0 引言

    在無線通信系統中，由于信號多徑衰落，接收機接收到的信號強度變化很大，為了使整個系統的動態范圍最大化，需要一個自動增益控制(Automatic Gain Control，AGC)電路根據輸入信號的大小，通過反饋回路自動控制放大器增益的大小，保證輸出信號穩定^[1-2]。為了獲得寬的動態范圍和穩定的AGC環路建立時間，可編程增益放大器（Programmable Gain Amplifier，PGA）需要dB線性的特點^[3]。可編程增益放大器作為自動增益控制電路的重要組成部分，廣泛用于無線通信、圖像傳感、電視調諧器等領域。

    本文設計的可編程增益放大器應用于超寬帶無線接收機，如圖1所示，為了實現高線性度、大帶寬、低噪聲等最優的性能，接收機采用零中頻結構^[4]，射頻信號被下變頻至低頻后先經過PGA，然后再經過LPF，最后再經過ADC輸出給數字信號處理（DSP）部分。本文設計的可編程增益放大器采用線性度增強型源簡并結構的放大器加電阻衰減網絡的結構，增益的調節分兩步完成，PGA Core實現6 dB增益調節步長，電阻衰減網絡實現1 dB增益調節步長，PGA Core電路采用線性度增強型源簡并結構放大器，提高PGA的線性度。

1 可編程增益放大器整體結構

    根據超寬帶無線接收機的系統要求確定設計方案，由于動態范圍不大，可以只采用單級PGA，不需要多級級聯；對于大帶寬的指標要求，可以采用電流模式的放大器實現；而對于高線性度的指標要求，可以采用線性度增強型源簡并結構的放大器來實現；最后對于小噪聲系數的指標要求，可以從整體PGA的結構上進行折中設計。

    綜合以上分析，最終確定可編程增益放大器的電路結構如圖2所示，采用PGA Core與電阻衰減網絡(Attenuator)級聯的方式來實現，PGA Core用來粗調，調節步長為6 dB/step，調節范圍為-2～28 dB，電阻衰減網絡用來細調，調節步長為1 dB/step，調節范圍為0～6 dB，中間的Buffer用于驅動電阻衰減網絡。

2 PGA Core電路設計

2.1 PGA Core電路結構

    為了實現高線性度和大帶寬，PGA Core采用線性度增強型源簡并技術和電流模式相結合的方法來實現。PGA Core電路結構如圖3所示，由一個跨導放大器和一個具有反饋電阻的閉環電流放大器組成。輸入電壓信號經過跨導放大器轉變為電流，再經過具有反饋電阻的電流放大器，轉變成電壓輸出。具有反饋電阻的閉環電流放大器結構的特點是當增益變化時具有恒定的帶寬，實質相當于一個跨阻放大器^[5]，設它的增益為R_m，可表示為：

2.2 PGA Core電路原理

    PGA Core電路是可編程增益放大器的核心部分，它將決定PGA的性能，本設計的PGA Core電路原理圖如圖4所示，第一級為線性度增強型源簡并跨導放大器，第二級為反饋電阻電流放大器。

    第一級源簡并跨導放大器線性度的增強可以通過增大輸入管的跨導g_m1來實現，這可以通過負反饋來完成^[6]。圖4中通過M₂形成的負反饋迫使流過M₁的電流為一個常數，這樣差分輸入電壓只體現在源簡并電阻的兩端，差分輸出電流流入M₂。由于負反饋的作用，從M₁的源極看進去的電阻可近似表示為：

    在沒引入負反饋之前，從M₁的源極看進去的電阻Rs1約為1/g_m1，因此，從式(4)可以看出，負反饋使R_s1減小了g_m2/g_o1倍，即相當于等效輸入管的跨導g_m1增大了g_m2/g_o1倍。因此，在R_s相同的條件下，圖4所示的電路結構比傳統的源簡并電路結構具有更高的線性度。此外，該電路中不存在高阻節點，因此還適用于寬帶寬情況^[7]。

