畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑O(shè)計(jì)

1、安徽大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目：可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑O(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： e20314086 院（系）： 電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 專業(yè)：電子信息工程入學(xué)時(shí)間： 年 月導(dǎo)師姓名： 職稱/學(xué)位： 導(dǎo)師所在單位：電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑O(shè)計(jì)摘 要可變?cè)鲆娣糯笃魇悄M單元電路之一,起著變化增益、調(diào)整信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍、穩(wěn)定信號(hào)功率的作用。文章綜述了cmos集成可變?cè)鲆娣糯笃鞯难芯壳闆r;給出了可變?cè)鲆娣糯笃鞯亩x、應(yīng)用、分類和主要指標(biāo),描述了多種開(kāi)環(huán)和閉環(huán)放大器的結(jié)構(gòu),分析了相應(yīng)的增益控制方法及其優(yōu)缺點(diǎn);說(shuō)明了在cmos工藝下實(shí)現(xiàn)放大器增益按指數(shù)變化的幾種途徑。最后,介紹了用于無(wú)線數(shù)字通信,具有寬帶

2、、高線性、低電源電壓等高性能可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑O(shè)計(jì)實(shí)例。關(guān)鍵詞：放大器;可變?cè)鲆娣糯笃鱝 design of variable gain amplifierabstractvariable gain amplifier (vga) is an analog circuit, which varies gain, adjusts signal dynamic range and stabilizes signal power. an overview of cmos integrated variable gain amplifiers is made .the definition of vga

3、 and its function, classification and specifications are elaborated. different open-and closed-loop vgas are described, and the advantages and disadvantages of gain control strategies are analyzed. approaches to achieving exponential gain in cmos technology are explained. finally, examples of high p

4、erformance vgas used in wireless digital communication are introduced, which mainly focus on broad bandwidth, high linearity and low supply voltage.keywords: amplifier; variable gain amplifier目錄第一章 引言1第二章 可變?cè)鲆娣糯笃鞯幕A(chǔ)221 可變?cè)鲆娣糯笃鞯姆诸?22 可變?cè)鲆娣糯笃鞯慕Y(jié)構(gòu)223 增益控制424 指數(shù)增益控制的實(shí)現(xiàn)525高性能可變?cè)鲆娣糯笃?第三章 可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑O(shè)計(jì)實(shí)例及仿真結(jié)果9

5、31指數(shù)控制電路932放大電路1133仿真結(jié)果1234結(jié)論13第四章 結(jié)束語(yǔ)14主要參考文獻(xiàn)15致謝16 可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑O(shè)計(jì)第一章 引 言模擬電路需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大或衰減,這一功能由可變?cè)鲆娣糯笃?vga)實(shí)現(xiàn)。可變?cè)鲆娣糯笃?顧名思義,就是增益可以變化的放大器。它廣泛應(yīng)用在磁盤(pán)讀取驅(qū)動(dòng)電路、磁數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)、電磁計(jì)量器、電視調(diào)諧器等許多方面;在無(wú)線通信的收發(fā)信機(jī)模擬前端中,也起著至關(guān)重要的作用。它主要用來(lái)緩沖由天線位置移動(dòng)等因素導(dǎo)致的信號(hào)強(qiáng)弱變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍的影響，確保接收機(jī)正常工作。用于數(shù)字聲廣播的接收機(jī)模擬前端結(jié)構(gòu)圖，它可采用雙正交weaver結(jié)構(gòu),包含3級(jí)工作在不同頻率的vga。射頻

6、混頻器后的vga 補(bǔ)償無(wú)源中頻混頻器的增益衰減;濾波器前的vga 降低其輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍,減小濾波器噪聲對(duì)接收機(jī)的影響;濾波器后的vga將輸出信號(hào)放大到a/d轉(zhuǎn)換器需要的幅度。它們共同起到改變接收機(jī)增益,調(diào)整各級(jí)信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍,穩(wěn)定輸出信號(hào)功率的作用。隨著可變?cè)鲆娣糯蠹夹g(shù)的不斷發(fā)展，它在自動(dòng)測(cè)控、智能測(cè)控、智能儀器儀表等重要領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。從理論上講，改變集成運(yùn)算放大器(運(yùn)放)的反饋電阻或輸入電阻，即可改變放大器的增益。但簡(jiǎn)單地改變反饋電阻或輸入電阻所得到的可變?cè)鲆娣糯笃?，往往并不具備理想的性能有的根本不能正常使用。從?yīng)用的角度出發(fā)，給出典型的可變?cè)鲆娣糯笃鞯膶?shí)現(xiàn)方法，對(duì)可變?cè)鲆娣糯笃鞯?/p>

