增益精确的可变增益放大器

引 言
可变增益放大器是GPS接收机中的一个关键模块，它与反馈环路组成的自动增益控制电路为模／数转换器(ADC)提供恒定的信号功率。模拟信号控制增益的VGA增益连续变化，但是线性度较差。
这里采用电阻形式的负反馈的放大器来设计一个0～30 dB增益变化的中频可变增益放大器，VGA的增益精度并不取决于工艺、电压和温度等因素对电阻、MOS管开关的影响，增益误差在各个工艺角下都小于5％。

1 可变增益放大器原理
模拟电路需要对信号进行放大或衰减，这一功能可由可变增益放大器(VGA)实现。它在无线通信的收／发信机模拟前端中，起着至关重要的作用。图1是用于GPS的接收机模拟前端图。处于基波频率的VGA补偿射频模块和中频模块的增益衰减；VGA将输出信号放大到A／D转换器需要的幅度。AGC环路改变接收机的增益，调整各级信号动态范围，稳定输出信号功率的作用。

对于VGA电路，IIP3和THD是重要的指标，因为它的输出信号幅度很大。其次，为了实现宽增益范围调节，同时保持不同增益输入功率下恒定的输出建立时间，要求VGA的增益与控制电压成dB线性。VGA增益步长越小越精确，则对ADC的要求越降低。在文中，数字控制的VGA电路提供了30 dB的增益控制范围，使用7b精确控制增益大小，所耗面积和功耗小。

2 可变增益放大器结构与性能比较
VGA主要分为开环和闭环两种结构。一种常见的开环结构是文献[1]采用的Gilbert结构，如图2所示电路。Ms上加一个基准电压，电压Vc控制耦合电流的大小，起到改变增益的作用。但是此结构电路堆叠了四层电路，限制了输出电压的摆幅，而且此电路不能实现指数增益的控制。这些运用最广泛的开环结构中，可变增益放大器主要基于简单差分，或者是伪差分对，使用源极反馈技术，模拟乘法器和使用二极管连接的MOS管作为负载等技术。这些结构最大的问题就是线性度和失真度的问题。
因为负反馈电路具有稳定输出，降低非线性失真的作用，所以闭环结构呈现更好的线性度。常见的闭环电路结构中的VGA使用电阻阵列实现增益控制，例如将电阻和MOS管串联，控制MOS管开关的通断状态实现阻值的变化，进而改变放大器的增益。因为继承电路中的电阻、MOS管开关都受到工艺、电压、温度的影响，难以实现精确的阻值，所以PGA的增益精度有限。文献[9]使用电流分割技术，实现了精确的增益控制，文献[10]对电阻网络进行了改进，但是这些电路复杂，额外电路也增加了功耗。这里在没有增加任何设计复杂性的情况下，实现了较为精确的增益控制。