用于寬帶任意波發(fā)生器的可變增益放大器

羅陽，欒艦，周磊，武錦

（1.中電科思儀科技股份有限公司，山東青島 266000；2.中國科學(xué)院微電子研究所，北京 100029）

1 引言

隨著高速寬帶信息傳輸技術(shù)的迅猛發(fā)展，通信系統(tǒng)的研制和生產(chǎn)測試對激勵信號源提出了更高的要求。寬帶無線通信領(lǐng)域中，復(fù)雜調(diào)制技術(shù)如256 階正交幅度調(diào)制、正交頻分復(fù)用等的應(yīng)用不斷增長；光通信領(lǐng)域中，信號帶寬和波特率不斷增加。在上述場景中，都要求激勵信號具有更高的復(fù)雜度、線性度和調(diào)制帶寬，寬帶任意波形發(fā)生器（AWG）是產(chǎn)生上述激勵信號的理想選擇，具有廣闊的應(yīng)用前景。

在AWG 中，一個重要的設(shè)計挑戰(zhàn)來自寬帶可變增益放大器（VGA）芯片。VGA 作為設(shè)備的信號輸出接口電路，承擔(dān)了輸出信號放大、增益調(diào)節(jié)、輸出共模電平匹配、輸出阻抗匹配等重要功能，其輸出電壓范圍、帶寬、整體調(diào)節(jié)范圍等指標(biāo)直接影響設(shè)備整體性能。

本文介紹了一種適用于寬帶AWG 的VGA 設(shè)計。該芯片提出了一種改進(jìn)的基于數(shù)字控制的可變增益放大架構(gòu)，并采用多級放大架構(gòu)，實現(xiàn)了增益調(diào)節(jié)以及負(fù)載驅(qū)動功能。

2 基于數(shù)字控制的VGA

2.1 基于數(shù)字控制的VGA 架構(gòu)

根據(jù)增益調(diào)節(jié)的實現(xiàn)方式不同，VGA 可以分為模擬控制[1-2]和數(shù)字控制[3-5]兩種。兩種方式各有優(yōu)缺點，適用場景也不盡相同。模擬電壓控制的VGA 是指增益被電壓或電流等模擬信號所調(diào)制，增益的變換過程是連續(xù)可調(diào)的，可以實現(xiàn)增益的精細(xì)調(diào)節(jié)。采用模擬電壓控制的主要缺點是容易受到干擾，由于控制電壓直接調(diào)控放大增益，來自輸入信號或電源紋波的串?dāng)_都可能對輸出信號造成干擾，引起波形失真。采用數(shù)字信號控制的VGA 通過數(shù)字編碼來改變放大器的增益，放大增益僅由控制電壓的高低電平?jīng)Q定，具有較高的穩(wěn)健性。常見的數(shù)字信號控制VGA 設(shè)計方法有兩種：一種是在運算放大器的基礎(chǔ)上加反饋電路（一般為電阻），構(gòu)成閉環(huán)結(jié)構(gòu)[5]；另一種是在模擬電壓控制VGA 的基礎(chǔ)上，通過添加數(shù)模轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生控制電壓或電流[3]。前者在線性度方面具有明顯優(yōu)勢，但受限于反饋通路的帶寬，不適合寬帶應(yīng)用場景；后者仍然保留了模擬控制電壓，不能完全解決模擬控制電壓容易受到干擾的問題。

結(jié)合實際應(yīng)用需求，本設(shè)計提出了一種改進(jìn)的數(shù)字信號控制VGA。在增益控制級中，本設(shè)計提出了一種改進(jìn)的增益控制方式，將增益級放大器拆分為多個低增益、高線性度的放大單元，消除了模擬控制電壓的影響。該結(jié)構(gòu)的另一個優(yōu)勢在于可確保增益調(diào)節(jié)的單調(diào)性，即使存在工藝偏差，也可確保增益隨控制字單調(diào)變化。在輸出級設(shè)計中增加了增益微調(diào)電路，以補償由于器件工藝偏差引入的增益和偏移誤差。

改進(jìn)的數(shù)字信號控制VGA 架構(gòu)如圖1 所示。圖中，VIP/VIN為差分輸入電壓，VOP/VON為差分輸出電壓，主要電路模塊包括輸入級（高線性緩沖器）、增益級（增益調(diào)節(jié)陣列）、輸出級（帶寬增強型輸出放大器）、帶隙基準(zhǔn)與偏置產(chǎn)生電路、編碼電路等。輸入的寬帶模擬信號首先通過輸入端的高線性緩沖器傳輸?shù)皆鲆嬲{(diào)節(jié)陣列。輸入級一方面隔離輸入信號與內(nèi)部增益級的輸入負(fù)載，另一方面提供足夠的電流驅(qū)動能力，使增益級正常工作。增益級用于實現(xiàn)增益調(diào)節(jié)，其中共包含16 個并列的增益調(diào)節(jié)單元，每一個單元結(jié)構(gòu)相同，均可提供0.125 倍的增益。輸出級用于調(diào)節(jié)輸出共模電壓并驅(qū)動負(fù)載，共包含16 個并列的放大單元，與增益調(diào)節(jié)單元一一對應(yīng)。在輸出級的末端，所有放大單元的輸出電流合并為一對差分電流，并通過上拉電阻轉(zhuǎn)換為輸出電壓。上拉電阻可以連接外部電壓源，以實現(xiàn)對輸出共模電壓的調(diào)節(jié)。

