毕业设计论文可变增益放大器的设计

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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,介绍了用于无线数字通信,具有宽带

2、、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 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 可变增益放大器的设计实例及仿真结果9

5、31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 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、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

6、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

7、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

8、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。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

9、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导和等效输出电阻的乘积: (1)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。文献则采用多晶电阻和MOS管电阻并联的结构,通过控制MO

10、S管栅极电压,改变其等效电阻,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,和为输入管,为耦合管,电压控制耦合电流的大小,起改变增益的作用。 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,放大器的增益可用(3)式计算。改变负反馈电阻的值,可以

11、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) (3) 图2： 使用源极负反馈电阻的VGA 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)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,它可以实现端到端的输入输出,信号动

12、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大器,文献则使用电流放大器,构造了电流型反馈结构VGA。 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

13、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。 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

14、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 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

15、为输入信号,为控制信号。 放大器的等效跨导可以表示为: (5)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大小, 且。为避免增益相位翻转, 必须始终大于或小于0。 假定 0 ,即始终大于。 则最大增益位于尾电流全部流过 时,即=; 最小增益发生在和电流几乎相等时, 即。 设最小增益处和分别为和,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: (6)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: (7)从上式看出,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

16、的设计中,约为2 %,带入(7) 式增益控制范围为37dB。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)式中IM3 定义为等幅正弦信号X ( sin1 t +sin2 t) 在电路输出端引起的21 2 或22 1 失真与基频分量2 或1 的比值。 根据上式, 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最小和最大增益,则VG

17、A 在最小和最大增益处的三阶互调失真之比为: (9)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。 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。25高性能可变增益放大器在无线数字通信中,信号带宽越来越宽,要求增大VGA带宽;信号调制方式越来越复杂,要求提高

18、VGA线性度;通信持续时间越来越长,要求降低VGA功耗。随着CMOS工艺的发展,MOS管沟道长度缩小,要求VGA电源电压下降。同时,若保持VGA动态范围不变,则要求VGA 噪声减小。因此,当前VGA的设计正朝着宽带、高线性、低噪声、低压、低功耗的方向发展。这一节对各种高性能VGA的设计进行了讨论。当接收机前端采用多级下变频结构时,第一级中频频率可能在百MHz以上。这对VGA 的设计是一种挑战。闭环结构的VGA由于难以实现高增益、大带宽的运算放大器,它们的带宽较窄。一般使用开环电路来设计宽带VGA。为了提高带宽,可以减小负载电阻或电容,这意味着需要大偏置电流,或降低VGA带负载能力。文献等设计的

19、VGA带宽都在200MHz以上,但它们的功耗都超过了20mW,基本上是用功耗换取带宽。文献用MOS管、电容和电流源构造了有源负载,它在高频下等效为感性阻抗,从而增大了带宽。文献分析了共源共栅结构放大器的高频特性,并采用有源反馈的方法,使得CMOS管从共栅形式转化为准共源形式,补偿了高频下阻抗的下降,在低功耗下增加了带宽。在接收机后级,VGA处理大信号,提高信号线性,降低失真是主要目标。公式(1)是开环放大器增益的基本表达式,由于跨导Gm的非线性,输出信号失真较大。为了提高输出信号的线性,要尽量使增益和跨导的绝对值无关。图4使用源极负反馈电阻的VGA,其增益近似等于负载电阻和源极负反馈电阻的比值

20、。因为非线性跨导相对较小,所以,输出信号的线性度大大提高。这一结构适合处理大信号,具有较高的线性。但从公式(3)看到,为了减小跨导的影响,源极负反馈电阻要足够大,而为了获得高增益,相应的负载电阻就要更大。这样,造成电路噪声增加,带宽下降。文献采用跨导增强技术提高输入管的跨导,减小它在(3)式中的影响,达到提高线性的目的。再从另一个角度分析(1)式的增益表达式。尽管输入管跨导绝对值的线性度差,但是,如果增益能表示为输入管跨导与负载管跨导的比值,那么,输出信号的线性同样可得到提高。另外,因为负反馈电路具有稳定输出,降低非线性失真的作用,所以,使用负反馈的VGA,其线性度都比较高。第三章 可变增益放

