【文章內(nèi)容簡介】 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 （共 26 頁） 可變增益放大器的研究 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。可變增益放大器通常輸出給模數(shù)轉換器（ 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。 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 接收器的關鍵模塊，其設計技術的研究一直是 RF 集成電路的熱點。眾多設計技術和新穎電路結構都是圍繞可變增益放大器各項性能展開的。可變增益放大器需要在增益范圍、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)傳輸和轉換、通信領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都在進行各種結構的可變增益放大器 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， C． Srinivasan 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的關系。 2020 年， Abdelfattah K. M 采用 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)關系。用軟件仿真，結果顯示其增益動態(tài)范圍可以達到 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反饋的可變增益放大器的研究 第 2 頁 （共 26 頁） 電路結構來實現(xiàn)了增益 dB 線性的可變增益放大器。 2020 年， Yuanjin Zheng 等人采用 工藝設計出增益范圍 60dB 的 VGA， 帶寬大于 10MHz。并構造了一種新穎的指數(shù)控制電路實現(xiàn)增益 dB 線性特性。 2020 年，王自強、池保勇、王志華等人基于 TSMC CMOS 工藝設計實現(xiàn)了一款動態(tài)范圍在 0～ 40dB；在負載為 5pF 電容，帶寬大于 340MHz；輸出的三階互調(diào)截點在 以上的可變增益放大器 2020 年，惲廷華、唐守龍、時龍興等人基于 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。測試結果表明該放大器的 動態(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 工藝實現(xiàn)了動態(tài)范圍為 ～ 的 增益 dB 線性的可變增益放大器 2020 年， YongJu Suh 等人設計了用于三波段 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。 2020 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)結構實現(xiàn)一個 0～ 30dB 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 ， IIP3 在 0dB 增益時達到了 31dBm，電流功耗為 3mA。 2020 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 頻率點只有 。 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?？勺冊鲆娣糯笃鞯脑O計基礎 第 3 頁 （共 26 頁） 2 可變增益放大器的設計基礎 自動增益控制環(huán)路基礎 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)字信號處理技術的發(fā)展， 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)轉換器轉換成數(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]。 可變增益放大器的研究 第 4 頁 （共 26 頁） 圖 2 數(shù)字自動增益控制框圖 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。 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： （ 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= （ 3） 可變增益放大器的設計基礎 第 5 頁 （共 26 頁） 式中， 輸入信號功率， 為輸入噪聲功率， 為輸出信號功率， 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= = （ 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。 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，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]。 可變增益放大器的研究 第 6 頁 （共 26 頁） 通常一個非線性系統(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 在全差分電路結構中，對稱的差分結構可以消除偶次諧波，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： 可變增益放大器的設計基礎 第 7 頁 （共 26 頁） 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： (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接折中。 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，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，這種關系可變增益放大器的研究 第 8 頁 （共 26 頁） 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構的不同，可以使用不同的方法來加強系統(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 共柵結構，但這在低供電電壓時會限制電壓裕度，其它的技術比如電容補償可以用來提高多級放大器的帶寬，增益增強技術可以用來提高放大器的增益，上述方法都可以用于設計 VGA。 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