【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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 頁(yè) （共 26 頁(yè)） 可變?cè)鲆娣糯笃鞯难芯? 1 前言 課題意義 由于在大自然的空氣中存在著各種不可預(yù)測(cè)的干擾因素，故接收機(jī)接收的外部信號(hào)的強(qiáng)弱會(huì)有不同。為了提高接收效果，一般的通信接收系統(tǒng)都會(huì)采用自動(dòng)增益控制電路，而可變?cè)鲆娣糯笃?(Variable Gain Amplifier, VGA)是自動(dòng)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(jí)動(dòng)態(tài)范圍并進(jìn)行功率控制的作用?？勺?cè)鲆娣糯笃魍ǔ］敵鼋o模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ Analog to Digital Convertor,ADC），可變?cè)鲆娣糯笃鞅仨殱M(mǎn)足 ADC 性能要求，由此可見(jiàn)可變?cè)鲆娣糯笃鞯膬?yōu)劣對(duì)通信接收系統(tǒng)的性能有非常大的影響。因此可變?cè)鲆娣糯笃髟诟鞣N需要進(jìn)行自動(dòng)增益控制的系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。 可變?cè)鲆娣糯笃鞯陌l(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì) 可變?cè)鲆娣糯笃髯鳛?RF 接收器的關(guān)鍵模塊，其設(shè)計(jì)技術(shù)的研究一直是 RF 集成電路的熱點(diǎn)。眾多設(shè)計(jì)技術(shù)和新穎電路結(jié)構(gòu)都是圍繞可變?cè)鲆娣糯笃鞲黜?xiàng)性能展開(kāi)的。可變?cè)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(yīng)用系統(tǒng)不同對(duì)各項(xiàng)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(duì) VGA 進(jìn)行多方面的研究意義重大 [1]。 世界上許多高校和研究機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行各種結(jié)構(gòu)的可變?cè)鲆娣糯笃? 研究和開(kāi)發(fā)。從他們的研究成果中，我們可以了解到 VGA 的發(fā)展動(dòng)態(tài)。 1996 年， C． Srinivasan 等人設(shè)計(jì)的 VGA 具有 15dB 到 40dB 的增益控制范圍帶寬為 80MHZ，功耗為 30mW。該設(shè)計(jì)是利用工作在線性區(qū)的 MOS 管作為并聯(lián)反饋部分來(lái)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。 2020 年， Abdelfattah K. M 采用 CMOS 工藝設(shè)計(jì)了一種新型的 VGA，使電路在較寬的范圍內(nèi)滿(mǎn)足近似指數(shù)關(guān)系。用軟件仿真，結(jié)果顯示其增益動(dòng)態(tài)范圍可以達(dá)到 50dB，供電電壓為 ，功耗小于 . 2020 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(fù)反饋的可變?cè)鲆娣糯笃鞯难芯? 第 2 頁(yè) （共 26 頁(yè)） 電路結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)了增益 dB 線性的可變?cè)鲆娣糯笃鳌? 2020 年， Yuanjin Zheng 等人采用 工藝設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)增益 dB 線性特性。 2020 年，王自強(qiáng)、池保勇、王志華等人基于 TSMC CMOS 工藝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款動(dòng)態(tài)范圍在 0～ 40dB；在負(fù)載為 5pF 電容，帶寬大于 340MHz；輸出的三階互調(diào)截點(diǎn)在 以上的可變?cè)鲆娣糯笃? 2020 年，惲廷華、唐守龍、時(shí)龍興等人基于 CMOS 工藝采用跨導(dǎo)線性 化原理實(shí)現(xiàn)了一種具有增益 dB 線性的可變?cè)鲆娣糯笃?。測(cè)試結(jié)果表明該放大器的 動(dòng)態(tài)范圍 8～ 48dB，最大增益值處的噪聲系數(shù)是 ，差分輸出擺幅為 1V 的 三階互調(diào)，失真小于 60dBc。 2020 年，郭峰、李智群、陳東東、李海松、王志功等人采用 TSMC RF CMOS 工藝實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)范圍為 ～ 的 增益 dB 線性的可變?cè)鲆娣糯笃? 2020 年， YongJu Suh 等人設(shè)計(jì)了用于三波段 WCDMA 的 VGA，在 800MHz 下動(dòng)態(tài)范圍大于 100dB，在 2GHz 下動(dòng)態(tài)范圍大于 84dB。通過(guò)兩級(jí) 放大器實(shí)現(xiàn)了寬動(dòng)態(tài)范圍，并設(shè)計(jì)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。 2020 年，李丹、閆濤濤、陳東坡、周建軍等人采用電阻負(fù)反饋的放大器閉環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一個(gè) 0～ 30dB 動(dòng)態(tài)范圍的可變?cè)鲆娣糯笃?，該可變?cè)鲆娣糯笃鞯膸?nèi)紋波小于 ， IIP3 在 0dB 增益時(shí)達(dá)到了 31dBm，電流功耗為 3mA。 