數字VGA可簡(jiǎn)化無(wú)線(xiàn)收發(fā)器設計

　　【提要】在高頻無(wú)線(xiàn)通信中，信號放大是一個(gè)關(guān)鍵功能。許多最新的無(wú)線(xiàn)通訊系統在無(wú)線(xiàn)通信下變頻電路中依靠保持穩定的幅度，即使是面對大范圍的輸入信號水平。

　　正因為如此，在許多無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)器中，可變增益放大器(VGA)已經(jīng)成為基本的組成模塊。傳統的VGA通過(guò)改變DC電壓來(lái)設定放大器的增益，盡管為了提供高精度的控制電壓，需要額外的電路及印制電路板(PCB)面積來(lái)設計驅動(dòng)電路。Hittite Microwave已研制出一種替代方案：數字VGA(DVGA)(圖1)。其特點(diǎn)是具有傳統模擬VGA的性能，簡(jiǎn)單的數字控制接口和寬帶寬、需要極少的額外器件以及需要極少的PCB空間等其他優(yōu)勢。

　　新的DVGA出現是由于市場(chǎng)需要在更寬的頻率范圍內精細控制增益的遞增，并保持其穩定增加。重要設計要求包括具有高輸出第三階截距點(diǎn)(OIP3)低噪聲系數的寬動(dòng)態(tài)范圍，而且還需要具有高分辨率步長(cháng)的寬增益控制范圍，在頻率和不同增益水平范圍內性能的一致性，以及在寬工作帶寬內增益調整的單調性。所得到的HMC625LP5E、HMC626LP5E和HMC627LP5E 型DVGA(見(jiàn)表)，是設計用于涵蓋所有主要無(wú)線(xiàn)標準/頻帶，其中包括了全球移動(dòng)通信系統(GSM)、碼分多址訪(fǎng)問(wèn)(CDMA)手機、寬帶CDMA(WCDMA)、通用移動(dòng)通信服務(wù)(UMTS)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)以及WiMAX等應用。所有這三個(gè)可變增益放大器封裝在微小的5×5mm塑料QFN無(wú)鉛表面貼裝封裝中(所有型號也有LP5E含鉛版)，以便用戶(hù)可以靈活地為特定系統的需求而互換器件。所有這三個(gè)DVGA提供了31.5dB的總增益控制范圍，獲得了信號衰減與正增益的結合。

　　例如，HMC625LP5型在直流到6GHz內提供了最寬的帶寬，從直流到3GHz的典型增益為18dB，從3至6GHz的最大增益設置為13dB。6-b DVGA提供了-13.5dB到18dB步長(cháng)0.5dB的增益設置。當設定為最大增益時(shí)，HMC625LP5達到了極大的動(dòng)態(tài)范圍，從直流到6GHz只有6dB的噪聲系數和+33dBm的OIP3。HMC625LP5E型還具有最值得夸耀的15dB的典型輸入回波損耗和12dB的典型輸出回波損耗。從直流到3GHz在1dB壓縮的輸出功率通常為+19dBm，而從3到6GHz通常為+16dBm。

　　DVGA的數字控制特性既靈活又精確，允許串行或并行接口以及選擇合適的上電狀態(tài)。通常，在收發(fā)器前端達到特定的增益水平涉及到將多個(gè)放大器設置為高或低增益狀態(tài)，然后將其級聯(lián)起來(lái)實(shí)現增益變化的精確增加?？梢圆捎靡粋€(gè)DVGA來(lái)實(shí)現同樣的增益控制水平和范圍。

　　對前端設計師而言，采用DVGA而不是采用模擬VGA，這樣做具有一定顯著(zhù)的優(yōu)勢，這是因為它允許在恒定增益狀態(tài)靈活的操作集成了放大器的DVGA，從而限制了它的非線(xiàn)性行為，與此同時(shí)在DVGA內采用其他電路控制了增益輸出。因此，將集成放大器失真或OIP3的非線(xiàn)性貢獻最小化，并擴展了可用動(dòng)態(tài)范圍的上限。動(dòng)態(tài)范圍的另一端，DVGA的噪聲系數隨頻率變化是非常穩定的，還由于在恒定增益狀態(tài)操作每個(gè)DVGA的集成放大器，并通過(guò)額外的電路來(lái)調整增益。相比之下，傳統模擬VGA的噪音系數往往跨越不同頻率并隨增益設置而變化。