圖1 改進(jìn)的數(shù)字信號控制VGA 架構(gòu)

輸入的數(shù)字控制端口共分為兩組：一組（4 bit）用于控制增益檔位，通過編碼器后，每一位數(shù)字控制信號分別控制增益級的一個放大單元；另一組（3 bit）用于實現(xiàn)增益的微調(diào)。通過調(diào)節(jié)輸出放大器的偏置電壓，可增大或減小輸出級的整體電流調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍約為±10%，從而實現(xiàn)輸出增益的微調(diào)。在兩組數(shù)字信號的控制下，最終實現(xiàn)芯片的輸出信號幅度為輸入信號幅度的0.125～2 倍（對應(yīng)的增益為－18～6 dB），調(diào)節(jié)步進(jìn)為0.125 倍。芯片同時集成了帶隙基準(zhǔn)及偏置產(chǎn)生電路，為各級電路提供穩(wěn)定的偏置電壓。

2.2 寬帶放大單元電路結(jié)構(gòu)

在放大單元設(shè)計中，為了提升電路的帶寬，一系列的改進(jìn)技術(shù)被應(yīng)用于寬帶放大器設(shè)計中。其中，發(fā)射極退化電阻技術(shù)是一種常用的設(shè)計方法，通過在晶體管的發(fā)射極增加串聯(lián)電阻，可以顯著提升電路的線性度和帶寬。在此基礎(chǔ)上，OHHATA 等[6]提出了一種峰化電容的技術(shù)，以進(jìn)一步提升高頻輸出信號幅度，但這種技術(shù)犧牲了低頻的增益。HOLDENRIED 等[7]提出了一種利用負(fù)反饋技術(shù)實現(xiàn)的有源負(fù)載技術(shù)，可以在不顯著增大面積的同時，提升電路的增益帶寬積。負(fù)反饋技術(shù)可能引入穩(wěn)定性問題，因此在設(shè)計中需要特別注意，以避免震蕩風(fēng)險。

在本設(shè)計中，為了兼顧帶寬、線性度和輸出負(fù)載匹配，采用了發(fā)射極退化電阻和峰化電感兩種電路結(jié)構(gòu)。發(fā)射極退化電阻電路結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，在增益級中采用該結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)寬帶和高線性度，同時滿足增益調(diào)節(jié)步進(jìn)的要求。峰化電感電路結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示，在輸出級中采用此技術(shù)，可抵消輸出寄生電容的影響，提升高頻增益，提高電路整體帶寬。

圖2 寬帶放大單元電路結(jié)構(gòu)

3 寬帶VGA 芯片設(shè)計及仿真結(jié)果

3.1 增益級設(shè)計

增益調(diào)節(jié)陣列包含16 個相同的增益調(diào)節(jié)子單元。在控制信號（VCTRP/VCRTN）的調(diào)節(jié)下，分別切換信號通路和冗余電流通路導(dǎo)通，使增益調(diào)節(jié)單元工作在使能模式和關(guān)斷模式兩種狀態(tài)。增益調(diào)節(jié)陣列子單元結(jié)構(gòu)如圖3 所示，圖3（a）中電路的工作狀態(tài)為使能模式，圖3（b）中電路的工作狀態(tài)為關(guān)斷模式。

圖3 增益調(diào)節(jié)陣列子單元結(jié)構(gòu)

當(dāng)電路處于使能模式時，輸入差分對管處于導(dǎo)通狀態(tài)（紅色），冗余通路處于關(guān)閉狀態(tài)（藍(lán)色）。輸入電壓信號通過放大差分對管轉(zhuǎn)換為電流，并傳輸?shù)捷敵龉?jié)點。每一個子單元提供的增益由輸出電阻和發(fā)射極退化電阻的比值共同決定，在本設(shè)計中該比值為0.125。

當(dāng)電路處于關(guān)斷模式時，信號通路關(guān)閉（藍(lán)色），輸入差分對管的電流被關(guān)斷，差模輸出信號為零，冗余開關(guān)通路導(dǎo)通（紅色），以保持輸出共模電壓不變。

在16 路增益調(diào)節(jié)單元中，其中1 路保持常開，另外15 路通過編碼器產(chǎn)生的15 bit 數(shù)字信號控制，從而實現(xiàn)電路整體增益的步進(jìn)控制。

3.2 輸出級設(shè)計

輸出級中共包含16 路相同的放大單元，輸出級放大單元電路結(jié)構(gòu)如圖4 所示。在輸出級的末端，所有放大單元的輸出電流合并為一對差分電流，并通過上拉電阻/電感網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為輸出電壓。

圖4 輸出級放大單元電路結(jié)構(gòu)

