用于宽带任意波发生器的可变增益放大器

罗阳，栾舰，周磊，武锦

（1.中电科思仪科技股份有限公司，山东青岛 266000；2.中国科学院微电子研究所，北京 100029）

1 引言

随着高速宽带信息传输技术的迅猛发展，通信系统的研制和生产测试对激励信号源提出了更高的要求。宽带无线通信领域中，复杂调制技术如256 阶正交幅度调制、正交频分复用等的应用不断增长；光通信领域中，信号带宽和波特率不断增加。在上述场景中，都要求激励信号具有更高的复杂度、线性度和调制带宽，宽带任意波形发生器（AWG）是产生上述激励信号的理想选择，具有广阔的应用前景。

在AWG 中，一个重要的设计挑战来自宽带可变增益放大器（VGA）芯片。VGA 作为设备的信号输出接口电路，承担了输出信号放大、增益调节、输出共模电平匹配、输出阻抗匹配等重要功能，其输出电压范围、带宽、整体调节范围等指标直接影响设备整体性能。

本文介绍了一种适用于宽带AWG 的VGA 设计。该芯片提出了一种改进的基于数字控制的可变增益放大架构，并采用多级放大架构，实现了增益调节以及负载驱动功能。

2 基于数字控制的VGA

2.1 基于数字控制的VGA 架构

根据增益调节的实现方式不同，VGA 可以分为模拟控制[1-2]和数字控制[3-5]两种。两种方式各有优缺点，适用场景也不尽相同。模拟电压控制的VGA 是指增益被电压或电流等模拟信号所调制，增益的变换过程是连续可调的，可以实现增益的精细调节。采用模拟电压控制的主要缺点是容易受到干扰，由于控制电压直接调控放大增益，来自输入信号或电源纹波的串扰都可能对输出信号造成干扰，引起波形失真。采用数字信号控制的VGA 通过数字编码来改变放大器的增益，放大增益仅由控制电压的高低电平决定，具有较高的稳健性。常见的数字信号控制VGA 设计方法有两种：一种是在运算放大器的基础上加反馈电路（一般为电阻），构成闭环结构[5]；另一种是在模拟电压控制VGA 的基础上，通过添加数模转换器来产生控制电压或电流[3]。前者在线性度方面具有明显优势，但受限于反馈通路的带宽，不适合宽带应用场景；后者仍然保留了模拟控制电压，不能完全解决模拟控制电压容易受到干扰的问题。

结合实际应用需求，本设计提出了一种改进的数字信号控制VGA。在增益控制级中，本设计提出了一种改进的增益控制方式，将增益级放大器拆分为多个低增益、高线性度的放大单元，消除了模拟控制电压的影响。该结构的另一个优势在于可确保增益调节的单调性，即使存在工艺偏差，也可确保增益随控制字单调变化。在输出级设计中增加了增益微调电路，以补偿由于器件工艺偏差引入的增益和偏移误差。

改进的数字信号控制VGA 架构如图1 所示。图中，VIP/VIN为差分输入电压，VOP/VON为差分输出电压，主要电路模块包括输入级（高线性缓冲器）、增益级（增益调节阵列）、输出级（带宽增强型输出放大器）、带隙基准与偏置产生电路、编码电路等。输入的宽带模拟信号首先通过输入端的高线性缓冲器传输到增益调节阵列。输入级一方面隔离输入信号与内部增益级的输入负载，另一方面提供足够的电流驱动能力，使增益级正常工作。增益级用于实现增益调节，其中共包含16 个并列的增益调节单元，每一个单元结构相同，均可提供0.125 倍的增益。输出级用于调节输出共模电压并驱动负载，共包含16 个并列的放大单元，与增益调节单元一一对应。在输出级的末端，所有放大单元的输出电流合并为一对差分电流，并通过上拉电阻转换为输出电压。上拉电阻可以连接外部电压源，以实现对输出共模电压的调节。

图1 改进的数字信号控制VGA 架构

输入的数字控制端口共分为两组：一组（4 bit）用于控制增益档位，通过编码器后，每一位数字控制信号分别控制增益级的一个放大单元；另一组（3 bit）用于实现增益的微调。通过调节输出放大器的偏置电压，可增大或减小输出级的整体电流调节，调节范围约为±10%，从而实现输出增益的微调。在两组数字信号的控制下，最终实现芯片的输出信号幅度为输入信号幅度的0.125～2 倍（对应的增益为－18～6 dB），调节步进为0.125 倍。芯片同时集成了带隙基准及偏置产生电路，为各级电路提供稳定的偏置电压。

2.2 宽带放大单元电路结构

在放大单元设计中，为了提升电路的带宽，一系列的改进技术被应用于宽带放大器设计中。其中，发射极退化电阻技术是一种常用的设计方法，通过在晶体管的发射极增加串联电阻，可以显著提升电路的线性度和带宽。在此基础上，OHHATA 等[6]提出了一种峰化电容的技术，以进一步提升高频输出信号幅度，但这种技术牺牲了低频的增益。HOLDENRIED 等[7]提出了一种利用负反馈技术实现的有源负载技术，可以在不显著增大面积的同时，提升电路的增益带宽积。负反馈技术可能引入稳定性问题，因此在设计中需要特别注意，以避免震荡风险。

在本设计中，为了兼顾带宽、线性度和输出负载匹配，采用了发射极退化电阻和峰化电感两种电路结构。发射极退化电阻电路结构如图2(a)所示，在增益级中采用该结构，可实现宽带和高线性度，同时满足增益调节步进的要求。峰化电感电路结构如图2(b)所示，在输出级中采用此技术，可抵消输出寄生电容的影响，提升高频增益，提高电路整体带宽。

