一种用于GPS接收机的宽带_高增益变化范围的AGC设计

2010年2月

微电子学与计算机

MICROELECTRONICS&COMPUTER

Vol.27　No.2February2010

一种用于GPS接收机的宽带、高增益变化范围的AGC设计

张佃伟,文治平,李卫民,文　武

(北京微电子技术研究所,北京100076)

摘　要:介绍了一种宽带、高增益变化范围的用于GPS接收机的模拟CMOS自动增益控电路(AGC)的设计.整个μmCMOS工艺实现,包括可变增益运算放大器(VGA)、AGC环路用0.35固定增益运算放大器(FGA)、增益控制电μs.路和直流失调抑制电路.经过仿真验证AGC的最大增益可达80dB,增益变化范围是56dB,环路锁定时间为70关键词:GPS;射频接收机;AGC;VGA中图分类号:TP302.8　　　　　文献标识码:A　　　　　文章编号:1000-7180(2010)02-0111-04

ALargeGainVariableRangeWide2BandAGCCircuitry

foraGPSReceiver

ZHANGDian2wei,WENZhi2ping,LIWei2min,WENWu

(BeijingMicroelectronicsTechnologyInstitute,Beijing100076,China)

Abstract:Inthispaper,alargegainvariablerangewide2bandautomaticgaincontrolcircuitry(AGC)isintroduced.The

μmCMOSprocess,includingvariablegainamplifiers(VGAs),fixedgainamplifiers,wholecircuitryisdesignedin0.35

gaincontrolandDCoffsetcancellationpart.TheAGCprovidesaprocessindependentgainvariablerangeof56dB,witha

μslooplocktime.70

Keywords:GPS;RFreceiver;AGC;VGA

1　引言

随着全球定位系统(GPS)应用在手机、数码相机、PDA、便携式电脑等手持设备中的日益普及,GPS接收机向小尺寸、低功耗、低成本、高灵敏度的

方向发展.作为接收机中的核心芯片,射频前端电路对整个接收机的影响最大,其性能要求也最高.因而射频前端电路的研制一直是接收机中的技术瓶颈和研究热点.

AGC是GPS接收机射频前端的关键模块[1].

在GPS接收机中,AGC环路(图1虚线框所示)的功能是保证到达A/D的信号幅度恒定.图1是GPS接收机射频前端结构框图.天线处的信号经过下变频和滤波之后,通过一个AGC环路使得最终到达A/D处的信号幅值维持在267mV.

图1　一种低中频结构的GPS接收机射频前端结构框图

增益变化范围的模拟CMOSAGC环路.由于

采用了简单的均值检测和抑制直流失调技术,使得整个电路的功耗、面积都得到了很好的优化,增益控制环路的设计复杂性大大降低.文中AGC环路满足接收机射频前端电路的系统要求,已经应用于所设

文中介绍了一种可用于GPS接收机的宽带、大

收稿日期:2008-11-11;修回日期:2009-03-01

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微电子学与计算机2010年

计的GPS接收机射频前端电路.

2　AGC环路的设计要求与电路实现

2.1　AGC环路设计要求

在AGC的设计中,需要考虑的一个比较重要的参数是增益变化范围.由于受诸多因素的影响,GPS接收机通路上的信号将会在一个很大的范围内变化,以图2结构的接收机为例.接收机的增益变化可以通过下式表示:

(1)DR(ΔG2)=ΔPIN+ΔG1+margin[dB]图3　AGC结构框图

将整个AGC划分为四部分:可变增益运放单

元、固定增益运放单元、增益控制电路、直流失调抑制电路.下面分别对这四个部分进行详细的介绍.2.2.1　可变增益运放单元

图2　接收机框图

ΔG2是片内AGC环路需要满足的增益变化,它应该包括三个部分:ΔPIN,天线处的信号变化;

G1,片外元器件的增益变化;margin,考虑接收机受

在AGC环路的设计中,VGA是它的核心模块.VGA广泛应用于磁盘读取驱动电路、磁数据存储系统、电磁计量器、电视调谐器等[3].根据增益变化的方式可以将VGA分为两大类:增益连续变化运算放大器(模拟VGA)和增益离散变化运算放大器(PGA).模拟VGA使用模拟信号控制增益,由于增益连续变化,所以在数字通信中不会因增益突变而造成调制信号的接收解调错误.PGA使用数字电路控制增益,从而简化了模拟控制电路.因为其增益是离散的,所以能够在这些离散点上对电路进行优化,得到较好的性能[4].

文中设计的AGC环路中采用了模拟乘法器[5]

为基础的VGA.图4是VGA的电路结构.

工艺、温度、电源电压波动等影响所要的增益余量.对应用于GPS接收机的AGC来说,40dB的增益变化范围已经足够[2].由于所设计的GPS接收机射频前端芯片具有高度集成性,使用的片外器件很少.此外,GPS信号在天线处的变化也很小,所以,文中设计的AGC———可变增益的变化范围为56dB,完全满足接收机射频前端的应用要求.