7、正確選擇和使用有指導(dǎo)意義。 cmos電路中vga增益改變的傳統(tǒng)方法是改變工作在飽和區(qū)的mos器件的跨導(dǎo)或者改變工作在線性區(qū)的mos器件的電阻。改變跨導(dǎo)的方法需要一個(gè)變化的電流，根據(jù)，如果要求vga的增益范圍為30 db，則偏置電流需要變化1 000倍，這種大范圍電流變化對(duì)功耗提出了很高的要求，從而對(duì)設(shè)計(jì)高動(dòng)態(tài)范圍的vga提出了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。后一種方法只需要調(diào)整mos器件的柵電壓就可以改變器件的溝道電阻然而mos電阻處理的信號(hào)能力很低，對(duì)于大動(dòng)態(tài)范圍的輸入信號(hào)會(huì)引起顯著失真最近幾年采用的方法是利用具有兩個(gè)信號(hào)通路的電路，如模擬乘法器，其中一路的信號(hào)從另一路中被削減從而獲得較大的增益變化。然而乘法

8、器電路的性能主要取決于電路的對(duì)稱精度以及對(duì)非線性部分去除能力，因此vga的性能也受到相應(yīng)的影響。第二章 可變?cè)鲆娣糯笃鞯幕A(chǔ)21 可變?cè)鲆娣糯笃鞯姆诸惪勺冊(cè)鲆娣糯笃鞲鶕?jù)增益控制方式,可分成增益連續(xù)可調(diào)的變?cè)鲆娣糯笃骱驮鲆娌竭M(jìn)變化的可編程益放大。vga 使用模擬信號(hào)控制增益,由于增益連續(xù)變化,所以,在數(shù)字通信中不會(huì)因增益突變而造成調(diào)制信號(hào)的接收解調(diào)錯(cuò)誤。pga使用數(shù)字電路控制增益,從而簡(jiǎn)化了模擬控制電路。因?yàn)槠湓鲆媸请x散的,所以能夠在這些離散點(diǎn)上對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化,得到較好的性能。后文一般不再特意區(qū)分,統(tǒng)一稱為可變?cè)鲆娣糯笃?vga)。從設(shè)計(jì)方向上可分為開(kāi)環(huán)的vga和閉環(huán)的vga。開(kāi)環(huán)vga的研究著

9、力于研究新的電路結(jié)構(gòu)或者是改善現(xiàn)有電路,提高和優(yōu)化增益帶寬積、增益db值的線性變化范圍、信噪比和輸出電壓動(dòng)態(tài)范圍等性能指標(biāo);閉環(huán)vga由開(kāi)環(huán)vga和自動(dòng)增益控制agc電路構(gòu)成,它的研究著力于vga和整個(gè)系統(tǒng)的集成,這種集成直接與自動(dòng)增益控制agc電路的實(shí)現(xiàn)有關(guān)。22 可變?cè)鲆娣糯笃鞯慕Y(jié)構(gòu)vga主要分成開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種結(jié)構(gòu)。開(kāi)環(huán)放大器的增益一般表示為等效輸入跨導(dǎo)和等效輸出電阻的乘積: (1)可以通過(guò)改變跨導(dǎo)或輸出電阻實(shí)現(xiàn)增益變化。直接改變輸出電阻是一種簡(jiǎn)單的變?cè)鲆娣绞?。文獻(xiàn)的輸出電阻包含串連電阻和mos管開(kāi)關(guān),開(kāi)關(guān)的通斷控制了輸出電阻的大小。文獻(xiàn)則采用多晶電阻和mos管電阻并聯(lián)的結(jié)構(gòu),通過(guò)控制mo

