Design of a 2 GHz Linear-in-dB Variable-Gain Amplifier with 80-dB Gain Range

抽象

在0.18中实现了宽带线性in- db变增益放大器(VGA)电路μm SiGe BiCMOS工艺。该VGA由两个级联变增益核心组成，其中在樱桃-胡珀放大器中插入一个混合电流转向电流增益单元，以保持较宽的带宽，同时覆盖较宽的增益范围。后置仿真结果证实，该电路实现了2ghz 3-dB带宽，增益调优范围从- 19 dB到61 dB。该放大器提供了一个有竞争力的增益带宽产品，最大增益为2805 GHz f_tBiCMOS技术。The amplifier core consumes 31 mW from a 3.3 V supply and occupies active area of 280 μ米由140 μ米

1.介绍

电信行业继续推进千兆级的微波、毫米波和光通信系统高速数据传输。较高的数据速率传输需要较宽的带宽和较大的动态范围。例如，在60 GHz标准中，如IEEE 802.11ad [1，频谱约为2ghz。而在接收端输入的信号强度会有很大的变化，这在短距离无线系统中很常见。VGA作为自动增益控制(AGC)回路中的关键部件，为基带处理器提供恒定的信号强度，以最大限度地提高接收系统的动态范围，并补偿由过程、电压和温度(PVT)变化引起的增益变化。宽带VGA中的SiGe和CMOS电路的研究是光、线、毫米波接收机领域的一个活跃课题[2- - - - - -6]。在各种宽带技术中，樱桃-胡珀放大器[7在AGC和限制放大器中有许多应用。采用樱桃-胡珀放大器的解决方案[8]可达到超过2ghz的3-dB带宽，并满足带宽要求，如60ghz的短程无线系统。然而，他们的增益范围是不够的，以满足目标超过80分贝，如果额外的裕度是需要的接收机。此外，VGA的线性in- db控制信号将简化AGC的系统级设计。

本文介绍了一种用于高速数据通信系统的VGA电路。节2在此基础上，设计了一种新型的可变增益电路。部分3.介绍了由变增益核心组成的VGA系统2和其他电路。部分4给出了后布局仿真结果。最后,部分5结论。

2.可变增益铁芯设计

所提出的变增益核的原理图如图所示1。为了保持宽的带宽，同时覆盖宽增益范围，混合电流导引（HCS）的电流增益单元被插入在樱桃胡珀放大器。所述HCS细胞的特征与一个恒定的直流电流输出和具有与经典电流舵（CS）细胞相同的交流特性的能力。增益仅通过HCS细胞而不与恒定的增益降低樱桃胡珀放大器的宽带特性而变化。

2.1。宽带放大器拓扑

如果电流增益单元从增益核心被移除，如图所示1拓扑是一个微分樱桃-胡珀(CH)放大器与发射-跟随者反馈[9]。该樱桃-胡珀放大器是跨导纳级(TAS)和跨扰级(TIS)的级联组合。两个阶段之间的强不匹配导致了较大的带宽[7]。这种拓扑的优点是通过将主导极从由负载电容和输出电阻决定的低极移动到高得多的极来扩展带宽。分流-分流反馈采用发射器跟随器，通过TAS和TIS隔离偏置电流。在反馈回路中的发射极跟随器和电阻都有助于提高高频增益。

由于这种对称性，可以通过单端部分来分析具有发射-跟随器反馈的差动樱桃-琥珀放大器。数字2对于TAS-TIS组合包括主要寄生参数的小信号等效电路。由于TIS之后通常是跨导级或射极跟随器，樱桃胡珀放大器的负载可以近似地假定为一个电容器C_l。因此，TIS级的输入阻抗可以推导为

炎症期的跨周增益也可以用 在哪里

从(2)和(3.)，有直流增益和通过电阻带宽之间的权衡和。增加或将提高直流增益，同时减少带宽。

从(1)， TIS阶输入阻抗为倍并且是相对于TAS级的输出阻抗相对低的阻抗。因此，TAS-TIS组合的总电压增益可近似视为导纳增益和互阻抗增益的乘积 以跨导纳增益为 在哪里为前一级输出阻抗。

由于TAS级的输入阻抗通常比大得多， TAS阶段的极点远大于TIS阶段的极点。因此，樱桃-琥珀放大器的优势极主要由TIS级的极贡献。

TIS级的输出阻抗也可以推导为 这表明可以驱动下列阶段相对低的阻抗。

对于宽带放大器设计，通过TAS和TIS的偏置电流是恒定的，以保持晶体管在接近峰值的偏置电流密度。然后期望的增益和带宽由反馈和负载中的电阻决定。如果直流电在改变了TAS中，TIS的频率响应将被改变为因为在射极跟随器和TIS晶体管的偏置条件以及被改变。数字3.给出了在不同偏置直流电流条件下，ta在3-dB带宽下输出电压与流出电流之间的跨阻抗增益。减小直流电流时，带宽会减少而增益会增加。这种影响不利于樱桃-琥珀放大器的完整性设计。