除可变增益的变化范围外,AGC的环路建立时间、锁定时间、可变增益运算放大器的带宽、线性、控制信号与增益的dB线性变化等都需要在设计中仔细考虑.2.2　电路实现

图3是AGC的结构框图.在前向通路上,信号由四级可变增益运放(VGA)和两级固定增益运放(FGA)进行放大.输出信号由一个检波电路进行处理.得到的检波输出与一个预设的固定电平进行比较,自适应地调节整个环路的增益,保持输出信号幅度的稳定.为了滤除低频噪声和直流失调的影响,AGC环路还带有一个Gm2C低通滤波器反馈环路(DCRej),它与前向通路组合后,可实现高通滤波的

图4　VGA电路结构图

功能.由于VGA自身的低通特性,该环路最后实现

的是一个具有自动增益调节功能的带通滤波器.

如图4所示,控制电压加在两个运放的尾电流源上.通过改变控制电压的大小改变增益.不妨假设进入AGC环路的信号比较小,为了保持输出信号的恒定VGA需要提供一个较大的增益.这个大增益

　第2期张佃伟,等:一种用于GPS接收机的宽带、高增益变化范围的AGC设计

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的实现,是通过加大两个控制信号VCON1,VCON2之间的差值实现:

gm+・Vm+-gm-・Vin+AvOut=・ROUT

Vin

=ROUT・(gm+-gm-)

(2)

gm+与gm-分别是输入差分对的跨导,ROUT是

VCON1,VCON2两个增益控制电压.

输出端的等效阻抗.式(2)中两个运放的跨导差可进一步表示为:

gm+-gm-=

图6　检波电路输出2μCOX

W・(L

IX-IY)(3)

其中,IX,IY分别为流过由VCON1,VCON2所控制的尾电流源的电流.显然,VCON1,VCON2之间的差值增大时,(gm+-gm-)增大,最终导致增益增大.反之,当输入AGC的信号比较大时,此时只要减小两个控制信号之间的差值即可.所以通过改变两个控制电压的差值可以改变乘法器的增益.固定增益运放采用与可变增益运放相同的结构,在此不再详细介绍.

2.2.2　增益控制电路

图7　比较反馈电路图

整个AGC输出信号的幅度是由比较电平决定

的.可以通过式(4)进行计算:

(4)dt=FWR-Sig-Vref

Πω

在式(4)中A为AGC环路输出信号的振幅,FWR-Sig与Vref分别为检波信号和参考电平.当式(4)满足时整个AGC环路达到稳定.2.2.3　直流失调抑制电路

0

在AGC环路的设计中,检波电路设计的优劣会

对整个环路的性能产生很大的影响.常见的检波电路有:ENVELOPEDETECTOR(包络检波)、SQUARE—LAWDETECTOR(平方检波)、RMSDETECTOR(均值检波)、LOGDETECTOR(线性检波)四种形式.文中设计的AGC环路中,采用均值检波.通过检测VGA的输出信号的有效值从而控制它的增益.这种设计的优点是电路比较简单,容易实现.整个增益控制电路如图5分为三部分:检波电路、比较电路、控制电压产生电路.

∫Πω

-Asinwt在AGC的设计中,抑制直流失调是一个比较重要的考虑.为了得到大的增益变化范围,VGA通常设计为多级级联的形式.以文中设计的VGA为例:固定增益运放有两级,可变增益运放有四级.所以即便前级VGA存在较小的直流失调,经过多级放大之后也会使得后级VGA达到饱和.所在设计多级VGA级联的电路时,直流失调抑制必须加以考虑.

文中通过采用Gm2C(图8所示的虚线框部分)反馈消除直流失调,它与可变增益运放组合最终可以实

图5　增益控制电路结构图

现带通滤波的功能.

图8为Gm2C反馈电路图.Vout+与Vout-分别是可变增益运放的正负差分输出信号.Vout+与

Vout-经过Gm2C低通滤波器运算之后,通过Vf+与Vf-叠加到可变增益运算放大器的Vin+与Vin-,从

检波电路的功能是完成信号的半波整流,它由两个对称的电压跟随器组成,如图6所示在每一个

信号周期内只有负半周的信号能够通过检波电路得到跟随,到达比较器.比较和控制电压产生电路如图7所示.

在比较器的输出端,连接有一个大的片外电容对比较器的输出进行滤波.滤波之后的电平经过图7虚线框中的dB线性电路的运算之后,产生

而消除直流失调.

为了更好的理解Gm2C反馈电路抑制直流失调的作用,给出了包含了直流失调抑制电路的AGC环路的传输函数(基于低频考虑):

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设计技术.在JAZZ0.35微米工艺下版图的面积为μm×μm.2632

图8　Gm2C反馈电路图H(s)=AO1(s)

gms1++3AO2(s)

wo1sc

(5)

图10　可变增益运放的AC曲线

其中,AO1(s)为固定增益运放与可变增益运放的传

输函数,AO2(s)为包括检波电路、比较电路在内的传出函数,

gm为Gm2C反馈的传输函数.sc

显然,根据传输函数可以得出结论:由于Gm2C

反馈的存在,使得电路具有带通滤波器的功能,可以有效地滤出低频噪声和抑制直流失调.

