无线接收机中高动态范围数字自动增益控制电路设计

摘要

在射频无线通信系统中，由于受到障碍物、空气效应等因素的影响，会导致接收信号的衰减，信号的接收端要能够处理数据转换的最大范围。所以，在典型的射频系统的前端一般都会采用自动增益控制电路。而可变增益放大器(VGA)是自动增益控制电路中的一个关键模块，自动增益控制系统的稳定性和对输入信号的响应灵敏度在很大程度上取决于VGA的性能。目前AGC系统可以分为模拟AGC和数字AGC两大类型。模拟AGC是通过模拟电路的反馈机制来控制整体电路的增益。所以对模拟电路的设计要求比较高，要兼顾系统的稳定性，功耗，面积等诸多要素。另外由于AGC系统要求增益的建立时间不随输入信号的幅度变化而变化，这就要求增益与输入信号成dB线性关系。而CMOS电路的平方特性使得这种指数关系不能实现，所以我们必须需要额外的电路来产生一个指数信号作为VGA的控制信号来控制增益。即通常所说的指数产生电路，这就增大了电路的设计难度。而在数字AGC系统中，我们只需要设计一个可变增益放大器(VGA)，其他的工作可以通过DSP芯片在数字域利用数字算法来完成，产生相应的控制信号进而控制整体电路的增益。这样就会大大减小模拟电路设计的难度，从而提高了集成度，缩小了面积和功耗。
　　 本研究根据GPS射频接收芯片系统的要求以及目前可变增益放大器的主流技术，设计了一个增益动态范围为50dB，带宽大于100M的CMOS可变增益放大器。本文中的可变增益放大器采用的是六级放大器级联的方式，采用数字电平控制的方式来控制整体增益。整个电路包括三级VGA级联的放大电路，整体电路的偏置电路以及一些产生控制位的数字电路。本次设计采用TSMC0.18μm工艺库，经过仿真验证，整个系统可以提供50dB的动态范围，中频范围为[35M，65M]，在温度变化范围[-40℃，75℃]下，系统输出峰峰值基本保持在200mV左右，变化范围不大于0.2dB，系统整体消耗小于2mW。