增益精確的可變增益放大器

1、增益精確的可變增益放大器時間：2009-08-03 13:13:54 來源：山西電子技術(shù) 作者：李 丹，閏濤濤，陳東坡，周健軍 上海交通大學 引 言    可變增益放大器是GPS接收機中的一個關(guān)鍵模塊，它與反饋環(huán)路組成的自動增益控制電路為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)提供恒定的信號功率。模擬信號控制增益的VGA增益連續(xù)變化，但是線性度較差。    這里采用電阻形式的負反饋的放大器來設(shè)計一個030 dB增益變化的中頻可變增益放大器，VGA的增益精度并不取決于工藝、電壓和溫度等因素對電阻、MOS管開關(guān)的影響，增益誤差在各個工藝角下都小于5

2、。1 可變增益放大器原理    模擬電路需要對信號進行放大或衰減，這一功能可由可變增益放大器(VGA)實現(xiàn)。它在無線通信的收發(fā)信機模擬前端中，起著至關(guān)重要的作用。圖1是用于GPS的接收機模擬前端圖。處于基波頻率的VGA補償射頻模塊和中頻模塊的增益衰減；VGA將輸出信號放大到AD轉(zhuǎn)換器需要的幅度。AGC環(huán)路改變接收機的增益，調(diào)整各級信號動態(tài)范圍，穩(wěn)定輸出信號功率的作用。    對于VGA電路，IIP3和THD是重要的指標，因為它的輸出信號幅度很大。其次，為了實現(xiàn)寬增益范圍調(diào)節(jié)，同時保持不同增益輸入功率下恒定的輸出建立時間，要求VGA的增

3、益與控制電壓成dB線性。VGA增益步長越小越精確，則對ADC的要求越降低。在文中，數(shù)字控制的VGA電路提供了30 dB的增益控制范圍，使用7b精確控制增益大小，所耗面積和功耗小。2 可變增益放大器結(jié)構(gòu)與性能比較    VGA主要分為開環(huán)和閉環(huán)兩種結(jié)構(gòu)。一種常見的開環(huán)結(jié)構(gòu)是文獻1采用的Gilbert結(jié)構(gòu)，如圖2所示電路。Ms上加一個基準電壓，電壓Vc控制耦合電流的大小，起到改變增益的作用。但是此結(jié)構(gòu)電路堆疊了四層電路，限制了輸出電壓的擺幅，而且此電路不能實現(xiàn)指數(shù)增益的控制。這些運用最廣泛的開環(huán)結(jié)構(gòu)中，可變增益放大器主要基于簡單差分，或者是偽差分對，使用源極反饋技術(shù)，

4、模擬乘法器和使用二極管連接的MOS管作為負載等技術(shù)。這些結(jié)構(gòu)最大的問題就是線性度和失真度的問題。    因為負反饋電路具有穩(wěn)定輸出，降低非線性失真的作用，所以閉環(huán)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)更好的線性度。常見的閉環(huán)電路結(jié)構(gòu)中的VGA使用電阻陣列實現(xiàn)增益控制，例如將電阻和MOS管串聯(lián)，控制MOS管開關(guān)的通斷狀態(tài)實現(xiàn)阻值的變化，進而改變放大器的增益。因為繼承電路中的電阻、MOS管開關(guān)都受到工藝、電壓、溫度的影響，難以實現(xiàn)精確的阻值，所以PGA的增益精度有限。文獻9使用電流分割技術(shù)，實現(xiàn)了精確的增益控制，文獻10對電阻網(wǎng)絡(luò)進行了改進，但是這些電路復(fù)雜，額外電路也增加了功耗。這里在沒有增加任