21、大器的设计实例及仿真结果在射频集成电路中，由于各种因素的影响，天线从外部接收到的信号强度变化很大，将会引起信号的衰减。因此需要在射频前端或者变频后的中频端采用可变增益放大器（Variable Gain Amplifier , VGA）电路。本文设计的VGA主要用于数字电视机顶盒中的高频调谐器。对于模拟的VGA可以用MOS管可变电阻作为差分输入的源级负反馈，以达到增益变化的控制。从而实现低噪声、低失真的目标，但以MOS管作为可变电阻，在低功率工作时，其电阻和寄生电容降低了高频增益控制范围。采用三级可变跨导式可变增益放大器，其原理是通过改变MOS管偏压电流达到控制增益变化的目的。它可以实现良好的增

22、益dB-线性控制，但是在低增益时其频响差，为达到低噪声，MOS管的乘法因子N必须大，因此不适合在高频段工作。更多的是运用Gilbert单元实现可变增益放大器，该结构利用造成两个负载差分对之间的开关转换以达到控制增益的目的。另外，跨导电路是将输入端的射频电压信号转变成电流信号。其优点就是可以实现低噪声、低失真，可以在高频段工作。缺点就是由于电流增益与控制电压的数学关系，需要相关电路配合以实现增益dB-线性控制能力。本例在这种结构的基础上构造了一个简单的电路实现近似的指数控制电路，仿真结果表明设计的VGA具有较好的性能。31指数控制电路在自动增益控制（AGC）系统中，为了使总回路的增益响应时间与输

23、入信号幅度无关，一般将VGA的增益设计成与控制电压成指数的关系。而在CMOS工艺中没有可以产生指数函数的本征器件，一般通过在CMOS工艺中兼容双极型管或者通过分段近似指数函数实现，但这种方法的缺点是分段函数的导数是不连续的，且电路设计的难度很大。本设计采用构造一个函数来近似指数函数，此函数是： (10） 如图7所示，这是指数控制电路。为保证管工作在饱和区，控制电压必须保持在的范围内。M1M5M6M2M4M3图7： 控制电路原理图从图中可以得到管的漏极电流为 （11） （12），。经过推导可以得到 （13） （14）假设而且，从（13）式和（14）式可以得到的比值是： （15）此式是控制电压的函

24、数，与（14）式比较可以得出，。由于在（15）式中是假设，而实际上选择，那么控制电压的范围是在之间。这种情况下，在（15）式中的关系依然成立。常量的变化，可以通过改变（15）式中的偏置电流或者晶体管的尺寸大小来实现。因此这就会导致不同的增益变化范围。本文是通过选择一个片外电阻来实现。图8是产生偏置电流的电路图，可以得到偏置电流为 （16）式中是比例因子。这样，由控制电路产生的和控制电压成dB-线性关系。将其接到放大电路的一端作为控制信号，实现增益的控制。M8M14M13M10M9M11M12图8： 的产生电路原理图32放大电路图9是实现VGA所采用的放大电路原理图，并且包含了共模反馈电路。该放

25、大器包含一个输入共源差分对（）和二极管连接的负载（）。控制电路图7中的电流M22M21M17M18M19M20M25M28M27M26M15M16M24M23可变增益电路共模反馈电路图9： VGA主体电路原理图通过晶体管分别镜像到图9中的 和。因此，可以得到这个VGA的差分增益为 （17） 其中是的跨导，是的跨导。所以差分增益与之间的关系是 （18） 因此由（18）式可以看出，只要调节偏置电流，就能达到最优的增益动态范围。如前所述，改变外部电阻即可调节发生变化。所以，这种结构的VGA可以通过调节外部电阻而使得总的增益发生变化。在该电路中，增加了共模反馈以起到阻止晶体管工作在线性区并检测两个输出

