無線定位系統中自動增益控制電路的設計與研究

周永強

摘 要： 針對衛星無線定位系統，其民用需求加大，促使商業上對更為廉價、更低功耗的射頻收發前端技術進行研究和探索。設計實現了一款用于無線定位系統的數字可編程增益控制系統，可用于IMT?Advanced新一代4G無線通信網絡中。對模擬控制和數字可編程兩種模式進行了系統上的分析，針對系統建立數學模型，進行了可行性研究。在設計該芯片的同時，對具體模塊的不同實現形式進行了闡述，并提出了可優化的結構。

關鍵詞： RFIC； CMOS； PGA； 數字自動增益控制； 帶隙基準電壓源

中圖分類號： TN710?34； TM417 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）23?0157?04

Design and research on automatic gain control circuit in wireless positioning system

ZHOU Yongqiang

（Sichuan Technology and Business University， Chengdu 611745， China）

Abstract： Since the civilian requirement of satellite wireless positioning system is increased， the cheaper and lower?power consumption RF receiving front?end technology is studied and explored for business. A digital programmable gain control system used for wireless positioning system was designed and implemented， which can be applied to the emerging IMT?Advanced new generation 4G wireless communication network. The analog control mode and digital programmable mode are analyzed systematically. The mathematical model of the system was established to study the feasibility. The different realization forms of the speci?fic module are described while designing the chip， and the optimizable structures are proposed.

Keywords： RFIC； CMOS； PGA； digital automatic gain control； bandgap reference voltage source

0 引 言

隨著CMOS工藝的發展，數字電路在晶體管柵寬降低中受益最大，能夠實現廉價的、大數量和快速的設計和實現。所以射頻收發機中，可以考慮采用接收信號強度檢測器對接收信號強度進行檢測，采用限幅放大器附加全波檢流器、低通濾波器實現，能夠實現大動態范圍內的信號強度檢測[1]。通過接收信號強度檢測器檢測得到的信號傳給數字信號處理模塊進行分析。根據輸入電壓值，反饋數字信號給射頻端和中頻端的放大器模塊，從而達到控制增益的目的。隨著數字電路處理速度的提高，該模式下能夠快速地控制增益，而且不構成模擬反饋環路，系統穩定性也極佳[2]。

本文主要對射頻接收機前端中頻部分的自動增益控制模塊進行研究。通過對該模塊國內外已有的研究成果進行總結，分析了多種實現該功能的方法。最后，設計了一種能夠集成接收信號強度檢測功能的數字可編程增益控制模塊。信號強度檢測器檢測輸入信號的電壓強度，將得到的參考電壓反饋給片外的數字信號處理器，再利用數字信號控制整個放大器的增益。該控制模式下，能夠實現大范圍的信號強度檢測和增益控制。

1 數字可編程自動增益控制系統設計

1.1 閉合環路系統建模

自動增益控制系統可以采用閉環或開環的模式控制。采用閉環模式時，無需額外的控制增益信號，對外圍電路的需求少并且精度較好。但是系統的設計中要充分考慮到穩定性的問題，應確保在大增益下不會產生振蕩，并且能檢測到的最小信號強度有限。與之相對，開環系統能夠在提供大增益、大帶寬的前提下保證有較好的穩定性。但是，開環系統的增益控制精度往往弱于閉環系統。此次設計中，采用數字增益控制系統為開環增益控制系統。可以考慮內部集成信號強度檢測電路和模數轉換電路實現內部控制增益。數字自動增益控制系統采用接收信號強度檢測器對接收信號進行檢測。并將對應的直流信號反饋給片外的數字信號處理芯片進行進一步處理，這是一種開環設計。圖1為數字信號處理芯片對接收信號強度檢測得到的直流信號進行處理的流程圖。

由于RSSI信號隨著工藝角和溫度的不同有一定的變化。可以考慮在使用前采用數字校準。初始化時，在兩個或多個時鐘周期內輸入最大功率信號-50 dBm和0 dBm，依照下式得到其對應的最大和最小RSSI輸出直流電平值。

[Vn=Vmax-（n-1）Vmax-VminNtot-1] （1）

當接收信號輸入時，在時鐘周期內，可以檢測得到直流電平[V。]按照圖1所示的邏輯對信號強度進行判斷。然后根據初始化時已經儲存好的邏輯查表，將控制增益的信號反饋給數字增益放大器，達到增益控制的目的。

如果需要采用內部控制模式實現增益的自動調節，可以考慮下面列舉的數模混合電路模式實現。該電路實現了類似于模數轉化器的功能。

1.2 放大器設計

在數字控制系統中設計了兩種固定增益放大器：一種采用MOS管比值對信號進行放大；另一種采用電阻比值控制放大器增益。

第一種利用NMOS作為跨導將輸入電壓轉換成電流，同時利用二極管連接形式的NMOS管作為負載管提供負載電阻。通過頂端的PMOS電流鏡實現跨導管和負載管上分布近似相等的電流。利用長溝道模型可以分析得出：

