GPS導(dǎo)航接收機(jī)中可變?cè)鲆娣糯笃髟O(shè)計(jì)

黃 敏，黃海生，李 鑫，王嘉齊

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，西安 710121)

0 引言

全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)是一種具有全方位、全天候、全時(shí)段、高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1]。對(duì)于GPS接收機(jī)來(lái)說(shuō)，通信信道會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化，噪聲的干擾以及環(huán)境的變化等因素的影響都會(huì)造成信號(hào)時(shí)強(qiáng)時(shí)弱，從而影響信號(hào)的處理。因此，電路中就需要自動(dòng)增益控制電路(automatic gain control，AGC)根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)度調(diào)節(jié)接收機(jī)鏈路的增益使輸出信號(hào)基本達(dá)到穩(wěn)定強(qiáng)度[2]。其中AGC電路的核心模塊是可變?cè)鲆娣糯笃?variable gain amplifier，VGA)，它的性能優(yōu)劣直接影響AGC電路的性能。本文基于TSMC 0.18 μm互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)工藝設(shè)計(jì)一款增益范圍在60 dB的可變?cè)鲆娣糯笃鳌?/p>

1 AGC電路概述

AGC電路是導(dǎo)航接收機(jī)中必不可少的模塊。它可分為模擬AGC、數(shù)字AGC和混合AGC。本文采用的是控制部分為數(shù)字模塊的混合AGC。其主要包括3個(gè)模塊，可變?cè)鲆娣糯笃鳌⒚}沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)式自動(dòng)增益控制和脈沖寬度譯碼器。其中可變?cè)鲆娣糯笃鳛橹饕K，產(chǎn)生不同的增益來(lái)調(diào)節(jié)信號(hào)強(qiáng)度，PWM式自動(dòng)增益控制模塊輸出一個(gè)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)用來(lái)調(diào)節(jié)可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆?，脈沖寬度譯碼器將脈沖寬度調(diào)制信號(hào)解調(diào)為五位二進(jìn)制碼來(lái)控制增益。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 VGA總體結(jié)構(gòu)

圖1為VGA的整體結(jié)構(gòu)，由5位二進(jìn)制碼控制開(kāi)關(guān)的5級(jí)放大電路(VGA5、VGA43、VGA21)組成[3]。其中5位二進(jìn)制碼控制位(B1～B5)通過(guò)控制5級(jí)放大電路的開(kāi)關(guān)提供不同的增益，IF和IFN表示差分輸入信號(hào)，IFN為IF相位相反的信號(hào)，IFO和IFON表示差分輸出信號(hào)，IFON為IFO相位相反的信號(hào)。每級(jí)VGA放大電路(圖2)由四級(jí)增益不同的差分電路串聯(lián)而成，偏置電路為每級(jí)差分電路提供穩(wěn)定的尾電壓。其中一、三級(jí)由低電平有效的開(kāi)關(guān)控制，提供高增益；二、四級(jí)放大管由高電平有效的開(kāi)關(guān)控制，增益較低。這樣，B1～B5不同的邏輯位控制輸出不同的增益。其中VGA 5、VGA43 2個(gè)模塊采用阻容級(jí)間耦合[4]方式，VGA21模塊采用直接耦合方式，并在輸出接有電壓buffer，使得整個(gè)VGA可以適用于不同的負(fù)載阻抗且不會(huì)影響VGA的頻率特性，以保證放大器的負(fù)載能力。負(fù)載接ADC后基本不影響VGA的增益。

圖1 VGA整體結(jié)構(gòu)

2.2 VGA43模塊設(shè)計(jì)

如圖2所示，VGA43模塊包括4個(gè)差分放大電路，每個(gè)差分放大電路的結(jié)構(gòu)相同，但具體的參數(shù)不同即每個(gè)差分放大電路的增益不同。圖2中B4N為B4的非，B3N為B3的非。B4和B4N控制著輸入信號(hào)IF和IFN進(jìn)入哪一個(gè)差分放大電路，經(jīng)過(guò)前一級(jí)放大電路之后，再由B3和B3N控制著進(jìn)入第二級(jí)放大電路，最終輸出信號(hào)為IFN和IFON。根據(jù)B4、B3控制電平不同，共有4種不同的組合電路，這樣就提供了4種不同的增益[5]。VGA5、VGA21模塊與VGA43模塊類(lèi)似，其中VGA 5模塊相當(dāng)于將B4和B3控制信號(hào)由B5控制，VGA21模塊將B4和B3換成B2和B1控制。其中差分放大電路的原理如圖3所示。