2.2。电流增益单元

如图右侧所示，有两个常用的电流增益单元1：电流导引（CS）细胞和倍增器（MT）细胞。电流导引细胞具有更好的动态范围性能，但它的直流输出电流不恒定。乘法器单元具有恒定DC输出电平，由于四收集器的交叉耦合，但其增益极性将在一定的控制电压，导致一个有限调谐范围变化。

为了在覆盖较宽增益范围的情况下保持樱桃-胡珀放大器的宽带特性，在对樱桃-胡珀放大器影响最小的情况下，采用电流转向混合电流增益单元来改变增益。一种通用的混合电流控制单元如图所示4。细胞是对称的-轴，因此直流输出电流等于直流输入电流。输出电流与输入电流的关系如下: 在哪里是的当前比例由晶体管尺寸和偏置电压决定的支路如下: 因此，电流增益表示为 在提出的VGA中，等号的一个特殊情况和电压和晶体管的尺寸安排为: : = 2 : 1 : 1 [10]采用与衍生自电流增益（9)和(10） 如下：

混合电流转向电池的电流增益表达式与常规电流转向电池相同，说明同样的线性db技术也可以应用于HCS电池。数字5比较三种电流增益单元(CS, MT, HCS)的电流增益和直流输出电流。在具有恒定直流输出电流的情况下，HCS电池与CS电池具有相同的宽增益调谐能力。

2.3。宽带可变增益铁芯

在樱桃-胡珀放大器的中间插入混合电流控制单元，保持了宽带技术增益级间的强阻抗失配。跨导纳级由输入跨导放大器和具有高输入、高输出阻抗的混合式电流控制单元组成。其次是跨跃级，具有低输入和低输出阻抗。输入跨导放大器的偏置电流在反馈路径中被HCS单元和发射极跟随器重复使用。由于电流增益单元作为共基放大器工作，其带宽比樱桃-胡珀放大器宽得多。因此，Cherry-Hooper放大器的主极仍然控制可变增益核心的3-dB带宽，并可根据指导原则进行优化，以在增益、带宽、增益平整度和群延迟等特性之间取得平衡[9]。

为了显示该结构的优点，还设计了另一种结构，只不过不同的是用电流转向单元代替了电流增益单元。数字6给出了插入混合电流转向(CH-HCS)单元和插入电流转向(CH-CS)单元的樱桃-琥珀放大器的比较。CH-HCS单元的3-dB带宽随着控制电压的降低而迅速降低，而CH-HCS单元的带宽在4ghz以上保持不变，尽管控制电压有所变化。此外，如图所示，在低增益范围内，由于跨阻抗增益增大，CH-HCS电池的增益与控制电压之间的关系与CH-HCS电池产生了偏差3.。

为了进一步显示所提出的CH-HCS单元相对于传统的负载电阻为R的电流转向式VGA的优势_l(CS-R_l),一个CS-R_l相同的DC电流消耗和峰值增益为CH-HCS小区的小区设计。3-dB带宽与控制电压改变在图进行比较7(一)，表明使用CH-HCS细胞可以达到三倍的GBW。数据7 (b)和7 (c)比较年代₂₁与传统的CS-R相比，CH-HCS电池具有相似的噪声性能和更宽的GBW_l细胞。

3.VGA架构

所提出的VGA架构如图所示8。为了获得超过70db的增益范围，节中提到的两个级联可变增益磁芯2采用与每个提供约40分贝增益范围。由于一个增益铁芯中的跨导纳和跨阻抗级具有独立的偏置电流，并允许直流耦合输出，因此级联级中的第一个铁芯作为输出缓冲器，可以消除直流阻塞电容。为了测试目的，50欧姆电阻放置在差动输入匹配和高速f_t在输出端使用了倍频输出缓冲区。

为了减小元件失配引起的直流偏置，设计了一个差分反馈回路，其原理图如图所示9。第二可变增益芯的差分输出电压由一个RC低通滤波器在低频感测到的并存储在米勒电容。一个高输入阻抗电压放大器使用NFET差分对，放大器使用NPN差动对变换跨导输入电压转换为差分电流被注入回到第一增益芯的互导纳级的输出来调整所述输出DC偏移电压。This DC offset loop is designed to have a low pass frequency response with a cut-off frequency of 800 kHz.