[Av=gminputgmload=（WL）iIinput（WL）lIinput] （2）

長溝道模型認為晶體管的I?V曲線按照平方率規律，然而在亞微米工藝中，長溝道器件不再表現為理想的平方率器件。如果是理想的平方率器件，對DSI二次求導應該為常數。然而，gm的導數僅僅在一個小的區域內顯示為常數。如果變大，gm由常數下降，這是由于高電場引起的，例如遷移率衰減和速度飽和。因此，為獲得長溝道模型分析下的性能，深亞微米半導體工藝中需在合適范圍內選擇正確的過驅動電壓。這點對以上這一模塊的設計是十分重要的。

第二種設計的固定增益放大器利用電阻比值來獲得精確增益。在集成電路設計中，電阻的絕對值在不同工藝下變化較大（誤差10%～25%），但是不同電阻間的比值在很好的版圖布局下能夠做到比較精確（誤差<0.1%）。所以能夠利用電阻的比值充當增益值。輸入端采用源級跟隨器的結構，將輸入信號引入，加到電阻上。差分信號在電阻轉換成電流，起到了跨導的作用。輸入端采用Cascode型的PMOS管充當電流源，而輸入共源級也采用NMOS管充當供給電流源。電阻需要的電流理論上完全由這兩對MOS管提供。當電壓轉換成電流后，通過電流鏡進一步放大，最后在負載電阻上轉換成電壓的形式輸出。理論上，該電路中得到的增益值為：

[Av=KRLOADRgm] （3）

式中：[K]為電流鏡提供的增益；[Rgm]為充當跨導的阻抗；[RLOAD]為負載電阻。電路中沒有引入共模反饋電路，完全利用兩電阻的中點近似的共模電壓對電路進行偏置。由于放大器的增益主要和電阻比值、電流鏡像有關系，能夠實現較好的線性度。前端輸入管起到緩沖器的作用。當共模偏置電壓有較大變化時，對放大器增益影響也很小。

1.3 數字控制模塊設計

可編程增益放大電路系統采用多比特數字信號來控制增益。同時，為了減少對片外電路的影響，可以考慮利用串型信號來控制多比特電路。這需要針對該電路設計相對應的數字電路模塊。數字模塊采用3線，串聯信號控制系統增益的模式。CLK為時鐘信號，當其處在上升沿時觸發電路；LCH為控制信號，高電平時系統不做出反應，下降為低電平時，隨著時鐘上升沿跳躍而向電路寄存器中讀入SDI/SDO，即串聯輸入/輸出信號。數字模塊能夠向整個系統中讀入增益，同時也能夠讀出系統目前的增益大小。

增益寫入模式中，CLK為時鐘信號，LCH為鎖存器信號，SDI為輸入的控制信號，WR=1指示現在需寫入數據，AD1AD2=00為有效地址，后幾位為輸入的控制字，控制數字模塊增益。

增益讀取模式中，CLK為時鐘信號，LCH為鎖存器信號，SDI為輸入的控制信號，SDO為輸出的控制信號，WR=1指示現在需寫入數據，AD1AD2=00時為有效地址，后幾位為輸入的控制字，控制數字模塊增益。利用Verilog HDL編寫數字模塊程序，分析多個模塊實現。digital.v對系統進行總體控制；s2p.v將串聯信號轉成并聯信號；encod.v將得到的并聯信號的前三位進行解碼，確定讀寫操作和針對的地址；rpga.v將pga中的數據讀出；wpga.v將接收到的數據寫入pga。

2 帶隙基準電壓源設計與實現

2.1 帶隙基準電壓源原理

帶隙基準電壓源的設計是利用雙極型晶體管基極和發射極電壓[VBE]變化具有的負溫度系數，以及不同偏置電流下的兩個雙極型晶體管的電壓差具有的正溫度系數。兩電壓線性疊加可獲得低溫度系數的基準電壓源[VBE。]這樣就能夠提供一個與電源、工藝和溫度特性基本無關的直流電壓。基準電壓的產生中除了要避免電源、工藝和溫度的不確定性外，還需要考慮輸出的噪聲、輸出阻抗和功耗。雙極型晶體管的輸出電流和基級?發射級間電壓的指數關系：

[Ic=Isexp（VBEVT）] （4）

通過兩個相同偏置電流，并聯晶體管數目比值為[1∶n，]的兩個雙極型晶體管間基極?發射極電勢差顯示出正的溫度特性：

[ΔVBE=VBE1-VBE2=VTlnn] （5）

如果取兩個電壓之和，就有可能得到一定范圍溫度內與溫度基本無關的基準電壓。PMOS管構成電流鏡，保證每條支路中的電流一致。高增益的運算放大器保證兩個輸入端的電壓一致。通過推導，可以得到輸出參考電壓為：

[Vref=R3R1R1VTlnnR2+VBE1≈R3R1×1.12] （6）

在CMOS工藝中，電阻的比值能夠做到較為準確。合理的配置電阻阻值的比例和雙極型晶體管的面積，可以實現正負溫度系數的抵消。在得到基準電壓的同時，在每條支路上已經提供了一個與溫度無關的電流，不過此時的電流值由于電阻的絕對值在不同工藝下的變化而產生了偏差，電路設計時，需要將該偏差進行充分考慮。再加上R?2R電流分配網絡，可以由同一個帶隙基準電壓源提供不同的數量級，與溫度、供給電壓基本無關的電流。