圖2 VGA43模塊結(jié)構(gòu)

圖3 差分放大電路原理

對(duì)于本文所設(shè)計(jì)的電路來(lái)說(shuō)，主要采用的就是圖3所示的差分電路結(jié)構(gòu)，因?yàn)椴罘蛛娐肪哂锌垢蓴_能力強(qiáng)、增大電壓擺幅等優(yōu)點(diǎn)。圖3中：IB為尾電流；GND為地；VDD為電源；M0、M1為2個(gè)晶體管；△I為流經(jīng)電阻R的電流。

由圖3可以看出，電路的增益可表示為

(1)

式中：VIF、VIFN為差分電路輸入電壓；VIFON、VIFO為差分輸出電壓；Vout為輸出電壓；Vin為輸入電壓。

對(duì)于晶體管M0來(lái)說(shuō)，輸出電壓VIFON可表示為

VIFON=△I·R

(2)

△I=gm·△V

(3)

(4)

對(duì)于晶體管M1來(lái)說(shuō)，輸出電壓VIFO可表示為

VIFO=△I·R

(5)

△I=gm·△V

(6)

(7)

由式(1)～式(7)可得

(8)

式中：△V為流過(guò)M0和M1管子的電壓；AV為電路的增益；gm為管子跨導(dǎo)。因此，gm和R的取值影響差分電路的增益。

圖4所示為VGA43模塊的電路。

圖4 VGA43電路

圖中：M0～M15為晶體管；R0～R3為電阻；B4和B4N為“互斥”的2個(gè)開(kāi)關(guān)，通過(guò)數(shù)字信號(hào)控制；VBIAS為偏置電壓。當(dāng)B4導(dǎo)通時(shí)，增益由U0提供，U1關(guān)閉，不提供增益；相反，當(dāng)B4N導(dǎo)通時(shí)，增益由U1提供，U0不提供增益。同理，B3和B3N的作用與B4和B4N相同。所以在電路設(shè)計(jì)時(shí)，采用以上結(jié)構(gòu)通過(guò)切換開(kāi)關(guān)[6]達(dá)到節(jié)省功耗的目的。此結(jié)構(gòu)還有以下優(yōu)點(diǎn)：1)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低生產(chǎn)成本；2)數(shù)字控制具有更高的線(xiàn)性度。

由于設(shè)計(jì)中總體增益變化范圍較大，所以VGA5、VGA43、VGA21模塊中分別包括2級(jí)放大電路。由于每一級(jí)電路都需要直流偏置，所以每一級(jí)電路前需要加隔直電容。其中VGA5模塊可以實(shí)現(xiàn)的增益范圍為6～35 dB，VGA43模塊增益范圍為6～30 dB，VGA21模塊增益范圍為3～8 dB。

對(duì)于5級(jí)級(jí)聯(lián)的VGA放大器，最大增益可表示為

AV=-(gm1gm2gm3gm4gm5)R

(9)

式中：gm1、gm2、gm3、gm4、gm5分別為1～5級(jí)的跨導(dǎo)；R表示負(fù)載電阻。電路采用多級(jí)級(jí)聯(lián)不需要很大的晶體管尺寸和較大的偏置電流就可實(shí)現(xiàn)較高[7]的增益。由式(8)知道，增益與gm和R有關(guān)，因此改變gm和R都可以使增益改變，即

(10)

所以增益可通過(guò)改變W、L、R、I進(jìn)行調(diào)節(jié)。

由圖1可知，VGA21包含第五級(jí)放大和第四級(jí)放大，VGA43包含第三級(jí)放大和第二級(jí)放大，VGA5為第一級(jí)放大，通過(guò)B[5∶1]控制可以實(shí)現(xiàn)最小增益14 dB，最大增益73 dB，采用數(shù)字控制方式，實(shí)現(xiàn)60 dB增益范圍。

2.3 偏置電路的設(shè)計(jì)

