MT-073 指南 高速可变增益放大器(VGA) 高频可变增益放大器(VGA)的全面而详细参数不仅包括传统运算放大器的交流参数(带 宽、压摆率、建立时间)，而且还应说明通信专用参数。这些参数包括谐波失真性能、无 杂散动态范围(SFDR)、交调失真、交调截点(IP2、IP3)、噪声和噪声系数(NF)。图1列出 了这些参数。 Noise Noise referred to output (RTO) Noise referred to input (RTI) Distortion Second and third order intercept points ( IP2, IP3) Spurious free dynamic range (SFDR) Harmonic distortion Single-tone Multi-tone Out-of-band Multitone Power Ratio (MTPR) Noise Factor (NF), Noise Figure (NF) 图1：通信系统中的动态范围参数 本指南将重点讨论适合通信系统的VGA。VGA是否适合通信系统取决于这些参数是否满 足系统性能。文中将探讨模拟控制式和数字控制式VGA。 自动增益控制(AGC)系统中的可变增益放大器(VGA) 宽带、低失真可变增益放大器在通信系统中应用非常广泛。例如，无线电接收机中的自 动增益控制(AGC)，如图2所示。通常，由于传播路径存在差异，接收到的能量表现出很 大的动态范围，需要在接收机内进行动态范围压缩。 Rev.0, 10/08, WK Page 1 of 9 MT-073 这种情况下，所需信息蕴含在调制包络中(无论采用何种调制模式)，而不是载波的绝对幅 度。例如，1MHz的载波被调制到1kHz上，调制深度为30%，不管接收到的载波电平是 0 dBm还是–120 dBm，传递的信息都是相同的。存在较大输入变化时，通常会在接收机内 利用某种类型的自动增益控制(AGC)功能，将载波幅度调整到某个归一化参考水平。 AGC电路用作动态范围压缩器，能够在多个载波周期的间隔内响应某个信号衡量指标(通 常为幅度平均值)。 因此，它们需要时间来根据接收信号电平差异做出调整。利用峰值检波方法可以缩短信 号电平突然提高所需的响应时间，但稳定性会受到一定损害，因为瞬态噪声尖峰现在可 以激活AGC检测电路。非线性滤波和“延迟AGC”概念对于优化AGC系统很有用。实践中 有很多折衷考虑。 VOLTAGE CONTROLLED AMP VRsinωt VCA INPUT: UNKNOWN AMPLITUDE OUTPUT: FIXED AMPLITUDE CONTROL VOLTAGE MEASURES SIGNAL LEVEL RECTIFIER DETECTOR RMS/DC CONVERTER PEAK DETECTOR (RSSI) DIFFERENCE AMP LPF + VREF 图2：典型的自动增益控制(AGC)系统 值得注意的是，一个AGC环路实际上有两路输出。当然，较为明显的输出是幅度稳定信 号。不太明显的输出则是VCA的控制电压。实际上，此电压衡量输入信号的幅度平均 值。如果系统经过精确调整，则控制电压可用于衡量输入信号，有时也称为“接收信号强 度指示(RSSI)”。给定适用的精密VCA增益控制法则，利用后面这点便可以实施针对输入 信号电平进行校准的接收系统。 Page 2 of 9 MT-073 压控可变增益放大器 ADL5391等模拟乘法器可以用作可变增益放大器，如下面图3所示。控制电压施加于其中 一路输入，信号则施加于另一路输入。采用这种配置时，增益与控制电压成正比。 VIN + VC R1 VO = VO - CONTROL INPUT VIN K • R2 R (1 + R21 )VC 图3：将乘法器用作压控可变增益放大器 对于大多数采用模拟乘法器构建的VCA，其增益与以V为单位的控制电压成线性关系，而 且往往存在噪声。但是，所需的VCA能够将宽增益范围与恒定带宽和相位、低噪声与大 信号处理能力以及低失真与低功耗相结合，同时提供精确、稳定的线性dB增益。X-AMP™ 系列可以利用一个独特而精致的解决方案(针对指数放大器)实现这些非常严苛且相互冲突 的目标。概念非常简单：固定增益放大器后接通过特殊方式利用电压来控制其衰减的无 源宽带衰减器(见图4)。 GAT1 PRECISION PASSIVE INPUT ATTENUATOR SCALING REFERENCE C1HI C1LO GATING INTERFACE + - VG + - A1OP GAIN CONTROL INTERFACE 0dB -6.02dB -12.04dB A1HI -18.06dB -22.08dB -33.1dB -36.12dB -42.14dB 500Ω 62.5Ω A1LO R - 2R LADDER NETWORK (RO = 100Ω ± 2%) 图4：X-Amp框图 Page 3 of 9 FIXED GAIN AMPLIFIER 41.07dB (AD600) 31.07dB (AD602) A1CM MT-073 该放大器具有优秀的低噪声性能，负反馈则用于精确定义其较高增益(约30至40 dB)并将失 真降至最低。