应用于DVB-T调谐器的CMOS可变增益中频放大器

在地面数字电视广播(DVB－T)系统的中，由于各种因素的影响，DVB－T调谐器(Tuner)接收到的信号往往会有较大的强弱变化。这就需要设计一种自动增益控制(AGC)电路，它能根据输入信号的大小变化调节接收机的增益，在系统输出端保持一个稳定的输出信号。在AGC系统中，可变增益放大器是其核心组成部分，直接决定了系统的性能。同时，由于DVB－T系统采用了比较复杂的OFDM编码方式，因此接收机必须有较高的输出信噪比即较低的噪声系数和不低于8MHz的信号带宽。  

本文采用TSMC O．18Dm RF CMOS工艺设计了一个适用于DVB－T Tuner的可变增益中频放大器。该电路实现了对数增益随控制电压连续、近似线性变化和51dB的增益调节范围，同时具有良好的噪声和线性性能。  

1、可变增益放大器的分类  

可变增益放大器按照增益变化方式的不同可以分为增益步进变化的可编程增益放大器(PCA，Programmable Gain Amplifier)和增益连续变化的可变增益放大器(VGA，Variable Gain Amplifier)。PGA使用数字电路控制增益变化，简化了控制电路的设计，但是增益却是离散的。VGA使用模拟信号控制增益，增益可以连续变化，因此可以避免因增益突变而造成调制信号的接收解调错误。  

2、电路设计  

本文设计的可变增益中频放大器是DVB-T调谐器的最后一级，位于SAW滤波器之后，中频为36MHz。在此中频卜，放大器需要有50dB；的增益调节范围、大于8M的带宽和小于12dB的噪声系数。同时在负载为1000Ω的情况下OIP3要大于0dBm。

  
如图1所示，设计采用了三级级联结构，前两级为可变增益单元，以保证足够的增益动态范围；最后一级为缓冲放大电路。级间通过电容实现耦合。  

2．1可变增益单元电路的设计  

本次设计的可变增益单元电路以信号相加式结构为主体，具体电路如图2所示。  


  
电路中差分对NMOS管M1、M2工作在饱和状态，负责将输入端的射频电压信号转变为射频电流信号。  

NMOS管M3、M4与M5、M6构成信号相加式结构单元,如图3所示.  


  
其电流增益为


  
通过调节电压Vcont以实现对电路电流增益GI的控制.随着Vcont的增大,电路电流增益GI连续单调减小。  

同时M1、M4管和M2、M5管分别构成了cascode结构，从而提高了电路的输出阻抗，增大了电路的增益。  

电流信号通过电阻R1、R2转换为电压信号输出给下级电路。NMOS管M7、M8与PMOS管M9构成为电流源，负责提供偏置。  

2．2控制电压转换电路的设计  

系统提供的控制电压VC变化范围为0．1∽1．5V，如果直接把Vc加到M3、M6管的栅极，那么M3、M6管的工作状态就会随着控制电压Vc的变化发生很大的变化。随着Vc的降低，M3、M6管将从饱和区进入到线性区，直到截止。因此必须外加一个控制电压转换电路，将控制电压Vc转换成一个变化范围较小并且保证M3、M6管始终工作在饱和区的电压。电路结构如图4所示。  


  
图中的MO管为工作在线性区PMOS管.



从(5)式可以看出，在增加了控制电压转换电路之后，只要调节电路选择合适的参数K，就能得到一个变化范围较小并且保证M3、M6管始终工作在饱和区的电压Vcont.  

2．3缓冲放大电路的设计  

由于该可变增益中频放大器是DVB-T调谐器的最后一级，中频输出信号直接送到片外并驱动片外的解调芯片，因此需要加入一级缓冲放大电路放大中频信号并提高中频信号的驱动能力。 缓冲放大电路如图5所示.NMOS管M10、M11采用共源极连接.  


  
根据级联电路的线性度公式:


  
可以知道,最后一级电路的线性度高低直接决定了整个可变增益放大器的线性度.电阻Rs为放大管M10和M11的源极反馈电阻,用来提高放大器的线性度.  

3、仿真结果  

本设计的可变增益放大器采用TSMC 0．18 μ mRF CMOS工艺，仿真软件为ADS2004A，温度为常温.  

放大器对数增益随控制电压的变化情况如图6所示。当控制电压Vc在0．1～1．5V时，电路的对数增益与控制电压Vc呈近似的线性关系。其动态范围为7．4～58．4dB。  


  
噪声系数随控制电压的变化情况如图7所示。当控制电压Vc在0．1～1．5V时，电路最大噪声系数为8．58dB。电路具有良好的噪声性能。  


  
图8为电路的输出三阶互调点(OIP3)随控制电压的变化情况。在控制电压Vc为0．1～1．5V时，放大器的OIP3大于0．6dBm，输出ldB压缩点大于一9dBm。  

图9为放大器在不同频率上的表现。仿真结果表明放大器3dB带宽为2～156MHz。满足设计需要。  

仿真结果总结于表1。