由于VGA的增益會(huì)受溫度和工藝的影響。本電路采用恒定的GM偏置電路(如圖5所示)為VGA提供偏置電壓，來(lái)改善增益的變化特性。

圖5 恒定GM偏置電路

(11)

(12)

(13)

式(13)中：I1、I2為流經(jīng)M1和M2的漏端電流；VTH1、VTH2為M1、M2管子的閾值電壓。

所以M1的跨導(dǎo)為

(14)

由式(14)可以看出，M1的跨導(dǎo)只與R和K有關(guān)，且K為比例系數(shù)，所以在溫度與工藝恒定下，M1跨導(dǎo)只隨R變化。

圖6所示為本設(shè)計(jì)中所采用的偏置電路。

圖6 本文采用的偏置電路

圖中：IB_PTAT為理想電流源，M0至M30為晶體管。由恒定的GM偏置電路和基于電流鏡的偏置電路組合而成，因?yàn)殡娏麋R具有可以精確地復(fù)制電流而不受工藝和溫度影響的特點(diǎn)，所以可使其值控制在合理的精度范圍[8]內(nèi)。并且可以通過(guò)b1、b2、b3控制端來(lái)產(chǎn)生不同的電流。M13和M14 2個(gè)管子將產(chǎn)生的電流轉(zhuǎn)化為電壓提供給VGA5、VGA43、VGA21模塊。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本文電路采用TSMC 0.18 μm COMS工藝設(shè)計(jì)，供電電壓取值為1.8 V，偏置電路中控制端b1=1.8、b2= 1.8、b3=1.8 V。在整體仿真電路中，控制端B5、B4、B3、B2、B1分別為01111、00000、11111 3種情況，在頻率4.092 MHz下。利用Cadence軟件中的Spectre對(duì)電路進(jìn)行仿真[9]。

3.1 偏置電路仿真

從圖7中可以看出，偏置電路在控制端全為高電平時(shí)提供的電流為60.24 μA，偏置電壓為698.6 mV。

3.2 VGA5、VGA43、VGA21模塊仿真

從圖8、圖9、圖10仿真結(jié)果中可以看出：控制端B5為0和1時(shí)的增益[10]分別為5.356、34.88 dB；B4、B3為00、01、10、11的增益分別為29.04、20.84、14.34 、6.136 dB；B2、B1為00、01、10、11的增益分別為7.804、5.457、5.315、2.968 dB。

圖7 偏置電路仿真結(jié)果

圖9 VGA43仿真結(jié)果

圖10 VGA21仿真結(jié)果

3.3 整體仿真

從圖11仿真結(jié)果中可以看出，控制端B5、B4、B3、B2及B1為00000、01111和11111時(shí)，增益[11]分別為72.33、43.66、14.13 dB。

圖11 VGA仿真結(jié)果

3.4 噪聲系數(shù)與1 dB壓縮點(diǎn)仿真

從圖12、圖13仿真結(jié)果中可以看出，在增益為72.33和43.66 dB時(shí)的噪聲系數(shù)為19.68 dB，1 dB壓縮點(diǎn)為-22.14 dBm。

圖12 噪聲系數(shù)仿真結(jié)果

圖13 輸入1 dB壓縮點(diǎn)仿真結(jié)果

3.5 整體版圖

VGA電路整體版圖如圖14所示，面積為306.2 μm×342.3 μm。

圖14 VGA版圖

經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證又與近年來(lái)已發(fā)表的有關(guān)文獻(xiàn)中的VGA增益范圍進(jìn)行了比較，文獻(xiàn)[5-8]的增益分別為56、35、54、40 dB。因此本文所設(shè)計(jì)的VGA有增益動(dòng)態(tài)范圍大的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于TSMC 0.18 μm COMS工藝設(shè)計(jì)了一款用于GPS導(dǎo)航接收機(jī)的可變?cè)鲆娣糯笃?。其放大器采用了差分電路，偏置電路采用電流鏡結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制5位不同的邏輯位而達(dá)到了大的動(dòng)態(tài)增益范圍。仿真結(jié)果表明，當(dāng)電源電壓為1.8 V，實(shí)現(xiàn)了60 dB的增益范圍，噪聲系數(shù)為19.68 dB，輸入1 dBm壓縮點(diǎn)為-22.14 dBm，可以用于GPS導(dǎo)航接收機(jī)中。