可变增益放大器的设计毕业论文(编辑修改稿)

可变增益放大器的设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

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。 前言 第 1 页 （共 26 页） 可变增益放大器的研究 1 前言 课题意义 由于在大自然的空气中存在着各种不可预测的干扰因素，故接收机接收的外部信号的强弱会有不同。 为了提高接收效果，一般的通信接收系统都会采用自动增益控制电路，而可变增益放大器 (Variable Gain Amplifier, VGA)是自动增益控制电路的核心部件。 它起着改变系统增益，调整系统各级动态范围并进行功率控制的作用。 可变增益放大器通常输出给模数转换器（ Analog to Digital Convertor,ADC），可变增益放大器必须满足 ADC 性能要求，由此可见可变增益放大器的优劣对通信接收系统的性能有非常大的影响。 因此可变增益放大器在各种需要进行自动增益控制的系统中应用广泛。 可变增益放大器的发展现状和趋势 可变增益放大器作为 RF 接收器的关键模块，其设计技术的研究一直是 RF 集成电路的热点。 众多设计技术和新颖电路结构都是围绕可变增益放大器各项性能展开的。 可变增益放大器需要在增益范围、线性度、功耗、噪声等性能之间做折中，应用系统不同对各项性能的要求亦不同。 由于 VGA 在数据传输和转换、通信领域等方面的重要作用，对 VGA 进行多方面的研究意义重大 [1]。 世界上许多高校和研究机构都在进行各种结构的可变增益放大器 研究和开发。 从他们的研究成果中，我们可以了解到 VGA 的发展动态。 1996 年， C． Srinivasan 等人设计的 VGA 具有 15dB 到 40dB 的增益控制范围带宽为 80MHZ，功耗为 30mW。 该设计是利用工作在线性区的 MOS 管作为并联反馈部分来调节增益，电路增益与控制电压是成反相关的关系。 2020 年， Abdelfattah K. M 采用 CMOS 工艺设计了一种新型的 VGA，使电路在较宽的范围内满足近似指数关系。 用软件仿真，结果显示其增益动态范围可以达到 50dB，供电电压为 ，功耗小于 . 2020 年，郑吉华、李永明、陈弘毅等人采用函数近似的方法利用源极负反馈的可变增益放大器的研究 第 2 页 （共 26 页） 电路结构来实现了增益 dB 线性的可变增益放大器。 2020 年， Yuanjin Zheng 等人采用 工艺设计出增益范围 60dB 的 VGA， 带宽大于 10MHz。 并构造了一种新颖的指数控制电路实现增益 dB 线性特性。 2020 年，王自强、池保勇、王志华等人基于 TSMC CMOS 工艺设计实现了一款动态范围在 0～ 40dB；在负载为 5pF 电容，带宽大于 340MHz；输出的三阶互调截点在 以上的可变增益放大器 2020 年，恽廷华、唐守龙、时龙兴等人基于 CMOS 工艺采用跨导线性 化原理实现了一种具有增益 dB 线性的可变增益放大器。 测试结果表明该放大器的 动态范围 8～ 48dB，最大增益值处的噪声系数是 ，差分输出摆幅为 1V 的 三阶互调，失真小于 60dBc。 2020 年，郭峰、李智群、陈东东、李海松、王志功等人采用 TSMC RF CMOS 工艺实现了动态范围为 ～ 的 增益 dB 线性的可变增益放大器 2020 年， YongJu Suh 等人设计了用于三波段 WCDMA 的 VGA，在 800MHz 下动态范围大于 100dB，在 2GHz 下动态范围大于 84dB。 通过两级 放大器实现了宽动态范围，并设计了新颖的电压 电流指数控制电路，在 800MHz 下的最大输出功率为7dBm。 