芯片的輸出共模電壓由輸出級電源電壓VCCO和輸出級電流共同決定，其中輸出級電流只在較小的范圍內(nèi)微調(diào)，因此共模電壓主要由VCCO決定。VCCO由芯片外部單獨提供，可根據(jù)輸出電壓要求的不同而調(diào)整。為了確保在最高輸出共模電壓和最大單端輸出擺幅時器件不會擊穿，輸出級晶體管采用高耐壓晶體管。同時，芯片內(nèi)部的偏置電路具有跟蹤輸出電源電壓的功能，可跟隨電源電壓變化，保證輸出級各晶體管處于正常的工作狀態(tài)。

芯片的共模電壓調(diào)節(jié)主要通過調(diào)節(jié)VCCO實現(xiàn)，增益的控制主要通過控制級中導(dǎo)通的信號放大單元的數(shù)量實現(xiàn)，兩種調(diào)節(jié)方式相互配合，可實現(xiàn)共模電壓和增益的獨立調(diào)節(jié)。

由于輸出級電流大導(dǎo)致晶體管尺寸大，同時考慮到芯片封裝焊盤和打線的影響，輸出節(jié)點的寄生電容和寄生電阻對芯片帶寬的影響較大。為了拓展帶寬，本設(shè)計在輸出電阻上串聯(lián)峰化電感，以補償寄生效應(yīng)帶來的高頻衰減。

4 電路實現(xiàn)和測試結(jié)果

4.1 VGA 芯片的電路實現(xiàn)

本設(shè)計中芯片采用SiGe BiCMOS 工藝研制實現(xiàn)，在信號通路中均采用高速SiGe 異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）。在同樣的特征尺寸條件下，HBT 相比金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）晶體管具有更高的器件截止頻率，因此有利于實現(xiàn)更高的信號帶寬。

芯片的整體尺寸為1.45 mm×0.88 mm，VGA 的顯微照片如圖5 所示。

圖5 VGA 的顯微照片

4.2 VGA 測試系統(tǒng)

VGA 測試系統(tǒng)如圖6 所示。輸入信號由微波信號源或AWG 產(chǎn)生，輸出信號由寬帶示波器或頻譜分析儀采集。

圖6 VGA 測試系統(tǒng)

4.3 測試結(jié)果

4.3.1 增益控制功能

在測試系統(tǒng)中，通過微波信號源為VGA 提供頻率為100 MHz、P 和N 端差分峰峰值約為1 V 的輸入信號。調(diào)節(jié)VGA 增益控制端，可使VGA 的增益以增益步進(jìn)依次變化，測量其輸出信號峰峰值，并計算與輸入信號峰峰值的比值，可得到實際增益值。VGA 增益控制功能測試結(jié)果如圖7 所示，圖7(a)為增益測試結(jié)果，圖7(b)為增益步進(jìn)測試結(jié)果。可以看出，芯片整體增益呈現(xiàn)出良好的單調(diào)性，其平均增益步進(jìn)約為0.125倍。

圖7 VGA 增益控制功能測試結(jié)果

4.3.2 頻率響應(yīng)

在測試系統(tǒng)中，設(shè)置芯片低頻增益值為1 倍，逐漸升高信號的頻率，可以觀察到輸出信號的幅度及增益逐漸降低。VGA 增益隨頻率變化的測試結(jié)果如圖8 所示。

圖8 VGA 增益隨頻率變化的測試結(jié)果

輸入信號頻率分別為100 MHz 和4 GHz 時，芯片差分輸出信號波形分別如圖9(a)(b)所示?？梢钥闯觯? GHz 時的輸出信號幅度與低頻幅度的比值約為0.723（即－2.83 dB，Vpp為電壓峰峰值）。

圖9 VGA 差分輸出信號波形

4.3.3 測試指標(biāo)匯總與對比

芯片主要測試指標(biāo)匯總與性能對比如表1 所示。與參考文獻(xiàn)對比，本設(shè)計在輸出信號幅度、模擬帶寬、增益調(diào)節(jié)等方面的綜合性能具有一定優(yōu)勢，并具有輸出共模電壓調(diào)節(jié)功能；由于AWG 對輸出電壓幅度和驅(qū)動負(fù)載能力的特殊要求，本設(shè)計中芯片的輸出級功耗較大，約為720 mW，導(dǎo)致芯片整體功耗高達(dá)820 mW。

表1 VGA 芯片主要測試指標(biāo)匯總與性能對比

5 結(jié)論

本文介紹了一款適用于寬帶AWG 的VGA 設(shè)計，采用一種改進(jìn)的數(shù)字增益調(diào)節(jié)架構(gòu)，在兼顧帶寬性能的同時消除了模擬控制電壓的影響，并確保了增益的單調(diào)性。芯片采用SiGe BiCMOS 工藝實現(xiàn)，測試結(jié)果表明，芯片可以實現(xiàn)0.125～2 倍的單調(diào)增益控制，最小增益步進(jìn)約為0.125 倍；在輸入信號頻率為4 GHz 時的輸出信號衰減為－2.83 dB。芯片整體功耗為820 mW。