10、s管柵極電壓,改變其等效電阻,進(jìn)而改變并聯(lián)阻值。這種結(jié)構(gòu)的vga 動(dòng)態(tài)范圍大,工作穩(wěn)定。但由于輸出節(jié)點(diǎn)通常是放大器的主極點(diǎn),因此,輸出電阻的變化將導(dǎo)致帶寬的變化。增益越高,帶寬越小。另一種方法是改變放大器的等效跨導(dǎo),或者說(shuō)改變流入負(fù)載電阻的交流信號(hào)電流的大小。圖1是gilbert結(jié)構(gòu)的電路。圖中,和為輸入管,為耦合管,電壓控制耦合電流的大小,起改變?cè)鲆娴淖饔谩?圖1： gilbert結(jié)構(gòu)的vga圖2的放大器稱為使用源極負(fù)反饋電阻的vga,它也是一種改變等效跨導(dǎo)的電路。設(shè)輸入管的跨導(dǎo)為,在源極負(fù)反饋電阻的作用下,放大器的等效跨導(dǎo)變成(2)式,放大器的增益可用(3)式計(jì)算。改變負(fù)反饋電阻的值,可以

11、實(shí)現(xiàn)增益變化。不過(guò),通常把它看成增益由電阻比值決定的放大器。 (2) (3) 圖2： 使用源極負(fù)反饋電阻的vga 在閉環(huán)結(jié)構(gòu)vga 中,最常見(jiàn)的是基于運(yùn)算放大器、使用電阻反饋網(wǎng)絡(luò)的放大器。圖3所示是一個(gè)基于電壓運(yùn)算放大器的全差分放大器。當(dāng)使用理想運(yùn)算放大器時(shí),其增益等于兩個(gè)電阻的比值,如 (4)改變電阻,即可實(shí)現(xiàn)增益變化。如果電阻可變,它會(huì)影響輸入、輸出節(jié)點(diǎn)的極點(diǎn),使放大器的帶寬發(fā)生變化;如果電阻可變,它對(duì)前級(jí)將形成變化的負(fù)載效應(yīng),需要增加緩沖電路來(lái)隔離。和開(kāi)環(huán)vga相比,閉環(huán)vga使用負(fù)反饋結(jié)構(gòu),性能穩(wěn)定。它的增益取決于電阻之比,線性度較高。在適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)下,它可以實(shí)現(xiàn)端到端的輸入輸出,信號(hào)動(dòng)

12、態(tài)范圍大。然而,對(duì)運(yùn)算放大器高增益、大帶寬、低噪聲、低失真的要求,使得電路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜,功耗相對(duì)較高。而且,由于運(yùn)算放大器自身的限制,難以實(shí)現(xiàn)寬帶vga。文獻(xiàn)使用了電壓運(yùn)算放大器,文獻(xiàn)則使用電流放大器,構(gòu)造了電流型反饋結(jié)構(gòu)vga。 圖3： 閉環(huán)結(jié)構(gòu)的vga23 增益控制 目前有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制agc電路,它們分別是模擬電路agc和數(shù)字電路agc。對(duì)于寬帶系統(tǒng),設(shè)計(jì)高性能模擬agc電路是困難和復(fù)雜的。隨著cmos技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字化agc電路可以提供一個(gè)比較好的解決方案。 通常情況下,一個(gè)數(shù)字agc電路包含在基帶dsp芯片中,這導(dǎo)致基帶dsp不得不抽出一部分精力完成agc的工作,而基帶

13、dsp的本職工作是基帶信號(hào)處理。因此,當(dāng)數(shù)字agc電路從基帶dsp分離出來(lái)時(shí),agc和dsp可以專注于它們各自的工作,這種分離也有效地降低了部件相關(guān)性。獨(dú)立的閉環(huán)agc電路能夠重新移植給另一應(yīng)用系統(tǒng)而無(wú)需任何改動(dòng)?？删幊梯敵鲭妷禾岣吡藇ga的通用性,使得vga能夠很好的適應(yīng)不同應(yīng)用解決方案的動(dòng)態(tài)范圍。基于這種想法,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)具有數(shù)字agc電路的閉環(huán)vga。圖4給出了這種閉環(huán)vga的結(jié)構(gòu)。 圖4： 具有數(shù)字agc的閉環(huán)vga結(jié)構(gòu)24 指數(shù)增益控制本節(jié)介紹了一種單級(jí)寬增益范圍cmos可變?cè)鲆娣糯笃鳌?同時(shí)為實(shí)現(xiàn)增益與控制電壓的db 線性,利用mosfet 的亞閾值特性及差分對(duì)轉(zhuǎn)移特性設(shè)計(jì)了指

