采用TSMC O．18Dm RF CMOS工藝實(shí)現(xiàn)可變?cè)鲆嬷蓄l放大器的電路設(shè)計(jì)

本文采用TSMC O．18Dm RF CMOS工藝設(shè)計(jì)了一個(gè)適用于DVB－T Tuner的可變?cè)鲆嬷蓄l放大器。該電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)增益隨控制電壓連續(xù)、近似線性變化和51dB的增益調(diào)節(jié)范圍，同時(shí)具有良好的噪聲和線性性能。

1、可變?cè)鲆娣糯笃鞯姆诸?/p>

可變?cè)鲆娣糯笃靼凑赵鲆孀兓绞降牟煌梢苑譃樵鲆娌竭M(jìn)變化的可編程增益放大器（PCA，Programmable Gain Amplifier）和增益連續(xù)變化的可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA，Variable Gain Amplifier）。PGA使用數(shù)字電路控制增益變化，簡化了控制電路的設(shè)計(jì)，但是增益卻是離散的。VGA使用模擬信號(hào)控制增益，增益可以連續(xù)變化，因此可以避免因增益突變而造成調(diào)制信號(hào)的接收解調(diào)錯(cuò)誤。

2、電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的可變?cè)鲆嬷蓄l放大器是DVB-T調(diào)諧器的最后一級(jí)，位于SAW濾波器之后，中頻為36MHz。在此中頻卜，放大器需要有50dB；的增益調(diào)節(jié)范圍、大于8M的帶寬和小于12dB的噪聲系數(shù)。同時(shí)在負(fù)載為1000Ω的情況下OIP3要大于0dBm。

如圖1所示，設(shè)計(jì)采用了三級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，前兩級(jí)為可變?cè)鲆鎲卧?，以保證足夠的增益動(dòng)態(tài)范圍；最后一級(jí)為緩沖放大電路。級(jí)間通過電容實(shí)現(xiàn)耦合。

2．1可變?cè)鲆鎲卧娐返脑O(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的可變?cè)鲆鎲卧娐芬孕盘?hào)相加式結(jié)構(gòu)為主體，具體電路如圖2所示。

電路中差分對(duì)NMOS管M1、M2工作在飽和狀態(tài)，負(fù)責(zé)將輸入端的射頻電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樯漕l電流信號(hào)。

NMOS管M3、M4與M5、M6構(gòu)成信號(hào)相加式結(jié)構(gòu)單元，如圖3所示。

其電流增益為

通過調(diào)節(jié)電壓Vcont以實(shí)現(xiàn)對(duì)電路電流增益GI的控制。隨著Vcont的增大，電路電流增益GI連續(xù)單調(diào)減小。

同時(shí)M1、M4管和M2、M5管分別構(gòu)成了cascode結(jié)構(gòu)，從而提高了電路的輸出阻抗，增大了電路的增益。

電流信號(hào)通過電阻R1、R2轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出給下級(jí)電路。NMOS管M7、M8與PMOS管M9構(gòu)成為電流源，負(fù)責(zé)提供偏置。

2．2控制電壓轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)提供的控制電壓VC變化范圍為0．1∽1．5V，如果直接把Vc加到M3、M6管的柵極，那么M3、M6管的工作狀態(tài)就會(huì)隨著控制電壓Vc的變化發(fā)生很大的變化。隨著Vc的降低，M3、M6管將從飽和區(qū)進(jìn)入到線性區(qū)，直到截止。因此必須外加一個(gè)控制電壓轉(zhuǎn)換電路，將控制電壓Vc轉(zhuǎn)換成一個(gè)變化范圍較小并且保證M3、M6管始終工作在飽和區(qū)的電壓。電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖中的MO管為工作在線性區(qū)PMOS管。

從（5）式可以看出，在增加了控制電壓轉(zhuǎn)換電路之后，只要調(diào)節(jié)電路選擇合適的參數(shù)K，就能得到一個(gè)變化范圍較小并且保證M3、M6管始終工作在飽和區(qū)的電壓Vcont.

2．3緩沖放大電路的設(shè)計(jì)

由于該可變?cè)鲆嬷蓄l放大器是DVB-T調(diào)諧器的最后一級(jí)，中頻輸出信號(hào)直接送到片外并驅(qū)動(dòng)片外的解調(diào)芯片，因此需要加入一級(jí)緩沖放大電路放大中頻信號(hào)并提高中頻信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。 緩沖放大電路如圖5所示.NMOS管M10、M11采用共源極連接。

根據(jù)級(jí)聯(lián)電路的線性度公式：

可以知道，最后一級(jí)電路的線性度高低直接決定了整個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃鞯木€性度。電阻Rs為放大管M10和M11的源極反饋電阻，用來提高放大器的線性度。

3、仿真結(jié)果

本設(shè)計(jì)的可變?cè)鲆娣糯笃鞑捎肨SMC 0．18 μ mRF CMOS工藝，仿真軟件為ADS2004A，溫度為常溫。

放大器對(duì)數(shù)增益隨控制電壓的變化情況如圖6所示。當(dāng)控制電壓Vc在0．1～1．5V時(shí)，電路的對(duì)數(shù)增益與控制電壓Vc呈近似的線性關(guān)系。其動(dòng)態(tài)范圍為7．4～58．4dB。

噪聲系數(shù)隨控制電壓的變化情況如圖7所示。當(dāng)控制電壓Vc在0．1～1．5V時(shí)，電路最大噪聲系數(shù)為8．58dB。電路具有良好的噪聲性能。

圖8為電路的輸出三階互調(diào)點(diǎn)（OIP3）隨控制電壓的變化情況。在控制電壓Vc為0．1～1．5V時(shí)，放大器的OIP3大于0．6dBm，輸出ldB壓縮點(diǎn)大于一9dBm。

圖9為放大器在不同頻率上的表現(xiàn)。仿真結(jié)果表明放大器3dB帶寬為2～156MHz。滿足設(shè)計(jì)需要。

仿真結(jié)果總結(jié)于表1。

4、結(jié)論

本文基于CMOS工藝設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于DVB-T調(diào)諧器的可變?cè)鲆嬷蓄l放大器。放大器以信號(hào)相加式可變?cè)鲆鎲卧獮榛A(chǔ)，外加指數(shù)特性的控制電壓轉(zhuǎn)換電路，構(gòu)成一種對(duì)數(shù)增益能隨控制電壓近似線性、連續(xù)變化的放大器。仿真結(jié)果表明，電路功耗為30mA，3dB帶寬為2∽156MHz，增益動(dòng)態(tài)范圍7．4∽58．4dB，OIP3大于0．6 dBm，噪聲系數(shù)小于8．6dB。電路實(shí)現(xiàn)了51dB的增益動(dòng)態(tài)范圍，具有良好的噪聲和線性性能。

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