2.4GHz射频接收芯片中低功耗AGC环路的设计

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在无线传感网通信中,射频输入信号的动态范围很大,因此射频接收机需要自动增益控制(AGC)环路为基带模数转换器(ADC)提供恒定的信号,从而降低ADC的动态范围要求。作为射频接收机的关键模块之一,其性能直接影响了接收机系统可接收的信号动态范围,同时低功耗设计一直是无线通信的关键技术之一,因此对低功耗高性能的AGC环路的研究具有重要的意义。  论文主要设计了应用于低中频结构2.4GHz射频接收芯片中的低功耗AGC环路,介绍了AGC电路基本设计理论,总结比较了可变增益放大器和RSSI模块的多种结构,明确了AGC环路拓扑结构并估算主要模块性能指标,选择了数字方式控制的PGA环路和模拟电压控制的VGA环路相结合的方式。整个AGC环路由PGA环路和VGA环路构成,PGA环路实现增益粗调,环路由三级增益为15dB的固定增益放大器级联而成,RSSI检测的信号被转换成数字控制信号,通过数字逻辑控制电路的控制,实现0dB、15dB、30dB和45dB四种增益模式;VGA环路实现增益从0dB到15dB的精调,且变化连续,不存在相位突变。为了减小整个AGC环路的功耗,PGA环路中固定增益放大器采用简单差分结构,通过主从控制电路实现了PGA环路在具有较好增益精度的同时极大的减小了环路的功耗;VGA环路中可变增益放大器采用共源共栅结构,实现了VGA环路在保证线性度的基础上具有较低的功耗。  基于TSMC0.13μm CMOS工艺,设计了低功耗AGC环路的电路及版图,并进行了后仿真验证:电源电压为1.2V,AGC环路能提供0dB到60dB的增益控制范围,增益连续可变,不存在增益步长。噪声系数为31dB,3dB带宽为20MHz,最大增益下的输入三阶截点IIP3为-37dBm,最小增益下的输入三阶截点IIP3为21dBm。AGC环路中增益粗调部分采用主从结构来减小固定增益放大器的误差,使结构简单的固定增益放大器在保证精度的基础上具有较小的功耗,实现了整个AGC环路(包括I、Q两路)总电流为800μA,同时AGC环路的稳定时间不超过500μs。论文设计的AGC环路的3dB带宽能满足接收机系统要求,增益控制范围大,且连续变化,线性度较好,尤其在功耗方面具有明显的优势,能够满足低功耗的要求。
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