加速自校正直流漂移的可编程增益放大器

1、25卷 第8期2008年8月微电子学与计算机MICROELECTRONICS&COMPUTERVol.25 No.8August2008加速自校正直流漂移的可编程增益放大器易 青,杨洪文,郭桂良,阎跃鹏(中国科学院微电子研究所,北京100029)摘 要:设计了一种应用于移动数字多媒体广播系统终端的可编程增益放大器.该可编程增益放大器采用源极反馈电阻可变的差分放大器结构,且带有直流漂移校正电路.分析了校正直流漂移时间的决定因素,通过采用双带宽切换的方法加速校正过程.分析了引发输出直流漂移发生变化的因素,设计了增益控制信号触发的双带宽控制信号发生电路.可编程增益放大器采用TSMC0.25

2、mCMOS工艺.仿真结果表明,放大器的动态范围为3084db,2db步进,对输入直流漂移的校正效果为-21.45db,加速后的直流漂移校正时间约15 s.关键词:可编程增益放大器;直流漂移;双带宽;加速自校正中图分类号:TN722.1 文献标识码:A 文章编号:1000-7180(2008)08-0092-04AProgrammableGainAmplifierwithSpeed EnhancedDC OffsetCorrectionYIQing,YANGHong wen,GUOGui liang,YANYue peng(InstituteofMicroelectronics,ChineseA

3、cademyofSciences,Beijing100029,China)Abstract:Aprogrammablegainamplifier(PGA)isdesignedfortheclientofmobilemultimediabroadcastingsystem.ThePGAconsistsofthedifferentialamplifierwithvariablesourcedegenerationresistorandtheDC offsetcorrectioncircuit.ThedecisivefactorofthetimeofDC offsetcorrectionisanal

4、yzed.ThespeedofDC offsetcorrectionisacceleratedbyal ternationofdualbandwidth.ThefactorswhichcausethechangeofoutputDC offsetarealsoanalyzed.Thesignalgenera tioncircuitwhichcontrolsthedualbandwidthisdesignedtobesensitivetogain controllingsignal.ThePGAisfabricatedusingTSMC0.25 mCMOStechnology.Theresult

5、ofsimulationrevealsthatthegainrangeis3084dbwith2dbstepresolution.TheeffectofDC offsetcorrectionis 21.45db,andthetimeconsumptionoftheDC offsetcorrectionisabout15usbecauseofthespeed enhancement.Keywords:programmablegainamplifier;DC offset;dualbandwidth;speed enhancedcorrection1 引言在射频接收前端电路中,由于天线接收的信号非

6、常微弱,因此需要经过放大器来将信号放大并送入后续电路.然而天线所接收到的信号强度是变化的,如果采用增益固定的放大器,信号经过放大器后就可能出现饱和失真,因此需要可变增益放大器,根据输入信号的强度的不同设置不同的增益值,使得信号被放大后的幅度基本固定.直接下变频的接收系统中,由于器件失配或本振泄露后自混频,会出现直流漂移现象,如不进行校正,直流漂移经过放大后收稿日期:2007-11-12可能造成信号饱和1.文中设计的可变增益放大器是增益步进的可编程增益放大器,该可编程增益放大器应用于移动数字多媒体广播的移动终端系统,其增益范围为54db(2db步进),具有校正直流漂移功能,且采用加速校正技术,可

7、大大降低校正时间.2 电路结构文中提出的可编程增益放大器包括三部分:(1)信号放大电路;(2)直流漂移校正电路;(3)直流漂移校正的加速电路及其控制电路.放大器结构框图如图1所示.第8期易青,等:加速自校正直流漂移的可编程增益放大器932.2 直流漂移校正电路直接下变频接收机结构中,直流漂移是一个严重的问题,在差分结构的放大器中,尤其是增益较大的情况下,微小的直流漂移都可能导致放大器的输出饱和,因此需要直流漂移校正电路.常用的直流漂图1 可编程增益放大器结构框图移校正技术有:大电容耦合4;低通滤波器负反馈电路;采用DSP进行算法补偿.在上面提及的校正技术中,大电容耦合的方法需要的电容值很大,不

8、适合CMOS电路的高度集成;采用DSP进行算法补偿需要额外的数字电路,不容易实现;因此文中采用了低通滤波器负反馈电路6,如图2中右侧虚线框内电路所示.其基本原理:利用低通滤波器对放大器的输出进行采样,采样得到的直流漂移被送入一个简单的放大电路,放大后经过负反馈连接方式送回原放大器电路中,从而达到校正直流漂移的效果.假设放大器的增益为A,直流漂移校正电路的反馈因子为F,整个负反馈回路框图如图3(a)所示.52.1 放大器结构文中提出的可编程增益放大器的增益范围为3084db,2db步进,由于最大增益为84db,单级放大器难以实现,因此采用5级级联的结构.各级增益分配如下:第一级为0db、10db

9、两档增益可调放大器;第二级、第三级和第四级为10db、20db两档增益可调放大器;第五级为014db(2db步进)8档增益可调放大器.放大器的增益一般表示为跨导和负载的乘积:Gain=Gm Rout,因此实现增益可变有两种方法:(1)调节放大器的跨导;(2)调节放大器的负载,文中采取第一种方法.放大器基本结构为采用源极反馈电阻的差分放大器2.其等效跨导为gm,1+gm Rs式中,gm为差分对中场效应管的跨导,Rs为源极反馈电阻.因此可以通过调节源极反馈电阻的阻值来Gm=调节等效跨导值3,从而调节放大器的增益.放大器的每一级基本结构都相似,其基本原理如图2中左侧虚线框内电路所示.图3 直流漂移校

