【摘 要】
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模拟前端（AFE,Analog Front End）负责对自然界中的模拟信号进行放大、滤波、变频等处理,在电子系统中扮演着重要的角色。作为模拟前端电路的核心组成部分,可变增益放大器（VGA,Variable Gain Amplifier）对系统的性能起决定性的影响。VGA主要应用于无线收发机系统自动增益控制、音频处理、遥感设备、超声波成像系统等场景。为了同时满足这些应用场景的指标要求,VGA需要具
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模拟前端（AFE,Analog Front End）负责对自然界中的模拟信号进行放大、滤波、变频等处理,在电子系统中扮演着重要的角色。作为模拟前端电路的核心组成部分,可变增益放大器（VGA,Variable Gain Amplifier）对系统的性能起决定性的影响。VGA主要应用于无线收发机系统自动增益控制、音频处理、遥感设备、超声波成像系统等场景。为了同时满足这些应用场景的指标要求,VGA需要具有低噪声、高速、精确的dB-线性增益、高线性度等优点,这对传统工艺下VGA电路的设计提出了挑战。相较于传统CMOS器件,SiGe工艺下的器件具有低寄生电阻、高截止频率等优势,因此本文提出了一种基于SiGe工艺的低噪声（小于1 nV/√Hz）高速（大于100 MHz）可变增益放大器。VGA核心电路采用了基于增益插补的架构,可以同时实现高动态范围与低增益误差,且带宽不随增益变化而变化。在VGA的输入端集成了低噪声放大器（LNA,Low Noise Amplifier）,提升系统的噪声性能。在输出端加入了后置放大器（PA,Post Amplifier）,提升系统的线性度指标。这种LNA+VGA+PA的三级架构,可以有效提升电路的综合性能。本论文采用Tower Jazz 180 nm SiGe工艺设计和流片,测试结果表明,实现了48 dB的宽增益范围,增益误差仅0.27 dB。实测-3 dB带宽为122.1 MHz,且不随增益的变化而变化。噪声方面,在增益最高时,输入等效噪声为0.9 nV/√Hz,无匹配情况下的噪声系数仅2.7 dB,50Ω阻抗匹配时的噪声系数仅4.07 dB。线性度方面,10 MHz时,输出1 dB压缩点为12.5 dBm,输出三阶交截点为33 dBm。谐波失真方面,二次和三次的谐波失真抑制分别为-53.6和-54.2 dBc。芯片每通道的工作电流为30.2 m A,核心电路面积约1.15 mm~2。与已发表的研究成果对比,本设计具有极低的噪声与较高的带宽,同时实现了高精度与高线性度,满足上述设计指标以及绝大部分应用场景的要求。
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