2.2 核心模塊設計

首先，需要確定兩個CMOS工藝上寄生雙極性晶體管取值，根據其比值和最終需要的輸出電壓來確定電阻的取值。

其次，是模塊中運算放大器的設計。放大器的性能指標很重要，由于運放在此處為誤差放大器，起到負反饋的作用。從精度上考慮，應當采用大增益的運放；但是從穩定性上考慮，應當采用的運放增益需要小。考慮到能采用CMOS 3.3 V的工藝，可以獲得足夠的電源電壓，所以采用折疊型放大器，單級放大，充當帶隙基準電壓源中的放大器。這樣在獲得足夠增益的同時，也能夠得到較好的相位裕度，即系統穩定性較好。

最后，應該對電路設計開啟模塊。以保證在突然加電時，整個電路能夠順利的開啟而不是陷入零狀態。電路開啟的目的是在電路中引入額外的激勵。對開啟電路進行分析可以得出，電路需要開啟時，M2的柵壓為低電位，關閉。M1的柵壓為低電位，開啟。從而在M3的柵上形成高電位，而電路未開啟時，M3的漏端也為高電位，從而M3中流過電流，此電流流入放大器中，通過放大器中的電流鏡開啟整個電路。

電路開啟后，M2上的柵電壓拉高，導通。由于M1的寬長遠小于M2的寬長比。當電路維持穩定時M2的漏源電壓特別小，使得M3截止。而且同時M1和M2組成的支路消耗的電流也特別小。這樣就實現了對電路進行開啟后對其他核心電路沒有影響的目的。

3 仿真和測試結果以及數據分析

此次設計的數字可編程增益控制模塊，采用中芯國際0.18 μm混合信號CMOS工藝實現。核心模塊的版圖面積為170 μm×91.6 μm，含有帶隙基準電壓源后，面積為223.6 μm×270 μm，最終測試用的芯片面積為1 140 μm×838 μm。由于帶隙基準電壓源在整個射頻接收發端芯片中，為公用模塊，無需單獨設計。核心模塊實際占用芯片面積較小。采用將芯片焊接到PCB版上進行測試。

線性度是系統設計中考慮的另外一個要點，可以通過1 dB交調點和三階互調節點描述，反映了系統能夠承受的、較小失真的最大輸入和輸出電平。系統線性度仿真如圖2所示。

在整個增益控制系統中，除了中頻放大模塊外，還外加集成了接收信號強度檢測模塊，其和片外低通濾波器一起，反饋電壓信號給數字信號處理器進而對接收到的信號強度進行指示。接收信號強度指示曲線如圖3所示，可以看出在較大的范圍內（>50 dB），能夠線性地對接收到的信號進行檢測，滿足此次設計的要求。

此次帶隙基準電壓源設計中，采用中芯國際0.18 μm混合信號全CMOS工藝中的3.3 V柵級厚柵晶體管進行設計。對帶隙基準電壓源進行電路圖設計、前仿真、繪制版圖進行后期仿真。將該模塊集成到整個芯片當中，最后進行了測試。首先對電路進行直流仿真，從0～5 V間變化電源電壓。電源電壓在2.2～4.8 V間變化時，帶隙基準電壓源都能夠得到較為穩定的輸出電壓，如圖4所示。

為了確保電路能夠開啟，同時具有較好的穩定性，對其進行瞬態仿真。當加載的電源電壓在10 μs處，0.1 μs時間內從0階躍到3 V。可以看出輸出電壓能夠快速開啟，并實現準確的電壓輸出。對流片后得到的實際芯片進行測試，得到實測結果，如圖5所示。發現當電源電壓大于1.8 V時，能夠提供0.79 V的輸出偏壓，與理論上仿真的0.801 V較為接近，滿足需求。

同時，將芯片放入恒溫箱，保持電源電壓3 V不變。在變化溫度的情況下，對輸出電壓值進行測量。所得結果如圖6所示。可以發現，27～100 ℃之間，電壓變化12 mV，與仿真結果相比差距較大。經過分析，認為是由于電路中電阻面積太小，所以精度不夠，或者是由于工藝生產中寄生二極管不夠準確所導致。

4 結 論

本文通過對CMOS工藝自動增益控制系統進行設計，歸納總結了相關的國內外在該領域上的進展和設計此系統的方法，并提出了自己的見解。從研究自動增益控制系統的拓撲結構入手，理論上分析并提出了設計中的數學模型。在通過可行性研究的基礎上，對該系統進行設計。采用數字增益控制系統，并且集成了接收信號強度檢測模塊和帶隙基準電壓源偏置模塊，獲得了高度的集成性。

在具體模塊設計上，對多種結構進行分析，提出針對不同應用領域，考慮到具體指標的折中，進行了針對性的設計。在構建電路模型、仿真的基礎上，進行了版圖繪制、仿真、流片，并且對其中的帶隙基準電壓源模塊進行了實際測試，得到的結果基本和仿真結果吻合。

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