專欄文章

應用到毫米波波束成型器(Beamformer)系統的可變增益放大器(Variable Gain Amplifier, VGA)需要在足夠的增益可調範圍下達到低相位變化。在毫米波頻段上，通常會使用多級可變增益放大器，而相位變化將隨著放大器級數越多而增加，因此本文將探討多級可變增益放大器之低相位變化技術。

低相位變化是應用到毫米波波束成型器系統的可變增益放大器一個相當重要的指標，若可變增益放大器在調整增益的時候相位發生劇烈的變化，那我們又必須調整相移器的相位來補償此變化，如此將增加了波束成型系統控制上的複雜度，因此在設計此可變增益放大器時，要達到增益在不同的狀態下，相位必須要有低的變化。

 因此有許多文獻[1]-[5]提出應用到毫米波可變增益放大器低相位變化技術，但是這些相位補償技術，多是作用在單級可變增益放大器上，但在毫米波頻段上，為了達到足夠大的增益與足夠的可變增益範圍，通常會使用多級可變增益放大器，而相位變化將隨著放大器級數越多而增加。

 因此在文獻[6]中提出用兩種混合的可變增益放大器組態，彼此之間的相位變化剛好互補，來組合成一個多級的低相位變化的可變增益放大器。圖一是多級相位補償技術之低相位變化毫米波可變增益放大器架構圖，我們利用兩級不同架構的可變增益放大器，讓其中一級可變增益放大器相位變化是隨增益下降而上升的，另外一級可變增益放大器相位變化是隨增益下降而下降的，如此我們將兩級可變增益放大器串接起來，利用兩個不同組態的可變增益放大器相位變化剛好互補，我們可以得到更大的調變增益範圍，卻維持更低的相位變化。

圖一、多級相位補償技術之低相位變化毫米波可變增益放大器架構圖。

 接下來我們要找尋兩種可變增益放大器的組態他們的相位變化隨著增益改變剛好是互補的特性，文獻[6]提出電流汲取的可變增益放大器相位變化是隨增益下降而上升的，而分裂式疊接組態架構的可變增益放大器相位變化是隨增益下降而下降的，因此此論文利用電流汲取可變增益放大器與疊接組態可變增益放大器相位趨勢剛好相反的特性，將兩級不同架構的可變增益架構串接，剛好相位趨勢可以互補，達到整體可變增益放大器有低相位變化的特性。

 但是由於兩種不同組態的可變增益放大器控制電壓的方向不同，電流汲取可變增益放大器是當控制電壓上升時增益下降，而疊接組態可變增益放大器是當控制電壓下降時增益下降，因此我們要一數位控制介面來同時控制一正一反的控制電壓，這提高了系統控制電壓機制的複雜度。

 因此在文獻[7]中提出一的雙級電流汲取相位補償技術之毫米波可變增益放大器電路。傳統電流汲取可變增益放大器架構在增益下降時，對應的相位趨勢是上升的，文獻[7]在傳統電流汲取可變增益放大器的後面，加上一個相位趨勢反轉電路，可以翻轉原先的相位趨勢，讓電流汲取可變增益放大器在增益下降時，對應的相位趨勢也是下降的，接著透過串接兩級電流汲取可變增益放大器，但是其中一級是有加入相位反轉電路設計的，讓兩級相位變化趨勢可以互相補償，最終達到整體可變增益放大器低相位變化的特性，利用此架構相同的可變放大器，由於兩級控制電壓的方向一致，不需要複雜的控制電壓機制，相位又可互補，達到低相位變化。

參考文獻

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[2]        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.

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[5]        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.

[6]        D.-S. Siao, J.-C. Kao, H. Wang, “A 60 GHz Low Phase Variation Variable Gain Amplifier in 65 nm CMOS,” Microwave and Wireless Components Letters, IEEE, vol. 24, no. 7, pp. 457–459, July 2014.

[7]      J.-H. Tsai and C.-L. Lin, “A 40 GHz 4-Bit digitally controlled VGA with low phase variation using 65 nm CMOS process,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 29, no. 11, pp. 729-732, Nov. 2019.