可變增益放大器的設計畢業(yè)論文（精）

1、學號：201106508 畢業(yè)論文（設計）題目名稱： 可變增益放大器的研究 題目類型： 研究論文 學生姓名： 王 雙 全 院 （系）： 物理與光電工程學院 專業(yè)班級： 應用物理學11103班 指導教師： 李 林 輔導教師： 李 林 時 間： 2015年1月 至 2015年6月目錄畢業(yè)論文（設計）I長江大學畢業(yè)論文(設計)任務書I畢業(yè)設計開題報告III長江大學畢業(yè)論文(設計)指導教師評審意見IX長江大學畢業(yè)論文(設計)評閱教師評語X長江大學畢業(yè)論文(設計)答辯記錄及成績評定XI中文摘要XII英文摘要XIII1 前言11.1 課題意義11.2 可變增益放大器的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢12可變增益放大器的設計

2、基礎(chǔ)32.1 自動增益控制環(huán)路基礎(chǔ)32.2 VGA 的性能參數(shù)42.3 VGA 的結(jié)構(gòu)92.4 本章小結(jié)183指數(shù)增益控制技術(shù)和實現(xiàn)方式183.1指數(shù)控制電路183.2增益dB 線性的實現(xiàn)方式204 可變增益放大器的設計204.1 輸入匹配電路204.2 主體放大電路214.3 控制電壓轉(zhuǎn)換電路234.4 輸出匹配電路234.5 仿真結(jié)果245總結(jié)25參考文獻26致謝27長江大學畢業(yè)論文(設計)任務書學院（系） 物理學院 專業(yè) 應用物理學 班級 11103 學生姓名 王雙全 指導教師/職稱 李林/副教授 1. 畢業(yè)論文(設計)題目：可變增益放大器的研究2. 畢業(yè)論文(設計)起止時間：2015

3、年1月12日2015 年6月10 日3. 畢業(yè)論文(設計)所需資料及原始數(shù)據(jù)（指導教師選定部分）1王自強，池保勇，王志華. CMOS可變增益放大器設計概述. 微電子學，2005，35(6)：612617；2王自強，池保勇，王志華. CMOS 寬帶可變增益放大器. 半導體學報，2005 ，26(12)：2401-2406；3郭峰，李智群，陳東東，等. 寬帶 CMOS 可變增益放大器的設計. 半導體學報,2007，28(12):1967-1971;4王自強，王志華. CMOS 高線性變增益放大器. 半導體技術(shù)，2004，29(11):65-67;5 鄭吉華，李永明，陳弘毅. CMOS 寬動態(tài)范圍的

4、可變增益放大器. 半導體學報， 2003, 24(8): 595-599;6 龔正，馮軍. 0.18um CMOS 可變增益放大器.電子器件2006,29(4):1031-1034.;7 郭峰，李智群，陳東東，等. 寬帶 CMOS 可變增益放大器的設計. 半導體學報， 2007，28(12): 1967-1971;4. 畢業(yè)論文(設計)應完成的主要內(nèi)容通過查閱可變增益放大器的相關(guān)資料、書籍及文獻，研究 VGA 的基本理論，熟悉多種 VGA 結(jié)構(gòu)和優(yōu)缺點，并選擇可實現(xiàn)增益 dB 線性的 VGA 結(jié)構(gòu)。研究 VGA 的基礎(chǔ)理論與架構(gòu)，結(jié)合電路理論，完成各模塊電路的建模。并針對功耗以及線性度和輸出擺

5、幅進行優(yōu)化分析，得到最優(yōu)功效的 VGA 架構(gòu)。根據(jù)各關(guān)鍵模塊的性能指標，選擇合適的拓撲結(jié)構(gòu)，分析各種電路和工藝的非理性因素，仔細分析設計電路以達到指標要求。完成各關(guān)鍵模塊的結(jié)構(gòu)和電路參數(shù)設計后，將各模塊聯(lián)結(jié)起來對整個 VGA進行仿真、調(diào)試。5. 畢業(yè)論文(設計)的目標及具體要求 基于可變增益放大器的理論研究，設計滿足60dB線性增益的寬動態(tài)范圍可變增益放大器的系統(tǒng)架構(gòu)，完成增益dB線性的VGA的設計。根據(jù)VGA系統(tǒng)模塊化性能指標分配理論，確定個關(guān)鍵模塊的性能指標。6. 完成畢業(yè)論文(設計)所需的條件及上機時數(shù)要求 上機100小時任務書批準日期 年 月 日 教研室(系)主任(簽字) 任務書下達日

6、期 年 月 日 指導教師(簽字) 完成任務日期 年 月 日 學生（簽名） 長江大學畢業(yè)設計開題報告題 目 名 稱 : 可變增益放大器的研究 院 （系） : 物理與光電工程學院 專 業(yè) 班 級 : 應用物理11103班 學 生 姓 名 : 王 雙 全 指 導 教 師 : 李 林 輔 導 教 師 : 李 林 開題報告日期: 2015年4月2日 可變增益放大器的研究 學 生：王雙全 物理與光電工程學院 指導老師：李林 物理與光電工程學院一、題目來源科研項目二、研究的目的和意義由于在大自然的空氣中存在著各種不可預測的干擾因素，故接收機接收的外部信號的強弱會有不同。為了提高接收效果，一般的通信接收系統(tǒng)都

