低功耗恒定带宽可编程增益放大器的设计

赵亮

（南京电子技术研究所，江苏南京210013）

摘要：随着无线智能终端功能的不断丰富，可穿戴设备、无线传感器网络、无线手持终端等得到了快速发展，如何降低射频收发机的功耗成为了越来越突出的问题。作为射频收发机重要模块的可变增益放大器，其电路设计的好坏往往直接决定了射频接收机的总体性能，在此研究并设计一种低功耗恒定带宽可编程增益放大器，该可编程增益放大器主要由2 个Gm跨导单元、压控电流衰减器以及电阻阵列构成。采用两个高线性度Gm跨导单元有效减小芯片面积和功耗，并且增益变化不会导致带宽变化。在TSMC 130 nm CMOS工艺下进行了后仿真验证，实验结果显示该可编程增益放大器在1.2 V电源电压下以400 μA的电流消耗实现了增益调节范围0~40 dB，增益连续调节，线性度OIP3为18.84 dB，性能良好。

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关键词 ：可编程增益放大器；恒定带宽；低功耗；射频收发机

中图分类号：TN710-34 文献标识码：A 文章编号：1004-373X（2015）12-0126-03

收稿日期：2014-12-18

0 引言

可变增益放大器（VGA）作为一个重要的模拟电路模块，在医疗设备、无线通信设备、助听设备以及磁盘驱动等设备中有着广泛应用[1]。可变增益放大器根据增益控制信号为模拟信号还是数字信号，可以分为模拟信号控制的可变增益放大器和数字可编程增益放大器（PGA）。随着现代集成电路的发展，越来越注重于依靠数字电路高集成度、低功耗的特点来辅助设计模拟电路，所以PGA 逐渐成为了可变增益放大器的主流研究方向。本文在介绍可变增益放大器工作原理的基础之上，基于TSMC 130 nm CMOS工艺设计了一种低功耗可变增益放大器，并提取寄生参数进行了后仿真验证，结果显示该PGA在1.2 V电源电压下消耗400 μA电流，实现增益调节范围为0~40 dB，增益连续，线性度OIP3为18.84 dB，性能良好。

1 PGA 工作原理

PGA基本结构可以分为开环结构和闭环结构两种，开环结构典型方法如图1（a）所示，通过可编程源极退化电阻实现增益变化，这种结构功耗低，但线性度较差。闭环结构典型方法如图1（b）所示，通过可编程反馈电阻网络实现增益变化，这种结构功耗较大，但线性度较好。

2 低功耗恒定带宽PGA 的设计

2.1 PGA架构的选择

恒定带宽PGA 电路架构如图2 所示，电路主要由3 个跨导级Gm 单元和电流衰减器Aii 构成，图2 电路增益和带宽可以表示为：

从式（1）、式（2）中可以看出，如果保持Gm2 恒定，通过改变Aii来实现增益变化的情况下，PGA的带宽可以保持恒定[2]。假设Gm1 = kGm2 ，Gm3 = NGm2 ，Aii 的变化范围为[-1，+1]则增益变化范围可以表示为：

2.2 电路与版图设计

PGA往往处于链路最后一级，为提高电路线性度需要设计高线性度Gm 单元，本文所设计的高线性度跨导单元如图3所示。

电路在传统源极退化的基础之上引入晶体管M3、M4，分别与晶体管M1、M2 构成局部负反馈，使输入管的源极输出阻抗由。其中T 为环路增益，所以Gm 的表达式为：

从式（4）可以看出，局部负反馈使得等效跨导能更加有效提高电路线性度[3]。

图4所示为电流衰减器电路结构，通过差分对重新分配跨导级输出的电流，通过加载在栅极的Vctrl电平实现压控衰减电流的功能[4]。

电路完整结构如图5所示，基于TSMC 130 nm工艺的版图设计[5]如图6所示。

3 后仿真结构与分析

首先使用Assure的寄生参数提取工具RCX提取版图寄生参数，然后将得到的网表文件导入原理图网表中，最后对添加了寄生参数的原理图进行后仿真验证。PGA在不同增益下的幅频特性如图7所示，整个可变增益放大器实现了从0.112~40.118 dB 的增益调节范围，-3 dB带宽为8 MHz，带内增益平坦，体现出良好的频率特性。

图8 所示为PGA 线性度仿真曲线，OIP3 达到18.84 dB，线性度良好。

4 结语

本文基于TSMC 130 nm CMOS 工艺设计了一种低功耗恒定带宽PGA 电路，并进行了版图设计和后仿真验证，充分考虑了实际流片后存在的寄生问题，结果显示本文所设计的可变增益放大器实现了0~40 dB 的增益调节范围，线性度良好，OIP3达到18.84 dB，在1.2 V电源电压下，电流消耗仅为400 μA。

作者简介：赵亮（1985—），男，江苏人，硕士。研究方向为集成电路设计。

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参考文献

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[2] ONET R， NEAG M， KOVACS I， et al. Compact Variable Gain Amplifier for a multistandard WLAN/WiMAX/LTE receiver [J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems I，2014，61（1）：247-257.

[3] MOSTAFA M A I，embaBI S H K，ELMALA M. A 60 dB246 MHz CMOS variable gain amplifier for subsampling GSMreceivers [J]. IEEE Transactions on Very Large Scale Integra-tion（VLSI）Systems，2003，11（5）：535-538.

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[2009-09-25].http：// www. bbs.eetop.cn/threa...1-1.html.[5] SAINT C，SAINT J.集成电路掩模设计：基础版图技术[M].北京：清华大学出版社，2006.

[6] 刘丰华.低噪声放大器的两种设计方法[J].现代电子技术，2011，34（4）：129-131.