5、何設(shè)計復(fù)雜性的情況下，實現(xiàn)了較為精確的增益控制。3 高性能VGA結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)    為了達到要求的增益控制范圍和步長，使用兩個級聯(lián)的VGA。第一個部分的VGA實現(xiàn)6 dB步長的增益控制，另一個部分實現(xiàn)精準的O5 dB步長。因此整個VGA實現(xiàn)了粗調(diào)和細調(diào)(見圖2)。    當運算放大器的增益足夠大時，閉環(huán)VGA的增益等于兩個電阻的比值：Gain=-RfRs，改變電阻可以實現(xiàn)增益的變化。粗調(diào)的阻值變化很大，改變反饋Rf，會影響粗調(diào)輸出節(jié)點的極點；電阻Rs可變，它對前級將形成變化的負載效應(yīng)。選擇改變Rs，在前級增加緩沖電路進行隔離。 

6、;   首先進行第一級6 dB步長增益的考慮：取Rf=R0，Rs=R1，實現(xiàn)3 dB的增益，那么Rf不變，Rs=2R1，則實現(xiàn)9 dB的增益。同理：當Rs=4R1，實現(xiàn)15 dB增益；當Rs=8R1，實現(xiàn)21 dB增益；當Rs=16R1，實現(xiàn)27 dB增益。    為了更好地匹配，對與電阻串聯(lián)的MOS管開關(guān)尺寸按圖3比例設(shè)計，Rs等于MOS管的導(dǎo)通電阻和多晶硅電阻，MOS導(dǎo)通電阻與WL成反比。再考慮第二級O5 dB步長增益可以發(fā)現(xiàn)，O95轉(zhuǎn)化為dB值等于-0445 5 dB。09為-0915 dB，085為-1412 dB，O8為-1938 d

7、B，075為-2499 dB，O7為-3098 dB。107之間O05的間隔對應(yīng)于dB中基本接近于05 dB的間隔。使用這個規(guī)律，設(shè)計可以如下：        兩級VGA就可以實現(xiàn)O295 dB(25 dB+27 dB=295 dB)增益控制，且步長可以比較精準地達到O5 dB。由于設(shè)計中用的都是電阻的相對值，所以電阻、MOS管開關(guān)都受到工藝電壓和溫度等因素VGA的增益精度的影響會很小。    如圖4所示，可變電阻R1是用多晶硅電阻和工作在晶體管區(qū)的MOS開關(guān)來實現(xiàn)的。開關(guān)電阻通常被用在低失真可調(diào)模擬模塊

8、。MOS晶體管的非線性將產(chǎn)生諧波以及交調(diào)失真，這將會降低整個電路的線性度。在文獻11中，推導(dǎo)出一個近似的公式來接近開關(guān)管的非線性特性。    輸入電壓Vin被轉(zhuǎn)換成非線性電流Iin流入電流模式的VGA放大器。在弱非線性網(wǎng)絡(luò)中，已經(jīng)使用Vol-terra級數(shù)推導(dǎo)出非線性諧波失真(HD2和HD3)。    式中：Vin是輸入的電壓的峰值；R1等于R1+Rds的總和；2，3是二次、三次非線性系數(shù)。因此如果把開關(guān)管放置在運放的虛地端(即運放的輸入端)，則HD2和HD3近似等于0。 4 版圖與后仿真結(jié)果    圖5

9、是用SMIC 018m CMOS工藝實現(xiàn)的VGA版圖，芯片面積為：510m×160m，整個版圖包括VGA核心部分，直流偏移消除模塊，和CMOS源極跟隨緩沖電路，恒定Gm的偏置電路。    圖6圖8給出了VGA在Candence環(huán)境下用Spectre工具模擬得到的后仿真結(jié)果。圖6為輸入階越跳變，得到的輸出瞬態(tài)響應(yīng)曲線。    圖7為不同的數(shù)字增益設(shè)置對應(yīng)的VGA增益。圖8是放大器不同增益的頻域響應(yīng)。其增益從0 dB變化到295 dB，其中05 dB一檔。5 結(jié) 語    本文介紹一種O18m CM