7、會采用自動增益控制電路，而可變增益放大器(Variable Gain Amplifier, VGA)是自動增益控制電路的核心部件。它起著改變系統(tǒng)增益，調(diào)整系統(tǒng)各級動態(tài)范圍并進行功率控制的作用?？勺冊鲆娣糯笃魍ǔ］敵鼋o模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Convertor,ADC），可變增益放大器必須滿足 ADC 性能要求，由此可見可變增益放大器的優(yōu)劣對通信接收系統(tǒng)的性能有非常大的影響。因此可變增益放大器在各種需要進行自動增益控制的系統(tǒng)中應用廣泛。三、閱讀的主要參考文獻及資料名稱1王自強，池保勇，王志華. CMOS可變增益放大器設計概述. 微電子學，2005，35(6)：612617

8、；2王自強，池保勇，王志華. CMOS 寬帶可變增益放大器. 半導體學報，2005 ，26(12)：2401-2406；3郭峰，李智群，陳東東，等. 寬帶 CMOS 可變增益放大器的設計. 半導體學報,2007，28(12):1967-1971;4王自強，王志華. CMOS 高線性變增益放大器. 半導體技術(shù)，2004，29(11):65-67;5 鄭吉華，李永明，陳弘毅. CMOS 寬動態(tài)范圍的可變增益放大器. 半導體學報， 2003, 24(8): 595-599;6 龔正，馮軍. 0.18um CMOS 可變增益放大器.電子器件2006,29(4):1031-1034;7 郭峰，李智群，陳

9、東東，等.寬帶 CMOS 可變增益放大器的設計. 半導體學報， 2007，28(12): 1967-1971;四、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1.國內(nèi)外現(xiàn)狀2010 年，So Young Kang 等人發(fā)表一篇文章，該文章中的 VGA 采用數(shù)字控制與可編程增益放大器有許多相似之處，該 VGA 的功耗只有 2.16mW，但是它的線性度等相對要差一些，不能夠用在高性能的系統(tǒng)中。2011 年，T.A.Wey 等人發(fā)表了一篇文章，在該文章中提出的 VGA 結(jié)構(gòu)中使用了二氧化鈦二極管憶阻器，這種采用物理式嵌入記憶的結(jié)構(gòu)是很新穎的，能夠通過這種物理式嵌入記憶的方式來降低功耗、提高帶寬。但是這種依靠新材料或者

10、元器件的方式在現(xiàn)在還并不能大范圍的普及，無論是技術(shù)還是資金方面都存在著限制。 2012 年，何曉豐、莫太山、王晴暉、馬成炎等人基于 0.18m CMOS 工藝實現(xiàn)了一種數(shù)字控制的可變增益放大器，并且利用增益加強技術(shù)改進可了步進精度。最終，增益動態(tài)范圍為 62 dB，步長精度為 1 dB，步進誤差在 0.2 dB 以內(nèi)，功耗只有 2.7mW，-3dB 帶寬為 80Mhz，芯片面積 0.3mm ×0.8mm。2.發(fā)展趨勢根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，目前在國際上對 VGA 的研究呈現(xiàn)如下發(fā)展態(tài)勢：1、低噪聲發(fā)展隨著無線技術(shù)以及相關(guān) ADC 高精度的發(fā)展。 2、提高線性度技術(shù)3、低電壓低功耗趨勢4、

11、更高頻率下使用的 VGA5、寬動態(tài)范圍發(fā)展趨勢6、更多的使用純 CMOS 工藝3.研究的主攻方向 本論文主要討論具有低噪聲、高線性度、寬動態(tài)范圍、低功耗指標的高性能可變增益放大器的研制課題。 五、主要研究內(nèi)容、需重點研究的問題及解決思路1.主要研究內(nèi)容（1）可變增益放大器的基本理論與結(jié)構(gòu)學習 通過查閱可變增益放大器的相關(guān)資料、書籍及文獻，研究 VGA 的基本理論，熟悉多種 VGA 結(jié)構(gòu)和優(yōu)缺點，并選擇可實現(xiàn)增益 dB 線性的 VGA 結(jié)構(gòu)。（2）60dB 線性增益的寬動態(tài)范圍 VGA 開環(huán)系統(tǒng)架構(gòu)建模 研究 VGA 的基礎(chǔ)理論與架構(gòu)，結(jié)合電路理論，完成各模塊電路的建模。并針對功耗以及線性度和輸

12、出擺幅進行優(yōu)化分析，得到最優(yōu)功效的 VGA 架構(gòu)。（3）關(guān)鍵模塊性能指標確定 確定 VGA 系統(tǒng)架構(gòu)后，評估 0.13µm/3.3V CMOS 工藝，結(jié)合工藝參數(shù)和系統(tǒng)性能指標，根據(jù) VGA 系統(tǒng)模塊化性能指標分配理論，確定各關(guān)鍵模塊的性能指標。（4）關(guān)鍵模塊設計與仿真 根據(jù)各關(guān)鍵模塊的性能指標，選擇合適的拓撲結(jié)構(gòu)，分析各種電路和工藝的非理性因素，仔細分析設計電路以達到指標要求。（5）整體電路的仿真與調(diào)試 完成各關(guān)鍵模塊的結(jié)構(gòu)和電路參數(shù)設計后，將各模塊聯(lián)結(jié)起來對整個 VGA進行仿真、調(diào)試。2.重點研究問題 關(guān)鍵模塊性能指標確定。各種設計指標的折中應該是 VGA 設計中最具挑戰(zhàn)的任務。

