可变增益放大器的设计1.doc

1、安徽大学本科毕业论文（设计）题 目： 可变增益放大器的设计 学生姓名： 学号： E20314086 院（系）： 电子科学与技术学院 专业：电子信息工程 入学时间： 年 月导师姓名： 职称/学位： 导师所在单位： 电子科学与技术学院 可变增益放大器的设计摘 要可变增益放大器是模拟单元电路之一,起着变化增益、 调整信号 动态范围、 稳定信号功率的作用。文章综述了 CMOS 集成可变增益放大器的研究情况;给出了可 变增益放大器的定义、 应用、分类和主要指标,描述了多种开环和闭环放大器的结构,分析了相应的增益控制方法及其优缺点;说明了在 CMOS 工艺下实现放大器增益按指数变化的几种途径。最后 ,介绍

2、了用于无 线数字通信,具有宽带、高 线性、低电源电压等高性能可变增益放大器的设计实例。关键词：放大器;可变增益放大器A 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 d

3、efinition of VGA 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, ex

4、amples of high performance 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 录第一章 引言1第二章 可变增益放大器的基础221 可变增益放大器的分类222 可变增益放大器的结构223 增益控制424 指数增益控制的实现525 高性能可变增益放大器8第三章

5、可变增益放大器的设计实例及仿真结果931 指数控制电路932 放大电路1133 仿真结果1234 结论13第四章 结束语14主要参考文献15致谢16安徽大学本科生毕业论文 可变增益放大器的设计与实现0可变增益放大器的设计第一章 引 言模拟电路需要对信号进行放大或衰减,这一功能由可变增益放大器(VGA)实现。可变增益放大器,顾名思义,就是增益可以变化的放大器。它广泛应用在磁盘读取驱动电路 、1磁数据存储系统 、电磁计量器 、电视调谐器 等许多方面;在无线通信的收发信机模2 3 4拟前端中,也起着至关重要的作用。它主要用来缓冲由天线位置移动等因素导致的信号强弱变化对系统动态范围的影响，确保接收机正

6、常工作。用于数字声广播的接收机模拟前端结构图，它可采用双正交 weaver 结构,包含 3 级工作在不同频率的 VGA。射频混频器后的 VGA 补偿无源中频混频器的增益衰减;滤波器前的 VGA 降低其输入信号动态范围,减小滤波器噪声对接收机的影响;滤波器后的 VGA 将输出信号放大到 A/D 转换器需要的幅度。它们共同起到改变接收机增益,调整各级信号动态范围,稳定输出信号功率的作用。随着可变增益放大技术的不断发展，它在自动测控、智能测控、智能仪器仪表等重要领域的应用也越来越广泛。从理论上讲，改变集成运算放大器(运放)的反馈电阻或输入电阻，即可改变放大器的增益。但简单地改变反馈电阻或输入电阻所得

7、到的可变增益放大器，往往并不具备理想的性能有的根本不能正常使用。从应用的角度出发，给出典型的可变增益放大器的实现方法，对可变增益放大器的正确选择和使用有指导意义。 CMOS电路中VGA增益改变的传统方法是改变工作在饱和区的MOS器件的跨导或者改变工作在线性区的MOS 器件的电阻。改变跨导的方法需要一个变化的电流，根据，如果要求VGA的增益范围为30 dB，则偏置电流需要变化1 000倍，这种LWKIgDm2大范围电流变化对功耗提出了很高的要求，从而对设计高动态范围的VGA提出了相当大的挑战。后一种方法只需要调整MOS器件的栅电压就可以改变器件的沟道电阻然而MOS电阻处理的信号能力很低，对于大动

8、态范围的输入信号会引起显著失真最近几年采用的方法是利用具有两个信号通路的电路，如模拟乘法器，其中一路的信号从另一路中被削减从而获得较大的增益变化。然而乘法器电路的性能主要取决于电路的对称精度以及对非线性部分去除能力，因此VGA的性能也受到相应的影响。安徽大学本科生毕业论文 可变增益放大器的设计与实现1第二章 可变增益放大器的基础21 可变增益放大器的分类可变增益放大器根据增益控制方式,可分成增益连续可调的变增益放大器和增益步进变化的可编程益放大。VGA 使用模拟信号控制增益 ,由于增益连续变化,所以,在数字通信中不会因增益突变而造成调制信号的接收解调错误。PGA 使用数字电路控制增益,从而简化