    第二級反饋電阻電流放大器是基于線性度增強型源簡并結構的電流鏡放大器，電流鏡的比例是α，通過反饋電阻R_f形成閉環結構。假設晶體管的導通跨導g_o遠小于其本身跨導g_m，即g_o<<gm，則該閉環電流放大器的增益，即等效跨阻Rm可表示為：

    由式(9)可以看出，兩個極點都是晶體管的截止頻率，頻率較高，因此，該跨阻放大器的主極點應該由負載電容來決定。

    綜上所述，PGA Core電路總增益可以表示為：

    PGA Core的總增益約為反饋電阻和源簡并電阻之比，且放大器的主極點位于輸出節點處，帶寬主要由反饋電阻R_f和負載電容決定。

    根據帶寬要求，選取R_f的值，Rf越小，帶寬越寬，本設計中取R_f=7 kΩ。根據增益變化要求，為了保持增益變化時帶寬恒定不變，應保持R_f不變，讓源簡并電阻R_s變化，即把R_s設計成開關電阻陣列形式，共有6個開關控制6個增益檔，分別為28 dB、22 dB、16 dB、10 dB、4 dB和-2 dB，即PGA Core實現步長為6 dB的粗調節功能。可以滿足高線性度、大帶寬、低噪聲的設計要求。

3 電阻衰減網絡電路

    PGA增益的精確調節由電阻衰減網絡實現，電阻衰減網絡具有高線性度和精確增益控制的特點，電阻網絡不會引入非線性^[8]，整個可編程增益放大器的線性度由PGA Core決定。電阻衰減網絡在R-2R電阻網絡的基礎上進行修改，通過調整電阻阻值，可以實現任意步長的衰減。

    采用全差分結構的電阻衰減網絡如圖5所示，共有S₀~S₅ 6個開關控制6個增益檔，衰減步長為1 dB/step，分別實現0 dB、1 dB、2 dB、3 dB、4 dB和5 dB的增益衰減。

4 PGA版圖和仿真結果

    本文設計的可編程增益放大器采用SMIC 0.18 μm混合信號CMOS工藝，芯片版圖如圖6所示，白色方框內部分是本文設計的PGA，有效面積為700 μm×280 μm，采用1.8 V電源電壓供電，消耗10.4 mA電流。

    圖7(a)所示為可編程增益放大器PGA Core增益粗調節曲線，增益范圍為-2~28 dB，3 dB帶寬約為300 MHz，調節步長為6 dB/step，圖7(b)所示為PGA Core在最高增益檔時電阻衰減網絡的增益細調節曲線，調節步長為1 dB/step。

    圖8(a)所示為可編程增益放大器在最小增益-4 dB時的瞬態仿真結果，此時輸入信號為-10 dBm，50 MHz的正弦波，可以看出此時PGA沒有波形失真，通過PSS仿真OIP3=17.6 dBm。圖8(b)所示為可編程增益放大器在最大增益28 dB時的瞬態仿真結果，此時輸入信號為-30 dBm，50 MHz的正弦波，可以看出此時PGA沒有波形失真，通過PSS仿真OIP3=25.7 dBm。

    圖9所示為可編程增益放大器在不同增益時的OIP3曲線，在最大增益時，在250 MHz頻率處的OIP3達到25.7 dBm，說明PGA有很好的線性度。

    圖10所示為可編程增益放大器的噪聲系數曲線，在最大增益時，在250 MHz頻率處的噪聲系數NF為22.24 dB。隨著增益的減小，噪聲系數逐漸變大，但是能夠保證噪聲系數增大的值小于增益減小的值，即噪聲系數增大的步長小于增益衰減的步長，滿足設計要求。

5 結論

    本文設計了一種應用于超寬帶無線接收機的高線性度寬帶可編程增益放大器，該PGA采用線性度增強型源簡并結構的放大器加電阻衰減網絡的結構，增益的調節分兩步完成，PGA Core實現增益調節6 dB/step，電阻衰減網絡實現增益調節1 dB/step，增益的調節由純電阻網絡決定，實現高精度的增益調節，PGA Core電路采用線性度增強型源簡并結構放大器，提高PGA的線性度。仿真結果表明，本文設計的PGA具有高線性度、大帶寬、低噪聲的特點，滿足超寬帶無線接收機對PGA的要求。

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