2020 年，曲明、檀柏梅、趙毅強(qiáng)、姜俊偉、李瑞杰等人對(duì)傳統(tǒng)的可變?cè)鲆娣糯笃鬟M(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)并采用相關(guān)雙采樣的功能，芯片面積減少約 5l％，功耗降低約 27％，帶寬為 ，噪聲在 1MHz 頻率點(diǎn)只有 。 從以上國(guó)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(diǎn)集中在了以下這三個(gè)方面： CMOS 工藝下寬范圍的指數(shù)控制電路、寬增益動(dòng)態(tài)范圍的增益模塊以及高線性度的可變跨導(dǎo)。國(guó)內(nèi)的研究進(jìn)展與國(guó)外相比還存在較大的差距，為此，展開(kāi)高性能 VGA 的研究很有必要?？勺?cè)鲆娣糯笃鞯脑O(shè)計(jì)基礎(chǔ) 第 3 頁(yè) （共 26 頁(yè)） 2 可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑O(shè)計(jì)基礎(chǔ) 自動(dòng)增益控制環(huán)路基礎(chǔ) 在無(wú)線通信系統(tǒng)中，天線收到的信號(hào)可能是強(qiáng)度不同的信號(hào)，并且變化的范圍很大，對(duì)于這種強(qiáng)度變化范圍很大的信號(hào)，要做到正確的解調(diào)，必須根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)度的不同實(shí)時(shí)的調(diào)整增益，使輸出信號(hào)強(qiáng)度維持穩(wěn)定。自動(dòng)增益控制環(huán)路 (AGC Automatic GainControl)就是實(shí)現(xiàn)這種功能的電路。 AGC 的主要模塊是可變?cè)鲆娣糯笃?，如圖 1 所示，給出了自動(dòng)增益控制環(huán)路的框圖，可變?cè)鲆娣糯笃鞯妮斎攵耸且粋€(gè)增益可控的輸入端，增益控制輸入端信號(hào)控制它的增益；峰值檢測(cè)器對(duì) 可變?cè)鲆娣糯笃鬏敵鲂盘?hào)的包絡(luò)進(jìn)行檢波，檢波后的信號(hào)通過(guò)低通濾波器進(jìn)行濾波，然后將 VGA 的輸出信號(hào)幅度的平均值送入比較器中，與參考電平進(jìn)行比較，再根據(jù)比較的結(jié)果對(duì) VGA 的增益進(jìn)行調(diào)整，使輸出信號(hào)的幅度保持恒定。 圖 1 自動(dòng)增益控制環(huán)路框圖 隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展， AGC 環(huán)路也可以通過(guò)數(shù)字信號(hào)來(lái)控制，如圖 2 所示，給出了數(shù)字自動(dòng)增益控制環(huán)路的框圖。 VGA 的輸出信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，在數(shù)字域中判斷信號(hào)的強(qiáng)度，并產(chǎn)生數(shù)字增益控制字對(duì) VGA 增益進(jìn)行控制 [2]。 可變?cè)鲆娣糯笃鞯难芯? 第 4 頁(yè) （共 26 頁(yè)） 圖 2 數(shù)字自動(dòng)增益控制框圖 VGA 的性能參數(shù) VGA 的主要功能是實(shí)現(xiàn)增益變化 ,相應(yīng)指標(biāo)有增益變化范圍、增益變化步長(zhǎng)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(hào)動(dòng)態(tài)范圍等，與固定增益放大器相比 VGA 設(shè)計(jì)中需要考慮增益變化對(duì)其他性能的影響。 噪聲 噪聲是一種無(wú)規(guī)則變化的電流或電壓所表征出來(lái)的起伏現(xiàn)象，當(dāng)加載信號(hào)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)中的信息量減少。噪聲可根據(jù)噪聲源分為兩大類(lèi)：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(duì)于接收機(jī)設(shè)計(jì)而言，內(nèi)部電路產(chǎn)生的噪聲是主要研究對(duì)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(jī)信號(hào)，通常采用功率譜密度 PSD(PowerSpectral Dens)表征隨機(jī)信號(hào)的特性，電路中電流或電壓的波動(dòng)通常導(dǎo)致信號(hào)中帶有噪聲，直流電流或直流電壓實(shí)際上是由理想的直流信號(hào)和波動(dòng)的交流信號(hào)組 成的。為了能夠利用交流電路理論計(jì)算電路的噪聲功率，通常定義噪聲電壓或電流產(chǎn)生器為： （ 1） （ 2） 式中 分別表示的是直流電流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(hào)在通過(guò)電路時(shí)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= （ 3） 可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑O(shè)計(jì)基礎(chǔ) 第 5 頁(yè) （共 26 頁(yè)） 式中， 輸入信號(hào)功率， 為輸入噪聲功率， 為輸出信號(hào)功率， 為輸出噪聲功率。 NF 通常采用 dB 對(duì)數(shù)形式。對(duì)于一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)而言，噪聲系數(shù)可表示為： NF= = （ 4） 也即是說(shuō)，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(duì)于可變?cè)鲆娣糯笃鱽?lái)說(shuō)，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?cè)鲆娣糯笃髟肼曄禂?