14、數(shù)電壓轉(zhuǎn)換電路。 文章給出了電流調(diào)節(jié)型可變?cè)鲆娣糯笃鞯幕窘Y(jié)構(gòu)及為減小非線性失真而設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案;圖5是放大器的整體結(jié)構(gòu),增益由可變?cè)鲆鎲卧c固定增益放大器級(jí)聯(lián)完成, 耦合電容用來(lái)消除級(jí)間失調(diào), 指數(shù)電壓轉(zhuǎn)換電路完成增益與外部控制電壓的db 線性。可變?cè)鲆鎲卧潭ㄔ鲆鎲卧?輸入輸出外部控制電壓指數(shù)電壓轉(zhuǎn)換電路 圖5：cmos 可變?cè)鲆娣糯笃髡w結(jié)構(gòu)框圖 圖6：電流調(diào)節(jié)型cmos 可變?cè)鲆鎲卧秒p信號(hào)支路相加或相減實(shí)現(xiàn)增益調(diào)節(jié)在bipolar工藝中得到廣泛應(yīng)用,本文提出一種類似于gilbert 型模擬乘法器的電流調(diào)節(jié)型可變?cè)鲆鎲卧?或稱之為信號(hào)相減型柵極驅(qū)動(dòng)可變?cè)鲆娣糯笃?如圖6 所示。 圖中

15、為輸入信號(hào),為控制信號(hào)。 放大器的等效跨導(dǎo)可以表示為: (5)其中a 為與 尺寸及工藝相關(guān)的常數(shù); 與 為兩個(gè)信號(hào)支路的尾電流大小, 且。為避免增益相位翻轉(zhuǎn), 必須始終大于或小于0。 假定 0 ,即始終大于。 則最大增益位于尾電流全部流過(guò) 時(shí),即=; 最小增益發(fā)生在和電流幾乎相等時(shí), 即。 設(shè)最小增益處和分別為和,由于輸出阻抗不變, 由(5) 式可得, 放大器的增益控制范圍可以表示為: (6)如果考慮最小增益時(shí)兩個(gè)信號(hào)支路尾電流之差為i ,需要注意的是i 不能小于雙信號(hào)支路的等效失配電流, (6) 式改寫(xiě)為: (7)從上式看出,圖6 中可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆娣秶晌搽娏骱褪湟蜃哟笮Q定,在我們

16、的設(shè)計(jì)中,約為2 %,帶入(7) 式增益控制范圍為37db?；窘Y(jié)構(gòu)的vga 單元存在很多的性能缺陷,主要體現(xiàn)在大信號(hào)輸入時(shí)電路線性度惡化,以及尾電流調(diào)節(jié)支路帶來(lái)的增益控制不穩(wěn)定等問(wèn)題。 實(shí)際上,vga 最小增益對(duì)應(yīng)于最大的輸入信號(hào)功率,失真引起的信號(hào)非理想性遠(yuǎn)比電路輸出噪聲帶來(lái)的影響要大。 電路的輸出三階互調(diào)失真表示為 : (8)式中im3 定義為等幅正弦信號(hào)x ( sin1 t +sin2 t) 在電路輸出端引起的21 2 或22 1 失真與基頻分量2 或1 的比值。 根據(jù)上式, im3 失真隨著輸入信號(hào)幅度成平方增長(zhǎng)。 為保持v ga 輸出恒定,有, 和分別為vga最小和最大增益,則vg

