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在地面數(shù)字電視廣播(DVB－T)系統(tǒng)的中，由于各種因素的影響，DVB－T調(diào)諧器(Tuner)接收到的信號往往會有較大的強(qiáng)弱變化。這就需要設(shè)計(jì)一種自動增益控制(AGC)電路，它能根據(jù)輸入信號的大小變化調(diào)節(jié)接收機(jī)的增益，在系統(tǒng)輸出端保持一個穩(wěn)定的輸出信號。在AGC系統(tǒng)中，可變增益放大器是其核心組成部分，直接決定了系統(tǒng)的性能。同時，由于DVB－T系統(tǒng)采用了比較復(fù)雜的OFDM編碼方式，因此接收機(jī)必須有較高的輸出信噪比即較低的噪聲系數(shù)和不低于8MHz的信號帶寬。 本文采用TSMC O．18Dm RF CMOS工藝設(shè)計(jì)了一個適用于DVB－T Tuner的可變增益中頻放大器。該電路實(shí)現(xiàn)了對數(shù)增益隨控制電壓連續(xù)、近似線性變化和51dB的增益調(diào)節(jié)范圍，同時具有良好的噪聲和線性性能。 1、可變增益放大器的分類 可變增益放大器按照增益變化方式的不同可以分為增益步進(jìn)變化的可編程增益放大器(PCA，Programmable Gain Amplifier)和增益連續(xù)變化的可變增益放大器(VGA，Variable Gain Amplifier)。PGA使用數(shù)字電路控制增益變化，簡化了控制電路的設(shè)計(jì)，但是增益卻是離散的。VGA使用模擬信號控制增益，增益可以連續(xù)變化，因此可以避免因增益突變而造成調(diào)制信號的接收解調(diào)錯誤。 2、電路設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)的可變增益中頻放大器是DVB-T調(diào)諧器的最后一級，位于SAW濾波器之后，中頻為36MHz。在此中頻卜，放大器需要有50dB；的增益調(diào)節(jié)范圍、大于8M的帶寬和小于12dB的噪聲系數(shù)。同時在負(fù)載為1000Ω的情況下OIP3要大于0dBm。 如圖1所示，設(shè)計(jì)采用了三級級聯(lián)結(jié)構(gòu)，前兩級為可變增益單元，以保證足夠的增益動態(tài)范圍；最后一級為緩沖放大電路。級間通過電容實(shí)現(xiàn)耦合。 2．1可變增益單元電路的設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)的可變增益單元電路以信號相加式結(jié)構(gòu)為主體，具體電路如圖2所示。 電路中差分對NMOS管M1、M2工作在飽和狀態(tài)，負(fù)責(zé)將輸入端的射頻電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)樯漕l電流信號。 NMOS管M3、M4與M5、M6構(gòu)成信號相加式結(jié)構(gòu)單元,如圖3所示. 其電流增益為 通過調(diào)節(jié)電壓Vcont以實(shí)現(xiàn)對電路電流增益GI的控制.隨著Vcont的增大,電路電流增益GI連續(xù)單調(diào)減小。 同時M1、M4管和M2、M5管分別構(gòu)成了cascode結(jié)構(gòu)，從而提高了電路的輸出阻抗，增大了電路的增益。 電流信號通過電阻R1、R2轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出給下級電路。NMOS管M7、M8與PMOS管M9構(gòu)成為電流源，負(fù)責(zé)提供偏置。 2．2控制電壓轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)提供的控制電壓VC變化范圍為0．1∽1．5V，如果直接把Vc加到M3、M6管的柵極，那么M3、M6管的工作狀態(tài)就會隨著控制電壓Vc的變化發(fā)生很大的變化。隨著Vc的降低，M3、M6管將從飽和區(qū)進(jìn)入到線性區(qū)，直到截止。因此必須外加一個控制電壓轉(zhuǎn)換電路，將控制電壓Vc轉(zhuǎn)換成一個變化范圍較小并且保證M3、M6管始終工作在飽和區(qū)的電壓。電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。 圖中的MO管為工作在線性區(qū)PMOS管. 從(5)式可以看出，在增加了控制電壓轉(zhuǎn)換電路之后，只要調(diào)節(jié)電路選擇合適的參數(shù)K，就能得到一個變化范圍較小并且保證M3、M6管始終工作在飽和區(qū)的電壓Vcont. 2．3緩沖放大電路的設(shè)計(jì) 由于該可變增益中頻放大器是DVB-T調(diào)諧器的最后一級，中頻輸出信號直接送到片外并驅(qū)動片外的解調(diào)芯片，因此需要加入一級緩沖放大電路放大中頻信號并提高中頻信號的驅(qū)動能力。 緩沖放大電路如圖5所示.NMOS管M10、M11采用共源極連接. 根據(jù)級聯(lián)電路的線性度公式: 可以知道,最后一級電路的線性度高低直接決定了整個可變增益放大器的線性度.電阻Rs為放大管M10和M11的源極反饋電阻,用來提高放大器的線性度. 3、仿真結(jié)果 本設(shè)計(jì)的可變增益放大器采用TSMC 0．18 μ mRF CMOS工藝，仿真軟件為ADS2004A，溫度為常溫. 放大器對數(shù)增益隨控制電壓的變化情況如圖6所示。當(dāng)控制電壓Vc在0．1～1．5V時，電路的對數(shù)增益與控制電壓Vc呈近似的線性關(guān)系。其動態(tài)范圍為7．4～58．4dB。 噪聲系數(shù)隨控制電壓的變化情況如圖7所示。當(dāng)控制電壓Vc在0．1～1．5V時，電路最大噪聲系數(shù)為8．58dB。電路具有良好的噪聲性能。 圖8為電路的輸出三階互調(diào)點(diǎn)(OIP3)隨控制電壓的變化情況。在控制電壓Vc為0．1～1．5V時，放大器的OIP3大于0．6dBm，輸出ldB壓縮點(diǎn)大于一9dBm。 圖9為放大器在不同頻率上的表現(xiàn)。仿真結(jié)果表明放大器3dB帶寬為2～156MHz。滿足設(shè)計(jì)需要。 仿真結(jié)果總結(jié)于表1。 4、結(jié)論 本文基于CMOS工藝設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于DVB-T調(diào)諧器的可變增益中頻放大器。放大器以信號相加式可變增益單元為基礎(chǔ)，外加指數(shù)特性的控制電壓轉(zhuǎn)換電路，構(gòu)成一種對數(shù)增益能隨控制電壓近似線性、連續(xù)變化的放大器。仿真結(jié)果表明，電路功耗為30mA，3dB帶寬為2∽156MHz，增益動態(tài)范圍7．4∽58．4dB，OIP3大于0．6 dBm，噪聲系數(shù)小于8．6dB。電路實(shí)現(xiàn)了51dB的增益動態(tài)范圍，具有良好的噪聲和線性性能。 |