由于该放大器的增益是固定的，因此其交流和瞬变响应特性也是不变的， 包括失真和群延迟；由于其增益较高，因此其输入永远不会由超过数毫伏的电压驱动。 因此，该器件始终工作在其小信号响应范围内。 衰减器是一个7级(8抽头)R-2R梯形网络。所有相邻抽头之间的电压比都正好为2，即 6.02 dB。这为实现精密线性dB特性奠定了基础。总体衰减为42.14 dB。如图所示，该放大 器的输入可以连接到这些抽头中的任意一个，甚至可以在这些抽头之间进行插值，而且 偏差很小，只有约±0.2 dB。总增益的变化范围是固定增益(最大值)到比最大值小42.14 dB 的值。例如，在AD600中，固定增益为41.07 dB(电压增益为113)；使用此选项时，整个增 益范围为–1.07 dB至+41.07 dB。该增益与控制电压之间的关系为GdB = 32VG + 20，其中 VG的单位为伏特(V)。 VG = 0时的增益经过激光调整至绝对精度±0.2 dB。增益调整比例由片上带隙基准电压源 (由两个通道共享)决定，该电压源经过激光调整以获得高精度和低温度系数。图5所示为 AD600和AD602的增益与差分控制电压之间的关系。 40 GAIN - dB 30 AD600 20 AD602 10 0 –10 -800 -400 0 VG - Millivolts 图5：X-Amp传递函数 Page 4 of 9 400 800 MT-073 为了了解X-AMP™系列的工作方式，请考虑图6所示的示意图。请注意，八个抽头各自均 连接到八个双极性差分对(用作由电流控制的跨导(gm)级)之一的一个输入端；所有这些 gm级的另一个输入端则连接到放大器用于决定增益的反馈网络RF1/RF2。当发射极偏置 电流IE被送至8个晶体管对之一(此处未显示具体方式)时，它成为完整放大器的输入级。 + + OUTPUT (A1OP) AOL → ∞ IE 1 (A1HI) R O =100Ω R IE 2 R 2R R 2R IE 5 IE 4 IE 3 R 2R R R 2R IE 6 2R IE 7 IE 8 RF2 R 2R R IE RF1 (A1LO) (R = 50Ω) 图6：X-Amp原理示意图 当IE连接至左侧的对时，信号输入直接连接到放大器，从而产生最大增益。凭借良好的 开环设计并辅以负反馈，使得即使在较高频率条件下，失真也非常低。如果IE现在被突 然切换至第二对，那么总增益会下降正好6.02 dB，而由于只有一个gm级保持有效，因此失 真仍旧会很低。 在现实中，偏置电流会“逐渐”从第一对传递到第二对。当IE在两个gm级之间均衡分配 时，这两个级都激活；当运算放大器中的两个输入级争抢环路控制(其中一个获得完整信 号，而另一个获得刚好一半信号)时，就会出现这种情况。 分析表明，有效增益会减少20 log1.5(即3.52 dB)，而不是大家首先预想的3 dB。在整个范 围内均衡分配时，该误差相当于±0.25 dB的增益纹波；不过，插值电路实际上会生成偏置 电流的高斯分布，有些IE始终在相邻级中流动。这使得增益函数更加平滑，并真正地减 少纹波。随着IE逐渐向右移动，总增益会逐渐下降。 X-AMP™折合到输入端的总噪声为1.4 nV/√Hz，仅略大于100 Ω电阻的热噪声(25°C时为 1.29 nV/√Hz)；折合到输入端的噪声是恒定的，而不受衰减器设置影响，因此输出噪声始 终是恒定的且不受增益影响。 Page 5 of 9 MT-073 BANDWIDTH DISTORTION NOISE INPUT Z SUPPLY AD600/602 35MHz –60dBc @ 10MHz 1.4nV/√Hz 100Ω ±5V AD603 90MHz –60dBc @ 10MHz 1.3nV/√Hz 100Ω ±5V AD604 40MHz –43dBc @ 10MHz 0.8nV/√Hz 300kΩ ±5V AD605 40MHz –51dBc @ 10MHz 1.8nV/√Hz 200Ω +5V AD8367 500MHz IP3 = +33dBm @140MHz NF = 7.5dB @140MHz 200Ω +2.7 to +5.5V AD8368 800MHz IP3 = +33dBm @ 140MHz NF = 9.5dB @ 140MHz 50Ω +4.5 to +5.5V 图7总结了很多X-AMP系列的特性。 数字控制式VGA 在某些情况下，以数字方式控制信号电平可能会大有好处。上行电缆调制解调器驱动器 便是一例，如AD8325。 由于数据速率远高于标准拨号连接，有线调制解调器越来越受欢迎。除接收数据(下行)之 外，有线调制解调器还能发射数据(上行)。这就要求使用低失真的数字控制式可变增益放 大器，且该放大器能够以1 V rms的标称电平(+11.2 dBm或60 dBmV)驱动75 Ω同轴电缆。 AD8325就是适合此应用的有线电视(CATV)上行线路驱动器系列的一款产品。AD8325的 增益由一个8位串行字控制，该字在59.45 dB范围内决定所需增益，进而产生0.7526 dB/LSB 的增益变化。