： 為了消除放大器自激，在電路中加上C1=C2=1．25 pF。C1跨接在放大器M3兩端，形成密勒補償；C2在反饋回路中和R2并聯(lián)，形成超前補償，有效保證相位裕度大于45°，提高反饋電路的穩定性。另外加大了調整管M3的尺寸，使(W／L)3=10(W／L)1、2，保證其在最壞情況下極限參數都有充分的余量，保證電路正常工作。 1．2 VGA電路 文獻簡(jiǎn)單采用多晶硅電阻和MOS管并聯(lián)的結構，利用柵壓改變輸出電阻值。為了提高線(xiàn)性度和可控性，本文采用輸出電阻和射極電阻并存結構，分別并聯(lián)上不同尺寸的管子P1～P5，N1～N6，結構簡(jiǎn)化如圖3所示。 圖3中： (W／L)P2＞(W／L)P1， (W／L)N2＞(W／L)N1 電路工作時(shí)以N管為例：開(kāi)始Vc=0，此時(shí)Vgs-Vth＜0，所有N管截止。當Vc上升到剛好使0＜Vgs2-Vth＜Vds2時(shí)，Vgs1＜Vgs2，Vds1=Vds2，N2先導通，N1截止。N2管處在飽和區，等效電阻為： 并聯(lián)在射極，使射極電阻Rs減小。當控制電壓Vc繼續上升時(shí)，N1管才導通，Rs進(jìn)一步減小。通過(guò)選擇管子寬長(cháng)比，保證并聯(lián)電阻Ron2＜R-on1，導通后阻值變化先快后慢，很好的控制了單個(gè)電阻值變化對整體阻值的影響，保證了精度，P管導通情況反之。增益如下： Vc增加時(shí)，N管逐個(gè)導通Rs減小，P管逐個(gè)截止Rc變大，Av變大。因Vc控制Rc，Rs同時(shí)變化，可實(shí)現在較小范圍控制條件下實(shí)現較大輸出動(dòng)態(tài)范圍變化。 1．3 控制電路 為了盡量降低噪聲系數，調整增益范圍，設計如下電路，產(chǎn)生互延遲的控制電壓V1，V2，從第二第三級起控，保證第一級處在較大增益處。如圖4所示。 C1，C2分別經(jīng)Q5，Q4充電使Vc1=Vc2=Vb=4 V，當Iin＞O時(shí)，兩路分別和由Q8，Q7構成的電流鏡形成放電回路，分流控制電容電壓值。電容電壓為： P1，P2組成電流鏡給C1充電，減小分流帶來(lái)的影響，使Iin很小時(shí)，V1能基本維持不變，產(chǎn)生延遲作用。 電流鏡如下： 當Iin足夠大時(shí)，電容電壓下降經(jīng)二極管Q5，Q4箝位，保持在O．7 V左右。為了控制輸入電流在一定范圍，可以選擇合適的電阻比值和電流鏡大小。偏置部分電路未畫(huà)出。 2 版圖設計和仿真結果 使用HSpice電路仿真軟件在UMC 0．5μmBiCMOS工藝庫下仿真。在Vb=4 V下對控制電路進(jìn)行直流分析，圖5為控制電壓隨輸入電流大小變化關(guān)系圖。從圖中可看出，無(wú)放電回路時(shí)C1，C2充電在Vb=4 V，當0＜Iin＜30μA時(shí)，C2通過(guò)Q7放電V2開(kāi)始下降，而V1則由電流鏡補償，電壓得到補充，V1下降緩慢有一個(gè)延遲過(guò)程，V1＞V2；當30μA＜Iin＜70 μA時(shí)，V1和V2以同步速率下降；當輸入電流大于70μA時(shí)，兩電壓下降最終箝位在Vds=O．7 V。 要求增益不大時(shí)，由二三級調節可得，當增益要求更高時(shí)，第一級起控，以此加大放大器總增益范圍，達到寬范圍調節的目的。增益在66 dB范圍內具有良好的線(xiàn)性度，見(jiàn)圖6。 圖7為電路在5種不同輸入電流時(shí)的頻率響應。當輸入電流為0時(shí)，放大器處在最大增益處66 dB；輸入電流增加，控制電壓減小，增益減��；當輸入電流超過(guò)60μA時(shí)，Av下降到0 dB左右�？傇鲆孀兓洼斎腚娏鞒煞幢�。噪聲系數仿真不超過(guò)28 dB。 增益分配對接收機來(lái)說(shuō)很關(guān)鍵，設計要求最大增益為60 dB。本文采用三級差分放大器串聯(lián)組成，每級控制范圍20 dB左右，最高66 dB，最小帶寬為15～88 MHz，滿(mǎn)足設計指標，見(jiàn)表1。 3 結語(yǔ) 本文針對某中頻接收機芯片設計需要，提出一種寬范圍VGA電路，通過(guò)控制和穩壓模塊，進(jìn)一步提高增益動(dòng)態(tài)范圍和電路穩定性。仿真結果表明放大器在70 μA控制條件下實(shí)現66 dB的增益線(xiàn)性寬范圍調節，性能滿(mǎn)足指標，可投入實(shí)際生產(chǎn)。在其他寬范圍VGA應用場(chǎng)合，此電路同樣適用。 |