3　仿真测试结果

文中设计AGC环路的增益变化范围大于50dB,图9给出了在不同输入小信号情况下的输出信号的变化曲线.通过曲线可以发现当输入信号在一个很大的范围内变化时,电路的输出会稳定在267mV左右.

图11　AGC版图设计

4　结束语

文中介绍了一种可用于GPS接收机的宽带、大

增益变化范围的模拟CMOSAGC环路的设计.经过仿真验证AGC环路的最大增益可达80dB,增益

μs.文中设计变化范围是56dB;环路锁定时间为70

的AGC环路满足接收机射频前端的系统要求,已经应用于所设计的GPS接收机射频前端芯片.参考文献:

[1]HassanElwanR,AhmedMSoliman,MohammedIsmail.A

CMOSnortonamplifier-baseddigitallycontrolledVGAforlow-powerwirelessapplications[J].IEEETransac2tionsonCircuitsandSysterm-II:AnalogandDigitalSigi2nalProcessing,2001,48(3):245-2.

图9　AGC环路的输入输出电压曲线

图10给出了可变增益运算放大器的AC曲线.通过曲线可以发现可变增益运放的带宽在各种增益下保持不变.而且由于直流失调电路的作用可变增益运放具有带通滤波器的功能,从而可以很好的消除直流失调.图11是所设计的AGC电路的版图.为

了减小电阻、电容等的失配版图采用了大量的对称

(下转第118页)

118

表1　各检测器漏报率对比表

时间

12345

snort4.534.944.3.105.21

Bro4.284.734.4.515.56

Dragon5.475.385.325.095.96

微电子学与计算机2010年

文中方法

3.263.183.053.304.16

技术,更好的降低入侵检测系统的报警率还有待于

进一步研究.参考文献:

[1]陈晓梅.入侵检测产品的评价研究[J].微电子学与计

算机,2005,22(9):74-76.

[2]杨义先,钮心忻.入侵检测理论与技术[M].北京:高等

教育出版社,2006.[3]闫巧,喻建平,谢维信.入侵检测系统的可信问题[J].计

表2　各检测器误报率对比表

时间

12345

snort2.182.422.372.301.91

Bro3.233.363.453.043.15

Dragon3.483.913.563.403.28

算机研究与发展,2003,40(8):1203-1208.

文中方法1.361.651.411.631.22

[4]苏璞睿,冯登国.基于数据融合的分布式入侵检测系统

研究[J].电子学报,2006,36(10):1809-1811.

[5]廖年冬,田盛丰.入侵检测规则动态生成研究[J].北京

交通大学学报,2008,32(5):116-120.

[6]ChowalitTinnagonsutibout,PirawatWatanapongse.Anovel

approachtoprocess-basedintrusiondetectionsystemusingreadsequencefinitestateautomatawithinboundbyteprol2er[C]//ICEP2003.Spain:Catalonia,2003.

[7]高丹,彭新光.基于DET曲线的入侵检测评估方法[J].

6　结束语

文中分析了当前入侵检测系统存在的可信问题

及误报和漏报产生的原因,给出了通过采用多检测系统协同工作的模式提高可信度的理论分析和方法,多检测系统融合时采用推进的贝叶斯分类方法.实验分析表明,该方法可以降低系统的漏报率和误报率,可以提高报警的可信度.如何进一步融合各种

微电子学与计算机,2008,25(8):134-135.

作者简介:

赵晶莹　女,(1978-),讲师.研究方向为网络安全、数字图像处理、模式识别.

王德高　男,(1969-),教授.研究方向为网络与信息安全.王玲芬　女,(1960-),副教授.研究方向为操作系统、网络安全.

(上接第114页)

[2]InhoKo,JongmoonKim,SanghyunChoLee.A19mW

2.6mmL1/L2dual-bandCOMSGPSreceiver[J].IEEEJournalofSolidStateCircuits,2005,40(7):1414-1425.[3]CalvoB,CelmaS,SanzMT.High-frequencydigitally

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[4]WangZiqiang,ChiBaoyong,WangZhihua.AnOverview

CMOSvariablegainamplifier[J].Microelectronics,2005,35(6):612-617.

[5]BehzadRazavi.DesignofanalogCMOSintegratedcircuits

[M].NewYork:McGrawHill,2001.

ElectronicsLetters,

作者简介:

张佃伟　男,(1982-),硕士研究生.研究方向为模拟电路的设计与测试.

文治平　男,研究员,硕士生导师.研究方向为超大规模集成电路的设计与测试.

李卫民　男,研究员,硕士生导师.研究方向为超大规模集成电路的设计与测试.

文　武　男,高级工程师.研究方向为射频与模拟集成电路的设计与测试.