低电压下宽范围高精度可变增益放大器设计

摘要

在射频接收机中，自动增益控制环路为基带模数转换器提供恒定的信号功率，而可变增益放大器作为自动增益控制环路的关键模块，其性能直接影响接收机系统可接收的输入信号动态范围，因此研究高性能可变增益放大器具有重要意义。
　　论文主要设计中高速无线传感器网络中的可变增益放大器电路。论文从接收机系统架构入手，分析了自动增益控制环路的基本工作原理，并对可变增益放大器的主流技术进行总结，分析了相应的增益控制方法及其优缺点。根据中高速无线传感器网络接收机系统要求，确定了可变增益放大器设计目标和系统架构，论文设计的可变增益放大器由四个固定增益级、一个单位增益缓冲级和一个可变增益级组成。单个固定增益级提供12dB的增益，可变增益级实现0dB到12dB的增益控制范围，增益步长为1dB，因此整个可变增益放大器实现0dB到60dB的增益控制范围，增益步长为1dB。为了提高固定增益级的增益精度，固定增益级采用主从结构(master-slave)。可变增益级采用闭环结构，由反馈电阻阵列和运算放大器组成，通过调节反馈电阻大小，实现增益可变。可变增益放大器采用直流耦合方式级联，利用直流负反馈技术来消除直流偏差。
　　论文基于中芯国际(SMIC)0.13μm CMOS工艺库完成了可变增益放大器的原理图设计、版图设计及后仿真，电源电压为1.2V，后仿真结果表明，可变增益放大器实现0.08dB到60.43dB的增益控制范围，在通频带内增益误差小于0.43dB，增益步长误差小于0.14dB，噪声系数为25.46dB，输出三阶截点OIP3大于25.83dBm，功耗为2.19mW，满足中高速无线传感网络通信指标要求。