9、了模拟控制电路。因为其增益是离散的,所以能够在这些离散点上对电路进行优化,得到较好的性能。后文一般不再特意区分,统一称为可变增益放大器(VGA)。从设计方向上可分为开环的 VGA 和闭环的 VGA。开环 VGA 的研究着力于研究新的电路结构或者是改善现有电路,提高和优化增益带宽积、增益 dB 值的线性变化范围、信噪比和输出电压动态范围等性能指标;闭环 VGA 由开环 VGA 和自动增益控制 AGC 电路构成,它的研究着力于 VGA和整个系统的集成,这种集成直接与自动增益控制 AGC 电路的实现有关。22 可变增益放大器的结构VGA主要分成开环和闭环两种结构。开环放大器的增益一般表示为等效输入跨

10、导 和mG等效输出电阻 的乘积:outR(1)outmRGain可以通过改变跨导或输出电阻实现增益变化。直接改变输出电阻是一种简单的变增益方式。文献 的输出电阻包含串连电阻和MOS管开关,开关的通断控制了输出电阻的大小。6,5文献 则采用多晶电阻和MOS管电阻并联的结构,通过控制MOS管栅极电压,改变其等效电8,7阻,进而改变并联阻值。这种结构的VGA 动态范围大,工作稳定。但由于输出节点通常是放大器的主极点,因此,输出电阻的变化将导致带宽的变化。增益越高,带宽越小。另一种方法是改变放大器的等效跨导,或者说改变流入负载电阻的交流信号电流的大小。图1是Gilbert结构的电路。图中, 和 为输入

11、管, 为耦合管,电压 控制1M236MCV耦合电流的大小,起改变增益的作用。安徽大学本科生毕业论文 可变增益放大器的设计与实现21I 2I3M 5 6M 4cV1in 1 2 2inV图1： Gilbert结构的VGA图2的放大器称为使用源极负反馈电阻的VGA,它也是一种改变等效跨导的电路。设输入管的跨导为 ,在源极负反馈电阻 的作用下,放大器的等效跨导变成(2)式,放大器mgdegR的增益可用(3)式计算。改变负反馈电阻 的值,可以实现增益变化。不过,通常把它看成增益由电阻比值决定的放大器。(2)deg1RGm(3)degeLoaLoamginLoadRLoadR1outV1M2 1outV

12、1inLoadR2in图 2： 使用源极负反馈 电阻的 VGA安徽大学本科生毕业论文 可变增益放大器的设计与实现3在闭环结构VGA 中,最常见的是基于运算放大器、使用电阻反馈网络的放大器。图3所示是一个基于电压运算放大器的全差分放大器。当使用理想运算放大器时,其增益等于两个电阻的比值,如(4)21RGain改变电阻,即可实现增益变化。如果电阻 可变,它会影响输入、输出节点的极点,使放大2器的带宽发生变化;如果电阻 可变,它对前级将形成变化的负载效应,需要增加缓冲电路1R来隔离。和开环VGA相比,闭环VGA使用负反馈结构,性能稳定。它的增益取决于电阻之比,线性度较高。在适当的设计下,它可以实现端

13、到端的输入输出,信号动态范围大。然而,对运算放大器高增益、大带宽、低噪声、低失真的要求,使得电路设计比较复杂,功耗相对较高。而且,由于运算放大器自身的限制,难以实现宽带VGA。文献 使用了电压运算放10,9大器,文献 则使用电流放大器,构造了电流型反馈结构VGA。122R1inV opam outV1R 2 图3： 闭环结构的VGA23 增益控制 目前有两种方法可以实现自动增益控制AGC电路,它们分别是模拟电路AGC和数字电路AGC。对于宽带系统,设计高性能模拟AGC电路是困难和复杂的。随着CMOS技术的发展,数字化AGC电路可以提供一个比较好的解决方案。通常情况下,一个数字AGC电路包含在基