17、a 在最小和最大增益處的三階互調(diào)失真之比為: (9)式中和分別對(duì)應(yīng)于vga 最小和最大增益處輸出信號(hào)的三階項(xiàng)系數(shù);dr 為vga 增益變化范圍,即 。 根據(jù)(9) 式,為保持放大器三階互調(diào)失真性能在最差情況下滿足要求,最好情況下的im3將遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求。 如果認(rèn)為在兩種極限增益下變化范圍與相當(dāng),則。 為了補(bǔ)償由于電路不同工作狀態(tài)引起的性能差異,同時(shí)減小性能的過(guò)度余量(性能的過(guò)度余量意味著更大的功耗和面積等設(shè)計(jì)代價(jià)) ,需要優(yōu)化圖示的vga 在大信號(hào)輸入情況下,即小增益處的非線性失真。25高性能可變?cè)鲆娣糯笃髟跓o(wú)線數(shù)字通信中,信號(hào)帶寬越來(lái)越寬,要求增大vga帶寬;信號(hào)調(diào)制方式越來(lái)越復(fù)雜,要求提高

18、vga線性度;通信持續(xù)時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng),要求降低vga功耗。隨著cmos工藝的發(fā)展,mos管溝道長(zhǎng)度縮小,要求vga電源電壓下降。同時(shí),若保持vga動(dòng)態(tài)范圍不變,則要求vga 噪聲減小。因此,當(dāng)前vga的設(shè)計(jì)正朝著寬帶、高線性、低噪聲、低壓、低功耗的方向發(fā)展。這一節(jié)對(duì)各種高性能vga的設(shè)計(jì)進(jìn)行了討論。當(dāng)接收機(jī)前端采用多級(jí)下變頻結(jié)構(gòu)時(shí),第一級(jí)中頻頻率可能在百mhz以上。這對(duì)vga 的設(shè)計(jì)是一種挑戰(zhàn)。閉環(huán)結(jié)構(gòu)的vga由于難以實(shí)現(xiàn)高增益、大帶寬的運(yùn)算放大器,它們的帶寬較窄。一般使用開(kāi)環(huán)電路來(lái)設(shè)計(jì)寬帶vga。為了提高帶寬,可以減小負(fù)載電阻或電容,這意味著需要大偏置電流,或降低vga帶負(fù)載能力。文獻(xiàn)等設(shè)計(jì)的

19、vga帶寬都在200mhz以上,但它們的功耗都超過(guò)了20mw,基本上是用功耗換取帶寬。文獻(xiàn)用mos管、電容和電流源構(gòu)造了有源負(fù)載,它在高頻下等效為感性阻抗,從而增大了帶寬。文獻(xiàn)分析了共源共柵結(jié)構(gòu)放大器的高頻特性,并采用有源反饋的方法,使得cmos管從共柵形式轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)共源形式,補(bǔ)償了高頻下阻抗的下降,在低功耗下增加了帶寬。在接收機(jī)后級(jí),vga處理大信號(hào),提高信號(hào)線性,降低失真是主要目標(biāo)。公式(1)是開(kāi)環(huán)放大器增益的基本表達(dá)式,由于跨導(dǎo)gm的非線性,輸出信號(hào)失真較大。為了提高輸出信號(hào)的線性,要盡量使增益和跨導(dǎo)的絕對(duì)值無(wú)關(guān)。圖4使用源極負(fù)反饋電阻的vga,其增益近似等于負(fù)載電阻和源極負(fù)反饋電阻的比值

20、。因?yàn)榉蔷€性跨導(dǎo)相對(duì)較小,所以,輸出信號(hào)的線性度大大提高。這一結(jié)構(gòu)適合處理大信號(hào),具有較高的線性。但從公式(3)看到,為了減小跨導(dǎo)的影響,源極負(fù)反饋電阻要足夠大,而為了獲得高增益,相應(yīng)的負(fù)載電阻就要更大。這樣,造成電路噪聲增加,帶寬下降。文獻(xiàn)采用跨導(dǎo)增強(qiáng)技術(shù)提高輸入管的跨導(dǎo),減小它在(3)式中的影響,達(dá)到提高線性的目的。再?gòu)牧硪粋€(gè)角度分析(1)式的增益表達(dá)式。盡管輸入管跨導(dǎo)絕對(duì)值的線性度差,但是,如果增益能表示為輸入管跨導(dǎo)與負(fù)載管跨導(dǎo)的比值,那么,輸出信號(hào)的線性同樣可得到提高。另外,因?yàn)樨?fù)反饋電路具有穩(wěn)定輸出,降低非線性失真的作用,所以,使用負(fù)反饋的vga,其線性度都比較高。第三章 可變?cè)鲆娣?/p>