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(hào)成正比。由于 VGA 在最大增益處的輸入信號(hào)功率最小，此時(shí)噪聲對(duì)電路的 SFDR 影響最大．因此設(shè)計(jì)過(guò)程中一般都會(huì)給出 VGA 在最大增益處的噪聲系數(shù)的指標(biāo)，如圖 3 中在最大增益處的噪聲系數(shù)最小大約為 9dB。 線性度 電路的線性度是 VGA 的另一個(gè)重要性能。線性度表征了系統(tǒng)加在輸入信號(hào)上的非線性失真。在許多電路設(shè)計(jì)中，為了簡(jiǎn)化小信號(hào)響應(yīng)，非線性系統(tǒng)被看作直流工作點(diǎn)上的線性電路。但是，當(dāng) AC 信號(hào)變大時(shí)，晶體管的直流工作點(diǎn)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(hào)功率 [3]。 可變?cè)鲆娣糯笃鞯难芯? 第 6 頁(yè) （共 26 頁(yè)） 通常一個(gè)非線性系統(tǒng)可以表示為： （ 5） 其中 y 是輸出， x 是輸入， a a a3…… 是多項(xiàng)式系數(shù)。 通常我們用 1dB 壓縮點(diǎn)來(lái)衡量電路的非線性。 1dB 壓縮點(diǎn)定義為系統(tǒng)的功率增益比理想的線性功率小 1dB 時(shí)輸入輸出的信號(hào)功率，如圖 4 所示： 圖 4 1dB點(diǎn)輸入輸出信號(hào)功率 當(dāng)兩個(gè)頻率的間隔非常小 的信號(hào)加到非線性系統(tǒng)上時(shí)，兩個(gè)信號(hào)的高次諧波 就 會(huì)使得輸出信號(hào)中包含 著不想要的分量，成為交調(diào)成分。 這些交調(diào)項(xiàng)離基波非常近，會(huì)導(dǎo)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(duì)稱(chēng)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(xiàng)。對(duì)于小信號(hào)，一階項(xiàng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于交調(diào)項(xiàng)，盡管如此，當(dāng)輸入信號(hào)的幅度增加時(shí)，三階交調(diào)項(xiàng)以三次方的速度增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于一階交調(diào)項(xiàng)的增加。三階交調(diào)點(diǎn)定義為理想一階輸出曲線和兩項(xiàng)三階輸出曲線的交點(diǎn)，如圖 6 所示： 可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑O(shè)計(jì)基礎(chǔ) 第 7 頁(yè) （共 26 頁(yè)） 圖 6 三階互調(diào)點(diǎn) 三階交調(diào)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)的幅度為： (6) 最后一級(jí)子系統(tǒng)的非線性性能和增益對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響最大。與噪聲相反的是，當(dāng)最后一級(jí)增益增加時(shí)，線性度降低。這表明為了滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，我們必須在線性度和噪聲之間直接折中。 增益與帶寬 級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的整體線性度和噪聲是依賴(lài)于每一級(jí)的增益，因此，每一級(jí)增益的變化都會(huì)對(duì)整體的噪聲和線性度造成相反的影響。另外一個(gè)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]。 (7) (8) 從方程（ 7）中可以看出，增加輸出阻抗將增加增益，但是會(huì)降低放大器的帶寬。這表明，簡(jiǎn)單放大器中增益和帶寬存在一個(gè)折中。但使用復(fù)雜的放大器時(shí)，這種關(guān)系可變?cè)鲆娣糯笃鞯难芯? 第 8 頁(yè) （共 26 頁(yè)） 也會(huì)變得更復(fù)雜，但是，增益和帶寬總是相反變化的。不同系統(tǒng)中對(duì)可變?cè)鲆娣糯笃鞯膸捯笫遣煌?，根?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(lái)加強(qiáng)系統(tǒng)的增益和帶寬性能。多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)能夠顯著增加增益，但是會(huì)增加功耗，減小帶寬。為了達(dá)到低功耗的需求以及更好的頻率響應(yīng)可以使用共源 共柵結(jié)構(gòu)，但這在低供電電壓時(shí)會(huì)限制電壓裕度，其它的技術(shù)比如電容補(bǔ)償可以用來(lái)提高多級(jí)放大器的帶寬，增益增強(qiáng)技術(shù)可以用來(lái)提高放大器的增益，上述方法都可以用于設(shè)計(jì) VGA。 增益范圍和增益步長(zhǎng) 可變?cè)鲆娣糯笃髋c固定增益放大器的最大區(qū)別 是 增益控制范圍和步長(zhǎng) ，為了實(shí)現(xiàn)恒 定的環(huán)路建立時(shí)間， 可變?cè)鲆娣糯笃?必須具有對(duì)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(yùn)用較多的是數(shù)字可變?cè)鲆娣糯笃?，增益范圍和增益步長(zhǎng)是增益控制特性的兩個(gè)最重要的指標(biāo)，增益范圍是指可變?cè)鲆娣糯笃髯畲蟮脑鲆媾c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