一款基于有源可调衰减器的超宽带可变增益放大器

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近年来,超宽带(UWB)技术作为一种最新的短距离通信技术,受到越来越多人的关注。作为UWB接收机前端的重要模块之一,可变增益放大器(VGA)在3.1-10.6GHz的超宽频带内应具有宽的动态增益调节范围,但目前国内已发表的UWB VGA的动态增益调节范围均在50dB以下。  为了获得大于50dB的动态增益调节范围,本文提出了一款基于有源可调衰减器的宽动态增益调节范围的UWB VGA。有源可调衰减器作为增益变化单元,与作为放大单元的高增益放大器级联,在3.1-10.6GHz的超宽频带内实现了大于60dB的宽动态增益调节范围。具体研究内容如下:  首先,对宽动态增益调节范围的UWB有源可调衰减器进行了研究。①通过对不同衰减器结构分析,选取了π型衰减器作为我们要研究的宽动态增益调节范围的可调衰减器。由于SiGe HBT具有良好的高频性能和低的成本,被选为衰减器的有源器件。通过分析π型有源衰减器最小插入损耗和最大衰减量的影响因素后得知,两者对晶体管的等效基极-发射极电容有不同的要求,因此,选择了不同指长、不同基极指数的多指SiGe HBT作为该π型有源衰减器的有源器件,实现了最小插入损耗和最大衰减量。②通过选取合适的晶体管静态工作点实现了衰减器的宽动态增益调节;同时,采用共射共基电路结构作为衰减器的放大结构,且采用并联峰化技术扩展了工作带宽,完成了宽动态增益调节范围的UWB有源可调衰减器的设计。利用安捷伦公司的射频电路设计工具ADS对电路仿真验证,结果表明所提出的UWB有源可调衰减器在3.1-10.6GHz的超宽频带内具有大于50dB的增益变化范围。  其次,对用于UWB VGA的高增益放大器进行研究。由于所设计的宽动态增益调节范围的UWB有源可调衰减器的最高增益是小于0dB的,为了使UWBVGA在最高增益处放大信号,必须设计一款具有高增益的放大器与有源可调衰减器级联。本文设计了采用负反馈式两级拓扑结构和达林顿对电路结构的高增益放大器,并采用旁路电抗元件补偿技术来拓展带宽,在3.1-10.6GHz的超宽频带内具有28.5dB的增益。  最后,对基于有源可调衰减器的UWB VGA进行了研究。在输入匹配的设计中,除了在UWB有源可调衰减器信号导通支路晶体管的发射极串联一个电感降低输入匹配外,在电路的输入端引入电感,与UWB有源可调衰减器的信号导通支路和衰减支路的两隔直电容共同构成π型匹配网络,来实现输入阻抗的匹配:采用电感串联负反馈实现了输出阻抗匹配。通过设计LC结构与高增益放大器的隔直电容共同构成T型阻抗匹配结构,完成了级间阻抗匹配的设计,将设计的宽增益调节范围的UWB有源可调衰减器与高增益放大器级联,完成UWBVGA的设计。利用射频电路设计工具ADS对电路仿真验证,结果表明所设计的UWB VGA能够在超宽频带内实现大于62dB的动态增益变化范围,证明了本文中UWB VGA设计的正确性。基于SiGe BiCMOS工艺,结合版图设计规则和版图布局优化措施,绘制了基于有源可调衰减器的UWB VGA版图。
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