21、大器的設(shè)計(jì)實(shí)例及仿真結(jié)果在射頻集成電路中，由于各種因素的影響，天線從外部接收到的信號(hào)強(qiáng)度變化很大，將會(huì)引起信號(hào)的衰減。因此需要在射頻前端或者變頻后的中頻端采用可變?cè)鲆娣糯笃鳎╲ariable gain amplifier , vga）電路。本文設(shè)計(jì)的vga主要用于數(shù)字電視機(jī)頂盒中的高頻調(diào)諧器。對(duì)于模擬的vga可以用mos管可變電阻作為差分輸入的源級(jí)負(fù)反饋，以達(dá)到增益變化的控制。從而實(shí)現(xiàn)低噪聲、低失真的目標(biāo)，但以mos管作為可變電阻，在低功率工作時(shí)，其電阻和寄生電容降低了高頻增益控制范圍。采用三級(jí)可變跨導(dǎo)式可變?cè)鲆娣糯笃?，其原理是通過(guò)改變mos管偏壓電流達(dá)到控制增益變化的目的。它可以實(shí)現(xiàn)良好的增

22、益db-線性控制，但是在低增益時(shí)其頻響差，為達(dá)到低噪聲，mos管的乘法因子n必須大，因此不適合在高頻段工作。更多的是運(yùn)用gilbert單元實(shí)現(xiàn)可變?cè)鲆娣糯笃?，該結(jié)構(gòu)利用造成兩個(gè)負(fù)載差分對(duì)之間的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換以達(dá)到控制增益的目的。另外，跨導(dǎo)電路是將輸入端的射頻電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)。其優(yōu)點(diǎn)就是可以實(shí)現(xiàn)低噪聲、低失真，可以在高頻段工作。缺點(diǎn)就是由于電流增益與控制電壓的數(shù)學(xué)關(guān)系，需要相關(guān)電路配合以實(shí)現(xiàn)增益db-線性控制能力。本例在這種結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上構(gòu)造了一個(gè)簡(jiǎn)單的電路實(shí)現(xiàn)近似的指數(shù)控制電路，仿真結(jié)果表明設(shè)計(jì)的vga具有較好的性能。31指數(shù)控制電路在自動(dòng)增益控制（agc）系統(tǒng)中，為了使總回路的增益響應(yīng)時(shí)間與輸

23、入信號(hào)幅度無(wú)關(guān)，一般將vga的增益設(shè)計(jì)成與控制電壓成指數(shù)的關(guān)系。而在cmos工藝中沒(méi)有可以產(chǎn)生指數(shù)函數(shù)的本征器件，一般通過(guò)在cmos工藝中兼容雙極型管或者通過(guò)分段近似指數(shù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)，但這種方法的缺點(diǎn)是分段函數(shù)的導(dǎo)數(shù)是不連續(xù)的，且電路設(shè)計(jì)的難度很大。本設(shè)計(jì)采用構(gòu)造一個(gè)函數(shù)來(lái)近似指數(shù)函數(shù)，此函數(shù)是： (10） 如圖7所示，這是指數(shù)控制電路。為保證管工作在飽和區(qū)，控制電壓必須保持在的范圍內(nèi)。m1m5m6m2m4m3圖7： 控制電路原理圖從圖中可以得到管的漏極電流為 （11） （12），。經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可以得到 （13） （14）假設(shè)而且，從（13）式和（14）式可以得到的比值是： （15）此式是控制電壓的函

24、數(shù)，與（14）式比較可以得出，。由于在（15）式中是假設(shè)，而實(shí)際上選擇，那么控制電壓的范圍是在之間。這種情況下，在（15）式中的關(guān)系依然成立。常量的變化，可以通過(guò)改變（15）式中的偏置電流或者晶體管的尺寸大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此這就會(huì)導(dǎo)致不同的增益變化范圍。本文是通過(guò)選擇一個(gè)片外電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖8是產(chǎn)生偏置電流的電路圖，可以得到偏置電流為 （16）式中是比例因子。這樣，由控制電路產(chǎn)生的和控制電壓成db-線性關(guān)系。將其接到放大電路的一端作為控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)增益的控制。m8m14m13m10m9m11m12圖8： 的產(chǎn)生電路原理圖32放大電路圖9是實(shí)現(xiàn)vga所采用的放大電路原理圖，并且包含了共模反饋電路。該放