　　在6GHz下的HMC625LP5型以及1GHz下的HMC627LP5型DVGA，其集成的數字控制功能包括了CMOS和TTL兼容的雙模接口并接受三線(xiàn)串行接口(SPI)或6-b并行字。用戶(hù)選擇上電狀態(tài)以及串行輸出端口來(lái)為臺式評估以及其他采用串行控制的級聯(lián)設備提供額外的靈活性。

　　圖2表示了主要控制狀態(tài)下HMC625LP5 DVGA的最大增益與頻率的關(guān)系。在圖3中，將主要增益狀態(tài)與頻率歸一化作為最大增益狀態(tài)的參考，來(lái)突出在6-GHz寬帶寬范圍內所有增益(和衰減)狀態(tài)下性能的一致性。

　　圖3不僅表明了頻率范圍以上的相對狀態(tài)均勻性，而且指出了可以實(shí)現的全部動(dòng)態(tài)范圍。圖4給出了HMC625LP5 DVGA位誤差數據與主要增益狀態(tài)頻率之間的關(guān)系。如圖所示，位誤差在頻率和32-dB動(dòng)態(tài)范圍上從未產(chǎn)生超過(guò)+0.6dB幅度偏差。在6-GHz頻率范圍內其一般具有0.25dB的增益步長(cháng)誤差。

　　為了應用在1GHz下對性能進(jìn)行優(yōu)化是最為重要的，低頻型號HMC627LP5從直流到1GHz提供了通常具有+36dBm和僅僅4.3dB噪聲系數的寬動(dòng)態(tài)范圍。在6-b數字控制下，它提供了31.5dB的增益控制范圍，從直流到500MHz在最大增益設置下具有20dB的典型增益，而且從500到1000MHz在最大增益設置下通常為17.5dB。在整個(gè)頻率范圍內，在1dB壓縮下輸出功率一般為+20dBm。輸入回波損耗一般是17dB，而輸出回波損耗一般是12dB。HMC627LP5型在單一的+5V直流電源下電流為90mA。

　　新DVGA系列中的其余器件HMC626LP5是三個(gè)高增益器件之一。它提供了其他型號兩倍的增益，而且保持了6-b可控的32dB動(dòng)態(tài)范圍。與HMC627LP5一樣，其涵蓋直流至1GHz，能提供從8至42.5dB的增益且僅有2.8dB的噪音系數。HMC626LP5在整個(gè)頻率范圍內達到了+36dBm的OIP3且在1dB壓縮下具有+20dBm的典型輸出功率。正如它DVGA對應物一樣，其保證每個(gè)數字增益設置增益精度在0.25dB內。它工作在單一的+5-VDC電源下僅需176mA電流。

　　對大部分DVGA供應商而言，一個(gè)關(guān)鍵的設計挑戰就是在整個(gè)頻帶內保持單調性(增益狀態(tài)在頻率上不重疊)和一致性(增益狀態(tài)在頻率上不能單獨變得很大)狀態(tài)關(guān)系的能力。圖5表明，新的DVGA保持了具有數字增益設置的精確增益水平，并且對任何放大器模型在整個(gè)頻率范圍內具有從未超過(guò)+0.5dB最低有效位(LSB)的最高步長(cháng)誤差。這保證了不同增益狀態(tài)之間的單調關(guān)系。在另一方面，保持一致性就是使得步長(cháng)誤差不超過(guò)大于LSB或-0.5dB的負水平。DVGA在其工作帶寬內保持單調狀態(tài)關(guān)系，否則增益狀態(tài)將重疊并且數字邏輯輸入可能不會(huì )導致預期的增益輸出，這是極為重要的。正如圖5所示，HMC625LP5 DVGA中，通用放大器在寬頻率范圍內表現出一致的性能

　　圖6表示了基站收發(fā)器的模塊圖，突出位置表示DVGA。三個(gè)DVGA采用了32引腳5×5mm的表面貼裝技術(shù)(SMT)封裝。采用使用簡(jiǎn)單的50Ω放大器，無(wú)需外部匹配元件。