2020 年，李丹、闫涛涛、陈东坡、周建军等人采用电阻负反馈的放大器闭环结构实现一个 0～ 30dB 动态范围的可变增益放大器，该可变增益放大器的带内纹波小于 ， IIP3 在 0dB 增益时达到了 31dBm，电流功耗为 3mA。 2020 年，曲明、檀柏梅、赵毅强、姜俊伟、李瑞杰等人对传统的可变增益放大器进行了优化设计，改进并采用相关双采样的功能，芯片面积减少约 5l％，功耗降低约 27％，带宽为 ，噪声在 1MHz 频率点只有。 从以上国内外的研究成果中我们可看出，目前 VGA 的研究大部分是基于 CMOS 工艺，且研究重点集中在了以下这三个方面： CMOS 工艺下宽范围的指数控制电路、宽增益动态范围的增益模块以及高线性度的可变跨导。 国内的研究进展与国外相比还存在较大的差距，为此，展开高性能 VGA 的研究很有必要。 可变增益放大器的设计基础 第 3 页 （共 26 页） 2 可变增益放大器的设计基础 自动增益控制环路基础 在无线通信系统中，天线收到的信号可能是强度不同的信号，并且变化的范围很大，对于这种强度变化范围很大的信号，要做到正确的解调，必须根据信号的强度的不同实时的调整增益，使输出信号强度维持稳定。 自动增益控制环路 (AGC Automatic GainControl)就是实现这种功能的电路。 AGC 的主要模块是可变增益放大器，如图 1 所示，给出了自动增益控制环路的框图，可变增益放大器的输入端是一个增益可控的输入端，增益控制输入端信号控制它的增益；峰值检测器对 可变增益放大器输出信号的包络进行检波，检波后的信号通过低通滤波器进行滤波，然后将 VGA 的输出信号幅度的平均值送入比较器中，与参考电平进行比较，再根据比较的结果对 VGA 的增益进行调整，使输出信号的幅度保持恒定。 图 1 自动增益控制环路框图 随着数字信号处理技术的发展， AGC 环路也可以通过数字信号来控制，如图 2 所示，给出了数字自动增益控制环路的框图。 VGA 的输出信号通过模数转换器转换成数字信号，在数字域中判断信号的强度，并产生数字增益控制字对 VGA 增益进行控制 [2]。 可变增益放大器的研究 第 4 页 （共 26 页） 图 2 数字自动增益控制框图 VGA 的性能参数 VGA 的主要功能是实现增益变化 ,相应指标有增益变化范围、增益变化步长和增益变化精度。 此外，还包括电源电压、功耗、带宽、线性、噪声、输入输出信号动态范围等，与固定增益放大器相比 VGA 设计中需要考虑增益变化对其他性能的影响。 噪声 噪声是一种无规则变化的电流或电压所表征出来的起伏现象，当加载信号时，会导致信号中的信息量减少。 噪声可根据噪声源分为两大类：内部噪声和外部噪声。 内部噪声是指通信系统中的内部电路噪声；外部噪声则是从系统外界传入的噪声。 对于接收机设计而言，内部电路产生的噪声是主要研究对象。 电路中的噪声可以看作是由电路中的噪声源产生的随机信号，通常采用功率谱密度 PSD(PowerSpectral Dens)表征随机信号的特性，电路中电流或电压的波动通常导致信号中带有噪声，直流电流或直流电压实际上是由理想的直流信号和波动的交流信号组 成的。 为了能够利用交流电路理论计算电路的噪声功率，通常定义噪声电压或电流产生器为： （ 1） （ 2） 式中 分别表示的是直流电流和直流电压的功率谱密度函教。 后面阐述的器件噪声模型 主要是定义了各自的噪声电压 产生器 Vn 或 噪声电流产生器。 噪声系数描述信号在通过电路时的信噪比 SNR 的 衰减程度，噪声系数定义为输入信噪比与输出信噪比之间的比值，即： NF= （ 3） 可变增益放大器的设计基础 第 5 页 （共 26 页） 式中， 输入信号功率， 为输入噪声功率， 为输出信号功率， 为输出噪声功率。 NF 通常采用 dB 对数形式。 对于一个二端口网络而言，噪声系数可表示为： NF= = （ 4） 也即是说，噪声系数指的是系统总输出噪声与仅由于输入噪声引起的输出噪声之间的比值。 