25、大器包含一個(gè)輸入共源差分對(duì)（）和二極管連接的負(fù)載（）?？刂齐娐穲D7中的電流m22m21m17m18m19m20m25m28m27m26m15m16m24m23可變?cè)鲆骐娐饭材７答侂娐穲D9： vga主體電路原理圖通過(guò)晶體管分別鏡像到圖9中的 和。因此，可以得到這個(gè)vga的差分增益為 （17） 其中是的跨導(dǎo)，是的跨導(dǎo)。所以差分增益與之間的關(guān)系是 （18） 因此由（18）式可以看出，只要調(diào)節(jié)偏置電流，就能達(dá)到最優(yōu)的增益動(dòng)態(tài)范圍。如前所述，改變外部電阻即可調(diào)節(jié)發(fā)生變化。所以，這種結(jié)構(gòu)的vga可以通過(guò)調(diào)節(jié)外部電阻而使得總的增益發(fā)生變化。在該電路中，增加了共模反饋以起到阻止晶體管工作在線性區(qū)并檢測(cè)兩個(gè)輸出

26、端的作用。33仿真結(jié)果該電路設(shè)計(jì)采用chartered 0。35umcmos工藝，仿真工具是mentor公司的模擬射頻電路仿真工具eldo/eldo rf，電源電壓是3。3v。仿真結(jié)果如下：增益動(dòng)態(tài)范圍（=0。7v2。3v）約30db，頻率范圍是46mhz268mhz。噪聲系數(shù)10db（輸入輸出阻抗為50），輸入三階交調(diào)iip3在最大增益處為-32dbm，最小增益處為-2dbm。圖10給出了和成db-線性關(guān)系的曲線圖，圖11給出了vga的增益變化范圍。圖10 ： 和成db-線性關(guān)系圖 圖11： 增益變化范圍 34 結(jié)論本例采用0.35um cmos工藝設(shè)計(jì)了一種適用于dvb-c標(biāo)準(zhǔn)的高頻調(diào)諧器

27、中的可變?cè)鲆娣糯笃?，運(yùn)用mentor公司的eldo工具對(duì)其進(jìn)行了仿真，電路的增益動(dòng)態(tài)范圍約為30db ,帶寬為46mhz267mhz ,功耗為4.63mw。放大器的性能與設(shè)計(jì)參數(shù)吻合較好,可以應(yīng)用在數(shù)字有線電視接收機(jī)的中頻段以協(xié)同完成射頻到中頻的調(diào)諧放大功能。第四章 結(jié)束語(yǔ)可變?cè)鲆娣糯笃魇鞘种匾哪M電路之一。它在模擬前端中起著調(diào)節(jié)增益,穩(wěn)定輸出,降低后級(jí)電路輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的作用。它在不同應(yīng)用場(chǎng)合需要滿足大帶寬、高線性、低壓低功耗等不同要求。因此,研究可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑O(shè)計(jì)具有十分重要的意義。以上的各種實(shí)現(xiàn)方法，有些已在實(shí)踐中得到成功應(yīng)用，這些不同種類的可變?cè)鲆娣糯笃髟谛阅芴攸c(diǎn)、增益的改變方

28、式、電路實(shí)現(xiàn)的難易程度等方面各有不同，在具體選用時(shí)應(yīng)綜合考慮其中的主要因素。還可以通過(guò)增加附屬電路的辦法。進(jìn)一步提高放大器的某一項(xiàng)或少數(shù)幾項(xiàng)性能指標(biāo)，以滿足某些應(yīng)用場(chǎng)所的特殊需要。 主要參考文獻(xiàn)1harjani r.a low-power cmos vga for 50 mb/s disk drive read channels j.ieee trans circ and systii,1995,42(6):370-376.2gomez r, abidi a a.a 50mhz cmos variable gain amplifier for magnetic data storage sys

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