低功耗、高线性CMOS可编程放大器

摘  要：针对接收机前端中可变增益放大器需要高线性处理大信号的问题。分析了使用源极退化电阻以及跨导增强电路的放大器线性度；设计了使用改进型跨导增强电路的放大器。它具有更强的跨导增强能力，同时减小了输入MOS管跨导由于漏源电压变化产生的非线性失真。提出了一种对称的可变电阻结构，它降低了MOS管开关带来的非线性。仿真结果表明，放大器在3．3V电源电压下直流功耗为1．5mW。在1～lOMHz带宽、3～24dB增益范围内，差分输出信号峰峰值为3．3V时，总谐波失真低于-60dB。
关键词：可变增益放大器;可编程增益放大器; CMOS高线性

    接收机模拟前端(以下简称接收机)中的可变增益放大器用来调整信号大小，改变信号动态范围。在一条接收链路上通常存在几个可变增益放大器，它们共同作用，使得接收机前端能输出满足信噪比要求，并且具有较大功率的信号。
    随着无线通信系统的发展，接收机的指标在不断变化，对中频可变增益放大器的性能要求不断提高。首先通信系统使用宽带调制，要求放大器具有足够高的带宽，通常在1～10 MHz左右。其次通信系统使用复杂的编码，要求输出信号具有较高的信噪比，意味着放大器具有很好的线性度。最后无线接收机应该尽量降低功耗，那么放大器在实现大信号输出的前提下必须减小偏置电流。以上这些条件对中频可变增益放大器的设计提出了苛刻的要求。
    文使用跨导增强电路减小放大器输入管跨导带来的非线性失真，不过其功耗很大，线性度不高；文的输出差分电压幅度有限，大约为电源电压的一半；文使用运放加可变电阻的闭环电路结构，放大器的工作带宽较小；文的可变增益放大器具有高线性度和大带宽，不过由于采用电流运放，其输入阻抗对前级电路构成较重的负载，需要在放大器前插入缓冲器，因此功耗较大；文的输入采用源极跟随器的形式，限制了输入信号范围。总的来说，这些可变增益放大器的线性输入、输出范围有限。
    本文设计的可变增益放大器工作带宽在l～10MHz，可以放大宽带信号；输出信号幅度可以达到差分峰峰值3．3V，而总谐波失真低于-60dB，具有较高的线性度。整个放大器的静态功耗为1．5mW。

1 放大器线性分析
    图1是使用源极负反馈电阻的共源放大器电路图。根据差分电路的对称性，可以对半边电路进行分析。在忽略电流源和MOS管输出电阻的前提下，放大器的增益为

    当负反馈电阻Rdeg远大于输入管跨导gm倒数的时候，放大器的增益近似等于负载电阻RLoad和Rdeg的比值。因为增益取决于两个电阻的比值，所以放大器具有较好的线性度。但在实际应用中，该电路的线性度受到很多因素的影响。
    最大的影响来源于跨导的非线性。为了使电路具有高线性度，必须增大gm或增大Rdeg。增大gm意味着增大电流，功耗上升；或者增大MOS管的尺寸，带宽下降。增大Rdeg则会增加噪声；而且如果用MOS管做电流源，其非线性的输出电阻和Rdeg并联，因此也不能无限增大Rdeg。总的来说，这个放大器的线性度、带宽、增益和功耗等参数之间存在折衷，很难同时达到要求。
    图2是使用跨导增强电路的可变增益放大器。观察左半边电路，M2管构成接地的跨导增强放大器，它和M1、I1、I2构成负反馈环路。设M1、Mz管的跨导分别为gml、gm2，A点到地的电阻为RA，那么放大器的增益为，

    由式(2)可见，输入管M1的跨导被增大了gm2RA倍，gml对增益的影响减弱，放大器的线性度提高。再来考虑A、B两点的电压对输入电压的增益。对于M1、M2、I1和I2构成的电路，如果把B点作为输出节点，那么它也叫做超级源极跟随器，因此B点电压和输入电压之间是跟随关系，增益近似为1。而A点电压对输入电压的增益为

2 电路设计
    图3是使用改进型跨导增强电路的可变增益放大器。为了稳定电路的直流工作点，在输入管漏极和跨导增强电路放大管栅极之间插入了隔直电容，这两级电路各自偏置，获得稳定的直流工作点。通过适当设计可以使隔直电容对电路的交流信号基本不产生影响。设Mi管的跨导为gmi(i=1，2，3)，A、B、C各节点到地的电阻分别为RA、RB、Rc，那么通过推导可以得出放大器的增益近似为

   
    比较式(5)和式(3)，A点电压对输入电压的增益更低，这意味着A点电压变化幅度更小，输入管M1的漏源电压变化幅度更小，gml由于漏源电压变化产生的非线性更小，电路的线性度更好。以上的分析证明，使用改进型跨导增强电路的可变增益放大
器能进一步增大跨导，提高电路的线性度。
    对于使用源极负反馈电阻的开环可变增益放大器来说，除了输入管跨导产生的非线性外，源极负反馈电阻的非线性也有重要影响。本电路设计增益范图3～24dB，每3dB一档，使用3b字符控制。每一档对应的负反馈电阻用多晶电阻和MOS管开关串连实现。图4是两种实现方法。第二种方法将一个电阻拆成相等的两个，对称放置在MOS管开关两侧，这样MOS管的源漏级关于衬底完全对称。流过MOS管开关的电流是奇谐波函数，其周期是正弦输入信号周期的一半。这样MOS管开关只产生奇次谐波，从而提高了等效源级负反馈电阻的线性度。

3 仿真结果
    本文设计的可变增益放大器使用TSMCO．25μm CMOS工艺，以厂家提供的工艺模型文件为基础进行了仿真。根据要求，因为电路的电源电压为3．3V，所以可使用的NMOS管和PMOS管最小沟道长度分别是0．35μm和0．3μm。放大器的静态功耗为1．5 mW。图5是放大器不同增益的频域响应。其增益从3 dB变化到24dB，3dB一档。在24dB增益时，3dB带宽是100MHz。图6是放大器
在24dB增益时等效输入噪声随频率的变化关系。

    1 MHz和10 MHz放大器的等效输入噪声分别是。当输入信号频率为1MHz时，在24、12、3dB增益下，输出信号总谐波失真分别是-67．3、-70．9、-73．4dB。当输入信号频率为10MHz时，在24、12、3 dB增益下，输出信号总谐波失真分别是-65．5、-72．1、-68．1 dB。此时放大器输出差分峰峰值电压均为3．3V。仿真详细数据见表1。

    表2列出了设计的放大器和几种已有放大器性能的比较(文[1，3，5]为测试结果)。可看出本文的放大器具有最小的功耗，能够高线性输出最大幅度的信号。此外还具有较低的噪声和较宽的频带。说明该放大器适宜作为需要输出大信号的接收机末级放大器。

4 结  论
    本文提出了使用改进型跨导增强电路的可变增益放大器，它具有更强的跨导增强能力，同时减小了MOS漏源电压变化对跨导线性的影响。此外，本文分析并提出一种对称的可变电阻结构，可以降低MOS管开关带来的非线性。
    应用以上结果，本文用CMOS 0．25,μm工艺设计了可编程增益放大器。该放大器工作在3．3V，功耗为1．5 mW，增益范围3～24 dB，在各级增益下3 dB带宽均大于100 MHz。在输出信号峰峰值为3．3V时，总谐波失真低于-60dB。仿真结果表明，该放大器适于在接收机模拟前端中使用。