13、尤其是噪聲和線性度的折中，比如，一種 VGA 的設計優(yōu)化提供最大的增益和最小的噪聲系數(shù)，而具有很差的線性度，相反，另一種 VGA 設計優(yōu)化提供了最好的線性度，其代價是更小的最大增益和更高的噪聲。這些矛盾的產(chǎn)生是因為晶體管本身是非線性器件，但在放大器工作的范圍內(nèi)能夠被近似為線性，而這種近似能夠成立的范圍是由晶體管的增益決定的。當增益增加時，近似能夠成立范圍下降。同時噪聲因子與增益是正相關(guān)關(guān)系。因此優(yōu)化 VGA 的設計使其滿足上述三個指標非常的具有挑戰(zhàn)性。 3.解決思路1）負反饋技術(shù)能更進一步的減低失真來提高電路的線性度 2）差分電路可以消除噪聲 3）源級負反饋電阻的偽差分結(jié)構(gòu)的功耗很低，結(jié)構(gòu)也簡

14、單。此外，在低電壓的情況下可以提供良好的線性度和高精度的增益補償。六、完成畢業(yè)論文（設計）所必須具備的工作條件及解決方法1需要一臺計算機完成編輯工作2需要一臺計算機及其安裝相應的仿真軟件進行模擬分析，上機時數(shù)約100學時3能夠進入期刊數(shù)據(jù)庫查閱相關(guān)文獻七、工作的主要階段、進度與時間安排1）查閱相關(guān)資料文獻； 1月15日3月2日2）完成開題報告； 3月25日4月2日3）完成可變增益放大器的基本理論與結(jié)構(gòu)學習； 4月 02日5月1日4）VGA 開環(huán)系統(tǒng)架構(gòu)建模和關(guān)鍵模塊性能指標確定; 5月2日5月10日5）整體電路的仿真與調(diào)試； 5月11日5月21日6）完成論文寫作并修改定稿； 5月21日5月31

15、日 7）論文答辯； 6月。8、 指導教師審查意見 指導教師： 年 月 日 長江大學畢業(yè)論文(設計)指導教師評審意見學生姓名王雙全專業(yè)班級應物11103班畢業(yè)論文(設計)題目可變增益放大器的研究指導教師李林職 稱 副教授評審日期評審參考內(nèi)容：畢業(yè)論文(設計)的研究內(nèi)容、研究方法及研究結(jié)果，難度及工作量，質(zhì)量和水平，存在的主要問題與不足。學生的學習態(tài)度和組織紀律，學生掌握基礎(chǔ)和專業(yè)知識的情況，解決實際問題的能力，畢業(yè)論文(設計)是否完成規(guī)定任務，達到了學士學位論文的水平，是否同意參加答辯。評審意見： 指導教師簽名： 評定成績（百分制）：_分長江大學畢業(yè)論文(設計)評閱教師評語學生姓名王雙全專業(yè)班級

16、應物11103班畢業(yè)論文(設計)題目可變增益放大器的研究評閱教師職 稱評閱日期評閱參考內(nèi)容：畢業(yè)論文(設計)的研究內(nèi)容、研究方法及研究結(jié)果，難度及工作量，質(zhì)量和水平，存在的主要問題與不足。學生掌握基礎(chǔ)和專業(yè)知識的情況，解決實際問題的能力，畢業(yè)論文(設計)是否完成規(guī)定任務，達到了學士學位論文的水平，是否同意參加答辯。評語：評閱教師簽名： 評定成績（百分制）：_分長江大學畢業(yè)論文(設計)答辯記錄及成績評定學生姓名王雙全專業(yè)班級應物11103班畢業(yè)論文(設計)題目可變增益放大器的研究答辯時間 年 月 日 時答辯地點一、答辯小組組成答辯小組組長：成 員：二、答辯記錄摘要答辯小組提問（分條摘要列舉）學生

17、回答情況評判三、答辯小組對學生答辯成績的評定（百分制）：_分 畢業(yè)論文(設計)最終成績評定(依據(jù)指導教師評分、評閱教師評分、答辯小組評分和學校關(guān)于畢業(yè)論文(設計)評分的相關(guān)規(guī)定)等級(五級制)：_答辯小組組長(簽名) ： 秘書(簽名)： 年 月 日院(系)答辯委員會主任(簽名)： 院(系)(蓋章)可變增益放大器的研究 學 生：王雙全，物理與光電工程學院指導教師：李 林，物理與光電工程學院摘要 可變增益放大器(VGA)是模擬電路的一個基本組成模塊。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，可變增益放大器廣泛地應用于電視調(diào)諧器、助聽器、移動通信系統(tǒng)，硬盤驅(qū)動系統(tǒng)和無線通訊等諸多領(lǐng)域之中。隨著深亞微米CMOS工藝的到來

18、，集成電路的特征是尺寸越來越小，電源電壓逐漸降低，高性能的VGA設計向模擬電路設計師提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，目前可變增益放大器的研究向著高的線性度、低電壓低功耗、寬的動態(tài)范圍等方向發(fā)展。鑒于此，探討了一些高性能VGA的設計技術(shù)，對開環(huán)VGA和閉環(huán)VGA兩種結(jié)構(gòu)作了詳細的論述，并分析相應的增益控制方法和優(yōu)缺點是很有意義的。我國在相關(guān)方面的研究還處于起步階段，因此也就成為一項人們關(guān)注的課題。本文的主要工作是：首先介紹了可變增益放大器的設計挑戰(zhàn)與 VGA 的研究現(xiàn)狀；接著對 VGA 的性能指標及常見結(jié)構(gòu)進行闡述；探討了一些高性能VGA的設計技術(shù)；對開環(huán)VGA和閉環(huán)VGA兩種結(jié)構(gòu)作了詳細的論述；并分析了相應