对于可变增益放大器来说，由于电路的增益 G 是在一定的范围内变化，根据式（ 4）如果电路输出噪声 No 保持不变，则 NF 随 G 成反比变化，即高增益处放大器增益噪声系数是最小的，而在最小增益处 VGA 的噪声系数是最大的。 图 3 典型可变增益放大器噪声系数随控制电压的变化曲线 图 3 表示的是一种典型 NF 随 VGA 增益控制电压的变化而变化的曲线，其中电路增益与控制信号成正比。 由于 VGA 在最大增益处的输入信号功率最小，此时噪声对电路的 SFDR 影响最大．因此设计过程中一般都会给出 VGA 在最大增益处的噪声系数的指标，如图 3 中在最大增益处的噪声系数最小大约为 9dB。 线性度 电路的线性度是 VGA 的另一个重要性能。 线性度表征了系统加在输入信号上的非线性失真。 在许多电路设计中，为了简化小信号响应，非线性系统被看作直流工作点上的线性电路。 但是，当 AC 信号变大时，晶体管的直流工作点发生改变，非线性失真将变得显著，线性度的值决定了电路能够承受的最大输入信号功率 [3]。 可变增益放大器的研究 第 6 页 （共 26 页） 通常一个非线性系统可以表示为： （ 5） 其中 y 是输出， x 是输入， a a a3…… 是多项式系数。 通常我们用 1dB 压缩点来衡量电路的非线性。 1dB 压缩点定义为系统的功率增益比理想的线性功率小 1dB 时输入输出的信号功率，如图 4 所示： 图 4 1dB点输入输出信号功率 当两个频率的间隔非常小 的信号加到非线性系统上时，两个信号的高次谐波 就 会使得输出信号中包含 着不想要的分量，成为交调成分。 这些交调项离基波非常近，会导致了失真，如图 5 所示： 图 5 三阶互调示意图 在全差分电路结构中，对称的差分结构可以消除偶次谐波，电路中最重要的交调失真是三阶项。 对于小信号，一阶项远远大于交调项，尽管如此，当输入信号的幅度增加时，三阶交调项以三次方的速度增加，远远快于一阶交调项的增加。 三阶交调点定义为理想一阶输出曲线和两项三阶输出曲线的交点，如图 6 所示： 可变增益放大器的设计基础 第 7 页 （共 26 页） 图 6 三阶互调点 三阶交调点对应的输入信号的幅度为： (6) 最后一级子系统的非线性性能和增益对整个系统的影响最大。 与噪声相反的是，当最后一级增益增加时，线性度降低。 这表明为了满足设计要求，我们必须在线性度和噪声之间直接折中。 增益与带宽 级联系统的整体线性度和噪声是依赖于每一级的增益，因此，每一级增益的变化都会对整体的噪声和线性度造成相反的影响。 另外一个重要的参数是放大器的带宽，同样也与增益相关，式 (8)和 (9)分别给出增益和带宽方程 [4]。 (7) (8) 从方程（ 7）中可以看出，增加输出阻抗将增加增益，但是会降低放大器的带宽。 这表明，简单放大器中增益和带宽存在一个折中。 但使用复杂的放大器时，这种关系可变增益放大器的研究 第 8 页 （共 26 页） 也会变得更复杂，但是，增益和带宽总是相反变化的。 不同系统中对可变增益放大器的带宽要求是不同的，根据系统需求不同及所使用的放大器结构的不同，可以使用不同的方法来加强系统的增益和带宽性能。 多级放大器级联能够显著增加增益，但是会增加功耗，减小带宽。 为了达到低功耗的需求以及更好的频率响应可以使用共源 共栅结构，但这在低供电电压时会限制电压裕度，其它的技术比如电容补偿可以用来提高多级放大器的带宽，增益增强技术可以用来提高放大器的增益，上述方法都可以用于设计 VGA。 增益范围和增益步长 可变增益放大器与固定增益放大器的最大区别 是 增益控制范围和步长 ，为了实现恒 定的环路建立时间， 可变增益放大器 必须具有对数线性增益控制特性。 如图 7 所示： 图 7 VGA 的典型 dB线性增益控制特性 上图是增益连续变化型 VGA，现在运用较多的是数字可变增益放大器，增益范围和增益步长是增益控制特性的两个最重要的指标，增益范围是指可变增益放大器最大的增益与最小的增益之差。 现在 VGA 电路可以提供的增益，从 20dB 至 190dB。 一。