宽动态范围的VGA芯片Q5500及其应用

    摘要：Q5500是QUALCOMM公司生产的一种宽动态变化范围的新型可变增益集成电路芯片，可用于双模式CDMA/FDM、TDMA/FDM以及模拟和数字无绳电话电路等多种系统中。文中介绍了Q5500的特性、功能及其在第三代移动通信系统模拟前端中的应用，并给出了Q5500的实际应用电路。

    关键词：可变增益放大器 自动增益控制 移动通信 Q5500

1 Q5500的主要特点

在通信传输过程中，往往由于传输信道的非线性而造成信号的多径衰落，同时传输信号也受到各种噪声的干扰，这将使得接收的信号时强时弱。为了尽可能可靠地接收微弱信号，接收机通常都设置有自动增益控制电路（AGC），其目的是使接收机的增益能够随输入信号的强弱而自动调整。自动增益控制的主要功能是在输入信号幅度变化较大的情况下，使输出信号幅度保持恒定或在特定的范围内变化。在第三代移动通信系统中，自动增益的控制变化范围为60dB。因此，如果没有自动增益控制电路，则很可能在接收很强或极弱信号时，使接收机产生饱和或过载或使信号淹没在噪声中而接收不到信号，从而使接收机工作失常。所以自动增益控制电路在接收机中具有相当重要的地位。

文中介绍的VGA芯片Q5500为QUALCOM公司产品。它适合于双模式的接收机设计。其增益高、动态范围大，且使用频率范围适用于中频放大和调节，同时，噪声系数和三阶交调以及其它指标亦可满足IS-95对CDMA蜂窝通信的标准。并可在工作温度和电压变化范围内保持稳定的性能，同时也适用于第三代移动通信基站模拟前端的系统设计。另外，还可应用于光纤通信、激波通信、卫星通信等通信系统以及雷达、广播电视等系统中。

Q5500的主要特性如下：

●支持双模式工作；

●采用单3.6V电源供电；

●在温度和电源变化范围内有较好的性能；

●增益控制范围为-45dB～+45dB；

●频率范围在10MHz～300MHz；

●功耗低；

●采用硅BiCMOS处理方式；

●采用16管脚SSOP封装。

Q5500可广泛用于数字蜂窝系统（双模式CDMA/FDM或TDMA/FDM）、模拟蜂窝系统（AMPS，TACS）、模拟和数字无绳电话、无线数据系统（WAN/LAN）、个人通信、专用无线移动通信（SMR）和可变线性中频放大器/衰减器等系统中。

2 Q5500管脚功能

Q5500管脚排列如图1所示。各管脚功能如表1所列。

表1 Q5500管脚功能

符  号	管  脚	输入/输出类型	功    能
IN+	1	微分输入	高增益数字模式正极性微分输入
IN-	2	微分输入	高增益数字模式负极性微分输入
FM IN	4,5	单端交流输入	低增益模拟模式单端输入
VCONTROL	16	直流输入	模拟增益控制输入端。VCONTROL=0.1V为低增益端，VCONTROL=3.0V为高增益端
SELECT	7	CMOS输入	模数模式选择输入端。VSELECT≥+3.4V为数字模式，VSELECT≤+0.5V为模拟模式
OUT+	10	微分输出	模拟正极性微分输出端
OUT-	9	微分输出	模拟负极性微分输出端
N/C	8		无连接管脚
Vcc	13,14,15	电源	提供工作电源
GND	3,6,11,12	地	地连接
AC GND	5	交流地	模拟信号地连接

3 内部结构和工作原理

Q5500的内部原理框图如图2所示。其内部主要包括放大器、输入模式选择、增益控制、偏移调整和温度补偿等电路。Q5500可工作在CDMA/FM两种模式下，由控制管脚7的电压高低来选择控制工作模式。电路工作时，在管脚7的电压控制下，芯片将选择从管脚1、2输入CDMA信号还是从管脚4、5输入FM信号进行放大或衰减，同时信号增益受到管脚16的电压控制。加在管脚16上的电压还可用来控制芯片内部放大器的放大倍数，从而控制输出信号的大小。控制电压一般是由输出信号经主中放和解调电路检波出的电压来控制的，它是输入信号电压大小的反映。检波出的电压不能直接加到管脚16，而要通过一个控制电压形成电路，此电路可根据检波出的电压大小来判断和改变控制电压以保证后级能够正常的工作；当检波电压较小时，控制电压变大，反之亦然。对于不同的应用，其控制电压的选娶将有所不同。Q5500应用于接收自动增益控制的框图如图3所示。Q5500的特性使它能很好地实现不同的设计目的。

4 典型应用

在移动通信基站的应用中，Q5500可用在基站模拟前端的接收机中，VGA的控制电压由基站发出的电压来控制，以保证整个系统的正常工作。

图4为Q5500芯片的实际应用电路，该电路作为系统AGC电路的核心，必须支持理想中频在足够带宽范围中频所需的增益。电路中的VGA既是电压控制的放大器，同时也是电压控制的衰减器。该电压控制放大器的环路噪声系数很小。而且，它的增益是根据输入信号的具体情况来决定的，并不是一开始就所有的增益加上，然后根据输入信号再来衰减。使用电压控制放大器可降低固定放大器的噪声减。使用电压控制放大器可降低固定放大顺的噪声系数和截断点。VGA的典型噪声系数为5dB～10dB。它在增益最大时（衰减最小时），其噪声系数最小。因为输入信号电平在门限值很低，因此要求整个链的噪声系数要尽可能小。

    图4中的T1、T2、T3为变压器，其作用是为了阻抗的匹配，利用变压器初、次级回路的阻抗变换使前级电路的输出阻抗与Q5500的输入阻抗相等，从而保证功率的最大传输。变压器耦合连接的优点是负载和回路之间没有直接通路。对于CDMA输入信号端，变压器初级的50Ω带线电阻将使变压器次级的输入阻抗为500Ω，因此，应根据阻抗的变化（R次级/R初级）=（N初级/N次级）2）选择50：500的变压器；而FM信号输入端阻抗比为50：850。另外，在电路设计时应注意以下几点：

（1）为防止电源电压直接加到输入使输入电流过大，输入端需采取隔直措施；

（2）由于电路输出端是集电极开路，所以在输出端电源通过扼流圈或大电感提供偏置电流时，可防止输出端高频信号对电源的影响，如果下一级有直流电源加到输入端，需加隔直电容，以防止直流电流通过集电极造成损害；

（3）输入/输出端要加匹配网络，典型的匹配网络应包括偏置电感；

（4）输入端的电源VCC要加0.017μF的旁路电容，以减少高频信号对电源的影响。