19、的增益控制方法和優(yōu)缺點。關(guān)鍵詞可變增益放大器；VGA；開環(huán)；閉環(huán)；增益控制； Study on variable gain amplifierB.S Candidate: Wang Shuangquan School of Physical Science and Technology Supervisor: Li Lin School of Physical Science and TechnologyAbstract A variable gain amplifier (VGA) is one of the basic modules of analog circuit. With the

20、 development of microelectronic technology, variable gain amplifier is widely applicated in TV tuner, hearing aids, mobile communication system, hard disk drive system and wireless communications and other fields. With the advent of deep sub micron CMOS technology, feature size of integrated circuit

21、s is getting smaller and smaller, power supply voltage decreases, VGA design of high performance analog circuit designers to proposed severe challenges, the variable gain amplifier research toward the direction of high linearity, low voltage and low power consumption, wide dynamic range. In view of

22、this, discussesing some high performance VGA designing technology, open loop VGA and closed two structures in detail, and analyses the corresponding gain control methods and their advantages and disadvantages. In the relative research in China is still in the initial stage, it has become a topic of

23、concern.The main work of this paper is: introduced the research status of the variable gain amplifier design challenges and VGA; then expounded the performance indexes of VGA and common structure; discusses some high performance VGA design technology; open-loop VGA VGA and closed two structures for

24、the detailed discussion; and analyzes the corresponding gain control methods and their advantages and disadvantages. Keywords Variable gain amplifier; high performance; open loop; closed loop;XIII前言可變增益放大器的研究1 前言1.1 課題意義由于在大自然的空氣中存在著各種不可預測的干擾因素，故接收機接收的外部信號的強弱會有不同。為了提高接收效果，一般的通信接收系統(tǒng)都會采用自動增益控制電路，而可變增益

25、放大器(Variable Gain Amplifier, VGA)是自動增益控制電路的核心部件。它起著改變系統(tǒng)增益，調(diào)整系統(tǒng)各級動態(tài)范圍并進行功率控制的作用?？勺冊鲆娣糯笃魍ǔ］敵鼋o模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Convertor,ADC），可變增益放大器必須滿足 ADC 性能要求，由此可見可變增益放大器的優(yōu)劣對通信接收系統(tǒng)的性能有非常大的影響。因此可變增益放大器在各種需要進行自動增益控制的系統(tǒng)中應用廣泛。1.2 可變增益放大器的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢可變增益放大器作為RF接收器的關(guān)鍵模塊，其設計技術(shù)的研究一直是RF集成電路的熱點。眾多設計技術(shù)和新穎電路結(jié)構(gòu)都是圍繞可變增益放大器各項

26、性能展開的?？勺冊鲆娣糯笃餍枰谠鲆娣秶?、線性度、功耗、噪聲等性能之間做折中，應用系統(tǒng)不同對各項性能的要求亦不同。由于VGA在數(shù)據(jù)傳輸和轉(zhuǎn)換、通信領(lǐng)域等方面的重要作用，對VGA進行多方面的研究意義重大1。世界上許多高校和研究機構(gòu)都在進行各種結(jié)構(gòu)的可變增益放大器 研究和開發(fā)。從他們的研究成果中，我們可以了解到VGA 的發(fā)展動態(tài)。1996 年，CSrinivasan 等人設計的VGA 具有15dB 到40dB 的增益控制范圍帶寬為80MHZ，功耗為30mW。該設計是利用工作在線性區(qū)的MOS 管作為并聯(lián)反饋部分來調(diào)節(jié)增益，電路增益與控制電壓是成反相關(guān)的關(guān)系。2002 年，Abdelfattah K.

27、 M 采用0.5m CMOS 工藝設計了一種新型的VGA，使電路在較寬的范圍內(nèi)滿足近似指數(shù)關(guān)系。用軟件仿真，結(jié)果顯示其增益動態(tài)范圍可以達到50dB，供電電壓為1.5V，功耗小于1.2mW.2003 年，鄭吉華、李永明、陳弘毅等人采用函數(shù)近似的方法利用源極負反饋的電路結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)了增益dB線性的可變增益放大器。2004 年，Yuanjin Zheng 等人采用0.35m 工藝設計出增益范圍60dB 的VGA， 帶寬大于10MHz。并構(gòu)造了一種新穎的指數(shù)控制電路實現(xiàn)增益dB 線性特性。2005 年，王自強、池保勇、王志華等人基于 TSMC 0.25m CMOS 工藝設計實現(xiàn)了一款動態(tài)范圍在 040d

28、B；在負載為 5pF 電容，帶寬大于 340MHz；輸出的三階互調(diào)截點在 3.5dBm 以上的可變增益放大器2006 年，惲廷華、唐守龍、時龍興等人基于 0.25m CMOS 工藝采用跨導線性化原理實現(xiàn)了一種具有增益 dB 線性的可變增益放大器。測試結(jié)果表明該放大器的動態(tài)范圍 848dB，最大增益值處的噪聲系數(shù)是 8.7dB，差分輸出擺幅為 1V 的三階互調(diào)，失真小于-60dBc。2007 年，郭峰、李智群、陳東東、李海松、王志功等人采用 TSMC 0.18m RFCMOS 工藝實現(xiàn)了動態(tài)范圍為-3.39.5dB 的 增益dB 線性的可變增益放大器2008 年，Yong-Ju Suh 等人設計