10、正负反馈回路框图Vos为放大器的输入直流漂移值,Vos由两部分组成:本振泄漏自混频引起的直流漂移和放大器中器件失配引起的直流失调,经直流漂移校正电路后图2 可编程增益放大器的放大电路和直流漂移校正电路直流漂移值为Y.则有os.1+F若F 1,则Y A Vos.可见存在输入直流Y=漂移时,采用直流漂移校正电路可有效地校正放大器的输出直流漂移值,从而避免输出饱和.2.3 加速直流漂移校正时间的双带宽电路及其控制电路 调节源极反馈电阻的方式为开关控制的电阻阵列,第一级至第四级放大器的源极反馈电阻阵列均为一个电阻和一个开关控制的电阻并联实现两档增益可调,第五级放大器的源极反馈电阻阵列为一个电阻和七个开

11、关控制的电阻并联实现八档增益可调.94微电子学与计算机2008年为低通滤波器对放大器的输出进行采样需要一定的稳定时间,低通滤波器采样的稳定时间决定于其RC常数,如图3(b)所示.校正后的输出直流漂移值为一个和时间相关的函数Y(t):Y(t)=A Vos-F Y (t),Y (t) Cm= t,R式中,R为直流漂移校正电路中的电阻,Cm为等效密勒电容.由于接收机接收的信号不稳定,放大器的输入信号幅度也不稳定,因此需要调节放大器的增益大小.为了简化问题的分析,假定在增益调节之前,放大器的输出直流偏移已经被完全校正.假设输入直流漂移为x,增益从g1变化为g2.在增益为g1时,有X=g1 x,g1 x

12、.1+F增益变为g2后,有Y=Y =X=g2 xY (t)=g2 x-(g2 x-g1 x) exp-t (1+F)/RCm,1+FY(t)=g2 x-Fg2 x-(g2 x-g1 x) exp-t (1+F)/RCm,阻阵列实现:一个大电阻和一个开关控制的小电阻并联.在电路正常工作时,开关打开,电阻阵列表现为大电阻,低通滤波器工作在较低的截止频率下,以保证低频段信号的完整性;在需要快速校正直流漂移时!即增益或输入直流漂移发生变化时,开关闭合,电阻阵列的阻值与小电阻值大约相等,低通滤波器工作在较高的截止频率下,RC常数也较小,因此校正直流漂移所需时间也较小,在直流漂移校正结束后,再将开关打开,

13、低通滤波器转为工作在较低的截止频率下,使整个电路正常工作.可令控制信号为高电平时,开关闭合;反之,开关打开.这样只需要一个脉冲即可控制低通滤波器在高低带宽之间切换,在电路正常工作时,带宽控制信号为低电平,校正时,带宽控制信号为高电平.带宽控制信号的脉冲可由增益控制信号的上升沿或下降沿来触发.对于增益切换引起的输出直流漂移的变化,这样的触发机制无疑可以加速校正时间;对于输入直流漂移变化引起的输出直流漂移的变化,带宽控制信号的脉冲不能及时被触发,输出直流漂移的变化将在下一增益变化时被校正,虽然如此,但是可编程增益放大器的输出信号功率检测周期很短!远小于没有双带宽技术下校正输出直流漂移所需时间,所以

14、该触发机制还是能加速校正时间.带宽控制信号的生成电路如图4(a)所示,增益控制信号经过延时电路后再和本身做异或逻辑运算,其输入输出波形如图4(b)所示.可见输出直流漂移Y(t)决定于低通滤波器RC常数的大小.在可编程增益放大器应用的系统中,信号调制方式是OFDM,每个子频带的宽度为2.4kHz,为了保护子频带的完整性,低通滤波器的截止频率设置为小于2kHz,这意味着其RC常数非常大,因此校正时间也将非常大.可编程增益放大器的输入直流漂移值也不是固定值,可能会出现跳变的情况.假设放大器增益为g,输入直流漂移从x1变化为x2.和上面的推导相似,可得出输出直流漂移Y(t)的表达式:Y(t)=g x2

15、-Fg x2-(g x2-g x1) exp-t (1+F)/RCm.1+F综上所述,当增益或输入直流漂移发生变化时,输出直流漂移需要重新校正,其校正时间取决于低通滤波器的RC常数,在电路正常工作下,由于低通滤波器截止频率低,校正时间很长.为了加速校正时间,文中采取了双带宽电路7,双带宽是指直流漂移校正电路中的低通滤波器可以工作在两种截止频图4 带宽控制信号生成电路及波形图延时电路所产生的延时长短决定输出信号脉冲的宽度,即决定了加速校正直流漂移的时间长短,因此延时长短应设定为比低通滤波器采样放大器输出偏差所需时间长,使得在整个校正时间内输出直流漂移能完全被校正.由于增益控制信号不止一个,所以对

16、所有增益控制信号触发的带宽控制信号应再经第8期易青,等:加速自校正直流漂移的可编程增益放大器95过一次或运算,使得最终的带宽控制信号对每一个增益控制信号都敏感.移问题,而且直流漂移抑制电路运用了双带宽技术,可大幅减小校正直流漂移所需时间.而且放大器具有54db宽动态范围,由于考虑到放大器用于接收机系统,不需要增益衰减,所以设定动态范围3084db.总的来说,该可编程增益放大器满足各种增益可变放大的需求,尤其适用于需要宽动态范围、高速的移动接收设备.参考文献:1BehzadRazavi.Designconsiderationsfordirect conversionreceiversJ.IEEE

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