AD8325框图如下面图8所示。 AD8325 VERNIER 9 3 图8：AD8325 CATV数字控制式可变增益放大器 Page 6 of 9 MT-073 AD8325具有一个可变衰减器内核，以数字方式控制衰减，范围为0 dB至–59.45 dB。输入 缓冲器的增益大约为+ 30 dB，因此得到的总增益范围为–29.45 dB至+30.0 dB。在上电模式 下，AD8325包括四个模拟功能。输入放大器(前置放大器)可以采用单端或差分配置。8位 控制字解码成一个3位字和一个9位字，前者驱动游标级(精密增益调整)，后者则驱动衰减 内核(DAC)。游标级中实现0.7526 dB/LSB分辨率，总衰减约为5.25 dB。在游标级之后，由 DAC提供AD8325衰减的批处理(9位或54 dB)。 前置放大器和游标增益模块中的信号为差分形式，以提高PSRR和线性度。差分电流从 DAC馈入输出级，后者将这些电流放大到驱动75 Ω负载所需的合适电平。 AD8325在上电和关断情况下均可保持恒定的75 Ω动态输出阻抗，这是该器件的一项主要 性能和成本优势。输出级利用负反馈来实现75 Ω差分动态输出阻抗。这样便无需使用外部 75 Ω端接电阻，进而产生是标准运算放大器两倍的有效输出电压。 这些特性使得AD8325能够采用+5 V单电源工作并且仍能提供所需的输出功率。在21 MHz 带宽、输出电平最高为1 V rms (+11.2 dBm)时，失真性能为-57 dBc。 AD8370是一款低成本、数字控制、可变增益放大器，可以提供精密增益控制、高IP3和低 噪声系数。框图如图9所示。 图9：750MHz数字控制式VGA AD8370 Page 7 of 9 MT-073 AD8370具有出色的失真性能和宽带宽。对于宽输入动态范围应用，AD8370能提供以下两 种输入范围：高增益模式和低增益模式。一个游标7位跨导(Gm)级能够以优于2 dB的分辨 率提供28 dB增益范围，以优于1 dB的分辨率提供22 dB的增益范围。第二种增益范围比第 一种要高17 dB，可选择用于改善噪声性能。AD8370的电源由PWUP引脚的逻辑电平提供， 在关断模式下，其功耗小于4 mA，可以提供出色的输入-输出隔离。关断模式下工作时， 增益设置保持不变。 AD8370的增益控制通过一个8位串行增益控制字实现。MSB在两个增益范围之间进行选 择，余下的7位则以精确线性增益步进调整总增益。 AD8375是一款差分可变增益放大器，由一个150 Ω数字控制式无源衰减器后接高线性度跨 导放大器组成，如图10所示。 图10：630MHz低失真数字控制式VGA AD8375 一个5位二进制代码以1 dB步进更改衰减设置，从而使得器件的增益从20 dB(代码0)变为 −4 dB(代码24及以上)。最大增益设置下，器件的噪声系数约为8 dB，并会随着增益下降而 增加。噪声系数的增加量与增益的减少量相等。在输出端测得的器件线性度是一阶的， 且与增益设置无关。增益介于0 dB至20 dB之间时，140 MHz条件下150 Ω负载的OIP3约为 50 dBm(每个信号音3 dBm)。增益设置为0 dB以下时，则会下降至约45 dBm。 Page 8 of 9 MT-073 参考文献 1. Hank Zumbahlen, Basic Linear Design, Analog Devices, 2006, ISBN: 0-915550-28-1. Also available as Linear Circuit Design Handbook, Elsevier-Newnes, 2008, ISBN-10: 0750687037, ISBN-13: 9780750687034. Chapter 4. 2. Walter G. Jung, Op Amp Applications, Analog Devices, 2002, ISBN 0-916550-26-5, Also available as Op Amp Applications Handbook, Elsevier/Newnes, 2005, ISBN 0-7506-7844-5. Chapter 6. Copyright 2009, Analog Devices, Inc. All rights reserved. Analog Devices assumes no responsibility for customer product design or the use or application of customers’ products or for any infringements of patents or rights of others which may result from Analog Devices assistance. All trademarks and logos are property of their respective holders. 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