14、带DSP芯片中,这导致基带DSP不得不抽出一部分精力完成AGC的工作,而基带DSP的本职工作是基带信号处理。因此,当数字AGC电路从基带DSP分离出来时,AGC和DSP可以专注于它们各自的工作,这种分离也有效地降低了部件相关性。独立的闭环AGC电路能够重新移植给安徽大学本科生毕业论文 可变增益放大器的设计与实现4另一应用系统而无需任何改动。可编程输出电压提高了VGA的通用性,使得VGA能够很好的适应不同应用解决方案的动态范围。基于这种想法,设计并实现了一个具有数字AGC电路的闭环VGA。图4给出了这种闭环VGA的结构。in outA ACFilter /Digtalouhangpum igta

15、lAGC onfiure图 4： 具有数字 AGC 的闭环 VGA 结构24 指数增益控制本节介绍了一种单级宽增益范围CMOS可变增益放大器。 同时为实现增益与控制电压的dB 线性,利用MOSFET 的亚阈值特性及差分对转移特性设计了指数电压转换电路。 文章给出了电流调节型可变增益放大器的基本结构及为减小非线性失真而设计的优化方案;图5是放大器的整体结构,增益由可变增益单元与固定增益放大器级联完成, 耦合电容用来消除级间失调, 指数电压转换电路完成增益与外部控制电压的dB 线性。可变增益单元 固定增益单元输入 输出CV外部控制电压 指数电压转换电路图5：CMOS 可变增益放大器整体结构框图安徽

16、大学本科生毕业论文 可变增益放大器的设计与实现5DVDVRROUT _OUTinV1M234M_inVCaI56bI_CS图6： 电流调节型CMOS 可变增益单元利用双信号支路相加或相减实现增益调节在Bipolar工艺中得到广泛应用,本文提出一种类似于Gilbert 型模拟乘法器的电流调节型可变增益单元,或称之为信号相减型栅极驱动可变增益放大器,如图6 所示。 图中 为输入信号, 为控制信号。 放大器的等效inVCV跨导可以表示为:(5)(bamIG其中 a 为与 尺寸及工艺相关的常数; 与 为两个信号支路的尾电流1M4 abI大小, 且 。为避免增益相位翻转, 必须始终大于或小于0。 假定

17、0 ,SbIICVCV即 始终大于 。 则最大增益位于尾电流 全部流过 时,即 = ; 最小增益发生a SI5MaIS在 和 电流几乎相等时, 即 。 设最小增益处 和 分别为 和56 baI5.b.minaI,由于输出阻抗不变, 由(5) 式可得, 放大器的增益控制范围可以表示为:.maxbI(6)max.in.min.axlg20lg20)( basIIGdBDR如果考虑最小增益时两个信号支路尾电流之差为 I ,需要注意的是 I 不能小于双信号支路的等效失配电流, (6) 式改写为:安徽大学本科生毕业论文 可变增益放大器的设计与实现6(7)SSS IIIdBDR 21lg02lg20)(从

18、上式看出,图6 中可变增益放大器的增益范围由尾电流和失配因子大小决定,在我们的设计中, 约为2 %,带入(7) 式增益控制范围为37dB。SI基本结构的VGA 单元存在很多的性能缺陷,主要体现在大信号输入时电路线性度恶化,以及尾电流调节支路带来的增益控制不稳定等问题。 实际上,VGA 最小增益对应于最大的输入信号功率,失真引起的信号非理想性远比电路输出噪声带来的影响要大。 电路的输出三阶互调失真表示为 :(8)2134XaIM式中 IM3 定义为等幅正弦信号 X ( sin 1 t +sin 2 t) 在电路输出端引起的2 1 2 或2 2 1 失真与基频分量 2 或 1 的比值。 根据上式,

19、 IM3 失真随着输入信号幅度成平方增长。 为保持V GA 输出恒定,有 , 和 分别为VGA最max1inlhX1lah小和最大增益,则VGA 在最小和最大增益处的三阶互调失真之比为:(9)32minax132min13axminax4DRXXIMhllhlhl 式中 和 分别对应于VGA 最小和最大增益处输出信号的三阶项系数;DR 为VGA 增益变3lah化范围,即 。 根据(9) 式,为保持放大器三阶互调失真性能在最差情况下满足要求,最1l好情况下的IM3将远大于设计要求。 如果认为 在两种极限增益下变化范围与 相当,则3a1a。 为了补偿由于电路不同工作状态引起的性能差异,同时减小性能2maxin3()IMIDR的过度余量(性能的过度余量意味着更大的功耗和面积等设计代价) ,需要优化图示的VGA 在大信号输入情况下,即小增益处的非线性失真。