29、了用于三波段WCDMA 的VGA，在800MHz 下動態(tài)范圍大于100dB，在2GHz 下動態(tài)范圍大于84dB。通過兩級放大器實現(xiàn)了寬動態(tài)范圍，并設計了新穎的電壓-電流指數(shù)控制電路，在800MHz 下的最大輸出功率為7dBm。2009 年，李丹、閆濤濤、陳東坡、周建軍等人采用電阻負反饋的放大器閉環(huán)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)一個 030dB 動態(tài)范圍的可變增益放大器，該可變增益放大器的帶內(nèi)紋波小于 0.1dB，IIP3 在 0dB 增益時達到了 31dBm，電流功耗為 3mA。2010 年，曲明、檀柏梅、趙毅強、姜俊偉、李瑞杰等人對傳統(tǒng)的可變增益放大器進行了優(yōu)化設計，改進并采用相關(guān)雙采樣的功能，芯片面積減少約 5

30、l，功耗降低約 27，帶寬為 44.9MHz，噪聲在 1MHz 頻率點只有 18.5nV。從以上國內(nèi)外的研究成果中我們可看出，目前VGA 的研究大部分是基于CMOS 工藝，且研究重點集中在了以下這三個方面：CMOS 工藝下寬范圍的指數(shù)控制電路、寬增益動態(tài)范圍的增益模塊以及高線性度的可變跨導。國內(nèi)的研究進展與國外相比還存在較大的差距，為此，展開高性能VGA 的研究很有必要。第19頁 （共26頁）可變增益放大器的設計基礎(chǔ)2可變增益放大器的設計基礎(chǔ)2.1 自動增益控制環(huán)路基礎(chǔ)在無線通信系統(tǒng)中，天線收到的信號可能是強度不同的信號，并且變化的范圍很大，對于這種強度變化范圍很大的信號，要做到正確的解調(diào)，必

31、須根據(jù)信號的強度的不同實時的調(diào)整增益，使輸出信號強度維持穩(wěn)定。自動增益控制環(huán)路(AGC Automatic GainControl)就是實現(xiàn)這種功能的電路。AGC 的主要模塊是可變增益放大器，如圖 1 所示，給出了自動增益控制環(huán)路的框圖，可變增益放大器的輸入端是一個增益可控的輸入端，增益控制輸入端信號控制它的增益；峰值檢測器對 可變增益放大器輸出信號的包絡進行檢波，檢波后的信號通過低通濾波器進行濾波，然后將 VGA 的輸出信號幅度的平均值送入比較器中，與參考電平進行比較，再根據(jù)比較的結(jié)果對 VGA 的增益進行調(diào)整，使輸出信號的幅度保持恒定。 圖1 自動增益控制環(huán)路框圖隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展

32、，AGC 環(huán)路也可以通過數(shù)字信號來控制，如圖 2 所示，給出了數(shù)字自動增益控制環(huán)路的框圖。VGA 的輸出信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，在數(shù)字域中判斷信號的強度，并產(chǎn)生數(shù)字增益控制字對 VGA 增益進行控制2。圖2 數(shù)字自動增益控制框圖2.2 VGA 的性能參數(shù)VGA的主要功能是實現(xiàn)增益變化,相應指標有增益變化范圍、增益變化步長和增益變化精度。此外，還包括電源電壓、功耗、帶寬、線性、噪聲、輸入輸出信號動態(tài)范圍等，與固定增益放大器相比VGA設計中需要考慮增益變化對其他性能的影響。2.2.1 噪聲噪聲是一種無規(guī)則變化的電流或電壓所表征出來的起伏現(xiàn)象，當加載信號時，會導致信號中的信息量減少。噪聲可

33、根據(jù)噪聲源分為兩大類：內(nèi)部噪聲和外部噪聲。內(nèi)部噪聲是指通信系統(tǒng)中的內(nèi)部電路噪聲；外部噪聲則是從系統(tǒng)外界傳入的噪聲。對于接收機設計而言，內(nèi)部電路產(chǎn)生的噪聲是主要研究對象。電路中的噪聲可以看作是由電路中的噪聲源產(chǎn)生的隨機信號，通常采用功率譜密度PSD(PowerSpectral Dens)表征隨機信號的特性，電路中電流或電壓的波動通常導致信號中帶有噪聲，直流電流或直流電壓實際上是由理想的直流信號和波動的交流信號組成的。為了能夠利用交流電路理論計算電路的噪聲功率，通常定義噪聲電壓或電流產(chǎn)生器為： Vn(f)=Sv(f) （1） in(f)=Si(f) （2）式中Snf，Si(f)分別表示的是直流電流

34、和直流電壓的功率譜密度函教。后面闡述的器件噪聲模型 主要是定義了各自的噪聲電壓 產(chǎn)生器Vn或噪聲電流產(chǎn)生器。噪聲系數(shù)描述信號在通過電路時的信噪比SNR的衰減程度，噪聲系數(shù)定義為輸入信噪比與輸出信噪比之間的比值，即： NF=SiNiSONO （3）式中，SI輸入信號功率，NI為輸入噪聲功率，SO為輸出信號功率，NO為輸出噪聲功率。NF通常采用dB對數(shù)形式。對于一個二端口網(wǎng)絡而言，噪聲系數(shù)可表示為： NF=SININOSO=NOGSI （4） 也即是說，噪聲系數(shù)指的是系統(tǒng)總輸出噪聲與僅由于輸入噪聲引起的輸出噪聲之間的比值。對于可變增益放大器來說，由于電路的增益G是在一定的范圍內(nèi)變化，根據(jù)式（4）如

