改善可編程增益放大器性能的一個(gè)技巧

可編程增益放大器(PGA)常用于通信系統(tǒng)，如基站。設(shè)計(jì)師可以選擇目前可用帶寬超過500 MHz的全集成單片集成電路PGA，但是要在通信應(yīng)用中獲得很關(guān)鍵的低二階和三階失真卻不容易。

鑒于上述情況，且考慮到在衰減水平和步長方面要有更多的選擇，設(shè)計(jì)師可能選擇采用帶有模擬開關(guān)和電阻IC的高性能、固定增益放大器來在放大器之前構(gòu)建一個(gè)PGA。作為選擇，設(shè)計(jì)師可根據(jù)器件清單訂購ASIC。

PGA的動(dòng)態(tài)性能主要取決于放大器的特性，放大器的輸入阻抗應(yīng)該高。但是如果開關(guān)陣列和布局不是最佳，則PGA的性能會(huì)遭破壞。幾年前有一個(gè)設(shè)計(jì)思路采用了R-2R梯形，斷開每個(gè)梯形節(jié)點(diǎn)抽頭。開關(guān)輸出接在一起送入放大器。圖1為一種類似的結(jié)構(gòu)，本文論述如何改進(jìn)該電路的性能。

開關(guān)數(shù)量大增加了開關(guān)寄生電容和串?dāng)_耦合造成的失真，同時(shí)也減少了信號(hào)通道的帶寬。寄生電容的幅度隨信號(hào)幅度和工作條件的變化而改變。因此，信號(hào)的不同部分以不同的非線性方式傳輸，這樣就引起失真。開關(guān)的導(dǎo)通電阻也是非線性的，這會(huì)增加失真。MOSFET或雙極性開關(guān)都可以使用。

為減少功耗和熱梯度產(chǎn)生的不對(duì)稱，采用MOS開關(guān)（IC或晶體管）可能更好一些。這里討論的改善PGA性能的技巧可用于任一技術(shù)。此外，可以將這些技巧運(yùn)用到單端或差分結(jié)構(gòu)的PGA中。

一種減小電容寄生效應(yīng)和非線性的方法是將開關(guān)級(jí)聯(lián)，構(gòu)成開關(guān)數(shù)量多的第一排送入開關(guān)數(shù)少的第二排的結(jié)構(gòu)。這樣可以降低輸出的非線性，開關(guān)在此送入放大器的輸入。增加了一個(gè)好處，就是使電路布局和走線長度的均衡更容易（見圖2）。為了簡(jiǎn)化譯碼邏輯使能開關(guān)，開關(guān)的數(shù)量應(yīng)該以二進(jìn)制選擇為基礎(chǔ)進(jìn)行選擇。（圖中未示出各開關(guān)的邏輯控制）。級(jí)聯(lián)更多的開關(guān)排會(huì)逐次增加導(dǎo)通電阻，應(yīng)該避免。

如果開關(guān)陣列為晶體管級(jí)，那么有一個(gè)可使失真最小的最佳開關(guān)尺寸（即W/L比）。第一排可以是NMOS開關(guān)，第二排可以是PMOS開關(guān)，這樣可獲得隨電壓變化平緩的總體信號(hào)路徑中的導(dǎo)通電阻。若對(duì)速度有要求，這些開關(guān)最好都是NMOS。每個(gè)開關(guān)都應(yīng)該與其相應(yīng)的電阻以R-2R梯形結(jié)構(gòu)布放在一起，形成一個(gè)單元。

比如，第一排的全部單元以順時(shí)針方向布放。例如，如果是兩行，就從下面一行的中心（熱中心線）開始輸入，順時(shí)針排列。這樣，最后一個(gè)單元將與第一個(gè)輸入單元相鄰，但兩個(gè)單元之間有“地”線屏蔽隔離。這種排列可減輕因梯度帶來的不對(duì)稱性。必須特別注意避免不同延遲的輸入信號(hào)直接耦合到下一排及放大器的節(jié)點(diǎn)。

另一個(gè)問題是當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)（未被選擇的單元接通），其輸入端的電壓會(huì)發(fā)生漂移。因此，這些開關(guān)的接通會(huì)使其在一個(gè)未知的電壓下啟動(dòng)，產(chǎn)生與輸入電壓相關(guān)的非線性。因此，給開關(guān)輸入選擇提供了一個(gè)參考電壓，使電壓擺幅開始于已知的基線電壓（見圖3）。

作者：Dolly Wu, 高級(jí)設(shè)計(jì)工程師,德州儀器 ,Email: dolly.wu@ti.com