10、OS工藝實現(xiàn)，應(yīng)用于GPS全球定位系統(tǒng)得可變增益放大器。文中巧妙地應(yīng)用反饋系統(tǒng)中環(huán)路穩(wěn)定性理論設(shè)計放大器；在增益步長的控制上，增益隨bit線性化，并保證增益精度不受工藝角偏差影響。仿真結(jié)果表明，該放大器適合在接收機模擬前端中使用。通用可變增益放大器 懸賞分：20 | 提問時間：2010-8-13 18:43 | 提問者：2008051318 1基本要求（1）放大器的低頻及直流最大不失真輸入、輸出信號幅度不低于±3V； （2）放大器的電壓增益可設(shè)為三檔：0.101.00，1.010.0，10100，放大器在同一檔位時增益線性度不低于1%，分辨力不低于1%；增益為100時，在DC1MHz

11、帶寬范圍內(nèi)，輸出大信號幅度波動不超過5%；增益為100時、輸入端短路，輸出端電壓值不超過±5mV；，并有過壓保護能力；W或50W（5）輸入端阻抗可開關(guān)設(shè)置為大于10M或0。W（6）放大器輸出端阻抗可開關(guān)設(shè)置為502發(fā)揮部分（1）放大器的低頻及直流最大不失真輸入、輸出信號幅度不低于±8V； （2）放大器的增益可設(shè)為四檔：0.1001.000，1.0010.00，10.0100.0，100.01000，放大器在同一檔位時線性度不低于0.5%，分辨力不低于0.1%；（3）增益為1000，在DC5MHz帶寬范圍內(nèi)，輸出大信號幅度波動不超過5%；，在DC5MHz頻段內(nèi)，大信號輸出時波

12、形失真度小于2%；W，外接負載50W（4）放大器輸出端阻抗為50（5）增益為1000時、輸入端短路，輸出端電壓值不超過±20mV；（6）整體電路成本低，電路工藝簡單；（7）其他?；诳勺冊鲆娣糯笃鰽D604的超聲衰減補償電路作者： | 出處：電子發(fā)燒友 | 2010-10-27 11:16:13 | 閱讀 440 次 基于可變增益放大器AD604的超聲衰減補償電路,AD604是一種低噪聲、高精度、雙通道、可變增益放大器。它具有增益的分貝數(shù)和增益控制電壓成正比的特性AD604是一種低噪聲、高精度、雙通道、可變增益放大器。它具有增益的分貝數(shù)和增益控制電壓成正比的特性，特別適合于超聲儀器中

13、的時間增益補償電路的應(yīng)用。文中介紹了AD604的特點、結(jié)構(gòu)和使用方法，并介紹了一種基于該芯片的超聲衰減補償?shù)牡湫蛻?yīng)用電路。AD604是Analog Devices(AD公司)的產(chǎn)品。和同類產(chǎn)品相比，AD604具有超低噪聲、高精度、增益連續(xù)可調(diào)，且增益的分貝(dB)數(shù)和增益的控制電壓成正比的特點。而醫(yī)用超聲儀器的時間增益控制(TGC)電路要求其增益與控制電壓呈指數(shù)關(guān)系，也就是增益的分貝(dB)數(shù)和控制電壓成線性關(guān)系。因此，在這方面， AD604是一個理想的超聲TGC放大器，它能有效減小送入A/D轉(zhuǎn)換器的信號動態(tài)范圍。1 引腳功能AD604采用24腳封裝，并有DIP、SSOP和SOIC三種封裝形式

14、，其管腳排列如圖1所示。各引腳的功能說明如下：PAI1/PAI2：前置放大器正輸入;PAO1/PAO2：前置放大器輸出;FBK1/FBK2：前置放大器反饋端;COM1/COM2：信號地;當其接正電源時，前置放大器通道被關(guān)閉;-DSX1/-DSX2：微分衰減器信號輸入負端;+DSX1/+DSX2：微分衰減器信號輸入正端;VGN1/VGN2：增益控制輸入端以及電源關(guān)閉端。接地時，該衰減通道被關(guān)閉;否則隨著正電壓的增加，增益將逐漸增加;VREF：兩個通道的增益控制檔。當其電壓為+2.5V時，增益為20dB/V，而當電壓為+1.67V時，增益為30dB/V;VOCM：輸出信號的共模信號控制端。用以確定這部分電路中直流信號的中值電壓;OUT1/OUT2：信號