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低功耗、高線性CMOS可編程放大器

放大字體  縮小字體 發布日期:2014-10-21     來源:[標簽:出處]     作者:[標簽:作者]     瀏覽次數:146
核心提示:
摘  要:針對接收機前端中可變增益放大器需要高線性處理大信號的問題。分析了使用源極退化電阻以及跨導增強電路的放大器線性度;設計了使用改進型跨導增強電路的放大器。它具有更強的跨導增強能力,同時減小了輸入MOS管跨導由于漏源電壓變化產生的非線性失真。提出了一種對稱的可變電阻結構,它降低了MOS管開關帶來的非線性。仿真結果表明,放大器在3.3V電源電壓下直流功耗為1.5mW。在1~lOMHz帶寬、3~24dB增益范圍內,差分輸出信號峰峰值為3.3V時,總諧波失真低于-60dB。
關鍵詞:可變增益放大器;可編程增益放大器; CMOS高線性


    接收機模擬前端(以下簡稱接收機)中的可變增益放大器用來調整信號大小,改變信號動態范圍。在一條接收鏈路上通常存在幾個可變增益放大器,它們共同作用,使得接收機前端能輸出滿足信噪比要求,并且具有較大功率的信號。
    隨著無線通信系統的發展,接收機的指標在不斷變化,對中頻可變增益放大器的性能要求不斷提高。首先通信系統使用寬帶調制,要求放大器具有足夠高的帶寬,通常在1~10 MHz左右。其次通信系統使用復雜的編碼,要求輸出信號具有較高的信噪比,意味著放大器具有很好的線性度。最后無線接收機應該盡量降低功耗,那么放大器在實現大信號輸出的前提下必須減小偏置電流。以上這些條件對中頻可變增益放大器的設計提出了苛刻的要求。
    文使用跨導增強電路減小放大器輸入管跨導帶來的非線性失真,不過其功耗很大,線性度不高;文的輸出差分電壓幅度有限,大約為電源電壓的一半;文使用運放加可變電阻的閉環電路結構,放大器的工作帶寬較小;文的可變增益放大器具有高線性度和大帶寬,不過由于采用電流運放,其輸入阻抗對前級電路構成較重的負載,需要在放大器前插入緩沖器,因此功耗較大;文的輸入采用源極跟隨器的形式,限制了輸入信號范圍。總的來說,這些可變增益放大器的線性輸入、輸出范圍有限。
    本文設計的可變增益放大器工作帶寬在l~10MHz,可以放大寬帶信號;輸出信號幅度可以達到差分峰峰值3.3V,而總諧波失真低于-60dB,具有較高的線性度。整個放大器的靜態功耗為1.5mW。


1 放大器線性分析
   
圖1是使用源極負反饋電阻的共源放大器電路圖。根據差分電路的對稱性,可以對半邊電路進行分析。在忽略電流源和MOS管輸出電阻的前提下,放大器的增益為


    當負反饋電阻Rdeg遠大于輸入管跨導gm倒數的時候,放大器的增益近似等于負載電阻RLoad和Rdeg的比值。因為增益取決于兩個電阻的比值,所以放大器具有較好的線性度。但在實際應用中,該電路的線性度受到很多因素的影響。
    最大的影響來源于跨導的非線性。為了使電路具有高線性度,必須增大gm或增大Rdeg。增大gm意味著增大電流,功耗上升;或者增大MOS管的尺寸,帶寬下降。增大Rdeg則會增加噪聲;而且如果用MOS管做電流源,其非線性的輸出電阻和Rdeg并聯,因此也不能無限增大Rdeg。總的來說,這個放大器的線性度、帶寬、增益和功耗等參數之間存在折衷,很難同時達到要求。
    圖2是使用跨導增強電路的可變增益放大器。觀察左半邊電路,M2管構成接地的跨導增強放大器,它和M1、I1、I2構成負反饋環路。設M1、Mz管的跨導分別為gml、gm2,A點到地的電阻為RA,那么放大器的增益為,


    由式(2)可見,輸入管M1的跨導被增大了gm2RA倍,gml對增益的影響減弱,放大器的線性度提高。再來考慮A、B兩點的電壓對輸入電壓的增益。對于M1、M2、I1和I2構成的電路,如果把B點作為輸出節點,那么它也叫做超級源極跟隨器,因此B點電壓和輸入電壓之間是跟隨關系,增益近似為1。而A點電壓對輸入電壓的增益為


2 電路設計
    圖3是使用改進型跨導增強電路的可變增益放大器。為了穩定電路的直流工作點,在輸入管漏極和跨導增強電路放大管柵極之間插入了隔直電容,這兩級電路各自偏置,獲得穩定的直流工作點。通過適當設計可以使隔直電容對電路的交流信號基本不產生影響。設Mi管的跨導為gmi(i=1,2,3),A、B、C各節點到地的電阻分別為RA、RB、Rc,那么通過推導可以得出放大器的增益近似為


    比較式(4)和式(2),跨導gml又增大了gm3Rc倍,因此圖3的電路也具有很高的線性度。和圖2電路類似,圖3電路中B點電壓和輸入電壓仍然是跟隨關系,其增益近似為1。A點電壓對輸入電壓的增益為

   
    比較式(5)和式(3),A點電壓對輸入電壓的增益更低,這意味著A點電壓變化幅度更小,輸入管M1的漏源電壓變化幅度更小,gml由于漏源電壓變化產生的非線性更小,電路的線性度更好。以上的分析證明,使用改進型跨導增強電路的可變增益放大
器能進一步增大跨導,提高電路的線性度。
    對于使用源極負反饋電阻的開環可變增益放大器來說,除了輸入管跨導產生的非線性外,

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