35、果電路輸出噪聲No保持不變，則NF隨G成反比變化，即高增益處放大器增益噪聲系數(shù)是最小的，而在最小增益處VGA的噪聲系數(shù)是最大的。圖3 典型可變增益放大器噪聲系數(shù)隨控制電壓的變化曲線圖3表示的是一種典型NF隨VGA增益控制電壓的變化而變化的曲線，其中電路增益與控制信號成正比。由于VGA在最大增益處的輸入信號功率最小，此時噪聲對電路的 SFDR影響最大因此設計過程中一般都會給出VGA在最大增益處的噪聲系數(shù)的指標，如圖3中在最大增益處的噪聲系數(shù)最小大約為9dB。2.2.2 線性度電路的線性度是 VGA 的另一個重要性能。線性度表征了系統(tǒng)加在輸入信號上的非線性失真。在許多電路設計中，為了簡化小信號響應

36、，非線性系統(tǒng)被看作直流工作點上的線性電路。但是，當 AC 信號變大時，晶體管的直流工作點發(fā)生改變，非線性失真將變得顯著，線性度的值決定了電路能夠承受的最大輸入信號功率3。通常一個非線性系統(tǒng)可以表示為：yt=a0+a1xt+a2xt2+a3xt3+ （5）其中 y是輸出，x是輸入，a1、a2、a3是多項式系數(shù)。通常我們用 1dB 壓縮點來衡量電路的非線性。1dB 壓縮點定義為系統(tǒng)的功率增益比理想的線性功率小 1dB 時輸入輸出的信號功率，如圖 4 所示：圖4 1dB點輸入輸出信號功率當兩個頻率的間隔非常小的信號加到非線性系統(tǒng)上時，兩個信號的高次諧波就會使得輸出信號中包含著不想要的分量，成為交調(diào)成

37、分。這些交調(diào)項離基波非常近，會導致了失真，如圖 5 所示：圖5 三階互調(diào)示意圖在全差分電路結(jié)構(gòu)中，對稱的差分結(jié)構(gòu)可以消除偶次諧波，電路中最重要的交調(diào)失真是三階項。對于小信號，一階項遠遠大于交調(diào)項，盡管如此，當輸入信號的幅度增加時，三階交調(diào)項以三次方的速度增加，遠遠快于一階交調(diào)項的增加。三階交調(diào)點定義為理想一階輸出曲線和兩項三階輸出曲線的交點，如圖 6 所示：圖6 三階互調(diào)點三階交調(diào)點對應的輸入信號的幅度為：AIP3=0.75a1a3 (6)最后一級子系統(tǒng)的非線性性能和增益對整個系統(tǒng)的影響最大。與噪聲相反的是，當最后一級增益增加時，線性度降低。這表明為了滿足設計要求，我們必須在線性度和噪聲之間直

38、接折中。2.2.3 增益與帶寬級聯(lián)系統(tǒng)的整體線性度和噪聲是依賴于每一級的增益，因此，每一級增益的變化都會對整體的噪聲和線性度造成相反的影響。另外一個重要的參數(shù)是放大器的帶寬，同樣也與增益相關(guān)，式(8)和(9)分別給出增益和帶寬方程4。AV=R2R1+1gm (7)-3dB1R2C2 (8)從方程（7）中可以看出，增加輸出阻抗將增加增益，但是會降低放大器的帶寬。這表明，簡單放大器中增益和帶寬存在一個折中。但使用復雜的放大器時，這種關(guān)系也會變得更復雜，但是，增益和帶寬總是相反變化的。不同系統(tǒng)中對可變增益放大器的帶寬要求是不同的，根據(jù)系統(tǒng)需求不同及所使用的放大器結(jié)構(gòu)的不同，可以使用不同的方法來加強系

39、統(tǒng)的增益和帶寬性能。多級放大器級聯(lián)能夠顯著增加增益，但是會增加功耗，減小帶寬。為了達到低功耗的需求以及更好的頻率響應可以使用共源共柵結(jié)構(gòu)，但這在低供電電壓時會限制電壓裕度，其它的技術(shù)比如電容補償可以用來提高多級放大器的帶寬，增益增強技術(shù)可以用來提高放大器的增益，上述方法都可以用于設計 VGA。2.2.4 增益范圍和增益步長可變增益放大器與固定增益放大器的最大區(qū)別是增益控制范圍和步長，為了實現(xiàn)恒定的環(huán)路建立時間，可變增益放大器必須具有對數(shù)線性增益控制特性。如圖 7 所示：圖7 VGA 的典型 dB線性增益控制特性上圖是增益連續(xù)變化型 VGA，現(xiàn)在運用較多的是數(shù)字可變增益放大器，增益范圍和增益步長

40、是增益控制特性的兩個最重要的指標，增益范圍是指可變增益放大器最大的增益與最小的增益之差?，F(xiàn)在VGA 電路可以提供的增益，從 20dB 至 190dB。一般來說，50dB 的動態(tài)范圍就可以滿足大多數(shù)無線通信系統(tǒng)的要求。增益步長的定義是每個增益控制位引起的增益變化，是衡量可變增益放大器調(diào)節(jié)精度的重要參數(shù)。典型值有 6dB、3dB、2dB、1dB。要想獲得較小增益步長來提高增益精度，就需要更多的增益控制位，這將明顯的增加系統(tǒng)的復雜度以及占用的面積5。2.3 VGA 的結(jié)構(gòu)VGA主要分成開環(huán)和閉環(huán)兩種結(jié)構(gòu)。VGA 的特點在于增益是可變的，通常是在普通的閉環(huán)和開環(huán)放大器的基礎(chǔ)上進行一定程度上的改進增益來