26、端的作用。33仿真结果该电路设计采用Chartered 0。35umCMOS工艺，仿真工具是Mentor公司的模拟射频电路仿真工具Eldo/Eldo RF，电源电压是3。3V。仿真结果如下：增益动态范围（=0。7V2。3V）约30dB，频率范围是46MHz268MHz。噪声系数10dB（输入输出阻抗为50），输入三阶交调IIP3在最大增益处为-32dBm，最小增益处为-2dBm。图10给出了和成dB-线性关系的曲线图，图11给出了VGA的增益变化范围。图10 ： 和成dB-线性关系图 图11： 增益变化范围 34 结论本例采用0.35um CMOS工艺设计了一种适用于DVB-C标准的高频调谐器

27、中的可变增益放大器，运用Mentor公司的Eldo工具对其进行了仿真，电路的增益动态范围约为30dB ,带宽为46MHz267MHz ,功耗为4.63mW。放大器的性能与设计参数吻合较好,可以应用在数字有线电视接收机的中频段以协同完成射频到中频的调谐放大功能。第四章 结束语可变增益放大器是十分重要的模拟电路之一。它在模拟前端中起着调节增益,稳定输出,降低后级电路输入信号动态范围的作用。它在不同应用场合需要满足大带宽、高线性、低压低功耗等不同要求。因此,研究可变增益放大器的设计具有十分重要的意义。以上的各种实现方法，有些已在实践中得到成功应用，这些不同种类的可变增益放大器在性能特点、增益的改变方

28、式、电路实现的难易程度等方面各有不同，在具体选用时应综合考虑其中的主要因素。还可以通过增加附属电路的办法。进一步提高放大器的某一项或少数几项性能指标，以满足某些应用场所的特殊需要。 主要参考文献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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30、10MHz70dBCMOSvariablegainamplifierA.ISCASC.Orland,FL,USA.1999.628-631.6Mostafa M A I,Embabi S H K,Elmala M A I.A 60dB,246 MHz CMOS variable gain amplifier for subsampling GSM receivers A.ISLPEDC.California,USA.2001.117-122.7Youn Y-S, Choi J-H, Cho M-H, et al .A CMOS IF tranceiver with 90 dB linear c

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32、peedenhanced DC off set cancellation A.ASICC.Rochester,NY,USA.2002.133-136.10Sanz M T ,Calvo B , Celma S ,et al. A digitally programmable VGA A.MWSCAS C.Dayton, Ohio,USA.2001.602-605.11Hsu C-C, Wu J-T.A highly linear 125 MHz CMOS switched-resistor programmable-gain amplifier J.IEEEJSolStaCirc,2003,3

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36、 amplifier for low voltage and low power wireless applicationsJ.ElecLett,2003,39(10):759-76019Koh K-J,Youn Y-S,Yu H-K.A gain boosting method at RF frequency using active feedback and its application to RF variable gain amplifier (VGA)A.ISCASC.Phoenix-Scottsdale,Arizona,USA.2002.89-92.20RijnsJJF. CMO

37、 Slow-distortion high-frequency variable-gain amplifier J. IEEE Jsol Sta Circ ,1996, 31 (7):1029-1034.21电子放大器的理论和设计佩提 ， 麦克霍特 著 ；柴振明 译ISBN：722 73.4557322放大电路实用设计手册段九州 主编；ISBN：722 73.763致谢本论文是在导师吴秀龙老师的悉心指导而后热情关怀下完成的。吴老师广博的专业知识，严谨的治学态度和孜孜不倦的治学精神使我收益非浅。他一贯要求我们严谨求学，努力培养我们自身的创新能力，同时要求我们培养成对科学研究的求实态度。在这一学期的学习中，吴老师给予的指导，教诲，鼓励和帮助不仅使我学业上取得了长足的进步，而且锻炼了我的自学能力，培养了我创新的思想，提高我的综合素质。在此向吴老师致以崇高的敬意和深深的感激之情。 2007年5月