正如章节中提到的2混合电流转向单元与常规电流转向单元具有相同的增益和控制电压关系。因此曲率线性化电路[11[设计的电流导向单元被采用在两个阶段的增益核心使增益控制线性在db。

4.版图后模拟结果

该架构在HHNEC的0.18中实现μm SiGe HBT BiCMOS技术集成0.2μm, 1.8 V BV_{首席执行官}110 GHz锗硅异质结双极晶体管，0.18一起 μm, 1.8 V Si CMOS devices. The layout of the chip is shown in Figure10。VGA占地280μ米由140 μ带有测试垫的芯片总面积为800μ达到550μm.在3.3 V电源下，VGA消耗9.2 mA，不包括输出缓冲器，输出缓冲器输出8 mA。

提出的VGA的频率响应如图所示11与控制电压从1.96 V到2.18 V。最大增益61 dB时，模拟3-dB带宽为2.5 GHz，最小增益- 19 dB时，模拟带宽为2.0 GHz。由于樱桃-胡珀放大器的宽带特性，最大增益时的增益-带宽乘积可以达到2805 GHz的相当有竞争力的值。数字12显示电压增益和线性在db特性。增益误差是4分贝超过80分贝的增益范围。图中所示的最大增益处的噪声值13在整个频段小于15分贝。模拟输入P1 dB在- 19db最小增益时为- 10dbm，在61db最大增益时为- 65dbm，如图所示14。

表1结果表明，所提出的VGA与其他工作的性能比较，具有较好的增益带宽积，且增益调谐范围最大。

5.结论

所提出的VGA包括两个级联的可变增益芯，其中一种混合电流导引电流增益单元被插入在樱桃胡珀放大器同时覆盖宽增益范围内保持宽的带宽。所引入的混合电流导引小区能够提供的电流的传递函数等于传统电流导引细胞同时保持恒定的DC输出电流。后置仿真结果证实，该电路实现了2ghz 3-dB带宽，增益调优范围从- 19 dB到61 dB。The amplifier offers a competitive gain bandwidth product of 2805 GHz at the maximum gain for a 110-GHzBiCMOS技术。The amplifier core consumes 31 mW from a 3.3 V supply and occupies active area of 280 μ米由140 μ米

利益冲突

作者声明，他们在本论文的发表上没有任何利益冲突。

参考文献

1. 无线局域网在60ghz - ieee 802.11ad解释，"应用笔记，2012。查看在：谷歌学术搜索
2. “一种直流至4ghz全差分宽频带数字控制可变增益放大器”，台北亚太微波会议论文集(APMC '10)，日本横滨，2295-2298页，2010年12月。查看在：谷歌学术搜索
3. 张良杰，“5 gb /s温度补偿自动增益控制放大器”，国立台湾科技大学硕士论文。IEEE固态电路杂志第47卷第2期6，第1323-1333页，2012。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
4. “电视应用之高线性宽带可变增益LNA”，台北市在IEEE定制集成电路会议论文集（CICC '07），第531-534页，美国加利福尼亚州圣何塞，2007年9月。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
5. X. Jianhong, I. Mehr, J. Silva-Martinez，“用于移动数字电视调谐器的高动态范围CMOS可变增益放大器”，IEEE固态电路杂志卷。42，没有。2，第292-301，2007。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
6. 学术界。常,张炳扬。李,杨绍明。关铭利用交叉耦合技术与线性增益控制的宽带低噪声放大器IEEE超宽带国际会议录(ICUWB '09)， 251-254页，2009年9月。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
7. E. M.樱桃和D. E.胡珀，“宽带晶体管反馈放大器的设计中，”电气工程师学会会刊第110卷，no。第375-389页，1963年。查看在：谷歌学术搜索
8. 高德和Niknejad，“用于高速接收系统的低功率无电感宽频带可变增益放大器的设计”，国立台湾科技大学硕士论文。IEEE电路和系统汇I:常规论文第59卷，no。4，第696-707页，2012。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
9. C. D. Holdenried，J.W赫斯莱特和M. W.美林，“分析和HBT樱桃胡珀放大器，具有用于光通信的发射极跟随器反馈的设计，”IEEE固态电路杂志第39卷，no。11, 1959-1967, 2004页。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
10. 石原，《可变增益放大器电路》，美国专利6177839，2001年。查看在：谷歌学术搜索
11. S. Aggarwal, A. Khosrowbeygi, A. Daanen，“用于CDMA2000发射应用的动态范围为70-dB的单级变增益放大器”IEEE固态电路杂志卷。38，没有。6，第911-917，2003。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权所有:孙正宇闫跃鹏这是一篇开放获取下发布的文章知识共享署名许可，其允许在任何介质无限制地使用，分发和再现时，所提供的原始工作正确的引用。