41、實現(xiàn)。具有增益變化特性的閉環(huán)放大器是一種實現(xiàn)VGA 的主要方式。在開環(huán)放大器中，增益一般可表式為等效輸入跨導和等效輸出電阻的乘積，如式（12）。具有可變跨導或者輸出電阻的開環(huán)放大器則是另外兩種實現(xiàn)VGA 的主要方式。 AV=-GmRout （12）可以通過改變跨導或輸出電阻實現(xiàn)增益變化，直接改變輸出電阻是一種簡單可行的改變增益的方式。2.3.1閉環(huán)結(jié)構(gòu)的VGA閉環(huán)結(jié)構(gòu)的VGA 如圖9所示，如果運放理想，其閉環(huán)增益可表達為兩個電阻之比。改變電阻R1 和R2，即可改變增益大小。圖9 閉環(huán)結(jié)構(gòu)的VGA AV=-R2R1 （13）若圖中R1 不變，調(diào)節(jié)R2 從小到大變化從而實現(xiàn)增益從小到大變化；若R2

42、 不變，調(diào)節(jié)R1 從小到大變化從而實現(xiàn)增益從大到小變化。如果電阻R2 改變，會影響輸入、輸出節(jié)點的極點，導致放大器的帶寬發(fā)生改變；如果電阻R1 改變，對前一級將形成變化的負載效應，就需要增加緩沖電路來隔離6。閉環(huán)結(jié)構(gòu)的可變增益放大器 使用負反饋的形式，性能較為穩(wěn)定，其增益取決于電阻之比，線性度較高。在合適的設計下，可以實現(xiàn)端到端的輸入輸出，可以滿足較大的信號動態(tài)范圍。然而，由于實際中對運放高增益、大帶寬、低失真和低噪聲的要求，電路的設計會變得比較復雜，功耗相對較高。而且，由于運放自身的限制，難以實現(xiàn)寬帶VGA。在設計閉環(huán)結(jié)構(gòu)的VGA 時，應當注意非線性失真對電路的影響。在實際電路設計中還需要考

43、慮芯片面積的因素，電阻不能做得太大。閉環(huán)結(jié)構(gòu)VGA的實現(xiàn)有多種方式。其中一種是在輸入端采用開關(guān)電阻陣列，通過電阻陣列實時切換實現(xiàn)增益的變化。另一種是在 閉環(huán)放大器中采用了一種基于 電流分配的網(wǎng)絡，這種結(jié)構(gòu)在實現(xiàn) 增益dB 線性變化的同時，也獲得了60dB范圍的增益控制。2.3.2基于負載可變的VGA在開環(huán)結(jié)構(gòu)的VGA 中，通過改變輸出電阻可以改變增益。文獻7采用電阻和MOS 管并聯(lián)的方式，通過控制MOS 管柵電壓來改變整個并聯(lián)結(jié)構(gòu)的電阻，從而改變增益。文獻9的輸出電阻包含了MOS管 開環(huán)和電阻，通過開關(guān)的通斷來控制輸出電阻大小，從而達到控制增益的目的。一種常用的改變負載的方式是基于如圖10所示

44、 的電路結(jié)構(gòu)。電路的負載為二級管連接的M3 和M4，其值為1/gm3,4。通過調(diào)節(jié) 三極管M3 和M4 的尾電流Ib 來調(diào)節(jié)輸出電阻3,4，最終達到改變負載大小來實現(xiàn)增益變化的目的。實際上，電路增益可以表達為 AV=-gm1,2gm3,4 （14）若使電流Ia 和Ib 同時向相反方向變化，可以實現(xiàn)更大范圍的增益控制。圖10 負載可變的VGA2.3.2基于跨導可變的VGA改變電路的等效輸入跨導也可以改變開環(huán)放大器的增益，這也是文獻中最常采用的方式。對于不同類型的電路結(jié)構(gòu)，等效跨導的調(diào)節(jié)方式是各不相同的，總的來說調(diào)節(jié)方式可以分為以下三類8。(1)線性區(qū)工作的共源共柵結(jié)構(gòu)圖11 線性區(qū)工作的共源共柵

45、結(jié)構(gòu)的VGA該結(jié)構(gòu)的電路如圖11 所示。共源共柵管 作為輸入，輸入對管M1、M2 工作在線性區(qū)，其等效跨導 是漏源電壓VDS1,2 的線性函數(shù)，控制三極管M3 和M4 柵電壓，調(diào)整M1、M2 的漏端電壓VD1,2，從而改變VDS1,2，使電路的等效輸入跨導變化。（2）基于源極負反饋的VGA如圖12 的電路可以稱為基于源極負反饋的VGA。連接在輸入管源極的電阻2RS 阻值是可變的，增益可表示為 AV=-RDRS （15）M1、M2 的跨導越大，增益表達為兩電阻阻值之比的準確程度就越高。調(diào)節(jié)源極負反饋電阻2RS 阻值就可調(diào)節(jié)增益。圖12 基于源極負反饋的VGA（3）基于Gilbert 單元的VGA

46、圖13 Gilbert 單元的VGA圖中M1和M2為輸出管，M3至M6為耦合管，電壓Vc控制耦合電流的大小，用于改變增益。Gilbert結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可以提供較大的增益和較小的噪聲，適用于小信號輸入情況。缺點則是一方面，在大輸入信號下，MOS管可能會進入線性區(qū)，導致電路不能正常工作；另一方面，全差分結(jié)構(gòu)的Gilbert電路疊堆了3層的MOS管，極大的限制了輸出信號的動態(tài)范圍。2.3.3 模擬控制 VGA傳統(tǒng)的 VGA 電路完全基于模擬控制電路，傳統(tǒng)的模擬 VGA 大部分基于Bipolar工藝的吉爾伯特乘法單元。雙極性器件固有的指數(shù) I-V 特性，能夠很容易得到高增益范圍和對數(shù)-線性增益變化特性。