图2 宽带放大单元电路结构

3 宽带VGA 芯片设计及仿真结果

3.1 增益级设计

增益调节阵列包含16 个相同的增益调节子单元。在控制信号（VCTRP/VCRTN）的调节下，分别切换信号通路和冗余电流通路导通，使增益调节单元工作在使能模式和关断模式两种状态。增益调节阵列子单元结构如图3 所示，图3（a）中电路的工作状态为使能模式，图3（b）中电路的工作状态为关断模式。

图3 增益调节阵列子单元结构

当电路处于使能模式时，输入差分对管处于导通状态（红色），冗余通路处于关闭状态（蓝色）。输入电压信号通过放大差分对管转换为电流，并传输到输出节点。每一个子单元提供的增益由输出电阻和发射极退化电阻的比值共同决定，在本设计中该比值为0.125。

当电路处于关断模式时，信号通路关闭（蓝色），输入差分对管的电流被关断，差模输出信号为零，冗余开关通路导通（红色），以保持输出共模电压不变。

在16 路增益调节单元中，其中1 路保持常开，另外15 路通过编码器产生的15 bit 数字信号控制，从而实现电路整体增益的步进控制。

3.2 输出级设计

输出级中共包含16 路相同的放大单元，输出级放大单元电路结构如图4 所示。在输出级的末端，所有放大单元的输出电流合并为一对差分电流，并通过上拉电阻/电感网络转换为输出电压。

图4 输出级放大单元电路结构

芯片的输出共模电压由输出级电源电压VCCO和输出级电流共同决定，其中输出级电流只在较小的范围内微调，因此共模电压主要由VCCO决定。VCCO由芯片外部单独提供，可根据输出电压要求的不同而调整。为了确保在最高输出共模电压和最大单端输出摆幅时器件不会击穿，输出级晶体管采用高耐压晶体管。同时，芯片内部的偏置电路具有跟踪输出电源电压的功能，可跟随电源电压变化，保证输出级各晶体管处于正常的工作状态。

芯片的共模电压调节主要通过调节VCCO实现，增益的控制主要通过控制级中导通的信号放大单元的数量实现，两种调节方式相互配合，可实现共模电压和增益的独立调节。

由于输出级电流大导致晶体管尺寸大，同时考虑到芯片封装焊盘和打线的影响，输出节点的寄生电容和寄生电阻对芯片带宽的影响较大。为了拓展带宽，本设计在输出电阻上串联峰化电感，以补偿寄生效应带来的高频衰减。

4 电路实现和测试结果

4.1 VGA 芯片的电路实现

本设计中芯片采用SiGe BiCMOS 工艺研制实现，在信号通路中均采用高速SiGe 异质结双极晶体管（HBT）。在同样的特征尺寸条件下，HBT 相比金属氧化物半导体（MOS）晶体管具有更高的器件截止频率，因此有利于实现更高的信号带宽。

芯片的整体尺寸为1.45 mm×0.88 mm，VGA 的显微照片如图5 所示。

图5 VGA 的显微照片

4.2 VGA 测试系统

VGA 测试系统如图6 所示。输入信号由微波信号源或AWG 产生，输出信号由宽带示波器或频谱分析仪采集。

图6 VGA 测试系统

4.3 测试结果

4.3.1 增益控制功能

在测试系统中，通过微波信号源为VGA 提供频率为100 MHz、P 和N 端差分峰峰值约为1 V 的输入信号。调节VGA 增益控制端，可使VGA 的增益以增益步进依次变化，测量其输出信号峰峰值，并计算与输入信号峰峰值的比值，可得到实际增益值。VGA 增益控制功能测试结果如图7 所示，图7(a)为增益测试结果，图7(b)为增益步进测试结果。可以看出，芯片整体增益呈现出良好的单调性，其平均增益步进约为0.125倍。

图7 VGA 增益控制功能测试结果

4.3.2 频率响应

在测试系统中，设置芯片低频增益值为1 倍，逐渐升高信号的频率，可以观察到输出信号的幅度及增益逐渐降低。VGA 增益随频率变化的测试结果如图8 所示。

图8 VGA 增益随频率变化的测试结果

输入信号频率分别为100 MHz 和4 GHz 时，芯片差分输出信号波形分别如图9(a)(b)所示。可以看出，4 GHz 时的输出信号幅度与低频幅度的比值约为0.723（即－2.83 dB，Vpp为电压峰峰值）。

图9 VGA 差分输出信号波形

4.3.3 测试指标汇总与对比

芯片主要测试指标汇总与性能对比如表1 所示。与参考文献对比，本设计在输出信号幅度、模拟带宽、增益调节等方面的综合性能具有一定优势，并具有输出共模电压调节功能；由于AWG 对输出电压幅度和驱动负载能力的特殊要求，本设计中芯片的输出级功耗较大，约为720 mW，导致芯片整体功耗高达820 mW。

表1 VGA 芯片主要测试指标汇总与性能对比

5 结论

本文介绍了一款适用于宽带AWG 的VGA 设计，采用一种改进的数字增益调节架构，在兼顾带宽性能的同时消除了模拟控制电压的影响，并确保了增益的单调性。芯片采用SiGe BiCMOS 工艺实现，测试结果表明，芯片可以实现0.125～2 倍的单调增益控制，最小增益步进约为0.125 倍；在输入信号频率为4 GHz 时的输出信号衰减为－2.83 dB。芯片整体功耗为820 mW。