一种应用于WiMAX接收机的CMOS可变增益放大器_程心

增益变化范围有限，且输出电流太小难以控制． 因
此最普遍的方法是根据各种近似公式来实现
VGA 的指数特性．
指数函数 ex 在 x = 0 处的 Taylor 级数为
ex ≈ 1 + x + x2 + x3 + … + x附近时，可采用 Taylor 级数的二阶近似， 即忽略高阶项而仅 保 留 上 式 的 前 3 项［6］． 通 过 仿
第 30 卷第 2 期 2013 年 3 月
中国科学院研究生院学报 Journal of Graduate University of Chinese Academy of Sciences
Vol． 30 No． 2 March 2013
文章编号： 1002 -1175 （ 2013 ） 02 -0233 -05
在无线接收机系统中，为了使 AGC 环路在不 同输入信号功率 下，都 具 有 相 同 的 瞬 态 响 应 和 确 切的环路建立时间，VGA 的 增 益 必 须 按 指 数 规 律 变化［3］． 而对 于 CMOS 工 艺 来 说，MOS 管 的 沟 道 电流与栅源电压 成 平 方 关 系，因 此 需 要 构 造 特 殊 的电路来实现增益的指数变化． 由于指数关系的 近似范围有限，因此如何提高单级 VGA 的增益变 化范围成为其主要研究方向之一． 因为对于系统 所需的固定增益范围，这意味着能够减少 VGA 的 级数，从 而 达 到 减 小 功 耗、降 低 电 路 复 杂 度 的 目 的．
处的值，从而增大 函 数 的 有 效 dB 线 性 范 围； 当 k
= 0. 12 时，上式可达 到 最 大 的 60 dB 增 益 变 化 范
围； 而当 k ＜ 0． 12 时，函数将偏离指数特性，所以
k 的最优值为 0. 12．
通过比较 可 知，近 似 公 式 （ 4 ） 可 取 得 最 大 的
围． 为了进一步增大线性 范 围，函 数 在 1 或 － 1 处
必须取得更大或更小的值，因 此 引 入 常 数 k，即 将
二 阶 有 理 式 近 似 表 示 为［9］
e2ax
≈
k k
+ +
（1 （1
+ －
ax） ax）
2
2．
（ 4）
可以看 出，减 小 k 可 增 大 或 减 小 函 数 在 1 或 － 1
真可知，该二阶近似具有 15 dB 的线性变化范 围．
由于 15 dB 的增益范 围 在 VGA 的 很 多应用场合
是不够的，因此 可 采 用 高 阶 Taylor 近 似 来 扩 大 增
益变化范围； 但与此同时，电路复杂度和可靠性都
会 恶 化 ，代 价 较 大 ．
CMOS 工艺中实现指数函数的另一种方法为
摘 要 实现了一种应用于 WiMAX 无线接收机中频部 分 的 单 级 可 变 增 益 放 大 器． 由 于 采 用 电流平方技术，该结构能以较少的级联数，实现系统 所 需 的 固 定 增 益 变 化 范 围，以 达 到 降 低 总 功耗的目的． 该电路采用 0. 13 μm CMOS 工艺进行流片，总面积为 0. 6 × 0. 4 mm2 ． 测 试 结 果 表 明，当控制电压从 0. 5 V 变化到 1 V 时，VGA 的增益变化范围为 － 20 ～ 25 dB，其 3 dB 带宽大 于 15 MHz，IIP3 为 － 21 ～ 5 dBm，在 1. 2 V 电源电压下功耗为 3. 6 mW． 关键词 WiMAX 无线接收机； CMOS； 可变增益放大器； 电流平方 中图分类号： TN432 文献标识码： A doi： 10． 7523 / j． issn． 1002-1175． 2013． 02． 014
有 理 式 近 似［7］ ，即
e2ax
≈
eax e －ax
1 ≈1
+ －
aaxx，
（ 2）
其 中，a 为常数． 上式相当于分别对 eax 和 e －ax 进行
一阶 Taylor 级 数 近 似，它 可 提 供 增 益 误 差 小 于 3
dB 的 30 dB 增益线性范围．
除了一阶有理 式 近 似，还 可 以 采 用 指 数 函 数
（ 5）
其 中 ，k
=
K
（
I0 VDD －
Vt）
2 ，a
=
1 ，x VDD － Vt
=
Vc ，k
的数值可根据电流源 I0 来调节．
放大器的增益可表示为
Av
= g m3，4 g m5，6
=
（ W / L） 3，4 IC2 ，
槡（ W / L） I 5，6 C1
（ 6）
若采 用 图 1 所 示 的 增 益 控 制 电 路，则 根 据 公 式
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第 30 卷
接 入 ，还 可 作 为 有 线 网 络 接 入 的 无 线 扩 展 ，在 固 定 和移动的环境中 均 可 提 供 高 速 的 数 据、语 音 和 视 频等业务，具有广阔的应用前景． 因此，对 WiMAX 无线通信系统中电路模块的研究很有意义．