47、到了上世紀 80 年代底，利用 CMOS 工藝中的寄生雙極性晶體管，將這種雙極型控制技術(shù)運用于 CMOS 技術(shù)。這種技術(shù)的優(yōu)點是寄生的橫向和垂直雙極型晶體管都能在標準的 CMOS 技術(shù)中實現(xiàn)，而且不需要任何額外的工藝步驟。不過由于這種寄生的器件的帶寬有限，性能特性也不是很好，使得它們在實際應用中并不合適。因此，涌現(xiàn)了很多技術(shù)來嘗試只用 MOS 這一種晶體管來實現(xiàn)線性-對數(shù)函數(shù)。一種方法是利用工作在弱反型或亞閾區(qū) MOS 晶體管漏電流與柵電壓的指數(shù)關(guān)系來實現(xiàn)。這種技術(shù)利用偏置在亞閾區(qū)的 MOS 管來實現(xiàn)大約 20dB 每級的對數(shù)-線性增益范圍。不過這種技術(shù)也不是非常實用，因為它限制了可以接受的輸

48、入信號幅度，高頻特性非常差，同時還需要額外的偏置電流9。另外一種可能性是采用近似技術(shù)，這可以在所有的 CMOS 工藝中實現(xiàn)指數(shù)函數(shù)。下面介紹幾種基于工作在平方率區(qū)或先行區(qū)的 MOS 晶體管生成指數(shù)函數(shù)的近似方法。是基于以下近似： e2x1+x1-x (16)其中x表示獨立的變量，多種 VGA 技術(shù)就是利用這種近似來用 CMOS 電路實現(xiàn)對數(shù)-線性特性，例如文獻中的控制電路就是一個指數(shù)的電流電壓變換器（偽指數(shù)電壓產(chǎn)生器），這種指數(shù)控制電壓產(chǎn)生器運用到 CMOS 吉爾伯特乘法器上，就可以獲得指數(shù)變化的增益9。圖 14 是這種偽指數(shù)電壓發(fā)生器的功能框圖。圖14 偽指數(shù)電壓發(fā)生器的功能框圖一種具體的實

49、現(xiàn)電路如圖 15所示：圖15 偽指數(shù)電壓發(fā)生器電路圖這個電路由兩個背接的電流鏡構(gòu)成，信號 V1和 V2以差分的形式輸入，如果信號 V3和 V4能夠以指數(shù)的形式來變化，那么乘法器的輸出也會以指數(shù)的形式變化。 當然這個電路只是這種近似方法的典型結(jié)構(gòu)。另外在文獻10中還提出了非常多的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)能夠提供更好的性能。另外一種近似被稱為泰勒級數(shù)近似，它能夠利用偏置在飽和區(qū)的 MOS 晶體管來生成近似的指數(shù)函數(shù)。忽略高階項，二級泰勒級數(shù)近似可以表示為： ex1+x+12x2 （17）其中x是獨立變量，文獻中有幾種結(jié)構(gòu)就是采用了泰勒級數(shù)近似。一種泰勒級數(shù)的近似指數(shù)函數(shù)產(chǎn)生電路如圖 17 所示：圖16 近似

50、指數(shù)函數(shù)產(chǎn)生電路但是總的來說，基于偽指數(shù)和泰勒級數(shù)近似的 CMOS VGA，并不能提供很高的增益范圍，因此，有時候為了利用這些結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高增益范圍，必須以很大的增益誤差為代價。最近提出的一種新的近似指數(shù)方程如式 18 所示： f(x)=K+(1+ax)2k+(1-ax)2 （18）其中k 和a是常數(shù)，x 是獨立變量。相比較前幾種近似方法，基于式(18)的 VGA技術(shù)能夠顯著的提高增益范圍。但是，這種結(jié)構(gòu)的 VGA 帶寬隨著增益變化而變化較大。帶寬從最高增益時低于 40MHz一直到最低增益時高于 1GHz。另外一種 CMOS 模擬 VGA 結(jié)構(gòu)基于信號相加技術(shù)11。這種信號相加技術(shù)利用兩種類型的增

51、益補償技術(shù)來完成線性對數(shù)增益控制。這種技術(shù)能夠達到 380MHz 的帶寬，同時能改善噪聲和線性度。但是，這種 VGA 結(jié)構(gòu)每一級的增益范圍只有 20dB，而且盡管使用了兩種增益補償技術(shù)，增益誤差依然高達 3dB。許多模擬 VGA 結(jié)構(gòu)同樣能被用于數(shù)字控制的 VGA，在接下來的一節(jié)里，將介紹幾種典型的數(shù)字 VGA 技術(shù)。2.3.4數(shù)字控制 VGA 在現(xiàn)在大多數(shù)混合信號應用中，VGA 通常是必不可少的一部分，以在 ADC 的輸入端獲得一個合理的信號強度。當信號進入數(shù)字領(lǐng)域，便能用DSP 技術(shù)來實現(xiàn)復雜的數(shù)據(jù)控制和精確的增益計算。因此，在混合信號 IC 里面，自動增益控制電路中的增益控制部分由單片機控制來實現(xiàn)。如果使用模擬控制 VGA，那么 DSP 輸出的數(shù)字信號就需要通過ADC轉(zhuǎn)換為模擬信號，如圖 18所示。不過，如果使用數(shù)字控制 可變增益放大器，那么 可變增益