專欄文章

可變增益放大器(Variable Gain Amplifier, VGA)是相位陣列收發器系統中的重要元件。為了避免複雜的振幅(Amplitude)與相位(Phase)調整，在足夠的增益可調範圍內達到低相位誤差是應用於波束成型器中可變增益放大器設計時的首要目標。

 應用於5G行動通訊之毫米波相位陣列收發器系統中，可變增益放大器(Variable Gain Amplifier, VGA)除了傳統上必須要能提供足夠大的可變增益範圍(Gain control range)，來控制接收訊號或發射訊號的功率大小外，還必須在一定的增益調控範圍下維持低相位變化(Phase variation)。

 在相位陣列收發器系統中，相移器是負責每個射頻鍊路的相位調整，但是在調整的過程中，相移器每個相移狀態的置入損耗(Insertion loss)大小可能會有所不同，造成每個射頻鍊路的訊號功率大小不一樣，這時候需要一可變增益放大器來補償因相移器每個相移狀態置入損耗不同，所造成每個射頻鍊路訊號功率大小的差異，但是如果可變增益放大器在調整增益的同時相位有劇烈的變化，則又必須回來調整相移器的相位，如此來回將增加了整體系統控制上的複雜度，因此理想上希望可變增益放大器在調整增益時相位能維持定值。

 在這篇文章中，我們整理了幾個常用於毫米波可變增益放大器設計的架構，並簡述了這些可變增益放大器架構的操作原理與優缺點，最後在介紹應用於這些可變增益放大器架構的低相位變化電路技術。

利用可變衰減器之可變增益放大器與其低相位變化技術

 在放大器中置入一個可變衰減器[1], [2]，如圖一所示，藉由調整可變衰減器的損耗值來達成可變增益放大器的功能，是最基本且直覺的可變增益放大器架構，但是此架構的缺點是，可變衰減器會對放大器額外增加一個置入損耗，且會需要額外的電路面積。此外可變衰減器在不同損耗狀態下，相位會有些變異，讓此可變增益放大器在調整增益時相位無法維持定值，因此文獻[2]提出在衰減器電路內加入相位補償的電容，可以達到低相位變化。

圖一、使用可變衰減器之可變增益放大器架構。 

利用轉導控制之可變增益放大器與其低相位變化技術

 轉導控制是在毫米波可變增益放大器常見的架構之一[3]-[5]，代表電路示意圖如圖二，我們可以藉由調整可變增益放大器中電晶體組態的控制電壓Vctrl，來控制電晶體的轉導(gm)，進而改變放大器的增益。此架構有很大的增益可調範圍，但是最大的缺點在於當調整控制電壓時，共源極(Common source)電晶體組態的電流會大幅改變，造成輸入阻抗變化極大，設計出來的可變增益放大器在不同的增益狀態下，輸入反射損耗(Return loss)變化將很大，且相位也會有劇烈的變化，不利於相位陣列收發器應用。因此在參考文獻[3]-[5]中，利用相位補償電容(Cg)和源極負反饋電感(Ls)實現相位補償技術，來設計低相位變化的可變增益放大器，但也會犧牲部分增益，因此使用此相位補償電容(Cg)和源極負反饋電感(Ls)實現相位補償技術，需在相位變化和增益之間作權衡。

圖二、使用轉導控制技術之可變增益放大器。

利用電流汲取之可變增益放大器與其低相位變化技術

       電流汲取(Current Steering)架構之可變增益放大器電路架構示意圖如圖三[6]，電晶體M1與M2構成cascode組態放大器，電晶體M3用來做電流汲取，當M3控制偏壓VCtrl供給電壓提高時，流經M2的電流會被抽到M3，造成M2電流下降，gm2降低，進而放大器整體增益下降，由於電晶體M1的電流幾乎保持為定值，因此在不同的增益狀態下輸入反射損耗變化很小。

       但此流汲取架構的電晶體寄生電容仍然會讓不同增益狀態下的相位產生變異，因此有一些針對電流汲取可變增益放大器架構之低相位變化電路技術被提出，文獻[7]提出在電晶體M3的gate端加入電容與文獻[8]提出在電晶體M3的source端加入電感來降低不同增益狀態下的相位變異。

 圖三、使用電流汲取技術之可變增益放大器。

參考文獻

[1]  H. Takasu, C. Sakakibara, M. Okumura, and S. Kamihashi, “S-band MMIC digital attenuator with small phase variation,” in Proc. IEEE Asia-Pacific Microwave Conf., Dec. 1999, pp. 421-424.

[2]  Z. Jiang, L. Zhang, Z. Liu, Z. Chen, H. Liu, Y. Wu, C. Zhao, and K. Kang, “A 33.5-39 GHz 5-bit variable gain LNA with 4 dB NF and low phase shift,” in Proceedings of 2017 Asia Pacific Microwave Conference (APMC), pp. 1200-1202, 2017.

[3]  F. Ellinger, U. Jörges, U. Mayer, and R. Eickhoff, “Analysis and compensation of phase variations versus Gain in amplifiers verified by SiGe HBT cascode RFIC,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 57, no. 8, pp. 1885-1894, Aug. 2009.

[4]  Wei-Tsung Li, Yun-Chieh Chiang, Jeng-Han Tsai, Hong-Yuan Yang, Jen-Hao Cheng, and Tian-Wei Huang, “60-GHz 5-bit phase shifter with integrated VGA phase-error compensation,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 61, no. 3, pp. 1224-1235, Mar. 2013

[5]  Jeng-Han Tsai, Jen-Wei Wang, and Chung-Han Wu, “A V-band variable gain amplifier with low phase variation using 90 nm CMOS technology,” Microwave and Optical Technology Letters, vol. 56, no. 8, pp. 1946-1949, Aug. 2014.

[6]  Che-Chung Kuo, Zuo-Min Tsai, Jeng-Han Tsai, and Huei Wang, “A 71-76 GHz CMOS variable gain amplifier using current steering technique,” in Proc. IEEE RFIC Symp. Dig., Jun. 2008.

[7]  C.-Y. Hsieh, J.-C. Kao, J.-J. Kuo, K.-Y. Lin, “A 57-64 GHz low-phase-variation variable-gain amplifier,” in IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., 2012, pp. 373-376.

[8]  K.-Y. Kao, D.-R. Lu, J.-C. Kao, and K.-Y. Lin “A 60 GHz variable-gain low-noise amplifier with low phase variation,” 2016 IEEE International Symposium on Radio-Frequency Integration Technology (RFIT), 2016.