在 WiMAX 等 无 线 通 信 传 输 过 程 中，由 于 各 种因素的影响，信 号 从 发 送 到 接 收 会 有 不 同 程 度 的衰减； 而且由于传输信号的非线性而造成的多 径 衰 落 ，以 及 各 种 噪 声 对 信 号 的 干 扰 ，会 使 信 号 强 度不稳定，最强信 号 和 最 弱 信 号 之 间 可 能 相 差 几 十分贝． 作为无线接收机中关键的一个模块，可变 增益放大器 （ VGA） 的 主 要 作 用 是 通 过 改 变 增 益 大小，使输出信号 能 随 输 入 信 号 的 强 度 变 化 发 生 改变． 经过调整后的信号幅度保持恒定，或者在特 定的动态范围内 变 化，从 整 体 上 提 高 整 个 接 收 机 系统的动态 范 围． 进 一 步，VGA 一 般 与 幅 度 检 测 电路等组成自动 增 益 控 制 （ AGC） 环 路，以 实 现 实 时控制信号大小的功能． 实现传输信号可变增益 放大的方法很多，是当前学术研究的一个热点． 如 文献［1］通 过 调 节 反 馈 电 阻 的 大 小 来 改 变 增 益， 文献［2］则 通 过 控 制 负 载 MOS 管 的 通 断 来 实 现 增益变化．
A CMOS variable gain amplifier applying to WiMAX receiver
CHENG Xin1，2 ，YANG Hai-Gang1 ，GAO Tong-Qiang1 ，YIN Tao1
（ 1 Institute of Electronics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190 ，China； 2 Graduate University，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049 ，China）
一种应用于 WiMAX 接收机的 CMOS 可变增益放大器*
程 心1，2 ，杨海钢1 ，高同强1 ，尹 韬1
（ 1 中国科学院电子学研究所，北京 100190 ； 2 中国科学院研究生院，北京 100049 ） （ 2012 年 3 月 9 日收稿； 2012 年 4 月 24 日收修改稿）
Cheng X，Yang H G，Gao T Q，et al． A CMOS variable gain amplifier applying to WiMAX receiver［J］． Journal of Graduate University of Chinese Academy of Sciences，2013，30（ 2） ： 233-237．
在众多第 3 代无线通讯标准及无线局域网标 准中，WiMAX 标准不仅能够解决无线宽带的高速
* 国家高技术研究发展计划（ 863 计划） （ 2012AA012301） 和国家自然科学基金（ 61106025） 资助 通信作者，E-mail： yanghg@ mail． ie． ac． cn
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且 VDD = － VSS ，则通过分析可知［10］：
IC2
I0 =
+ ID2
IC1 I0 + ID1
I0 = K （ VDD －
I0 K （ VDD －
Vt） 2 Vt） 2
+ +
（1 （1
+ －
Vc VDD －
Vc VDD －
2
） Vt
2
） Vt
=k k
+ +
（ （
1 1
+ －
ax） ax）
2
2，
1 指数型函数
在 CMOS 工艺中实现指数增益最直接的方法 就是构造寄生 Bipolar 晶体管［4］，以产 生 按 指 数 规 律变化的电流 － 电压关系． 但为了保证寄生晶体
管 能 够 正 常 工 作 ，必 须 设 计 额 外 的 辅 助 电 路 ，因 此
功耗高，可靠性差． 此外还可以利用工作在亚阈值 区 MOS 管的指数电流 － 电压关系［5］，但该方法 的
Abstract A single-stage variable gain amplifier for WiMAX receiver is implemented． By adopting current squaring technique，the VGA provides a large variable gain range compared to other singlestage VGAs． As a result，the proposed structure can achieve a given variable gain range with less stages and the whole power consumption is reduced． The chip is fabricated in 0. 13 μm CMOS process，occupies 0. 6 × 0. 4 mm2 ，and consumes 3. 6 mW power from 1. 2 V supply． Experimental results show that a continuous gain range from － 20 dB to 25 dB is achieved when the control voltage varies from 0. 5 V to 1 V． Furthermore，the VGA provides a 3 dB bandwidth greater than 15 MHz and the measured IIP3 value is in the range － 21 dBm to 5 dBm． Key words WiMAX receivers； CMOS； variable gain amplifier； current squaring